(57)【要約】  超伝導磁石は、超伝導電流を運ぶときに軸方向に向いた磁界を発生させるために前記ソレノイドとして巻かれる前記超伝導磁石巻線と、軸方向に沿って前記超伝導磁石巻線を横切る長軸を有する超伝導ループとを備える。超伝導ループは、軸方向に沿った前記超伝導磁石巻線の交差部で前記超伝導磁石巻線と熱的に接続される。超伝導ループは、前記超伝導磁石巻線と電気的に接続され、前記超伝導磁石巻線によって運ばれる超伝導電流を運ぶ。前記超伝導磁石巻線で開始されるクエンチは、前記超伝導磁石巻線を介して前記超伝導磁石巻線に沿って、また、超伝導ループを介して前記ソレノイド軸に沿って、同時に伝搬される。
2021534924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導磁石であって、 
超伝導電流を流すときに軸方向に配向される磁場を生成するためのソレノイドとして巻かれる超伝導磁石巻線と、
前記軸方向に沿って前記超伝導磁石巻線を横切る長軸を有する超伝導ループと 
を有し、
前記超伝導ループは、前記軸方向に沿って前記超伝導磁石巻線の交差部において前記超伝導磁石巻線と熱的に接続され、
前記超伝導ループは、前記超伝導磁石巻線と電気的に接続されて、前記超伝導磁石巻線によって運ばれる前記超伝導電流を運ぶ、
超伝導磁石。
【請求項２】
前記超伝導ループは、前記超伝導磁石巻線及び前記超伝導ループを覆うエポキシによって、前記軸方向に沿って、前記超伝導磁石巻線の前記交差部において、前記超伝導磁石巻線と熱的に接続される、
請求項1に記載の超伝導磁石。
【請求項３】
前記超伝導ループは、接触している、前記長軸に沿って延在する2本の長手方向ワイヤを有する、請求項1乃至2の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項４】
前記超伝導ループは、前記超伝導磁石巻線の外面の前記ソレノイドの外側に配置される、請求項1乃至3の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項５】
前記超伝導ループは、前記超伝導磁石巻線の内面の前記ソレノイドの内側に配置される、請求項1乃至3の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項６】
前記超伝導ループは、
前記超伝導磁石巻線の外面上の前記ソレノイドの外側に配置される外側超伝導ループと、
前記超伝導磁石巻線の内面上の前記ソレノイドの内側に配置される内側超伝導ループと
を含む、請求項1乃至3の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項７】
前記超伝導磁石巻線は超伝導ワイヤで作られ、
前記超伝導ループは前記超伝導磁石巻線と同じタイプの超伝導ワイヤで作られている、
請求項1乃至6の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項８】
前記超伝導磁石巻線は、４又はそれより低い銅対超伝導体比で銅及び超伝導体を有する前記超伝導ワイヤから構成される、請求項1乃至7の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項９】
ソレノイド軸を規定するソレノイドとして巻かれる超伝導磁石巻線と、
前記ソレノイド軸と平行な長軸を有する超伝導ループと
を有し、 
前記超伝導ループは、前記超伝導磁石巻線上に配置され、
前記超伝導ループは、前記超伝導磁石巻線と電気的に直列に接続される
超伝導磁石。
【請求項１０】
前記超伝導磁石巻線及び前記超伝導ループは、前記超伝導ループと前記超伝導磁石巻線とを接続するエポキシで被覆される、請求項9に記載の超伝導磁石。
【請求項１１】
前記超伝導ループは、接触している、前記長軸に沿って延在する2本の長手方向ワイヤを有する、請求項9乃至10の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項１２】
前記超伝導ループは、前記超伝導磁石巻線の外面上の前記ソレノイドの外側に配置される、請求項9乃至11の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項１３】
