(57)【要約】【課題】磁性体シム配置の自由度の高い磁性体シム機構を採用することにより、磁場均一度の補正可能範囲を広げることができる超電導マグネットの磁場調整装置及び磁場調整方法を提供する。【解決手段】円筒状の超電導マグネット２１の内周軸方向に磁性体シム機構２８を配置した超電導マグネットの磁場調整装置において、磁性体シム機構２８は、複数の分割シムトレイ１１，１２とこれらのシムトレイ間に挿入されたシムトレイスペーサー１３とを直線状に結合した組合せシムトレイ１４を備え、分割シムトレイに磁場調整用の磁性体シム１０１を収納したものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の超電導マグネットの内周軸方向に磁性体シム機構を配置した超電導マグネットの磁場調整装置において、
前記磁性体シム機構は、軸方向に分割された複数の分割シムトレイとこれらのシムトレイ間に挿入されたシムトレイスペーサーとを直線状に結合した組合せシムトレイを備え、前記分割シムトレイに磁場調整用の磁性体シムを収納したことを特徴とする超電導マグネットの磁場調整装置。
【請求項２】
前記組合せシムトレイは、軸方向の長さ寸法が異なる複数種類の分割シムトレイ及びシムトレイスペーサーが組み合わされていることを特徴とする請求項１記載の超電導マグネットの磁場調整装置。
【請求項３】
円筒状の超電導マグネットの内周軸方向に磁性体シム機構を配置した超電導マグネットの磁場調整装置において、
前記磁性体シム機構は、軸方向の長さ寸法が異なる複数種類の分割シムトレイを直線状に結合した組合せシムトレイを備え、前記分割シムトレイに磁場調整用の磁性体シムを収納したことを特徴とする超電導マグネットの磁場調整装置。
【請求項４】
円筒状の超電導マグネットの内周軸方向に磁性体シム機構を配置した超電導マグネットの磁場調整装置において、
前記磁性体シム機構は、磁性体シムを収納する複数のシムポケットの長さ方向位置が異なる複数種類のシムトレイを備え、前記シムポケットに磁場調整用の磁性体シムを収納したことを特徴とする超電導マグネットの磁場調整装置。
【請求項５】
円筒状の超電導マグネットの内周軸方向に磁性体シム機構を配置した超電導マグネットの磁場調整装置において、
前記磁性体シム機構は、磁性体シムを収納する複数のシムポケットを有するシムトレイと、前記シムポケット内に配置され前記磁性体シムの配置スペースを区切るシムトレイ内スペーサーとを備えたことを特徴とする超電導マグネットの磁場調整装置。
【請求項６】
前記組合せシムトレイは、長さ方向の取り付け位置が調整可能な端部用分割シムトレイを備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の超電導マグネットの磁場調整装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１つの超電導マグネットの磁場調整装置を備えたＭＲＩ装置。
【請求項８】
円筒状の超電導マグネットの内周軸方向に磁性体シム機構を配置した超電導マグネットの磁場調整方法において、
前記磁性体シム機構として、少なくとも軸方向に分割された複数の分割シムトレイを含みこれらを直線状に結合した組合せシムトレイを用い、
使用する組合せシムトレイの種類に応じて上記分割シムトレイの組合せ方と、各シムトレイに収納する磁性体シムの取り付け量とを同時に最適化して前記磁性体シムの配置を決定することを特徴とする超電導マグネットの磁場調整方法。
【請求項９】
前記使用する組合せシムトレイは、軸方向に分割された複数の分割シムトレイとこれらのシムトレイ間に挿入されたシムトレイスペーサーとを直線状に結合した第1の組合せシムトレイ、軸方向の長さ寸法が異なる複数種類の分割シムトレイ及びシムトレイスペーサーが組み合わされた第２の組合せシムトレイ、または軸方向の長さ寸法が異なる複数種類の分割シムトレイを直線状に結合した第３の組合せシムトレイのいずれかから選択されたものであることを特徴とする請求項７記載の超電導マグネットの磁場調整方法。
【請求項１０】
円筒状の超電導マグネットの内周軸方向に磁性体シム機構を配置した超電導マグネットの磁場調整方法において、
前記磁性体シム機構として、磁性体シムを収納する複数のシムポケットの長さ方向位置が異なる複数種類のシムトレイを用い、
前記シムトレイの種類と前記磁性体シムの配置とを同時に最適化して前記磁性体シムの配置を決定することを特徴とする超電導マグネットの磁場調整方法。
【請求項１１】
円筒状の超電導マグネットの内周軸方向に磁性体シム機構を配置した超電導マグネットの磁場調整方法において、
