JPH04500583A - 磁界発生組成体及び方法 - 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】 発明の名称　磁界発注組成体及び方法 本発明は磁界発生構成体とかかる組成体を構成する方法に関する。

強力磁界を発生させる手段は、今日、核磁気共鳴（ＮＭＲ）を含む広範囲の用途 において使用されている。全身映像法その他の場合には、大型のマグネット構造 が必要とされそのコストは非常に高くういている。このコストの高さの大きな理 由の一つは沿革上液体ヘリウム温度にまで冷却される銅を備えるａｓｔｉｒ料を 設ける必要があるためである。このため効率的な低温維持装置等を設けるａ・要 である。

低温超電導性は、熱の「パケット」が小さくそのために導体温度が超を導性にと りて臨界温度を超えて上昇する虞れがあるために、大型の構造では維持困難であ る。従来より、運転中に導体内に発生するｔＭ！熱源を最小限にするためにニレ ガントな形の導体設計がつくりだされてきた。熱しな力◆ｈマグネットが大きく なるにつれ、またそれらが組込まれる装置が大型化するにつれて、構造体の運動 による微視的な熱脈動と環境からの熱の漏れの発生を回避するための支援工学技 術も高価なものとなっている。

近年、比較的高温の超電導材料が発見された。「比較的高温」とは、例えば材料 が超電導性を帯びる液体ヘリウム温度（７７Ｋ＞よりも高い温度を意味する。

ｔ＆ｆｆコイルを使用して従来の方法を複製するためには、７ｊＥＡ超ｔｇ材料 を材質とする長いｉｔ線を生産することが必要となろう。

実際には、このことは不可能ではない、というのも、高温材料はそれらが非常に 専門的な製作ルート、殊に薄膜に通用されるルートによって生産されるような場 合にしか有効なｉ流密度を損イとはできないからである。何キロメートルもの薄 膜状材料を従来通りマグネットに巻付けるために提供することは全く不可能であ るといってもよいであろう。

本発明を一面から見ると、磁界発注組成体は、比較的高温の鰯を導性材料より成 る少なくとも一つの磁界発生モジエールと、同モジュールに対して位置決めされ る磁束ガイドとを備えることにより、上記モジュールにより発生させられた磁束 がガイド内に結合されモジエールから隔った位置に運ばれるようになってしする 。

我々は、此度、磁束ガイドにより組成した効率的で小型の要素もしくはモジュー ル内に高温超を導体材料を使用して有効なマグネット構造を構成するようにした 新しい着ｇＯを工夫した。この結果、Ｔｉｔ膜形成技術を使用し、素材の構造的 脆性の問題を回避することができる。

各モジュールは磁気駆動力（＋＋ｎｆ）源として考えること力（できるため、モ ジュールを結合したとき合成ｍｍｆが得られ有効に方向づけることができる。

上記組成体は異なる磁界発生構成を得るために種々の形で構成することができる ０例えば、２次元アレイ形に隔たって構成した一連のモジュールとそれに関連す る磁束ガイドが設けられ、同一方向に磁界を発生し、制御された特性を有する磁 界を作業域内に投射することができる。

別の例では、全体としてＵ形の磁束ガイドにその各端に一つもしくはそれ以上の モジニールを備えてＵ形のマウス内に制？Ｆａ′ｌ寺性を有する磁界を発生させ ることもできる。この例では、Ｃマク゛ネントとして構成しているが、モジュー ルは互いに隙間を横切って向う中あい、制ｉ１１特性の磁界がそのギヤ、プ内に 発生するよう５二構成することが晋遣であろう。

もう一つの例では、一対の磁束ガイドはガイドの一端に隣接して位置決めされた 一つもしくはそれ以上のモジニールを備える一方、磁束はそのガイドによりその 他端へ運ばれることによってそれら他端間に形成された作業域内に制御ｌ特性の 磁界を発生するようになっている。この構成はベンチマグネットを構成するＨｃ 二特に好適である。

普通の場合、磁束ガイドは鉄製とする。

モジエールは、普通、ソレノイド（Ｉ気コアの有無に力九力１わらない）の形を しておりこれらは一面内か、「クレートｊ内に互０に上下に配列するかの何れか により構成することができる。

モジエールが１個以上設けられる場合にはこれらは必ずしも同じ強さの磁界を発 生する必要はないことに注意された氏更に、モジュールがコアを備える場合には 、これは磁束力゛イド自体により満たすことができよう、更に、モジニールは直 列又は並列に電力を供給することができ、モジエール内に興なるエネルギー密度 が存在することによってアレイ全体の磁界が最低である場合により高い電流とエ ネルギーが得られアレイの全体効率が最大になるようにすることができろ。

