WO2013145933A1 - Superconducting magnet device, superconducting coil protection method, and magnetic resonance imaging device - Google Patents

Superconducting magnet device, superconducting coil protection method, and magnetic resonance imaging device Download PDF

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Abstract

A superconducting magnet device is characterized by comprising forcible quench coils (30A to 40B) that cause AC loss in superconducting coils (10A to 20B) and a switching element (52) that is a switching means for controlling the actuation of the forcible quench coils, wherein the forcible quench coils (30A to 40B) are each disposed corresponding to each of the superconducting coils (10A to 20B). The superconducting magnet device is further characterized in that the turn-on voltage of the switching element (52) is higher than the voltage applied across both ends of the superconducting coil group (10A to 20B) while the superconducting magnet device is performing a rated operation.

Description

超電導磁石装置、超電導コイルの保護方法、および、磁気共鳴画像装置Superconducting magnet apparatus, superconducting coil protection method, and magnetic resonance imaging apparatus
 本発明は、超電導磁石装置、超電導コイルの保護方法、および、核磁気共鳴装置に関する。 The present invention relates to a superconducting magnet device, a superconducting coil protection method, and a nuclear magnetic resonance apparatus.
 磁気共鳴画像装置(以下、MRI(Magnetic Resonance Imaging)装置と称する。)は、生体の大部分を構成する水素原子核の核磁気共鳴(NMR(Nuclear Magnetic Resonance))現象が組織によって異なることを利用して、生体組織を画像化するものであり、共鳴の強さや、共鳴の時間的変化の速さが画像のコントラストとして現われるようになっている。
 MRI装置では、高画質の画像を得るために、撮像領域に高強度で高い静磁場均一度を有する磁場を生成する必要がある。そして、この高強度の静磁場を発生させるために、概して超電導磁石装置が用いられる。
A magnetic resonance imaging apparatus (hereinafter referred to as an MRI (Magnetic Resonance Imaging) apparatus) utilizes the fact that the nuclear magnetic resonance (NMR) phenomenon of hydrogen nuclei constituting most of a living body varies depending on tissues. Thus, a living tissue is imaged, and the strength of resonance and the speed of temporal change of resonance appear as image contrast.
In the MRI apparatus, in order to obtain a high-quality image, it is necessary to generate a magnetic field having high intensity and high static magnetic field uniformity in the imaging region. In general, a superconducting magnet device is used to generate this high-intensity static magnetic field.
 超電導磁石装置には、高均一、高磁場、時間的に安定な磁場が求められる。超電導磁石装置の冷却には、液体ヘリウムによる浸漬冷却や、冷凍機による伝導冷却が用いられる。
なお、冷凍機による冷却は、運転操作が簡便である利点がある。
Superconducting magnet devices are required to have a highly uniform, high magnetic field, and temporally stable magnetic field. For cooling the superconducting magnet device, immersion cooling with liquid helium or conduction cooling with a refrigerator is used.
Note that the cooling by the refrigerator has an advantage that the operation is simple.
 MRI装置に用いられる超電導磁石装置は、撮像領域の磁場空間に磁場を生成するための単一もしくは複数個の超電導主コイルと、超電導主コイルが生成する磁場が装置外へ漏洩することを抑制するための、超電導主コイルのコイル電流とは逆向きの電流を流した、単一もしくは複数個の超電導シールドコイルと、コイル電流が作る磁束を通すための磁路となる磁性材と、超電導主コイルおよび超電導シールドコイルの冷却用の液体ヘリウムを納めた冷却容器と、この冷却容器を包囲し、且つほぼ同軸上に設けられた輻射シールドと、さらにこの輻射シールドの外周に真空断熱用途で設けられた真空容器と、から構成されている。 A superconducting magnet device used in an MRI apparatus suppresses leakage of a single or a plurality of superconducting main coils for generating a magnetic field in a magnetic field space of an imaging region and a magnetic field generated by the superconducting main coil to the outside of the apparatus. Therefore, a single or a plurality of superconducting shield coils that have a current opposite to the coil current of the superconducting main coil, a magnetic material that forms a magnetic path for passing the magnetic flux generated by the coil current, and the superconducting main coil And a cooling vessel containing liquid helium for cooling the superconducting shield coil, a radiation shield that surrounds the cooling vessel and is provided substantially on the same axis, and further provided on the outer periphery of the radiation shield for vacuum insulation. And a vacuum vessel.
 ところで、超電導磁石装置の超電導コイル(超電導主コイル、超電導シールドコイル)に用いられている超電導線材の一部が超電導状態から常電導状態へと転移(常電導転移)する可能性がある。なお、この過程をクエンチと呼ぶ。
 この過程では、超電導主コイルを流れる電流および超電導シールドコイルを流れる電流は時間的に減衰し、定格運転時の静磁場に対して、クエンチ時には動磁場が生成される。
また、ある不特定の超電導コイルがクエンチすると、他の超電導コイルがクエンチに至るまでに一定時間を要する。このため、磁石中心に対して軸方向に対称に超電導コイルが配置されているが、クエンチ後の減衰電流は対称とはならず、それぞれが作る磁場によって漏洩磁場は拡大し、コイルに印加する最大電磁力も増加するコイルが存在する。磁場の向きによっては、定格運転時の電磁力の向きとは逆向きとなるため、コイル支持構造が大掛かりになる。
By the way, there is a possibility that a part of the superconducting wire used for the superconducting coil (superconducting main coil, superconducting shield coil) of the superconducting magnet device is changed from the superconducting state to the normal conducting state (normal conducting transition). This process is called quenching.
In this process, the current flowing through the superconducting main coil and the current flowing through the superconducting shield coil are attenuated in time, and a dynamic magnetic field is generated during quenching with respect to the static magnetic field during rated operation.
In addition, when an unspecified superconducting coil is quenched, a certain time is required until the other superconducting coils are quenched. For this reason, the superconducting coil is arranged symmetrically in the axial direction with respect to the magnet center, but the decay current after quenching is not symmetric, and the leakage magnetic field is expanded by the magnetic field created by each, and the maximum applied to the coil There are coils that also increase electromagnetic force. Depending on the direction of the magnetic field, the direction of the electromagnetic force during the rated operation is opposite to that of the rated operation, so that the coil support structure becomes large.
 このような問題を解決する方法として、超電導主コイルおよび超電導シールドコイルにヒータを熱的に結合するように設置して、ある不特定のコイルがクエンチすると、他のコイルのヒータをONにして熱的に他の超電導コイルをクエンチさせる技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 As a method for solving such a problem, a heater is installed to be thermally coupled to the superconducting main coil and the superconducting shield coil, and when a certain unspecified coil is quenched, the heaters of other coils are turned on to perform heat. In particular, a technique for quenching other superconducting coils has been disclosed (see, for example, Patent Document 1).
特開2011-71515号公報JP 2011-71515 A 特開2003-197418号公報JP 2003-197418 A
 超電導磁石装置は、複数の超電導コイルから構成されている。クエンチ過程においては、全磁気エネルギーがジュール発熱によって熱エネルギーに変換されるため、単一コイルで全磁気エネルギーを消費すると超電導コイルの損傷をまねく可能性が高い。このため、超電導コイルはいくつかの電気回路に区分され、さらに保護抵抗を並列に接続することで超電導コイルの焼損を回避する手段がとられる。 The superconducting magnet device is composed of a plurality of superconducting coils. In the quenching process, the total magnetic energy is converted into thermal energy by Joule heat generation, so if the total magnetic energy is consumed with a single coil, there is a high possibility of damaging the superconducting coil. For this reason, the superconducting coil is divided into several electric circuits, and a means for avoiding burning of the superconducting coil is taken by connecting a protective resistor in parallel.
 しかし、電気回路が区分されることによって、幾何学的に同一かつ対称位置に配置されている超電導コイルであっても流れる電流値は対称とはならない。これによって、磁気エネルギーをより多く消費する超電導コイルの両端電圧は高くなり、コイル温度も上昇する。超電導主コイルと超電導シールドコイルが生成する磁場も非平衡となって漏洩磁場が拡大し、前記磁場とコイル電流で生成される電磁力の大きさや向きも定格運転時と異なる。 However, by dividing the electric circuit, the value of the flowing current is not symmetric even if the superconducting coils are geometrically the same and arranged at symmetrical positions. As a result, the voltage across the superconducting coil that consumes more magnetic energy increases, and the coil temperature also increases. The magnetic field generated by the superconducting main coil and the superconducting shield coil is also unbalanced and the leakage magnetic field is expanded, and the magnitude and direction of the electromagnetic force generated by the magnetic field and the coil current are different from those during rated operation.
 コイルに印加する電磁力の向きが定格運転時に比べて反転する場合、磁石の健全性を確保するために反転電磁力にも耐え得る支持構造を有する必要がある。この反転電磁力はクエンチ時にのみ発生する電磁力であり、定格運転時には不要な支持構造であってコスト増加要因となる。 When the direction of the electromagnetic force applied to the coil is reversed as compared with the rated operation, it is necessary to have a support structure that can withstand the reversed electromagnetic force in order to ensure the soundness of the magnet. This reversal electromagnetic force is an electromagnetic force generated only at the time of quenching, and is an unnecessary support structure during rated operation, which causes an increase in cost.