前記磁性体シム機構として、磁性体シムを収納する複数のシムポケットを有するシムトレイと、前記シムポケット内に配置され前記磁性体シムの配置スペースを区切るシムトレイ内スペーサーとを備えたものを用い、
前記シムトレイ内スペーサー及び前記磁性体シムを同時に最適化して前記磁性体シムの配置を決定することを特徴とする超電導マグネットの磁場調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主として磁気共鳴画像診断装置（以下ＭＲＩ装置という）に用いられる超電導マグネットの磁場調整装置及び磁場調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＩ装置においては、高磁場かつ空間的均一度及び時間的安定性の高い静磁場を必要とするため、超電導マグネットがよく用いられている。
ＭＲＩ用超電導マグネットには、磁場中心付近に例えば３ｐｐｍ以下の極めて高均一な磁場領域を発生することが求められるので、高精度な設計がなされるが、実際には、マグネットの製造過程における製作寸法誤差や、マグネットの設置した場所の周辺にある磁性体の影響などにより、実際の診断空間内の磁場均一度は悪くなってしまう。
【０００３】
そこで、超電導マグネットは、磁場の微細な調整（以下、シミングという）を行なうための手段を備えている。シミングを行なうための一つの手段として、高透磁率の磁性材料からなる磁性体シムを用いて行なうパッシブシミング法がある。この方法は、超電導マグネットの発生磁場中において、適切な位置に適切な量の磁性体シムを配置し、磁性体シムの磁化により発生する磁場を用いて超電導マグネットの高均一磁場の乱れを補正するものである。（特許文献１及び２参照）
【０００４】
図１３、図１４を用いて従来のパッシブシミング法によるシミングを説明する。図１３は、従来の磁場調整装置を含むＭＲＩ用超電導マグネットの切り欠き斜視図である。図１３において、２１は略円筒形状を有する超電導マグネットである。超電導マグネット内部には、超電導マグネットの円筒と略同心円上に複数個の超電導コイル２２があり、高均一磁場を出力すべき均一磁場空間２３に静磁場を出力している。超電導コイルは、超電導線を巻き回して作られるコイルであり、超電導コイルを超電導状態に保つために必要な冷媒である液体ヘリウム（図示せず）と共に、低温容器２４に収納されている。低温容器２４は、液体ヘリウム及び超電導コイル等を収納するヘリウム槽２５、外部からの熱侵入を遮断するための熱シールド２６、内部を真空状態に保つ真空槽２７からなる。通常、低温容器には、液体ヘリウムの消費を抑えるために冷凍機（図示せず）が接続される。
９８は磁性体シム機構であり、超電導マグネット２１の内筒に固定されている。磁性体シム機構９８は、磁性体シムを収納し均一磁場空間の周辺に配置するための機構である。
【０００５】
図１４は、磁性体シム機構９８を示す。磁性体シム機構９８は、複数の磁性体シム１０１と、それを収納し超電導マグネット内筒に固定されるシムトレイ１０２と、シムポケットの中で磁性体シムを固定するシムスペーサー１０３及び蓋１０４から構成される。
シムトレイ１０２は非磁性の材質で形成され、磁性体シム１０１を配置するシムポケット構造を有している。
磁性体シム１０１は、例えば鉄などの磁性体材料からなる薄板であり、シムポケットに収まるように縦横の寸法が一定となっており、厚さの異なる複数種類のものが用意されている。各シムポケットに配置する磁性体の量は、磁性体シムの厚さと枚数で決まる。
シムトレイ１０２には、はめ込み式の蓋１０４を固定できるように溝が切ってあり、シムポケットに磁性体シムを収納後、非磁性材料で作られたシムスペーサー１０３を充填して非磁性材料で作られた蓋１０４を閉めることによりシムポケット内部で磁性体シムを固定する。シムトレイ１０２は、超電導マグネット内筒に固定する機構を有しており、磁性体シム収納後、超電導マグネット内筒に固定される。このようにして、マグネット内筒に磁性体シムが配置され、磁場均一度の乱れを補正する。これらの磁性体シム機構は、ＭＲＩにおいては傾斜磁場コイルの構造の一部となっている場合がある。
【０００６】
前記の磁性体シム機構を用いたシミングは以下の手順で行なう。
初めに、磁性体シム１０１を取り付けない状態でマグネットを励磁し、均一磁場空間の磁場を多数点測定し、超電導マグネット２１が出力する磁場の均一性を評価する。均一磁場領域における磁場強度は一般に、Ｌｅｇｅｎｄｒｅ関数展開を用いて式（１）のように表され、（ｍ，ｎ）値によって成分で呼称される。（０，０）成分が必要な均一磁場成分で、他は全て撮像領域内で不均一な誤差磁場成分である。
