(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間を囲む１つ以上の壁を有する真空チャンバーと、
真空チャンバー内に配置された熱シールドであって、前記熱シールド内の前記真空チャンバーの内部領域と、前記熱シールドと前記真空チャンバーの前記１つ以上の壁との間に配置された前記真空チャンバーの外部領域とを画定する熱シールドと、
前記真空チャンバーの内部領域内に配置された超伝導マグネットと、
超伝導マグネットを冷却するように構成されたクライオクーラーであって、前記真空チャンバーの前記内部領域内にコールドステーションを提供するクライオクーラーと、
真空チャンバーの内部領域内に配置され、真空チャンバー内の漂遊分子を吸収するように構成されたゲッター材料と、
前記ゲッター材料に隣接して配置され、前記ゲッター材料からの熱を吸収するように前記ゲッター材料と熱的に連通するサーマルマスであって、前記コールドステーションが配置される高さよりも低い高さに配置されるサーマルマスと、
前記サーマルマスと前記コールドステーションとの間に接続され、前記コールドステーションが前記サーマルマスよりも低い温度にあるとき、サーマルマスを対流的に冷却し、前記コールドステーションが前記サーマルマスよりも高い温度にあるとき、サーマルマスをコールドステーションから熱的に分離する対流冷却ループとを有する、
装置。
【請求項２】
前記装置は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置であり、
患者を保持するように構成された患者テーブルと、
ＭＲＩ装置が画像を生成する患者の部分を少なくとも部分的に囲むように構成された勾配コイルと、
無線周波信号を患者の部分に印加し、磁場のアライメントを変更するように構成された無線周波数コイルと、
前記無線周波信号に起因する磁場の変化を検出するように構成されたスキャナとを有する、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記クライオクーラーから熱を除去するように接続されたコンプレッサと、
前記超伝導マグネットへの通電動作を制御するように構成されたマグネットコントローラとをさらに有する、
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記サーマルマスは氷のサーマルマスを含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項５】
さらに、前記熱シールドを前記真空チャンバーの１つ以上の外壁に接続する複数の第１の低熱伝導支持要素を有し、熱シールドは、第１の低熱伝導支持要素を除いて真空チャンバーの外壁から隔離される、
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記真空チャンバーの内部領域内に配置された独立構造と、
前記独立構造を前記熱シールドに接続する複数の第２の低熱伝導支持要素とをさらに有し、
前記独立構造は、第２の低熱伝導支持要素を除いて熱シールドから隔離されている、
請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記サーマルマスを前記独立構造に接続する複数の第３の低熱伝導支持要素をさらに有し、
前記サーマルマスは、第３の低熱伝導支持要素を除いて熱独立構造から隔離されている、
請求項６に記載の装置。
【請求項８】
真空チャンバー内に、漂遊分子を吸収するゲッター材料と、前記ゲッター材料に隣接し、前記ゲッター材料からの熱を吸収するように前記ゲッター材料と熱的に連通するサーマルマスとを提供するステップと、
前記サーマルマスが配置されている高さよりも高い高さに配置された、前記真空チャンバー内に配置されたコールドステーションを有するクリオクーラーで、前記真空チャンバー内の超伝導磁石を冷却するステップとを有し、
