JPH09153408A - 超電導磁石装置 - Google Patents
超電導磁石装置Info
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Abstract
かつ、高い磁場強度において広い均一磁場領域を達成で
きる超電導磁石装置を提供することを目的とする。 【解決手段】超電導磁石装置の静磁場発生源は均一磁場
の発生領域を挟んで対向配置された2組の超電導コイル
群で構成され、各組のコイル群は、一定の方向の電流を
流す主コイルと、主コイルとは逆方向の電流を流す打ち
消しコイルと、磁場均一度を補正する補正用コイルとか
らなる。主コイルと打ち消しコイルの直径はほぼ等し
く、補正用コイルの直径は主コイルの直径よりも小さ
く、補正用コイルの電流量は主コイルの電流量よりも小
さく、主コイル間の対向距離は打ち消しコイル間の対向
距離よりも短くなっている。
Description
ング装置(以下MRI装置という)に適した超電導磁石
装置に係り、特に、広い開口部を有することで被検者に
解放感を与え、また、術者に対しては被検者へのアクセ
スを容易にする超電導磁石装置に関する。
置の一例を示す。図7に示したものは、水平磁場方式の
超電導磁石装置である。この超電導磁石は直径の小さな
主コイル13,14,15,16,17,18と直径の
大きなシールドコイル19,20とで構成されており、
水平方向(Z軸方向)の磁場を発生させる。この例で
は、主コイル13〜18が磁石の中心軸22に沿った磁
場を作り、シールドコイル19,20は周囲への磁場漏
洩をシールドするために配置されている。このように磁
石を構成することにより、磁場空間内に約10ppm 以下
の磁場均一度を有する均一磁場領域21が形成される。
磁気共鳴イメージング撮影はこの均一磁場領域21にて
行われる。
作られるので、所定の温度(例えば、合金系超電導体の
場合には液体ヘリウム温度(4.2K)とか、酸化物超電
導体の場合には液体窒素温度(77K))にまで冷却する
必要がある。そのため、コイルは、真空容器や熱シール
ド(図示せず)および冷媒容器(液体ヘリウムなどを収
容)などから構成される冷却容器の中に保持される。図
7の例では、コイル13〜20は液体ヘリウムなどの超
電導用冷媒12を収容した冷媒容器11の中に支持体
(図示なし)に支持されて配設されており、さらに冷媒
容器11は真空容器10内に保持されている。
機(図示せず)を用いて、熱シールドの温度を一定に保
ったり、超電導用冷媒12の蒸発量を低減させたりして
いる。最近では、冷凍機の性能が向上してきており、超
電導体コイルを直接冷凍機で冷やすことによって、冷媒
容器11を使用しない場合もある。
ために被検者が入る測定空間が狭く、周囲も囲まれてい
るために被検者に閉塞感を与える。このため、ときど
き、装置内に入ることを被検者に拒否される場合もあっ
た。また、装置の外部から、術者が被検者へアクセスす
ることも困難であった。
の他の例(オープン型水平磁場方式)を示す。この従来例
は米国特許第5,410,287 号に開示されたもので、図7の
従来例の欠点であった装置の閉塞感、術者の被検者への
アクセスの困難性を改善したものである。図8(a)は
その断面図を示したもの、図8(b)は外観図を示した
ものである。図8(a)において、3個ずつのコイル2
3A,24A,25Aと23B,24B,25Bが均一
磁場領域21を挟んで、中心軸22と同軸に配置されて
いる。各組のコイルは、支持体(図示せず)に支持され
て、冷凍機で直接冷却されており、コイル全体は熱シー
ルド9A,9Bで囲い、この熱シールド9A,9Bが真
空容器10A,10Bに保持されている。
主コイルで同一方向の電流が流れており、コイル25
