JPH0653124B2 - 補正コイル装置 - Google Patents
補正コイル装置Info
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- JPH0653124B2 JPH0653124B2 JP60106206A JP10620685A JPH0653124B2 JP H0653124 B2 JPH0653124 B2 JP H0653124B2 JP 60106206 A JP60106206 A JP 60106206A JP 10620685 A JP10620685 A JP 10620685A JP H0653124 B2 JPH0653124 B2 JP H0653124B2
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- coils
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
- H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
- G01R33/387—Compensation of inhomogeneities
- G01R33/3875—Compensation of inhomogeneities using correction coil assemblies, e.g. active shimming
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F7/00—Magnets
- H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
- H01F7/20—Electromagnets; Actuators including electromagnets without armatures
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- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は高度に一様な軸方向成分を持つ磁界を発生す
る為に、強度の強い磁石の調整に使われる補正コイルに
関する。更に具体的に云えば、この発明はＮＭＲによる
医療用作像診断用途に使われる主磁石コイルの調整に使
われる、円筒形巻型上に配置された軸対称補正コイルの
組に関する。
る為に、強度の強い磁石の調整に使われる補正コイルに
関する。更に具体的に云えば、この発明はＮＭＲによる
医療用作像診断用途に使われる主磁石コイルの調整に使
われる、円筒形巻型上に配置された軸対称補正コイルの
組に関する。
核磁気共鳴（ＮＭＲ）現象は、曾ては化学的な分析に限
られていたが、現在では身体の内部器官の断層写真層並
びに関連した医療診断用の像を発生するのに使われてい
る。この技術は従来のＸ線技術に較べて幾つかの利点が
ある。第１に、ＮＭＲ作像方式は完全に非侵入型であっ
て、電離性放射を発生しない。第２にＮＭＲ作像は、普
通のＸ線では得られない軟質組織構造の図が得られる。
第３に、ＮＭＲ作像方法を或る期間にわたって反復的に
用いて、患者の身体内で起こる新陳代謝、生理学的及び
化学的な変化を観察することが出来る。従って、ＮＭＲ
作像技術は医療診断の用途にとって重要な利点をもたら
すことが判る。
られていたが、現在では身体の内部器官の断層写真層並
びに関連した医療診断用の像を発生するのに使われてい
る。この技術は従来のＸ線技術に較べて幾つかの利点が
ある。第１に、ＮＭＲ作像方式は完全に非侵入型であっ
て、電離性放射を発生しない。第２にＮＭＲ作像は、普
通のＸ線では得られない軟質組織構造の図が得られる。
第３に、ＮＭＲ作像方法を或る期間にわたって反復的に
用いて、患者の身体内で起こる新陳代謝、生理学的及び
化学的な変化を観察することが出来る。従って、ＮＭＲ
作像技術は医療診断の用途にとって重要な利点をもたら
すことが判る。
然し、ＮＭＲ作像の主な条件の１つは、高度に一様な磁
界が存在することである。この一様な磁界は幾つかの異
なる手段によって発生することが出来る。例えば、永久
磁石を磁束集中ヨーク（等）と共に用いることが出来
る。別の方法は電磁石を使うことである。強度の強い一
様な磁界を発生する３番目の方法は、極低温槽の中に配
置された超導電コイルを利用することである。この超導
電コイルは、一旦設定されると、磁界が長い期間の間持
続するという利点がある。従って、その所要エネルギが
比較的小さい。然し、この発明の補正コイル装置はこれ
らのどの方式にも、即ち、永久磁石、抵抗性電磁石及び
特に超導電電磁石に適用し得る。
界が存在することである。この一様な磁界は幾つかの異
なる手段によって発生することが出来る。例えば、永久
磁石を磁束集中ヨーク（等）と共に用いることが出来
る。別の方法は電磁石を使うことである。強度の強い一
様な磁界を発生する３番目の方法は、極低温槽の中に配
置された超導電コイルを利用することである。この超導
電コイルは、一旦設定されると、磁界が長い期間の間持
続するという利点がある。従って、その所要エネルギが
比較的小さい。然し、この発明の補正コイル装置はこれ
らのどの方式にも、即ち、永久磁石、抵抗性電磁石及び
特に超導電電磁石に適用し得る。
所望の一様な磁石を発生する永久磁石装置では、使う材
