(57)【要約】【課題】停電しても超伝導コイルのクエンチが起こりにくい核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置を提供する。【解決手段】極低温用冷凍機と、真空容器と、この真空容器内において、熱輻射シールド板により区画形成された熱輻射シールド室と、この熱輻射シールド室内に配設された超伝導コイルと、この超伝導コイルと前記極低温用冷凍機とに熱接触し、両者の間の熱伝導を行なうための伝熱板と、この伝熱板を介して、前記超伝導コイルに熱接触した蓄冷材とを備えた。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温用冷凍機と、
真空容器と、
この真空容器内において、熱輻射シールド板により区画形成された熱輻射シールド室と、
この熱輻射シールド室内に配設された超伝導コイルと、
この超伝導コイルと前記極低温用冷凍機に熱接触し、両者の間の熱伝導を行なうための伝熱板と、
この伝熱板を介して、前記超伝導コイルに熱接触した蓄冷材とを備えたことを特徴とする核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置。
【請求項２】
前記真空容器の外部に、停電時、超伝導コイルを流れる超伝導電流を低減、もしくはゼロにするように電流制御するための、超伝導コイル用のバックアップ電源を備えたことを特徴とする請求項１記載の核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置。
【請求項３】
前記熱輻射シールド室内に、前記伝熱板に熱接触したバックアップ用の液体ヘリウム容器を備え、該液体ヘリウム容器内に、常時、液体ヘリウムを蓄えるようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核磁気共鳴装置に用いられる超伝導磁石装置、特に、極低温用冷凍機により超伝導コイルを冷却する、核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
核磁気共鳴の測定においては、試料中の核スピンを持った核種を観測するために、試料に強い静磁場を印加する必要がある。そのため、従来は、図１に示すような、液体ヘリウムを冷媒として使用した超伝導磁石が用いられてきた。
【０００３】
図中、１は、超伝導コイルである。超伝導コイル１は、液体ヘリウムが蓄えられたヘリウムタンク２の中に浸され、極低温に維持されている。また、ヘリウムタンク２の液体ヘリウムが、蒸発して失われるのを抑えるため、ヘリウムタンク２の周囲の環境を冷やすための液体窒素が蓄えられた窒素タンク３が設けられている。ヘリウムタンク２と窒素タンク３は、外部の熱が侵入するのを防ぐために、真空容器４の中に収められ、外界から熱的に遮断されて置かれている。
【０００４】
近年、液体ヘリウムや液体窒素などの冷媒を使用しない、伝導冷却式超伝導磁石装置が提案されている（非特許文献１、特許文献１）。伝導冷却式超伝導磁石装置は、極低温冷凍機を用いて超伝導コイルを冷却することにより、冷媒の液体ヘリウムや液体窒素がなくても、電力だけで、超伝導コイルの超伝導状態を維持できるように設計されたものである。
【０００５】
図２は、核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置の一例を示したものである。図２において、この核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置は、外部からの熱侵入を避けるために、真空にされた真空容器５内に、より一層、断熱効果を高めるために、熱輻射シールド板６により区画形成された熱輻射シールド室を設け、この熱輻射シールド室内に、超伝導コイル７を収納している。
【０００６】
また、８は、超伝導コイル７を冷却する極低温用冷凍機としてのギフォード・マクマホン型冷凍機（ＧＭ冷凍機）である。このＧＭ冷凍機８は、１段ステージ８ａ、２段ステージ８ｂを備えている。１段ステージ８ａは、熱輻射シールド室を区画形成する熱輻射シールド６と熱接触し、熱輻射シールド６を、４０〜５０Ｋに冷却している。また、２段ステージ８ｂは、伝熱板９に熱接触すると共に、伝熱板９を介して、伝熱板９に熱接触している超伝導コイル７とも熱接触し、超伝導コイル７を、下部から、約４Ｋに冷却している。
【０００７】
また、熱輻射シールド室内には、核磁気共鳴の測定に際し、超伝導コイル７が発生する静磁界の歪みを補正するのに不可欠な、超伝導シムコイル１０が、伝熱板９と熱接触して、設けられている。
【０００８】
また、真空容器５の外部には、前記ＧＭ冷凍機８を稼働させるために必要な、冷凍機電源と圧縮機１２、超伝導コイル７を励磁するための励磁電源１３、超伝導シムコイル１０に電流を送るための超伝導シム電源１４が設けられている。
【０００９】
【非特許文献１】
三上行雄、桜庭順二、渡沢恵一他、「１５Ｔ冷凍機冷却型超伝導マグネットの開発」、雑誌「低温工学」（低温工学協会／低温工学会編）、第３４巻、第５号、１９９９年５月２０日発行、２００〜２０５頁
【特許文献１】
特開２００１−７７４３４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況において、伝導冷却式超伝導磁石装置を実用化する際の最大の問題点の１つは、装置が稼働中に停電すると、冷凍機が停止して、超伝導コイルの温度が上昇し、それに伴って、クエンチが発生することであった。
