JPH04504065A - 超伝導電磁石装置 - 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】 超伝導電磁石装置 この発明は、超伝導線材と支持円管から成る実質上円筒状の電磁石コイルと、電 磁石コイルに対して同軸のクライオスタットと、最内側円管と電磁石の間に配設 された円筒状シールド体とを備えた、特に核磁気断層撮影装置用の超伝導電磁石 装置に関し、前記クライオスタットは、電磁石コイルの内外に電磁石コイルに対 して同軸に配設された金属円管から成り、そのうちの少なくとも若干の円管が最 終壁を通して対にして互いに連結し、最外側カバーの最外側および最内側部材で あり、電磁石コイルに隣合う円管のカバーが電磁石コイルを取り囲むヘリューム 容器に壁を形成し、残りの円管がへリューム容器の壁とカバーの円管の間に配設 された輻射シールドであり、場合によっては、電磁石コイルを取り囲む窒素容器 の壁を形成し、電気導電率と円筒の壁厚の積に等しいシールド体の電気伝導度は 更に外側にある円管の電気伝導度より大きい。

このような電磁石装置は、ＩＥＥＥ−Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎＭａｇｎｅ ｔｉｃｓ、　Ｖｏｌ、　２３．２　（１９８７）、　ｐ、　１２８７により公知 である。この公知の装置では、内部輻射シールドがシールド本体として形成され ている。この輻射シールドは動作中液体窒素の温度に維持される。７７　Ｋの上 記温度では、前記輻射シールドの電気伝導度はクライオスタットの他の金属構造 体の電気伝導度から余り異なっていない。従って、望ましい大きな伝導度は非常 （士大きな壁厚を育する輻射シールドを形成することによってのみ達成される。

しかし、非常に厚い壁厚は乱れになる。この乱れが上記シールド本体を使用する ことによって避けようとする乱れと同じ種類である。その場合、問題になる乱れ は、上記の電磁石装置を核磁気断層撮影装置に使用する場合、磁場によって生じ るものである。この磁場はクライオスタットの金属構造体中および電磁石コイル 自体中の傾斜磁場を切り換えることによって誘起される。

傾斜磁場を切り換える場合に生じる渦電流に起因する擾乱効果を回避するため、 多くの努力が行われている。例えば、欧州特許第０１６４１９９　ＡＩ号明細書 により、傾斜コイルのみにより生じる磁場と渦電流によって生じる擾乱磁場が重 なって生じる全体の磁場の勾配が所望の時間変化を示すように、断層写真装置の 傾斜コイルの流れの時間変化を構成するそとは公知である。しかし、渦電流によ って生じる擾乱磁場を完全に相殺することは、実際には不可能である。何故なら 、クライオスタットの個々の円管に誘起する渦電流が異なった強度と異なった時 定数の擾乱成分を与えので、磁場勾配の時間変化が非常に複雑になり、そのため 必要な精度で相殺できないからである。これ等の方法は、所定のただ一つの時定 数で擾乱磁場が減衰する場合にのみ、成功する。しかし、この状況は公知の電磁 石装置に当てはまらない。

欧州特許第０２１６５９０　Ａ１号明細書により公知の他の補償方法は、どの傾 斜コイルもシールドコイルで取り巻き、このシールドコイルに傾斜コイルと同じ 電流を流すが、その作用は傾斜コイルとは逆向きに流すので、傾斜コイルの磁場 を外向きに遮蔽し、周囲の金属構造体に渦電流が誘起しない点にある。

このような補償方法の難点は、傾斜コイルの内部で望まれる磁場もシールドコイ ルの磁場によって弱まるので、傾斜コイルをそれに合わせてより強く設計する必 要がある点にある。更に、シールドコイルは余計な場所を占める。それ故、断層 撮影装置では、患者を収容するのに必要な傾斜コイル系の内径を維持する場合、 超伝導電磁石装置の室温開口部の直径か遮蔽された傾斜コイル系を抑制するため に非常に大きくする必要がある。超伝導電磁石系の製造コストは直径が増加する と非常に急激に増加するので、渦電流の問題に対する上記の解決策は異常に経費 がかかるため、実際には殆ど利用できない。

更に、英国特許第２１９９１４７　Ａ号明細書により、クライオスタットの輻射 シールドに長手方向にスリットを入れ、前記輻射シールドの渦電流を大幅に防止 することが知られている。しかし、クライオスタットの構造は、ヘリューム容器 や通常の窒素容器の壁および電磁石コイルの担持円管のように、簡単にスリット を入れることのできものでない。それ故、上記の処置によって、渦電流の電磁誘 導によって生じる問題をせいぜい定量的に僅かに低減させるだけで、解決策にな っていない。