料によって磁界の一様性が制限される。同様に、電磁石
の設計も製造の許容公差によって制限される。例えば、
２０cm×２０cm×２０cmの容積では、主たる超導電コイ
ル巻線の配置に１ミルという僅かな誤差があっても、磁
界の均質性には１００ppm という大きな偏差が起り得
る。この様な磁界の均質性からのずれは、望ましくない
人為効果（アーティファクト）を持つ像が発生されるの
で、医療診断用の作像では一般的に受入れることが出来
ない。
料によって磁界の一様性が制限される。同様に、電磁石
の設計も製造の許容公差によって制限される。例えば、
２０cm×２０cm×２０cmの容積では、主たる超導電コイ
ル巻線の配置に１ミルという僅かな誤差があっても、磁
界の均質性には１００ppm という大きな偏差が起り得
る。この様な磁界の均質性からのずれは、望ましくない
人為効果（アーティファクト）を持つ像が発生されるの
で、医療診断用の作像では一般的に受入れることが出来
ない。
従って、磁界を発生する従来の３つの方法のどれでも、
補正コイルの必要がある。一般的に、こういう補正コイ
ルが通す電流は、主巻線の電流の小さな端数にすぎな
い。更に、その目的が調整用である結果として、補正コ
イルの寸法並びにそのターン数も、主たる磁界コイルの
導体に較べて小さい。一般的に、補正コイルは、補正し
ない磁界が勾配を持つ惧れがあるあらゆる方向に磁界勾
配を発生する。こういうコイルの組を選択的に励磁し
て、磁界の均質性を所望の値に高める。
補正コイルの必要がある。一般的に、こういう補正コイ
ルが通す電流は、主巻線の電流の小さな端数にすぎな
い。更に、その目的が調整用である結果として、補正コ
イルの寸法並びにそのターン数も、主たる磁界コイルの
導体に較べて小さい。一般的に、補正コイルは、補正し
ない磁界が勾配を持つ惧れがあるあらゆる方向に磁界勾
配を発生する。こういうコイルの組を選択的に励磁し
て、磁界の均質性を所望の値に高める。
補正コイルの普通の励磁方法は、磁界の特定された数多
くの場所に於ける補正しない磁界の測定から始まる。次
に、普通のアルゴリズムを用いて補正コイルの勾配を測
定した磁界に認められる勾配と合せ、組の中の全ての補
正コイルに対する最適の電流設定値を決定する。一般的
に必要とする補正コイルの組並びにその電流は、主コイ
ルの設計並びに均質性の仕様に関係する。主コイルの数
が増えると、一般的には磁界の固有の均質性が実際に高
くなる。然し、この設計方法では、補正コイルの条件を
決定する為に、製造上及び動作上の許容公差を加えなけ
ればならない次元の数も増加する。更に、磁石の動作環
境内に強磁性材料が存在すると、磁界の補正が必要であ
る。主磁界の所望の軸方向の勾配を発生する為、軸対称
のコイルの組が必要である。こういうコイルの組は偶
（即ち、中央平面に対して対称的であって、電流の流れ
が平行である）であっても、奇（即ち、対称的に配置さ
れているが、電流が逆平行である）であってもよい。均
質性の仕様はその条件を充たす為に、独立に調節し得る
十分な数の電流が得られる様に、多数の偶及び奇の補正
コイルの組を使わなければならない様になっている場合
が多い。然し、各々の偶及び奇の補正コイルの組は、正
しく設計しないと、その対称性の為に全ての磁界勾配を
発生するので、問題が生じる。この様に勾配が重複する
結果として、所望の磁界を設定する際に発生された勾配
が互いに突合さることがあるので、全てのコイルの組の
電流が一層大きくなる。この為、突合せ電流が一層大き
なコイル電流又は一層多くの導体のターン数を要求する
が、そのどちらも望ましくない。従って、各々の組から
或る勾配を除くことが望ましいが、１つの勾配以外の全
ての勾配を除去することは、形式上も不可能である。そ
れでも、全てのコイルが１対で構成されていて、１個の
円筒の上に同じ半径の所で配置されることが、製造上の
効率から有利である。従って、この発明で用いられる勾
配の除去は、この可能性をなくす様な設計を必要とする
ものであってはならない。その目的とする所は、より多
くの高調波を除く為に一組の中のコイルの数を増やすこ
とが、それに応じて所要の電流が減少する場合にだけ実
際的である様に、所定の磁界を調整するのに必要な合計
のアンペアターン数を最小限に抑えることである。
くの場所に於ける補正しない磁界の測定から始まる。次
に、普通のアルゴリズムを用いて補正コイルの勾配を測
定した磁界に認められる勾配と合せ、組の中の全ての補
正コイルに対する最適の電流設定値を決定する。一般的
に必要とする補正コイルの組並びにその電流は、主コイ
ルの設計並びに均質性の仕様に関係する。主コイルの数
が増えると、一般的には磁界の固有の均質性が実際に高
くなる。然し、この設計方法では、補正コイルの条件を
決定する為に、製造上及び動作上の許容公差を加えなけ
ればならない次元の数も増加する。更に、磁石の動作環
境内に強磁性材料が存在すると、磁界の補正が必要であ
る。主磁界の所望の軸方向の勾配を発生する為、軸対称
のコイルの組が必要である。こういうコイルの組は偶
（即ち、中央平面に対して対称的であって、電流の流れ
が平行である）であっても、奇（即ち、対称的に配置さ
れているが、電流が逆平行である）であってもよい。均
質性の仕様はその条件を充たす為に、独立に調節し得る
十分な数の電流が得られる様に、多数の偶及び奇の補正
コイルの組を使わなければならない様になっている場合
が多い。然し、各々の偶及び奇の補正コイルの組は、正
