(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主マグネット（１２、１４、３６）及びシム・アセンブリ（２２、３０、５０）を備えた磁気共鳴イメージング・システム（１０）であって、
前記シム・アセンブリは強磁性材料と所定の温度幅において温度上昇に伴って自発磁化の増加を示すフェリ磁性材料とを含んでおり、前記シム・アセンブリは前記主マグネットが発生させる磁場を変更することが可能であり、
前記フェリ磁性材料は、Ｒが希土類元素からなる群より選択されかつＭが３ｄ遷移元素からなる群より選択され、またａ及びｂが数値であるとして化学式ＲａＭｂによって表される金属間化合物を含むこと、
前記強磁性材料は鉄または鉄・コバルト合金を含むこと、
前記シム・アセンブリはバインダ内に包含されたフェリ磁性材料粉末及び強磁性材料粉末を含んでおり、前記シム・アセンブリは前記主マグネットが発生させる磁場を変更し、温度上昇に伴って磁場を実質的に一定に保つことが可能であること、
シム・アセンブリ内での強磁性材料に対するフェリ磁性材料の比が、該フェリ磁性材料によって所定の温度幅において温度の上昇に伴う強磁性材料内での磁化損失を補償するように選択され、
前記フェリ磁性材料は、ＲがＤｙ、Ｓｍ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｂ及びＧｄのうちの少なくとも１つから選択された少なくとも９０原子百分率の希土類元素を含みかつＭが少なくとも９０原子百分率のＣｏを含むとしてＲ2Ｍ17を含む、
磁気共鳴イメージング・システム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁性材料に関する。詳細には、本発明は磁気共鳴イメージング・システムのシムに使用される磁性材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムは、典型的には、撮像ボリューム内に主磁場を発生させる超伝導マグネットを含む。この主磁場の不均一性はマグネットの製造許容差、並びに装置と現場の状態の結果である。磁場の不均一性は、撮像ボリューム内の位置情報を歪ませると共に画質を劣化させる。高品質の撮像のためには、撮像ボリュームの有する磁場不均一性が小さくなければならない。シム調整は主磁場の不均一性を低減させるための周知の技法の１つである。主磁場は、大きな一定磁場が該一定磁場上に小さい不均一な磁場成分を伴っているものと表現することができる。負の磁場不均一成分を生成することができれば、正味の磁場が均一となり、このことをマグネットがシム調整されたと云う。
【０００３】
磁場の不均一性を低減させるためには、アクティブまたはパッシブのシムが使用されることが知られている。アクティブ・シム調整は、常伝導性のシムコイルを用いて不均一磁場成分を相殺させるように設計した磁場を発生させることによって達成させている。パッシブ・シム調整は、炭素鋼などの強磁性材料からなるシムを用いることによって達成させている。シムの誘導された磁気双極子に起因する磁場を用いて不均一磁場成分が相殺される。シムの数、質量及び位置は周知のシム調整技法によって決定される。これらのシムは、ＭＲＩ向けに使用されるｘ、ｙ及びｚ傾斜磁場を発生させる傾斜コイル構造の近傍に配置したシム・アセンブリ内に包含されている。シム・アセンブリは傾斜コイル構造の外側セクションと熱接触している。傾斜コイルをパルス動作させる結果としてジュール損失のための熱が発生する。発生した熱の一部分はシム・アセンブリに転送され、これによりシムの温度の上昇が生じる。温度が高いほどシム材料の磁化が低下し、シムが発生させる磁場が弱くなる。これによって、磁場不均一の増加が生じる。
【特許文献１】米国特許第１，７２４，４０５号
【特許文献２】米国特許第２，２１３，０８５号
【特許文献３】米国特許第２，９８，５４８号
【特許文献４】米国特許第４，４５６，８９８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
強磁性のシム素子により発生する磁場が温度上昇によって低下するという考え方を図１及び以下の表１に表している。強磁性材料は自発的磁気モーメント、及び単位体積あたりの磁気モーメントとして定義される磁化を有している。強磁性材料内の磁気モーメントは同じ方向に整列している。キュリー温度（Ｔc）と呼ぶ温度を超えると、自発的磁気モーメント及び磁化は消失する。図１はニッケルの相対磁化の変化を温度の関数として表している。相対磁化は約０Ｋにおける磁化に対する温度Ｔにおける磁化の比として表される。横軸はキュリー温度Ｔcに対する温度Ｔの比を意味している。温度が上昇するにつれて、磁化は減少しキュリー温度において消失する。ニッケル以外の強磁性材料の例としては、鉄、コバルト、鉄合金、コバルト合金、ニッケル合金、及びＭｎＡｓやＭｎＢｉなどの金属間化合物が含まれる。表１は室温または室温近傍における磁化並びに約０Ｋにおける磁化を一覧表示したものである。表１から分かるように、室温または室温近傍における磁化の値は約０Ｋにおける磁化と比べてより低い。
【０００５】
【表１】
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【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態では、マグネットの磁場を変更するように適合させたシムは、所定の温度幅において温度上昇に伴って自発磁化の増加を示す第１の材料を含む。
【０００７】