冒頭に述べた電気伝導度の高いシールド本体の装置は、問題の解決に通じるが、 必要な電気伝導度を得るのに必要な、重ねて入れた薄壁円管の数と同じ厚さの円 管と同じ状況になる。前記薄壁円管は異なった時定数の固有な渦電流を通し、渦 電流の補償は傾斜コイルの電流の時間経過を適当に構成すると、上記シールド本 体を保有していないクライオスタットの場合のように可能性が少ない。

最後に、Ｊ、　Ｐｈｙｓ、　Ｅ、：　Ｓｃｉ、　Ｉｎｓｔｒｕｍ、　１９　（１ ９８６）。

ｐ、　８７６により、傾斜・時間の経過を特徴付ける最低周波数の電磁波進入深 さは輻射シールドの厚さより小さいように、クライオスタットの内部窒素冷却輻 射シールドを特に良好な導電性にし、しかも肉薄に形成することは公知である。

しかし、通常典型的な傾斜の時間経過は、上記の要求が実現しないような低周波 成分を有する。更に、非常に壁が厚い円管の場合、そのような円管が肉厚の薄い 重ねた多数の円管と同じ状況になると言う効果が生じる。

それ故、この発明の課題は、傾斜接続されている場合、電磁石装置の構造体に誘 起する渦電流から生じる擾乱が完全に排除され、それによって、電磁石装置の構 造を実用上堪え難い方法で複雑にしたり、拡大することがない、冒頭に述べた種 類の超伝導電磁石装置を開発することにある。

上記の課題は、この発明により、シールド本体を別にして、電磁石の全部の円管 を導電性の悪い材料で構成し、シールド本体を高々　１０ｍｍの壁厚の良導電性 材料で構成して、電磁石装置の運転温度で、シールド本体の導電度がこのシール ド本体の内外にある円管の導電度の少なくとも１０倍になるように、シールド本 体をヘリューム容器のところに配設することによって解決されている。

上記の条件は、シールド本体を高純度アルミニュームで形成し、ヘリューム容器 の内壁の傍に直接配設して、運転温度を１０　Ｋより低くすることによって満た される。そうすると、シールド本体は１０’シ一メンス／ｍより大きい導電度を 有する。これは、壁厚が１０　ｍｍの場合、１０７シーメンスより大きい導電度 になる。これに反して、電磁石装置の他の円管は非磁性鋼で構成され、その電気 伝導度は１０７シーメンス／ｍより低い。このような円管の壁厚は通常１０ｍｍ より薄いので、上記構造体の導電度は１０６シーメンスより低い。これ等の条件 の下では、シールド本体に誘起する渦電流によって発生する磁場しか現れない。

何故なら、シールド本体の外側にある円管によって発生する磁場が効果的に遮蔽 され、他方、シールド本体の内側にある円管によって発生する磁場はこの円管の 導電度が低いため、無視できるほど早く減衰するからである。これ等の磁場は実 際に完全に抑制させることができる。その場合は、シールド本体の内部に配設さ れた円管に長手方向にスリットを入れたためであり、このことはシールド本体の 内側にある輻射シールドの場合、通常問題なく可能である。シールド本体の渦電 流によって発生する磁場は、一定の振幅と時定数を有するが、この磁場は各傾斜 コイルの電流の時間経過を適当に構成して、欧州特許第０１６４１９９　Ａ１号 明細書により周知のように、確実に電子的に相殺させることができる。

この発明は、電子的な相殺を不要とする実用上完全なシールドを得る可能性も提 示している。その場合、この発明の他の構成により、シールド本体を超伝導材料 で形成し、ヘリューム容器の中に配設するので、シールド本体中に誘起する渦電 流に起因する磁場の時定数が無限に長くなり、この磁場がただ傾斜コイルと一緒 に発生・消滅し、傾斜コイルの動作期間中一定である。従って、上記磁場は傾斜 磁場の変化に影響を与えない。もっとも、ヘリューム容器の内部で超伝導材料製 のシールド本体を使用する場合、電磁石コイルを励磁している期間中、シールド 本体を臨界温度以上の温度に保持し、電磁石コイルを励磁する場合に誘起する電 流を励磁過程の終了後再び減衰させる配慮をする必要がある。そうしてから、初 めてシールド本体を臨界温度以下の温度に冷却する。