しく設計しないと、その対称性の為に全ての磁界勾配を
発生するので、問題が生じる。この様に勾配が重複する
結果として、所望の磁界を設定する際に発生された勾配
が互いに突合さることがあるので、全てのコイルの組の
電流が一層大きくなる。この為、突合せ電流が一層大き
なコイル電流又は一層多くの導体のターン数を要求する
が、そのどちらも望ましくない。従って、各々の組から
或る勾配を除くことが望ましいが、１つの勾配以外の全
ての勾配を除去することは、形式上も不可能である。そ
れでも、全てのコイルが１対で構成されていて、１個の
円筒の上に同じ半径の所で配置されることが、製造上の
効率から有利である。従って、この発明で用いられる勾
配の除去は、この可能性をなくす様な設計を必要とする
ものであってはならない。その目的とする所は、より多
くの高調波を除く為に一組の中のコイルの数を増やすこ
とが、それに応じて所要の電流が減少する場合にだけ実
際的である様に、所定の磁界を調整するのに必要な合計
のアンペアターン数を最小限に抑えることである。
発明の概要 この発明の好ましい実施例では、円柱形容積内の磁界の
軸方向成分の均質性を改善する補正コイル装置が、円筒
形コイル巻型と、その縦方向の範囲に沿った選ばれた位
置で該巻型上に配置された複数個の軸対称のコイルの対
とで構成される。これらの位置は、前記コイルの対の内
の少なくとも１つが、該コイルの対によって発生された
磁界の軸方向成分を表わす球面調和関数展開の特定の項
に寄与しない様に選ばれている。この発明の好ましい実
施例では、夫々それ自身の関連したコイル幅を持つ軸対
称のコイルの対の位置は、円筒形巻型上に存在するコイ
ルが重なり合わない様に選ばれている。補正コイル巻線
は普通の抵抗材料で構成してもよいし、或いは実際に超
導電材料を用いてもよい。特に、１対のコイルが、前述
の球面調和関数展開の３次項を持たず、別の対が４次項
を持たず、別の対が５次項を持たず、更に別の対が６次
項を持たない様に配置されたコイルの対を有する補正コ
イル装置を例示する。
軸方向成分の均質性を改善する補正コイル装置が、円筒
形コイル巻型と、その縦方向の範囲に沿った選ばれた位
置で該巻型上に配置された複数個の軸対称のコイルの対
とで構成される。これらの位置は、前記コイルの対の内
の少なくとも１つが、該コイルの対によって発生された
磁界の軸方向成分を表わす球面調和関数展開の特定の項
に寄与しない様に選ばれている。この発明の好ましい実
施例では、夫々それ自身の関連したコイル幅を持つ軸対
称のコイルの対の位置は、円筒形巻型上に存在するコイ
ルが重なり合わない様に選ばれている。補正コイル巻線
は普通の抵抗材料で構成してもよいし、或いは実際に超
導電材料を用いてもよい。特に、１対のコイルが、前述
の球面調和関数展開の３次項を持たず、別の対が４次項
を持たず、別の対が５次項を持たず、更に別の対が６次
項を持たない様に配置されたコイルの対を有する補正コ
イル装置を例示する。
従って、この発明の目的は、磁界の軸方向成分の均質性
を改善する補正コイル装置を提供することである。
を改善する補正コイル装置を提供することである。
この発明の別の目的は、ＮＭＲ作像の用途に特に役立つ
補正コイル装置を提供することである。
補正コイル装置を提供することである。
この発明の別の目的は、１個のコイル巻型上の選ばれた
場所に、重なり合わない様に、軸対称のコイルを配置し
た補正コイル装置を提供することである。
場所に、重なり合わない様に、軸対称のコイルを配置し
た補正コイル装置を提供することである。
この発明の別の目的は、ごく少ない導体のアンペア・タ
ーン数を用いて、非均質性の磁界を調整することが出来
る、軸対称の補正コイルの組から成る装置を提供するこ
とである。
ーン数を用いて、非均質性の磁界を調整することが出来
る、軸対称の補正コイルの組から成る装置を提供するこ
とである。
この発明の要旨は特許請求の範囲に具体的に且つ明確に
記載してあるが、この発明の構成、作用並びにその他の
目的及び利点は、以下図面について説明する所から最も
よく理解されよう。
記載してあるが、この発明の構成、作用並びにその他の
目的及び利点は、以下図面について説明する所から最も
よく理解されよう。
実施例の詳しい記載 第１図は、偶及び奇の組のコイル対の間の違いを説明す
るものである。第１図はこの発明の全体的な構造をも例
示しているが、この構造が第３図に更に詳しく示されて
いる。第３図は実際に第１図の特定の断面図であるが、
第３図に示した特定の断面が、第１図に示した断面で切
ることによって生ずる正確な断面ではないことを念頭に
おかれたい。第１図に切断平面を示したのは、断面を切
る場所を表わす為である。然し、第３図は第１図につい
て説明すること以上に詳しい細部を示している。第１図
並びにこういう目的について説明すると、円筒形コイル
巻型１０上に２組のコイルの対が巻装されている。各対
の全てのコイルは軸対称コイルと呼ぶ。これは、コイル
巻線構造がコイル巻型１０の中心軸線に対して対称的で
あるからである。更に、コイル巻線は、円筒の軸線と垂
直にその中心を通る仮想の中心平面に対して対称的に配
置されている。この中心平面が円筒を切る円を第１図に
破線で示してある。座標系はそのz 軸が円筒の軸線に沿
っていて、中心平面が式 z＝０で表わされる様に選ばれ
ている。２組のコイル対が第１図に示されている（これ
と対照的に第３図では何対かが示されている）。特にコ
