JPH04106907A - 超電導マグネット装置 - 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） この発明は例えば医療用磁気共鳴イメージング装置に使
用する超電導マグネット装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第７図は磁気共鳴イメージング装置に使用する超電導マ
グネット装置の斜視図であり図において（１１）はマグ
ネット内部て通常マグネットの略中心にある所望の空間
（１２）に磁気共鳴イメージングに必要な空間的に均一
で時間的に安定な強い磁界を発生する超電導マグネット
を示す。また（１０）は超電導マグネット（１１）がマ
グネットの外部に発生する漏洩磁界を低減するための磁
性体からなる磁気シールドで略円筒状（図では六角形筒
状）のヨーク部（１０ａ）と患者の出入口となる開口を
有するフランジ部（］Ｏｂ）とから成る。

第８図は第７図に斜線平面（Ａ）で示した部分の断面図
を示したものである。図において、超電導マグネット（
ｌｌ）は内蔵される超電導回路を液体ヘリウム等の寒剤
で冷却し、超電導状態を安定に維持するため通常多重の
断熱槽を形成しているが第８図ではこの説明に特に重要
ではないのでこれら断熱槽を省略し電気回路のみを示し
ている。図中（１）、（２）、（３）、（４）、（５）
は略同軸に配置された略円筒形の超電導コイルで通常マ
グネット中心を通るコイル軸に垂直な面に対して略対称
となっており、また磁気シールド（ｌＯ）もこの垂直な
面に対して略対称となっている。

（６）は各超電導コイル（１）〜（５）の両端に各コイ
ルと並列にそわぞれ接続されたクウェンチ保護素子であ
るところの逆並列ダイオード、（７）は直列に接続され
た超電導コイル（１）〜（５）の両端に取付られた永久
電流スイッチ、（８）は超電導コイル（１）〜（５）の
励磁端子、（９）は永久電流スイッチ（７）をオンオフ
するためのヒーター通電端子を示す。（１２）は超電導
コイル（１）〜（５）間及び超電導コイルと永久電流ス
イッチ（７）間を接続する超電導リートである。

第９図は第８図の電気回路のみを抽出して示したもので
ある。

次に動作について説明する。

超電導マク不・ソトを励磁する時、先ず水火電流スイッ
チ（７）のヒーター通電端子（９）より所要の電流を通
電し永久電流スイッチ（７）内の超電導り−１”（１２
）を常電導転位させ超電導の閉回路を開く。次に超電導
コイル（１）〜（５）の励磁端子（８）より励磁電流を
通電する。この時、励磁するか、掃引速度を小さな値に
設定すればクウェンチ保護素子（６）のダイオードの両
端にかに抑えられるため（１）、（２）、（３）（４）
、（５）の各超電導コイルに並列な短絡回路か形成され
ること無く超電導コイル（１）〜（５）は励磁される。

超電導コイル（１）〜（５）の励磁電流か所定の値とな
った後、永久電流スイッチ（７）のヒーター電流をしゃ
断して超電導リード（１２）による超電導の閉ループを
形成する。

その後、励磁端子（８）からの励磁電流をセロとすると
、超電導の閉ループ内に電流が保持され超電導マグネッ
トは外部からの励磁電流供給を不要とした永久電流モー
ド運転か行なわれる。一方、超電導マグネットでは超電
導コイル（１）〜（５）の微少なスリップによる発熱や
外部磁性体の急激な接近による磁界の急激な変動、等で
超電導コイルか常電導転位する故障（クウェンチ）が発
生することがある。

常電導転位故障が発生すると超電導コイル内に電気抵抗
か発生し急速に電流が減衰する。この時常電導転位故障
のあったコイルについては発生した電気抵抗による電圧
と電流減衰によるインダクタンス電圧の合成した電圧が
、又常電導転位故障の無かったコイルについては電流減
衰によるインダクタンス電圧か発生する。これら常電導
転位故障による電圧がクウェンチ保護素子（６）のダイ
オードターンオン電圧を越えると該ダイオードかターン
オンして超電導コイル両端を短絡し閉回路を形成する。

これにより超電導コイルに発生する電圧を抑制し絶縁破
壊を防止する。従って超電導コイル鮮に対するクウェン
チ保護素子（６）の数か多い程超電導コイル内の発生電
圧を低く抑えることかてきるため通常第８若しくは第９
図に示す如く各コイル毎に並列にクウェンチ保護素子か
設けられる。一方、第１０図は常電導転位故障の一例を
示したもので（１）の超電導コイルに常電導転位故障が
発生し、（１）の超電導コイルと並列に接続されたクウ
ェンチ保護素子（６）のタイオードかターンオンしコイ
ル内の発生電圧か抑制された状態についてこの時の電流
の流れを図中に矢印で示したものである。

矢印（１３）て示した電流は超電導コイル（１）を流れ
る電流ループを、矢印（１４）で示した電流はクウェン
チ保護素子（６）のタイオートを流れる電流ループを示
す。

超電導コイル（１）ては常電導転位故障による電気抵抗
か発生しているため電流ループ（１３）の電流は急速に
減衰することとなるか、電流ループ（１４）の電流は回
路中の抵抗発生部となるタイオート抵抗か小さいため電
流減衰か小さい。さらに、超電導コイル（１）の電流′
ｆ＆衰による相ノｊイノタクタンス誘導分て電流ループ
く目）の電流はむしろ増加する場合も生じる。