対流冷却ループが、前記サーマルマスと前記コールドステーションとの間をつなぎ、前記コールドステーションが前記サーマルマスよりも低い温度にあるとき、前記サーマルマスを対流冷却し、前記コールドステーションが前記サーマルマスよりも高い温度にあるとき、前記コールドステーションから前記サーマルマスを実質的に熱的に隔離するように構成される、
方法。
【請求項９】
前記ゲッター材料を２０°Ｋ未満の温度に冷却するステップをさらに含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
複数の低熱伝導支持要素により前記真空チャンバーの外部から前記サーマルマスを熱的に隔離するステップをさらに含む、
請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、超伝導マグネットシステムが展開される極低温環境の冷却が失われた場合に、超伝導マグネットシステム内の真空を維持するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導マグネットは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析および磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）を含む様々な状況で使用される。超伝導を実現するために、マグネットは、絶対零度に近い温度の極低温環境に維持される。一般的には、マグネットは、クライオスタット内に配置され、電流が循環して磁場を発生する１つ以上の導電コイルを含む。
【０００３】
超伝導マグネットの導電コイルを極低温に維持して、通常の動作中に超伝導状態に留まるようにする多くの方法がある。
【０００４】
いくつかの超伝導マグネットシステム（例えば、いわゆる「クライオフリーシステム」）では、マグネットは真空空間内に維持され、密封システム（例えば、コールドステーションまたはコールドプレート）によって冷却される。密封システムは、比較的少量の低温流体、例えば１リットルまたは２リットルの液体ヘリウムで満たされ、導電コイルからコールドヘッドに熱を伝達するようになっている。低温流体は圧縮機を介して冷却される。
【０００５】
そのようなシステムでは、非常に低い温度（例えば、２０°Ｋ未満）に維持されるゲッターを真空空間内に設け、真空空間内に放出され得る漂遊分子を吸収するようにすることが有益である。そのような漂遊分子は熱伝導の機構となり得るからである。特に、ゲッター材料は時間の経過と共に、非常に小さな漏れから真空空間に入る可能性がある気体分子を蓄積する。
【０００６】
しかし、コールドヘッドが動作不能になる可能性がある。例えば圧縮機の誤動作のため、または圧縮機を動作させるためのＡＣ電源の喪失のためである。これにより、超伝導マグネットシステムの冷凍が停止する。このような冷凍シャットダウンは、輸送中、停電中、または装置の故障時に起こり得る。これらの場合、低温で熱容量が小さい超伝導マグネットシステム（例えば、密封システム内に少量の液体ヘリウムのみを有するクライオフリーシステム）は、急速に２０°Ｋ以上に暖まってしまうことがある。
【０００７】
一方、ゲッターが加熱されると、ゲッターで捕獲された漂遊分子が、超伝導マグネットを保持する真空チャンバーまたはクライオスタットに放出されることがある。そうなると、放出された分子を除去するために、クライオスタットの費用と時間のかかる排気が必要となることがある。
【０００８】
したがって、超伝導マグネットシステムが展開される極低温環境の冷却が失われた場合に、超伝導マグネットシステム内の真空を維持するシステムおよび方法を提供することが望ましい。
【０００９】
本発明の一態様は、装置を提供する。該装置は、真空チャンバー内に配置され、真空チャンバー内の漂遊分子を吸収するように構成された第１のゲッター材料と、前記第１のゲッター材料に隣接して配置され、前記第１のゲッター材料と熱的に連通するサーマルマスと、前記真空チャンバー内の、前記サーマルマスが配置されている高さよりも高いところに配置されたコールドステーションと、前記サーマルマスと前記コールドステーションとの間に接続され、前記コールドステーションが前記サーマルマスよりも低い温度にあるとき、サーマルマスを対流的に冷却し、コールドステーションがサーマルマスよりも高い温度にあるとき、サーマルマスをコールドステーションから熱的に分離する対流冷却ループとを有していてもよい。
