JPH03155105A - 超電導磁石の励磁方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、核磁気共鳴装置（以下、ＭＨＩ装置と称す
る）に使用される超電導磁石の漏れ磁束を低減するため
のアクティブシールドとしての超電導コイルを設けた超
電導磁石の励磁方法に関する。

〔従来の技術〕

ＭＲＩ装置用の超電導磁石は、１電導磁石内に被検体で
ある人体を収納するために、内径が１ｍに近い筒状また
は複数のリング状のコイルと、場合によりこれらのコイ
ルの外側に鋼材などの磁性体でなり前記のコイルが生起
する漏れ磁場を吸収するための磁気シールドとで構成さ
れ、被検体である人体の断層像を得るためには、人体が
収納されるコイル内空間部における磁場の強さには百万
分の１のレベルの均一性が求められる。°この磁場の強
度とその均一性を確保するために、同軸配置のリング状
コイルを複数個組み合わせて磁場の均一度の最も良い配
置、電流値を選んで均一磁場コイルを構成する方法が知
られている。このような均一磁場コイルが生起した均一
磁場が外部空間に漏れ出すことによって近傍の電子装置
の誤動作の原因になるばかりでなくＭＲＩ装置の近傍の
強磁性体がこの漏れ磁場を受けて磁場を歪ませそれが均
一磁場空間に影響を及ぼす結果、均一磁場コイルのみで
は高度の均一性を生起したにも係わらずＭＲＩ装置を設
置した使用環境において期待する磁場の均一性が得られ
ないという問題が生ずる。

このような漏れ磁場によって生ずる問題点を解消するた
めの方策として磁気シールドを均一磁場コイルの外部に
設ける方式が採用される。

この磁気シールドとして、円筒状の鋼材などの磁性体で
なる磁気シールドを超電導磁石の外側に設ける方式のも
のがあり、この磁気シールドのことをセルフシールドと
称されており、主コイルが生起する漏れ磁場をこのセル
フシールドが吸収する方式であり、この方式は超電導磁
石のみならず常電導磁石にも使用されているが、超電導
磁石のように高い均一磁場強度に対しては漏れ磁場の量
も大きいことから調材で製作されるセルフシールドの重
量が過大になりＭＲＩ装置を設置する部屋の強度が耐え
られない場合があるという問題かある。

このように超電導磁石の磁気シールドとして強磁性体を
使用する方式の欠点を解決するために、主コイルと同じ
超電導コイルで漏れ磁場を打ち消す方式が採用される。

この磁気シールド用としての超電導コイルはアクティブ
シールドと称されており、この方式はアクティブシール
ド形超電導磁石と呼ばれている。

第３図はアクティブシールド形起電導磁石のコイル構成
を示す断面図である。主コイルｌは図の上下方向に対称
軸を持つ円筒状の超電導コイルであり、実際には、図示
のように１つの断面を持ったものではなく、断面が長方
形で半径が略等しい複数のリングコイルが集まって主コ
イルｌを形成しているものである。アクティブシールド
２は主コイル１の外側に同軸でかつ略同じ軸方向寸法の
円筒状のコイルであり、このアクティブシールド２の場
合も主コイル】と同じように半径が略等しい複数のリン
グコイルで構成されているのが実際である。

アクティブシールド２の磁気能率を主コイルｌのそれと
絶対値が同じで方向が反対になるようにそれぞれのコイ
ルの径寸法と巻数を設定することにより理想的な漏れ磁
場を打ち消すことができることが知られている（実願昭
５０−１５９５３０号公報、実願昭５１−００６２４０
号公報）、ＭＨＩ装置の超電導磁石としては主コイル１
の中央部に高度に均一な磁場を生成する必要があるが、
そのために、前述のように複数のリングコイルを適当な
巻数の配分と断面寸法及びその位置を数値計算によって
最適値を求めて、ＭＨＩ装置の超電導磁石に要求される
ｔｏｐｐｍ　レベルの高均一磁場が得られている。

アクティブシールド２を励磁して所定の電流を流す方法
には２つあって、その１つは主コイル１と電流の流れる
方向が逆になるように直列接続して主コイルｌと一緒に
励磁する方法であり、もう１つの方法は、アクティブシ
ールド２を主コイル１とは独立した回路として両端子を
短絡しておき、励磁の際には生コイル１だけを直流電源
に接続して励磁し、このときにアクティブシールド２に
電磁誘導作用によって電流が誘起されることを利用した
方法である。この他にアクティブシールド２を主コイル
１とは別の直流電源に接続する方法も考えられるが、種
々の理由で実用性はないと判断されている。