従って、超電導コイル（１）の常電導転位故障か断続す
る、Ｍ電導コイル（１）を流れる。電流か他の超電導コ
イル（２）、（３）、（４）（５）を流ねる電流より小
さくなり、磁性体磁気シール）”（１０）との相対関係
に於いて磁気的に非対称となる。この結果超電導コイル
（１）（２）（３）（４）（５）は全体として磁気シー
ルド（ｌＯ）との間に右方向の不平衡磁気吸引力が生じ
る。この不平衡磁気吸引力は例えば直径１ｍの超電導コ
イル巻半径を持つ中心磁界１テスラの超電導マクネ・ソ
トで数トンもの値になる。

（発明か解決しようとする問題点） 従来の装置は以上のように構成されているので、超電導
コイルの通常の励磁時には超電導コイルがマグネット中
心を通るコイル軸に垂直な面に対して略対称に配置され
コイルの通電々流が同て且つ磁気シールドもマグネット
中心を通るコイル軸に垂直な面に対して略灯称な構造と
なっているため、磁気的対称性か確保されＭ電導コイル
群と磁気シールド間はコイル軸方向に慟〈磁気吸弓力か
左右方向にバランスしている。しかしマグネット中心に
配置された超電導コイル以外の任意の超電導コイルか常
電導転位故障した時、常電導転位した超電導コイルの電
流か減衰することによりマグネット中心を通る対称面に
対して左右の超電導コイルの発生する磁界に差が生じ磁
気的対称性が損われる。この結果、全超電導コイル群と
磁気シールド間のコイル軸方向に崗〈磁気吸引力が左右
方向にアンバランスとなり、この力に耐え得る支持構造
を必要とする問題かあった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので任意の超電導コイルの常電導転位故障時にも
、コイル内に過大な異常電圧の発生が無く、且つマグネ
ット中心を通る対称面に対して磁気的対称性が確保でき
る超電導マグネット装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る超電導マグネット装置は、超電導マグネ
ットを構成する複数個の円筒形コイルの各々を厚さ方向
に同数の複数層に分割し、各コイルの同一層を順次直列
に接続し直列に接続された直列体の両端間にクウェンチ
保護素子を接続して全体の超電導コイル群を構成したも
のである。

〔作用〕

この発明における超電導マグネット装置は、超電導マグ
ネットを構成する複数個の円筒形コイルの各々を厚さ方
向に同数の複数層に分割し、各コイルの同一層を順次直
列に接続し直列に接続されたコイル群の両端間にクウェ
ンチ保護素子を接続することにより、任意のコイル部分
の常電導転位故障時にも、コイル中心を通る対称面に対
して磁気的対称性か確保され、超電導コイル群と磁気シ
ールド間に働く磁気吸引力が左もでバランスするもので
ある。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図は本発明を示す超電導マグネット装置の縦断面図を示
しており第８図に示した従来例の図に相当するものであ
る。図において（ｌＯ）は磁性体の磁気シールド、（１
１）は超電導マグネット、（８）は超電導コイル励ｄｉ
端子、（９）は永久電流スイッチヒーター通電端子、（
１２）は超電導リードを示す。

（ｌａ）　、　　（ｌｂ）、（２ａ）　、　　（２ｂ）
　、（３ａ）　。

（３ｂ）　、　　（４ａ）　、　　（４ｂ）　、　　（
５ａ）　、　　（５ｂ）は略同軸に配置された略円筒形
の超電導コイルで各々２層に等分割されており、上の層
については添字（ａ）で下の層については添字（ｂ）を
付けて示しである。

各コイルの下の層（Ｉｂ）〜（５ｂ）は超電導ソート（
＋２）で順次直列に接続されその両端にコイル群とは並
列にクウェンチ保護素子である逆並列ダイオード（６ｂ
）が接続されている。又各コイルの上の層（ｌａ）〜（
５ａ）についても下の層と同様順次直列に接続されその
両端にコイル群とは並列にクウェンチ保護素子（６ａ）
か接続され、下の層のコイル群と１の層のコイル群はさ
らに直列接続ぎわで全体のコイル群を形成している。

第２図は第１図の電気回路のみを抽出して示したもので
ある。

次に動作について説明する。

超電導マグネットの励磁手順については従来例て述べた
ものと全く同一である。通常励磁されている超電導マグ
ネットの電流回路については、従来では各コイルが順次
直列となる回路であったか、本発明例では各コイルの上
、下層が各々直列に接続されさらに上と下の層のコイル
群を直列に接続した回路となっている点で異なる。しか
しなから、マグネット中心を通るコイル軸に垂直な面に
対して各コイルの位置及び磁性体磁気シールドの構成が
略対称であり且つ通常励磁時各コイルの電流が等しいこ
とから通常励磁時対称面に対する磁気的対称性が確保さ
れ、従来例同様全超電導コイル群と磁気シールド間に働
くコイル軸方向の磁気吸引力は左右方向にバランスした
ものとなっている。

