(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空断熱容器（１）と、該真空断熱容器（１）内に配置され且つ液体ヘリウム（４）が充填された液体ヘリウム槽（３）と、該液体ヘリウム槽（３）内に配置された超電導磁石（２）と、前記真空容器（１）内であって前記液体ヘリウム槽（３）を外周から囲繞する様に配置され且つ液体窒素（６）が充填された液体窒素槽（５）とを有するＮＭＲ用超電導磁石装置において、
前記液体ヘリウム槽（３）の上部に形成され、前記真空断熱容器（１）を貫通して外部に連通するヘリウム配管（３ａ）と、
前記ヘリウム配管（３ａ）に接続された減圧装置ユニット（Ａ）と、を備え、
前記減圧装置ユニット（Ａ）は、
圧力センサ（７）と、
自動弁（Ｖ１）と、
真空ポンプ（９）と、
液体ヘリウム（４）が常圧時の臨界電流値以下で前記超伝導磁石（２）が通電・励磁されて永久電流モードになされた後に、前記真空ポンプ（９）を作動させて前記液体ヘリウム槽（３）内を減圧して常圧よりも低い所定の圧力に維持し、液体ヘリウム（４）温度を低下させて前記超伝導磁石（２）の臨界電流値を高くする制御部（８）と、を一体に備え、
さらに前記制御部（８）は、前記圧力センサ（７）からの信号に基づいて、前記液体ヘリウム槽（３）内の液体ヘリウム（４）の蒸気圧の設定と、前記真空ポンプ（９）の起動，停止又は回転数調整による能力制御とを行う機能を有することを特徴とするＮＭＲ用超伝導磁石装置。
【請求項２】
前記永久電流モードにおいて前記超伝導磁石（２）に流れる電流値が、液体ヘリウム温度低下後の該超伝導磁石（２）の臨界電流値（ＩＣ）の７０％以下となる様に、前記真空ポンプ（９）にて前記液体ヘリウム槽（５）内の圧力を減圧する様にしてなる請求項１に記載のＮＭＲ用超伝導磁石装置。
【請求項３】
前記液体ヘリウム槽（３）に液面計を設け、該液体ヘリウム槽（３）内の液体ヘリウム（４）の液面が所定下限値以下になると、液体ヘリウムタンク（１２）から前記液体ヘリウム槽（３）内に液体ヘリウムを補充する様にしてなる請求項１又は２に記載のＮＭＲ用超伝導磁石装置。
【請求項４】
前記真空ポンプ（９）から排出されるヘリウムガスを、液化して液体ヘリウムタンク（１２）に戻す様にしてなる請求項１乃至３のいずれかに記載のＮＭＲ用超伝導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体ヘリウム中に超伝導磁石を浸漬して永久電流モードで使用する核磁気共鳴分析装置（ＮＭＲ）用の超伝導磁石装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＮＭＲ等の超電導磁石装置においては、この超電導磁石の冷却のための冷媒として液体ヘリウムが使用されている。係る構造の超伝導磁石装置の構成の代表例を図４に示している。
【０００３】
同図において、超伝導磁石２は、真空断熱容器１内に配置されて液体ヘリウム４が充填された液体ヘリウム槽３内に、該液体ヘリウム４に浸漬した状態で配置されており、前記液体ヘリウム槽３は、その周囲を囲繞する様に配置された液体窒素槽５により外部入熱が遮断される様になっている。即ち、真空断熱容器１からの放射熱は、前記液体窒素槽５内に充填されている液体窒素６の蒸発潜熱によって補償される様に構成されている。
【０００４】
又、前記液体窒素槽５及び液体ヘリウム槽３には、夫々前記真空断熱容器１を貫通して外部に突出する窒素配管５ａ及びヘリウム配管３ａが設けられており、前記液体窒素槽５及び液体ヘリウム槽３内において、気化潜熱によって侵入熱を補償して気化した窒素ガス及びヘリウムガスは、前記窒素配管５ａ及びヘリウム配管３ａから大気中に放出される構成となっている。尚、前記窒素配管５ａ及びヘリウム配管３ａには、外気の侵入を阻止するための逆止弁５ｂ，３ｂが夫々配置されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