本発明のさらに別の実施形態では、マグネットの磁場を変更するための方法は、所定の温度幅において温度上昇に伴って自発磁化の増加を示す第１の材料を含んだシムを前記磁場の内部に配置する工程を含む。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態では、磁気共鳴イメージング・システムは、主マグネット及びシム・アセンブリを備えている。このシム・アセンブリは主マグネットが発生させる磁場を変更することが可能である。このシム・アセンブリは強磁性材料と所定の温度幅において温度上昇に伴って自発磁化の増加を示すフェリ磁性材料とを含む。
【０００９】
本発明のさらに別の実施形態では、マグネットは強磁性材料と所定の温度幅において温度上昇に伴って自発磁化の増加を示すフェリ磁性材料とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者には、シムは所定の温度幅において温度上昇に伴って自発磁化の増加を示す（すなわち、ｄＭs／ｄＴ＞０）材料を含み得ることが分かっている。この材料は、温度上昇に伴うシムの磁化の減少、並びにマグネットの磁場に生じた不均一性を排除または低減するために使用することができる。
【００１１】
温度に対して強磁性材料は負の磁化変化を示すが、ある条件下で温度に対して正の自発磁化変化を示すある種の材料が存在する。本発明の一実施形態では、そのシムは、所定の温度幅において温度に伴って正の自発磁化変化を示すことが可能であり、磁場の変更が可能である磁性材料を含む。
【００１２】
このシムはある温度幅の温度に対して正の自発磁化変化を示す１つまたは複数のフェリ磁性材料を含むことが好ましい。これらの材料は、ある温度幅の温度に対して正の自発磁化変化を示す金属合金または金属間材料を含むことが好ましい。別法として、そのシムはある温度幅の温度に対して正の自発磁化変化を示すようなセラミック材料を含む。
【００１３】
本発明の一態様では、そのシムはある温度幅の温度に対して正の自発磁化変化を示す材料だけからなることがある。このシムは、マグネットの温度に伴う負の磁化変化がマグネット及びシムの所望の動作温度幅にわたるシム材料の正の磁化変化によって相殺されるように設計されている。
【００１４】
本発明の別の態様では、そのシムは、強磁性材料と温度に対して正の自発磁化変化を示すフェリ磁性金属間材料やセラミック材料などの材料とを組み合わせて含む。このシムは、強磁性材料における温度に伴う負の磁化変化が所望の動作温度幅にわたるフェリ磁性材料における正の磁化変化によって相殺されるように設計されている。強磁性材料とフェリ磁性のｄＭs／ｄＴ＞０材料との種類及び比率を調整することによって、シムの磁化及び／またはマグネットの磁化の温度に伴う変化が所望の範囲まで変更される。このシムは、５０〜９５体積百分率、好ましくは８０〜９０体積百分率の強磁性材料と、５〜５０体積百分率、好ましくは１０〜２０体積百分率のｄＭs／ｄＴ＞０を示すフェリ磁性材料と、を含むことが好ましい。
【００１５】
図２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｄは、ｄＭs／ｄＴ＞０を示す様々なシム材料について観察された自発磁化と温度の間の様々なタイプの関係を表している。図２ａでは、その材料はある温度において最大値まで上昇し、次いでＴNまでの温度上昇に伴ってゼロまで減少するような磁化を示す。図２ｂは、その磁化が０Ｋにおいてゼロに近いような材料内における温度に伴う自発磁化の変動を表している。図２ｃは、その磁化がゼロに至る温度Ｔcにおいて補償点を示すような材料内における温度に伴う自発磁化の変動を表している。この温度未満では、この材料は温度に対して負の磁化変化を示す。この温度を超えると、この材料は所与の温度幅にわたる温度に対して正の磁化変化を示す。図２ｄは、２つの部分格子磁化Ａ及びＢの相殺によって得られるＴcにおける補償点の起点を表している。所与の温度幅にわたってｄＭs／ｄＴ＞０特性を示す１つまたは複数の適当な任意の材料をシム内に使用することができる。このシムは、温度上昇に伴ってその自発磁化が、少なくとも２５％だけ、好ましくは少なくとも５０％だけ、最も好ましくは少なくとも１００％だけ増加するような材料を含むことが好ましい。
【００１６】
第１の実施形態では、鉄、ニッケル及びコバルトなどの３ｄ遷移元素（Ｍ）を伴う希土類元素（Ｒ）からなり、かつ温度に伴って正の磁化変化を示す金属間フェリ磁性材料がシムに使用される。金属間化合物は、異なっているが関連している多数の結晶構造を示す。金属間化合物の例には、ＲＭ2、ＲＭ3、Ｒ2Ｍ7、Ｒ6Ｍ23、ＲＭ5+x、及びＲ2Ｍ17の化学式をもつ化合物が含まれる。これらの化合物の磁気特性は、原子間の磁気交換結合（すなわち、Ｒ−Ｒ結合、Ｍ−Ｍ結合及びＲ−Ｍ結合）の相対強度及び符号に応じて異なる。重希土類元素（Ｇｄ以降）では、そのＲ−Ｍ結合は一般に温度上昇に伴って正の磁化変化となるような反強磁性である。
【００１７】
この第１の実施形態の好ましい一態様では、そのシムは、Ｒ2Ｍ17（ここで、Ｒは少なくとも９０重量百分率、また好ましくは約１００重量百分率の少なくとも１種の希土類元素を含み、かつＭは９０〜１００重量百分率のＣｏを含む）の金属間フェリ磁性材料を含む。この希土類元素は、Ｓｍ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、ＴｂまたはＧｄを含むことが好ましい。ＮｉやＦｅなどわずかな量の別の遷移金属元素や不可避の不純物でＣｏに置き換えることもある。この材料は、温度上昇に伴ってその磁化が約１７５％増加する（すなわち、２．７５倍になる）ようなＤｙ2Ｃｏ17を含むことが好ましい。
【００１８】