方、超電導コイルの−・部に常電導転位故障か発生した
場合を考えると各コイル部分に発生する電圧に対し、ク
ウェンチ保護素子であるタイオートかターンオンして超
電導コイル群の両端を短絡し、閉回路を形成する。これ
により超電導コイル群に発生する電圧を抑制し絶縁破壊
を防止する。

このクウェンチ保護素子の動作によって形成される閉回
路はマグネット中心を通るコイル軸に垂直な面に対して
対称なコイル部分を直列に接続して構成されることから
磁気的な対称性が損われることは無い。従って、超電導
コイルの任意の一部分に常電導転位故障か発生した場合
にも全超電導コイル群と磁磁気シールド間に働くコイル
軸方向の磁気吸引力は左右方向にバランスしたものとな
る。

第３図はこの状況を示した一例であり（ｌｂ）の超電導
コイル部で常電導転移故障か発生しく　Ｉｂ）のコイル
群と並列に接続されたクウェンチ保護素子（６ｂ）のダ
イオードかターンオンした時の電流の流れを矢印で示し
たものである。

図中の矢印（１５）で示した電流は超電導コイル部（Ｉ
ｂ）を含むコイル群を流れる電流ループを、矢印（１ｂ
）で示した電流はクウェンチ保護素子（６ｂ）のタイオ
ートを流れる電流ループを示す。

閾電流ループの電流値か常電導転移故障により如何に変
化しても対称位置にあるコイル部分には同一の電流が流
れることとなり、磁気的対称性か確保され磁気吸引力は
左右方向にバランスするものとなる。

尚上記実施例では各コイルを２層に分割したものとした
か第４−１図の如く３層以上の複数層としても良い。こ
の場合、クウェンチ保護素子の数が増加しコイル内発生
電圧はより低く抑えられる。

さらに実施例及び第４−１図では各コイルの分割が等分
となっているが、第４−２図第４−３図の如く非等分で
あっても左右対称位置にあるコイルの分割比率が略等し
いものでも良い。

又磁気シールドとして磁性体磁気シールドを示したが第
５図の（Ｉ７）で示した如くの逆性アンペアターンを有
するコイルによる電気的磁気シールド、若しくは磁性体
磁気シールド、電気的磁気シールド双方を合せ持つもの
でも良い。

さらにクウェンチ保護素子として逆並列タイオドを用い
たか第６図の（＋８ａ　）　、　　（１８ｂ　）で示し
た如くの保護抵抗を用いるか若しくは保護アレスターを
用いても良い・ なお、本発明の説明に当っては磁気共鳴イメージング用
超電導マグネット装置を例としたか粒子加速器を用いた
物理研究に用いられる超電導マグネット装置に用いても
良い。

〔発明の効果〕

以上のようによれば常電導転位発生時にもコイル軸方向
の磁気的対称性が確保され、全超電導コイル群と磁気シ
ールド間にコイル軸方向の磁気吸引力アンバランスか発
生せず、超電導コイルの支持強度を強くすること無く構
成できるので装置か安価にてきる。また、支持強度の強
化による超電導マグネット内への熱侵入の増加を招くこ
とか無いため超電導マグネットの冷却媒体である液体ヘ
リウムの蒸発を低く抑えたランニングコストの安価な超
′Ｉｔ導マク不・、ト装置を得られる効果かある。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例を示す超電導マグネット装
置を示す断面図、第２ン１は第１図の電気回路を示す回
路図、第３図は超電導コイルの一部か常電導転位した場
合の電流の流れを示す回路図、第４−１図〜第４−３図
、第５図、第６図はこの発明の他の実施例を示す図、第
７図は磁気共鳴イメーシンク装置を示す斜視図、第８図
は従来の超電導マグネット装置を示す断面図、第９図は
第８図の電気回路を示す回路図、第１０図は超電導コイ
ルの一部か常電導転位した場合の電流の流れを示す回路
図である。 図において、（ｌａ）　〜（５ａ）　、　　（ｌｂ）　
〜（５ｂ）は超電導コイル、（６ａ）　、　　（６ｂ）
はクウェンチ保護素子、（７）は永久電流スイッチ、（
ｌＯ）は磁気シールドである。 なお、各図中、同一符号は同一あるいは相当部分を示す
ものと１−る。　代理人　大　岩　増　雌第１図 第２図 第３図 平成 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　マグネツト中心を通りコイル軸に垂直な面に対して略
   対称に配置された複数の円筒型超電導コイルと、この複
   数の円筒型超電導コイルが外部空間に発生する漏洩磁界
   を低減する上記垂直な面に対して略対称に設けられた磁
   気シールドよりなる超電導マグネット装置において、上
   記複数の円筒型超電導コイルは対称位置にある円筒型超
   電導コイル同士の巻数比率が略等しくなるように各々厚
   さ方向に複数層に分割され、かつ各層毎に分割された円
   筒型超電導コイルが直列接続されて直列体をなしており
   、各直列体の両端間にはクウェンチ保護素子が並列接続
   されていることを特徴とする超電導マグネット装置