超伝導シールド本体は、例えば超伝導繊維製の織物で形成できる。シールド本体 を、超伝導合金から成り、格子構造体を有する薄板で作製することもできる。超 伝導状態の電気的な安定性のため、格子構造体の繊維ないしは棒の直径を約０． ５ｍｍ以上にすべきでなはい。この場合、一枚の織物を使用するとき、超伝導繊 維がその交差点で超伝導的に相互に接続、例えば溶接せねばならないことが判る 。一枚の板を使用するときには、篩状の構造体を例えば酸洗い法あるいはエツチ ング法で作製できる。超伝導材料としては、特にニオブ・チタン合金が問題の対 象になる。

既に述べたように、シールド本体は自己支持円管として形成できる。その場合、 高純度金属製の円管もヘリューム容器内に配設できる。この場合、シールド本体 を形成する円管が、運転温度で電磁石コイルの支持円管の内側に硬く密接してい ると、特に有利である。この支持円管は、超伝導がなくなった場合（クエンチ； 　ｑｕｅｎｃｈ）ローレンツ力によって発生し、シールド本体に周回方向に作用 する引張応力を受け止め、このようなシールド本体に機械的な過負荷から守る位 置にある。

自己支持円管として形成する代わりに、シールド本体を非常に高い導電材料製の 層として電磁石装置の支持円管に装着することもできる。特に、ヘリューム容器 の内壁の内側または外側、あるいは電磁石コイルの支持円管の内側に装着できる 。従って、例えば純アルミニューム製ないしは高純度銅製の層をプラズマフレー ム溶射ないしはメッキで付着できる可能性がある。

この発明を以下に図面に示す実施例に基づきおよびグラフによってより詳しく記 載し、説明する。

第１図、傾斜コイルの系に関連してこの発明による超伝導電磁石装置の模式縦断 面図、 第２図、この発明の詳細な説明の基礎とする二つの金属円管によって取り巻かれ た傾斜コイルの等価回路、および 第３〜５図、第２図の等価回路によって指定される装置中に生じる渦電流の振幅 と時定数のグラフ。

核磁気共鳴を基礎にした断層撮影や体積選択式の分光を行うために使用される超 伝導電磁石系では、液体へリュームで４．２にの温度に維持された超伝導電磁石 コイルが、空間的に一様で時間的に一定の磁場Ｈ０を発生する。発生する磁場強 度は０．５〜７テスラの範囲にある。更に、時間的に制御でき、空間的に一定の 磁場勾配が必要である。この磁場勾配は補助コイルによって互いに直交する空間 方向に発生させ、一様な磁場Ｈ０に重畳されている。必要な磁場勾配の最大強度 は１０−”　Ｔ／ｍの程度である。傾斜コイルと呼ばれる補助コイルは通常円筒 状の支持円管に固定されている。この支持円管は調べる対象物をかなり狭くして 取り囲んでいる。断層撮影法を実施するためには、磁場勾配を時間的に階段状に 、つまり、１　ｍｓ径程度開閉時間で加えたり、止めたりすることが重要である 。

この要請を満たすには、傾斜コイルの系が電磁石コイルを取り囲むクライオスタ ットの構成要素である多数のほぼ円筒対称の金属構造体で取り囲むことが妨げに なる。上記はぼ円筒状形成物には、傾斜コイルを用いて誘導結合によって磁場勾 配を加えたり止める場合、渦電流が生じる。これ等の渦電流は時間的に変化する 擾乱場を発生させる。この擾乱場は傾斜コイルの磁場に重畳している。前記擾乱 場は核磁気共鳴断層撮影法や分光を基礎にした試験の品質や情報内容を損なうこ とになる。しかし、これ等の擾乱場は、この発明によって形成したシールド本体 を電磁石装置に組み込むと、抑制ないしは消去させることかできる。

第１図には、この発明により形成した電磁石装置が示しである。この装置は、多 数の同心状に並べた円管ｌ〜９によって構成されている。これ等の円管はそれぞ れ内側から外側に向けて、クライオスタットの内部カバー１．窒素で冷却された 輻射シールド２、ヘリューム容器の内壁４．ヘリューム容器の外壁５．ガス冷却 された外部輻射シールド６、窒素容器の内壁７．窒素容器の外壁８およびクライ オスタットの外部カバー９を形成している。壁３，４によって仕切られているヘ リューム容器１０の内側に、超伝導線材から成る電磁石コイル１２を備えた支持 円管１１がある。更に、ヘリューム容器１０の内部であって、電磁石コイル１２ の支持円管１１の中には、円筒状のシールド本体１３が配設されている。

