JPH0217478A - 磁気共鳴装置 - 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） 本発明は測定スペースに静磁界を発生する超伝導磁石系
を有する磁気共鳴装置、およびこの装置に用いる磁石系
に関するものである。

（従来の技術） この種の超伝導磁気共鳴装置は、ヨーロッパ特許出願第
ＥＰ１３８．２７０公報に記載されている。このヨーロ
ッパ特許出願明細書には、外側のコイル系の作動によっ
て静磁界を補償する磁気スペースに均質無干渉磁界を発
生する半径方向に同軸的に配列された２つのコイル系を
有する装置が記載されている。

磁気共鳴装置に強い静磁界を発生させるために、特に例
えば発生すべき磁界の安定性に高い要求が課せられる場
合に超伝導磁気コイルを用いている。

この超伝導コイルは、通常、ソレノイドコイルから、又
は多数の同軸コイルから形成するようにしている。従っ
て、磁界はコイルにより形成される円筒の軸線に沿って
向けられている。

極めて一定の磁界を得るためには、かかる磁気コイルは
通常それ自体短絡されている。この継続モードでは、コ
イルを流れる電流はほぼ一定となり、コイルの僅かな残
留抵抗のため電流が時間とともに徐々に減少するように
なる。かかるコイルの磁界の形状は主としてコイル系の
形状によって決まるようになる。コイルに不可欠の製造
公差のために、形状からの磁界の変位を補正するために
、一般に超伝導又は非超伝導補正コイル或は磁気材料片
を用いるようにしている。

かかるコイルは、超伝導材料を元素ニオブの合金とする
ワイヤから通常巻回している。一般にこの材料の超伝導
遷移温度は２５度に以下であるため、かかる磁石は冷却
機により例えば絶対零度から数度の温度に冷却する液体
ヘリウム又はヘリウムガスで通常冷却している。

従って、充分に大きな測定スペースで比較的強い磁界、
例えば、少なくとも１テスラの磁界を発生させる磁石コ
イルでは、このワイヤのアンペアターンを大きくする必
要があると共にこのワイヤのある箇所が断線すると、作
動が完全に妨害される。ようになる。

」二連したニオブ合金に加えて、以下“セラミック超伝
導体”と称される成るクラスの超伝導材料が最近知られ
てきた。これらの材料は特に２５度によりも充分に高い
遷移温度および超伝導状態においても比較的高い比熱に
よって特徴付けられる。

かかる材料は最小の冷却手段で超伝導状態にすることが
でき、従って、大きな超伝導磁石が容易にかつ安価に構
成、かつ、開発されるようになる。

又、セラミック超伝導体も超伝導磁石系に用いるに好適
ではない幾つかの特性を有している。これらの材料をも
信頼し得る超伝導とする最大許容電流密度がしばしば制
限されるようになる。これがため、大きな磁石に対し大
きな導体断面積が必要となる。更に、セラミック超伝導
体は脆弱であり、従って電流密度を減少し、従って、局
部過熱を行い、これにより超伝導状態から更に遷移して
迅速な膨張を行うようになる。

本発明は上述した欠点および制限を除去し得るように適
切に構成配置した上述した種類の磁気共鳴装置を提供す
ることをその目的とする。

本発明は測定スペースに静磁界を発生する超伝導磁石系
を有する磁気共鳴装置において、前記超伝導磁石系を超
伝導材料の１つ又は数個の短絡円筒形リングから構成す
ることを特徴とする。

本発明磁気共鳴装置では細いワイヤから巻回したコイル
の代わりに、それ自体短絡されている円筒形リングの形
態の超伝導回路を用いる。超伝導リング又は円筒は閉磁
路を一定に保持する。円筒を超伝導状態にする瞬時に磁
界が存在しない場合には、磁界を円筒の外部から供給し
ても磁界は存在しないままとなる。逆に、超伝導となる
間に磁界が存在すれば、外部磁界が変化しても、又はス
イッチオフしても、円筒に磁界が保持されるようになる
。この現象は磁界の“フリージングーイン”として知ら
れている。超伝導材料が連続円筒形表面又はリング被膜
を有している場合には局部消去の欠点は防止されるよう
になる。その理由は併置された超伝導材料が何等困難な
（電流を取出すからである。ニオブ超伝導体は比較的不
安定であるため、比較的低い電流密度でも常規（抵抗性
）状態となる。この不安定性に寄与する重要なファクタ
は超伝導状態でこの材料の比熱が極めて低いことである
。導電材料、例えば、銅のシーズで囲まれた細いワイヤ
の形状のニオブ合金を用いることによってのみこの安定
性の問題を回避することができる。