前記超伝導ループは、前記超伝導磁石巻線の内面上の前記ソレノイドの内側に配置される、請求項9乃至11の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項１４】
前記超伝導ループは、
前記超伝導磁石巻線の外面上の前記ソレノイドの外側に配置される外側超伝導ループと、
前記超伝導磁石巻線の内面上の前記ソレノイドの内側に配置される内側超伝導ループと
を含む、請求項9乃至1１の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項１５】
前記超伝導磁石巻線は超伝導ワイヤで作られ、
前記超伝導ループは、前記超伝導磁石巻線と同じタイプの超伝導ワイヤで作られている、
請求項9乃至14の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項１６】
前記超伝導磁石巻線は、銅と超伝導体とを有する超伝導ワイヤから構成され、前記超伝導ワイヤは、４又はそれより低い銅対超伝導体比を有する、請求項9乃至15の何れか一項に記載の超伝導磁石。
【請求項１７】
請求項1乃至16の何れか一項に記載の超伝導磁石と、
前記超伝導磁石巻線によって生成される磁場に磁場傾斜を重畳するように構成される磁場傾斜コイルと
を有する、磁気共鳴撮像システム 。
【請求項１８】
クエンチ方法であって、
ソレノイド軸を規定するソレノイドとして巻かれる超伝導磁石巻線内、及び前記超伝導磁石巻線の間に延在する超伝導ループ内の超伝導電流を導通するステップと、
前記超伝導磁石巻線を介して前記超伝導磁石巻線に沿って、及び前記超伝導ループを介して前記ソレノイド軸に沿って、前記超伝導磁石巻線内で同時に開始されるクエンチを伝搬させるステップと
を有する、クエンチ方法。
【請求項１９】
前記伝搬させるステップは、前記超伝導ループ及び前記超伝導磁石巻線の巻線交差部において、前記超伝導磁石巻線と前記超伝導ループとの間で熱を伝達させるステップを含む、請求項18に記載のクエンチ方法。
【請求項２０】
前記超伝導ループは、前記超伝導磁石巻線と電気的に接続される、請求項18乃至19の何れか一項に記載のクエンチ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
以下は一般に、超伝導磁石技術、磁気共鳴撮像(MRI)技術、及び関連技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導磁石は、典型的にはワイヤを覆う絶縁被覆を有する、ニオブーチタン(NbTi)又はニオブースズ(Nb3Sn)のような超伝導材料の埋め込まれたフィラメントを有する銅線からなる。銅は、ワイヤが超伝導温度閾値を上回っているときに電気伝導を提供し、一方、超伝導温度閾値を下回っているときには、埋め込まれた超伝導体フィラメントは電流を運ぶ。永続モードでは、磁石が電流源に接続することなく、超伝導体ファイバ内を循環する電流を用いて磁場を生成することができる。
【０００３】
超伝導体フィラメントが超伝導電流を運んでいる場合、クエンチが起こるが、その後、超伝導の臨界温度を超える温度まで、現存電流と磁場レベルで加熱される。クエンチすると、銅導体が電気導体として引き継がれるが、これは、I2Rに比例する熱消費電力を生成する抵抗性ジュール加熱をもたらす。Iは電流であり、Rは銅導体の抵抗である。今度は、ジュール加熱が、コイル巻線及び／又はその周囲を損傷する可能性がある。超伝導体の量に比べてワイヤ中の銅の量が多いと、クエンチ損傷の可能性を低減できる。これは通常、銅対超伝導体比、すなわちCuSC比によって定量化される。しかしながら、高いCuSC比は、より高い材料コストをもたらす。低いCuSC比を有するワイヤを使用することはより費用対効果が高いが、予期せぬ急冷中に損傷する尤度を高める。
【０００４】
極低温で作動するMRI超伝導磁石は、その場に到達するために生産後の訓練を必要とする場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