このシールド本体１３は、純アルミニュームで構成され、液体へリュームの温度 で３ｘｌＯ”シーメンス／ｍ以上の導電度を有する。シールド本体の肉厚が１０ ｍｍの場合には、肉厚と導電度の積により、ｐ≧３　ｘ　１０’シーメンスの導 電度になる。この導電度は他の円管の導電度より係数１０はど大きい。この方法 によって、全系が傾斜コイルを投入すると、あたかもシールド本体にのみ一定の 大きさと時定数の渦電流が誘起するように振る舞うので、この渦電流によって生 じる擾乱場が内部カバーｌの内部に配設された傾斜コイル１４中の電流の時間変 化と大きさを適当に形成することによって周知の方法で実用上完全に相殺される ことになる。

この発明により配置され、図示されたシールド本体の動作は、一つの傾斜コイル とこの傾斜コイルを取り巻く二つの導電性円管によって構成される装置の挙動を 考慮すると、理解できる。このような装置の等価回路が第２図に示しである。こ の等価回路では、傾斜コイルはインダクタンスＬ０として示しである。傾斜コイ ルを取り巻く金属円管は、抵抗式に減衰し、相互の間でしかも傾斜コイルにも誘 導結合する回路と解することができる。従って、内部金属円管はインダクタンス し、と抵抗Ｒ２で形成される回路で表せる。他方、外部金属円管は同じようにイ ンダクタンスし、と抵抗Ｒ１で形成される回路を形成する。傾斜コイルと上記金 属円管との誘導結合は相互インダクタンスＭ。ｌとＭ　６．で表せる。金属円管 相互間の誘導結合は相互インダクタンスＭ、１で表せる。傾斜コイルに導入され る電流の強度は１ｏ（ｔ）であり、内部金属円管の渦電流の強度は１＋（１）で 、外部金属円管の渦電流の強度は１．（１）である。このような系は変成器等価 回路によって説明される。

この等価回路の解１は特別な場合に対して特に簡単１付録を参照 である。何故なら、その場合の傾斜コイルとこのコイルを取り巻く金属円管では 、無限に長い円筒体を取り扱っているからである。これに反して、有限の長さの 実際の傾斜コイルと金属円管の形状に対しては、はんの僅かな定量的なずれしか 予想できない。

更に、解析では、個別金属円管の何れにも一つの固有時定数τが付属していて、 その時定数は金属円管が傾斜コイルに結合するただ一個の構造体であるとする場 合に生じるとすると、大いに助けになることが判る。無限に長い円管に対しては 、円管に固有な「個別時定数」は単位長さ当たりのインダクタンスと単位長さ当 たりの抵抗の商として、 τ＝　１／２　（μ。、ｒ、σ、ｒ）　＝１／２（μ。、ｒ、ｐ）となる。ここ で、 μ０　誘導定数 ｒ　金属円管の半径 ・　ｒ　金属円管の肉厚 σ　金属円管の導電度 ｐ＝σｘｒ　金属円管の導電値 コイル本体の個別時定数は、全身断層撮影の場合約０．４ｓになる。両方の内部 輻射シールドの個別時定数は同程度である。更に、傾斜コイルに対して半径４０ 　ａｍを、内部金属円管に対して半径５５　ｃｍを、そして外部金属円管に対し て半径６２．５ｃｍを仮定する。従って、内部金属円管は全身断層撮影装置の電 磁石コイルの輻射シールドに、また外部金属円管は支持円管に幾何学的にほぼ相 当する。

変成器等価の解の結果と理論的な解析は以下のように要約できる。

ｎ個の金属円筒体が存在している場合、各金属円筒体には、ｎ個の時定数のｎ個 の指数関数の重ね合わせで表せる電流が流れる。

異なる電流成分の時定数は、全ての金属円筒体で同じであるが、振幅は異なる。

誘導結合している系の時定数は個別時定数に等しくない。

二つの金属円管に対しては、二つの系時定数ＴＡとＴＢがある。これ等の系時定 数ＴＡとＴ、は、それぞれ外部円管の個別時定数τ、に関連するが、内部金属円 管と外部金属円管の個別時定数の比τ１／τ、に応じて第３図に示しである。両 方の系時定数の長い方ＴＡは、この場合、個別時定数の和τ１＋τ、にほぼ等し い。長い系時定数ＴＡはτ１（τ。