A,25Bは補助コイルで、主コイルとは逆方向の電流
が流れている。この構成の磁石では、主コイル23A,
23B,24A,24Bで中心軸22に沿った方向の磁
場を作り、補助コイル25A,25Bは均一磁場領域2
1の磁場均一度を向上するために配列されている。ま
た、この磁石ではシールドコイルを使用せず、装置を設
置した部屋に磁気シールドを施している。
0A,10Bはドーナツ状をしており、両者の間を2本
の支持棒26で支持されている。このため真空容器10
Aと10Bの間は解放された空間になっている。被検者
は、真空容器の中心穴を通って、中心軸22に沿って、
均一磁場領域21に挿入され、そこで撮影が行われる。
域21)の側面が解放されているために、被検者は閉塞
感を受けずに済む。また、術者も側方から容易に被検者
にアクセスすることができ、手術中のモニタに使用する
ことができる。
ためにドーナツ状の超電導コイルの組を使用しているた
めに、このドーナツ状真空容器の中央部分の空間を磁場
均一度を改善するための操作をする領域として使用でき
ない。従って、広い空間にわたって、良好な磁場均一度
を得ることは困難である。また、超電導コイルが発生す
る磁束は装置の外部空間を通って戻って来るために、漏
洩磁場が広くなってしまう。このため、装置を設置する
のに広い設置面積を必要としたり、あるいは手厚い磁場
シールドを施すことが必要であった。
の第3の例(垂直磁場方式)を示す。この従来例は米国
特許第5,194,810 号に開示されている。この磁石は、上
下方向に対向して配置した2組の超電導コイル31によ
り磁場を発生させ、超電導コイル31の内側に良好な磁
場均一度を得るための鉄によるシミング手段32を設け
て、磁場均一領域21の磁場均一度を向上させている。
さらに、上下の超電導コイル31が発生する磁場の帰路
としての役割を兼ねた鉄ヨーク33で上下の磁場発生源
間を機械的に支持する構造をとっている。
で、被検者は閉塞感を受けずに済み、術者も容易に被検
者にアクセスできる。また、鉄ヨーク33と鉄板34に
よって磁束の帰路を構成しているために、磁場漏洩を少
なくすることができる。しかし、鉄ヨーク33や鉄板3
4を用いているために、磁石重量が重くなり、装置を設
置する際に床の強化が必要になるという問題が生じる。
また、鉄の飽和磁束密度はほぼ2テスラ程度であるの
で、あまり磁場強度を高くすることができないという制
限もある。さらに、鉄は磁場に対してヒステリシス特性
を持つために、傾斜磁場コイルが発生する磁場によって
磁場分布に影響を与え、高精度の信号計測の妨げになる
可能性があった。
で述べたように、これまでは被検者に解放感を与える広
い開口を有する超電導磁石装置において、磁場漏洩が少
なく、かつ、鉄を使用しないで装置重量の軽量化を図っ
たものはなかった。また、従来技術では、高い磁場強度
で広い均一磁場領域を達成することも困難であった。
い開口を備え、磁場漏洩が少なく、軽量で、かつ、高い
磁場強度において広い均一磁場領域を達成できる超電導
磁石装置を提供することを目的とする。
手段によって達成される。本発明の超電導磁石装置は、
超電導特性を有する物質から構成され、有限の領域に第
1の方向に向かう均一磁場を発生させるための電流を流
す磁場発生源と、該磁場発生源を超電導特性を示す温度
にまで冷却し、維持するための冷却手段と、前記磁場発
生源を支持するための支持手段とを具備する超電導磁石
装置において、前記磁場発生源は、前記均一磁場領域を
挟んで前記第1の方向に沿ってほぼ等距離に対向して配
置され、前記第1の方向を中心軸として同軸方向の電流
を流す2組の磁場発生素子群から構成され、各磁場発生
素子群は前記均一磁場の主成分を発生させるために前記