 また、先行技術によるヒータを用いたクエンチ保護回路の場合、ヒータと超電導コイルとの熱的な結合が必要である。超電導コイルは樹脂等で成形するが、ヒータ入熱を効率的に行うためには超電導線材近傍にヒータを設置する工夫が必要となり、クエンチ時に保護回路が作動してヒータが損傷した場合の取替えは容易ではない。更に、超電導コイルに蓄積される磁気エネルギーがヒータでの発熱許容量に比べて非常に高いため、ヒータが焼損しないための転流機構、もしくは、電流を遮断するためのヒューズが必要となり、装置の大規模化、もしくは、ヒューズの取替え作業が生じる。 In the case of a quench protection circuit using a heater according to the prior art, it is necessary to thermally couple the heater and the superconducting coil. The superconducting coil is molded from resin, etc., but in order to efficiently input the heater, it is necessary to devise a heater in the vicinity of the superconducting wire. It's not easy. Furthermore, since the magnetic energy stored in the superconducting coil is very high compared to the heat generation allowable amount in the heater, a commutation mechanism for preventing the heater from burning or a fuse for cutting off the current is required. Larger scale or fuse replacement work occurs.
 ヒータの損傷を回避するために、ヒータ回路に通電する電源を別途用意し、クエンチを検出してヒータ回路を閉とすることも可能であるが、付帯設備が大掛かりとなる。 In order to avoid damage to the heater, it is possible to prepare a separate power supply for energizing the heater circuit, detect the quench and close the heater circuit, but the additional facilities will be large.
 そこで、本発明は、超電導コイルをヒータを用いてクエンチさせる方法とは別の原理により、クエンチを迅速に伝播できるメンテナンスが容易な超電導磁石装置、超電導コイルの保護方法、および、磁気共鳴画像装置を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention provides a superconducting magnet device, a superconducting coil protection method, and a magnetic resonance imaging apparatus that can easily propagate quenching, based on a principle different from the method of quenching a superconducting coil using a heater. The issue is to provide.
 このような課題を解決するために、本発明は、超電導コイルに交流損失を発生させる強制クエンチ用コイルと、前記強制クエンチ用コイルを作動させるスイッチング手段とを備え、前記強制クエンチ用コイルが、複数の前記超電導コイルに対してそれぞれ設置されることを特徴とする。 In order to solve such a problem, the present invention includes a forced quenching coil that causes an AC loss in a superconducting coil, and a switching unit that operates the forced quenching coil, and the forced quenching coil includes a plurality of forced quenching coils. The superconducting coils are installed respectively.
 本発明によれば、超電導コイルをヒータによってクエンチさせる方法とは別の原理により、クエンチを迅速に伝播できるメンテナンスが容易な超電導磁石装置、超電導コイルの保護方法、および、磁気共鳴画像装置を提供することができる。 According to the present invention, a superconducting magnet device, a superconducting coil protection method, and a magnetic resonance imaging apparatus that can easily propagate the quench can be provided by a principle different from the method of quenching the superconducting coil with a heater. be able to.
本発明の超電導磁石装置が適用されるMRI装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the MRI apparatus with which the superconducting magnet apparatus of this invention is applied. 第1実施形態の超電導磁石装置が適用されるMRI装置のガントリの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the gantry of the MRI apparatus to which the superconducting magnet apparatus of 1st Embodiment is applied. 図2の強制クエンチ用コイルの概略レイアウト示す図であり、(a)は模式的な断面図を、(b)は模式的な斜視図である。It is a figure which shows schematic layout of the coil for forced quenching of FIG. 2, (a) is typical sectional drawing, (b) is a typical perspective view. 第1実施形態の超電導磁石装置の保護回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the protection circuit of the superconducting magnet apparatus of 1st Embodiment. 第2実施形態の超電導磁石装置の保護回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the protection circuit of the superconducting magnet apparatus of 2nd Embodiment. 図5Aの回路のうちの強制クエンチ用回路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the circuit for forced quenching among the circuits of FIG. 5A. 比較例でのクエンチ開始からの超電導コイル群の電流の時間発展図である。It is a time development figure of the electric current of the superconducting coil group from the quench start in a comparative example. 本実施形態でのクエンチ開始からの超電導コイル群の電流の時間発展図である。It is a time development figure of the electric current of the superconducting coil group from the quench start in this embodiment. 比較例でのクエンチ開始からの超電導コイル群のコイル温度の時間発展図である。It is a time development figure of the coil temperature of the superconducting coil group from the quench start in a comparative example. 本実施形態でのクエンチ開始からの超電導コイル群のコイル温度の時間発展図である。It is a time development figure of the coil temperature of the superconducting coil group from the quench start in this embodiment. 比較例でのクエンチ開始からの超電導コイル群のコイル端子間電圧の時間発展図である。It is a time development figure of the voltage between coil terminals of the superconducting coil group from the quench start in a comparative example. 本実施形態でのクエンチ開始からの超電導コイル群のコイル端子間電圧の時間発展図である。It is a time development figure of the voltage between coil terminals of the superconducting coil group from the quench start in this embodiment. 比較例での超電導磁石装置におけるクエンチ時のコイル12Bに印加する電磁力の時間発展図である。It is a time development figure of the electromagnetic force impressed to coil 12B at the time of quenching in the superconducting magnet device in a comparative example. 本実施形態(第2実施形態)での超電導磁石装置におけるクエンチ時のコイル12Bに印加する電磁力の時間発展図である。It is a time development figure of the electromagnetic force impressed to coil 12B at the time of quenching in the superconducting magnet device in this embodiment (2nd embodiment). 比較例での超電導磁石装置におけるクエンチ時の漏洩磁場(0.5mT)の最大領域を示す図である。It is a figure which shows the maximum area | region of the leakage magnetic field (0.5mT) at the time of quenching in the superconducting magnet apparatus in a comparative example. 本実施形態(第2実施形態)での超電導磁石装置におけるクエンチ時の漏洩磁場(0.5mT)の最大領域を示す図である。It is a figure which shows the maximum area | region of the leakage magnetic field (0.5mT) at the time of quenching in the superconducting magnet apparatus in this embodiment (2nd Embodiment). 第3実施形態の超電導磁石装置が適用されるMRI装置のガントリの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the gantry of the MRI apparatus with which the superconducting magnet apparatus of 3rd Embodiment is applied. 第4実施形態の超電導磁石装置におけるクエンチ用コイルの設置状況を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the installation condition of the coil for quenching in the superconducting magnet apparatus of 4th Embodiment.
 以下、本発明の実施形態に係る超電導磁石装置が適用されるMRI装置について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、水平磁場方式のMRI装置について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、また、MRI装置以外の他の超電導磁石装置にも適用することができる。 Hereinafter, an MRI apparatus to which a superconducting magnet apparatus according to an embodiment of the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the following, a horizontal magnetic field type MRI apparatus will be described, but the present invention is not limited to this, and can also be applied to other superconducting magnet apparatuses other than the MRI apparatus.
≪第1実施形態≫
 図1は、本発明の超電導磁石装置が適用されるMRI装置の概念図である。
 このMRI装置1は、核磁気共鳴(NMR(Nuclear Magnetic Resonance))現象を利用して被検体(図示せず、以下同じ)の断層画像を得るものであり、図1に示すように、被検体にNMR現象を誘起してNMR信号を受信するための各種装置を収容するガントリ1a、被検体を載置するベッド2、このベッド2に載置された被検体を磁場空間内の撮像領域Fへ搬送する搬送手段2a、ガントリ1a内の各種装置を制御する電源や各種制御装置を収納した制御装置3、検出された核磁気共鳴信号を処理するコンピュータ等の処理装置4、および処理された核磁気共鳴信号に基づき断層画像を表示する表示装置5等を含み、それぞれ電源・信号線6で接続される。ガントリ1a、ベッド2および搬送手段2aは、高周波電磁波と静磁場を遮蔽する図示しないシールドルーム内に配置され、制御装置3、処理装置4および表示装置5は、シールドルーム外に配置される。
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a conceptual diagram of an MRI apparatus to which the superconducting magnet apparatus of the present invention is applied.
This MRI apparatus 1 uses a nuclear magnetic resonance (NMR) phenomenon to obtain a tomographic image of a subject (not shown, the same applies hereinafter). As shown in FIG. A gantry 1a that houses various devices for inducing NMR phenomena and receiving NMR signals, a bed 2 on which the subject is placed, and the subject placed on the bed 2 to the imaging region F in the magnetic field space Conveying means 2a for conveying, a power supply for controlling various devices in the gantry 1a, a control device 3 containing various control devices, a processing device 4 such as a computer for processing detected nuclear magnetic resonance signals, and processed nuclear magnetism A display device 5 that displays a tomographic image based on the resonance signal is included, and each is connected by a power source / signal line 6. The gantry 1a, the bed 2 and the transport means 2a are disposed in a shield room (not shown) that shields high-frequency electromagnetic waves and static magnetic fields, and the control device 3, the processing device 4, and the display device 5 are disposed outside the shield room.