コイル及びそれらの超伝導ワイヤは増大するローレンツ力の影響下で安定するので、例えば、コイルのスティックスリップ運動によるエネルギー解放は、コイルを局所的に超伝導状態から駆動し得る。それから、この通常ゾーンは、磁石の動作電流によって、より多くの電力が金属(非超伝導)マトリックス内で消費されるにつれて伝搬する。最終的にはコイル全体が通常状態に戻り、その結果、磁石電流はゼロに戻る。このプロセスはクエンチと呼ばれ、通常ゾーンでの熱放散によって磁石を損傷する可能性がある。
【０００６】
以下は、特定の改良を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書に開示されるいくつかの非限定的な例示的な実施形態では、超伝導磁石が超伝導電流を運ぶときに軸方向に向いた磁界を生成するためにソレノイドとして巻かれる超伝導磁石巻線と、軸方向に沿って超伝導磁石巻線を横切る長軸を有する超伝導ループとを備える。超伝導ループは、軸方向に沿った超伝導磁石巻線の交差部で超伝導磁石巻線と熱的に接続される。超伝導ループは、超伝導磁石巻線と電気的に接続され、超伝導磁石巻線によって運ばれる超伝導電流を運ぶ。超伝導ループは、超伝導磁石巻線及び超伝導ループを覆うエポキシによって、軸方向に沿って超伝導磁石巻線の交差部において超伝導磁石巻線と熱的に接続されてもよい。超伝導ループは、超伝導磁石巻線の外側表面上のソレノイドの外側に配置される少なくとも1つの外側超伝導ループ、及び／又は超伝導磁石巻線の内側表面上のソレノイドの内側に配置される少なくとも1つの内側超伝導ループを含むことができる。
【０００８】
本明細書に開示されるいくつかの非限定的な例示的な実施形態では、超伝導磁石が、ソレノイド軸を規定するソレノイドとして巻かれる超伝導磁石巻線と、ソレノイド軸と並列な長軸を有する超伝導ループとを備える。超伝導ループは、超伝導磁石巻線上に配置される。超伝導ループは、超伝導磁石巻線と電気的に直列に接続される。いくつかの実施形態では、超伝導磁石巻線及び超伝導ループが超伝導ループと超伝導磁石巻線とを接続するエポキシで被覆される。超伝導ループは、超伝導磁石巻線の外側表面のソレノイドの外側に配置される少なくとも1つの超伝導ループ、及び／又は超伝導磁石巻線の内側表面のソレノイドの内側に配置される少なくとも1つの超伝導ループを含むことができる。いくつかの実施態様において、超伝導磁石巻線は超伝導ワイヤで構成され、超伝導ループは超伝導磁石巻線と同じタイプの超伝導ワイヤで構成される。
【０００９】
本明細書に開示されるいくつかの非限定的な例示的な実施形態では、磁気共鳴撮像(MRI)システムが直前の2つのパラグラフの1つに記載される超伝導磁石と、超伝導磁石巻線によって生成される磁場に磁場傾斜を重畳するように構成される磁場傾斜コイルとを含む。
【００１０】
本明細書に開示されるいくつかの非限定的な例示的な実施形態では、クエンチ方法は、ソレノイド軸を規定するソレノイドとして巻かれる超伝導磁石巻線内、及び前記超伝導磁石巻線の間に延在する超伝導ループ内の超伝導電流を導通するステップと、前記超伝導磁石巻線を介して前記超伝導磁石巻線に沿って、及び前記超伝導ループを介して前記ソレノイド軸に沿って、前記超伝導磁石巻線内で同時に開始されるクエンチを伝搬させるステップとを有する。伝搬させるステップは、前記超伝導ループと前記超伝導磁石巻線の巻線と交差部において、前記超伝導磁石巻線と前記超伝導ループとの間で熱を伝達するステップを含む。
【００１１】
一つの利点は、より空間的に分布したクエンチを示す超伝導磁石を提供することにある。
【００１２】
別の利点は、クエンチ損傷の可能性を低減した超伝導磁石を提供することにある。
【００１３】
別の利点は、クエンチ損傷の可能性を付随的に増大させることなく、より低いCuSC比を有する超伝導磁石を提供することにある。
【００１４】
別の利点は、製造コストが低減される前述の利点のうちの1つ又は複数を有する超伝導磁石を提供することにある。
【００１５】
所与の実施形態は本開示を読んで理解すると当業者に明らかになるように、前述の利点のいずれも提供せず、1つ、2つ、それより多く、又はすべてを提供することができ、及び／又は他の利点を提供することができる。
