JPH03171603A - 超電導電磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、核磁気共鳴装置（以下、ＭＨＩ装置と略称
する）の超電導電磁石、特に漏れ磁場を超電導コイルで
打ち消す方式であるアクティブシールド形超電導電磁石
に関する． 〔従来の技術〕 第４図はＭＨＩ装置のアクティブシールド形超電導電磁
石の断面図である．この図において、図示の２方向が対
称軸の方向であり、この図はこの対称紬を含む面による
断面図である．主コイル１は壱枠４１に、アクティブシ
ールド１０は壱枠４２に巻回されており、巻枠４１と巻
枠４２の両側を側板４３で、壱枠４２の外径を外枠４４
が覆うことによって液体ヘリウム容器としての低温容器
４を構威している．液体ヘリウムを冷却媒体とした超電
導コイルが収納され極低温に保持されるための容器を一
般にクライオスタフトと呼ばれている．このクライオス
タントは低温容器４を最内容器とし、真空容器を最外層
容器として、この真空容器と低温容器４の間の空間が真
空に保持されるとことによって魔法瓶と同じ原理によっ
て低温容器４への外部空間からの熱侵入を最小にする構
戒が採用されている．真空容器や真空容器と低温容器４
との間に設けられる熱絶縁層はこの図では省略してある
． 主コイル１は軸方向に対称な３対のリングコイルからな
っており、リングコイル１１４と１１８　，　１２＾と
１２Ｂ　、１３＾と１３８とがそれぞれ対称であり、ア
クティブシールドｌＯも同様に２対のリングコイル１４
Ａ．　１４Ｂと１５＾，１５Ｂとからなっている，ＭＨ
Ｉ装置では高度に均一な静磁場が要求されるので、この
ように複数のリングコイル対の寸法、巻数及び配置を適
切に設定することにより、数ｐｐ麿という高度な均一性
を確保することのできる超電導電磁石とすることが可能
になる． 主コイルｌとアクティブシールド１０との磁気能率を絶
対値を一敗させ方向に逆にすると、外部に漏れ出す磁場
を最小にできることが知られており、実際にコイルに電
流を流して漏れ磁場が外部に漏れださないようにするこ
とから、磁気シールドとして使用されるコイルのことを
前述のようにアクティブシールドと呼ばれている． 保護抵抗２は壱枠４ｌの凸部に取付けられた支持具８に
支持されて主コイル１とアクティブシールド１０との間
の空間には配置されている．保護抵抗２は後述するよう
に、０．２■程度の薄いステンレス板を適当に成形して
所望の抵抗値と熱容量を持たせたもので、図示した保護
抵抗２の厚さは誇張しており、壱枠４ｌの内径寸法がｌ
ｍ程度であるから、実際の保護抵抗２の厚さは１本の線
よりも更に細い程度のものである． アクティブシールド１０が設けられない超電導ｔｕｆｆ
石の場合に比べてアクティブシール形超電導１ｔ磁石が
蓄積する磁気エネルギーは大きい値になるので、超電導
コイルが通電中に超電導状態から常状態に転移する現象
であるクエンチが生じたときに解放されるエネルギーが
大きいことから、このエネルギーを吸収するための保護
抵抗２の熱容量も大きいものとする必要がある．そのた
め、図示のように保護抵抗２の軸方向寸法を主コイル１
の軸方向寸法に近い寸法まで大きくとってある．主コイ
ル１とアクティブシールドｌＯとの間の空間は均一磁場
５を通る磁束の殆どが通る磁気回路であって、構造物を
収納するかめに設けた空間ではないので、この空間を利
用して保護抵抗２を始め永久でスイッチ３０もこの空間
に配直されている． 第５図は第４図のＡ−Ａ断面図である．この図において
、矢印で示すθ方向が周方向である．保護抵抗２の周方
向の寸法は角度にして９０度程度であり、全周にわたっ
て配置されてはいない．第６図は超電導電磁石の回路図
である．この図において、主コイル１とアクティブシー
ルド１０とは直列接続されて永久電流スイッチ３０で両