【００１０】
幾つかの実施形態では、前記サーマルマスは水の氷のサーマルマスを含み得る。
【００１１】
幾つかの実施形態では、前記コールドステーションは４°Ｋコールドステーションであり得る。
【００１２】
幾つかの実施形態では、本装置は、さらに、真空チャンバーを内部領域と外部領域とに分割する真空チャンバー内に配置された熱シールドと、前記熱シールドを前記真空チャンバーの１つ以上の外壁に接続する複数の第１の低熱伝導支持要素とを有してもよく、前記熱シールドは、第１の低熱伝導支持要素を除いて、真空チャンバーの外壁から隔離されていてもよい。
【００１３】
幾つかの実施形態では、本装置は、さらに、  前記真空チャンバーの内部領域内に配置された独立構造と、前記独立構造を前記熱シールドに接続する複数の第２の低熱伝導支持要素とを有してもよく、前記独立構造は、第２の低熱伝導支持要素を除いて熱シールドから隔離されていてもよい。
【００１４】
幾つかの実施形態では、本装置は、さらに、前記サーマルマスを前記独立構造に接続する複数の第３の低熱伝導支持要素を有してもよく、前記サーマルマスは、第３の低熱伝導支持要素を除いて熱独立構造から隔離されていてもよい。
【００１５】
幾つかの実施形態では、本装置はさらに、前記サーマルマスと前記熱シールドとの間の第１の領域内に配置された熱反射構造を有してもよい。
【００１６】
幾つかの実施形態では、前記第１のゲッター材料は活性化炭材料を含んでいてもよい。
【００１７】
幾つかの実施形態では、本装置はさらに、前記第１のゲッター材料からは分離され、前記コールドステーションに隣接して配置され、熱的に連通した第２のゲッター材料を含んでいてもよい。
【００１８】
幾つかの実施形態では、本装置はさらに、前記真空チャンバーの外部に配置され、前記コールドステーションに接続され、前記コールドステーションから前記真空チャンバーの外部に熱を伝導するように構成されたコンプレッサを有してもよい。
【００１９】
本発明の他の一態様は、装置を提供する。該装置は、前記真空チャンバーの内部空間を囲む１つ以上の壁を有する真空チャンバーと、真空チャンバー内に配置された熱シールドであって、前記熱シールド内の前記真空チャンバーの内部領域と、前記熱シールドと前記真空チャンバーの前記１つ以上の壁との間に配置された前記真空チャンバーの外部領域とを画定する熱シールドと、前記真空チャンバーの内部領域内に配置された超伝導マグネットと、超伝導マグネットを冷却するように構成されたクライオクーラーであって、前記真空チャンバーの前記内部領域内に少なくとも１つのコールドステーションを提供するクライオクーラーと、真空チャンバーの内部領域内に配置され、真空チャンバー内の漂遊分子を吸収するように構成されたゲッター材料と、前記ゲッター材料に隣接して配置され、前記ゲッター材料と熱的に連通するサーマルマスであって、前記少なくとも１つのコールドステーションが配置される高さよりも低いところに配置されるサーマルマスと、前記サーマルマスと前記コールドステーションとの間に接続され、前記コールドステーションが前記サーマルマスよりも低い温度にあるとき、サーマルマスを対流的に冷却し、コールドステーションがサーマルマスよりも高い温度にあるとき、サーマルマスをコールドステーションから熱的に分離する対流冷却ループとを有していてもよい。
【００２０】
幾つかの実施形態では、前記装置は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）装置であってもよく、さらに、患者を保持するように構成された患者テーブルと、ＭＲＩ装置が画像を生成する患者の部分を少なくとも部分的に囲むように構成された勾配コイルと、無線周波信号を患者の部分に印加し、磁場のアライメントを変更するように構成された無線周波数コイルと、前記無線周波信号に起因する磁場の変化を検出するように構成されたスキャナとを有してもよい。