の場合あるいはτ１）τ、の場合、それぞれより長い個別時定数τ、あるいはτ 、にほぼ等しい。短い系時定数Ｔ、は、必ずそれぞれの短い個別時定数より充分 短い。

内部金属円管にも外部金属円管にも、前記系時定数ＴＡないしＴ、で減衰する電 流が流れる。第４図には、個別時定数の比に応じて再びより長い系時定数ＴＡに 属する内部金属円管の電流振幅Ａ、あるいは外部金属円管の電流振幅Ａ、の依存 性が示しである。内部円管が特に大きい個別時定数を有する場合（τ１）τ、） 、電流振幅Ａ、は外部円管で消失するが、内部円管の電流振幅Ａ１の値は特に大 きい。

内部円管が低い導電度を有し、そのためより短い個別時定数を有する場合（τ、 （τ、）、長い系時定数を有する外部円管のみが電流を受け持つ。電流振幅Ａ、 とＡ、は基本的に負である。つまり、渦電流は励磁電流の方向とは逆向きに流れ る。外部および内部金属円管を流れる系時定数Ｔｍの電流は個別時定数の比に応 じて再び第５図に示しである。導電度が高い内部円管の場合（τ１）τ、）には 、短い系時定数Ｔ、に属する電流振幅Ｂ、とＢ、は両方共完全に消失する。逆の 場合には、電流振幅が大きく、何時も互いに逆方向に向いている。

この発明にとって大切なことは、シールド本体が非常に大きな導電度と非常に長 い個別時定数とを有する金属円筒体である点にある。シールド本体の外側にある 円管に対して、このシールド本体は内部円管を形成するので、これにはτ１）τ 、が当てはまる。これに対して、外部円筒の全体の電流振幅Ａ。

とＢ、が０に向かう（第４図と第５図参照）。内部円筒体の長い系時定数ＴＡを 有する電流振幅Ａ、のみが残っている。更に、系時定数ＴＡは内部円筒体の個別 時定数τ１と同一である（第３図参照）。従って、全体の系は内部金属円管のみ が、つまりシ−ル本体があたかも存在するかのように振る舞う。

それ故、外部構造体はシールド本体によって実用上完全にシルードされる。

このため、シールド本体を傾斜コイルにできる限り接近させる、つまり最内側輻 射シールドあるいはクライオスタットの内部カバーをシールド本体として形成す ると効果的である。しかし、シールド本体をｌＯ数度にの温度に冷却しないで、 個別時定数τ、に必要な高い導電度を充分薄い肉厚の材料で得ることは不可能で ある。既に説明したように、数センチメータになる非常に厚い肉厚によってシー ルド本体の個別時定数を長くすることは、不合理である。

何故なら、このような肉厚の金属円管は、重ねた多数の薄肉の円管を嵌め込む必 要があり、これには最早制御できない多数の系時定数が再び付属しているからで ある。それ故、シールド本体を液体へリュームの温度範囲に冷却することが不可 欠である。何故なら、この温度でのみ、純粋な金属が充分大きな導電度を有する からである。

こうしたことから、個別時定数の長いシールド本体の内部に相当短い時定数の導 電性円管である輻射シールドが存在すると言う問題が残っている。この状況は、 τ１（τ、である結合している二つの金属円管のモデルによって説明される。第 ４図と第５図に示すように、これ等の場合に対して、二つの系時定数ＴＡとＴ、 に属する電流振幅Ａ、、Ｂ、とＢｌが二つの輻射シールド中で大きい。ここでは 、長い系時定数ＴＡがシールド本体の個別時定数τ、と同一であるから、外部シ ールドによりシールド本体に流れる電流の強度のみが変わり、そのため、シール ド本体の個別時定数で減衰する磁場の電子補償を計算できる。

これに反して、短い系時定数ＴＩｌの大きさは内部円管の充分短い個別時定数τ 、を選んで、核磁気実験が最早乱されないように強力に低減させることができる 。何故なら、対応する擾乱場の「寿命」が傾斜コイルの電流強度が０から最大強 度に制御され、逆転する「デッドタイム」より短いからである。この時間は約１ 　ｍｓになる。

上記の状況は、図示した実施例の場合に存在する非磁性鋼製の複数の輻射シール ドをそれぞれ３　ｍｍの肉厚で作製すると、実現させることができる。経験によ れば、このような輻射シールドの熱伝導度はクライオスタットの冷媒消費を低く 維持するため、充分大きい。

従って、第１図に示す電磁石装置は以下の構造を存する。

クライオスタットの室温穴を仕切る内壁１は、内径が６００　ｍｍで長さが１６ ７０　ｍｍであるガラス繊維強化された合成樹脂製の円管で形成されている。内 部カバーの肉厚は７ｍｍであった。この円管は窒素で冷却された輻射シールドに よって取り囲まれている。