本発明の一つの重要な応用例では、作業容積内に発生させられた磁界は実質上均 一である。このため、同組成体を核磁気共鳴装置内に使用することができ、例え ば、モジエールを、人体の少なくとも一部、殊にその全体が作業容積内に位置決 めできるように位置決めすることができよう。

モジエールは薄膜処理によって形成されたワイヤ又し：テーフ゛力・ら形成する ことができる。普通の場合、材料はセラミックより成る。

これらの高温超電導材料を使用して得られる高磁界レベルでの運転中でのｔｍ力 は非常に大きいことに注意されたい、これは−巻線が作業容積を包囲するような 形をしており、そのために例えば２〜３メートルの相当な寸法を備える場合には 特に大きい、モジュールは高温超を導材料に固有な特性を活用してマグネット内 に高い１Ｍ１力がつくりだされるように設計することがずっと容易である。

本発明を１！２の面から見ると、磁界発生組成体を構成する方法は、比較的高温 の超を導体材料のＭｉ界発生モジエールを磁束ガイドに対して少なくとも一個構 成して各モジニール内に作業を流が流れる時に磁束ガイドにより形成される作業 ＠積内に合成［界が発生するようにし、組成体を所定形状を育する磁界内に位置 決めして各モジエールに作業を流を占臂させることによりて組成体を磁界から取 外した時作業容積内に磁界が複製されるようにする段階より構成される。

本方法によれば、特定形状の磁界をモジュールに「記憶」させることができる。

さて、以下本発明による組成体と方法の若干例を図面について説明する。

ＦＩＡ図はモジュールアレイ内の１を流を略示した図、第１Ｂ図はその勢価回路 図を示す。

第２図はモジニールの詳細図、第３図はＣ形マグネットの例解図、第４図はペン チマグネットの例解図、第５図は核磁気共鳴映像装置のブロック線図。

ｌ・・・モジニール、５・・・・・セクシｒン、６．８・・・岨シリンダ、７・ ・・−ボア、９．２２．２３・・・・ヨーク、２６・・・低温維持装置、３ｏ・ ・・作業域。

本発明の背後にある原理を第１図に示すが、同図では高温超電導体材料製の９個 のモジュラソレノイ１′のアレイが示されている。

これは第１Ｂ図に示す回路と等価である。各モジュールは所要の等価回路と同一 数のアンペアターンを保持しなければならないことに注意されたい、第３図につ いて述べるＣマグ２７との場合には、Ｃマグネフトの空隙を横切ってｆｆ！を束 を駆動するに必要なアンペアターン数は、 但し、Ｎｌ−アンペアターン ｇ−空隙（ｍ単位） μ〇−透磁定数、４Ｘ１０−’ Ｂ−磁束密度、（単位テスラ） モジュール１の構造は第２図に詳解する。各モジュール１は螺旋形に讐いたテー プ状の高温ａｔ導体材料から成る一連のセクションにより構成され、同セクシ５ ン５は共に同心円状に積重ねられる。適当な材料はジニポン社製のＹＢ＆ｔＣｕ ｓＯｙである。！気接触は、セクション５の場合、モジュールのボア７内に取付 けられる内側岨シリンダ６と、上記セクション５と接触し包囲する外側銅シリン ダ８とを介して行われる。

実際には、各モジュールは硝酸液浴内に浸して超電導を実現するために十分な素 材温度を低めるようにする０判りやすくするために、図面からは低温維持装置は 省略しである。

第１図に示す構成は、種々の位置に位置決めされる作業容積内に等質の磁界をつ くりだすために使用できる。普通の場合、作業容積はソレノイドの幾何学的中心 にあるが、例えばＥＰ−Ａ−０１６０３５０中に記載の如きその他の構成も可能 である。もう一つの構成はＥＰ−Ａ−０１８６９９８号に述べられている。

第３０はモジニールの使用に基づくＣ形マグネントを示す、この場合、Ｃ形の鉄 ヨーク９は、ヨーク９の１アーム下に取付けられた一組の鉄芯高温超ｉ導体モジ ニールと、ヨーク９の他アームに対して取付けられた第２の組の鉄芯モジュール ＩＯＢとを備えている。モジニールＩＯＡに隣接して一対の鉄プレー）１３Ａ、 Ｌ３Ｂが位置決めされ極面を形成している１本例では、作業容積１４はモジュー ルＩＯＡ、ＩＯＢの対称中心に心取りされた極面１３Ａ、１３Ｂ間に形成される 。