セラミック超伝導体を用いる場合には常規状態への瞬時
遷移の問題は特に極めて小さくなる。その理由はかかる
材料が超伝導状態にある高い温度における比熱がニオブ
合金の極めて低い温度における比熱よりも多数倍大きい
からである。これがため大きな磁石系の磁界フリージン
グーイン法に対しかかる超伝導材料を用いるのは興味有
ることである。

好適な例では、円筒を超伝導に対する遷移温度とすると
共にこれに保持する熱絶縁を有するデワーに組込まれた
超伝導材料から単一磁界円筒によって超伝導磁石系を形
成する。この磁石系により磁界を発生し得るようにする
ためには、磁界円筒内を動くか又はこれを囲む補助コイ
ルを用いる。この補助コイルは、例えば銅ワイヤから巻
回した通常のコイルとすることができ、又、遷移温度以
下に冷却された超伝導コイルとすることもできる。

測定磁界円筒が常規状態にある場合には補助コイルを所
望の磁界強度に調整し得るようにする。補助コイルが所
望の磁界強度に到達すると磁界円筒は遷移温度以下に冷
却されるようになる。次いでｍ助コイルの電流がスイッ
チオフされる場合にはかかる電流が円筒内に導入されて
磁界円筒内に磁界を保持する。補助コイルが磁界円筒内
に存在する場合には結合ファクタに依存する合成磁界は
補助コイルの元の磁界よりも実際上僅かに小さいが、こ
れは考慮する必要はない。磁界のフリージンゲインが短
期間に行われ得るため、補助コイルを連続作動に対し設
計する必要はな（、従って、多くの場合冷却系は必要と
ならなくなる。補助コイルの電流が零値に減少すると直
ちにこれを磁界円筒から除去することができる。補助コ
イルが短絡されていない場合には大きな電磁力を必要と
しなくなる。磁界円筒の超伝導材料は、例えば、支持体
上に設けられたセラミック超伝導材料とするのが好適で
ある。

フリージングーイン磁界の最終形状はコイル系の外側に
磁界源から発生する磁界によっても影響を受けるため、
更に好適な例では、これを回避するために磁界をフリー
ジングーインする超伝導磁界円筒を囲む遮蔽円筒として
大直径の第２円筒を設ける。この遮蔽円筒は妨害磁界が
存在しない場合に超伝導状態にする必要がある。円筒を
遷移温度以下の温度で簡単に移送し得る場合には遮蔽円
筒内の磁界のない領域のフリージングーインはコイル系
を最終的に設置する箇所以外の箇所で行うことができる
。超伝導遮蔽円筒が存在する場合にはその遮蔽は２方向
に行うことができる。即ち、容易に規定される磁界を必
要とする測定磁界から干渉外部磁界を遮蔽するとともに
最内側円筒から発生する漂遊磁界から周囲を遮蔽する。

材料を有効に使用するため、および超伝導円筒内に結う
記される電流が大きくてその結果使用する材料の電流密
度が特に成るセラミック超伝導体で比較的容易に発生し
得る値に近付く場合に発生する不整合性を防ｌヒするた
めには、超伝導円筒の局部断面積を充分に太き（する必
要がある。軸線方向における円筒の電流分布を均質とす
る必要がないため、超伝導材料の層に局部的に適合する
厚さを与えることによって材料の均質負荷を達成するこ
とができ、この場合、これはできるだけ均一な電流密度
を意味し、例えば、臨界電流密度以下の所定マージンに
ある値を有することを意味する。

臨界電流密度が局部的な磁界強度に依存するため、厚さ
の適合も考慮することができる。

充分な厚さの超伝導層を設けることが技術的、又は経済
的な理由で制限される場合には円筒の代わりに軸線方向
に平坦なリングの堆積体を用い、その上に１つ又は各軸
端に１つのそれ自体短絡された超伝導材料の層を設ける
ようにする。短絡リングのかかる系の磁界のフリージン
グーインは前述した所と同様に行うことができる。超伝
導材料の断面を超伝導材料の層の厚さに適合させるため
、又は、均一な層の厚さを用いる場合には、支持リング
の厚さを円筒の軸線方向に変化させるようにすることが
できる。

通常、超伝導体は特に実際の電流密度と臨界電流密度と
の比に依存する成る残留抵抗値を有する。

この残留抵抗値は超伝導体の電流が太き（なるにつれて
増大する。臨界電流密度が密に近付く場合にはフリージ
ングーイン磁界の強度に比較的大きなドリフトが生じる
ようになる。このドリフトは所望の磁界を発生する磁界
円筒内に第３超伝導円筒を設けることによって制限する
ことができる。