【００１６】
本発明は、様々な構成要素及び構成要素の配置、ならびに様々なステップ及びステップの配置の形成をとることができる。図面は好ましい実施形態を例示する目的のためだけのものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ソレノイドとして巻かれる超伝導磁石巻線と、ソレノイド軸と並列な長軸を有する超伝導ループとを備える超伝導磁石を図式的に示す。挿入図は、超伝導ループの交差及び超伝導磁石巻線の巻線を示す。
【図２】図1の超伝導磁石巻線及び超伝導磁石の超伝導ループの電気回路図である。
【図３】図1及び図2の超伝導磁石の製造方法を図式的に示す。
【図４】図1及び図2の超伝導磁石と関連して適切に実行されるクエンチ方法を図式的に示す。
【図５】図1及び図2の超伝導磁石を含む磁気共鳴撮像(MRI)システムを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
磁石電流が超伝導フィラメントから出て、クエンチ中に周囲の銅に入るにつれて、抵抗性銅におけるジュール加熱は、熱伝導だけが達成するよりもはるかに速く、通常ゾーンの伝搬(すなわち、クエンチを推進する)を推進する。同時に、ターンと超伝導磁石巻線の層との間の熱伝導は、クエンチ伝播をさらに加速する。軸方向対半径方向比があまり離れていない磁石の場合、全正規化(非超伝導)体積は、3乗までの時間とともに大まかに成長する。しかし、軸方向対半径方向比が非常に高い磁石設計では、軸方向のクエンチ伝播は無視でき、通常ボリュームは時間に対して直線的にしか増加しない。このような場合、クエンチ保護システムは、超伝導磁石の損傷を防止するのに十分なほど速くないことがある。
【００１９】
本明細書には軸方向においてより迅速なクエンチ伝播を提供する改良される超伝導磁石が開示されており、場合によっては方位角方向においてクエンチ伝播とほぼ同じ速さである軸方向においてクエンチ伝播を提供する。
【００２０】
図1及び図2を参照すると、例示的な超伝導磁石10が示される。図1は磁石10の例示的なダイアグラム斜視図を示し、一方、図2は、磁石10の例示的なダイアグラム電気回路図を示す。超伝導磁石10は、超伝導電流を運ぶときに、本明細書ではz軸と表記される軸方向(z)に配向される磁界を発生させるためにソレノイドとして巻かれる超伝導磁石巻線12を含む。別のやり方をすれば、超伝導磁石巻線10は、ソレノイド軸(z)を規定するソレノイドとして巻かれる。超伝導磁石巻線によって規定されるソレノイドは、軸方向(z)、すなわち、ソレノイド軸(z)に一致する円筒軸とほぼ円筒状であり、図1には、z軸、方向矢印(r)として示される半径方向軸、及び曲線矢印(a)によって図1に示される方位角方向を含む例示的な円筒座標系が示される。超伝導磁石巻線は一般に、ソレノイド軸(z)の周りを螺旋状に巻く方位角方向の巻線経路をたどる。さらに、図1は、示される半径(r)におけるコイル巻線の単一層として超伝導磁石巻線12を概略的に示す。より一般的には超伝導磁石巻線12は、1つ、2つ、3つ、又はそれ以上の層として、異なる半径位置(例えば、単一巻線層の厚さだけ隣接層と異なる各層の半径方向位置)に巻かれてもよく、及び／又は1つ又は2つ以上のコイルセクション(例えば、図2に概略的に示されるようにz軸に沿って互いに離間される3つの巻線セクション12a、12b、12c)にグループ化されてもよく、及び／又は例えば、3つの巻線セクション12a、12b、12cを使用する1つの設計における異なる半径位置にあってもよく、中心巻線セクション12bは、外側巻線セクション12a、12b、及びテーパを使用する他の変形例と比較して異なる半径(r)にあってもよく、他の変形例の中で、軸方向に沿う半径方向位置変化が考慮される。一般に、超伝導磁石巻線12はソレノイドを規定する連続的な螺旋電流経路を形成する。図2の例示的な3つのコイルセクション12a、12b、12cのような複数の巻線部分の場合、巻線部分12a、12b、12cは典型的には直列に電気的に接続される。
【００２１】