次に、磁場の均一性を補正するために磁性体の配置を設計する。この設計は、測定された多数点の磁場を基に、誤差磁場成分ができるだけ少なくなるように各シムポケットに配置すべき磁性体の量を最適化する計算により行なう。計算結果はシムポケット毎の磁性体シム取り付け枚数のテーブルとして出力され、作業者はこのテーブルを基に磁性体シムの取り付けを行なう。磁性体シムの取り付けが完了したら、マグネットを励磁して、再度均一磁場空間の磁場測定を行ない、磁性体シム補正後の磁場の均一性を再評価する。
通常、１回の施工では磁場均一度を目標値にすることは難しいので、前記作業を数回繰り返し徐々に磁場均一度を向上させていく。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
【特許文献１】特開平１−２４５１５４
【特許文献２】特開昭６３−１２２４４１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記のような従来の磁性体シム機構では、シムトレイが一体成型品であったために、磁性体シムの位置の微調整ができず、磁性体シム配置の自由度が低いという問題があった。
そのため、超電導マグネットそのものの出力する磁場（以下、粗磁場という）の均一性が悪い場合には、従来の磁性体シム機構では均一度補正をしきれない場合があった。また、特定の超電導マグネット機種の粗磁場特性に対して最適設計されたシムトレイは、他の粗磁場特性を持つ超電導マグネット機種の均一度調整には流用できず、超電導マグネット機種ごとに最適なシムトレイ設計をする必要があった。
【００１０】
この発明は前記のような課題を解決するためになされたものであり、磁性体シム配置の自由度の高い磁性体シム機構を採用することにより、磁場均一度の補正可能範囲を広げることができる超電導マグネットの磁場調整装置及び磁場調整方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る磁場調整装置は、円筒状の超電導マグネットの内周軸方向に磁性体シム機構を配置した超電導マグネットの磁場調整装置において、前記磁性体シム機構は、複数の分割シムトレイとこれらのシムトレイ間に挿入されたシムトレイスペーサーとを直線状に結合した組合せシムトレイを備え、前記分割シムトレイに磁場調整用の磁性体シムを収納したものである。
【００１２】
また、この発明に係る磁場調整方法は、円筒状の超電導マグネットの内周軸方向に磁性体シム機構を配置した超電導マグネットの磁場調整方法において、前記磁性体シム機構として、磁場調整用の磁性体シムを収納する複数の分割シムトレイとこれらのシムトレイ間に挿入されたシムトレイスペーサーとを直線状に結合した組合せシムトレイを用い、前記シムトレイと前記シムトレイスペーサーの組合せ方と、前記磁性体シムの取り付け量とを同時に最適化して前記磁性体シムの配置を決定するものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、磁性体シムの位置の自由度を高めることで、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲を広げることができる。
これにより、工作精度が粗く製作寸法誤差が大きなマグネットでも、磁性体シム補正により磁場均一度を高めることができ、工作精度が高く粗磁場の均一性が高いマグネットに対しては、磁場均一度をより高くすることができる。
また、粗磁場特性の異なる複数機種のマグネットに対して、同一の磁性体シム機構を用いて均一度調整をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図面に基づいて具体的に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に係わる超電導マグネットの磁場調整装置を示す切り欠き斜視図、図２は実施の形態１の超電導マグネットの磁場調整装置に用いる磁性体シム機構の斜視図を示す。
図１において、略円筒形状を有する超電導マグネット２１の内部には、超電導マグネットの円筒と略同心円上に複数個の超電導コイル２２があり、高均一磁場を出力すべき均一磁場空間２３に静磁場を出力し、なおかつ外部への漏洩磁場を抑えている。超電導コイル２２は、例えばＮｂＴｉを超電導体とする超電導線材を巻き回して作られるコイルであり、超電導コイルを超電導に保つために必要な冷媒である液体ヘリウム（図示せず）と共に、低温容器２４に収納されている。低温容器２４は、液体ヘリウム及び超電導コイル等を収納するヘリウム槽２５、外部からの熱侵入を遮断するための熱シールド２６、内部を真空状態にたもつ真空槽２７からなる。図示していないが、液体ヘリウムの消費を抑えるため、低温容器２４には、冷凍機が接続される。