端を短絡れている．主コイルＩを構威するリングコイル
ＩＩＡ，　１２＾．１３＾．　ＩＩＢ．　１２Ｂ，　１
３Ｂ　，及びアクティブシールド１０を構戒するリング
コイル１４Ａ，１５Ａ，　１４Ｂ，　１５Ｂにはそれぞ
れ保護抵抗２１Ａ．　２２＾，２３Ａ，　２４Ａ，　２
１８．　２２Ｂ．　２３Ｂ．　２４Ｂが並列接続されて
いる．ただ、リングコイルＩＩＡと１２Ａをまとめて１
つの保護抵抗２！＾が、同様にしてリングコイルＩＩＢ
と１２Ｂとをまとめて保護抵抗２１Ｂがそれぞれ並列接
続されている． 超電導電磁石を励磁する際には、永久電流スイッチ３０
を「開」の状態にして電流リード７を介して図示しない
直流電源によって直流電圧を印加し、この電圧と主コイ
ルｌとアクティブシールドｌＯを包含した超電導電磁石
の自己インダクタンスとで決まる上昇速度で電流を上昇
させ、所定の電流になったところで電圧を零にするとと
もに永久電流スイッチを「閉」にする．主コイルｌ、ア
クティブシールドｌＯ１永久電流スイッチ３０とこれら
を接続するリードは全て超電導線からなっているので、
これらで形戒する閉回路の抵抗が実質的に零になること
から、この閉回路を流れる電流は数年の長い期間にわた
って流れ続ける．このような状熊を永久電流モードと呼
ばれており、閉回路を形戒するためのスイッチを前述の
ように永久電流スイッチと呼ばれている．電流リード７
は永久電流スイッチ３０を「閉」にした後取り外すよう
になっている． 第７図は保護抵抗２の右半分の斜視図であり、この図も
厚さ寸法を誇張して図示してある．二の図において、保
護抵抗２は図の左右の方向が超電導電磁石の軸方向に、
上下の方向が周方向になるように配置される．したがっ
て、超電導電磁石内に組み込まれた保護抵抗２は図のθ
方向は断面が第５図に示すように湾曲したものになる．
第４図の保護抵抗２の断面は第７図のＣ−Ｃ断面を表し
てある．保護抵抗は０．２一一程度の薄いステンレス板
の両側から切れ目を入れて波状に形威し適当な位置から
端子２５．２６．２７．２８．２９を引き出してある．
端子２５と２６の間が保護抵抗２１Ａになり、同じよう
にして、端子２６．２７間が保護抵抗２２Ａ８端子２７
．２８間が保護抵抗２３＾、端子２８．２９間が保護抵
抗２４＾となっている．それぞれの保護抵抗の抵抗値は
それぞれの端子の引き出し位置によって決まることにな
る．電流の流れる方向は主に図の上下方向になるので、
隣同士の板には反対方向の電流が流れることから自己イ
ンダクタンスの小さな構威となっている．これはクエン
チによって保護抵抗２に流れる電流が生起する磁場がま
だ超電導を維持している超電導線の超電導状態を破って
クエンチの波及を促進するような作用を生じさせないた
めである．保護抵抗２の抵抗値やジュール熱を吸収する
ための熱容量などの値は、超電導電磁石や永久電流スイ
ッチの仕様値によって決定され、これに基づいて使用材
料やその寸法が決定される．一般には前述のような材料
と厚さのものが使用されることが多い， 第８図は超電導線とその臨界債、並びに異なるリングコ
イルごとのロ゜−ドラインを示すグラフである．この図
において、横軸は磁束密度、縦輔は超電導線に流れる電
流値を表しており、１点鎖線で示す曲線１０１は比界温
度以下における超電導コイルの比界曲線であり、特に条
件を特定していないので横軸、縦紬とも目盛りは任意で
ある．直線１０２はリングコイル１４Ａ　のロードライ
ンである．ロードラインは超電導コイルに電流を流した
ときこの超電導コイル部の磁束密度と電流との関係を示
すもので、電流と磁束密度とは比例することから直線１
０２は原点を通る直線となる．同じようにして直線１０
３はリングコイルｌ３＾の、直線１０４はリングコイル
ｌ２＾のそれぞれロードラインを示すものである．リン
グコイル１４Ａは超電導電磁石の最外端にあるために磁
場が集中するために、同じ電流に対して他のリングコイ