この安定化円筒を補助コイルの磁界のスイッチオフ後に
のみ超伝導状態とする場合にはこれに誘起される電流は
時間とともに小さくなる。この安定化円筒の電流を増加
させることによって磁界円筒の電流減少によるドリフト
損失はこの瞬時から補償されるようになる。又、安定化
円筒を用いて測定スペース内の磁界の場所依存性を改善
し得るようにする。補助コイルの磁界がフリージングー
インして補助コイルの電流がスイッチオフする瞬時には
合成磁界も例えば所望の均一性から変位し得るようにな
る。これらの変位は補助コイル系の１部分を形成し得る
補正コイルによって補正することができる。所望の磁界
補正を行う場合には安定化円筒を超伝導状態とすること
によって磁界を保持することができる。従って補正コイ
ルはコイル系から除去することができる。補助コイル系
は前記補正コイルのほかに局部磁界測定用の測定フィル
を具えることができる。

磁気共鳴装置は表示すべき面積を選択する傾斜コイル系
を具える。これらコイルは超伝導装置内に位置させるの
が好適である。既知の超伝導磁石の欠点は、例えば超伝
導磁石の熱絶縁部分に傾斜コイルにより誘起し得る渦電
流の効果が発生することである。好適な例では、最内側
超伝導円筒と傾斜コイル系との間に導電壁を設けないよ
うにしてかかる欠点を回避することができる。傾斜コイ
ルによって超伝導円筒に電流を誘起させるが、これら電
流は時間とともに指数関数的に減少せず、その結果像形
成時の欠点は生じなくなる。傾斜コイルの設計時には超
伝導円筒の一定な効果を考慮するようにする。好適な交
流電流特性に対する最内側超伝導層は最適化することが
できる。

（実施例） 図面につき本発明を説明する。

第１図に示す磁気共鳴装置は静磁界を発生する超伝導磁
石系２と、傾斜磁界を発生する磁石系４と、前記磁石系
２の給電′ｒＡ６と、傾斜コイル４の給電源８とを具え
る。高周波コイル系１０によって例えば高周波パルス化
磁界を発生するとともに高周波磁界により測定すべき物
体に発生する核磁気共鳴を検出し得るようにする。伝送
特高周波コイル系１０を高周波源１２に接続する。検出
時コイル系ＩＯを検出増幅器１４に接続する。この増幅
器１４を中央制御装置１８に接続された整流器１６に接
続する。

更に、この中央制御装置１６によって高周波源１２の変
調器２０、傾斜磁界の給電源８、および撮像用モニタ２
２を制御し得るようにする。高周波発振器２４によって
高周波源１２の変調器２０および測定した信号を処理す
る位相感応整流器１６を制御する。

第２図は超伝導材料の単一円筒３０より成る最も簡単な
形状の磁石系２を示す。か・かる円筒はその直径を例え
ば１．０ｍとし、その長さを例えば１．２ｍとする。超
伝導材料によって閉円筒表面３４を形成する。超伝導材
料から自己支持円筒を形成するのは困難であるため、ま
ず最初、例えば、金属、或はセラミック材料又は合成樹
脂より成るコイルを形成するための支持円筒３６を形成
する。この支持円筒の壁厚は例えば数＋ｔｕａとし、超
伝導材料の厚さを全表面に亘って均一とするか、又は、
軸線方向に見て局部的に変化させて安全マージンを有す
る最大許容超伝導電流密度に適合し得るようにする。

測定スペース２８の支持円筒により影響される磁界をで
きるだけ防止するためには、支持円筒の内側に超伝導材
料を設けるが、これは必ずしも選択支持材料に依存する
とは限らない。又、支持円筒の両面に超伝導材料の層を
設けることもできる。更に、支持円筒は構成に依存し、
冷却導体、例えば超伝導材料を一層迅速、かつ均一に冷
却又は加熱する機能を有するが、例えば２つの超伝導円
筒の一方が一時的に超伝導となり、他方が未だ超伝導で
ないような２重被膜を必要とする場合には熱絶縁体とし
ても作用させることが出来る。この状態も相互に異なる
遷移温度を有する超伝導材料の円筒を用いて達成するこ
とができる。通常クエンチングと称される超伝導状態か
らの不所望な局部遷移の危険性を減少させるためには、
超伝導材料の電流密度を均一とするのが好適である。測
定スペースにおける所望の磁界分布に対する円筒表面の
所望の電流分布が既知である場合には、厚さを適合させ
て電流密度を均一となるように最適化することができる
。このクエンチング温度が、例えば、局部的に存在する
磁界の強さにより局部的に降下する場合には、これも厚
さを変化させて考慮することができる。かかるコイルを
作動させるためには、磁石系の一部分を構成しないが作
動の機能のみを有する補助コイルを用いる。この目的の
ため、補助コイル３８を磁界円筒３０に、またはこれを
囲んで設けると共にこれを作動させて円筒により囲まれ
た所望の磁界Ｂが発生し得るようにする。超伝導磁界円
筒は補助コイルを除去した後に超伝導状態に冷却する。