図３ａ及び３ｂは、１１種類のＲ2Ｃｏ17金属間材料に関する磁化の挙動を表している。この磁化は、１単位式（１９個の原子を含む）あたりのボーア磁子数を単位として表示している。これらの材料のうちの幾つかは約７００Ｋまでの温度に対して自発磁化が正の変化率を示す。ＲがＨｏ、Ｄｙ、ＴｂまたはＧｄを含む場合は、図３ａに示すようにＲ2Ｃｏ17金属間合金は約５０Ｋから約６００Ｋまでの温度幅において正の磁化変化率を示す。ＲがＴｍまたはＥｒを含む場合は、図３ａに示すようにＲ2Ｃｏ17金属間合金は約５０Ｋから約２５０Ｋまでの温度幅において正の磁化変化率を示す。ＲがＳｍを含む場合は、図３ｂに示すようにＲ2Ｃｏ17金属間合金は約２００Ｋから約７００Ｋまでの温度幅において正の磁化変化率を示す。しかし、ＲがＹ、Ｐｒ、ＮｄまたはＣｅを含む場合には、Ｒ2Ｃｏ17金属間合金は正の磁化変化率を示さない。もちろん、Ｒ2Ｃｏ17金属間合金は、温度に伴う自発磁化の変化率を所望の値に調整するために複数の希土類元素を含むことがある。
【００１９】
この第１の実施形態の別の態様では、そのシムは、ＲＭ3またはＲＭ2（ここで、Ｒは少なくとも９０重量百分率、また好ましくは約１００重量百分率の少なくとも１種の希土類元素を含み、かつＭは９０〜１００重量百分率のＦｅ及びＣｏから選択される遷移金属を含む）の金属間フェリ磁性材料を含む。Ｒは、ＲＭ3金属間化合物向けにはＥｒ、ＨｏまたはＧｄを、またＲＭ2金属間化合物向けにはＥｒまたはＴｍを含むことが好ましく、一方ＭはＦｅを含むことが好ましい。
【００２０】
図４及び５は、適当な金属間化合物の例であるＥｒＦｅ3、ＨｏＦｅ3、ＧｄＦｅ3、ＥｒＦｅ2、及びＴｍＦｅ2に関する温度に伴う磁化の変動を表している。ＥｒＦｅ3、ＨｏＦｅ3及びＧｄＦｅ3は、図４に示すように、約２５０から約４００Ｋまで、約４００Ｋから約５００Ｋまで、及び約６２０Ｋから約７００Ｋまでのそれぞれの温度幅のおいてｄＭs／ｄＴ＞０を示す。ＴｍＦｅ2は約２４８から約５００Ｋまでの温度幅においてｄＭs／ｄＴ＞０を示し、一方ＥｒＦｅ2はこれより高い温度において若干のｄＭs／ｄＴ＞０を示す。ｄＭs／ｄＴ＞０の温度幅は、より低い原子番号をもつ希土類元素を使用することによって上方向に変更することが可能である。例えば、Ｅｒと比べて原子番号がより小さいＨｏを使用すると補償温度が高くなる。ＨｏとＥｒの両方を（Ｈｏ，Ｅｒ）Ｆｅ3化合物内で使用すると、補償温度及びｄＭs／ｄＴ＞０の範囲はＥｒＦｅ3とＨｏＦｅ3の補償温度及び範囲の中間に来ることになる。同様に、Ｔｍと比べて原子番号がより小さいＥｒを有する合金によってＴｍＦｅ2に関する補償温度が上昇する。同様に、より大きい原子番号をもつランタン希土類系列の元素と金属間化合物を合金化することによって、その補償温度及びｄＭs／ｄＴ＞０の範囲を下方向に変更することが可能である。例えば、Ｇｄと比べてより大きな原子番号を有するＨｏとの合金化によって、ＧｄＦｅ3に関する補償温度が低下する。
【００２１】
表２は、幾つかの金属間化合物をその補償温度と共に一覧表示したものである。負の磁化変化を相殺させるための具体的な金属間化合物の選択には、補償温度（すなわち、その温度以上ではｄＭs／ｄＴ＞０となる最低温度であり、幾つかの化合物ではＭs＝０となることがある）を考慮することを含む。
【００２２】
【表２−１】
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【００２３】
【表２−２】
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【００２４】
アクチニド希土類系列からの元素を含むある金属間化合物をランタン希土類元素及び３ｄ遷移金属と合金化しても、温度に伴って正の磁化変化を示す。適当な一例は、Ｇｄ1-xＴｈxＦｅ3（ここで、ｘは合金内でのトリウムの原子比率を示す）である。図６は、上述の金属間物でｘが約０．６７に等しい場合の温度に伴う正の磁化変化を表している。ランタン要素がＬｕ、Ｙ及びＤｙである場合にもその示す挙動は同様である。
【００２５】
本発明の第２の実施形態では、ｄＭs／ｄＴ＞０の挙動を呈するシム材料はセラミック（すなわち、金属酸化物）材料である。この第２の実施形態の一態様では、そのシム材料は化学式が（Ａ，Ｄ）3Ｅ4（ここで、Ａ及びＤは異なる金属元素からなり、またＥは９５〜１００重量百分率の酸素である）であるスピネル酸化化合物である。もちろん、金属対酸素比３：４までの変動を有する不定比のスピネル化合物も使用することができる。
【００２６】
スピネル化合物の間ではｄＭs／ｄＴ＞０挙動及び／または補償点の存在は比較的稀である。こうしたスピネル群の一例は、Ｌｉ0.5ＣｒaＦｅ2.5-aＯ4（ここで、「ａ」はクロムの原子比率を表す）である。この群に関する補償点挙動は、「ａ」が約０．９に等しいところから「ａ」が約１．８に等しいところまでの範囲に及んでいる。「ａ」が約１．２５に等しい化合物に関する温度に伴う磁化の変動を図７に表している。Ｌｉ0.5Ｃｒ1.25Ｆｅ1.25Ｏ4は、磁化が消失する温度である約３１０Ｋの補償温度を有する。この温度を超えると、約４１０Ｋまで磁化は上昇する。したがって、この材料は約１００Ｋの間にわたり温度に伴って正の磁化変化率を有する。約４８０Ｋの温度すなわちキュリー温度において、その磁化は消失する。
【００２７】
フェリ磁性挙動を示す別のスピネル群は、ＮｉＦｅ2-xＶxＯ4（ここで、ｘはバナジウムの原子比率を表す）である。ｘがゼロに等しいときに、その化合物は強磁性材料の挙動と同じ挙動を示す。バナジウムの原子比率が約０．６と０．６９の間である化合物では補償点が存在する。０Ｋにおいて磁化がほぼゼロである状態は原子比率が約０．７５の化合物において起こる。
【００２８】