イル対Ｌｅは偶のコイル対である。これは電流の流れを
矢印で示す様に、各々の巻線に同じ方向の電流が通るか
らである。更に具体的に云うと、コイル対Ｌｅは、この
対の内の一方のコイルが平面 z＝− z１にあり、コイル
対の残り半分が平面 z＝＋ z１にある様に位置ぎめされ
ていることが判る。この発明の重要な一部分を構成する
のが、この様なコイルの位置の選択である。同様に、奇
のコイル対Ｌｏが位置 z＝− z２及び z＝＋ z２に配置
されている。コイル対Ｌｏに関連する電流の流れを示す
矢印は、これらの２つのコイルに流れる電流が反対向き
又は逆平行であることを示している。所定の軸対称のコ
イル対が偶のコイル対又は奇のコイル体のどちらになる
かを決定するのは、電流の流れの方向（そして間接的に
は巻装の方向）である。第１図は偶のコイル対及び奇の
コイル対の意味する所を示しているが、第１図はコイル
対の配置を例示する為の略図とだけ考えられたい。実際
のコイル設計では、各々のコイル巻線の幅を考慮に入れ
なければならない。各々のコイル巻線の幅は実質的にz
方向の範囲である。電気導体自体が有限の直径を持ち、
これらのコイルの所要アンペアターン数により、複数個
のターンが必要とされるのが典型的であるから、各対に
ある各々のコイルは必然的に有限の幅を持つことが判
る。従って、円筒形コイル巻型上に軸対称のコイルを配
置するには、コイルの縦方向の配置に対する考慮だけで
なく、重なり合いが起らない様に保証する為に、各々の
コイルの幅並びに他の隣接コイルに対するその関係の考
慮も必要とする。
るものである。第１図はこの発明の全体的な構造をも例
示しているが、この構造が第３図に更に詳しく示されて
いる。第３図は実際に第１図の特定の断面図であるが、
第３図に示した特定の断面が、第１図に示した断面で切
ることによって生ずる正確な断面ではないことを念頭に
おかれたい。第１図に切断平面を示したのは、断面を切
る場所を表わす為である。然し、第３図は第１図につい
て説明すること以上に詳しい細部を示している。第１図
並びにこういう目的について説明すると、円筒形コイル
巻型１０上に２組のコイルの対が巻装されている。各対
の全てのコイルは軸対称コイルと呼ぶ。これは、コイル
巻線構造がコイル巻型１０の中心軸線に対して対称的で
あるからである。更に、コイル巻線は、円筒の軸線と垂
直にその中心を通る仮想の中心平面に対して対称的に配
置されている。この中心平面が円筒を切る円を第１図に
破線で示してある。座標系はそのz 軸が円筒の軸線に沿
っていて、中心平面が式 z＝０で表わされる様に選ばれ
ている。２組のコイル対が第１図に示されている（これ
と対照的に第３図では何対かが示されている）。特にコ
イル対Ｌｅは偶のコイル対である。これは電流の流れを
矢印で示す様に、各々の巻線に同じ方向の電流が通るか
らである。更に具体的に云うと、コイル対Ｌｅは、この
対の内の一方のコイルが平面 z＝− z１にあり、コイル
対の残り半分が平面 z＝＋ z１にある様に位置ぎめされ
ていることが判る。この発明の重要な一部分を構成する
のが、この様なコイルの位置の選択である。同様に、奇
のコイル対Ｌｏが位置 z＝− z２及び z＝＋ z２に配置
されている。コイル対Ｌｏに関連する電流の流れを示す
矢印は、これらの２つのコイルに流れる電流が反対向き
又は逆平行であることを示している。所定の軸対称のコ
イル対が偶のコイル対又は奇のコイル体のどちらになる
かを決定するのは、電流の流れの方向（そして間接的に
は巻装の方向）である。第１図は偶のコイル対及び奇の
コイル対の意味する所を示しているが、第１図はコイル
対の配置を例示する為の略図とだけ考えられたい。実際
のコイル設計では、各々のコイル巻線の幅を考慮に入れ
なければならない。各々のコイル巻線の幅は実質的にz
方向の範囲である。電気導体自体が有限の直径を持ち、
これらのコイルの所要アンペアターン数により、複数個
のターンが必要とされるのが典型的であるから、各対に
ある各々のコイルは必然的に有限の幅を持つことが判
る。従って、円筒形コイル巻型上に軸対称のコイルを配
置するには、コイルの縦方向の配置に対する考慮だけで
なく、重なり合いが起らない様に保証する為に、各々の
コイルの幅並びに他の隣接コイルに対するその関係の考
慮も必要とする。
ＮＭＲ作像用の磁石コイル、補正コイル及び勾配コイル
を設計するのに使われる主な数学的な手段の１つは、磁
界の軸方向成分を球面調和関数展開によって展開するこ
とである。この展開が次の式で示されている。この式で
r 及びθの関数としての磁界のz 成分（即ち軸方向成
分）が、一組の係数 aｎ及び変数 cosθを持つ一組のル
ジャンドル多項式Ｐｎによって表わされている。
を設計するのに使われる主な数学的な手段の１つは、磁
界の軸方向成分を球面調和関数展開によって展開するこ
とである。この展開が次の式で示されている。この式で
r 及びθの関数としての磁界のz 成分（即ち軸方向成
分）が、一組の係数 aｎ及び変数 cosθを持つ一組のル
ジャンドル多項式Ｐｎによって表わされている。
この式でr 及びθは第２図に示す様な磁界の１点の座標
を表わす。第２図の座標系が実際には第１図に示すコイ
ルの中心にあることを承知されたい。第２図のz 軸が第
１図のz 軸と整合し、第２図のx 、y 平面が前に第１図
について説明した中心平面に対応する。従って、座標系
の原点は、コイル巻型１０によって限定された円柱形容
