JP4695740B2 - 開放設計型超伝導マグネット - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導の保持(ride-through)期間を延長させるための冷凍剤貯留を有する分離型クライオスタット式超伝導マグネットに関する。
【0002】
【発明の背景】
周知のように、超伝導マグネットは、極低温の環境下にこのマグネットを置くこと(たとえば、クライオスタット内すなわち液体ヘリウムその他の冷凍剤を収容した圧力容器内にマグネットを封入するなど)によって超伝導状態とすることができる。この極低温によってマグネット・コイルの超伝導状態が保証される。すなわち、はじめに(比較的短時間)コイルを電源に接続すると、電源が除去された後も抵抗がないため電流が流れ続け、これにより強い磁場が維持される。超伝導マグネットは、磁気共鳴イメージング(以下、MRIという)の分野で広い用途が知られている。
【0003】
従来の、初期MRI装置で見られる別の問題として、MRI装置が、患者の撮影用にあけられた中央のボア(空洞)を有する円筒状構造体の内部に封入されたソレノイド・マグネットを利用しているということがある。しかし、こうした配置においては、患者は実際上高温のボア内に閉じこめられたようになり、患者によっては閉鎖恐怖を引き起こしかねない。患者を本質的に完全には閉じこめることがない開放設計型構造が望ましいことが、認識されるようになって久しい。しかしながら、開放設計型マグネットにより、数多くの技術的問題や困難が生じている。
【0004】
開放設計型超伝導マグネットの一タイプでは、分離型デュワー瓶すなわち分離型ヘリウム容器を利用し、この分離されたヘリウム容器間でヘリウムの重力による流れを可能にするために設けたヘリウム通路又は転送路によって下部ヘリウム容器と上部ヘリウム容器を接続している。単一のヘリウム再凝縮器が上部ヘリウム容器に接続されていて、沸騰したヘリウム・ガスを両容器から回収して再凝縮させて液体ヘリウムに戻す。液体ヘリウムは、上部ヘリウム容器内に流れ込み、さらに重力によって鉛直の転送管を通って下部ヘリウム容器へ流れ込む。いずれかの容器内の液体ヘリウムが相当に損耗すると、極めて望ましくないマグネットのクエンチ、すなわちマグネットの超伝導動作の断絶が起こる可能性がある。液体ヘリウム供給源を補給し、続いて超伝導動作を再開することは、コストおよびMRI装置の停止時間の点からして経済的でない。こうした液体ヘリウムの損耗は、たとえばヘリウム再凝縮器に付属する機械式クライオクーラ(cryocooler)の故障により起こることがある。クライオクーラは、ヘリウム容器を外部に対して開口させることなくクライオクーラの交換を可能とするためのスリーブ内に位置させるのが一般的である。しかし、クライオクーラの交換は、問題のある状況が検出された時から超伝導動作が停止してしまう迄の期間内に行う必要がある。この期間はライドスルー(ride-through)期間と呼ばれ、マグネットがクエンチを起こす迄の、超伝導マグネット動作が継続している最終期間である。
【0005】
問題のある状況を検出して、クライオクーラの交換などにより改善処置を行うのに十分な時間が得られるように、ライドスルー期間を延長できることが極めて望ましい。
【0006】
【発明の概要】
このように、超伝導マグネットのライドスルー期間を延長させて、問題のある状況を改善するための余分な時間を提供でき、かつ上記のマグネットのクエンチの問題を回避できるシステムが特に必要となる。
【0007】
本発明の一形態によれば、開放設計型再凝縮式超伝導マグネットは、上部および下部に分離された冷凍剤用容器と両容器を接続する通路とを備え、その各々の冷凍剤用容器は超伝導マグネット・コイルおよび液体冷凍剤を収容している。上部容器内にある制御チューブが、超伝導動作がクエンチを起こす液体ヘリウムの液面レベルより上方に位置決めされて、再凝縮器動作の故障時に下部容器内の液体ヘリウムの補給を中断させる。これにより上部容器内に貯留ヘリウム供給源を維持して、超伝導動作を継続させながら再凝縮器やその他の問題状況に対して交換や修繕を行えるようにする期間、すなわちライドスルー期間を延長させる。
【0008】
より具体的に述べると、制御チューブの上端によって、超伝導動作の継続および延長に必要となる液体ヘリウム量の概ね12倍の液体ヘリウムの貯留量を保持する。
【0009】
【発明の説明】