【００２１】
幾つかの実施形態では、本装置は、さらに、  前記クライオクーラーから熱を除去するように接続されたコンプレッサと、前記超伝導マグネットへの通電動作を制御するように構成されたマグネットコントローラとを有してもよい。
【００２２】
幾つかの実施形態では、前記サーマルマスは水の氷のサーマルマスを含み得る。
【００２３】
幾つかの実施形態では、本装置は、さらに、前記熱シールドを前記真空チャンバーの１つ以上の外壁に接続する複数の第１の低熱伝導支持要素を有してもよく、熱シールドは、第１の低熱伝導支持要素を除いて真空チャンバーの外壁から隔離されてもよい。
【００２４】
幾つかの実施形態では、本装置はさらに、前記真空チャンバーの内部領域内に配置された独立構造と、前記独立構造を前記熱シールドに接続する複数の第２の低熱伝導支持要素とを有してもよく、前記独立構造は、第２の低熱伝導支持要素を除いて熱シールドから隔離されていてもよい。
【００２５】
幾つかの実施形態では、本装置は、さらに、前記サーマルマスを前記独立構造に接続する複数の第３の低熱伝導支持要素を有してもよく、前記サーマルマスは、第３の低熱伝導支持要素を除いて熱独立構造から隔離されていてもよい。
【００２６】
本発明のさらに別の一態様は、方法を提供する。該方法は、真空チャンバー内にゲッター材料に隣接し、ゲッター材料からの熱を吸収するようにゲッター材料と熱的に連通するサーマルマスを提供するステップと、真空チャンバー内の、サーマルマスがサーマルマスが配置されている高さよりも高いところに配置されたコールドステーションでサーマルマスを冷却するステップであって、冷却はサーマルマスとコールドステーションとの間に接続された対流冷却ループを介して行われる、ステップと、真空チャンバー内の漂遊分子を、冷却されたゲッター材料で吸収するステップとを含んでも良く、前記対流冷却ループは、前記コールドステーションが前記サーマルマスよりも高い温度にあるとき、前記コールドステーションから前記サーマルマスを実質的に熱的に隔離してもよい。
【００２７】
幾つかの実施形態では、本方法はさらに、前記ゲッター材料を２０°Ｋ未満の温度に冷却するステップを含んでいてもよい。
【００２８】
幾つかの実施形態では、本方法はさらに、複数の低熱伝導支持要素により前記真空チャンバーの外部から前記サーマルマスを熱的に隔離するステップを含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
本発明は、添付図面に関連して以下に提示される例示的な実施形態の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
【図１】磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムの例示的実施形態を示す図である。
【図２】ＭＲＩ装置に含まれ得る超伝導マグネットシステムの例示的な実施形態を示す図である。
【図３】ＭＲＩ装置に含まれ得る超伝導マグネットシステムに使用され得るゲッターのための冷却装置の例示的な実施形態を示す図である。
【図４】冷却が中断されたときの超伝導マグネットシステム内の真空を維持する方法のいくつかの例示的な要素を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態を示した添付図面を参照して、本発明をより詳しく説明する。しかし、本発明は、異なる形式で実施でき、ここに開示した実施形態だけに限定されると解釈してはならない。むしろ、これらの実施形態は、本発明の教示例として提供される。本開示および特許請求の範囲において、何かがおおよそ一定の値を持っていると言うとき、それはその値の１０％以内であることを意味し、何かがある値を持っていると言うとき、それはその値の２５％以内であることを意味する。
【００３１】