積の中心にある。変数r は原点から円筒上の１点までの
距離と定義されることが判る。この点は必ずしもx −y
平面内にない。角度θはz 軸と、原点から点r のx −z
平面に対する垂直な投影の点に引いた線との間の角度と
定義されることが判る。第２図には、座標系の原点か
ら、円筒に対して垂直な方向に伸び、円筒の半径を表わ
す変数ρも示されている。同様に、変数φは、y 軸の正
の方向と、原点から円筒面に垂直に伸びる線との間で測
った角度であることが判る。従って、φは円筒上の円周
方向の位置の目安である。従って、円筒面上の位置は、
ρ及びz を特定することにより、又はr 及びθを特定す
ることにより、同じ様に定めることが出来ることが判
る。
を表わす。第２図の座標系が実際には第１図に示すコイ
ルの中心にあることを承知されたい。第２図のz 軸が第
１図のz 軸と整合し、第２図のx 、y 平面が前に第１図
について説明した中心平面に対応する。従って、座標系
の原点は、コイル巻型１０によって限定された円柱形容
積の中心にある。変数r は原点から円筒上の１点までの
距離と定義されることが判る。この点は必ずしもx −y
平面内にない。角度θはz 軸と、原点から点r のx −z
平面に対する垂直な投影の点に引いた線との間の角度と
定義されることが判る。第２図には、座標系の原点か
ら、円筒に対して垂直な方向に伸び、円筒の半径を表わ
す変数ρも示されている。同様に、変数φは、y 軸の正
の方向と、原点から円筒面に垂直に伸びる線との間で測
った角度であることが判る。従って、φは円筒上の円周
方向の位置の目安である。従って、円筒面上の位置は、
ρ及びz を特定することにより、又はr 及びθを特定す
ることにより、同じ様に定めることが出来ることが判
る。
コイルの励磁の普通の設計方法は、最初に既知の数多く
の空間的な座標に於ける磁界の補正してない軸方向成分
を測定することから始まる。次にアルゴリズムを用い
て、補正コイルの勾配を磁界の勾配と合せ、各々の補正
コイルの組に対する最適の電流設定値を決定する。必要
とする相異なる補正コイルの組並びにそれらの最大の磁
界強度は、主コイルの設計と均質性の仕様とに関係す
る。主コイルの数を増やすと、主磁界に固有の均質性も
高くなるが、必要な補正コイルの条件を決定する為に製
造上及び動作上の許容公差を加えなければならない次元
の数も増加する。更に、磁石の動作環境内に強磁性材料
が存在すると、磁界の補正を必要とする傾向がある。主
磁界に対する所望の軸方向の勾配の補正を行う為、上に
述べた様な軸対称コイルを用いる。これらのコイルの組
は偶であっても奇であってもよい。均質性の仕様は、条
件に合せる為の十分な独立に調節し得る電流を持たせる
為に、多数の偶及び奇の組を用いる様になっている場合
が多い。各々の偶及び奇の組は、正しく設計しないと、
その対称性によって全ての磁界勾配を発生するので、問
題が起る。この様に勾配が重複する結果、発生された磁
界が補正磁界を設定する際に互いに突合せになるので、
全ての補正コイルの組の電流が一層大きくなる。この
為、突合せ電流がコイルの電流を一層大きくすること、
又はコイルの導体のターン数を一層多くすることを要求
するが、その何れも望ましくない。従って、各々のコイ
ルの組から或る勾配を除去することが望ましい。更に、
全てのコイルが１対で構成されていて、１個の円形円筒
上に配置されることが有利である。第３図に示す補正コ
イルの設計では、所定の磁界を調整する為に必要な合計
のアンペアターン数を最小限に抑えるという目的が実現
される。
の空間的な座標に於ける磁界の補正してない軸方向成分
を測定することから始まる。次にアルゴリズムを用い
て、補正コイルの勾配を磁界の勾配と合せ、各々の補正
コイルの組に対する最適の電流設定値を決定する。必要
とする相異なる補正コイルの組並びにそれらの最大の磁
界強度は、主コイルの設計と均質性の仕様とに関係す
る。主コイルの数を増やすと、主磁界に固有の均質性も
高くなるが、必要な補正コイルの条件を決定する為に製
造上及び動作上の許容公差を加えなければならない次元
の数も増加する。更に、磁石の動作環境内に強磁性材料
が存在すると、磁界の補正を必要とする傾向がある。主
磁界に対する所望の軸方向の勾配の補正を行う為、上に
述べた様な軸対称コイルを用いる。これらのコイルの組
は偶であっても奇であってもよい。均質性の仕様は、条
件に合せる為の十分な独立に調節し得る電流を持たせる
為に、多数の偶及び奇の組を用いる様になっている場合
が多い。各々の偶及び奇の組は、正しく設計しないと、
その対称性によって全ての磁界勾配を発生するので、問
題が起る。この様に勾配が重複する結果、発生された磁
界が補正磁界を設定する際に互いに突合せになるので、
全ての補正コイルの組の電流が一層大きくなる。この
為、突合せ電流がコイルの電流を一層大きくすること、
又はコイルの導体のターン数を一層多くすることを要求
するが、その何れも望ましくない。従って、各々のコイ
ルの組から或る勾配を除去することが望ましい。更に、
全てのコイルが１対で構成されていて、１個の円形円筒
上に配置されることが有利である。第３図に示す補正コ
イルの設計では、所定の磁界を調整する為に必要な合計
のアンペアターン数を最小限に抑えるという目的が実現
される。
この発明の目的を達成する為、各々のコイルの組の磁界
の球面調和関数解析を用いる。関心のある容積内で、各
組の軸方向磁界が前に示したＢｚ（ｒ，θ）で表わされ