この超電導マグネット２１の内周軸方向に、高均一磁場の乱れを補正するための磁性体シム機構２８が配置される。磁性体シム機構２８は、超電導マグネット円筒部に、等間隔に例えば２４本設置される。
【００１５】
磁性体シム機構２８は、図２に示すように端部用分割シムトレイ１１、複数の分割シムトレイ１２及び複数のシムトレイスペーサー１３を直線状に結合して構成された組合せシムトレイ１４のシムポケット１５に、磁性体シム１０１及びシムスペーサー１０３を収納し、蓋１０４を被せたものである。磁性体シム機構２８の構成要素のうち、磁性体シム１０１以外は樹脂等の非磁性の材質で製作される。
端部用分割シムトレイ１１、分割シムトレイ１２、シムトレイスペーサー１３を図３に示す。分割シムトレイ１２及びシムトレイスペーサー１３には、一端部にはめ込み用爪１３１が、他端部にははめ込み用穴１３２が備わっており、はめ込み用穴１３２が開いている方の端部は中空になっている。組合せる際には、はめ込み用穴１３２側の端部（図中右側）の中空部分に、はめ込み用爪１３１側の端部（図中左側）を挿入し、はめ込み用爪１３１をはめ込み用穴１３２にはめ込み固定する。
端部用分割しムトレイ１１には、一端がマグネット固定穴１３３で、他端ははめ込み用穴１３２になっているもの、一端がマグネット固定穴１３３で、他端ははめ込み用爪１３１になっているものの２種類がある。端部用シムトレイ１１は、組合せシムトレイ１４の両端に配置される。マグネットを励磁することにより、シムトレイ全体に大きな電磁力が働くので、マグネット固定穴１３３を用いて組合せシムトレイ１４全体を超電導マグネット１の内筒端部にネジ止め固定し、シムトレイのずれ、動きを防止する。
【００１６】
これらの構成要素は、必要に応じて組合せ・取り外しができるようになっている。組合せシムトレイ１４は、磁性体シムが所望の位置になるよう、分割シムトレイ１２とシムトレイスペーサー１３を適当な並びで組合せて構成される。
シムトレイスペーサー１３の長さは、分割シムトレイ１２の全長の半分であり、組合せシムトレイ１４全体では、シムトレイスペーサー１３を２ｎ個（ｎ＝１、２、・・・、１０）使用し、分割シムトレイ１２の個数をｎ個（ｎ＝１、２、・・・、１０）減らすことで、組合せシムトレイ１４全体の長さは一定に保たれる。
なお、本実施の形態においては、組合せシムトレイ１４の構成要素間の接続・固定ははめ込み構造を利用したものであるが、ネジ止めや他の固定方法によっても同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態においては、組合せシムトレイ１４端部にはシムトレイを配置しているが、端部に取付けるのはスペーサーであっても、超電導マグネットへの固定ができれば同様の作用効果を奏する。
【００１７】
この発明の実施の形態１における磁場均一度調整について説明する。
初めに、組合せシムトレイ１４を取り付けない状態で超電導マグネット２１を励磁、均一磁場空間の磁場を多数点測定し、超電導マグネット２１が出力する磁場の均一性を評価する。磁場の均一性は、式（１）に示したＬｅｇｅｎｄｒｅ関数展開を用いて各成分に分解する。
次に、磁場の均一性を補正するための磁性体シム１０１の配置を検討する。磁性体シムの配置は、各成分に分解した誤差成分を小さくして、磁場均一度を向上させるように磁性体シムの配置、量を決定する。磁性体シムの量が多くなりすぎると、周囲の温度により磁場均一度が変化する、磁性体シム出力の設計計算値の誤差が集積し磁場均一度が向上しにくい、などの弊害があるため、磁性体シムの量はできるだけ少ない方が好ましい。そのため当該設計では、磁性体シムの合計量ができるだけ少なくなり、かつ各誤差成分の合計出力値の制約条件を満たす磁性体シムの配置を最適化計算により求める。
【００１８】
磁性体シム１０１が出力する磁場の各誤差成分は、磁性体シムの位置に依存する。図４は、半径０．４５ｍの超電導マグネット内筒に軸対象に磁性体シムを取り付けた場合、軸方向の位置によって磁性体シムの出力する（０，２）誤差成分及び（０，４）誤差成分がどのように変化するかを表すグラフであり、シムポケット３１ａ〜３６ａを有する従来の磁性体シム機構Ａとシムポケット３１ｂ〜３５ｂを有する本実施の形態１における磁性体シム機構Ｂの配置範囲を重ねて表示している。
例えば、超電導マグネット２１が（０，２）誤差成分をマイナス側に多く出しており、これを補正する場合、Ｚ座標０．１５ｍ以下の範囲に軸対象に磁性体シムを配置し、磁性体シムが当該成分をプラス側に出力することで超電導マグネットの誤差出力を打ち消す。
また、超電導マグネット２１が（０，４）誤差成分をプラス側に多く出しておりこれを補正する場合は、Ｚ座標０．１４ｍ以下の範囲に軸対象に磁性体シムを配置し、磁性体シムが当該成分をプラス側に出力することで超電導マグネットの誤差出力を打ち消す。