第1の方向を中心軸とする円に沿う第2の方向に流れる
電流を流す1個以上の第1の磁場発生素子と、前記超電
導磁石装置の外部に発生する磁場を低減するために前記
第2の方向と逆の方向に流れる電流を流す1個以上の第
2の磁場発生素子と、前記均一磁場の均一度を改善する
ために前記第2の方向と同じ、または逆の方向に流れる
電流を流す1個以上の第3の磁場発生素子とから構成さ
れ、前記第1の磁場発生素子と前記第2の磁場発生素子
の直径がほぼ等しく、前記第3の磁場発生素子の直径は
前記第1の磁場発生素子の直径よりも小さく、前記第3
の磁場発生素子に流す電流量は前記第1の磁場発生素子
に流す電流量よりも小さく、前記第1の磁場発生素子の
前記均一磁場領域を挟んで対向する距離が前記第2の磁
場発生素子の前記均一磁場領域を挟んで対向する距離よ
りも短いことを特徴とする。(請求項1)
2の磁場発生素子の直径を前記第1の磁場発生素子の直
径よりも大きくしたことを特徴とする。(請求項2)
2の磁場発生素子が複数の異なる直径をもつ磁場発生素
子から構成され、各々の磁場発生素子は、前記均一磁場
の発生領域を挟んで対向する距離が大きいものほど、そ
の直径が大きくなるように配置されたことを特徴とす
る。(請求項3)
1の磁場発生素子が複数の異なる直径をもつ磁場発生素
子から構成され、各々の磁場発生素子は、前記均一磁場
の発生領域を挟んで対向する距離が大きいものほど、そ
の直径が大きくなるように配置されたことを特徴とす
る。(請求項4)
1の磁場発生素子の前記均一磁場の発生領域を挟んで対
向する距離が、前記第2の磁場発生素子および前記第3
の磁場発生素子の前記均一磁場の発生領域を挟んで対向
する距離よりも短いことを特徴とする。(請求項5)
却手段は前記磁場発生源を内部に収容するための真空容
器を備え、該真空容器の外周部が前記均一磁場の発生領
域のある側に突出していることを特徴とする。(請求項
6)
場発生源が超電導特性を有する物質からなる線材を巻い
たコイルで構成されていることを特徴とする。(請求項
7)
づいて具体的に説明する。図1,図2,図6(a)に本
発明の超電導磁石装置の第1の実施例を示す。図1は装
置の全体構成を示す断面図、図2は装置の外観を示す
図、図6(a)は図1の断面図の右上の部分を他の実施
例と比較できるように再掲したものである。図1におい
て、超電導コイルを内包する円筒状の真空容器10A,
10Bが上下方向に対向して配置され、上部の真空容器
10Aは支柱26で所定の間隔をとって支持されてい
る。真空容器10A,10Bの内部には超電導用冷媒1
2を充填した冷媒容器11A,11Bが保持され、その
冷媒容器11A,11Bの中に超電導コイル41A,4
2A,43A,44A,45Aおよび41B,42B,
43B,44B,45Bが支持体(図示せず)に支持さ
れて配置されている。
るNbTi線材が使用されている。超電導用冷媒として
は液体ヘリウムが用いられる。冷媒容器11A,11B
の外側には熱の対流を防ぐために真空容器10A,10
Bが配設され、さらに熱の輻射を防ぐための熱シールド
(図示せず)などが配設される。
に支持する働きをしているが、必要な場合には上下の冷
媒容器11Aと11Bを熱的に接続させる働きを持たせ
てもよい。そうすることによって、冷凍機(図示せず)
を上下の冷媒容器11A,11Bそれぞれに1台ずつ設
ける必要がなくなり、装置全体に1台の冷凍機で間に合
わせることができる。また、支柱26の本数も図示の2
本に限定する必要はなく、3本または4本に増やすこと
もできるし、被検者の解放感を得るためには、片持ちの
1本の支柱としてもよい。
Aと同軸に配置されて、均一磁場領域21に磁場均一度
の高い磁場を形成している。これらの超電導コイルの働