これまで述べてきた＆［成体は、外部真空ジャケット１６と、７７″″に放熱シ ールド１７と、６肖ｅｉ液タンク１８を備える低温維持装置１５内に格納される 。タンクはヨーク９とシールド１７を通って延びる導管２０を経て満たされる。

ヨークはリンク２１と真空ジャケット１６を介して熱的に接続される。

空隙ｇが０．３メートルの０．２Ｔの作業容積１４内に磁界を実現するには、上 記公式はアンペアターンの所要総数が４．７７　ＸＩＯ’でなければならないこ とを示す。

この磁界は、鉄芯を育する各モジュールが２．４６Ｘ１０″アンペアターンを有 する一方、モジュールにより観察される最大磁界は０．　ｌ　５　Ｔである場合 につくりだすことができることが判った。

磁束密度はコイル付近の鉄中で飽和レベル（２，１６７）にあるため、極Ｗ！ｆ ｆの５０％に等しい鉄断面積がモジニールにと９でほぼ過当であると結論づける ことができる。各モジュールは一木の大型等価コイルと同じアンペアターン数、 ２．５ｘｌＯ’アンペアターンを要すると９定しよう。

もしモジュールの占める面積の５０％が鉄である場合、これはどれ程のスペース を巻線に対して残すであろうか？　我々はモジュールを共にパックできる方法を 少なくとも２つ想起することができる。Ｂち、円形アレイと６角クローズパンク アレイである。

円形アレイの場合、極面面積内の最大モジュール実装密度はほぼ７６％であり、 ６角形アレイの場合にはほぼ７５％であることが判る。その場合、モジュール実 装密度は７５％とすることができると仮定する。かくして、鉄が極面積の５０％ を占める場合、我ＡＣ−２Ａ、となる。

但し、Ａ、−鉄芯の断面積 Ａ、−巻線の円形断面積 それ故、 ｄ、ｌｌ′リム下ｉＴｉ丁］−又はｄ、−７面７琵３了であることが判る。

但し、ｄｌ−巻線の中心径 ｄ、−鉄芯の径 長さし、のモジュールの場合、ｉ電面積はＡ、。ｓ　−Ｔ　ｗ　Ｘ　Ｌ　ａとな る。かくして、コイル面積にわたる平均を流密度は、Ｈ！ＳＣ材料が巻線断面の 若干部分Ｐ。のみしか占めず超電導体がその臨界１ｉ流の若干部分Ｐ。でしか動 作できないと仮定すると、超電導体に対する必要な臨界電流回度Ｊｃは以下のよ うに定義することができる。

上記関係式を使用して以下の表に示す結果を計算することができた。

モジュール 長Ｌｍ−ｃ＋ｗ　１６　３０　１６　３０　１６　３０　１６　３０ｔｋｋｓ外 径 Ｄｗ−ｃｍ　１２．８６１２．８６１０　１０　Ｂ、１８　Ｂ、１８　６．９２ 　６．９２鉄芯の径 Ｄｃ−ｃｍ　ｌｏ、５０３０．５０　８．１６　Ｂ、１６　６．６８　６．６８ 　５．６５　５．６５Ｓ線厚 Ｔｗ−ｃｍ　１．１８　１．１Ｂ　０．９２　０．９２　０．７５　０．７５　 ０．６３　０．６３モジユール径（ｄｌ）は先に論じたモジュールアレイの何れ かによって必要とされるとぴったりの奇数モジニールが極面全体にフィツトでき るように選択した。２つのモジニールの長さし、は任意に選択したｅＰｓｃとＰ 　ｃ（にっき選択した価に注目されたい。

第４図は２個の鉄ヨーク２２．２３を備えるベンチマグネットを示す、上ｉｌｌ ！ヨーク２２．２３は一連のモジニール２５が積正ねられる第１のボア部分２４ を形成する、上記モジュール２５の幾つかは図面から見ることができる。モジュ ールは低２！Ｉ！ｉ！持装置２６により包囲される。鉄ヨーク２２．２３は２７ で外部方向にテーバ状となっており、平行な側部を有する幅の広いボア部分２８ を形成する。ヨーク２２．２３の側部の面しあう表面は鉄柵片２９を備えている 。極片は作業＋ｌ！３０を形成する。使用中、スタックモジニール２５は図示さ れない手段により付勢され、ヨーク２２．２３を介して極片２９へ結合される磁 界を発生することによりて磁界が作業域３０内に発生するようになっている。低 温維持装置２６の構造は、従来のものであるからその正確なところは省略しであ る。同様ｔこして、第３０と第４図からは電源とその他の従来特徴を省略しであ る。但し、以上のものを設ける方法は当業者にとって明らかであろう。