第４図は主コイルとアクティブシールドとを直列接続し
て一緒に励磁する方法の励磁回路図である。この図にお
いて、主コイル１とアクティブシールド２とは直列接続
されており、これらの両端が直流電源６に接続されてお
り、同時に永久電流スイッチ５が並列接続されている。

また、主コイルｌに保護抵抗３が、アクティブシールド
２に保護抵抗４がそれぞれ並列に接続されていて、万−
超電導状態が破れて常電導状態に変わるいわゆるクエン
チが生じたときのそれまで超電導コイルに蓄積されてい
た磁気エネルギーをジュール損として消費させるために
設けられている。また、前述のように、主コイル１やア
クティブシールド２は複数のリングコイルからなってい
るのであるが、このリングコイル１つひとつに１つの保
護抵抗が並列に接続されてクエンチの他のリングコイル
ヘの拡大を防止する構成としているものであり、図示の
ようにそれぞれの超電導コイルを２分割してそれぞれに
保護抵抗を接続した回路を示しているのは１つの超電導
コイルに複数の保護抵抗が接続されるものであることを
模式的に示すためのものである。

永久電流スイッチ５は超電導線を巻回した超電導コイル
５１と超電導線を加熱する加熱線５２との組み合わせか
らなりこれらが液体ヘリウムに浸されて構成されており
、加熱線５２に電流を流さないときには＃Ｉｉ電導コイ
ル５１は超電導状態にあってその抵抗値は零でありスイ
ッチとしては「閉」の状態になっており、加熱綿５２に
電流を流して超電導線を加熱して常電導状態にすると超
電導コイル５１は有限の抵抗値になって、スイッチとし
ては実質的に「開」の状態になる。超電導コイル５１に
使用される超電導線は前述の主コイルｌやアクティブシ
ールド２に使用される超電導線とは違って、常電導状態
のときにはなるべく抵抗値が大きくなる超電導線である
。

主コイル１とアクティブシールド２とが液体ヘリウムに
浸されて超電導状態になっており、その電流値が零の状
態で永久電流スイッチ５を「開」の状態にして直流電源
６に電流リード７を介して接続すると、主コイルｌとア
クティブシールド２との総合のインダクタンスと直流型
ｉ１＊６の電圧から決まる上昇速度で電流が増大してい
＜、ＭＲＩ装置の超電導磁石として必要とする均一磁場
の磁場強度が得られる電流値としての定格電流に達した
ところで直流型ｆＡ６の電圧を零にし同時に永久電流ス
イッチ５を「閉」にすると、主コイル１とアクティブシ
ールド２とに流れている電流は直流電源６から永久電流
スイッチ５に移り、主コイル１、アクティブシールド２
及び永久電流スイッチ５からなる閉回路をｎ環すること
になる。これらはいずれも超電導コイルであるからこの
閉回路の抵抗値は実質的に零であり、循環電流は永遠に
流れることになる。この状態を永久電流モードと呼ばれ
ており、永久電流スイッチ５はこのような循環回路を形
成するために使用されることからこのような名称が付け
られている。なお、直流電源６は着脱可能の電流リード
７を介して永久電流スイッチ５の両端に接続されていて
、励磁が完了するとこの電流リード７を取外すことので
きる構成が採用されている。

このような励磁方法の場合は主コイルｌとアクティブシ
ールド２との電流値が同じであるから、それぞれの磁気
能率を一敗させるためにはそれぞれのコイルの巻数を精
度よく計算値に合わせる必要がある。同じ理由で、主コ
イル１とアクティブシールド２との寸法も正確に合わせ
て製作しておかなければならない、これらの精度が悪い
とそれぞれの超電導コイルの磁気能率の絶対値に差が生
じ、この差に比例して漏れ磁場が増加することになる。