係る装置を運転する場合には、前記液体ヘリウム槽３及び液体窒素槽５内に夫々液体ヘリウム４及び液体窒素６を充填して超電導磁石２を冷却し、所定の温度に達して該磁石２のコイルが超伝導状態になると、通電装置（図示せず）から通電して永久磁石モードとなし、この状態で核磁気共鳴分析（ＮＭＲ）等の超伝導磁石２の使用を開始する事になる。
【０００６】
ここで、ＮＭＲ等の永久電流モードで使用する装置では、時間的な磁場安定性（ドリフト）が要求される。例えば、ＮＭＲにおいては磁場減衰率を０．０１ｐｐｍ／ｈ以下に抑える磁場安定性が要求されている。これを実現するためには、超伝導磁石２に使用する超伝導線の臨界電流値（ＩＣ）に対する使用電流値の割合（対臨界電流値比）を、７０％以下（通常は５０〜７０％）に設定して運転する事が必要である。一方、超伝導線の臨界電流値は、発生する磁場が高くなるほど低下する傾向にあるので、高磁場を発生するには高い電流値が必要であるが、電流値を高くすると臨界電流値に近づく事になり、高磁場が要求されるＮＭＲ等の超伝導磁石装置では、対臨界電流値比を７０％以下となす事は極めて困難であった。
【０００７】
尚、超伝導線の臨界電流値以上の電流を該超伝導線に通電すると、発熱によって超伝導線が物理的に破壊され、超伝導性を喪失してしまう現象（クエンチ）が生じ、磁場を発生できなくなってしまう。
【０００８】
そこで、通常の超電導磁石装置は、常圧のヘリウム液化温度（４．２Ｋ）で運転されるが、係る高磁場が要求される場合には、特殊な真空断熱容器（クライオスタット）を用いて、液体ヘリウム温度を過冷却して４．２Ｋよりも低い温度、例えば２〜３Ｋ程度に冷却し、これにより、超伝導線の臨界電流値を高くして、運転電流値の対臨界電流値比を７０％以下となる様にする方式が一般的に採用されている。
【０００９】
これを図２によって説明する。図２は、Ｎｂ３Ｓｎを超伝導線とした超伝導磁石の臨界電流値（ＩＣ）と該超伝導磁石により発生する磁場の強さ（Ｔ）との関係を、温度をパラメータとして示したグラフであり、同図から分かる様に、１８Ｔ（テスラ）の磁場では、４．２Ｋの温度での臨界電流値ＩＣ（図中曲線ａ）は約２００Ａであるが、３．０Ｋ（図中曲線ｂ）では約４００Ａとなり、２．０Ｋ（図中曲線ｃ）では約５００Ａとなっている。従って、１８Ｔの磁場が要求される場合に、２００Ａの電流を流すと、４．２Ｋではクエンチしてしまうので使用不可能であるが、３．０Ｋまで冷却しておけば、臨界電流値ＩＣは約４００Ａに上昇するので、対臨界電流値比は約５０％となり、前述の使用電流値の対臨界電流値比を７０％以下となす事ができる。
【００１０】
しかしながら、係る方式においては、液体ヘリウム温度を常圧の液化温度以下に過冷却してこれを維持する必要があるので、励磁時の大きな発熱量や運転時の熱侵入に対抗するために、真空断熱容器１には、より完全な断熱性が要求され、冷却装置には、大きな冷凍能力が要求される事になり、特殊な真空断熱容器や大型冷凍装置が必要となる。このため、既存の超伝導磁石装置を改造してＮＭＲに適用するには、大幅な改造が要求される事になる。
【００１１】
又、停電や冷却装置が故障した場合には、液体ヘリウム温度が上昇して前記臨界電流値ＩＣが低下する結果、運転電流が該臨界電流値を越えて超伝導磁石がクエンチを引き起こす事になる。又、装置のメンテナンス時においても、慎重なクエンチ対策が必要となっていた事はいうまでもない。
【００１２】
本発明は、係る現状に鑑み、容易に対臨界電流値比を７０％以下となす事ができ、磁場減衰率を０．０１ｐｐｍ／ｈ以下に抑えて、高い磁場安定性を確保する事のできる超伝導磁石装置の運転方法及びその装置並びに該装置に使用する減圧装置ユニットの提供を目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであって、その特徴とするところは、液体ヘリウム槽内の液体ヘリウム中に超伝導磁石を浸漬して冷却した状態で超伝導状態を発生させる超電導磁石装置の運転方法において、前記超伝導磁石に通電・励磁して永久電流モードとなした後に、前記液体ヘリウム槽内を減圧する点にある。これにより、前記液体ヘリウム温度を低下させ、臨界電流値を前記永久電流モード初期状態における臨界電流値よりも高い値に移行させる事によって、運転電流値の対臨界電流値比を、容易に７０％以下に設定できる様にしたものである。