これまで説明したマグネット組成体の最も重要な用途の一つは、ＮＭＲ映像装置 である。第５図はさもなければ従来形のかかる装置をブロック線図で示したもの である。装置は先に述べたマグネット組成体のうちの一つを含み［：ｔＡ５４’ を組込んだ磁気システム５４を備える。低温維持装置は従来の低温制御システム ５５に接続される。

一連の勾配コイル（図示せず）を巻型上の、マグネット組成体により発生させら れる等ｆ領域附近に取付けることによって等質的領域内に異なる磁界勾配が形成 されＮ　Ｍ　Ｒ映倫実験を実行できるようになっている。これら勾配コイルは超 ａｔコイルではなく、従来形式のものである。それらは波形発生器５８を介して 制御１口論理５７により制御される各電力駆動回路５６によって駆動される。

同じ巻型上には勾配フィルとしてＲＦエネルギーを発生し受取るためのコイル（ 図示せず）が取付けられる。ＲＦ送信機は分光計６０に接続される増幅器５９に 接続される０分光計６０からのＮＭＲデータは制御論理５７により制御されるデ ータ取得システム６１へ移行する。その後システム６１からのデータは処理論理 ６２へ移行する。

ＮＭＲ装置の全体の制御は、従来のＲ５２３２インターフエイスを介して操作入 力ステーシロン６４へ接続されるコンビニ−クロ３により提供される。コンピュ ータ６３用の消電ｇはディスクドライブ６５内にストアされる一方、映像実験の 結果はコンビニ−タロ３によりディスプレイシステム６６に這される。ディスプ レイシステム６６はモニタ６７上に愚者の身体内を「輪切りＪにしたものを表示 することができる。

システムを駆動させる一つの方法として、第３図又は第４０に示す組成体を特定 の所望特性を有する磁界内に位置決めすることによって同磁界を短絡超電導モジ ュールに印加するようにすることができる。この段階で、磁界はモジエールに「 記憶コされ、モジュールは、組成体が磁界から除去された場合にもその磁界のシ ミエレーシ１ンを生成し続けるから、モジュールを別々に付勢する必要を回避す ることができる。

Ｒ 田 ｒ５１Ｆｌ！ｉ＊ｆ報告 １ｍ、：、ｌａｍ＃ｍ＋ｈ、１Ｐこτ／Ｇ９８９１０ｉ’１．９ニ国際ｔＡ膏報 告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．比較的高温の超電導素材より成る少なくとも一つの磁界発生モジュールと、 同モジュールに対して位置決めされる磁束ガイドとを備え、上記モジュールによ り発生させられた磁束がガイド内に結合され、モジュールから隔たった位置に運 ばれるようになった磁界発生組成体。
2. ２．モジュールがソレノイドより成る請求項１の組成体。
3. ３．作業容積内に発生させられた磁界が実質上均一でなる請求項１の組成体。
4. ４．Ｃ形マグネットを備える請求項１の組成体。
5. ５．ペンチマグネットを備える請求項１の組成体。
6. ６．人体の少なくとも一部を作業容積内に位置決めできるようにモジュールが位 置決めされる請求項１の組成体。
7. ７．各モジュールが比較的高温の超電導素材のワイヤより形成される請求項１の 組成体。
8. ８．比較的高温の超電導素材がセラミックである請求項１の組成体。
9. ９．請求項１の磁界発生組成体と、同組成体により発生させられた作業容積内に 配置された物体に対してＮＭＲ実験を実行する手段とを備える核磁気共嗚映像装 置。
10. １０．比較的高温の超電導素材から構成された一連の隔たった自蔵モジュールを 互いに対して配列しモジュール内に作業電流が流れる時に作業容積内に合成磁界 が発生するようにし、同組成体を所定形状を有する磁界内に位置決めすることに よってモジュールに作業電流を占有させ、組成体を同磁界から除去した時に作業 電流が磁界を作業容積内に複製させるようになった磁界発生組成体の構成方法。