ルに比べて最も大きな磁束密度になっており、次いでリ
ングコイル１３Ａの磁束密度が大きく、リングコイル１
２＾は超電導電磁石の中央部にあるので同じ電流に対す
る磁束密度の値は小さい．この図には図示していないが
、リングコイル１１＾や１５Ａの　ロードラインはロー
ドライン１０４よりも更に傾斜の急な直線になっている
．このようなそれぞれのリングコイルごとの磁束密度は
コンピュータによる磁場計算によって詳細に求めること
ができる．なお、インデックスＢを付けた第４図の左側
のそれぞれのリングコイルは右側に図示したしイッデッ
クスがＡのリングコイルと対称配置にあるので、イッデ
ックスを除いた番号が同じリングコイル同士の磁束密度
の値は同じであり、したがってロードラインも共通であ
る． 点線で示す直線１０５は超電導電磁石の定格電流■えを
示しており、直線１０２の交点での磁束密度Ｂ３はリン
グコイル１４Ａの運転時における磁束密度であり、同様
にして直線１０３と交差する点の磁束密度Ｂ！はリング
コイル１３Ａの、直線１０４と交差する点の磁束密度Ｂ
，ぱリングコイル１２Ａのそれぞれ運転時における磁束
密度である．曲線１０１と直線１０５との交点は電流■
．で超電導状態が破れて常電導状態に転移する比界の磁
束密度Ｂ４である．リングコイル１４＾の場合、運転中
の磁束密度Ｂ，は席界磁束密度Ｂ４よりも小さいから理
論上は超電導状態から常電導状履に転移するクエンチは
起こらないことを意味する．実際には、超電導線を巻回
し超電導コイルとしたときには種々の要因で臨界磁束密
度８４以下のときでもクエンチが起こることが知られて
おり、リングコイル１４Ａの磁束密度Ｂ，に対する臨界
磁束密度Ｂ４の比率はクエンチの起こりにくさの程度を
表すものである． 〔発明が解決しようとする課題〕 前述のように、第４図に示す超電導電磁石ではリングコ
イル１４Ａ及び１４Ｂが最もクエンチを起こしやすいリ
ングコイルである．仮に、リングコイルｌ４＾がクエン
チを起こしたとすると常電導状態での抵抗値になるが、
この抵抗値に対して並列接続されている保護抵抗２３Ａ
の抵抗値を小さく設定していてリングコイル１４Ａに流
れていた電流の一部をこの保護抵抗ｌ４＾に分流させる
ことによってリングコイルｌ４＾に発生する抵抗損を低
減して液体ヘリウムの蒸発による消費を減らすようにし
ている． ところで、保護抵抗２３Ａを含めて保護抵抗２に電流が
流れて抵抗損が発生すると当然保護抵抗２は温度が上昇
する．第４図に示すように保護抵抗２の先端はリングコ
イル１３Ａ及び１３Ｂの近傍にあり、しかも前述のよう
にリングコイル１３＾．１３Ｂはリングコイルｌ４＾，
１４Ｂの次にクエンチを起こしやすいリングコイルなの
で、保護抵抗２の温度がリングコイルｌ３＾．又は１３
Ｂに伝達されて超電導線の温度を上げてこのリングコイ
ル１３Ａ又は１３Ｂをクエンチさせる引き金になるとい
う現象が生ずる．保護抵抗２をそれぞれのリングコイル
ごとに並列に接続することによって、１つのリングコイ
ルがクエンチを起こしても他のリングコイルに波及しな
いよう構成しているにもかかわらず他のリングコイルに
波及するという問題が生ずる．この発明は、このような
問題を解決し、最もクエンチを起こしやすいリングコイ
ルがクエンチを起こしても次にクエンチを起こしやすい
リングコイルにクエンチが波及しない超電導電磁石を提
供することを目的とする． （！ＩＩ！を解決するための手段） 上記課題を解決するためにこの発明によれば、複数の同
軸かつ軸方向に対称のリングコイルからなる主コイルと
、この主コイルの外径側に同軸かつ軸方向に対称の複数
のリングコイルからなるアクティブシールドとが低温容
器に収納された超電導コイルと、薄板の導体を所定の形
状寸法に成形し所定の位置から複数の端子を引き出し前
記主コイルとアクティブシールドの全てのリングコイル