この第２の実施形態の別の態様では、そのシム材料は温度に伴って正の磁化変化を示す希土類・鉄・ガーネット（ＲＥＩＧ）結晶を有するセラミックである。この結晶構造は、磁気イオンによる占有が可能な３種類の格子箇所を提供する。これらの箇所のうちの１つは、ランタン希土類系列からの大きなイオンを受け容れており、このイオンはイオン１つあたりより大きな磁気モーメントを有することができるが、これ以外の２つの箇所上の３ｄ遷移金属磁気イオンとは弱い結合となっている。したがって、ＲＥＩＧ構造のフェリ磁性材料は補償点及び変曲点に関して多くの可能性を示す。
【００２９】
図８Ａは、ガーネット結晶構造に基づくと共に化学式５（Ｆｅ2Ｏ3）＊３（Ｒ2Ｏ3）（ここで、ＲはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｌｕ、Ｅｒ、Ｙｂ、及びＴｍから選択された１種または複数種の希土類系列元素を４０〜１００原子百分率含み、またＭは９０〜１００原子百分率のＦｅを含む）によって表される群の化合物に関する温度に伴う磁化変動を表している。Ｒは希土類元素以外にＹやＢｉを含むことがある。図８Ａから、ＲＥＩＧ結晶構造材料は１つの補償点を有するが、ＩＩＩ族の元素に基づくガーネット結晶構造であるイットリウム・鉄・ガーネットでは補償温度を示さないことが理解できよう。
【００３０】
別の適当なガーネット材料にはＲ3Ｍ5Ｏ12材料（ここで、Ｒは希土類元素であり、またＭは９０〜１００原子百分率のＦｅなどの遷移金属）が含まれる。図８Ｂは、これらのガーネット・セラミックに関する温度に伴う磁化変動を表している。
【００３１】
図８Ａ及び８Ｂから分かるように、ＲＥＩＧ結晶構造に基づく化合物に関する補償温度は幅広い範囲をカバーしている。ＭＲＩシステムでは、シム素子の温度は室温または室温近傍の温度（約２９８Ｋ）から約４００Ｋまでの範囲にあると推定される。ＭＲＩシステムでの利用に適した化合物の一例はＧｄ3Ｆｅ5Ｏ12である。ＲＥＩＧ結晶構造に基づく化合物はさらに、ＭＲＩシステムが動作する範囲の温度幅と比べてより高いまたはより低い動作温度でのシステムの使用にも適していることに留意すべきである。例えば、あるシステムの動作温度が１５０Ｋと２００Ｋの間にある場合に適当な材料は、Ｅｒ3Ｆｅ5Ｏ12またはＴｍ3Ｆｅ5Ｏ12である。同様に、その動作温度が３５０Ｋと４５０Ｋの間にある場合に適当な材料は、Ｇｄ3Ｆｅ5Ｏ12またはＴｂ3Ｆｅ5Ｏ12である。
【００３２】
化学式Ｒ3Ｆｅ5Ｏ12によって表されるＲＥＩＧ結晶構造では、Ｒによって占められる格子箇所は、希土類ランタン系列とＢｉまたはＹなどの適当な別の金属元素との組み合わせからなる。これらの金属元素は元素周期律表のＩＩＩ族、ＩＶ族、Ｖ族及びＶＩ族に属する。適当な元素はその原子価及び大きさによって特徴付けられる。これらの元素の原子価は、得られる化合物が原子価平衡状態となるような原子価とする。適当な元素の原子またはイオンの大きさはその原子またはイオンがその部分格子（ｓｕｂｌａｔｔｉｃｅ）にはめ込まれるような大きさとする。ＲＥＩＧ群の化合物における設計を介した材料選択の柔軟性を、化学式Ｇｄ3-xＢｉxＦｅ5Ｏ12によって表される一群の化合物に関して図９に表している。Ｇｄ3Ｆｅ5Ｏ12に関する補償温度は約２９０Ｋである。この材料内にＢｉを混入させることによってその補償温度を修正することができる。例えば図９に示すように、Ｇｄ1.75Ｂｉ1.25Ｆｅ5Ｏ12では補償温度が約１２５Ｋまで低下する。
【００３３】
磁気デバイスを製作するための方法は、（ａ）強磁性材料を提供する工程と、（ｂ）バインダを提供する工程と、（ｃ）フェリ磁性材料を提供する工程と、（ｄ）これら強磁性材料、バインダ及びフェリ磁性材料を所望の形状及び寸法を有する複合材となるように形成させる工程と、を含む。これらの強磁性材料、バインダ及びフェリ磁性材料を複合材に形成させるには、幾つかの技法が用いられる。こうした技法の１つは、所望の形状の複合材を生成させるための締固め（ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）である。適当な締固め技法には、単一軸締固め、等方静的（ｉｓｏｓｔａｔｉｃ）締固め、射出成形、押出し成形（ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）、及び熱間等静圧圧縮成形（ｈｏｔ  ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  ｐｒｅｓｓｉｎｇ）が含まれる。本発明の一実施形態では、その複合材は焼きなまし処理を受ける。この複合材に対する焼きなましは、棚型オーブン（ｔｒａｙ  ｏｖｅｎ）、流動床装置、高温炉、または焼きなましに適した周知の別の装置内で実施される。
【００３４】
本明細書で使用する場合、シムは、永久マグネットや超伝導マグネットなどのマグネットの磁場内に配置させて磁場の均一性を改善させることなどによってこの磁場に影響を及ぼすことが可能な任意の材料を含む。本発明の実施形態のシムは、所定の温度幅にわたってｄＭs／ｄＴ＞０を示すような材料を含む。このシムは、マグネットを含む任意のデバイスに使用することができる。例えばこのシムは、ＭＲＩ（磁気共鳴イメージング）などのイメージング・システム、ＮＭＲ（核磁気共鳴）及びＭＲＴ（磁気共鳴治療）システムに使用することができる。別法としてこのシムは、モータや発電機などのマグネットを含む別のデバイスに使用することができる。
【００３５】
シム素子とは、１つまたは複数のマグネットとは別に配置されたシムを含む素子である。より詳細には以下で説明するが、シムはさらにマグネット内、またはデバイスの別の部分内に組み込むこともできる。シム素子は、所与のデバイスに適した任意の形状及び大きさを有することができ、また温度に伴って正の磁化変化を示すことができるフェリ磁性材料を含むことが好ましい。