実際の磁性体シム配置によって前記の（０，２）及び（０，４）成分の両方を満たすためには、図４における磁性体シム機構Ａ、Ｂのいずれにおいても軸方向座標が最もゼロに近いシムポケット（シムポケット３１ａ、３１ｂ）に磁性体シムを多く配置することになる。
本実施の形態による超電導マグネットのシミングにおいては、前記のようにして（ｍ，ｎ）誤差成分の内、ｍ≦１２、ｎ≦１６以下の各成分について、誤差出力及び磁性体の使用量をできるだけ小さくするような磁性体シム配置を最適化計算により導き出す。
【００１９】
しかし、従来の磁性体シム機構Ａによっては、ｍ≦１２、ｎ≦１６の全ての誤差成分を打ち消すような配置の解が得られない、若しくは解を得られたとしても必要となる磁性体シムの量が非常に大きくなってしまう場合がある。例えば、図４の場合において、超電導電磁石の（０，２）成分がほぼゼロで（０，４）成分がマイナスに出力されている場合、磁性体シムの（０，２）成分の出力はゼロ、（０，４）成分の出力はプラスになっている必要がある。このとき、従来の磁性体シム機構Ａを用いたシミングによっては、シムポケット３１ａ〜３６ａのどれに磁性体シムを配置しても（０，２）、（０，４）成分が互いに正反対方向の出力をしてしまうため両成分を打ち消すシム配置が得られにくい。
そこでこの発明の実施の形態１では、組合せシムトレイ１４の分割シムトレイ１２の間にシムトレイスペーサー１３を挿入して、磁性体シムの配置範囲を微調整する。このようにして組み合わされた磁性体シム機構Ｂによれば、シムポケット２に磁性体シムを多く配置することにより、（０，２）成分の出力はゼロ、（０，４）成分の出力はプラスに出力され超電導マグネットの発生誤差を打ち消すことができるようになる。
【００２０】
前記のようにして最適化設計された磁性体シムをマグネットに取り付け、マグネットを励磁して、再度均一磁場空間の磁場測定を行ない、磁性体シム補正後の磁場の均一性を再評価する。通常、１回の施工では磁場均一度を目標範囲に入れることは難しいので、前記作業を数回繰り返し徐々に磁場均一度を向上させていく。
【００２１】
このようにこの発明の実施の形態１に係る磁場調整装置は、円筒状の超電導マグネットの内周軸方向に磁性体シム機構を配置した超電導マグネットの磁場調整装置において、前記磁性体シム機構は、複数の分割シムトレイとこれらのシムトレイ間に挿入されたシムトレイスペーサーとを直線状に結合した組合せシムトレイを備え、前記分割シムトレイに磁場調整用の磁性体シムを収納したことにより、磁性体シムの軸方向位置の自由度を高くすることができ、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲を広げることができる。
これにより、工作精度が粗く製作寸法誤差が大きなマグネットでも、磁性体シム補正により磁場均一度を高めることができ、工作精度が高く粗磁場の均一性が高いマグネットに対しては、磁場均一度をより高くすることができる。また、粗磁場特性の異なる複数機種のマグネットに対して、同一の磁性体シム機構を用いて均一度調整をすることができる。
【００２２】
なお本実施の形態１によれば、磁性体シム機構２８と超電導マグネット２１の固定はネジ止め、組合せシムトレイの固定方法ははめ込み構造によるものであるが、当該固定は、磁性体シムに働く電磁力により磁性体シム機構のずれ、動きを防止できればよく、ネジ止め、はめ込み構造、若しくは他の固定方法でもよい。
また、シムトレイスペーサーの長さは分割シムトレイの長さの２分の１とし、シムトレイスペーサーを２ｎ個入れたときに分割シムトレイをｎ個（ｎは整数）取り去るとしているが、この長さ比は２分の１以外でもよい。
【００２３】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２を示す組合せシムトレイ４４の断面図である。
本実施の形態２における組合せシムトレイ４４は、端部用分割シムトレイ４１ａ、４１ｂ、分割シムトレイ４２ａ〜４２ｃ、及びシムトレイスペーサー４３ａ、４３ｂのそれぞれに、軸方向の長さ寸法が異なる複数種類のものを用意し、これらの分割シムトレイに合わせた寸法の磁性体シム４５ａ〜４５ｃをセットする。組合せシムトレイ４４及び磁性体シム４５ａ〜４５ｃの構成要素以外は実施の形態１と同様である。
前記実施の形態１においては、端部用分割シムトレイ１１、分割シムトレイ１２、及びシムトレイスペーサー１３の寸法はそれぞれ１種類ずつであったのを、この実施の形態２において分割シムトレイ及びシムトレイスペーサーの寸法種類を増やし、最もシミングを行ないやすい組合せのシムトレイを選んで磁性体シムの最適化を行なう。