磁界Ｂは超伝導磁界円筒によってフリージングーインす
ると共に円筒表面に循環電流を流すことによって保持す
る。磁気共鳴装置の他の素子を作動させることにより偶
発的に存在する干渉磁界をもフリージングーインし、従
って、所望の磁界分布、例えば、磁界の所望の均質性が
干渉されるようになる。

第２図に示す磁石系は再び、超伝導磁界円筒３０を具え
る。この円筒の周りには超伝導遮蔽円筒４０を具え、こ
れによって２つの円筒間の磁界円筒の漂遊磁界４２を束
にして、２つの円筒の外側のスペースがほぼ漂遊磁界の
アームを形成し、軸線方向の漂遊磁界の強さが減少し得
るようにする。第２図に示す円筒３０と同様に、第３図
に示す磁石系も熱絶縁ハウジング４４内に組込み、この
ハウジングを図面に線図的に示すと共にこれにより磁石
系を円筒状に囲んで測定スペース２８が自由にアクセス
し得るようにする。セラミック超伝導材料を用いる場合
には例えばほぼ１００度Ｋまでの冷却で充分であり、例
えば液体窒素を用いると共に冷却系を極めて簡潔かつ廉
価にする。従ってこの冷却は例えば超伝導材料に対し良
好な熱伝導度の熱絶縁性を有する冷却機またはガス或は
これからの液体流循環によって比較的簡単に実施するこ
とができる。

超伝導が常温以上になる場合には材料では、ハウジング
４４内の磁石系が非超伝導状態となる前に加熱すること
ができる。

第４図は超伝導安定化円筒５０を磁界円筒３０内に組込
む場合の磁石系２の例を示す。この安定化円筒の利点は
磁界円筒の電流変化を補償し、これにより例えば残留抵
抗、または、局部クエンチングによって磁界円筒電流を
徐々に減少し得るようにする。また、補正は安定化円筒
による磁界円筒で行い、これにより電流の不均質性およ
び不良なフリージングーイン磁界を補正することができ
る。

その他の特定の利点は、磁界円筒を比較的高くロードさ
せることである。その理由は電流の成るドリフトが許容
し得、相補電流が組込む必要がないからである。磁界円
筒と比較するに、安定化円筒に対しては比較的小さい超
伝導材料で充分であるからである。その理由はこれに強
い電流が発生しないからである。安定化超伝導円筒は自
己支持円筒としての磁界円筒に、または支持円筒の表面
皮膜の形態で配置することができる。また、安定化円筒
は円筒３０の前述した内側被膜によって形成することも
できる。特に、第３および４図に示す磁石系はこれらを
組合わせて３個の超伝導円筒を有する遮蔽安定化磁石系
を形成することができる。

第５図に示す例は、各々が支持体６４より成り、各側に
超伝導材料６６を被覆した（片側にのみ設けることもで
きる）平坦なリング６２から１個以上の超伝導円筒６０
を有する磁石系２を具える。更に、同一の軸線長さに亘
って多くの超伝導材料を組込みことができ、これにより
比較的低い最大の許容し得る電流密度を有する超伝導材
料を用いることができ、更に、比較的薄い層にのみ設は
得る超伝導材料を用いることもできる。この際考慮する
ことは、リングを個別に形成する必要があり、従って堆
積する必要があるが、スタータリングに設けた支持材料
によって超伝導材料から構成する円筒と置換することも
できる。図示の磁界円筒６０は第２図に示す磁石系を構
成するが、これらの円筒は第３および４図に示す磁石系
の１部分をも構成する。この場合にも、超伝導材料に対
する電流密度は軸線方向に測定した種々の厚さによって
均一となるかまたは局部磁界強度に適合させることがで
きる。後者は支持リングの厚さを変化させるか、第５図
の下側に示すような円筒の軸線方向において両方に示す
ように達成することができ、その結果超伝導材料の断面
を軸線方向に局部的に変化させることにより達成するこ
とができる。