このシールドは肉厚３ｍｍの非磁性鋼製の円管で形成されている。この円管の内 径は６４０　ｍｍで、長さが１５５０　ｍｍである。この輻射シールドは非磁性 鋼製の他の円管によって取り巻かれている。この円管はガス冷却された輻射シー ルド３によって形成されている。肉厚は再び３　ｍｍで、内径は６７４　ｍｍで 長さが１５１０　ｍｍである。これ等の輻射シールドはへリューム容器１０を取 り囲んでいる。この容器の内壁は同じように肉厚４　ｍｍ、内径７０８　ｍｍ　 、長さ１４００　ｍｍの非磁性鋼製円管によって形成されている。ヘリューム容 器の内部には、肉厚１０ｍｍのアルミニューム円管で形成されているシールド本 体がある。このシールド本体は電磁石コイル１２用の支持円管１１によって密着 して取り囲まれている。室温では、支持円管の内径が７２０　ｍｍであった。ヘ リューム容器を液体へリュームで冷却すると、支持円管１１とシールド本体１３ の間の中間空間が、支持円管とシールド本体の異なった熱収縮性によって縮むの で、支持円管は液体へリュームの温度で実質上シールド本体をベルトのように取 り囲んでいる。シールド本体に対するベルトとしてのコイル本体の機能は、超伝 導電磁石コイル１２によって生じる磁場が「クエンチ」の場合、つまり超伝導状 態から通常の導電状態への急激な移行時に数秒内に元の強度から低い値に減衰す る場合、重要である。この場合、シールド本体には非常に強力な渦電流が発生す る。この渦電流はシールド本体内に非常に強いローレンツ力を発生させる。これ 等の力はシールド本体中の周回方向での大きな張力の原因になっている。コイル 本体１２の狭く接している支持円管１１の支援作用は、シールド本体１３を機械 的な過負荷から守る。

この発明は、図示した実施例に限定するものでなく、この発明の枠を逸脱するこ となく、それから変更されたものも可能である。シールド本体の温度は必ずしも 液体へリュームの温度に等しくなく、シールド本体の作用に重大な影響なしに、 約１０Ｋまでに成りつるので、シールド本体がヘリューム容器の近くに置く必要 がある場合でも、このシールド本体をヘリューム容器の外側に配設できる。更に 、シールド本体を方持ち式の円管として形成する必要ななく、ヘリューム容器の 内壁に付着させるか、あるいは電磁石コイルの支持円管の内側にも付着させて形 成できる。純金属製の適当な被膜は、例えばフレーム溶射によって、あるいはメ ッキで付着させることができる。特に重要なことは、シールド本体を超伝導材料 で作製できる可能性もある点にある。この場合、シールド本体の個別時定数と、 加えてシールド本体による系の時定数は無限に大きく、渦電流によって生じる擾 乱場が時間的に一定であるため、計算に入れる必要がない結果になる。その場合 、超伝導シールド本体は、交点で超伝導的に互いに接続している超伝導繊維の織 物あるいは編み物で、あるいは格子状ないしは篩い伏の構造体を有する板でも形 成できる。このような構造体はいろいろ方法で機械加工ないしはエツチングで作 製できる。超伝導薄膜は当然厚い肉厚を有し、種々の構造の支持体上に付着させ ることができる。全体で、この発明の上記の原理は、種々の構造を有する電磁石 装置の場合、当業者にいろいろな可能性をもたらす。

超伝導繊維の編み物から、ないしは超伝導板から成るシールド本体に対して容易 に実現できる実施例として用意される上記可能性の一つは、シールド本体を超伝 導線材のシールドコイルの系として構成する点にある。その場合、この系はそれ ぞれ一個の傾斜コイルが付属している三つのシールドコイルを取り囲み、これ等 のコイルの基本幾何学構造が各傾斜コイルの幾何学構造に似ている。超伝導シー ルドコイルの巻き形は、それが無限に良好な導電性のシールド円筒体の電流分布 に相当するような「流線型」に付設される。

シールドコイルの各々は、この場合、超伝導スイッチによって遮断できる、ない しは閉じ込めることのできる閉じた超伝導電流回路を形成する。これ等の超伝導 スイッチは、主コイルに電流を流す場合、開放される。即ち、シールドコイルの 電磁誘導充電を防止するため、超伝導シールド電流回路を遮断する。超伝導スイ ッチおよびシールド電流回路の閉じた状態では、シールドコイルが傾斜コイルに よって発生する磁場を外部に対して遮蔽する。その場合、シールドコイルに流れ る電流は、最適シールドにする値に電磁誘導的に「自動的」に調節される。