る。この表式の幾つかの属性を念頭におかれたい。第１
に、奇のコイルの組では、展開式の偶数次の項が消え、
共通の高調波を発生しないので、偶及び奇の組が減結合
になる。これに対応して、偶のコイルの組では、展開式
の奇数次の項が消え、共通の高調波は発生しない。更に
各項の因数ｒnに対する依存性を各々の高調波に対して
注目する。その為、係数 aｎが一層小さい高次の高調波
（即ち、n の一層大きな値）は、半径が大きくなると一
層重要になる。ＮＭＲ作像で関心の持たれる半径では、
n＝１６より高い高調波は一般的に無視し得る。低次
（ n＝０又は n＝１）の項に対して特にそうである。
の球面調和関数解析を用いる。関心のある容積内で、各
組の軸方向磁界が前に示したＢｚ（ｒ，θ）で表わされ
る。この表式の幾つかの属性を念頭におかれたい。第１
に、奇のコイルの組では、展開式の偶数次の項が消え、
共通の高調波を発生しないので、偶及び奇の組が減結合
になる。これに対応して、偶のコイルの組では、展開式
の奇数次の項が消え、共通の高調波は発生しない。更に
各項の因数ｒnに対する依存性を各々の高調波に対して
注目する。その為、係数 aｎが一層小さい高次の高調波
（即ち、n の一層大きな値）は、半径が大きくなると一
層重要になる。ＮＭＲ作像で関心の持たれる半径では、
n＝１６より高い高調波は一般的に無視し得る。低次
（ n＝０又は n＝１）の項に対して特にそうである。
n≦１０では、高調波の係数は、最低次の項の係数の１
％未満である。従って、この発明では、補正コイルの電
流を決定する為に使われるアルゴリズムに関係なく、低
次の高調波には所望の容積内で最も大きな重みをかけ、
これらの高調波が或るコイル対から除去すべきものとな
る様にすることが判る。
％未満である。従って、この発明では、補正コイルの電
流を決定する為に使われるアルゴリズムに関係なく、低
次の高調波には所望の容積内で最も大きな重みをかけ、
これらの高調波が或るコイル対から除去すべきものとな
る様にすることが判る。
この設計基準を取入れた６組のコイルの設計を説明す
る。然し、６組のコイル対の設計の場合を例示する為に
この設計基準を用いるが、この設計基準が、相異なる半
径並びに相異なるコイル数を持つこの他のコイルの設計
にも適用し得ることは云うまでもない。３つの奇の組及
び３つの偶の組が装置を構成する。第３図では、或る高
調波を除去する奇の２組のコイル対、即ちコイル
Ｌ５ ａ、Ｌ５ ｂと、コイル対Ｌ３ ａ、Ｌ３ ｂとが設けら
れている。コイルの組Ｌ３ ａ、Ｌ３ ｂは、３次高調波を
発生しない様に軸方向に配置されている。同様にコイル
対Ｌ５ ａ、Ｌ５ ｂは５次高調波を発生しない様に位置ぎ
めされている。０次及び１次高調波を除去するには、偶
及び奇の組に夫々２つのコイル対を用いるしかない。然
し、これは設計として経済的な選択ではない。同様に、
２つのコイル対Ｌ４ ａ、Ｌ４ ｂとＬ６ ａ、Ｌ６ ｂは、夫
々４次及び６次高調波を発生しない。こヽに例示する設
計では、どの組でも、２次高調波は除去されていない
が、これは重なり合わずに、円筒上にコイルを配置する
という限られた選択の為である。次数n の高調波を除去
するには、（ n＋１）次のルジャンドル多項式（変数 c
osθを持つ）の１次微係数が消える様な極座標の角度θ
（第２図参照）にコイルを配置することを必要とする。
所定の半径では、これによってコイルの軸方向の位置が
決まる。（ n−１）次の高調波を除去する為のルジャン
ドル多項式の微係数のゼロ、即ちＰｎのゼロが、半径５
０cmのコイルの中心に対する近似的な軸方向の位置と共
に、下記の表Ｉに示されている。
る。然し、６組のコイル対の設計の場合を例示する為に
この設計基準を用いるが、この設計基準が、相異なる半
径並びに相異なるコイル数を持つこの他のコイルの設計
にも適用し得ることは云うまでもない。３つの奇の組及
び３つの偶の組が装置を構成する。第３図では、或る高
調波を除去する奇の２組のコイル対、即ちコイル
Ｌ５ ａ、Ｌ５ ｂと、コイル対Ｌ３ ａ、Ｌ３ ｂとが設けら
れている。コイルの組Ｌ３ ａ、Ｌ３ ｂは、３次高調波を
発生しない様に軸方向に配置されている。同様にコイル
対Ｌ５ ａ、Ｌ５ ｂは５次高調波を発生しない様に位置ぎ
めされている。０次及び１次高調波を除去するには、偶
及び奇の組に夫々２つのコイル対を用いるしかない。然
し、これは設計として経済的な選択ではない。同様に、
２つのコイル対Ｌ４ ａ、Ｌ４ ｂとＬ６ ａ、Ｌ６ ｂは、夫
々４次及び６次高調波を発生しない。こヽに例示する設
計では、どの組でも、２次高調波は除去されていない
が、これは重なり合わずに、円筒上にコイルを配置する
という限られた選択の為である。次数n の高調波を除去
するには、（ n＋１）次のルジャンドル多項式（変数 c
osθを持つ）の１次微係数が消える様な極座標の角度θ
（第２図参照）にコイルを配置することを必要とする。
所定の半径では、これによってコイルの軸方向の位置が
決まる。（ n−１）次の高調波を除去する為のルジャン
ドル多項式の微係数のゼロ、即ちＰｎのゼロが、半径５
０cmのコイルの中心に対する近似的な軸方向の位置と共
に、下記の表Ｉに示されている。
これらの内の或る位置は、容積の中心から実用的には遠
く離れており、他の位置は、特にコイル幅を考慮に入れ
ると互いに直接的に干渉する。この場合、５次高調波を
除去する必要がある時、採り得る唯一の選択は、 z＝±