 図2は、第1実施形態の超電導磁石装置が適用されるMRI装置のガントリの中心軸を含む断面模式図である。
 ガントリ1aは、中心軸Zを中心とした円筒形状である。MRI装置1のガントリ1a内には超電導磁石装置が設けられており、中心軸Z上の中心に撮像領域Fが存在する。
 ガントリ1a内に設けられた超電導磁石装置は、撮像領域Fに磁場を生成するための超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12Bと、生成した磁場が装置外へ漏洩することを抑制するための超電導シールドコイル20A,20Bと、超電導主コイルおよび超電導シールドコイルの周方向の一部分もしくは複数部分の近傍に設置された強制クエンチ用コイル30A,40B,31A,32A,32B,31B,40A,30Bと、を有している。
 超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12B,超電導シールドコイル20A,20Bは、中心軸Zを軸として同軸に配置されている。
 また、超電導主コイル10Aと超電導主コイル10Bとは、撮像領域Fの中心Oを通りかつ中心軸Zを法線とする対称面(図示せず)に対して対称に配置されている。同様に、超電導主コイル11A,11Bは対称面に対して対称に配置され、超電導主コイル12A,12Bは対称面に対して対称に配置され、超電導シールドコイル20A,20Bは対称面に対して対称に配置されている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view including the central axis of the gantry of the MRI apparatus to which the superconducting magnet apparatus of the first embodiment is applied.
The gantry 1a has a cylindrical shape centered on the central axis Z. A superconducting magnet device is provided in the gantry 1 a of the MRI apparatus 1, and an imaging region F exists at the center on the central axis Z.
The superconducting magnet device provided in the gantry 1a suppresses the leakage of the generated magnetic field to the outside of the superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, and 12B for generating a magnetic field in the imaging region F. Superconducting shield coils 20A and 20B, and forcibly quenching coils 30A, 40B, 31A, 32A, 32B, 31B, 40A installed in the vicinity of a part or a plurality of portions of the superconducting main coil and the superconducting shield coil in the circumferential direction. 30B.
The superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B and the superconducting shield coils 20A, 20B are arranged coaxially with the central axis Z as an axis.
The superconducting main coil 10A and the superconducting main coil 10B are arranged symmetrically with respect to a symmetry plane (not shown) that passes through the center O of the imaging region F and has the central axis Z as a normal line. Similarly, the superconducting main coils 11A and 11B are arranged symmetrically with respect to the symmetry plane, the superconducting main coils 12A and 12B are arranged symmetrically with respect to the symmetry plane, and the superconducting shield coils 20A and 20B are symmetrical with respect to the symmetry plane. Is arranged.
 また、超電導磁石装置は、超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12B,超電導シールドコイル20A,20Bを、冷媒61とともに収容する冷却容器62と、この冷却容器62を覆うように形成された輻射シールド63と、冷却容器62および輻射シールド63を囲繞し、内部を真空にした真空容器64と、を有している。
 冷却容器62に収容される冷媒61としては、例えば液体ヘリウム等の液化した冷媒が用いられており、この冷媒61と輻射シールド63とを冷却するための図示しない冷凍機が真空容器64に設置されている。冷却容器62内は、このような冷媒61によって、例えば、4.2K程度に保たれている。
The superconducting magnet device is formed so as to cover the cooling container 62 and the cooling container 62 that accommodates the superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, and 12B, and the superconducting shield coils 20A and 20B together with the refrigerant 61. And a vacuum vessel 64 surrounding the cooling vessel 62 and the radiation shield 63 and having a vacuum inside.
As the refrigerant 61 accommodated in the cooling container 62, for example, a liquefied refrigerant such as liquid helium is used, and a refrigerator (not shown) for cooling the refrigerant 61 and the radiation shield 63 is installed in the vacuum container 64. ing. The inside of the cooling container 62 is maintained at, for example, about 4.2K by such a refrigerant 61.
 超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12Bには、一定の電流が流れており、超電導シールドコイル20A,20Bには、超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12Bとは逆方向の一定の電流が流れている。
 なお、これらの超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12B,超電導シールドコイル20A,20Bは、電磁力、漏洩磁場、最大経験磁場、磁場均一度、および磁場強度を許容範囲内に抑えるように、位置、形状、および設置個数の変更が可能である。
A constant current flows through the superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, and 12B, and the superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, and 12B pass through the superconducting shield coils 20A and 20B. A constant current in the reverse direction flows.
These superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, and 12B, and the superconducting shield coils 20A and 20B suppress the electromagnetic force, the leakage magnetic field, the maximum experience magnetic field, the magnetic field uniformity, and the magnetic field strength within an allowable range. As described above, the position, shape, and number of installations can be changed.
 また、図2に示すように、各超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12Bには、各強制クエンチ用コイル30A,31A,32A,32B,31B,30Bが、外周側と内周側から挟み込むように設置されている。また、各超電導シールドコイル20A,20Bにも、強制クエンチ用コイル40A,40Bが、外周側と内周側から挟み込むように設置されている。 In addition, as shown in FIG. 2, each superconducting main coil 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B includes a forced quenching coil 30A, 31A, 32A, 32B, 31B, 30B, respectively, on the outer peripheral side and the inner peripheral side. It is installed so as to be sandwiched from the side. In addition, forcibly quenching coils 40A and 40B are also installed in the superconducting shield coils 20A and 20B so as to be sandwiched from the outer peripheral side and the inner peripheral side.
 超電導主コイル10Aを例にすれば、第1実施形態では、その円周上の1箇所において、強制クエンチ用コイル30Aが、当該超電導主コイル10Aの内周側と外周側(つまり外側)を挟み込むように設置されている。この様子を示したのが図3(a)(b)である。ちなみに、強制クエンチ用コイル30Aは、外周側か内周側のいずれか一方でもよいが、効率的に超電導主コイル10Aに交流損失(ACロス)を生じさせるために、内周側・外周側を一対として対向するように設置するのが好ましい。また、なるべく超電導主コイル10Aの近くに強制クエンチ用コイル30Aが位置するようにするのが好ましいが、交流損失を生じさせる範囲内であれば特に位置は限定されない。また、強制クエンチ用コイル30Aは1対であるものを図示しているが、これが、2対でも3対でもよい。また、対になっていないものを1つ又は複数設置するものでもよい。また、超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12Bもしくは超電導シールドコイル20A,20Bの側面側に設置するものでもよい。
 これらの点は、他の超電導主コイル10B等や、他の超電導シールドコイル20A等においても同じであるので、説明を省略する。
Taking the superconducting main coil 10A as an example, in the first embodiment, the forced quenching coil 30A sandwiches the inner peripheral side and the outer peripheral side (that is, the outer side) of the superconducting main coil 10A at one place on the circumference. It is installed as follows. This is shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). Incidentally, the forced quenching coil 30A may be either the outer peripheral side or the inner peripheral side, but in order to efficiently generate an AC loss (AC loss) in the superconducting main coil 10A, the inner peripheral side and the outer peripheral side are arranged. It is preferable to install so that it may oppose as a pair. Further, it is preferable that the forced quenching coil 30A be positioned as close to the superconducting main coil 10A as possible, but the position is not particularly limited as long as it is within a range that causes an AC loss. In addition, although the forced quenching coil 30A is illustrated as one pair, it may be two pairs or three pairs. Moreover, you may install one or more things which are not paired. Alternatively, the superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B or the superconducting shield coils 20A, 20B may be installed on the side surface side.
Since these points are the same in the other superconducting main coil 10B and the like, and the other superconducting shield coil 20A and the like, the description thereof is omitted.
 図4は、第1実施形態の超電導磁石装置の保護回路を示す回路図である。
 超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12Bおよび超電導シールドコイル20A,20Bおよび強制クエンチ用コイル30A,40B,31A,32A,32B,31B,40A,30Bは、図4に示すような回路で接続されている。
 本実施形態での回路では、特許文献2の従来技術で示されたように、超電導主コイルと超電導シールドコイルとが対をなして直列に接続された回路を考えるとすると、超電導主コイル10Aと超電導シールドコイル20Bとが対をなして直列に接続され超電導コイル群A1を形成し、超電導主コイル11Aと超電導主コイル12Aとが対をなして直列に接続され超電導コイル群B1を形成し、超電導主コイル12Bと超電導主コイル11Bとが対をなして直列に接続され超電導コイル群C1を形成し、超電導シールドコイル20Aと超電導主コイル10Bとが対をなして直列に接続され超電導コイル群D1を形成し、これらの超電導コイル群A1,B1,C1,D1が直列に接続されている。そして、直列に接続された超電導コイル群A1,B1,C1,D1(適宜「超電導コイル群100」と総称する)に対して、並列に永久電流スイッチ51が接続されて、超電導磁石装置の主回路が形成されている。また、強制クエンチ用コイル30A,40B,31A,32A,32B,31B,40A,30Bはそれぞれ直列に接続されている(適宜「強制クエンチ用コイル群110」と総称する)。そして、この強制クエンチ用コイル群110は、更にスイッチング素子52(スイッチング手段)と直列に接続されて強制クエンチ用回路53が形成されている。そして、この強制クエンチ用回路53は、超電導コイル群100(A1,B1,C1,D1)と並列に接続される。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a protection circuit of the superconducting magnet device according to the first embodiment.
Superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B, superconducting shield coils 20A, 20B, and forced quenching coils 30A, 40B, 31A, 32A, 32B, 31B, 40A, 30B have a circuit as shown in FIG. Connected with.
In the circuit in this embodiment, as shown in the prior art of Patent Document 2, when considering a circuit in which a superconducting main coil and a superconducting shield coil are connected in series, a superconducting main coil 10A and Superconducting shield coil 20B is paired and connected in series to form superconducting coil group A1, and superconducting main coil 11A and superconducting main coil 12A are paired and connected in series to form superconducting coil group B1. The main coil 12B and the superconducting main coil 11B are connected in series to form a superconducting coil group C1, and the superconducting shield coil 20A and the superconducting main coil 10B are connected in series to form a superconducting coil group D1. These superconducting coil groups A1, B1, C1, and D1 are connected in series. A permanent current switch 51 is connected in parallel to the superconducting coil groups A1, B1, C1, and D1 connected in series (collectively referred to as “superconducting coil group 100” as appropriate), and the main circuit of the superconducting magnet device Is formed. Further, the forced quenching coils 30A, 40B, 31A, 32A, 32B, 31B, 40A, and 30B are connected in series (referred to as “forced quenching coil group 110” as appropriate). The forced quenching coil group 110 is further connected in series with a switching element 52 (switching means) to form a forced quenching circuit 53. The forced quench circuit 53 is connected in parallel with the superconducting coil group 100 (A1, B1, C1, D1).
 スイッチング素子52には、双方向ダイオードやサイリスタ、トランジスタ等の半導体素子が挙げられる。ここで、双方向ダイオードは、2つのダイオードがそれぞれ逆方向に並列接続されてなる。
 なお、超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12B,超電導シールドコイル20A,20Bの組み合わせ、スイッチング素子52および強制クエンチ用コイル30A,40B,31A,32A,32B,31B,40A,30Bの構成数、保護回路の分割数は、クエンチ時のコイル電圧、温度上昇、電磁力、漏洩磁場等を考慮して、これらが許容範囲に収まるように適宜設定することができる。ちなみに、第1実施形態では、保護回路等の分割はされていない。
Examples of the switching element 52 include semiconductor elements such as bidirectional diodes, thyristors, and transistors. Here, the bidirectional diode is formed by connecting two diodes in parallel in opposite directions.
The superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B, the superconducting shield coils 20A, 20B, the switching element 52 and the forced quenching coils 30A, 40B, 31A, 32A, 32B, 31B, 40A, 30B. The number of components and the number of divisions of the protection circuit can be appropriately set so that these are within the allowable range in consideration of the coil voltage at the time of quenching, temperature rise, electromagnetic force, leakage magnetic field, and the like. Incidentally, in the first embodiment, the protection circuit and the like are not divided.
 このような回路において、MRI装置1の定格運転時には、超電導コイル群A1,B1,C1,D1と永久電流スイッチ51とで構成される回路上に電流が流れる。つまり、スイッチング素子52には、電流が流れないようになっている。なお、必要に応じてスイッチング素子52の数を調整することによって、仮に、超電導コイル群A1,B1,C1,D1の励磁時および消磁時等に、スイッチング素子52のターンオン電圧を上回る電圧が発生したような場合にも、電流がスイッチング素子52側に分流しないようにすることができる。これにより、定格運転時には強制クエンチ用コイル30A,40B,31A,32A,32B,31B,40A,30Bに電流が流れることはない。
 一方、クエンチ時には、超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12B,超電導シールドコイル20A,20Bにおいて、スイッチング素子52のターンオン電圧を上回る電圧が発生するため(スイッチング素子のターンオン電圧が、前記超電導磁石装置が定格運転している際に前記超電導コイル群の両端にかかる電圧よりも高いため)、スイッチング素子52側に電流が流れ、強制クエンチ用コイル30A,40B,31A,32A,32B,31B,40A,30Bに急峻な電流が流れることで、強制クエンチ用コイル電流が生成する変動磁場を超電導コイルに印加することができる。
In such a circuit, during rated operation of the MRI apparatus 1, a current flows on a circuit composed of the superconducting coil groups A 1, B 1, C 1, D 1 and the permanent current switch 51. That is, no current flows through the switching element 52. Note that, by adjusting the number of switching elements 52 as necessary, a voltage exceeding the turn-on voltage of the switching element 52 is generated when the superconducting coil groups A1, B1, C1, and D1 are excited and demagnetized. Even in such a case, it is possible to prevent the current from being shunted to the switching element 52 side. Thus, no current flows through the forced quenching coils 30A, 40B, 31A, 32A, 32B, 31B, 40A, 30B during rated operation.
On the other hand, at the time of quenching, a voltage exceeding the turn-on voltage of the switching element 52 is generated in the superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B and the superconducting shield coils 20A, 20B (the turn-on voltage of the switching element is Because the voltage is higher than the voltage applied to both ends of the superconducting coil group during rated operation of the superconducting magnet device), a current flows to the switching element 52 side and the forced quenching coils 30A, 40B, 31A, 32A, 32B, 31B. , 40A, and 30B, a fluctuating magnetic field generated by the forced quenching coil current can be applied to the superconducting coil.
 ちなみに、強制クエンチ用コイル群110の各コイルは低抵抗導体を巻き線して製作され、そのインダクタンスは、超電導コイル群100の各コイルのインダクタンスに比較して(例えば二桁以上)小さく、更に超電導コイル群100の各コイルとは磁気的に結合しないため、スイッチング素子52がON(回路が閉)となった直後は、強制クエンチ用コイル群110の各コイルには短絡電流とほぼ等しい電流が流れ、当該コイルが生成する磁場の時間変化量が大きくなり超電導コイル群100の各コイルを強制クエンチさせるのに必要な交流損失を局所的に発生させることができる。これにより、超電導コイル群100のある不特定のコイルにてクエンチが発生すると、直ちに他のコイルもほぼ同時にクエンチさせることができる。なお、強制クエンチ用コイル群110が超電導コイル群100に対して並列に接続され、クエンチ時には強制クエンチ用コイル群110を作動させるための電流が超電導コイル側から流れるため、強制クエンチ用コイル群110を作動させるための別途電源は必要なく、付帯設備の大型化を避けることができる。 Incidentally, each coil of the forced quenching coil group 110 is manufactured by winding a low resistance conductor, and its inductance is smaller (for example, two digits or more) than the inductance of each coil of the superconducting coil group 100, and is further superconducting. Since the coils of the coil group 100 are not magnetically coupled, a current substantially equal to the short-circuit current flows through the coils of the forced quenching coil group 110 immediately after the switching element 52 is turned on (circuit closed). The amount of time change of the magnetic field generated by the coil increases, and the AC loss necessary for forcibly quenching each coil of the superconducting coil group 100 can be locally generated. Thereby, when quenching occurs in an unspecified coil of the superconducting coil group 100, other coils can be quenched almost immediately. The forced quenching coil group 110 is connected in parallel to the superconducting coil group 100, and a current for operating the forced quenching coil group 110 flows from the superconducting coil side during quenching. There is no need for a separate power supply for operation, and it is possible to avoid an increase in the size of incidental facilities.
 すなわち、この第1実施形態によれば、超電導コイル群100、すなわち、超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12B,超電導シールドコイル20A,20Bのいずれかでクエンチが発生した場合、発生したクエンチを、強制クエンチ用コイル30A,40B,31A,32A,32B,31B,40A,30Bによって生成される変動磁場に起因する交流損失により、他の超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12Bや超電導シールドコイル20A,20Bに速やかに伝播させることができ、結果として、超電導磁石装置(MRI装置1)の健全性を保つことができる。すなわち、超電導コイル群100の各コイルの焼損等を防止することができる。
 また、ヒータを用いたクエンチ保護回路とは作動原理が違うので、ヒータを焼損させないための転流機構、もしくは、電流を遮断するためのヒューズは不要であり、装置の大規模化、もしくは、ヒューズの取替え作業が生じない。すなわち、課題の欄で説明したヒータを用いたクエンチ保護回路にみられるような各不都合は生じない。
 また、クエンチを、超電導コイル群100を構成するすべてのコイルに速やかに伝播することができるので、クエンチ時に反転電磁力が生じても、その大きさを小さなものとすることができ、反転電磁力に耐えるための支持構造を簡便なものとすることができる。
That is, according to the first embodiment, when quenching occurs in any of the superconducting coil group 100, that is, the superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B, and the superconducting shield coils 20A, 20B, The superconducting coils 30A, 40B, 31A, 32A, 32B, 31B, 40A, and 30B generated by the forced quenching coils are subjected to AC loss caused by the varying magnetic field, thereby causing the other superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, and 12A. , 12B and the superconducting shield coils 20A, 20B can be quickly propagated, and as a result, the soundness of the superconducting magnet apparatus (MRI apparatus 1) can be maintained. That is, it is possible to prevent the coils of the superconducting coil group 100 from being burned out.