【００３６】
本発明の別の実施形態では、そのシム素子は、複数種のフェリ磁性材料を含む。本発明の別の実施形態では、そのシム素子は、１種のフェリ磁性材料と１種の強磁性材料を含む複合構造を有する。本発明の別の実施形態では、そのシム素子は、フェリ磁性材料と強磁性材料からなる別々の層を含むクラッド構造（ｃｌａｄｄｅｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する。本発明の別の実施形態では、そのシム素子は、フェリ磁性材料の幾つかの層を含む積み重ね（ｓｔａｃｋ）構造を有する。本発明の別の実施形態では、そのシム素子は、１種のフェリ磁性材料を含む積層（ｌａｍｉｎａｔｅｄ）構造を有する。本発明の別の実施形態では、そのシム素子は、１種のフェリ磁性材料を含むフィラメント構造を有する。本発明の別の実施形態では、そのシム素子は、１種のフェリ磁性材料を含むワイヤ構造を有する。本発明の別の実施形態では、そのシム素子は、１種のフェリ磁性材料を含むコイル構造を有する。本発明の別の実施形態では、そのシム素子は、１種のフェリ磁性材料を含むストリップ（ｓｔｒｉｐ）構造を有する。本発明の別の実施形態では、そのシム素子は、１種のフェリ磁性材料を含むスラブ（ｓｌａｂ）構造を有する。本発明の別の実施形態では、そのシム素子は、１種のフェリ磁性材料を含むフォイル（ｆｏｉｌ）構造を有する。
【００３７】
マグネットの磁場を変更するための方法は、磁場内部にシム素子を配置する工程を含む。このシム素子はフェリ磁性材料を含む。本発明の一実施形態では、その方法は、フェリ磁性材料を含む複数のシム素子を配置する工程を含む。本発明の別の実施形態では、その方法は、強磁性材料及びフェリ磁性材料を含むシム素子を配置する工程を含む。本発明の別の実施形態では、その方法は、強磁性材料及びフェリ磁性材料を含む複数のシム素子を配置する工程を含む。本発明の別の実施形態では、その方法は、強磁性材料を含む複数のシム素子とフェリ磁性材料を含む複数のシム素子とを配置する工程を含む。本発明の別の実施形態では、その方法は、強磁性材料を含む複数のシム素子、フェリ磁性材料を含む複数のシム素子、並びに強磁性材料及びフェリ磁性材料を含む複数のシム素子を配置する工程を含む。これらのシム素子の個数、質量及び位置は周知の技法を用いて決定される。
【００３８】
磁場を変更することが可能なシム・アセンブリは少なくとも１つのシム素子を備えている。このシム素子はフェリ磁性材料を含む。本発明の一実施形態では、そのシム・アセンブリは複数種の強磁性材料及び複数種のフェリ磁性材料を含む。本発明の別の実施形態では、その強磁性材料とフェリ磁性材料は互いに隣接させている。これら強磁性材料及びフェリ磁性材料は、複合構造、クラッド構造、フォイルやストリップの積み重ねからなる構造、あるいはスラブからなる構造の一部とすることがある。本発明の別の実施形態では、その強磁性材料はフェリ磁性材料から分離されている。シム・ホルダーのうちの幾つかはフェリ磁性材料を含むシム素子を備えることがあり、一方、別の幾つかのシム・ホルダーは強磁性材料を含むシム素子を備えている。
【００３９】
磁気共鳴イメージング・システムは主マグネット及びシム・アセンブリを備えている。シム・アセンブリは強磁性材料及びフェリ磁性材料を含む。このシム・アセンブリは、主マグネットが発生させる磁場を変更することが可能である（好ましくは、正味の磁場が実質的に一定となるようにする）。パッシブ・シム調整の原理は、シム素子が発生させる磁場が主マグネットが発生させる磁場の不均一成分に対して実質的に大きさが等しく符号が反対となるような方法によってシム・アセンブリ内におけるシム素子の分布を調整することである。これにより実質的に一定に保たれた正味磁場が得られる。
【００４０】
本発明の一態様によるＭＲＩシステムは幾つかのアセンブリを備えている。このＭＲＩシステムは主磁場を発生させる少なくとも１つの超伝導マグネット・アセンブリを備えている。この超伝導マグネット・アセンブリは、幾つかの構成要素を備えており、これには、超伝導マグネット・コイル、この超伝導マグネット・コイルを冷却するためのヘリウム容器、ヘリウムのボイルオフを減少させるための内側及び外側低温コイル、並びにその他の構造的及び機械的構成要素が含まれることがある。このＭＲＩシステムはさらに、ＭＲＩで使用するためのｘ、ｙ及びｚ傾斜磁場を発生させる主傾斜コイル・アセンブリを含むことがある。この主傾斜コイル・アセンブリは、コイル以外に構造的、機械的及び電気的な構成要素を備えている。このＭＲＩシステムはさらに、撮像ボリューム内にＲＦパルスを発生させる無線周波数（ＲＦ）コイル・アセンブリを含む。所望であれば、任意選択の副次傾斜コイル・アセンブリを用いて主傾斜コイル・アセンブリが発生させる磁場を遮蔽することができる。さらに所望であれば、主磁場の不均一性を低減させるために任意選択のアクティブ・シム調整用コイル・アセンブリも使用することができる。このＭＲＩシステムはさらに、本発明の実施形態の少なくとも１つのシム素子を含んだシム・アセンブリを含む。
【００４１】
このＭＲＩシステムは適当な任意のレイアウトを有することができる。例えば図１０に示すように、ＭＲＩシステム１０は概して共軸性のボア１６及び１８を有する１つまたは複数の超伝導マグネット・アセンブリ１２、１４を備えることがある。このアセンブリ１２、１４は支柱２０によって支持されている。各マグネット・アセンブリ１２、１４は磁場を発生させる超伝導コイルを含む。各アセンブリ１２、１４は、本発明のこの態様ではパッシブ・シム２４を保持する移動可能なシム・ドロアー（ｄｒａｗｅｒ）またはトレイ２２を備える１つまたは複数のシム・アセンブリを含んでいる。このシム２４は、マグネット・アセンブリ１２、１４が発生させた主磁場の不均一性を所定の仕様の範囲内まで低減するために、厚さ及び／またはドロアー２２内での位置によって調整される。