２６．５cmの位置であり、こうして２つの別々のコイル
円筒を使わずに、２次高調波を除去することは出来なく
なる。然し、これに関連して言うと、多数のコイル巻型
を使うことは一般的には望ましくない。上に選んだ状況
の場合の最適として選んだ設計（特にρ＝５０cm）が第
３図に示されている。偶及び奇の組の夫々１つが全ての
高調波を発生し、物理的に便利な場所に配置されてい
る。偶の組で１個の中心のコイルＬｏを使っていること
に注意されたい。更に、第１図で奇のコイル対を表わす
のに使った記号Ｌｏを、第３図の１個の中心にあるコイ
ルを表わす記号Ｌｏと混同しない様に注意されたい。半
径５５．９４cmを持つコイルで、種々のコイルの特定の
位置とその幅が第３図に示されている。コイル装置は、
硝子エポキシ複合体に加工した溝に取付けることが好ま
しい。第３図のコイルが、前に述べた中心平面を表わす
鎖線の垂直中心線に対して鏡像の対称性を持つことにも
注意されたい。コイルの位置は吋数で表わしてある。更
に第３図は座標軸ρ及びz をも示していることに注意さ
れたい。然し、これらの軸線は便宜上図示の位置に示し
たものであり、相対的な方向を示している。前にのべた
様に、それらは円筒形コイル巻型の中心にあるのが正し
い。コイルの幅は一般的に係数 aｎの大きさに関係す
る。この係数の大きさは、磁界の測定から実験的に決定
される。然し、実際的な観点からは、代表的な一組のコ
イル幅を選択し、その電流をそれに応じて調節すること
が好ましい。
く離れており、他の位置は、特にコイル幅を考慮に入れ
ると互いに直接的に干渉する。この場合、５次高調波を
除去する必要がある時、採り得る唯一の選択は、 z＝±
２６．５cmの位置であり、こうして２つの別々のコイル
円筒を使わずに、２次高調波を除去することは出来なく
なる。然し、これに関連して言うと、多数のコイル巻型
を使うことは一般的には望ましくない。上に選んだ状況
の場合の最適として選んだ設計（特にρ＝５０cm）が第
３図に示されている。偶及び奇の組の夫々１つが全ての
高調波を発生し、物理的に便利な場所に配置されてい
る。偶の組で１個の中心のコイルＬｏを使っていること
に注意されたい。更に、第１図で奇のコイル対を表わす
のに使った記号Ｌｏを、第３図の１個の中心にあるコイ
ルを表わす記号Ｌｏと混同しない様に注意されたい。半
径５５．９４cmを持つコイルで、種々のコイルの特定の
位置とその幅が第３図に示されている。コイル装置は、
硝子エポキシ複合体に加工した溝に取付けることが好ま
しい。第３図のコイルが、前に述べた中心平面を表わす
鎖線の垂直中心線に対して鏡像の対称性を持つことにも
注意されたい。コイルの位置は吋数で表わしてある。更
に第３図は座標軸ρ及びz をも示していることに注意さ
れたい。然し、これらの軸線は便宜上図示の位置に示し
たものであり、相対的な方向を示している。前にのべた
様に、それらは円筒形コイル巻型の中心にあるのが正し
い。コイルの幅は一般的に係数 aｎの大きさに関係す
る。この係数の大きさは、磁界の測定から実験的に決定
される。然し、実際的な観点からは、代表的な一組のコ
イル幅を選択し、その電流をそれに応じて調節すること
が好ましい。
この発明の補正コイル装置は超導電磁石コイルを調整す
るのに特に役立つ。然し、この発明の装置は抵抗性コイ
ルを用いる磁石装置又は永久磁石を用いる磁石装置にも
適用し得る。然し、その時間的な安定性が高い為、この
発明のコイルは、特に複数個の超導電巻線で構成された
主磁石に用いる時、超導電材料で構成することが好まし
い。以上の説明から、この発明の補正コイル装置が、磁
界の軸方向の成分に対し、磁界の均質性を高める手段に
なることが理解されよう。この発明の設計が、定められ
た程度の補正を達成するのに必要な導体の合計アンペア
ターン数を減少することも理解されよう。
るのに特に役立つ。然し、この発明の装置は抵抗性コイ
ルを用いる磁石装置又は永久磁石を用いる磁石装置にも
適用し得る。然し、その時間的な安定性が高い為、この
発明のコイルは、特に複数個の超導電巻線で構成された
主磁石に用いる時、超導電材料で構成することが好まし
い。以上の説明から、この発明の補正コイル装置が、磁
界の軸方向の成分に対し、磁界の均質性を高める手段に
なることが理解されよう。この発明の設計が、定められ
た程度の補正を達成するのに必要な導体の合計アンペア
ターン数を減少することも理解されよう。
この発明の或る好ましい実施例を詳しく説明したが、当
業者であれば、種々の変更を加えることが出来よう。従
って、特許請求の範囲の記載は、この発明の範囲内に含
まれるこの様な全ての変更を包括するものであることを
承知されたい。
業者であれば、種々の変更を加えることが出来よう。従
って、特許請求の範囲の記載は、この発明の範囲内に含
まれるこの様な全ての変更を包括するものであることを
承知されたい。
第１図は円筒形コイル巻型と２対の軸対称巻線の簡略斜
視図で、奇及び偶のコイル巻線の対の違いを示してい
る。第２図はコイルの位置を表わすのに使われる座標系
を示す簡略図であり、円柱形容積内の磁界成分の球面調
和関数展開に用いられる座標変数を例示している。第３
図は第１図に示す様な装置の部分的な断面図で、特に図
示の様に円筒の長さに沿って配置され且つ図示の様なコ
イル幅を持つ６対の軸対称のコイルを用いたこの発明の
実施例を例示している。 主な符号の説明 １０：コイル巻型 Ｌ：コイル
視図で、奇及び偶のコイル巻線の対の違いを示してい