Also, since the operating principle is different from the quench protection circuit using a heater, there is no need for a commutation mechanism to prevent the heater from burning, or a fuse to cut off the current. No replacement work occurs. That is, each inconvenience as seen in the quench protection circuit using the heater described in the problem column does not occur.
Further, since the quench can be quickly propagated to all the coils constituting the superconducting coil group 100, even if a reversal electromagnetic force is generated during the quench, the magnitude can be reduced, and the reversal electromagnetic force The support structure for withstanding the load can be simplified.
 また、漏洩磁場に関しては、超電導磁石装置(MRI装置1)は、図2に示すように、磁石中心である中心軸Zに対して軸方向に対称に超電導コイル群100が配置されており、定格運転時には、超電導コイル群100のうちの超電導シールドコイル20A,20Bにより漏洩磁場は抑えられているが、クエンチ後の減衰電流は対称とはならず(後記の図6A参照)、それぞれのコイルが作る磁場によって漏洩磁場は拡大する。しかし、本実施形態では、クエンチを超電導コイル群100の各コイルに速やかに伝播できるので、減衰電流を対称に、すなわち、クエンチ過程において、幾何学的に同一かつ対称位置に配置されている超電導コイル電流が極力同一となるように(後記の図6B参照)、全ての超電導コイルをほぼ同時にクエンチさせることができ、これにより、漏洩磁場を抑制できる。
 なお、超電導コイル群100の各コイルと1対1に対応するように、強制クエンチ用コイル群110の各コイルを超電導コイル群100の各コイルに配置したが、強制クエンチ用コイル群100のコイルを適宜間引くことも可能であるし、適宜増やすことも可能である。
As for the leakage magnetic field, the superconducting magnet apparatus (MRI apparatus 1) has a superconducting coil group 100 arranged symmetrically in the axial direction with respect to the central axis Z, which is the center of the magnet, as shown in FIG. During operation, the leakage magnetic field is suppressed by the superconducting shield coils 20A and 20B in the superconducting coil group 100. However, the decay current after quenching is not symmetric (see FIG. 6A described later), and each coil creates. The leakage magnetic field is expanded by the magnetic field. However, in this embodiment, the quench can be promptly propagated to each coil of the superconducting coil group 100, so that the attenuation current is symmetrically arranged, that is, the superconducting coils arranged geometrically at the same symmetrical position in the quenching process. All superconducting coils can be quenched almost simultaneously so that the currents are the same as much as possible (see FIG. 6B described later), thereby suppressing the leakage magnetic field.
In addition, each coil of the forced quenching coil group 110 is arranged in each coil of the superconducting coil group 100 so as to correspond to each coil of the superconducting coil group 100 in a one-to-one manner. It can be thinned out as appropriate or increased as appropriate.
<作用・原理の補足>
 本実施形態に係る超電導磁石装置の作用について補足説明する。すなわち、第1実施形態として、図3のように超電導コイル(超電導主コイル10A)の一部を挟み込んで2個で一対となるよう配置した円形の強制クエンチ用コイル(30A)を用いて超電導状態にある超電導主コイル10Aを常電導転移させることが可能かを見積もる。
<Supplement of action and principle>
Supplementary explanation will be given on the operation of the superconducting magnet device according to the present embodiment. That is, as a first embodiment, a superconducting state is used by using a circular forced quenching coil (30A) that is arranged so that a pair of two superconducting coils (superconducting main coil 10A) is sandwiched as shown in FIG. It is estimated whether or not the superconducting main coil 10A can be transferred to normal conduction.
 文献[Wilson MN, Superconducting Magnets, Oxford University Press, 1983]によれば、単位体積あたりの交流損失Qは、
   Q=(dBi/dt)^2/μ0*2*τ
で表され、結合時定数τは、
   τ=1/2*(p/2π)^2*μ0/ρ
である。ここで、Biは超電導線材内部の平均磁界、μ0は空気中の透磁率、pは超電導多芯フィラメントのツイストピッチ、ρはフィラメント間の安定化銅の比抵抗である。ここでは、クエンチ開始から0.1sで強制クエンチ用コイル30Aに100A(アンペア)の電流が流れると仮定し、ツイストピッチpを0.05m、安定化銅の比抵抗ρを1.0E-9Ωmとした。強制クエンチ用コイル30A(図3(a)参照)は、超電導主コイル10Aのツイストピッチの長さに変動磁場を印加できるよう、直径100mm、コイル断面は40mm×16mm、巻数は40ターンの円形コイルとした。コイル巻線については、極低温に冷却された低抵抗電導線、低温超電導線材や高温超電導線材等が利用できる。超電導主コイル10Aに比べて強制クエンチ用コイル30Aのサイズは小さく、インダクタンスは二桁以上異なるため、スイッチング素子52が閉となって強制クエンチ用コイル30Aに通電された直後はほぼ短絡電流と等価な電流が流れる。この条件で超電導主コイル10Aの周方向長0.05mの区分された体積での交流損失は0.1s間で約2.5Jと見積もられる。
 一方、超電導主コイル10Aが常電導転移するのに必要なエネルギーは、これまでの解析や実験結果から、同体積で約1.5Jであることがわかっている。上記結果より、前記した強制クエンチ用コイル30Aおよび通電電流を用いて、超電導主コイル10Aを常電導転移させることが可能である。尚、前記強制クエンチ用コイル30Aが電気抵抗を持つ場合には、熱的な結合によって更にエネルギーが注入される。
According to the literature [Wilson MN, Superconducting Magnets, Oxford University Press, 1983], the AC loss Q per unit volume is
Q = (dBi / dt) ^ 2 / μ0 * 2 * τ
The coupling time constant τ is
τ = 1/2 * (p / 2π) ^ 2 * μ0 / ρ
It is. Here, Bi is the average magnetic field inside the superconducting wire, μ0 is the magnetic permeability in air, p is the twist pitch of the superconducting multifilament filament, and ρ is the specific resistance of the stabilized copper between the filaments. Here, it is assumed that a current of 100 A (ampere) flows in the forced quenching coil 30A in 0.1 s from the start of the quench, the twist pitch p is 0.05 m, and the specific resistance ρ of the stabilized copper is 1.0E-9 Ωm. did. The forced quenching coil 30A (see FIG. 3A) is a circular coil having a diameter of 100 mm, a coil cross section of 40 mm × 16 mm, and a number of turns of 40 turns so that a variable magnetic field can be applied to the length of the twist pitch of the superconducting main coil 10A. It was. For the coil winding, a low-resistance conductive wire cooled to a very low temperature, a low-temperature superconducting wire, a high-temperature superconducting wire, or the like can be used. Since the size of the forced quenching coil 30A is smaller than that of the superconducting main coil 10A and the inductance differs by two digits or more, the switching element 52 is closed and immediately after the forced quenching coil 30A is energized, it is almost equivalent to a short-circuit current. Current flows. Under this condition, the AC loss in the divided volume of the circumferential length of 0.05 m of the superconducting main coil 10A is estimated to be about 2.5 J in 0.1 s.
On the other hand, the energy required for the normal conducting transition of the superconducting main coil 10A is known to be about 1.5 J in the same volume from the analysis and experimental results so far. From the above results, it is possible to cause the superconducting main coil 10A to undergo normal conduction transition using the forced quenching coil 30A and the energizing current. If the forced quenching coil 30A has an electrical resistance, further energy is injected by thermal coupling.
 以上から、本発明によれば、クエンチ過程において、例えば、漏洩磁場の領域拡大を効果的に抑制し、コイルに印加する電磁力を抑制することが可能な超電導磁石装置、磁気共鳴画像装置および核磁気共鳴装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, in the quench process, for example, the superconducting magnet device, the magnetic resonance imaging device, and the nucleus that can effectively suppress the expansion of the area of the leakage magnetic field and suppress the electromagnetic force applied to the coil. A magnetic resonance apparatus can be provided.
≪第2実施形態≫
 次に、第2実施形態を説明する。図5Aと図5Bは、第2実施形態の超電導磁石装置の保護回路を示す回路図であり、図5Aは回路全体を、図5Bは図5Aの回路のうちの保護回路(強制クエンチ用回路)の詳細を示す図である。
<< Second Embodiment >>
Next, a second embodiment will be described. 5A and 5B are circuit diagrams showing the protection circuit of the superconducting magnet device of the second embodiment. FIG. 5A shows the entire circuit, and FIG. 5B shows the protection circuit (forced quenching circuit) in the circuit of FIG. 5A. FIG.