きは大きく分けて3つに分類される。先ず、超電導コイ
ル41A,41B(主コイルに相当)は、均一磁場領域
21に、磁場強度が高くかつ所定レベル以上の磁場均一
度の磁場を発生させるためのものである。主コイルに関
しては、一般に、対向するコイル間の距離を一定に保っ
た状態で、コイルの直径を大きくすると、両コイルの間
に発生する磁場の均一度が良くなる傾向にある。従っ
て、良好な磁場均一度を得るためには、できるだけコイ
ルの直径を大きくした方がよい。一方、主コイルの直径
を大きくするほど磁場強度は低下するために、一定強度
の磁場を得るために必要な主コイルの起磁力は増加し、
装置の価格の増加につながる。また、被検者への圧迫感
を低減するためには、装置の外径はできるだけ小さいこ
とが望ましい。この両者のバランスから、主コイルであ
る超電導コイル41A,41Bの直径は決定され、この
コイルの直径によって真空容器10A,10Bの外径も
ほぼ決まることになる。
を抑えるために、主コイル41A,41Bが発生する外
部への磁場を打ち消すための打ち消しコイルを配置して
いる。超電導コイル42A,42Bが打ち消しコイル
で、このコイル42A,42Bは主コイル41A,41
Bと同軸に配置される。その上で、主コイルとは逆方向
の電流を流して、主コイル41A,41Bが装置外部に
発生させるのと逆方向の磁場を発生させて、装置外部の
磁場を打ち消すものである。装置外部の磁場を効率的に
減少させるためには、打ち消しコイルの直径をできるだ
け大きくすることが有効である。一方、打ち消しコイル
42A,42Bによって均一磁場領域21の磁場強度を
下げないためには、打ち消しコイル42A,42Bを主
コイル41A,41Bからできるだけ遠ざけることが重要
である。この結果、図1または図6(a)に示すよう
に、打ち消しコイル42A,42Bは主コイル41A,
41Bとほぼ同じ直径を有し、かつ、2つの打ち消しコ
イル42Aと42Bとの間の距離を、2つの主コイル4
1Aと41Bとの間の距離より大きくすることが適当な
構成である。
発生させる磁場の均一度を向上させるために均一度補正
用コイル43A,44A,45A,43B,44B,4
5Bを配置している。この均一度補正用コイルは、主コ
イルと打ち消しコイルによって形成される均一磁場領域
21の磁場の不均一成分を補正するために設けられたコ
イルである。一般に、主コイル41A,41Bが十分大
きな直径を持っていれば、上記の磁場不均一成分はそれ
ほど大きくないので、均一度補正用コイルは、主コイル
41A,41Bや打ち消しコイル42A,42Bほどの
大きな起磁力は必要としない。また、その電流の向き
は、主コイル41A,41Bによって発生する磁場の不
均一成分に応じて各コイル毎に決定すればよく、一定方
向に限定する必要はない。図1においては、3組のコイ
ルを配置しているが、この個数は磁場の不均一成分に応
じて決定することができる。一般に、主コイル41A,
41Bの直径が大きいほど磁場不均一成分は少なくなる
ので、均一度補正用コイルの個数も少なくすることがで
きる。
を1,600mm〜1,800mmとし、均一磁場領域の寸法
と磁場強度をそれぞれ450mmφ、1テスラとしたと
き、均一磁場領域において5ppm 以下の磁場均一度が達
成されている。
することにより、広い開口を備えていて、磁場漏洩も少
ない装置を実現することができる。また、磁場漏洩を抑
制するために鉄を使用していないので、装置重量を軽く
することができる。さらに、鉄を使用する場合に問題と
なる磁束飽和が生じないので、磁場強度が高くなって
も、広い均一磁場領域にわたって良好な磁場均一度を達
成することができる。
2の実施例を示す。図3は装置の全体構成を示す断面