引き続き図1及び図2を参照すると、超伝導磁石10は、軸方向(z)に沿って超伝導磁石巻線12と交差する長軸(L)を有する超伝導ループ14を更に含む。超伝導ループ14は、ソレノイド軸と平行なその長軸(L)を有する。超伝導ループ14は、超伝導磁石巻線12及び超伝導ループ14を覆うエポキシ16によって、例えば(図1の挿入図に示されるように)軸方向に沿って超伝導磁石巻線12の交差部において超伝導磁石巻線12と熱的に接続される。
【００２２】
超伝導ループ14は、軸方向(z)に沿った超伝導磁石巻線の交差部において、超伝導磁石巻線12と熱的に接続される。図1の挿入図を参照すると、超伝導磁石巻線12の交差点18において、超伝導ループ14及び交差超伝導磁石巻線12をコーティングするエポキシ16は、超伝導ループ14及び交差超伝導磁石巻線12を交差点18において固定するボンドを提供し、巻線12とループ14との間に近接を提供し、熱は、エポキシ16を通って伝導的に、及び／又は放射熱伝達によって伝達することができる。熱接続は、超伝導ループ14のエポキシ16及び交差部18における交差超伝導磁石巻線12を介した接合の他の方法、例えばこれらの交差部に専用の熱伝導接点を設けることによって達成することができる。しかしながら、超伝導ループ14と交差した超伝導磁石巻線12の交差部18は導電性であってはならない。その目的は、巻線12とループ14との間でジュール加熱を伝達することであるが、超伝導ループ14によって超伝導磁石巻線12を短絡させることではない。
【００２３】
超伝導ループは図1の超伝導ループ14oの例示的な場合のように、超伝導磁石巻線12の外面のソレノイドの外側に配置されてもよい。代わりに、超伝導ループが図1の超伝導ループ14iの例示的な場合のように、超伝導磁石巻線12の内面上のソレノイドの内側に配置されてもよい。各超伝導ループ14は軸方向(z)方向に沿ったクエンチの伝搬経路を提供するので、1つ以上の超伝導ループを提供すること(例えば、図1に例示のように、外側と内側の超伝導ループ14o、14iの両方を提供すること)は、クエンチの軸方向伝搬をさらに強化することを提供する。さらに、図示されていないが、このような超伝導ループは(ソレノイドの外側及び／又は内側に)ソレノイドの周囲の複数の角度位置に設けられてもよく、例えば、6つの超伝導ループが超伝導磁石10の円周の周りの軸方向におけるクエンチ伝播を促進するために、ソレノイドの周囲に60度の間隔で設けられてもよい。超伝導磁石巻線12が、例えば図2の巻線部分12a、12b、12cのように離間した巻線部分に配置される場合、例示的な図2の超伝導ループ14が巻線部分12bに沿って軸方向に延在すると、超伝導ループ14は、1つの部分に沿って軸方向に延在することができる。図2には示されていないが、巻線セクション12aに沿って、及び巻線セクション12cに沿って、それぞれ延びる類似の超伝導ループを設けることができることが理解されるのであろう。代替の実施形態では、単一の超伝導ループが3つの巻線部分12a、12b、12c(変形例は図示せず)の全てを包含することができる。
【００２４】
図1にラベルされるように、各超伝導ループ14o、14iは軸方向に沿って延びる長軸(L)を有し、また、軸方向に対して横方向に延びる短軸又は幅(W)を有する。超伝導ループ14の目的は軸方向に沿ったクエンチの伝播を促進すること(より一般的にはクエンチに関連するジュール加熱の伝播を促進すること)であるので、一般的には軸方向に沿った長軸(L)が横方向の短軸又は幅(W)よりも実質的に大きいことが好ましい。例えば、いくつかの実施形態では超伝導ループ14が少なくとも5：1のアスペクト比(すなわち、L／W比)を有するが、より小さいか又はより大きい(さらに実質的により大きい、例えば、50：1以上)L/Wアスペクト比が考慮される。実際、長軸(L)に沿って延びる2本の長手方向ワイヤが接触し、すなわち、長軸(L)側を構成する2本の長手方向ワイヤの絶縁が物理的に接触することが、いくつかの実施形態において考えられる。L／Wアスペクト比を大きく保つことにより、与えられた軸方向長さLに対して超伝導ワイヤ(2L＋Wに等しい)の量が最小化され、さらに超伝導ループ14(L×Wに等しい)によって包含される面積も最小化される。領域L×Wを小さく保つことにより、超伝導ループ14によって発生する浮遊磁界の量を減少させる。確かに、長軸Lに沿って延びる隣り合う2つの長い脚に流れる電流は反対方向であり、したがって、幅Wが小さければ、これら2つの電流によって生成される磁場は、大部分が相殺されることが理解されるのであろう。