図1および図2について説明すると、開放設計型超伝導マグネット10は、互いに平行に隔たったポール・ピース12および13を備え、これらポール・ピースは、一対の非磁性の接続部材すなわちポスト14によって分離されていると共にその一端が支持されている。ポール・ピース12および13は、鉄などの強磁性体製である。ポール・フェース16は参照符号18の形状とし、超伝導マグネット10の撮影領域20内の磁場の均一性を改善する。支柱24によりマグネット10は床26に固定される。
【0010】
撮影領域20内の静磁場(B0)は、ヘリウム容器32および33内のマグネット・コイル(全体を矢印30で示す)によって発生される。冷凍剤用容器32内の補正コイル(図示せず)や外部シム・ドロワー内の受動性シムなどの磁場均一度調整(シミング)装置(全体を参照符号36で示す)は、当業界でよく知られる方法により撮影領域20内の磁場の不均一性を補償する。再凝縮器34および対応する機械式クライオクーラ35(例えば、2段式ギフォード・マクマホン(Gifford−McMahon)クライオクーラ)により、超伝導動作に起因するヘリウム・ガスを再凝縮させ液体ヘリウムに戻す。再凝縮した液体ヘリウムは、重力によって再凝縮器34から上部ヘリウム容器32内に流入する。鉛直の転送チューブ37が、ヘリウム容器32および33を相互接続して、上部ヘリウム容器32から下部ヘリウム容器33へのヘリウムの重力による流れを可能にする。
【0011】
転送チューブ37は、上部ヘリウム容器32の中まで伸びて、上部ヘリウム容器の底面44の上方に伸びる制御チューブ部分42を形成する。上部ヘリウム容器内の液体ヘリウムの液面レベルの高さが、転送チューブ37の制御チューブ42の開放した上端すなわち開口39より高くなったとき、この制御チューブ部分42を通して、液体ヘリウムが上部ヘリウム容器と下部ヘリウム容器33との間を流れる。開口39の高さは、上部ヘリウム容器32の底面44から55乃至65パーセント、望ましくは60パーセントの所にある。上部ヘリウム容器32に保持する液体ヘリウムの体積は、好ましくは上部ヘリウム容器および下部ヘリウム容器33内への熱リークの比に比例させる。上部および下部ヘリウム容器の熱リークが等しい場合には60%となる。液体ヘリウム46のレベルは液面検出器60によって検出され、液面検出器60はに接続される。アラーム装置62は、液体ヘリウムのレベルが予め選択されたレベル、たとえばレベル64まで低下した時に信号を出して、液体ヘリウムのレベル低下の原因を検査する必要性があることを知らせるための指示器および可聴性のアラームを含んでいてよい。
【0012】
超伝導マグネット10でヘリウムの減少を起こさせる問題が発生した場合に、制御チューブ42は上部ヘリウム容器32内の液体ヘリウム46を保持する。これにより、たとえばクライオクーラ35の故障や再凝縮器34の再凝縮動作の停止などによって、いずれかのヘリウム容器の超伝導動作の継続が脅かされた場合に、液体ヘリウム46が上部ヘリウム容器から下部ヘリウム容器33に流出して急速に枯渇するのが防止される。したがって、両ヘリウム容器32および33内のマグネット・コイル30の超伝導動作は、この期間すなわちライドスルー期間の間、継続することになる。ヘリウム容器32および33のいずれかの内部のコイル30の超伝導動作が断絶すると、超伝導マグネット10はMRI撮影にとっては不安定で不適当な状態となる。また、ヘリウム容器のいずれか一方でクエンチや磁場の崩壊が起こると、もう一方の容器内のコイル30にも悪影響を与え、そのクエンチを早めることになる。そこで、クライオクーラ35の交換などによる修理に適した時間を確保できるように超伝導動作のライドスルー期間を延長して、できるだけ長い間すべてのコイル30を超伝導状態に維持しておく必要がある。
【0013】
制御チューブ42の最適高さを適正に選択することにより、上部ヘリウム容器32と下部ヘリウム容器33の両容器内でコイルの超伝導動作に対する必要性をバランスさせる。図2について説明すると、制御チューブ42の高さ48については、上部ヘリウム容器32および下部ヘリウム容器33の内部体積が同一になる、すなわち、V32=V33である場合に以下のように考察される。同一でない場合は、それに対応して計算を行うことができる。液体ヘリウム46の液面レベル64が5%未満に下がった場合に、ヘリウム容器32および33のいずれかにクエンチが起こるか起こり始めて、超伝導動作が停止する判定する場合を考えてみる。この場合、ヘリウムの液面レベルが概ね0乃至5%の範囲にある場合にクエンチが起こる。
【0014】