 前記の第1実施形態では、超電導コイル100の各コイルのすべてが、すなわち、超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12Bおよび超電導シールドコイル20A,20Bが直列に接続されている。このため、超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12Bもしくは超電導シールドコイル20A,20Bの端子間に発生する最高電圧が高くなる可能性がある。したがって、第2実施形態では、図5Aのように回路を分割して、各超電導コイル群A1~D1のそれぞれが、強制クエンチ用回路53と並列に接続される構成として、最高電圧が高くならないように、例えば2000V以内に収まるようにしている。こうすることによって本実施形態の超電導磁石装置は、クエンチが発生したときに、磁気エネルギーから熱エネルギーへの変換が単一コイルに集中して、コイルが焼損するような事態を回避することができる。 In the first embodiment, all the coils of the superconducting coil 100, that is, the superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B and the superconducting shield coils 20A, 20B are connected in series. For this reason, the maximum voltage generated between the terminals of the superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B or the superconducting shield coils 20A, 20B may be increased. Therefore, in the second embodiment, as shown in FIG. 5A, the circuit is divided so that each of the superconducting coil groups A1 to D1 is connected in parallel with the forced quench circuit 53 so that the maximum voltage does not increase. For example, it is set within 2000V. By doing so, the superconducting magnet device of the present embodiment can avoid a situation where the conversion of magnetic energy to thermal energy concentrates on a single coil and the coil burns out when a quench occurs. .
 強制クエンチ用回路53は、図5Bに示すように前記の第1実施形態と同じ構成をしており、第2実施形態では、図5Aに示すように各強制クエンチ用回路53が数珠つなぎにされている。ちなみに、超電導主コイル10Aを例にすれば、第1実施形態では、超電導主コイル10Aの円周上には、1対をなす強制クエンチ用コイル30Aが1つ設置されるものであったが(図3参照)、この第2実施形態では図示を省略するが、回路分割数が4であるため、超電導主コイル10Aの円周上には、1対をなす強制クエンチ用コイル30Aが4つ設置されるものである。この4つ設置される点は、他の超電導主コイル10B,11A,11B,12A,12B,超電導シールドコイル20A,20Bにおいても同じである。 The forced quench circuit 53 has the same configuration as that of the first embodiment as shown in FIG. 5B. In the second embodiment, the forced quench circuits 53 are connected in a daisy chain as shown in FIG. 5A. ing. Incidentally, if the superconducting main coil 10A is taken as an example, in the first embodiment, one forced quenching coil 30A is installed on the circumference of the superconducting main coil 10A. Although not shown in this second embodiment, since the number of circuit divisions is 4, four forced quenching coils 30A are installed on the circumference of the superconducting main coil 10A. It is what is done. The four points are the same in the other superconducting main coils 10B, 11A, 11B, 12A, 12B and the superconducting shield coils 20A, 20B.
 次に、本実施形態の効果を説明する。図2に示す超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12B,超電導シールドコイル20A,20Bを、図5Aに示すように、4つの超電導コイル群A1,B1,C1,D1として構成し、保護回路も図5Aに示すものとして、各強制クエンチ用コイル群110の各コイルを各超電導コイル群100の各コイルの円周上の一部に設置した条件でシミュレーション(数値解析)を行った。なお、超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12B,超電導シールドコイル20A,20Bに初期通電した電流値は、撮像領域Fにおよそ3Tの磁場を生成するコイル電流値とした。 Next, the effect of this embodiment will be described. The superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B and the superconducting shield coils 20A, 20B shown in FIG. 2 are configured as four superconducting coil groups A1, B1, C1, D1, as shown in FIG. The protection circuit is also shown in FIG. 5A, and simulation (numerical analysis) was performed under the condition that each coil of each forced quenching coil group 110 was installed on a part of the circumference of each coil of each superconducting coil group 100. Note that the current value initially energized in the superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B, and the superconducting shield coils 20A, 20B was a coil current value that generates a magnetic field of about 3 T in the imaging region F.
 超電導シールドコイル20B(超電導コイル群A1)でクエンチが発生したものと仮定し、以下のシミュレーション(数値解析)を行った。 Assuming that quenching occurred in the superconducting shield coil 20B (superconducting coil group A1), the following simulation (numerical analysis) was performed.
 図6Aと図6Bはクエンチ開始からの超電導コイル群A1,B1,C1,D1(図5A参照)の電流の時間発展図のシミュレーション結果である。比較のために、本発明を適用しない比較例によるシミュレーション結果を図6Aとして、本実施形態によるシミュレーション結果を図6Bとして示す。用いる回路図は、前記のとおり図5Aのものである。なお前記比較例とは、クエンチ保護回路53のうちの双方向ダイオード52のみがついた分割回路である。この比較例では、ある超電導コイルがクエンチすると、そのコイルを含む回路の電流が減衰し磁束が時間的に変化するため、その変動磁場を他の超電導コイルが経験してクエンチが伝播し、磁石が保護される。
 比較例である図6Aにおいて、超電導主コイル10Aでクエンチが生じると(開始すると)、クエンチ開始コイルである超電導主コイル10Aを含む超電導コイル群A1の電流はクエンチ開始から徐々に減衰し、抵抗によるジュール損失によって磁気エネルギーが散逸する。その他の超電導コイル群B1,C1,D1では、始めにクエンチした超電導主コイル10Aによる変動磁場に起因した交流損失によって、他のコイルである超電導シールドコイル20Bと超電導コイル群B1,C1,D1の各コイルが常電導転移した後に磁気エネルギーが消費される。このため、各コイルの電流減衰波形は、それぞれ異なる。
 一方、図6Bの本実施形態による場合には、クエンチ開始から他の超電導コイル群B1,C1,D1へのクエンチの伝播が即座に(例では0.1s後に伝播を仮定)おこり、各回路の電流値の減衰はほぼ同等で揃っている。
6A and 6B are simulation results of time development diagrams of currents of superconducting coil groups A1, B1, C1, and D1 (see FIG. 5A) from the start of quenching. For comparison, FIG. 6A shows a simulation result according to a comparative example to which the present invention is not applied, and FIG. 6B shows a simulation result according to the present embodiment. The circuit diagram used is that of FIG. 5A as described above. The comparative example is a divided circuit including only the bidirectional diode 52 in the quench protection circuit 53. In this comparative example, when a superconducting coil is quenched, the current of the circuit including the coil is attenuated and the magnetic flux changes with time, so the other superconducting coils experience the fluctuation magnetic field and the quench propagates, Protected.
In FIG. 6A which is a comparative example, when a quench occurs in the superconducting main coil 10A (when it starts), the current of the superconducting coil group A1 including the superconducting main coil 10A which is the quench starting coil gradually attenuates from the start of the quench, and is caused by resistance Magnetic energy is dissipated by Joule loss. In the other superconducting coil groups B1, C1, and D1, each of the superconducting shield coil 20B and the superconducting coil groups B1, C1, and D1, which are other coils, is caused by the AC loss caused by the fluctuating magnetic field caused by the superconducting main coil 10A that is quenched first. Magnetic energy is consumed after the coil has transitioned to normal conduction. For this reason, the current attenuation waveform of each coil differs.
On the other hand, in the case of the present embodiment of FIG. 6B, the propagation of the quench from the quench start to the other superconducting coil groups B1, C1, D1 occurs immediately (in the example, assuming propagation after 0.1 s), and the current of each circuit The values are almost equal in attenuation.
 図7Aと図7Bはクエンチ開始からの超電導コイル(超電導主コイル10A,10B,11A,11B,12A,12B,超電導シールドコイル20A,20B)のコイル温度の時間発展図を示している。図7Aは比較例を、図7Bは本実施形態を示している。
 なお、図7Aの縦軸はフルスケールが220Kであり、図7Bの縦軸はフルスケールが180Kである。
 図7Aの比較例では、常電導転移したコイル(超電導シールドコイル20B)で磁気エネルギーが熱エネルギーに変換されて温度が上昇する。一方、図7Bの本実施形態によるシミュレーション結果では、強制クエンチ用コイル110によりクエンチが伝播され、できる限り多くの超電導コイル群100で磁気エネルギーを分散消費する。すなわち、ある特定のコイルの温度上昇を避けられるが、図7Aの比較例では他の超電導コイルへのクエンチの伝播が遅れ、クエンチが開始した超電導コイルの温度が上昇している。また、局所的な最高到達温度も、比較例が約190Kであるのに対して実施形態が約160Kであり、実施形態の方が低く抑えられている。
FIG. 7A and FIG. 7B show time evolution diagrams of coil temperatures of superconducting coils (superconducting main coils 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B, superconducting shield coils 20A, 20B) from the start of quenching. FIG. 7A shows a comparative example, and FIG. 7B shows this embodiment.
The vertical axis in FIG. 7A is 220K full scale, and the vertical axis in FIG. 7B is 180K full scale.
In the comparative example of FIG. 7A, the magnetic energy is converted into thermal energy by the coil (superconducting shield coil 20B) that has undergone normal conduction transition, and the temperature rises. On the other hand, in the simulation result according to the present embodiment of FIG. 7B, the quench is propagated by the forced quenching coil 110, and magnetic energy is distributed and consumed by as many superconducting coil groups 100 as possible. That is, although the temperature rise of a specific coil can be avoided, in the comparative example of FIG. 7A, the propagation of quenching to other superconducting coils is delayed, and the temperature of the superconducting coil where quenching has started is rising. Further, the local maximum attainable temperature is about 160K compared to about 190K in the comparative example, and is lower in the embodiment.