図１は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム１００の例示的実施形態を示す図である。ＭＲＩ装置１００は、マグネット１０２と；患者１０を保持するように構成された患者テーブル１０４と；ＭＲＩ装置１００が画像を生成する患者１０の少なくとも一部を少なくとも部分的に取り囲むように構成された勾配コイル１０６と；イメージングされている患者１０の少なくとも一部に高周波信号を印加し、磁場のアライメントを変更するように構成された高周波コイル１０８と；高周波信号に起因する磁場の変化を検出するように構成されたスキャナ１１０とを含む。
【００３２】
ＭＲＩ装置の一般的な動作は周知であるので、ここでは繰り返さない。
【００３３】
図２は、ＭＲＩ装置に含まれ得る超伝導マグネットシステム２００の例示的な実施形態を示す。特に、超伝導マグネットシステム２００は、ＭＲＩ装置１００のマグネット１０２の一実施形態であってもよい。さらに、超伝導マグネットシステム２００は、超伝導マグネットシステムの一例であって、超伝導マグネットシステムが展開される極低温環境の冷却が失われた場合に真空を維持するために、以下に説明するシステムおよび方法を提供することができるものである。そのようなシステムおよび方法の例を、以下により詳細に説明する。
【００３４】
超伝導マグネットシステム２００は、クライオスタット２１０と、クライオスタット２１０の外壁またはエンクロージャによって確成された密閉空間内に配置された熱シールド２１３とを含む。熱シールド２１３は、第１の内部断熱領域２１２ａ（以下、「内部領域２１２ａ」）と、第２の外部断熱領域２１２ｂ（以下、「外部領域２１２ｂ」）を確成し、その各々は、以下に説明するように、気体、液体などが除去された排気空間であってもよく、導電リードおよび他の構成要素によって占められている領域を除いて真空である。したがって、クライオスタット２１０は真空チャンバーであると考えることもできる。
【００３５】
超伝導マグネットシステム２００は、１つ以上の導電コイル２３０として形成された超伝導マグネットと、クライオスタット２１０の内部領域２１２ａ内に配置された永久電流スイッチ２４０とを含む。超伝導マグネットシステム２００はまた、圧縮機２７０によって駆動され、クライオスタット２１０を冷却する第１の冷却段３０２および第２の冷却段３０３を有するコールドヘッド３０１を含む低温冷却器と；超伝導マグネット（すなわち、導電コイル２３０）への通電動作を制御するように構成されたマグネットコントローラ２８０とを含む。
【００３６】
超伝導マグネットシステム２００はさらに、第１および第２の導電リード２０１および２０２と、第３および第４の導電リード２０３および２０４と、第５および６の導電リード２０５および２０６と、第７および第８の導電リード２０７および２０８とを含む。
【００３７】
超伝導マグネットシステム２００は、「クライオフリー（ｃｒｙｏｆｒｅｅ）」システムまたは密封システムであり、クライオスタット２１０には、極低温材料（例えば、液体ヘリウム）を加える手段は設けられていない。従って、超伝導マグネットシステム２００は、コールドヘッド３０１に接続され、コールドヘッド３０１によって冷却されるコールドプレート２６０を含む。有益にも、コールドプレート２６０は、極低温流体、例えば液体ヘリウムで満たされ、それを循環させる閉鎖系であってもよい。次に、コールドプレート３６０は、導電コイル２３０を約４°Ｋの温度まで冷却する。この温度で導電コイル２３０は超伝導になる。
【００３８】
したがって、動作中、いくつかの例示的な実施形態では、内部領域２１２ａの温度は約４．２°Ｋであり得る。さらに、熱シールド２１３の温度は、約４０°Ｋであってもよい。この場合、クライオスタット２１０の外部の周囲室温が例えば３００°Ｋである場合、内部領域２１２ａによって確成される空間における温度降下は、約４．２°Ｋから約４０°Ｋまでの範囲にあってもよく、外部領域２１２ｂによって確成される空間における温度降下は、約４０°Ｋから約３００°Ｋまでの範囲内にあってもよい。
【００３９】
永久電流スイッチ２４０は、小さなヒータに取り付けられた第７および第８の導電リード２０７および２０８を介して導電コイル２３０の両端に接続された一片の超伝導体ワイヤを有しても良い。
【００４０】