第５図はアクティブシールドの両端子を短絡しておいて
電磁誘導による電流の誘起を利用してアクティブシール
ドを励磁する方法を示す励磁回路図である。この図にお
いても第３図の永久電流スイッチ５や保護抵抗３．４が
設けられているのであるが、これらについては後述する
ので、この図では単にこの励磁方法の原理説明に必要な
回路要素だけを図示しである。この図において、アクテ
ィブシールド２は両端子が短絡されていてそれ自身独立
した回路を形成していて主コイル１とは磁気的に結合さ
れているだけである。主コイルｌは第４図の場合と同じ
く直流電源６に接続されて励磁される。主コイル１の電
流が増加してゆくと主コイル１が生起する磁束も増大す
るが、アクティブシールド２は超電導状態にあるので、
磁束はこのアクティブシールド２と鎖交することはでき
ない。アクティブシールド２にはアクティブシールド２
が超電導状態にないときに鎖交する磁束を完全に打ち消
すに足るだけの電流が誘起される。この電流は主コイル
１が生起する漏れ磁束を常に打ち消すように　電流が流
れるので、アクティブシールド２はこの誘起電流が流れ
ることによって磁気シールドの効果を生ずることになる
。

（発明が解決しようとする課題） 主コイル１とアクティブシールド２・とを直列に接続し
て同時に励磁する方法では、超電導状態における抵抗値
を減らすために超電導線の接続部をなるべく少なくする
必要があるが、そのために、主コイル１とアクティブシ
ールド２との超電導線を同じものにする。一方、超電導
コイルの最適設計においては、超電導線の位置の磁束密
度のうちの最大値としての最大経験磁場が考慮されて超
電導線の選択が行われるが、主コイル１とアクティブシ
ールド２とでは最大経験磁場が異なるにもかかわらず同
じ超電導線を使用しなければならないという点で最適設
計から外れた超電導コイルになるという問題が生ずる。

また、主コイル１がクエンチを起こした場合、主コイル
Ｉに流れていた電流は初期を除いて大部分が保護抵抗３
の方に転流し、主コイルｌの起磁力が減少する。一方、
アクティブシールド２は超電導状態を維持しているので
、そのまま電流が流れ続け、結局アクティブシールド２
が生起する磁束が広範囲にわたって漏れ出し大きな漏れ
磁束として周辺に悪影響を与えることになるという問題
が生ずる。アクティブシールド２がクエンチを起こした
場合も同様に、主コイル１が生起する磁束が漏れ磁束と
なって同じ悪影響を与えることになる。

電磁誘導を利用してアクティブシールド２を励磁する第
４図に示した方法方法の場合は、このような問題は生じ
ないが、アクティブシールド２に誘起された電流によっ
て生起される磁束は主コイルｌが生起する漏れ磁束を打
ち消すには不充分であるという問題がある。なぜなら、
アクティブシールド２が打ち消す磁束は主コイルｌが生
起する磁束のうち、アクティブシールド２に鎖交する分
だけであるから、アクティブシールド２を主コイル１に
密着でもしない限り相互誘導による磁束の打ち消しは原
理的に不完全になる。このように、この電磁誘導を利用
する励磁方法は漏れ磁場を充分打ち消すことができない
不完全な磁気シールドになるという問題がある。

この発明は、主コイルとアクティブシールドとを直列接
続して励磁する方法において、どちらかの超電導コイル
がクエンチを起こしたときに漏れ磁束が増大するという
問題を解決することのできる電磁誘導を利用する方式を
採用してしかも主コイルが生起する漏れ磁束を充分打ち
消す電流をアクティブシールドに流すことのできる超電
導磁石の励磁方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するためにこの発明によれば、軸対称の
超電導コイルでなる主コイルと、この主コイルの外径側
に同軸に配置した超電導コイルでなり両端子を永久電流
スイッチで短絡してなるアクティブシールドとを備えた
超電導磁石を、前記主コイルに直流電源を接続してこの
主コイルに定格電流が流れるまで励磁する励磁方法にお
いて、前記アクティブシールドの永久電流スイッチを開
の状態で、前記主コイルの定格電流よりも小さな所定の
電流値まで主コイルを励磁し、次に前記永久電流スイッ
チを閉の状態にして前記定格電流が流れるまで主コイル
を励磁するものとする。

〔作用〕

この発明の構成において、永久電流スイッチによって両
端子を短絡したアクティブシールドの、永久電流スイッ
チを開の状態で主コイルの定格電流よりも小さな所定の
電流値まで主コイルを励磁することによって、アクティ
ブシールドに電圧が誘起されても永久電流スイッチが「
開」の状態なので実質的にアクティブシールドには電流
が流れない。