【００１４】
これは、前記超伝導磁石の永久電流モードにおける運転電流値が、該超伝導磁石の臨界電流値の７０％以下に相当するヘリウム液化温度が得られる様に、前記液体ヘリウム槽内を減圧する事により容易に達成する事が可能である。
【００１５】
上記運転方法を実施するための装置の構成としては、真空断熱容器と、該真空断熱容器内に配置され且つ液体ヘリウムが充填された液体ヘリウム槽と、該液体ヘリウム槽内に配置された超電導磁石と、前記真空容器内であって前記液体ヘリウム槽を外周から囲繞する様に配置され且つ液体窒素が充填された液体窒素槽とを有する超電導磁石装置であって、前記液体ヘリウム槽の上部に前記真空断熱容器を貫通して外部に連通するヘリウム配管を形成し、該ヘリウム配管を真空ポンプに接続し、これにより、前記超伝導磁石に通電・励磁して永久電流モードになした後に、前記真空ポンプを作動させて前記液体ヘリウム槽内を減圧して液体ヘリウム温度を低下させて、前記超伝導磁石の臨界電流値を高く設定できる様にしたものである。
【００１６】
この装置においても、永久電流モードにおいて、前記超伝導磁石に流れる電流値が、液体ヘリウム温度低下後の該超伝導磁石の臨界電流値の７０％以下となる様に、前記真空ポンプにて前記液体ヘリウム槽内の圧力を減圧する様に設定する事になる。
【００１７】
又、具体的な構成としては、圧力センサと自動弁と真空ポンプと制御部とを一体に備えた減圧装置ユニットを、前記ヘリウム配管に接続し、前記制御部にて前記圧力センサからの信号に基づいて、前記自動弁又は前記真空ポンプの制御を行い、これにより前記液体ヘリウム槽内の圧力を常圧よりも低い所定の圧力に維持する様になすのが好ましい方式である。
【００１８】
更に、この超伝導磁石装置に使用する減圧装置ユニットとして、圧力センサと自動弁と真空ポンプとが配管に直列に配置されると共に、前記圧力センサからの信号に基づいて前記自動弁又は前記真空ポンプの制御を行う制御部を有してなるものがある。
【００１９】
【発明の実施の態様】
以下に本発明を実施例に基づいて図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る超伝導磁石装置の実施例を示す要部断面図であり、内部を真空に保持されている真空断熱容器１内には、環状の超電導磁石２を内蔵した液体ヘリウム槽３と、この外周部を囲繞する様に配置され、内部に液体窒素６が充填された環状の液体窒素槽５とが配置され、液体窒素槽５には窒素配管５ａが真空断熱容器１を貫通して設けられている点は、従来の装置と同一である。
【００２０】
本発明の装置では、前記液体ヘリウム槽３から前記真空断熱容器１を貫通して設けられたヘリウム配管３ａが、従来の単なる大気開放ではなく、圧力センサ７と自動弁Ｖ３と真空ポンプ９を有し、圧力センサ７からの信号に基づいて前記自動弁Ｖ３又は真空ポンプ９を制御する制御部８を備えた減圧装置ユニットＡが接続されされている点で異なっている。尚、バルブＶ３は、該減圧装置ユニットＡの配管１０と前記ヘリウム配管３ａとの接続を開閉するストップバルブである。
【００２１】
係る構成の超伝導磁石装置の運転に当たっては、先ず、常法に従って、液体窒素槽５に液体窒素タンク（図示せず）から窒素配管５ａを通して液体窒素６を充填すると共に、図中点線で示した液体ヘリウム供給配管１３のバルブＶ２を開けて、液体ヘリウムタンク１２からタンク内圧によって液体ヘリウム槽３に液体ヘリウム４を常圧充填し、該液体ヘリウム槽３に配置された超伝導磁石２を冷却する。これにより、超伝導磁石２は、液体ヘリウム槽３内の液体ヘリウムの蒸発潜熱によって常圧におけるヘリウム液化温度である４．２Ｋにまで冷却される点は従来と同様である。
【００２２】