マグネットコントローラ２８０は、と、不揮発性メモリおよび揮発性メモリを含むメモリとを備えることができる。不揮発性メモリは、プロセッサに、超伝導マグネットシステム２８０の動作を制御する１つ以上のアルゴリズム、例えば、導電コイル２３０に通電するプロセスを実行させるプログラミングコードまたは命令（ソフトウェア）を格納することができる。マグネットコントローラ２８０は、スイッチ２１５、２２５と、第１および第２の導電リード２０２、２０４に接続され、それらの動作を制御することもできる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、第５および第６の導電リード２０５および２０６はそれぞれ、低損失リードであり、クライオスタット２１０の内部領域２１２ａに最小量の外部熱を伝導する。有益にも、第５および第６の導電リード２０５および２０６はそれぞれ、比較的高い温度、例えば５０°Ｋを超える温度、特に７７°Ｋ付近の温度で超伝導を示す材料からできていてもよい。有益にも、第３および第４の導電リード２０３および２０４、ならびに第５および第６の導電リード２０５および２０６は、熱シールド２１３に熱的に固定されてもよい。いくつかの実施形態では、第３および第４の導電リード２０３および２０４は、銅または真ちゅうでできていてもよい。
【００４２】
一変形例では、超伝導マグネットシステム２００は、クライオスタット２１０内に配置され、導電（超伝導）コイル２３０への通電中に、マグネットコントローラ２８０によって制御される、第１および第２の導電リード２０１および２０２を第３および第４の導電リード２０３および２０４に選択的に接続するように構成されている第１および第２のスイッチ２１５および２２５を含む。
【００４３】
超伝導マグネットシステム２００の別の変形例では、第１および第２の導電リード２０１および２０２はそれぞれ、マグネットコントローラ２８０の制御のもとで引き込み可能かつ伸長可能な引き込み可能なリードであってもよい。第１および第２の導電リード２０１および２０２は、格納位置では、クライオスタット２１０の完全に外部に、または実質的に完全に外部に配置される、伸長位置では、クライオスタット２１０内に延在し、第３および第４の導電リード２０３および２０４と係合し、（例えば、接点または転送スイッチ２１５および２２５を介して）電気的に接続されるように設定可能であってもよい。
【００４４】
超伝導マグネットシステム２００の始動動作の間、永久電流スイッチ２４０内のワイヤはその転移温度より高い温度に加熱され、それにより抵抗性になる。マグネットコントローラ２８０は、スイッチ２３５を閉じ、外部電源を、第１および第２の導電リード２０１および２０２に接続し、それによって（例えば、第５、第６、第７および第８の導電リード２０５，２０６，２０７および２０８を介して）導電コイル２３０に接続する。いくつかの実施形態では、これは、マグネットコントローラ２８０が、第１および第２の導電リード２０１および２０２を、クライオスタット２１０内に延在させて、（例えば、接触または転送スイッチ２１５および２２５を介して）第３および第４の導電リード２０３および２０４と係合し、電気的に接続されることを意味する。他の実施形態では、これは、マグネットコントローラ２８０が、第１および第２のスイッチ２１５および２２５を閉じて、第１および第２の導電リード２０１および２０２を、第３および第４の導電リード２０３および２０４に接続することを意味し得る。
【００４５】
導電コイル２３０は、外部電源によって最初に通電され、導電コイル２３０に電流を流す。永久電流スイッチ２４０内のワイヤは、始動動作中に加熱されているので、その抵抗は、導電コイル２３０の抵抗よりも大幅に大きく、外部電源からの電流は、導電コイル２３０を通る。導電コイル２３０は、コールドプレート２６０によって冷却されるので、導電コイル２３０は、超伝導状態になり、超伝導マグネットとして機能する。
【００４６】