【００１１】
核磁気共鳴装置では、１０−９／ｈｏｕｒ以上の極度に高い磁場安定性が要求されるため、超伝導磁石がいったんクエンチを起こすと、再び、安定した状態に持って行くまでに、励磁後、数日以上に渡って、磁場の安定を待たなければならない。その間、装置が使用できなくなり、実験がストップしてしまう。
【００１２】
また、超伝導磁石の励磁は、極めて専門的な作業であり、一般の利用者が取り扱える作業ではない。したがって、停電によりクエンチが起きると、その都度、専門家に依頼を要請しなければならなかった。
【００１３】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、停電しても超伝導コイルのクエンチが起こりにくい核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明にかかる核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置は、
極低温用冷凍機と、
真空容器と、
この真空容器内において、熱輻射シールド板により区画形成された熱輻射シールド室と、
この熱輻射シールド室内に配設された超伝導コイルと、
この超伝導コイルと前記極低温用冷凍機に熱接触し、両者の間の熱伝導を行なうための伝熱板と、
この伝熱板を介して、前記超伝導コイルに熱接触した蓄冷材とを備えたことを特徴としている。
【００１５】
また、前記真空容器の外部に、停電時、超伝導コイルを流れる超伝導電流を低減、もしくはゼロにするように電流制御するための、超伝導コイル用のバックアップ電源を備えたことを特徴としている。
【００１６】
また、前記熱輻射シールド室内に、前記伝熱板に熱接触したバックアップ用の液体ヘリウム容器を備え、該液体ヘリウム容器内に、常時、液体ヘリウムを蓄えるようにしたことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図３は、本発明にかかる核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置の一実施例を示したものである。図３において、この核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置は、外部からの熱侵入を避けるために、真空にされた真空容器５内に、より一層、断熱効果を高めるために、熱輻射シールド板６により区画形成された熱輻射シールド室を設け、この熱輻射シールド室内に、超伝導コイル７を収納している。
【００１８】
また、８は、超伝導コイル７を冷却する極低温用冷凍機としてのギフォード・マクマホン型冷凍機（ＧＭ冷凍機）である。このＧＭ冷凍機８は、１段ステージ８ａ、２段ステージ８ｂを備えている。１段ステージ８ａは、熱輻射シールド室を区画形成する熱輻射シールド６と熱接触し、熱輻射シールド６を、４０〜５０Ｋに冷却している。また、２段ステージ８ｂは、伝熱板９に熱接触すると共に、伝熱板９を介して、伝熱板９に熱接触している超伝導コイル７とも熱接触し、超伝導コイル７を、下部から、約４Ｋに冷却している。
【００１９】
また、熱輻射シールド室内には、核磁気共鳴の測定に際し、超伝導コイル７が発生する静磁界の歪みを補正するのに不可欠な、超伝導シムコイル１０が、伝熱板９と熱接触して、設けられている。
【００２０】
また、真空容器５の外部には、前記ＧＭ冷凍機８を稼働させるために必要な、冷凍機電源と圧縮機１２、超伝導コイル７を励磁するための超伝導コイル励磁電源１３、超伝導シムコイル１０に電流を送るための超伝導シムコイル励磁電源１４が設けられている。
【００２１】
本実施例と従来技術との違いは、超伝導コイル７の下部に熱接触している伝熱板９に、蓄冷材から成る熱だめ１５を設けたことである。この熱だめ１５には、鉛や銅のブロック、あるいは、磁性蓄冷材のブロックなどが用いられる。熱だめ１５の存在により、突然の停電により、ＧＭ冷凍機８が稼働を停止しても、真空容器５の外部から侵入してくる熱を、熱だめ１５の保冷力によって吸収し、超伝導コイル７の温度が急激に上昇するのをくい止める。
【００２２】
これにより、停電時、超伝導コイル７の温度上昇速度を、熱だめ１５が存在しないときの温度上昇速度よりも、遅らせることができ、超伝導コイル７のクエンチを、先送りすることができる。
【００２３】
次に、図４は、本発明にかかる核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置の別の実施例を示したものである。この実施例と、図３で示した実施例との違いは、▲１▼冷凍機電源に、停電時のバックアップ電源を設けたこと、▲２▼超伝導コイルの励磁電源に、停電時のバックアップ電源を設けたこと、▲３▼超伝導シムコイルの励磁電源に、停電時のバックアップ電源を設けたこと、の３点である。
【００２４】
一般に、冷凍機の消費電力は、かなり大きく（例えば、５ｋＷ）、そのバックアップには、発電機などの大がかりな電源設備が必要となる。そのためのコスト負担が大きくなるのを避けるために、先の実施例では、熱輻射シールド室内に熱だめを設けて、停電時の超伝導コイルの温度上昇を最小限に抑える工夫を施し、発電機などの使用を回避していた。
【００２５】