こうすることにより、実施の形態１による効果よりも更に磁性体シムの軸方向位置の自由度をさらに高めることができ、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲を広げることができる。
【００２４】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３を示す組合せシムトレイ５４の断面図である。
本実施の形態３における組合せシムトレイ５４は、端部用分割シムトレイ４１ａ、４１ｂ、分割シムトレイ４２ａ〜４２ｃのそれぞれそれぞれに軸方向の長さ寸法が異なる複数種類のものを用意し、これらのシムトレイに合わせた寸法の磁性体シム４５ａ〜４５ｃをセットする。組合せシムトレイ４４及び磁性体シム４５ａ〜４５ｃの構成要素以外は実施の形態１及び２と同様であるが、スペーサーを使用しない点で実施の形態１及び２と異なっている。
本実施の形態３においては、数種類の端部用分割シムトレイ４１ａ、４１ｂ及び分割シムトレイ４２ａ〜４２ｃを組合せ、最もシミングが行ないやすい組合せのシムトレイを選んで磁性体シムの最適化を行なう。
こうすることにより、磁性体シムの軸方向位置の自由度をさらに高めることができ、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲を広げることができる。また、実施の形態１及び２に比べ、シムトレイスペーサーの分だけ部品点数が減るため、実作業の効率化が図られる。
【００２５】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４を示すフロー図である。
前記実施の形態１乃至３においては、組合せシムトレイ１４、４４、５４の組合せを一つ決め、しかる後に各シムポケットへの磁性体シムの配置を最適化計算するものである。しかし組合せシムトレイは多数の部品からなるので組合せ数は膨大な数になり、全てを網羅して検討するのは困難である。例えば、軸方向寸法１２０ｍｍの分割シムトレイ及び軸方向寸法６０ｍｍのシムトレイスペーサーの組合せにより軸長１２００ｍｍの組合せシムトレイを構成する場合、考えられる組合せ数は１０９４５通りにも及ぶ。これらの組合せ全てにおける磁性体シム設計計算を手計算で行うのは事実上不可能であり、計算機によるループ計算を行っても長時間の計算が必要になるため現実的でない。そのため実施の形態１乃至3においては、それまでの経験・実績からシミング解を見つけ出しやすい組合せを数通り選び出し、各シムポッケトに対する磁性体シムの配置量のみを計算する。しかしこの方法は、シムトレイの組合せは最適化されていないので、厳密な意味で最も効率の良い磁性体シム配置ではない。
【００２６】
そこで本実施の形態においては、考えられる全ての磁性体シム配置位置に磁性体シムを配置できるものとして、その際磁性体シムの設置範囲と有り得ない組合せの排除条件を制約条件に課すことで、１回の最適化計算でシムトレイの組合せと各シムポケットの磁性体シム量を同時に最適化し、磁場均一度の補正を行うものである。具体的には、本実施の形態における磁場均一度の補正は図７に示すように以下の手順で行う。
１．使用する分割シムトレイ及びシムトレイスペーサーが決まったら、組合せシムトレイの全ての組合せで有り得るシムポケットの位置について、単位体積当たりの磁場出力表を予め作成しておく。
２．使用する分割シムトレイ及びシムトレイスペーサーの寸法から有り得ない組合せを排除するような制約条件を設定する。例えば図８において、ＡとＢ、又はＡとＣには同時に磁性体シムが配置され得るが、ＢとＣの両方に同時には磁性体シムは配置され得ない。このことは下記の式（２）のように定式化できる。式（２）中のＸＡ，ＸＢ，ＸＣはそれぞれＡ，Ｂ，Ｃに配置される磁性体シムの量である。このような定式化を、考えられる全ての組合せについて予め設定しておく。
ＸＡ×ＸB  ≧ ０
ＸＡ×ＸC  ≧ ０
ＸＢ×ＸC  ＝ ０      ・・・・（２）
３．磁場均一空間における磁場を多数点測定する。
４．式（１）によりフィッティングし、各誤差成分を求める。
５．線形計画法等の数理計画法を用いて、以下の条件で最適化計算を行なう。
最適化の目標：磁性体シム量の最少化
最適化する変数：各シムポケットへの磁性体シム取り付け量
最適化のパラメータ：（１）磁性体シムの単位体積当たり磁場出力
（２）分割シムトレイ、シムトレイスペーサーの寸法
制約条件：（１）磁場均一度（各誤差成分）、漏洩磁場
（２）磁性体シムの設置範囲
（３）有り得ない組合せの排除条件