【００２５】
前述したように、超伝導ループ14と交差超伝導磁石巻線12の交差部18は、導電性であってはならない。換言すれば、超伝導ループ14は、交差部18における交差超伝導磁石巻線12とのガルバニック接触から絶縁されるべきである。一方、図2に示すように、各超伝導ループ14は超伝導磁石巻線12によって運ばれる超伝導電流を運ぶために、その端部で超伝導磁石巻線12と電気的に接続される。この電流により、ループ内の所望のクエンチ伝搬速度が確保される。図2において、超伝導ループ14は、超伝導磁石巻線12a、12b、12cと電気的に直列に接続される(これらの巻線部分自体は直列に接続される)。(図1において、超伝導ループ14o、14iの端部と超伝導磁石巻線12との電気的接続が図示されていないことは留意される)。
【００２６】
超伝導磁石巻線12は、超伝導ワイヤで作られている。例えば、超伝導ワイヤは、ニオブーチタン(NbTi)又はニオブー錫(Nb3Sn)のような超伝導物質、MgB2のような中温超伝導体、又はReBCOのような高温超伝導体のフィラメントが埋め込まれた銅で作られ、ワイヤを被覆する絶縁被覆を有する。超伝導ループ14も超伝導ワイヤで作られ、典型的には超伝導磁石巻線12と同じタイプの超伝導ワイヤで作られ、これは、この場合、超伝導磁石巻線12及び1つ又は(典型的にはより多くの)超伝導ループ14が超伝導ジョイント接続などを作る必要なしに、超伝導ワイヤの単一のスプールから連続的に巻き戻され得るため、製造の観点から便利である。いくつかの実施形態では超伝導磁石巻線12(及び超伝導ループ14も、典型的には)は、超伝導ワイヤが低い銅対超伝導体比(CuSC比)、例えば4以下のCuSC比を有する超伝導体の埋め込まれたフィラメントを有する銅からなる超伝導ワイヤで作られる。このような低銅対超伝導体ワイヤは、ワイヤの低銅含有量のために期待できる高ジュール加熱による予期せぬクエンチの間の損傷に特に敏感であることが理解されるのであろう。
【００２７】
次に、図3を参照すると、超伝導磁石10の好適な製造方法が、フローチャートによって示される。巻き付けプロセスは円筒形のフォーマ又はマンドレル(図示せず)を適切に使用し、動作30、32、34は超伝導ワイヤのスプール(図示せず)からの連続的なワイヤ繰り出しを使用して適切に実行され、エポキシ16はワイヤがスプールから引き出されるときにワイヤ上にコーティングされる。動作30では、1つ以上の内側超伝導ループ14iが使用される場合、フォーマ又はマンドレル上に置かれる。その後、動作32において、超伝導磁石巻線12は、前者又はマンドレルに巻かれる。これは、内側ループ14iが超伝導磁石巻線の内側表面上のソレノイドの内側に配置されるように、巻線12を1つ以上の内側超伝導ループ14i(使用される場合)の上部に自動的に配置する。動作34では1つ以上の外側超伝導ループ14oが、使用される場合には超伝導磁石巻線12の上に配置される。図3には示されていないが、エポキシ16を硬化させるための硬化工程、超伝導磁石巻線12及び超伝導ループ14の上に任意の被覆層又は材料を配置するための巻き付け工程、マンドレルの除去(もしフォーマが使用されるならば、それは磁石のための構造支持体として保持されてもよい)、及び／又はその他のような、様々な仕上げ操作が実行されてもよい。
【００２８】
次に、図4を参照すると、クエンチに対する応答を含む超伝導磁石10の動作が、フローチャートによって説明される。動作40では、通常動作中、ソレノイド軸を規定するソレノイドとして巻かれる超伝導磁石巻線12に超伝導電流が導かれ、超伝導電流は超伝導磁石巻線12を横切って延びる超伝導ループ14によっても運ばれる。動作40の通常の動作状態は、超伝導磁石巻線に永続的な超伝導電流を確立するためのアプローチを使用して適切に達成される。1つの可能な始動シーケンスでは、超伝導磁石10が超伝導ワイヤの超伝導体の超伝導転移温度未満の温度まで冷却され(例えば、4K付近まで冷却するためにヘリウム冷却を使用して)、続いて、取り外し可能な電流リード線又は永久的に設置される高温超伝導体リード線を介して電流を傾斜させ、永久スイッチを閉じ、リード線を取り外し、その後、永久超伝導電流が超伝導磁石巻線12及び接続される超伝導ループ14を通って流れる。