永久モードに移行するために、導電コイル２３０を通る電流は、所望の磁場が得られるまで調整され、永久電流スイッチ２４０のヒータがオフにされる。ヒータがオフにされた後、永久電流スイッチ２４０内の超伝導体ワイヤは、上述したように、その超伝導温度まで冷却され、導電コイル２３０を短絡する。次に、マグネットコントローラ２８０は、第１および第２の導電リード２０１および２０２を、それぞれ第３および第４の導電リード２０３および２０４から切り離し、それにより外部電源を導電コイル２３０から切り離す。いくつかの実施形態では、これは、マグネットコントローラ２８０が、クライオスタット２１０からの第１および第２の導電リード２０１および２０２を第３および第４の導電リード２０３および２０４から引き離し、第３および第４の導電リード２０３および２０４から電気的に切り離すことを意味する。他の実施形態では、これは、マグネットコントローラ２８０が、第１および第２のスイッチ２１５および２２５を開き、第１および第２の導電リード２０１および２０２を、第３および第４の導電リード２０３および２０４から切断することを意味し得る。その後、導電（超伝導）コイル２３０は、コールドプレート２６０内を循環する極低温流体（例えば、液体ヘリウム）を介して、コールドヘッド３０１によって冷却され続ける。
【００４７】
上記のように、漂遊分子（ｓｔｒａｙ  ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）が、非常に小さな漏れからクライオスタット２１０の真空空間に放出され得る。このような漂遊分子は、熱伝導の機構となり得る。従って、ゲッター（図２には図示せず）が、クライオスタット２１０内、特に、非常に低い温度（例えば、２０°Ｋ未満）に維持されたクライオスタットの内部領域２１２ａ内に設けて、それらの漂遊分子を吸収することができる。しかしながら、このゲッターが、例えば圧縮機２７０の機能不全のために、またはＡＣ電源の喪失のために、または他の理由により加熱された場合、ゲッターによって捕捉されていた漂遊分子がクライオスタット２１０に放出され得る。これが超伝導コイル２３０を加熱して、磁場のクエンチが発生する。その場合は、開始プロセスを繰り返す必要があります。また、放出された分子を除去するために、クライオスタットの費用と時間のかかる排気が必要となることがある。
【００４８】
したがって、冷却が失われた場合に、超伝導マグネットシステム２００のような超伝導マグネットシステムのクライオスタット内の真空を維持するシステムおよび方法が開発されている。このようなシステムおよび方法の例を、図３および図４に関して説明する。
【００４９】
図３は、ＭＲＩ装置に含まれ得る超伝導マグネットシステムに使用され得るゲッターのための冷却装置３００の例示的な実施形態を示す。特に、装置３００は、超伝導マグネットシステム２００に含まれてもよく、ＭＲＩ装置１００に含まれてもよい。
【００５０】
図３は、図２にも示されているように、真空チャンバー／クライオスタット２１０と、熱シールド２１３と、内部領域２１２ａと、外部領域２１２ｂと、第１のステージ３０２および第２のステージ３０３を含むコールドヘッド３０１を示す。図３はまた、コールドヘッド３０１によって提供される第１のコールドステーション３１１および第２のコールドステーション３１２と、第１のゲッター材料３１０および第２のゲッター材料３２０と、対流冷却ループ３３０と、サーマルマス３４０と、熱反射構造３５０と、複数の第１の低熱伝導支持要素３６０と、複数の第２の低熱伝導支持要素３６２と、複数の第３の低熱伝導支持要素３６４と、低温チャンバー３７０を含む。
【００５１】
第１のコールドステーション３１１、第１および第２のゲッター材料３１０および３２０、対流冷却ループ３３０、サーマルマス３４０、熱反射構造３５０、第２の低熱伝導支持要素３６２、第３の低熱伝導支持要素３６４および低温チャンバー３７０は、すべて内部領域２１２ａ内に配置される。動作中、内部領域２１２ａは、２０°Ｋ未満の温度に維持されてもよく、いくつかの実施形態では約４．２°Ｋの温度に維持されてもよい。その場合、第１のコールドステーション３１１は、４°Ｋコールドステーションと呼ぶことができる。第２のコールドステーション３１２および第１の低熱伝導支持要素３６０は、外部領域２１２ｂ内に配置される。動作中、内部領域２１２ｂは、７０°Ｋ未満の温度に維持されてもよく、いくつかの実施形態では、約４０°Ｋの温度に維持されてもよい。その場合、第２のコールドステーション３１２は、４０°Ｋコールドステーションと呼ぶことができる。さらに、低温チャンバー３７０は、４°Ｋチャンバーと呼ぶことができる。