最適化計算の結果、例えば図９のようにシムトレイの組合せ及び磁性体シム配置が出力される。図９は、１組の磁性体シム機構に関するものであり、実際には１台の超電導マグネット１に装着される２４組全ての磁性体シム機構に対して、同様のシムトレイ組合せ及び磁性体シム配置の計算結果が出力される。
６．図９の結果に従って、シムトレイを組立て、シムトレイを配置する。
７．磁場均一度を再測定し、仕様値との比較を行う。磁場均一度が仕様値を満たしていれば、磁場均一度調整は終了するが、満たしていなければ、４．に戻って再度磁場均一度調整を行う。
なお、作業時間の短縮、磁性体シムの位置再現性確保のため、２回目以降の磁性体シム取り付けにおいては、１回目でのシムトレイ組合せをそのまま使用して磁性体シムの配置量のみを変更することもある。また、作業時間短縮のため、２４本の磁性体シム機構は全て同じものを使用することもある。
このような手順を踏み、磁性体シムの配置だけでなく、組合せシムトレイをも最適化することにより、膨大な数に及ぶシムトレイの組合せを最適化計算において網羅することができ、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲の拡大、シミング設計時間の短縮を図ることができる。
【００２７】
実施の形態５．
図１０はこの発明の実施の形態５を示すシムトレイ６４ａ〜６４ｃの断面図である。
本実施の形態５におけるシムトレイ６４ａ〜６４ｃは、いずれも従来型と同じく一体構造の形成品であるが、これらの３種類のシムトレイは、お互いにシムポケットの軸方向位置が異なっている。
前記実施の形態１〜４においては、シムトレイは端部用分割シムトレイ、分割シムトレイ、及びシムトレイスペーサーの３種類の部品を組合せて１本のシムトレイを構成するものであるが、本実施の形態おいては、図１０に示すように一体成形されたシムトレイを複数種類用意しておき、どの一体型シムトレイを使用するかも含めて最適化計算を行うものである。
図１０において、シムトレイ６４ａは従来のシムトレイである。１／３ずらしシムトレイ６４ｂは、従来のシムトレイの磁性体シム取り付け位置を磁性体シムの幅の３分の１だけずらしたものであり、同様に、１／２ずらしシムトレイ６４ｃは、磁性体シムトレイの位置を磁性体シムの幅の２分の１ずらしたものである。
磁性体シム最適化の際には、どのシムトレイを使用するかを最適化の変数に含めることにより、磁性体シムの軸方向位置の自由度をさらに高めることができ、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲を広げることができる。また、前記実施の形態１〜４に比べ、シムトレイを組合せ製作する必要がなく、シミングの作業時間を短縮することができる。なお、使用するシムトレイを最適化せず、予め決めたシムトレイを使用して磁性体シムの配置のみの最適化を行なってもよい。
【００２８】
実施の形態６．
図１１はこの発明の実施の形態６を示す磁性体シム機構の断面図である。図１１において、８４はシムトレイ、８５は磁性体シム、８６はシムポケット内スペーサーである。本実施の形態においては、各シムポケットよりも小さな磁性体シムを使用し、シムポケット内スペーサー８６を用いることによりシムポケット内の任意の位置に磁性体シム８５を固定している。
これにより、磁性体シムの配置を従来よりも細かく設定することができ、シム設計の最適化の自由度が高くなり、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲が広がる。
なお本実施の形態においては、一体型シムトレイに対してこの構成を適用しているが、実施の形態１〜３、５及び６に示した組合せシムトレイ及び一体成形型シムトレイに対してこの構成を適用しても同様の作用効果を得られる。
【００２９】
実施の形態７．
図１２はこの発明の実施の形態７を示す組合せシムトレイ７４の上面図である。
本実施の形態７は、図１２に示した端部用分割シムトレイ７１を使用してシムトレイを組み立てることを特徴とする。前記実施の形態１〜４においては、磁性体シム機構を超電導マグネットに固定するために、磁性体シム機構の全長が超電導マグネット側の取り付け機構と同じ長さになるように、組み合わされるスペーサーや分割シムトレイの長さを調節する必要があるが、本実施の形態によれば、このような調節が不要な磁性体シム機構とすることができる。
以下、図１２を用いて本実施の形態における磁性体シム機構を説明する。図１２において、組合せシムトレイ７４は、端部用分割シムトレイ７１、分割シムトレイ７２、及びシムトレイスペーサー７３を直線状に接続して構成される。磁性体シム機構の端部には、磁性体シム機構全体を超電導マグネットに固定するための丸ネジ穴がついているが、本実施の形態においては、このネジ穴が、長さ方向の取り付け位置が調整可能な長穴７５となっているため、磁性体シム機構の全長が±５０ｍｍの範囲で変動しても、超電導マグネットに取り付けることができる。