【００４２】
図１１に示す別の実施形態では、そのシム・アセンブリ３０は１つまたは複数のシム素子３４を含む少なくとも１つのシム・ホルダー３２を備えている。円筒状のＭＲＩ構成では、そのシム・アセンブリ３０は超伝導マグネット・アセンブリ３６と傾斜コイル・アセンブリ３８の間に配置させることがある。ＲＦコイル・アセンブリ４０は傾斜コイル・アセンブリ３８の半径方向の内方に配置させている。シム・ホルダーはＭＲＩシステムのボアの軸方向に延びる細長い誘電性部材３２を備えることがある。この部材３２は、ＭＲＩシステムの適当な構造の円筒状部材の内壁または外壁に取り付けることがある。各部材３２は１つのポケット３３を含んでいる。これらのシム３４はポケット３３内に固定されたプレート状またはシート状の要素を備えることがある。
【００４３】
図１２に示す代替的な実施形態では、そのシム・アセンブリ５０は誘電性材料から製作された管状の部材５２を備えている。ポケット５３は管状部材５２の内側または外側の側壁上に配列されている。シム５４は管状部材５２の所望のポケット５３内に配置されている。管状部材５２はさらに傾斜コイルと超伝導コイルの間に配列されることがある。
【００４４】
上では超伝導ＭＲＩシステムについて記載したが、本発明の好ましい実施形態のシム材料は永久マグネットＭＲＩシステムに使用することもできる。永久マグネットＭＲＩシステムでは、超伝導コイルが希土類・鉄・ホウ素の永久マグネットなどの２つ以上の永久マグネットに置き換えられ、これらのマグネットの間に位置する撮像ボリュームに主磁場を提供する。この永久マグネットＭＲＩシステムは、閉鎖型の管状または円筒状の構成や、開放型の構成を有することができる。例えば、その永久マグネットは、「Ｃ」字形継鉄などの継鉄上に支持されることがある。撮像ボリュームと永久マグネットの間にシムを配置させ、主磁場の不均一性を低減させている。
【００４５】
本発明の好ましい実施形態のシムには適当な任意の永久マグネット材料を使用することができる。このマグネットは希土類・遷移金属・ホウ素マグネットを含むことが好ましい。この希土類元素は、Ｎｄ及び／またはＰｒと、任意選択でＣｅと、を含むことが好ましい。遷移金属は、重量を基準として０〜２０％のＣｏまたは別の遷移金属を伴う８０〜１００％のＦｅを含むことが好ましい。これらの永久マグネットは温度変動に非常に敏感である。例えば、ＮｄＦｅＢの磁場の温度係数は約−０．１２％／Ｋである。わずか約０．１Ｋの温度変化が磁場を約１２０ｐｐｍ（ｐａｒｔｓ  ｐｅｒ  ｍｉｌｌｉｏｎ）変化させることになる。このように温度感度が高いために、本発明の好ましい実施形態のシムは、温度上昇に伴う永久マグネットの磁場の変化を補償している。
【００４６】
上述したシムは超伝導マグネットや永久マグネットとは別に配置させているが、好ましい実施形態のシムはマグネット自体の内部に組み込まれることがある。例えば、バインダによって一体に保持した永久マグネット粉末を備える永久マグネット（すなわち、いわゆるボンド型永久マグネット）では、本発明の好ましい実施形態のシム材料を粉末の形態とし、これをバインダ及び永久マグネット材料と混合して一体にすることがある。このシム材料粉末はマグネット粉末と共にバインダ内に一様に分散させることがある。別法として、そのシム材料粉末は、ボンド型マグネットの磁場の所定の不均一性を補償するために、ボンド型マグネットの特定の箇所（複数のこともある）内だけに選択的に配置することがある。所望であれば、そのシム材料は微粉末ではなくシム塊を備えており、これがボンド型マグネット内に配置されることがある。あまり好ましくはないが、固体、粉末または塊の形態をしたシム材料を、ボンド型超伝導性テープと混合して一体とさせることや、超伝導テープを囲繞する超伝導マグネットを含むシース内に配置させることがある。したがって、マグネットの温度がシム材料の磁化が増加する温度範囲にあるときは、永久マグネットや超伝導マグネット材料に関する温度に伴う負の磁化変化率が、シム材料に関する正の磁化率によって相殺される。したがって、本明細書では「シム」という用語を最大可能な広い意味で使用しており、マグネット材料とは別に配置するシム調整材料も、マグネット材料内に組み込まれたシム調整材料も含んでいる。
［実施例１］
様々な市販の強磁性材料並びに実験室で調製したフェリ磁性材料に関して磁気特性及び物理的特性を計測した。検討した強磁性材料は、市販のＦｅ（Ａｎｃｏｒｓｔｅｅｌ  ３００ＳＣ）粉末、鉄・コバルト・バナジウム合金（約２重量百分率のＶ、約４９重量百分率のＦｅ、及び約４９重量百分率びＣｏであり、製造者に応じて２Ｖ−ＰｅｒｍｅｎｄｕｒやＶａｃｏｆｌｕｘ−５０の名称で市場で知られている）、並びに鉄・コバルト合金（約５０重量百分率のＦｅ及び約５０重量百分率のＣｏ）である。フェリ磁性材料（Ｄｙ2Ｃｏ17及びＥｒＦｅ3）は精製アルゴンガス中のアーク溶融によって調製した。表３は、磁気特性の計測値を利用可能な文献から得た物理的特性と共に一覧表示したものである。
【００４７】