に並列接続され、主コイルとアクティブシールドとの間
の空間に軸方向に対称に配置してなる保護抵抗を備えた
超電導電磁石において、前記保護抵抗の蝕方向寸法を前
記主コイルが配置されている軸方向の両端のリングコイ
ル位置よりも短くしてなるものとする． 〔作用〕 この発明の構或において、薄板の導体を所定の形状寸法
に戒形し所定の位置から複数の端子を引き出してなり、
主コイルとその外径側に配直されたアクティブシールド
との間に配置された保護抵抗の軸方向寸法を、主コイル
の軸方向の両端のリングコイル位置よりも短くし、代わ
りに周方向の寸法を増大させる寸法構成とすることによ
り、最もクエンチが起こりやすいアクティブシールドの
両端のリングコイルがクエンチを起こしたときに、保護
抵抗に電流が分流して抵抗損を発生して温度上昇しても
次にクエンチを起こしやすい主コイルの両端のリングコ
イルを温度上昇させることがなくなるので、このリング
コイルのクエンチを起こさせる引き金にならないことか
ら、アクティブシールドの両端のリングコイルのクエン
チをこのリングコイルだけに限定し、他のリングコイル
にクエンチを波及させることがない． 〔実施例〕 以下この発明を実施例に基づいて説明する．第１図はこ
の発明の実施例を示すアクティブシールド形超電導電磁
石の断面図であり、第４図と同じ部材については同じ参
照符号を付けることにより詳しい説明を省略する．この
図において、保護抵抗２０はその軸方向寸法が第４図に
比べて小さくなっており、その先端はリングコイル１２
Ａ，　１２Ｂの外側に来る程度であり、リングコイル１
３Ａ．　１３Ｂには到達しないようにしてある． 仮に最もクエンチの起こりやすいリングコイルの１つで
あるリングコイル１４Ａがクエンチを起こしたとする．
前述のようにクエンチを起こしたリングコイル１４Ａが
常電導に転移してその抵抗値が増大し、その結果リング
コイルｌ４＾に流れていた電流が保護抵抗２３Ａに分流
する．分流した電流によって保護抵抗２３＾の温度が上
昇し、それは保護抵抗２内を伝導して保護抵抗２全体を
温度上昇させることになる．図示のように、保護抵抗２
はリングコイル１１＾．　ＩＩＢ，及び１２Ａ．　１２
Ｂの外径側にあるので、これらのリングコイルに熱的な
影響を与えるが第８図に示すようにリングコイル１２＾
，１２Ｂはクエンチに対する裕度が大きいのでリングコ
イルｌ３＾，　１３Ｂの場合のようには容易にクエンチ
を起こすことはない．リングコイルＩＩＡ，　ＩＩＢは
リングコイル１２Ａ，　１３Ｂに比べ更にクエンチを起
こしにくいリングコイルなので、リングコイルｌ２＾．
１２Ｂ以上にクエンチを起こす可能性は小さい．リング
コイル１３Ａ，　１３Ｂは保！１抵抗２０の温度上昇の
膨響を受けないので、リングコイル１４Ａ．　１４Ｂの
クエンチが引き金になってリングコイルｌ３＾．　１３
Ｂに波及することはない． 第２図は第１図のＢ−Ｂ断面図であり、第５図と異なる
点は保護抵抗２０に関するだけである．保護抵抗２０は
その抵抗値は勿論、必要とする熱容量や冷却面積を確保
するという点から、第１図に示すようにその軸方向寸法
を小さくした代わりにこの図に示すように周方向寸法を
大きくして保護抵抗２全体の面積を一定に保持する構威
にする．第３図は保護抵抗２０の斜視図であり、第７図
とは逆に図の左右方向を周（θ）方向に、上下方向を軸
（Ｚ）方向に合わせて超電導電磁石に組み込む点が第７
図との基本的な相違である．この図で図の上下方向に比
べて左右方向の寸法の方が大きいので、２方向を上下方
向に合わせることにより、第１図に示したように保護抵
抗２０の軸方向寸法を減少させることができる．このよ
うに、単に保護抵抗２０の配置の方向を変えるだけでこ
の発明の目的を達威することができるので、保護抵抗２
０そのものは従来技術での保護抵抗２と同じ材料、寸法