この様にして超伝導磁石２がヘリウム液化温度である４．２Ｋにまで冷却された状態で安定すると、前記超伝導磁石のコイルは超伝導状態に達しているので、バルブＶ２を閉じて液体ヘリウムの供給を止め、続いて、常法によって該超伝導磁石２に通電装置（図示せず）から通電して永久電流モードとなす。尚、この時点での臨界電流値（ＩＣ）は、該臨界電流値（ＩＣ）の一例を示した図２によれば、Ｎｂ３Ｓｎ製の超伝導線の場合には、１８Ｔで約２００Ａである。従って、永久電流モードとなすために供給する電流値は、該臨界電流値の２００Ａ以下、例えば１８０Ａ程度となす事が肝要である。しかしながら、この状態における対臨界電流値比は約９０％であり、磁場減衰率は大きく、磁場安定性に欠ける状態といえる。
【００２３】
そこで、本発明では、直ちにヘリウム配管３ａに接続されている前記配管１０のストップバルブＶ３を開け、前記減圧装置ユニットＡの真空ポンプ９を起動させて前記液体ヘリウム槽３の蒸発ヘリウムガスを吸引し、該液体ヘリウム槽３の圧力を常圧以下に減圧する。すると、ヘリウムの蒸気圧も低下して平衡液化温度も低下するので、液体ヘリウム温度は次第に低下し、超伝導磁石２の温度も低下する。例えば、常圧（１０１３ヘクトパスカル〔ｈＰａ〕）におけるヘリウムの液化温度は４．２Ｋであるが、約４７０ｈＰａでは３．５Ｋとなり、約２４０ｈＰａでは３．０Ｋとなる。従って、この減圧の程度は、要求する磁場の大きさと前記永久電流モードとなした時の電流値、即ち運転電流値とから臨界電流値ＩＣをどの値まで高めるかによって異なる事になるが、通常は、運転電流値の対臨界電流値比が７０％以下となる様な臨界電流値が得られる圧力となす。例えば、図２において、所要磁場強さを１８Ｔ、運転電流値を１８０Ａとした場合には、この運転電流値の対臨界電流値比は、常圧では約１８０／２００で約９０％であるが、３．０Ｋまで液体ヘリウム温度を低下させると、対臨界電流値比は約１８０／４００で約４５％となる。従って、３．０Ｋ程度に冷却する様な減圧度を選定すれば充分である事が分かる。
【００２４】
尚、上記減圧装置ユニットＡは、圧力センサ７と自動弁Ｖ１と真空ポンプ９とが直列に配置され、且つ、前記自動弁Ｖ１又は真空ポンプ９の作動を制御する制御部８を一体的に設けられてユニット化されたものである。このユニットＡにおいて、前記制御部８は、液体ヘリウム槽３内のヘリウムの蒸気圧の設定と、前記自動弁Ｖ１の開度調整、又は、前記真空ポンプ９の起動，停止又は回転数調整による能力制御を行う機能を備えているものである。従って、圧力センサ７が液体ヘリウム槽３内のヘリウムの蒸気圧を検出し、該検出信号を制御部８に送信し、該制御部８で、その検出された圧力を設定されている圧力と比較し、所定の蒸気圧以上の場合には、前記真空ポンプ９の起動又は回転数アップによる能力増加を行うか、或いは、自動弁Ｖ１の開操作又は開度アップ操作行って真空ポンプ９による吸引ヘリウム量の増加制御を行わせる。一方、前記圧力センサ７からの圧力信号が設定値以下となると、前記自動弁Ｖ１の閉操作又は開度ダウン操作、或いは、前記真空ポンプ９の停止又は回転数ダウンによる能力減少操作を行って、ヘリウムガス排出の停止又は排出量の減少制御を行う様になっている。従って、液体ヘリウム槽３内の圧力（ヘリウム蒸気圧）は、常に一定の範囲に保持される結果、該液体ヘリウム槽３内の温度も、前記設定圧力、即ち、ヘリウム蒸気圧に対応した平衡温度に維持される事になる。
【００２５】
次に、図３は、本発明の実施例を示すデータであり、図２の臨界電流値を測定したＮｂ３Ｓｎ製の超伝導線を用いたＮＭＲ用超伝導磁石における液体ヘリウム温度（減圧度）と磁場減衰率（ドリフト：ｐｐｍ／ｈ）との関係の測定値と計算値を示すグラフであり、要求磁場は１８Ｔの場合の例である。同図から分かる様に、常圧のヘリウム液化温度である４．２Ｋでは、磁場減衰率は０．０３３ｐｐｍ／ｈであり要求値の０．０１ｐｐｍ／ｈ以下を大きく上回っているが、３．７Ｋまで冷却されると０．０１ｐｐｍ／ｈ以下となり、要求条件を満足する事になる。更に、３．５Ｋまで冷却すると、磁場減衰率は０．００６ｐｐｍ／ｈ程度となり、要求条件を大幅にクリアーできる事が分かる。
【００２６】