ところが、停電には、瞬時の停電、落雷などによる数分間に渡る停電、電気工事のための数時間に渡る停電などがある。比較的短い時間の停電の場合は、超伝導磁石の温度マージンを大きく取っておけば、停電終了後、冷凍機が自動復帰し、再度冷却を開始することにより、クエンチを防止することができる。しかしながら、長時間に渡る停電に対処するためには、やはり、冷凍機電源へのバックアップ設備の増設が避けられない。これが、図４に示した冷凍機バックアップ電源１６である。
【００２６】
また、クエンチが発生すると、超伝導電流は、すべて熱となり、超伝導磁石の温度を上昇させる。そのエネルギーは、かなり大きく、超伝導磁石の温度を数十度上昇させる。この温度上昇を回避できれば、停電終了後、冷凍機が稼働を再開したときの、超伝導磁石の冷却時間を短縮することができる。
【００２７】
図１で示したような、冷媒による冷却方法を取る超伝導磁石装置では、電流リードは、磁石の励磁後、熱侵入防止の目的で取り外されるが、図２で示したような伝導冷却式超伝導磁石装置では、熱侵入の少ない電流リードを使用しているため、常時取り付けておくことが可能である。
【００２８】
この利点を生かして、停電時に、超伝導コイルと超伝導シムコイルの温度上昇を監視して、クエンチ発生直前の温度に到達した時に、超伝導コイルと超伝導シムコイルを流れる超伝導電流を低減、もしくはゼロにするように電流制御すれば、超伝導磁石の温度上昇を回避することが可能になる。
【００２９】
これらの操作を行なうためには、超伝導磁石の制御系と、超伝導コイルの励磁電源と、超伝導シムコイルの励磁電源とに、それぞれ、バックアップ電源を増設することが必要であるが、これらの操作に必要な電力は極めて小さく、消費電力が少なくて済むため、その増設は困難ではない。これが、図４に示した超伝導コイル励磁電源用バックアップ電源１７と、超伝導シムコイル励磁電源用バックアップ電源１８である。
【００３０】
次に、図５は、本発明にかかる核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置の別の実施例を示したものである。この実施例では、停電時に、超伝導磁石の温度上昇を抑える、熱だめに加えて、熱輻射シールド室内に、伝熱板９に熱接触する液体ヘリウムタンク１９を備えている。
【００３１】
液体ヘリウムタンク１９内に、常時、液体ヘリウムを蓄えておけば、停電により、冷凍機８が停止しても、液体ヘリウムにより、超伝導コイル７と超伝導シムコイル１０が冷却されるため、熱だめ１５のみの場合に比べて、より長時間に渡り、超伝導コイル７と超伝導シムコイル１０の温度上昇を防ぐことができる。
【００３２】
尚、液体ヘリウムタンク１９内の液体ヘリウムは、冷凍機８の稼働中は、冷凍機８により、極低温に維持されるため、蒸発量は極めて少ない。従って、液体ヘリウムタンク１９の大きさは、冷凍機８の能力、および、停電時の維持時間に応じて、決定すれば良く、冷凍機８を持たず、液体ヘリウムだけで超伝導コイルを冷却する場合に比べ、小型の液体ヘリウムタンクでも、十分に有効である。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明の核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置によれば、極低温用冷凍機と、真空容器と、この真空容器内において、熱輻射シールド板により区画形成された熱輻射シールド室と、この熱輻射シールド室内に配設された超伝導コイルと、この超伝導コイルと前記極低温用冷凍機とに熱接触し、両者の間の熱伝導を行なうための伝熱板と、この伝熱板を介して、前記超伝導コイルに熱接触した蓄冷材とを備えたので、停電しても超伝導コイルのクエンチが起こりにくい核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置を提供することことが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の核磁気共鳴装置用超伝導磁石装置を示す図である。
【図２】従来の核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置を示す図である。
【図３】本発明にかかる核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置の一実施例を示す図である。
【図４】本発明にかかる核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置の別の実施例を示す図である。
【図５】本発明にかかる核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・超伝導コイル、２・・・窒素タンク、３・・・ヘリウムタンク、４・・・真空容器、５・・・真空容器、６・・・熱輻射シールド板、７・・・超伝導コイル、８・・・冷凍機、８ａ・・・１段ステージ、８ｂ・・・２段ステージ、９・・・伝熱板、１０・・・超伝導シムコイル、１１・・・冷凍機電源、１２・・・圧縮機、１３・・・超伝導コイル励磁電源、１４超伝導シムコイル励磁電源、１５・・・熱だめ、１６・・・冷凍機バックアップ電源、１７・・・超伝導コイル励磁電源用バックアップ電源、１８・・・超伝導シムコイル励磁電源用バックアップ電源、１９・・・液体ヘリウムタンク。
【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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