【００２９】
動作42では、超伝導磁石巻線12内のある初期クエンチ位置でクエンチが開始される。これは様々な方法で起こり得、場合によっては局所的な加熱、極低温冷却システムの誤動作、スティックスリップ運動によるエネルギー放出、又はコイルを超伝導状態から局所的に駆動するローレンツ力によって引き起こされるコイルの他の運動などによって引き起こされる予期しないクエンチであり得る。
【００３０】
同時動作44、46では、クエンチが主に銅のジュール加熱のために、超伝導磁石10の全体にわたって空間的に伝搬する。具体的には動作44によって示されるように、クエンチは巻き付けられた超伝導磁石巻線12の方向に沿って方位角方向に伝搬する。この伝播は、巻線12に沿った連続的な銅経路が存在するので速い。従来の磁石では、軸方向に沿って配向される連続的な銅経路がないので、軸方向に沿ったクエンチ伝播はずっと遅くなるのであろう。しかしながら、超伝導磁石10では、1つ以上のこのような経路が超伝導ループ14によって提供される。したがって、動作44と同時に起こる動作46では、クエンチが超伝導ループ14を介してソレノイド軸に沿って(すなわち、軸z方向に沿って)伝搬する。これらの超伝導ループ14はジュール加熱、従ってクエンチを伝播するための連続的な銅経路を提供し、1つの巻線から次の巻線への超伝導ループ14からの熱伝達は、交差部18を介して生じる(図1挿入図参照)。結果として、磁石10は、特に超伝導磁石巻線12を横切って軸方向に延びる超伝導ループ14により、軸方向(z)方向において、より均一で急速なクエンチの拡がりを有する。
【００３１】
開示されるクエンチ保護システムは、図1に示されるように、軸(z)方向にループ状にされ、超伝導磁石巻線12の内側又は外面の何れかに取り付けられた超伝導ループ14を使用する。超伝導ループ14に使用されるワイヤは、製造上の利点を有する超伝導磁石巻線12に使用されるワイヤと同じワイヤとすることができる。代替的に、超伝導ループ14は、超伝導磁石巻線12を巻くために使用されるワイヤとは異なるタイプ(例えば、異なるCuSC比、異なる超伝導材料など)である専用の超伝導ワイヤであってもよく、これにより、ループ14の超伝導ワイヤのプロパティを、クエンチ伝播及び他の設計又は製造上の考慮事項のための設計パラメータに応じて最適化することができる。同様の考察は、コイルの周囲の周りにそのような超伝導ループ14の1つより多くを置くことを決定することにつながる可能性がある。超伝導ループ14は超伝導磁石巻線12の主回路と直列に接続されており、従って、図2に見られるように、超伝導磁石巻線12と同じ電流を流すことになる。巻線12と超伝導ループ14の両方に同じタイプの超伝導ワイヤが使用される場合、プロセスの後半にそれらを電気的に接合する必要なしに、超伝導ワイヤのスプールから回路全体を巻き出すことができ、製造にかなりの時間を節約することができる。
【００３２】
磁石10の内側の任意の位置でクエンチが開始すると、通常ゾーンは、巻線12に沿った方位伝播速度で超伝導ループ14に到達する。超伝導ループ14は超伝導磁石巻線12と同じ電流を流しているので、ループ14もクエンチし、超伝導ループ14の通常ゾーンは、磁石10の軸(z)方向に沿って伝播する。その結果、正規化される(温かい)ワイヤは超伝導磁石巻線12の他のターンをほぼ方位角方向のクエンチ伝播の速度でクエンチし、これはピーク温度を制御下に保つことになる。
【００３３】
有利には、超伝導ループ14は非常に小さな領域を包囲するので、超伝導磁石10によって生成される磁場の不均一性に及ぼす超伝導ループ14の影響は最小である。バイファイラ巻線の場合と同様に、超伝導ループ14内の電流によって生成される磁場は、ほとんど相殺される。さらに、超伝導ループ14は、磁石10の軸方向に磁界成分を発生させない。
【００３４】