これにより、磁性体シム機構の全長を一定にしなければならないという制約が大幅に緩められ、また、磁性体シムの軸方向位置を連続的に変化させることができるようになるため、シム設計の最適化の自由度が高くなり、パッシブシミング法による磁場均一度の補正可能範囲が広がる。
なお、本実施の形態においては、端部用分割シムトレイ７１及び分割シムトレイ７２のシムポケットの長さは全て同じものであるが、実施の形態１〜３のように、シムポケットの長さの異なる分割シムトレイを採用してもよいし、実施の形態５、６のように、一体形成品のシムトレイに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明における磁性体シム機構を組み込んだ超電導マグネットの斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１における磁性体シム機構の斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１における磁性体シム機構を構成する端部用分割シムトレイ、分割シムトレイ、シムトレイスペーサーの平面、側面、正面を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１における磁性体シムの出力グラフ及び磁性体シムの配置範囲を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２における磁性体シム機構の断面図である。
【図６】この発明の実施の形態３における磁性体シム機構の断面図である。
【図７】この発明の実施の形態４におけるシミングのフロー図である。
【図８】この発明の実施の形態４において組合せの制約条件を説明するための図である。
【図９】この発明の実施の形態４における最適化計算の結果によるシムトレイの組合せ及び磁性体シム配置の一例を示す説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態５における磁性体シム機構の断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態６における磁性体シム機構の断面図である。
【図１２】この発明の実施の形態７における磁性体シム機構の上面図である。
【図１３】従来の磁性体シム機構の斜視図である。
【図１４】従来の磁性体シム機構を組み込んだ超電導マグネットの斜視図である。
【図１５】式（１）における座標系の説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
11  端部用分割シムトレイ        54  組合せシムトレイ
12  分割シムトレイ              64a〜64c  シムトレイ
13  シムトレイスペーサー        71端部用分割シムトレイ
14  組合せシムトレイ            72    分割シムトレイ
15  シムポケット                73    シムトレイスペーサー
21  超電導マグネット            74    組合せシムトレイ
22  超電導コイル                75    長穴
23  均一磁場空間                84    シムトレイ
24  低温容器                    85        磁性体シム
25  ヘリウム槽                  86    シムポケット内スペーサー
26  熱シールド                  98    磁性体シム機構
27  真空槽                      101   磁性体シム
28  磁性体シム機構              102   シムトレイ
31a〜36a  シムポケット          103        シムスペーサー
31b〜35b  シムポケット          104        蓋
41a〜41c  端部用分割シムトレイ  131   はめ込み用爪
42a〜42c  分割シムトレイ        132      はめ込み用穴
43a〜43c  シムトレイスペーサー  133   マグネット固定穴１３３
44  組合せシムトレイ
45a〜45c  磁性体シム
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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