図、図4は装置の外観を示す図である。図3において、
上下に配置された真空容器10A,10Bおよび冷媒容
器11A,11Bはドーナツ形状をしており、中央部分5
1A,51Bが中空になっている。このような構成をと
ることにより、この中央部分51A,51Bに傾斜磁場
や静磁場のシミング手段を設置することができる。従っ
て、真空容器10A,10Bの対向する面の間にそれら
を設置するだけのスペースを設ける必要がないので、装
置としての開口をより広くとることができる。
施例を示す。図5においては、主コイル41Aと41B
との間の対向距離を均一度補正用コイル43A,44
A,45Aと43B,44B,45Bとの間の対向距離
よりも小さくしている。このような構成にすることによ
って、主コイル41A,41Bの起磁力を増加させず
に、均一磁場領域に発生させる磁場強度を高めることが
できる。また、上記と共に真空容器10A,10Bの対
向する面側の中央部分に凹部52A,52Bを設け、こ
の凹部52A,52Bに傾斜磁場コイル,高周波コイ
ル,磁場シミング手段などを収納させることで、装置の
実効的な開口を広くすることができる。
実施例を図6(b),(c),(d)に示す。これらの実施
例は図6(a)に示す第1の実施例に対し、主コイルま
たは打ち消しコイルの配置を変えたものである。
イル42A,42Bの直径を、主コイル41A,41B
の直径よりも大きくしたものである。このような構成に
することにより、打ち消しコイル42A,42Bの効率
を高めることができるので、装置外部への磁場漏洩をよ
り効果的に減少させることができる。この場合、打ち消
しコイル42A,42Bの直径のみを大きくするだけな
ので、被検者が装置内部に入った状態では実質的な視界
は損なわれず、図6(a)の場合と同程度の圧迫感しか
与えない。
の打ち消しコイル42A,42Bを2つずつの打ち消し
コイル42AA,42ABと42BA,42BBに分割
した場合を示したものである。一般に、各コイルはそれ
ぞれのコイルが発生する磁場の中に配置されており、か
つ、各コイルには電流が流れているので、電磁力が働
く。この電磁力は均一磁場領域21の磁場強度にも依存
するが、100トンオーダーに及ぶために、超電導磁石
装置を製造する上でこの電磁力を低減する工夫は重要な
課題である。そこで、特に大きな電磁力が加わっている
打ち消しコイル42A,42Bを図6(c)に示すよう
に2つのコイルに分割することにより、各々のコイルに
働く電磁力を低減することができ、超電導磁石装置の製
造条件を緩和することができる。また、本実施例では2
つのコイルに分割した場合を示したが、この手法はこれ
に限定されず、3つ以上のコイルに分割しても良いこと
は言うまでもない。
の場合と同様に、主コイル41A,41Bを2つずつの
主コイル41AA,41ABと41BA,41BBに分
割した場合を示したものである。この場合にも、主コイ
ルを分割することで、分割された主コイルに加わる電磁
力を低減することができる。また、本実施例の場合も、
コイルの分割数は2つに限定されず、3つ以上にしてよ
いことは言うまでもない。
電導材料の冷却手段としては、液体ヘリウム等の超電導
用冷媒を用いる場合について説明したが、超電導材料に
酸化物超電導体などを用いた場合には、液体窒素で冷却
するとか、あるいは、直接冷凍機で冷やすことにより冷
媒容器を使用しないで済む場合もある。
電導磁石装置において広い開口を備えることにより被検
者に閉塞感を与えることなく、術者も容易に被検者にア
クセスすることができる。また、磁場漏洩が少なく、軽
量で、かつ、高い磁場強度においても広い均一磁場領域
を実現できる超電導磁石装置を提供することができる。
従って、超電導磁石装置の設置条件が緩和され、また、