、形状のものを使用することができる．軸方向寸法を小
さくし周方向寸法を大きくしてしかも抵抗値、熱容量及
などを所定の値に保持する方法としては、第３図のよう
に配置する方向だけを変更するという方法の他に、第７
図の配置のままで、θ方向寸法を大きくしその代わりに
２方向を小さくする方法を採用することもできる．この
場合は、抵抗としての長さが長くかつ幅寸法が小さくな
るので、同じ材料で厚さが一定のままでは抵抗値が大き
くなってしまうので、固有抵抗のより小さな抵抗材料を
使用するとか厚さ寸法を大きくするとかによって所定の
条件を満足することができる．保護抵抗２０の材料、寸
法、形状などの諸条件は保護抵抗本来の機能とこの発明
の目的に反しない範囲においてどのようなものを採用し
てもよい． 〔発明の効果〕 この発明は前述のように、薄板の導体を或形し所定の位
置から複数の端子を引き出してなり、主コイルとアクテ
ィブシールドとの間に配置された保護抵抗の軸方向寸法
を、主コイルの軸方向の両端のリングコイル位置よりも
短くし、代わりに周方向の寸法を増大させる寸法構威と
することにより、クエンチが最も起こりやすいアクティ
ブシールドの両端のどちらかのリングコイルがクエンチ
を起こしたときに、保護抵抗に電流が分流して抵抗損が
発生して温度上昇しても、次にクエンチを起こしやすい
主コイルの両端のリングコイルを温度上昇させることが
なくなるので、このリングコイルのクエンチを起こさせ
る引き金にならないことから、アクティブシールドの両
端のリングコイルのクエンチをこのリングコイルだけに
限定し他のリングコイルにクエンチを波及させることが
なくなる．その結果、クエンチによる磁気エネルギーの
放出が限定されてこの磁気エネルギーが抵抗損に変換れ
さて結果的に液体ヘリウムの蒸発熱になりヘリウムガス
となって消費される量が減少することになり、高価なヘ
リウムガスの消失の低減による経済効果が得られるとと
もに、低温容器内の圧力上昇も低減することができるこ
とから、低温容器を含む超電導コイルの収納容器として
のクライオスタントの信頼性の向上に貢献するという効
果も得られる．

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す超電導電磁石の断面図
、第２図は第ｌ図のＢ−Ｂ断面図、第３図は保護抵抗の
斜視図、第４図はＭＲＩＩ置の超電導電磁石の断面図、
第５図は第４図のＡ−Ａ断面図、第６図は超電導電磁石
の回路図、第７図は保護抵抗の斜視図、第８図は超電導
線の臨界特性を示すグラフである． ｌ・・・主コイル、１０・・・アクティブシールド、１
１Ａ．　１１８．１２Ａ．　１２Ｂ．　１３Ａ，　１３
Ｂ．　１４Ａ．　１４Ｂ．　　１５Ａ，１５Ｂ・・・リ
ングコイル、 ２　，　　２　０　，　２１Ａ，　２１Ｂ，　２２Ａ，
　２２Ｂ．　２３＾．　２３Ｂ．　２４Ａ，２４Ｂ・・
・保護抵抗、 ２５．２６，２７．２８．２９・・・端子、リンフ゛コ
オ冫し 晃１口 祐３図 第４菌 篤６日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）複数の同軸かつ軸方向に対称のリングコイルからな
   る主コイルと、この主コイルの外径側に同軸かつ軸方向
   に対称の複数のリングコイルからなるアクテイブシール
   ドとが低温容器に収納された超電導コイルと、薄板の導
   体を所定の形状寸法に成形し所定の位置から複数の端子
   を引き出し前記主コイルとアクテイブシールドの全ての
   リングコイルに並列接続され、主コイルとアクテイブシ
   ールドとの間の空間に軸方向に対称に配置してなる保護
   抵抗を備えた超電導電磁石において、 前記保護抵抗の軸方向寸法を前記主コイルが配置されて
   いる軸方向の両端のリングコイル位置よりも短くしてな
   ることを特徴とする超電導電磁石。