開示されるアプローチは典型的には低温超伝導体(5ケルビン以下)を有するコイルに使用されてもよいが、より高い温度(15ケルビン以上)で動作する超伝導体を有する超伝導磁石にも使用されてもよい。通常ゾーン伝播は、より高い温度では遅くなる。これはこの場合に適切な超伝導ワイヤを選択することで補償される可能性がある。
【００３５】
1つ以上の軸方向に延在する超伝導ループ14を含む例示的な超伝導磁石10は、より均一なクエンチ伝播を有する超伝導磁石から利益を得る任意の用途において使用され得る。1つの特定の用途は、磁気共鳴撮像(MRI)システムである。図5を参照すると、図1及び図2の超伝導磁石10を使用した例示的なMRIシステム50が図式的に示される。磁石10は、MRIシステム50のハウジング(の少なくとも部分)を形成するクライオスタット52内に収容される。クライオスタット52は詳細には示されていないが、例えば、円筒形の真空ジャケット付き液体ヘリウムデュワーを備えることができ、その中に磁石10が取り付けられている。クライオスタット52は、液体ヘリウム供給／通気ラインがセットアップ中にデュワーを液体ヘリウムで充電するために設けられ、その後、時々、MRIシステム50のルーチンメンテナンスの一部としてヘリウムを補給する従来の設計とすることができる。代わりに、クライオスタット52がMRIシステム50の日常的な保守の一部として補充されるように設計されていない液体ヘリウムの装填物を有する永久的に密封されるデュワーを備えてもよい。磁石10は、MRIシステム孔54内に静磁場(B0)を発生する。ボア54は密封される円筒形クライオスタット52の円筒形中央開口部とするのが適当であるが、他の設計も考えられる。MRI装置50は、MRI磁石10の超伝導磁石巻線12a、12b、12cによって生成される(B0)磁場に磁場傾斜を重畳するように構成される磁場傾斜コイル56をさらに含む。1つの好適な実施形態では、磁場傾斜コイル56が3つの傾斜コイルセット、すなわち、軸(z)方向に横切るx方向の磁場傾斜を重ね合わせるために巻かれるx傾斜コイルと、軸(z)方向に横切るとともにx方向にも横切るy方向の磁場傾斜を重ね合わせるために巻かれるy傾斜コイルと、軸(z)方向の磁場傾斜を重ね合わせるために巻かれるz傾斜コイルとを含む。磁場傾斜コイル56は典型的には抵抗性銅コイルであり、それぞれの横方向(x、y)及び長手方向(z)磁場傾斜を発生させるために、任意の従来の巻線配置を使用することができる。磁場傾斜コイル56は核磁気共鳴(NMR)の励起中にスライス選択的磁場傾斜を重畳すること、NMRの励起後に位相符号化磁場傾斜を重畳すること、NMR信号の読み出し中に周波数符号化磁場傾斜を重畳すること(位相及び周波数符号化は磁気共鳴画像の空間的再構成を可能にするNMR信号を空間的に符号化するように動作する)、共鳴状態を調製するために磁場傾斜を印加すること、NMRをスポイルすることのような種々の公知の目的のために使用される。MRIシステム50は任意選択で、NMRを励起及び／又は読み取るためのホールボディ無線周波数(RF)コイル58をさらに含むことができ、追加的に又は代替的に、NMR励起及び／又は読み取りのために局所RFコイル(図示せず)を使用することができる。患者をボア54に出し入れするための、患者支持パレット、寝台等、及び関連するロボットアクチュエータを典型的に含む患者装填システム60もまた、一般に、医用画像に使用されるMRIシステムのために提供される。MRIシステム50は当技術分野で知られているが、本明細書では説明しない多くの他の特徴を含むことができる。
【００３６】
本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されてきた。前述の詳細な説明を読み、理解すると、修正及び変更が他者に思い浮かぶ可能性がある。これら例示的な実施形態は、そのような修正及び変更が請求の範囲及びその均等物の範囲に包含される限りにおいて、それら全てを含むと解釈されることを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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