良好な画像を撮像することが可能となる。
断面図。
図。
断面図。
図。
断面図。
分断面図。
平磁場方式)を示す図。
(オープン型水平磁場方式)を示す図。
(垂直磁場方式)を示す図。
BB 主コイル 42A,42B,42AA,42AB,42BA,42
BB 打ち消しコイル 43A,43B,44A,44B,45A,45B 補
助コイル 51A,51B 中央部分(中空) 52A,52B 凹部
Claims (7)
- 【請求項1】超電導特性を有する物質から構成され、有
限の領域に第1の方向に向かう均一磁場を発生させるた
めの電流を流す磁場発生源と、該磁場発生源を超電導特
性を示す温度にまで冷却し、維持するための冷却手段
と、前記磁場発生源を支持するための支持手段とを具備
する超電導磁石装置において、前記磁場発生源は、前記
均一磁場領域を挟んで前記第1の方向に沿ってほぼ等距
離に対向して配置され、前記第1の方向を中心軸として
同軸方向の電流を流す2組の磁場発生素子群から構成さ
れ、各磁場発生素子群は前記均一磁場の主成分を発生さ
せるために前記第1の方向を中心軸とする円に沿う第2
の方向に流れる電流を流す1個以上の第1の磁場発生素
子と、前記超電導磁石装置の外部に発生する磁場を低減
するために前記第2の方向と逆の方向に流れる電流を流
す1個以上の第2の磁場発生素子と、前記均一磁場の均
一度を改善するために前記第2の方向と同じ、または逆
の方向に流れる電流を流す1個以上の第3の磁場発生素
子とから構成され、前記第1の磁場発生素子と前記第2
の磁場発生素子の直径がほぼ等しく、前記第3の磁場発
生素子の直径は前記第1の磁場発生素子の直径よりも小
さく、前記第3の磁場発生素子に流す電流量は前記第1
の磁場発生素子に流す電流量よりも小さく、前記第1の
磁場発生素子の前記均一磁場領域を挟んで対向する距離
が前記第2の磁場発生素子の前記均一磁場領域を挟んで
対向する距離よりも短いことを特徴とする超電導磁石装
置。 - 【請求項2】請求項1記載の超電導磁石装置において、
前記第2の磁場発生素子の直径を前記第1の磁場発生素
子の直径よりも大きくしたことを特徴とする超電導磁石
装置。 - 【請求項3】請求項1乃至2記載の超電導磁石装置にお
いて、前記第2の磁場発生素子が複数の異なる直径をも
つ磁場発生素子から構成され、各々の磁場発生素子は、
前記均一磁場の発生領域を挟んで対向する距離が大きい
ものほど、その直径が大きくなるように配置されたこと
を特徴とする超電導磁石装置。 - 【請求項4】請求項1乃至3記載の超電導磁石装置にお
いて、前記第1の磁場発生素子が複数の異なる直径をも
つ磁場発生素子から構成され、各々の磁場発生素子は、
前記均一磁場の発生領域を挟んで対向する距離が大きい
ものほど、その直径が大きくなるように配置されたこと
を特徴とする超電導磁石装置。 - 【請求項5】請求項1乃至4記載の超電導磁石装置にお
いて、前記第1の磁場発生素子の前記均一磁場の発生領
域を挟んで対向する距離が、前記第2の磁場発生素子お
よび前記第3の磁場発生素子の前記均一磁場の発生領域
を挟んで対向する距離よりも短いことを特徴とする超電
導磁石装置。 - 【請求項6】請求項1乃至5記載の超電導磁石装置にお
いて、前記冷却手段は前記磁場発生源を内部に収容する
ための真空容器を備え、該真空容器の外周部が前記均一
磁場の発生領域のある側に突出していることを特徴とす
る超電導磁石装置。 - 【請求項7】請求項1乃至6記載の超電導磁石装置にお
いて、前記磁場発生源が超電導特性を有する物質からな
る線材を巻いたコイルで構成されていることを特徴とす
る超電導磁石装置。
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