たとえば、ヘリウム容器32および33の双方が満たされた状態で、クライオクーラ35の故障に伴い再凝縮器34の動作が停止したとすると、超伝導マグネット10の液体ヘリウムの全体積の50%が各ヘリウム容器内に存在することになる。上部ヘリウム容器32に関しては、制御チューブの高さ48を上部ヘリウム容器の体積の60%が開口39の下方にくるように位置決めした場合、全ヘリウム体積の配分は、矢印52で示すように全体積の50%が下部ヘリウム容器33内にあり、矢印48で示すように全体積の30%が制御チューブ42の開口39の下方にあり、そして矢印54で示すように全体積の20%が開口39の上方にある。
【0015】
このように、再凝縮器34の故障の時点すなわちゼロ時刻(T0 )での、体積50と52が同一である状態では、超伝導動作の継続により、両ヘリウム容器32および33の内部でヘリウム46の沸騰が継続する。ヘリウム・ガスが増加しても再凝縮により液体ヘリウムに戻されることがないと、液体ヘリウム液面レベルは当初、上部ヘリウム容器32内で急速に低下しはじめる。この理由は、この低下が、両ヘリウム容器32および33内のヘリウムのボイルオフ量の合計に相当し、下部ヘリウム容器33内でのボイルオフ量がチューブすなわちパイプ37を通って上部ヘリウム容器32からの液体ヘリウム46で置換されて、下部ヘリウム容器33が満たされるようになるためである。すなわち、上部ヘリウム容器32内のヘリウムの液面レベル50は、実質的にいずれか一方のヘリウム容器のボイルオフ量の概ね2倍の速度で低下することになる。
【0016】
しかし、制御チューブ42の高さのため、この下部ヘリウム容器に対するヘリウム置換動作はヘリウムの液面レベル64が開口39に達するまでの間だけは許容されるが、その後は制御チューブにより上部ヘリウム容器32内のヘリウム体積がこれ以上急速に減少するのが防止されて、上部ヘリウム容器32内に一定の貯留量を保持する。
【0017】
ヘリウムの液面レベル64が制御チューブ42の開口39まで下がった時点、あるいはこれより以前の予め定めた時点で、液面検出器60によりアラーム装置62が起動され、クライオクーラ35の交換などの是正措置を直ちに講ずる必要があることをオペレータに警報する。ヘリウムの液面レベル64が開口39に達すると、転送チューブ37は実効的に作用が止まり、上部ヘリウム容器32から下部ヘリウム容器33へのヘリウムの流れが停止する。これにより得られる液体ヘリウム貯留量は、両容器内でヘリウム体積が20%まで減少するのにかかる時間によって実効ライドスルー期間を決定することを可能にする。この実効ライドスルー期間は、制御チューブ42がない場合に得られる時間と比べて長くなる。このように、上部容器32内の液体ヘリウムがそれ以上枯渇するのが止まり、ヘリウム容器32および33が実質的に分離されることよりライドスルー期間が長くなる。下部ヘリウム容器33を満たした状態に維持するために液体ヘリウムを上部ヘリウム容器32から転送することがないため、上部ヘリウム容器からのヘリウムのボイルオフのみによってヘリウム46の液面レベルが低下し、上部容器内の体積の60%から体積の5%まで低下するのにかかる時間は、下部ヘリウム容器の超伝導動作を維持するのに必要となるレベル以上まで上部容器から下部ヘリウム容器への補充を継続してしまう場合にかかる時間と比べ2倍となる。
【0018】
コイル30の超伝導動作が両ヘリウム容器32および33内で継続することによって余分な時間が得られることは、クライオクーラ35に対する点検または交換あるいはこの双方、あるいはその他の補修措置を可能にし、かつ再凝縮器34の再凝縮動作の再開を可能にし、収集したヘリウム・ガスを再凝縮させ変換して液体ヘリウムに戻し、マグネット10の正常な超伝導動作の再開を可能にする点で重要である。必要であれば、この時点で液体ヘリウムを超伝導マグネット10に追加することも可能である。
【0019】
制御チューブ42の最適な高さ48は、具体的な寸法の違いによってマグネットごとに様々な値となるが、上部ヘリウム容器32のコイル30がクエンチを起こすレベルより有意に高くする。というのも、まさにこの差によって、上部ヘリウム容器のクエンチが起こるまでの追加のライドスルー時間が得られるからである。制御チューブ42は、そのすべてが上部ヘリウム容器32の底面44からの高さが同一である高さまで伸びる2本以上のチューブで構成してもよい。
【0020】