主コイルの内部に放射状に配設されたー超伝導−シールドコイルをクライオスタ ットのへリューム容器に配設すると合理的である。

シールドコイルは一直流電流を充電することによって一補助磁場を発生させるた めにも利用できる。

この磁場によって主コイル磁場の不均一性を補償できる。

付　録 インダクタンスＬ０を有する傾斜コイルと、これ等のコイルを取り巻くインダク ンスＬＩとＬｏを有する金属円管と、抵抗Ｒ１とＲｅを有する金属円管とを有す る、第２図の等価回路によって表される誘導結合系の動作特性を数学的に記述す るため、既に説明したように、傾斜コイルとこれ等のコイルを取り巻く金属円管 の場合、無限に長い「円筒体」を取り扱うと言う単純かされた仮定を基礎にする 。

しかし、前記部材の実際の有限な長さを考慮した正確で非常に高価な計算に比べ て、僅かしかずれない結果をもたらす上記の近似では、傾斜コイルを同軸に囲む 二つの金属円管に対して、以下の変成器等式が当てはまる。即ち、 および、 を使用し、その場合、ｔは傾斜コイルを流れる電流の投入時点を表す。

Ｉｏ”一定のため１＞０に対して、 上記二つの変圧器等式から１＞０に対して、Ｌ＋　ｉ　ｌ＋１ＶＬａｉ−＝４． ｉ　＋　（ａ）等式（ａ）から直接、 および微分して、 ｉ、とｉ、に対するこれ等の等式を微分した変圧器等式（ｂ）に代入すると、ｉ ｌに対して、以下の微分方程式、 を使用している。これ等の微分方程式はｉ、にも当てはまる。

一定係数を有する２次の同次線型微分方程式としての方程式（ｃ）の一般解は、 ｉ＋（ｔ）＝Ａ１ｆｏｅ“’＋Ｂ＋ＩｏｅＦ’　（ｃｔ）同じように、外部金属 円管の電流１．（１）に対してｉ、（ｏ　”　Ａ　１１　Ｉ　Ｏｅ″’　＋　Ｂ 　ａ　Ｉ　ｏ　ｅ”　（ｅ）が当てはまる。ここで、αとβは一定数で、下記の 式、 によって与えられる。

（ｄ）と（ｅ）の一般解を変圧器等式（ａ）に代入し、同じ指数関数の係数を比 較すると、振幅比、等式、 および、 ｔ＜ｏに対して、ｉ　＋（ｔ）＝　ｉ　−（ｔ）＝　Ｏであるから、ｉ＋（ｔ） ＝（Ａｔｅ”＋Ｂ＋ｅ”）Ｉｏｕ（ｔ）および　ｉ　、（ｔ）＝（Ａ、ｅ”＋Ｂ 、ｅＰ’）Ｉｏｕ（ｔ）と、　１ｏ（ｔ）＝　Ｉ　ｏ　ｕ　（ｔ）となる。

前記の値Ｌ　（ｔ）　、ｉ−（ｔ）およびｉ　ｏ（ｔ）の時間微分に対して、 ｉ＋（ｔ）＝（Ａ＋＋Ｂ＋）Ｉｏδ（ｔ）＋（αＡ＋ｅ”＋βＢＩｅ”）Ｉｏｕ （ｔ）τ、（ｔ）＝　（Ａ　、＋　Ｂ　、）　Ｉ　Ｏδ（ｔ）＋（αＡ、ｅ”＋ βＢ、ｅＰ’）Ｉｏｕ（ｔ）ｉｏ（ｔ）＝　ｒ　、δ（１） となる。ここで、δ（１）はディラックのδ関数である。

電流とこの時間微分に対して与えられたこれ等の式を変圧器等式（Ｉ）に代入し 、これ等の式が時間挙動がδ（１）で定まる全ての項に対して分離するように満 たすと、 ＭＭｏ、　Ｍｏａ　１ 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成３年７月８日