以上説明した通り、本発明によれば、液体ヘリウムで冷却した超伝導磁石を永久電流モードにした後、液体ヘリウム槽３を真空ポンプ１０で吸引して減圧する事により、平衡蒸気圧を常圧以下に下げて液体ヘリウム温度を下げる様にしたものであって、本発明は上述した実施態様に限定されるものではなく、この思想の元に種々の変形例が存在する事はいうまでもない。例えば、前記真空ポンプ９で吸引したヘリウムガスは、そのまま大気に放出してもよいが、配管１５を通してヘリウム液化機１４に送給して液化した後、液体ヘリウムタンク１２に帰還させれば、ヘリウムの使用量を節約する事が可能となる。
【００２７】
更に、前記液体ヘリウム槽３内の液体ヘリウム４の液面計を設置しておき、ヘリウム液面が予め設定した所定の範囲内となる様に前記バルブＶ２の開閉制御を自動的に行う様にしておけば、超伝導磁石装置の無人連続運転も可能となる。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明によれば、液体ヘリウムで冷却した超伝導磁石を永久電流モードにした後、液体ヘリウム槽３を真空ポンプ９で吸引して減圧する事により、平衡蒸気圧を常圧以下に下げて液体ヘリウムの平衡温度を低下させ、これにより臨界電流値を高めて運転電流値の対臨界電流値比を下げる様にしているので、従来の如く、最初から液体ヘリウム温度を下げて運転する方式ではないので、装置構成も従来の特殊な低温対策を施した装置に比べて簡単な構造となるので、その製造コストの低減に寄与する事になる。
【００２９】
又、従来の装置に、前記減圧装置ユニットＡを取り付ければ良いだけの簡単な改良のみで容易に磁場減衰率の低い超伝導磁石装置を得る事が可能となるので、既存装置の高機能化が容易となる。
【００３０】
更に、運転電流値の対臨界電流値比を、従来に比して一層低く設定する事が可能となるので、磁場減衰率も極めて低い状態に維持する事が可能となり、ＮＭＲ等の超伝導磁石装置を長期間に亘って安定して運転する事が可能となる。この結果、ＮＭＲ等の装置の運転コストの低減が図れるのみならず、短期間でＮＭＲ分析結果が得られる等の、その波及効果は大なるものが期待される。
【００３１】
又、停電や冷却装置の故障或いはメンテナンスの場合にも、対臨界電流値比が従来に比して一層低い値に設定可能であるので、即ち、運転電流値と臨界電流値の差が大きいので、運転停止に至った時点から液体ヘリウム槽内温度の上昇による臨界電流値の低下と、これに伴う対臨界電流値比の増加に至るまでの時間的余裕が長くなるので、その間に、冷凍機の部品の交換等の必要な措置を講ずる事が可能となり、非常時対策が容易となるのみならず、メンテナンスも容易になる効果がある。
【００３２】
更に、冷凍装置が長時間停止し、液体ヘリウム槽の温度が常圧の液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）まで上昇した場合でも、対臨界電流値比は高くなるが、臨界電流値を越えてクエンチに至る事はないので、特別なクエンチ対策が不要となる利点も実用面からは、無視し得ない大きな効果である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超電導磁石装置の実施例を示す概略断面図である。
【図２】冷却温度をパラメータとした超伝導線の臨界電流値と磁場の強さとの関係を示すグラフである。
【図３】本発明方法による磁場減衰率と冷却温度との関係を示すグラフである。
【図４】従来の超電導磁石装置の例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１  真空断熱容器
２  超電導磁石
３  液体ヘリウム槽
３ａ  ヘリウム配管
４  液体ヘリウム
５  液体窒素槽
６  液体窒素
７  圧力センサ
８  制御部
９  真空ポンプ
１０  配管
１２  液体ヘリウムタンク
１４  ヘリウム液化機
【図１】
0004837202.tif 000002
【図２】
0004837202.tif 000003
【図３】
0004837202.tif 000004
【図４】
0004837202.tif 000005