本発明を、その特定の好ましい実施態様に関して記述してきたが、構造、部品の配置と組合わせ、並びに使用する材料の種類に関し、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、様々な変更を行うことができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を含む超伝導マグネットの簡略側面断面図である。
【図2】本発明の動作の説明に便利なように細部を示した図1の一部分の拡大図である。
Claims (10)
- 開放設計型冷凍剤再凝縮式超伝導マグネット(10)であって、
ポスト(14)と、
前記ポスト(14)によって互いに平行に隔たって支持された上部及び下部ポール・ピース(12、13)と、
前記上部及び下部ポール・ピース(12、13)の各々に取り付けられた上部及び下部ポール・フェース(16)と、
上部超伝導マグネット・コイル(30)と液体冷凍剤(46)を含み、前記上部ポール・フェース(16)の径方向外側に配置された上部冷凍剤用容器(32)と、
下部超伝導マグネット・コイル(30)と液体冷凍剤(46)を含み、前記下部ポール・フェース(16)の径方向外側に配置された下部冷凍剤用容器(32、33)と、
前記上部冷凍剤用容器に接続された、前記上部及び下部冷凍剤用容器(32、33)のための再凝縮器と、
前記上部冷凍剤用容器の内部と前記下部冷凍剤用容器の内部を接続する、前記上部及び下部ポール・フェース(16)及び、前記ポスト(14)の径方向外側に配置された少なくとも1つの通路(37)とを備えており、
前記上部及び下部超伝導マグネット・コイル(30)が前記上部及び下部ポール・フェース(16)の間の空間に磁場を供給し、
前記通路は、前記上部冷凍剤用容器の底面(44)より予め選択され高さ(48)にある開口(39)を備え、また前記通路は、前記上部容器内の前記液体冷凍剤の液面レベル(64)が前記開口より上方にある限り、前記上部冷凍剤用容器から前記下部冷凍剤用容器へ前記液体冷凍剤を転送することができ、
前記液面レベル(64)が前記開口より下方にあるときに、前記通路を介した前記上部冷凍剤用容器(32)と前記下部冷凍剤用容器(33)間の重力による流れが停止され、
前記予め選択され高さ(48)が、それ以下では前記上部冷凍剤用容器内の前記上部超伝導マグネット・コイルの前記超伝導動作がクエンチを起こすような液体冷凍剤の液面レベル(56)よりも上方にあり、もって、前記上部及び下部超伝導マグネットの継続した動作のライドスルー期間を延長させることができることを特徴とする開放設計型冷凍剤再凝縮式超伝導マグネット。 - 前記液体冷凍剤がヘリウムである、請求項1に記載の超伝導マグネット。
- 前記液体冷凍剤が重力による流れによって転送される、請求項1又は2に記載の超伝導マグネット用の保持制御機構。
- 前記上部冷凍剤用容器の前記底面からの前記通路の前記高さによって、前記下部冷凍剤用容器への流出に対して、前記上部冷凍剤用容器の全冷凍剤用体積の55〜65パーセントに等しい液体ヘリウムの量を前記上部冷凍剤用容器内に保持するようにした、請求項1乃至3のいずれかに記載の超伝導マグネット。
- 前記通路により、保持される冷凍剤の体積が前記マグネットの超伝導動作がクエンチを起こす時点の冷凍剤の体積の概ね12倍になったときに、冷凍剤の前記上部容器から前記下部容器への流れを停止させるようにした、請求項1乃至4のいずれかに記載の超伝導マグネット。
- 前記上部冷凍剤用容器(32)が、前記冷凍剤のレベルを検出する液面検出器(60)と、前記冷凍剤のレベルが予め選択されたレベルまで低下した時に信号を出すアラーム装置(62)を備える、請求項1乃至5のいずれかに記載の超伝導マグネット。
- 前記通路を複数本備える、請求項1乃至6のいずれかに記載の超伝導マグネット。
- 前記上部冷凍剤用容器の前記底面からの前記通路の最上部の高さを、前記上部及び下部冷凍剤用容器(32、33)双方の前記超伝導マグネットの前記ライドスルー期間を最長とするように選択した、請求項1乃至7のいずれかに記載の超伝導マグネット。
- 前記通路が前記ポスト(14)の外側に配置される、請求項1乃至8のいずれかに記載の超伝導マグネット。
- 前記上部超伝導マグネット・コイル(30)が前記上部冷凍剤用容器(32)の上部及び下部に配置され、前記下部超伝導マグネット・コイル(30)が前記下部冷凍剤用容器(33)の上部及び下部に配置される、請求項1乃至9のいずれかに記載の超伝導マグネット。
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