様々な材料に関する約１．５テスラの磁場における固有磁化（Ｂi）を表３に一覧表示している。Ｆｅ−Ｃｏ合金に関する約２４０００ガウスという値は文献から取ったものである。温度変化が約４０Ｋにわたるときの約１．５テスラの磁場における磁化変化をΔ（Ｂi）によって表している。これから分かるように、強磁性材料の値は負であるが、Ｄｙ2Ｃｏ17とＥｒＦｅ3の値はそれぞれ約＋５２５と＋５０９ガウスである。磁化変化の推定誤差は約±１５ガウスであると推定される。強磁性材料は、Ｆｅ−Ｃｏ合金の約０．５７％からＦｅ粉末の約０．８４％までの磁化損失を示している。他方、フェリ磁性材料ＥｒＦｅ3は、同じ条件下において３８％の磁化利得を示している。
【００４８】
【表３】
0004726458.tif 000005
【００４９】
強磁性材料及びフェリ磁性材料を含む複合材料に関するパラメータの計算値を表４に表している。
【００５０】
強磁性材料、フェリ磁性材料及びバインダを含む複合材料に関する推定磁化を、様々なバインダ濃度について表４に表している。温度に伴う磁化の変化率がほぼゼロになると予測される複合材内の例示的な強磁性材料の体積及び重量比率の計算値を表４に表している。Ｆｅ（３００ＳＣ）粉末による複合材では、複合材内のＥｒＦｅ3の体積比率は約０．２６になると推定され、かつ複合材内のＥｒＦｅ3の重量比率は約０．２９になると推定される。Ｆｅ（３００ＳＣ）粉末による複合材では、約１．５テスラの磁場における推定磁化は、約５０重量百分率のバインダを有する複合材に対する約８０５０ガウスからバインダのない複合材に対する約１６１０１ガウスまでの範囲にある。Ｆｅ（３００ＳＣ）、ＥｒＦｅ3及び約１５体積百分率のバインダからなる複合材に関する推定磁化は、Ｆｅ（３００ＳＣ）及び約１５体積百分率のバインダに関する推定磁化と比べて約２５パーセントだけ低い。Ｆｅ−Ｃｏ合金、ＥｒＦｅ3及び約１５体積百分率のバインダからなる複合材に関する推定磁化は、Ｆｅ（３００ＳＣ）及び約１５体積百分率のバインダに関する推定磁化と比べて約１０％低いだけ（約１６３３３ガウス対約１８１２２ガウス）である。
【００５１】
【表４−１】
0004726458.tif 000006
【００５２】
【表４−２】
0004726458.tif 000007
【００５３】
【表４−３】
0004726458.tif 000008
【００５４】
【表４−４】
0004726458.tif 000009
【００５５】
強磁性−フェリ磁性複合材シムでは、それぞれの材料の体積または重量比率を、フェリ磁性材料がｄＭs／ｄＴ＞０を示すような所定の温度幅全体またはその大部分（２５〜５０度の範囲など）において温度に伴う磁化変化がほぼゼロになるように選択することが好ましい。換言すると、温度に伴う強磁性材料内の磁化損失がフェリ磁性材料内の磁化利得によって相殺される。したがって、シム組成を決定するには、所望の温度幅における所望のフェリ磁性及び強磁性材料の温度に伴う磁化変化が決定される。次いで、所望の温度幅における複合材シムの温度に伴う磁化変化が可能な限りゼロに近づくように、複合材シム内のそれぞれの材料の体積または重量比率を選択する。
【００５６】
フェリ磁性材料は、温度に伴うその磁化の変化率が強磁性材料の変化率に対して数倍大きくなるように選択することが好ましい。したがって、シムは、１０〜３５体積百分率好ましくは２０〜２５体積百分率のフェリ磁性材料、並びに６５〜９０体積百分率好ましくは７５〜８０体積百分率の強磁性材料など、フェリ磁性材料と比べて強磁性材料をより多く含むことが好ましい。表４に示した例は、約２９８Ｋから約３３８Ｋまでの温度幅における複合材シムの温度に伴う磁化変化がほぼゼロになるようにした、３つの強磁性材料と２つのフェリ磁性材料とに関する例示的な体積及び重量比率を表している。表４にはさらに、複合材シム内においてバインダの体積比率と比較して金属（すなわち、フェリ磁性材料と強磁性材料）を異なる体積比率で備えた様々な組成を表している。フェリ磁性材料と強磁性材料は、バインダを用いずに複合材シムにするように設けられることもあることに留意すべきである。
【００５７】
本発明の別の好ましい実施形態では、強磁性材料として軟鉄が使用される。硬化鉄と比べて圧縮性がより高いため軟鉄粉末が有利である。したがって、複合材シムは、硬化鉄の強磁性材料を有する複合材シムと比べてより大きな金属対バインダ比を有することができる。金属対バインダ比が大きいほど磁化がより大きくなる。例えば中実の硬化鉄シムでは、その磁化は表３から約２１３２０ガウスとなるものと予測される。バインダを有さずに硬化鉄粉末とＤｙ2Ｃｏ17のフェリ磁性材料を含んだ複合材シムでは、その磁化は表４から約１７６３０ガウスとなるものと予測される。硬化鉄ではなくＦｅＣｏ合金を使用すると、その磁化は表４から約２０４６７ガウスとなるものと予測される。しかし、これらの材料に約０．６〜０．６５パーセントの体積比率でバインダを加えると、その磁化は表３及び４からそれぞれ、約１３．８±０．５、１１．０２±０．４、及び１２．８±０．５キロガウスとなるものと予測される。これに対して、強磁性材料として硬化鉄やＦｅＣｏ合金ではなく軟鉄を使用すると、処理コストを大幅に増大させることなくシムの金属体積比率を大きくすることができる。例えば、処理コストを大幅に増大させることなくシムの金属体積比率を０．８〜０．８５パーセントまで大きくすることができる。このケースにおいて約０．８〜０．８５の金属比率（及び約０．１５〜０．２のバインダ比率）の場合、その磁化は約１４．５±０．４キロガウスとなるものと予測され、この値は硬化鉄やＦｅＣｏ合金を含む０．６〜０．６５の金属比率に関する磁化の３つの値をすべて上回っている。
【００５８】