次に永久電流スイッチを閉の状態にして定格電流が流れ
るまで主コイルを励磁すると、定格電流から最初の励磁
で主コイルに流れた電流値を差し引いた電流値に比例す
る電流がアクティブシールドに誘起される。したがって
、最初の励磁での主コイルの電流を定格電流とは反対の
電流にすると、アクティブシールドに誘起される電流は
、単に最初から定格電流が主コイルに流れるように励磁
した場合よりも大きな電流がアクティブシールドに誘起
されて漏れ磁束の打ち消しが不充分にならないようにす
ることができる。また、セルフシールドとアクティブシ
ールドとを併用した超電導磁石では、最初の励磁を定格
電流と同じ方向の電流が流れるように励磁することによ
り、アクティブシールドが誘起する電流値を小さくでき
るので、アクティブシールドが磁気シールドとして分担
する分の適正な電流を誘起させることができる。

〔実施例］ 以下この発明を実施例に基づいて説明する。第１図はこ
の発明の実施例を示す超電導磁石の励磁回路図であり、
第４図と共通な回路要素については同じ参照番号を付け
ることにより詳しい説明を省略する。双方向直流電源６
０は正方向だけでなく、その反対方向にも電圧を発生す
ることのできる電源であり、アクティブシールド２は永
久電流スイッチ９を介してその両端子が短絡されている
。

励磁回路をこのような構成にすることによって、任意の
方向の電圧で励磁することができるとともに、永久電流
スイッチ９の開閉の操作によってアクティブシールド２
を第５図と同じように電磁誘導を利用して励磁すること
もできれば、誘起した電流を減衰させて実質的にＭｈｍ
されなかったようにすることもできる。

第２図は第３図の励磁回路によって主コイルとアクティ
ブシールドとを励磁する際のそれぞれが生起する磁束の
時間的変化と２つの永久電流スイッチ５．９の開閉の状
態を示す線図である。この図において、横軸は時間、縦
軸は上図が磁束Φ、下図が永久電流スイッチ５．９の「
開」の状態にＨｉｇｈに、「閉」の状態をＬｏｗに示し
たものである。

時間む。から励磁を開始するものとし、最初は永久電流
スイッチ５．９共「開」の状態で双方向直流電ｆＡ６０
によって負の電圧を印加する。これによって、主コイル
１は印加された電圧に比例した上昇速度で電流の絶対値
が増大しこの電流に比例して図の実戦で示す主コイル１
が生起する磁束Φ、が負の方向に増大してゆく、アクテ
ィブシールド２には磁束Φ１の変化によって発生する誘
起電圧にしたがって誘起電流が流れるが、永久電流スイ
ッチ９は「開」の状態にあるので、この誘起電流は保護
抵抗４を通って循環することになり、その値が制限され
て上昇速度は遅いことから、このアクティブシールドが
生起する磁束Φ、も誘起電流に比例してその上昇速度は
遅い。

時点１．で励磁電圧を零にすると、磁束Φ１は一定値を
維持するが、磁束Φ６は保護抵抗４による抵抗損によっ
て２、速に減衰し、ある程度の時間経った時点ｔ８で実
質的に零になる。この間に双方向直流電源６０の正負を
切り換えるとともに永久電流スイッチ９を「閉ｊにして
時点ｔ８から正電圧を印加すると、主コイル１の電流は
印加電圧に比例した上昇速度で増大し時点ｔ、で零点を
通過して更に増大し、所定の磁場強度となる定格電流に
達した時点ｔ４で電圧を零にするとともに永久電流スイ
ッチ５を「閉」にする、主コイルｌが生起する磁束Φ、
はこの電流に比例して図示のように時点ｔ２で一ΔΦ、
であったのが、電流に比例して上昇して時点も、で零点
を切り、さらに増大して時点ｔ４で定格電流に対応する
磁束Φ、。となり、以後この値を維持する。

アクティブシールド２の磁束Φ、は時点ｔ！で零であり
、この後、永久電流スイッチ９がｒ閉」になったので、
磁束Φ、の上昇による７４ｍ誘導によってΦ、は反対方
向にその値が増大し時点ｔ４でΦ、。＋ΔΦ、の値にな
って以後この値を維持する。

磁束Φ３．は主コイル１を反対方向に励磁することなく
磁束Φ、。になるまで励磁したときのアクティブシール
ド２が生起する磁束なので、前述のような励磁方法を採
用したことによって磁束ΔΦ。