測定スペースの磁界分布を測定するために、既知の測定
装置を用いることができるが、これらを磁界円筒の周り
に構成配置した補助円筒３８の１部分とすることもでき
る。測定コイルにより補助磁界分布を測定する場合には
安定化円筒を超伝導材料で構成することもできる。安定
化円筒を超伝導材料で形成し、することにより補助磁界
をフリージングーインし得るようにする。特に、安定化
円筒を用いて渦電流により生ずる磁界妨害を回避するこ
とができ、これを磁石系に加えるべき傾斜コイルによっ
て発生させることができる。従って、必要な補償電流を
磁界の補正により行うことができる。その理由はこれら
がＴｘ　’ｒＡｔとして時間に依存しなくなるからであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁気共鳴装置の構成を示すブロック図、第２図
は数個の超伝導円筒を有する超伝導磁石系を示す斜視図
、 第３図は超伝導遮蔽円筒を設けた超伝導磁石系を示す断
面図、 第４図は超伝導安定化円筒を設けた超伝導磁石系を示す
断面図、 第５図は数個の軸線方向に堆積された平坦な超伝導リン
グを有する超伝導磁石系を示す断面図である。 変調器 モニタ 高周波発振器 測定スペース 々１−円筒 閉円筒表面 支持円筒 超伝導磁石系 傾斜磁界発生用コイル ・・・　給電源 高周波コイル系 高周波源 検出増幅器 整流器 中央制御装置

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. １．測定スペースに静磁界を発生する超伝導磁石系を有
   する磁気共鳴装置において、前記超伝導磁石系を超伝導
   材料の１つ又は数個の短絡円筒形リングから構成するこ
   とを特徴とする磁気共鳴装置。
2. ２．前記磁石系は支持体の設けられた超伝導材料の単一
   磁界円筒を具えることを特徴とする請求項１に記載の磁
   気共鳴装置。
3. ３．前記磁石系は超伝導材料を表面の両側に被覆した支
   持円筒を具えることを特徴とする請求項１又は２に記載
   の磁気共鳴装置。
4. ４．前記磁石系は超伝導材料で被覆された一連の軸線方
   向に堆積された平坦な支持リングから形成された超伝導
   磁界円筒を具えることを特徴とする請求項１に記載の磁
   気共鳴装置。
5. ５．前記磁石系は超伝導磁界円筒のほかに、その周りに
   軸線方向に設けられた超伝導遮蔽円筒を具えることを特
   徴とする請求項１〜４の何れかの項に記載の磁気共鳴装
   置。
6. ６．前記磁石系は超伝導磁界円筒内に軸線方向に装着さ
   れた超伝導安定円筒を具えることを特徴とする請求項１
   〜５の何れかの項に記載の磁気共鳴装置。
7. ７．前記安定化円筒は前記磁界円筒により発生する磁界
   の磁界変位分を補償するようにしたことを特徴とする請
   求項６に記載の磁気共鳴装置。
8. ８．前記安定化円筒によって、前記磁石系に加えるべき
   傾斜コイルの磁界妨害から磁石系を遮蔽するようにした
   ことを特徴とする請求項６又は７に記載の磁気共鳴装置
   。
9. ９．前記安定化円筒は、前記磁界円筒の支持体円筒の内
   側に設けた超伝導の材料の層によって形成するようにし
   たことを特徴とする請求項６、７又は８の何れかの項に
   記載の磁気共鳴装置。
10. １０．少なくとも前記磁界円筒は層の厚さが軸線方向に
    変化する超伝導材料を設けるようにしたことを特徴とす
    る請求項１〜９の何れかの項に記載の磁気共鳴装置。
11. １１．超伝導リング及び／又は支持体リングの厚さは前
    記円筒の軸線方向に変化するようにしたことを特徴とす
    る請求項４に記載の磁気共鳴装置。
12. １２．超伝導材料は少なくとも部分的にセラミック超伝
    導材料としたことを特徴とする請求項１〜１１の何れか
    の項に記載の磁気共鳴装置。
13. １３．支持体円筒は超伝導材料を冷却する冷却導体とし
    て構成したことを特徴とする請求項１〜１２の何れかの
    項に記載の磁気共鳴装置。
14. １４．前記磁石系の超伝導材料は磁石系の外側から冷却
    し得るようにしたことを特徴とする請求項１〜１３の何
    れかの項に記載の磁気共鳴装置。
15. １５．前記超伝導材料は冷却媒体の還流で冷却し得るよ
    うにしたことを特徴とする請求項１４に記載の磁気共鳴
    装置。
16. １６．前記超伝導材料は外部冷却材料および超伝導材料
    間の熱導電接続を経て冷却し得るようにしたことを特徴
    とする請求項１４に記載の磁気共鳴装置。
17. １７．請求項１〜１６の何れかの項に記載の磁気共鳴装
    置に用いる磁石系。