複合材シムは、超伝導マグネットや永久マグネットのＭＲＩで使用することが好ましい。しかし、フェリ磁性シムや強磁性−フェリ磁性複合材シムは、回転子及び固定子を含むモータや発電機など別のデバイスに使用することもできる。モータや発電機では、そのシムは適当な任意の形状を有することができる。そのシム寸法は、所望の温度幅における発電機やモータのマグネットの温度に伴う磁化変化が可能な限りゼロに近づくように選択することが好ましい。例えば、マグネット継鉄に、あるいは回転子及び／または固定子などモータや発電機の別の要素にこのシムを組み込んで、マグネットの磁場内に配置することができる。
【００５９】
本発明の別の態様では、そのシムを、磁場や磁束を利用している計測、指示及び／または記録装置内の温度補償用素子として使用することができる。これらのデバイスとしては例えば、参照によりその全体を本明細書に組み込むものとする例えば米国特許第１，７２４，４０５号、同第２，２１３，０８５号、同第２，９８，５４８号及び同第４，４５６，８９８号に記載されているようなワット時メータ、誘導メータ、温度計、及び継電器が含まれる。このシムは例えば、米国特許第４，４５６，８９８号に記載されているワットメータ・デバイスなどワット時メータの永久マグネットの脇に隣接して配置させることができる。このデバイスは、相対する永久マグネットの磁極の間で回転するアルミニウム製円盤を含んでいる。
【００６０】
本発明の特定の好ましい実施形態について上で開示してきたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に規定している本発明の精神及び趣旨を逸脱することなく本発明に対して多くの修正、置換または変形を行うことができることを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】ニッケルの磁化を理論曲線と共に温度の関数として表したグラフである。
【図２Ａ】本発明の代替的な実施形態による様々なフェリ磁性材料の磁化を温度の関数として表したグラフである。
【図２Ｂ】本発明の代替的な実施形態による様々なフェリ磁性材料の磁化を温度の関数として表したグラフである。
【図２Ｃ】本発明の代替的な実施形態による様々なフェリ磁性材料の磁化を温度の関数として表したグラフである。
【図２Ｄ】本発明の代替的な実施形態による様々なフェリ磁性材料の磁化を温度の関数として表したグラフである。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による様々なＲ2Ｃｏ17材料に関する磁化を温度の関数として表したグラフである。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による様々なＲ2Ｃｏ17材料に関する磁化を温度の関数として表したグラフである。
【図４】本発明の一実施形態によるＥｒＦｅ3、ＨｏＦｅ3及びＧｄＦｅ3に関する磁化を温度の関数として表したグラフである。
【図５】本発明の一実施形態によるＥｒＦｅ2及びＴｍＦｅ2に関する磁化を温度の関数として表したグラフである。
【図６】本発明の一実施形態によるＧｄ0.33Ｔｈ0.67Ｆｅ3に関する磁化を温度の関数として表したグラフである。
【図７】本発明の一実施形態によるスピネル化合物Ｌｉ0.5Ｃｒ1.25Ｆｅ1.25Ｏ4に関する磁化（曲線Ｉ）及び残留磁気（曲線ＩＩ）を温度の関数として表したグラフである。
【図８Ａ】本発明の一実施形態による希土類・鉄・ガーネット材料に関する磁化を温度の関数として表したグラフである。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態による希土類・鉄・ガーネット材料に関する磁化を温度の関数として表したグラフである。
【図９】本発明の一実施形態によるＧｄ3-xＢｉxＦｅ5Ｏ12に関する磁化を温度の関数として表したグラフである。
【図１０】本発明の一態様によるＭＲＩシステムの一実施形態の斜視図である。
【図１１】本発明の一態様によるＭＲＩシステムの一実施形態のＲＦコイル・アセンブリ、傾斜コイル・アセンブリ、シム・アセンブリ、及び超伝導マグネット・アセンブリを模式的に表した前側断面図である。
【図１２】本発明の別の態様によるシム・アセンブリの斜視図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０  ＭＲＩシステム
１２  超伝導マグネット・アセンブリ
１４  超伝導マグネット・アセンブリ
１６  ボア
１８  ボア
２０  支柱
２２  ドロアー、トレイ
２４  シム
３０  シム・アセンブリ
３２  シム・ホルダー
３３  ポケット
３４  シム素子
３６  超伝導マグネット・アセンブリ
３８  傾斜コイル・アセンブリ
４０  ＲＦコイル・アセンブリ
５０  シム・アセンブリ
５２  管状部材
５３  ポケット
５４  シム
【図１】
0004726458.tif 000010
【図２Ａ】
0004726458.tif 000011
【図２Ｂ】
0004726458.tif 000012
【図２Ｃ】
0004726458.tif 000013
【図２Ｄ】
0004726458.tif 000014
【図３Ａ】
0004726458.tif 000015
【図３Ｂ】
0004726458.tif 000016
【図４】
0004726458.tif 000017
【図５】
0004726458.tif 000018
【図６】
0004726458.tif 000019
【図７】
0004726458.tif 000020
【図８Ａ】
0004726458.tif 000021
【図８Ｂ】
0004726458.tif 000022
【図９】
0004726458.tif 000023
【図１０】
0004726458.tif 000024
【図１１】
0004726458.tif 000025
【図１２】
0004726458.tif 000026