だけアクティブシールド２が生起する磁束が大きくなる
ように励磁することができたことになる。

したがって、前述のような単に電磁誘導を利用してアク
ティブシールド２を励磁する方法の問題点を解決するこ
とができたことになる。

最初に負の方向に励磁して得る磁束ΔΦ１の値によって
アクティブシールド２の最終の磁束の増分ΔΦ１の値が
決まるが、この磁束ΔΦ、を求めるに方法として、数値
計算による方法もあるが、超電導コイルの巻枠や超電導
コイルを極低温の維持する容器としてのタライオスタッ
トなどに誘起される渦電流の影響などがあって正確な数
値計算が困難な要素があり、実用的でない面がある。実
際には、１０分の１程度の磁束が発生する程度の僅かの
励磁を行い、実際に磁場強度を測定することによって漏
れ磁場を充分打ち消すことのできる励磁条件を求める方
法をとるのがよい。

セルフシールドとアクティブシールドとを併用して超電
導磁石の重量と価格を最適に設定する構成を採用した場
合には、アクティブシールド２が生起する磁束は単に電
磁誘導でアクティブシールド２に電流を誘起させる方法
の場合よりも小さな磁束Φ、の値にする必要がある。こ
のような場合には、第２図の励磁方法において、時点ｔ
０から１＋までの間の逆方向の励磁の代わりに正方向の
励磁を行って正の方向の磁束ΔΦ、を発生させるように
すると、結果的にアクティブシールドが生起する最終の
磁束はΦ、。−ΔΦ、と前述の場合とは逆に小さくなる
。したがって、セルフシールドが吸収する磁束を差し引
いたアクティブシールドが打ち消さなければならない磁
束の値にになるよう、アクティブシールドが生起する磁
束Φ１の値を任意に設定することができる。

〔発明の効果］ この発明は前述のように、アクティブシールドの両端子
を短絡した永久電流スイッチを開の状態で主コイルの定
格電流よりも小さな所定の電流値まで主コイルを励磁す
ることによって、アクティブシールドには実質的に電流
が流れない６次にこの永久電流スイッチを閉の状態にし
て定格Ｎ流が流れるまで主コイルを励磁すると、定格電
流から最初の励磁で主コイルに流れた電流値を差し引い
た電流値に比例する電流がアクティブシールドに誘起さ
れる。したがって、最初の励磁での主コイルの電流を定
格電流とは反対の電流にすると、アクティブシールドに
誘起される電流は、単に最初から定格電流が主コイルに
流れるように励磁した場合よりも大きな電流がアクティ
ブシールドに誘起されて漏れ磁束の打ち消しが不充分に
ならないようにすることができる。また、セルフシール
ドとアクティブシールドとを併用した超電導磁石では、
最初の励磁を定格電流と同じ方向の電流が流れるように
励磁することにより、アクティブシールドが誘起する電
流値を小さくできるので、アクティブシールドが磁気シ
ールドとして分担する分の適正な電流を誘起させること
ができる。このように、電磁誘導を利用してアクティブ
シールドに電流を誘起させる励磁方法を採用しても主コ
イルの漏れ磁束を充分打ち消すことがきるという効果が
得られる。更に、セルフシールドとアクティブシールド
とを併用する超電導磁石の場合にもこの励磁方法を採用
することができることから、主コイルとアクティブシー
ルドとを直列接続して同時に励磁する方法を採用する必
要がなくなることから、クエンチが生じた際に漏れ磁場
の強度が急激に増大するという欠点を持つ超電導磁石を
無くすことが可能になるという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す超電導磁石の励磁回路
図、第２図は第１図の動作を説明するための線図、第３
図はアクティブシールド形趙電導磁石のコイル構成を示
す断面図、第４図は従来技術の超電導磁石の励磁回路図
、第５図は従来技術の別の超電導磁石の励磁回路図であ
る。 ｌ・・・主コイル、２・・・アクティブシールド、３．
４・・・保護抵抗、５．９・・・永久電流スイッチ、６
・・・直流電源、６０・・・双方向直流電源。 ８１図 第２図 第３図 第４図 ′８５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）軸対称の超電導コイルでなる主コイルと、この主コ
   イルの外径側に同軸に配置した超電導コイルでなり両端
   子を永久電流スイッチで短絡してなるアクテイブシール
   ドとを備えた超電導磁石を、前記主コイルに直流電源を
   接続してこの主コイルに定格電流が流れるまで励磁する
   励磁方法において、 前記アクテイブシールドの永久電流スイッチを開の状態
   で、前記主コイルの定格電流よりも小さな所定の電流値
   まで主コイルを励磁し、次に前記永久電流スイッチを閉
   の状態にして前記定格電流が流れるまで主コイルを励磁
   することを特徴とする超電導磁石の励磁方法。