 図8Aと図8Bはクエンチ開始からの超電導コイルの端子間電圧を示しており、コイル温度と同様、図8Aの比較例による場合には、クエンチの伝播が遅れるために、特定のコイルの端子間電圧が上昇しているが、図8Bの本発明によれば、コイル端子間電圧が比較例よりも3~4割ほど抑制される。ちなみに、この図でも図8Aの比較例と図8Bの実施形態とで、グラフのスケールが異なっている。 8A and 8B show the voltage between terminals of the superconducting coil from the start of quenching. Like the coil temperature, in the case of the comparative example of FIG. 8A, the propagation of quenching is delayed. Although the voltage rises, according to the present invention of FIG. 8B, the voltage between the coil terminals is suppressed by about 30 to 40% compared to the comparative example. Incidentally, also in this figure, the scale of the graph is different between the comparative example of FIG. 8A and the embodiment of FIG. 8B.
 図9Aと図9Bは、クエンチ開始からの超電導コイル12Bのコイルに印加する電磁力の時間発展図を示している。図9Aの比較例による場合には、図6Aに示すように、超電導コイル群A1,B1,C1,D1に流れる電流が大きく異なるため、特に軸方向電磁力には符号が反転する電磁力が印加される。磁石(超電導コイル群100の各コイル)の健全性を確保するためには、上記反転電磁力を支持するための支持構造が必要となり、定格運転時にコイルに印加する電磁力の向きとは逆向きの電磁力に対する支持構造を併せ持つ必要がある。また、径方向電磁力についても、定格運転時に印加する電磁力よりも高い電磁力がクエンチ後に印加されるため、この最大電磁力を支持するための構造物が必要となる。ちなみに、図9Bのように、本実施形態では、電磁力が抑制され、かつ、なめらかになっていることがわかる。 9A and 9B show time development diagrams of electromagnetic force applied to the coil of the superconducting coil 12B from the start of quenching. In the case of the comparative example of FIG. 9A, as shown in FIG. 6A, since the currents flowing through the superconducting coil groups A1, B1, C1, and D1 are greatly different, an electromagnetic force whose sign is reversed is applied particularly to the axial electromagnetic force. Is done. In order to ensure the soundness of the magnets (each coil of the superconducting coil group 100), a support structure for supporting the above reversal electromagnetic force is required, and the direction of the electromagnetic force applied to the coils during the rated operation is opposite to the direction It is necessary to have a support structure for the electromagnetic force. Moreover, since the electromagnetic force higher than the electromagnetic force applied at the time of rated operation is applied after quenching as for the radial electromagnetic force, a structure for supporting this maximum electromagnetic force is required. Incidentally, as shown in FIG. 9B, it can be seen that in this embodiment, the electromagnetic force is suppressed and smooth.
 図10Aと図10Bは、クエンチ開始からの超電導磁石から漏洩する磁場領域(図10には0.5mTラインを表示)の最大領域を示している(なお0.5mT(ミリテスラ)は5G(ガウス)である)。図10Aは比較例であり、図10Bは実施形態である。図10Aと図10Bとも、超電導磁石装置を縦にして見ており、縦軸は、撮像領域Fの中心からの水平方向(図2参照)の距離をメートル単位で示している。すなわち、図2の横方向(中心軸Zの方向)が図10Aと図10Bの縦軸になっている。
 この図10Aと図10Bから明らかなように、本実施形態では、漏洩磁場を比較例に比べて低減することができている。すなわち、比較例では、図6Aに示されるように、超電導コイル群A1,B1,C1,D1に流れる電流が大きく異なるため、磁場の重畳による打ち消される磁場が非平衡となり、漏洩磁場領域が拡大する。
10A and 10B show the maximum region of the magnetic field region (0.5 mT line is displayed in FIG. 10) leaking from the superconducting magnet from the start of quenching (note that 0.5 mT (millitesla) is 5 G (Gauss)). Is). FIG. 10A is a comparative example, and FIG. 10B is an embodiment. 10A and 10B both show the superconducting magnet device vertically, and the vertical axis shows the distance in the horizontal direction (see FIG. 2) from the center of the imaging region F in meters. That is, the horizontal direction in FIG. 2 (the direction of the central axis Z) is the vertical axis in FIGS. 10A and 10B.
As is clear from FIGS. 10A and 10B, in this embodiment, the leakage magnetic field can be reduced as compared with the comparative example. That is, in the comparative example, as shown in FIG. 6A, since the currents flowing through the superconducting coil groups A1, B1, C1, and D1 are greatly different, the magnetic field canceled by the superposition of the magnetic fields becomes non-equilibrium, and the leakage magnetic field region is expanded. .
≪第3実施形態≫
 次に、第3実施形態に係る超電導磁石装置について説明する。図11は、第3実施形態の超電導磁石装置が適用されるMRI装置のガントリの対称軸を含む断面模式図である。第3実施形態に係る強制クエンチ用コイルと、第1実施形態や第2実施形態に係る強制クエンチ用コイルとの差異点は、第1実施形態や第2実施形態に係る強制クエンチ用コイルがすべての超電導コイルに設置されているのに対して、第3実施形態に係る強制クエンチ用コイルは、磁石の健全性により大きな影響を及ぼす超電導コイルにのみ設置している点で異なる。
<< Third Embodiment >>
Next, a superconducting magnet device according to a third embodiment will be described. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view including the symmetry axis of the gantry of the MRI apparatus to which the superconducting magnet apparatus of the third embodiment is applied. The difference between the forced quenching coil according to the third embodiment and the forced quenching coil according to the first and second embodiments is that the forced quenching coil according to the first and second embodiments is all different. The forced quenching coil according to the third embodiment is different from that of the superconducting coil in that it is installed only in the superconducting coil that greatly affects the soundness of the magnet.
 すなわち、第3実施形態では、特に磁気エネルギーの大きな超電導コイル20A,20B,10A,10B(超電導主コイル10A,10B、超電導シールドコイル20A,20B)にのみ強制クエンチ用コイル30A,30B,40A,40Bが設置されている。
この第3実施形態でも、漏洩磁場の拡大領域や超電導コイルに印加する電磁力は前記の超電導コイル電流および当該電流が生成する磁場に起因しており、磁石の健全性を高めることができる。
That is, in the third embodiment, only the superconducting coils 20A, 20B, 10A, 10B (superconducting main coils 10A, 10B, superconducting shield coils 20A, 20B) having particularly large magnetic energy are forcibly quenched coils 30A, 30B, 40A, 40B. Is installed.
Also in the third embodiment, the electromagnetic force applied to the expansion region of the leakage magnetic field and the superconducting coil is caused by the superconducting coil current and the magnetic field generated by the current, and the soundness of the magnet can be improved.
≪第4実施形態≫
 次に、第4実施形態に係る超電導磁石装置について説明する。
 第4実施形態に係る強制クエンチ用コイルと、第1実施形態等に係る強制クエンチ用コイルとの差異点は、第1実施形態に係る強制クエンチ用コイルは、超電導コイル脇(外周上・内周上)に設置されていたのに対し、第4実施形態に係る強制クエンチ用コイルは、超電導コイル巻線の口出し部に設置した点で異なる。
<< Fourth Embodiment >>
Next, a superconducting magnet device according to a fourth embodiment will be described.
The difference between the forced quenching coil according to the fourth embodiment and the forced quenching coil according to the first embodiment is that the forced quenching coil according to the first embodiment is located beside the superconducting coil (on the outer periphery / inner periphery). The forced quenching coil according to the fourth embodiment is different in that it is installed at the lead portion of the superconducting coil winding.
 図12は、第4実施形態の超電導磁石装置におけるクエンチ用コイルの設置状況を示す模式的な断面図であるが、符号70はボビンであり、符号10Aは超伝導主コイルであり、符号30Aは強制クエンチ用コイルであり、符号80は口出し部である。前記のように、第4実施形態では、口出し部80に設けられている。
 ちなみに、図12はオープン型のMRI装置であるが、図1のトンネル型のMRI装置1にも適用できる。トンネル型の場合は、図2でいえば、例えば超電導主コイル10Aを上下から挟みこんでいる強制クエンチ用コイル30Aが超電導主コイル10Aの脇の口出し部(図2には不図示)に設置されることとなる。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the installation situation of the quenching coil in the superconducting magnet device of the fourth embodiment, where reference numeral 70 is a bobbin, reference numeral 10A is a superconducting main coil, and reference numeral 30A is This is a forced quenching coil, and reference numeral 80 is a lead portion. As described above, in the fourth embodiment, the opening portion 80 is provided.
Incidentally, although FIG. 12 shows an open type MRI apparatus, it can also be applied to the tunnel type MRI apparatus 1 shown in FIG. In the case of the tunnel type, as shown in FIG. 2, for example, a forced quenching coil 30A sandwiching the superconducting main coil 10A from above and below is installed at a side lead portion (not shown in FIG. 2) of the superconducting main coil 10A. The Rukoto.
 第4実施形態に係る強制クエンチ用コイルは、超電導コイル脇に強制クエンチ用コイルの設置スペースを確保する必要がないため、超電導磁石装置が適用されるMRI装置1(図1参照)のガントリ1aの開口面積を広げられる利点がある。また、開口面積が同じであれば、高さを抑えることなどができる。この点は、オープンタ型のMRI装置でも同じである。 The forced quenching coil according to the fourth embodiment does not require a space for installing the forced quenching coil beside the superconducting coil, so that the gantry 1a of the MRI apparatus 1 (see FIG. 1) to which the superconducting magnet device is applied is used. There is an advantage that the opening area can be expanded. Further, if the opening area is the same, the height can be suppressed. This is the same for the opener type MRI apparatus.