る。第２図はコイルの位置を表わすのに使われる座標系
を示す簡略図であり、円柱形容積内の磁界成分の球面調
和関数展開に用いられる座標変数を例示している。第３
図は第１図に示す様な装置の部分的な断面図で、特に図
示の様に円筒の長さに沿って配置され且つ図示の様なコ
イル幅を持つ６対の軸対称のコイルを用いたこの発明の
実施例を例示している。 主な符号の説明 １０：コイル巻型 Ｌ：コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｒ 33/40 Ｈ０１Ｆ 5/00 Ｃ 4231−5Ｅ 9219−2Ｊ Ｇ０１Ｎ 24/06 (56)参考文献 特開 昭58−20373（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−126092（ＪＰ，Ａ) Ｔｈｅ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅ ｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ, 1962 ９月 33〔９〕 Ｐ．933−938 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｒｈｙｓｉｃｓ，1951．９月 22〔９〕 Ｐ．1091−1107
Claims (6)
- 【請求項１】円柱形容積内の磁界の軸方向成分の均質性
を改善する補正コイル装置に於て、前期容積の少なくと
も一部分を限定する円筒形巻型と、前記巻型上に配置さ
れた複数個の軸対称コイルの対とを有し、これらのコイ
ル対の配置位置は、各コイル対が該コイル対によって発
生される磁界の軸方向成分を表わす球面調和関数展開
の、０及び１でない相異なるｎ次項に寄与しないように
選ばれており、かつ隣合って配置されたコイル巻線が重
なり合わないように選ばれている補正コイル装置。 - 【請求項２】特許請求の範囲１）に記載した補正コイル
装置に於て、前記コイルの対が超導電材料で構成されて
いる補正コイル装置。 - 【請求項３】特許請求の範囲１）に記載した補正コイル
装置に於て、少なくとも１対のコイルが奇の組である補
正コイル装置。 - 【請求項４】特許請求の範囲１）に記載した補正コイル
装置に於て、少なくとも１対のコイルが偶の組である補
正コイル装置。 - 【請求項５】特許請求の範囲１）に記載した補正コイル
装置に於て、６対の軸対称コイルが設けられている補正
コイル装置。 - 【請求項６】特許請求の範囲５）に記載した補正コイル
装置に於て、１対の軸対称コイルが前記展開の３次項に
寄与せず、別の１対が前記展開の４次項に寄与せず、更
に別の１対のコイルが前記展開の５次項に寄与せず、更
に別の１対のコイルが前記展開の６次項に寄与しない様
にした補正コイル装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US612966 | 1984-05-23 | ||
| US06/612,966 US4506247A (en) | 1984-05-23 | 1984-05-23 | Axisymmetric correction coil system for NMR magnets |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS612048A JPS612048A (ja) | 1986-01-08 |
| JPH0653124B2 true JPH0653124B2 (ja) | 1994-07-20 |
Family
ID=24455330
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60106206A Expired - Fee Related JPH0653124B2 (ja) | 1984-05-23 | 1985-05-20 | 補正コイル装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4506247A (ja) |
| EP (1) | EP0162369B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0653124B2 (ja) |
| CA (1) | CA1257644A (ja) |
| DE (1) | DE3581108D1 (ja) |
| IL (1) | IL75024A (ja) |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0162369A3 (en) | 1988-03-16 |
| IL75024A (en) | 1989-01-31 |
| DE3581108D1 (de) | 1991-02-07 |
| EP0162369B1 (en) | 1990-12-27 |
| IL75024A0 (en) | 1985-08-30 |
| JPS612048A (ja) | 1986-01-08 |
| US4506247A (en) | 1985-03-19 |
| EP0162369A2 (en) | 1985-11-27 |
| CA1257644A (en) | 1989-07-18 |
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