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．超伝導線材および支持円管から成り、ほぼ円筒状の電磁石コイルと、電磁石 コイルの内外にこの電磁石コイルに対して同軸に配設された複数の金属円管から 成り、これ等の金属円管の少なくとも若干の対が、最外側と最内側円管が外部カ バーの構成要素である最終壁を介して互いに連結し、電磁石コイルに隣接する円 管が電磁石コイルの壁を取り囲むヘリューム容器を形成し、残りの円管がヘリュ ーム容器の壁と金属円管の壁の間に配設された輻射シールドであり、場合によっ て、電磁石コイルを取り囲む窒素容器の壁を形成する、前記電磁石コイルに対し て同軸のクライオスタットと、導電度と壁の厚さの積に等しい導電度が更に外に ある円管の導電度より大きい、内部円管と電磁石コイルの間に配設された円筒状 シールド本体と、を備えた、特に核磁気断層撮像装置の超伝導電磁石装置におい て、 シールド本体（１３）を別にして、電磁石装置の全ての円管（１〜９）をできる 限り導電性の悪い材料で構成し、シールド本体（１３）を肉厚が高々１０ｍｍの 非常に導電性の良い材料で構成し、ヘリューム容器（１０）のところに配設し、 この電磁石装置の運転温度で、シールド本体（１３）の導電度がこのシールド本 体の内外にある円管の導電度の少なくとも１０倍であることを特徴とする電磁石 装置。
2. ２．シールド本体（１３）の導電度は、運転温度で１０９シーメンス／ｍより大 きいことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電磁石装置。
3. ３．シールド本体（１３）は、高純度アルミニュームで構成されていることを特 徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の電磁石装置。
4. ４．シールド本体は超伝導材料から成り、ヘリューム容器の内部に配設され、電 磁石コイルに電流を流す間にシールド本体を臨界温度以上の温度に維持する装置 を装備していることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の電磁石 装置。
5. ５．シールド本体は、超伝導繊維の織物で構成されていることを特徴とする請求 の範囲第４項に記載の電磁石装置。
6. ６．シールド本体は、格子構造を有する超伝導合金から成る薄板で構成されてい ることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の電磁石装置。
7. ７．繊維または格子構造の通路の直径は約０．５ｍｍより太くないことを特徴と する請求の範囲第５項または第６項に記載の電磁石装置。
8. ８．シールド本体（１３）は、ヘリューム容器（１０）の内部に片持ち式に配設 された円管として形成されていることを特徴とする請求の範囲前記請求項の何れ か１項に記載の電磁石装置。
9. ９．シールド本体（１３）を形成する円管は、運転温度で電磁石コイル（１２） の支持円管（１１）の内側に密接して固定されていることを特徴とする請求の範 囲第８項に記載の電磁石装置。
10. １０．シールド本体は、電磁石装置の支持円管上、特にヘリューム容器の内壁の 最内側または最外側にないしは電磁石コイルの支持円管の最内側に装着される、 非常に導電度の大きい材料製の層で形成されていることを特徴とする請求の範囲 第１〜９項の何れか１項に記載の電磁石装置。
11. １１．シールド本体（１３）の内部に配設された円管（１〜４）は、高々５ｘ１ ０７シーメンス／ｍ、好ましくは約１．５ｘ１０６シーメンス／田の導電度を有 することを特徴とする請求の範囲の前記請求項の何れか１項に記載の電磁石装置 。
12. １２．シールド本体の内部に配設された少なくとも一個の円管は、長手方向にス リットが切り込んであることを特徴とする請求の範囲の前記請求項の何れか１項 に記載の電磁石装置。
13. １３．超伝導線材および支持円管から成り、主磁場を発生させるほぼ円筒状の電 磁石コイルと、電磁石コイルに隣接する円管が電磁石コイルを取り巻くヘリュー ム容器の壁を形成し、残りの円管がヘリューム容器の壁とカバーの円管の間に配 設された輻射シールドであり、場合によっては、電磁石コイルを取り囲む窒素容 器を形成する、少なくとも一対が外部カバーの最外側部品と最内側部品である最 終壁を介して互いに連結している、多数の電磁石コイルに同軸で、これ等の電磁 石コイルの内外に配設された金属円管から成る、電磁石コイルに対して同軸のク ライオスタットと、断層撮影に適し、時間的に可変する磁場勾配を発生させる最 内側円管の内部に配設された傾斜コイルと、最内側円管と電磁石コイルの間に配 設された超伝導シールド本体とを備えた、特に核磁気断層撮影装置用の超伝導電 磁石装置において、 前記シールド本体が傾斜コイルによって発生する磁場の外部補償を行う能動シー ルドコイルの系として形成されていることを特徴とする電磁石装置。
14. １４．シールドコイルはそれ自体閉じた電流回路を形成し、この電流回路は超伝 導スイッチによって主コイルの充電期間中遮断できることを特徴とする請求の範 囲第１３項に記載の電磁石装置。
15. １５．シールドコイルは直流電流で充電できることを特徴とする請求の範囲第１ ３項または第１４項に記載の電磁石装置。