 なお、本発明は、前記した第1~第4実施形態に記載の技術に限らず、その効果を奏する範囲にて適宜変更して実施することができる。 It should be noted that the present invention is not limited to the techniques described in the first to fourth embodiments described above, and can be implemented with appropriate modifications within a range where the effects are exhibited.
1   MRI装置(超電導磁石装置)
1a  ガントリ
2   ベッド
2a  搬送手段
3   制御装置(解析手段)
4   処理装置(解析手段)
5   表示装置
6   電源・信号線
10A,10B,11A,11B,12A,12B 超電導主コイル(超電導コイル)
20A,20B 超電導シールドコイル(超電導コイル)
30A,30B,31A,31B,32A,32B,40A,40B 強制クエンチ用コ
イル
51  永久電流スイッチ
52  スイッチング素子(半導体素子、スイッチング手段)
53  強制クエンチ用回路
61  冷媒
62  冷却容器
63  輻射シールド
64  真空容器
100 超電導コイル群
A1,B1,C1,D1 超電導コイル群
110 強制クエンチ用コイル群
F   撮像領域(磁場空間)
O   中心
Z   中心軸
1 MRI system (superconducting magnet system)
1a Gantry 2 Bed 2a Transport means 3 Control device (analysis means)
4 processing equipment (analysis means)
5 Display Device 6 Power / Signal Lines 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B Superconducting main coil (superconducting coil)
20A, 20B Superconducting shield coil (superconducting coil)
30A, 30B, 31A, 31B, 32A, 32B, 40A, 40B Forced quench coil 51 Permanent current switch 52 Switching element (semiconductor element, switching means)
53 Forced quench circuit 61 Refrigerant 62 Cooling vessel 63 Radiation shield 64 Vacuum vessel 100 Superconducting coil group A1, B1, C1, D1 Superconducting coil group 110 Forced quenching coil group F Imaging region (magnetic field space)
O Center Z Center axis

Claims (10)

  1.  複数の超電導コイルを備える超電導磁石装置であって、
     前記超電導コイルに交流損失を発生させる強制クエンチ用コイルと、
     前記強制クエンチ用コイルを作動させるスイッチング手段とを備え、
     前記強制クエンチ用コイルが、複数の前記超電導コイルに対してそれぞれ設置される
    ことを特徴とする超電導磁石装置。
    A superconducting magnet device comprising a plurality of superconducting coils,
    A coil for forced quenching that generates AC loss in the superconducting coil;
    Switching means for operating the forced quenching coil,
    The superconducting magnet device, wherein the forcible quenching coil is installed for each of the plurality of superconducting coils.
  2.  前記スイッチング手段はスイッチング素子であって、
     前記スイッチング素子と前記強制クエンチ用コイルが直列に接続されて成る強制クエンチ用回路を備え、
     前記強制クエンチ用回路は、一つ以上の前記超電導コイルが直列に接続されて成る超電導コイル群に対して並列に接続され、
     前記スイッチング素子のターンオン電圧が、前記超電導磁石装置が定格運転している際に前記超電導コイル群の両端にかかる電圧よりも高い
    ことを特徴とする請求項1に記載の超電導磁石装置。
    The switching means is a switching element,
    A forced quench circuit comprising the switching element and the forced quench coil connected in series;
    The forced quenching circuit is connected in parallel to a superconducting coil group in which one or more superconducting coils are connected in series,
    2. The superconducting magnet device according to claim 1, wherein a turn-on voltage of the switching element is higher than a voltage applied to both ends of the superconducting coil group when the superconducting magnet device is rated.
  3.  前記強制クエンチ用回路は、前記強制クエンチ用コイルを複数備え、
     前記複数の強制クエンチ用コイルは直列に接続されており、複数の前記超電導コイルに対して設置される
    ことを特徴とする請求項2に記載の超電導磁石装置。
    The forced quench circuit includes a plurality of forced quench coils,
    The superconducting magnet device according to claim 2, wherein the plurality of forced quenching coils are connected in series and are installed with respect to the plurality of superconducting coils.
  4.  前記超電導磁石装置が、複数の前記超電導コイル群を備える場合において、
     複数の前記強制クエンチ用回路が備えられ、それぞれ前記超電導コイル群に対して並列に接続される
    ことを特徴とする請求項2に記載の超電導磁石装置。
    In the case where the superconducting magnet device includes a plurality of the superconducting coil groups,
    The superconducting magnet device according to claim 2, wherein a plurality of the forced quenching circuits are provided, and are connected in parallel to the superconducting coil group.
  5.  前記超電導磁石装置が、複数の前記超電導コイル群を備える場合において、
     複数の前記強制クエンチ用回路が備えられ、それぞれ前記超電導コイル群に対して並列に接続される
    ことを特徴とする請求項3に記載の超電導磁石装置。
    In the case where the superconducting magnet device includes a plurality of the superconducting coil groups,
    The superconducting magnet device according to claim 3, wherein a plurality of the forced quenching circuits are provided and connected in parallel to the superconducting coil group.
  6.  前記超電導コイルを挟みこむように一対の前記強制クエンチ用コイルが設置され、
     前記一対の強制クエンチ用コイルが直列に接続された前記強制クエンチ用回路を備える
    ことを特徴とする請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の超電導磁石装置。
    A pair of forced quenching coils are installed so as to sandwich the superconducting coil,
    The superconducting magnet device according to any one of claims 2 to 5, further comprising the forced quenching circuit in which the pair of forced quenching coils are connected in series.
  7.  前記超電導コイルの巻線の口出し部に前記強制クエンチ用コイルが設置される
    ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の超電導磁石装置。
    The superconducting magnet apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the forced quenching coil is installed at a lead portion of a winding of the superconducting coil.
  8.  複数の超電導コイルを備える超電導磁石装置における前記超電導コイルの保護方法であって、
     前記超電導磁石装置は、
     前記超電導コイルに交流損失を発生させる強制クエンチ用コイルと、前記強制クエンチ用コイルを作動させるスイッチング手段とを備え、
     前記強制クエンチ用コイルが、複数の前記超電導コイルに対してそれぞれ設置されており、
     複数の前記超電導コイルの内のいずれかにクエンチが生じた場合、
     前記スイッチング手段が前記強制クエンチ用コイルを作動させ、
    作動させた前記強制クエンチ用コイルが変動磁場を発生させ、
     前記変動磁場が印加された複数の前記超電導コイルにて交流損失を発生させ、
     前記変動磁場が印加された複数の前記超電導コイルに前記クエンチを伝播させる
    ことを特徴とする超電導コイルの保護方法。
    A method of protecting the superconducting coil in a superconducting magnet device comprising a plurality of superconducting coils,
    The superconducting magnet device is:
    A forced quenching coil for generating an AC loss in the superconducting coil, and a switching means for operating the forced quenching coil,
    The forced quenching coil is installed for each of the plurality of superconducting coils,
    When a quench occurs in any of the plurality of superconducting coils,
    The switching means actuates the forced quenching coil;
    The activated forced quenching coil generates a fluctuating magnetic field,
    AC loss is generated in the plurality of superconducting coils to which the varying magnetic field is applied,
    A method of protecting a superconducting coil, wherein the quench is propagated to a plurality of the superconducting coils to which the varying magnetic field is applied.
  9.  複数の前記超電導コイルの内のいずれかにクエンチが生じた場合、
     前記スイッチング手段と、前記強制クエンチ用コイルと、前記超電導コイルとが閉回路を形成し、
     前記閉回路に含まれる前記超電導コイルに流れている電流が、前記強制クエンチ用コイルに流れ込み、
     前記電流が流れ込んだ前記強制クエンチ用コイルが変動磁場を発生させる
    ことを特徴とする請求項8に記載の超電導コイルの保護方法。
    When a quench occurs in any of the plurality of superconducting coils,
    The switching means, the forced quenching coil, and the superconducting coil form a closed circuit,
    The current flowing in the superconducting coil included in the closed circuit flows into the forced quenching coil,
    The method for protecting a superconducting coil according to claim 8, wherein the forced quenching coil into which the current flows generates a fluctuating magnetic field.
  10.  請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の前記超電導磁石装置と、
     被検体を載置するベッドと、
     前記ベッドに載置された前記被検体を前記撮像領域へ搬送する搬送手段と、
     前記搬送手段によって前記撮像領域に搬送された前記被検体からの核磁気共鳴信号を解析する解析手段と、を備える
    ことを特徴とする磁気共鳴画像装置。
    The superconducting magnet device according to any one of claims 1 to 5,
    A bed on which the subject is placed;
    Transport means for transporting the subject placed on the bed to the imaging region;
    Analyzing means for analyzing a nuclear magnetic resonance signal from the subject transported to the imaging region by the transporting means. A magnetic resonance imaging apparatus comprising:
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