【００５２】
いくつかの実施形態では、対流冷却ループ３３０は、加圧された極低温ガス、例えば加圧されたヘリウムガスで満たされた１つ以上の金属（例えばステンレス鋼）管を含む。対流冷却ループ３３０は、サーマルマス３４０と第１のコールドステーション３１１との間に接続される。
【００５３】
サーマルマス３４０は、第１のゲッター材料３１０に隣接し、第１のゲッター材料３１０から熱を吸収するように第１のゲッター材料３１０と熱的に連通している。ここで、「隣接する」とは、非常に近いことを意味し、必ずしも直接接触している必要はない。しかしながら、いくつかの実施形態では、サーマルマス３４０は、第１のゲッター材料３１０と直接接触していてもよい。いくつかの実施形態では、サーマルマス３４０は、熱伝導ワッシャー、熱グリースなど、熱抵抗が非常に低い幾つかの中間結合要素を介して、第１のゲッター材料３１０に熱的に結合していてもよい。中間結合要素は、第１のゲッター材料３１０から第１のコールドステーション３１１への熱エネルギーの全てまたはほとんどすべてを効果的に熱的に結合することができる。有益にも、サーマルマス３４０は、非常に低い温度、例えば約２０°Ｋ未満の温度で、第１のゲッター材料３１０から多くの熱エネルギーを吸収することができる。有益にも、サーマルマス３４０は、第１のコールドステーション３１１よりも非常に大きい熱容量を有する。いくつかの実施形態では、サーマルマス３４０は、４°Ｋから２０°Ｋまでの温度変化に対して、少なくとも１０キロジュールの熱エネルギーを吸収することができる。いくつかの実施形態では、サーマルマス３４０は、４°Ｋから２０°Ｋまでの温度変化に対して、少なくとも５０キロジュールの熱エネルギーを吸収することができる。                重要なことに、第１のコールドステーション３１１は、真空チャンバー／クライオスタット３１０内の、サーマルマス３４０が配置されている高さよりも高いところに配置される。すなわち、第１のコールドステーション３１１は、真空チャンバー／クライオスタット３１０内の、地球に関してサーマルマス３４０の上（ただし、必ずしもその真上にあるとは限らない）に配置される。
【００５４】
有益にも、図示された実施形態では、サーマルマス３４０は、追加的に、熱反射構造３５０によって、超伝導マグネット（導電コイル２３０）からある程度熱的に絶縁される。熱反射構造３５０は、サーマルマス３４０と熱シールド２１３との間の内部領域２１２ａに配置され、サーマルマス３４０を部分的に取り囲んでいる。いくつかの実施形態では、熱反射構造３５０を省略することができる。
【００５５】
また、図示された実施形態では、サーマルマス３４０は、複数の第３の低熱伝導支持要素３６４によって低温チャンバー３７０に接続されているが、熱的に隔離されている。有利にも、第３の低熱伝導支持要素３６４を除いて、サーマルマス３４０は低温チャンバー３７０から絶縁されている。さらに、低温チャンバー３７０は、複数の第２の低熱伝導支持要素３６２によって、熱シールド２１３に接続されているが、熱シールド２１３から熱的に分離されている。有利にも、第２の低熱伝導支持要素３６２を除いて、低温チャンバー３７０は熱シールド２１３から熱的に分離される。したがって、低温チャンバー３７０は、サーマルマス３４０のための構造的支持フレームとして機能することができる、内部領域２１２ａ内の独立した構造とすることができる。最後に、熱シールド２１３は、複数の第１の低熱伝導支持要素３６０によって、真空チャンバー／クライオスタット２１０の１つ以上の壁に接続され、取り付けられるが、熱的に分離される。有益にも、第１の低熱伝導支持要素３５０を除いて、熱シールド２１３は、真空チャンバー／クライオスタット２１０の壁から分離される。
【００５６】
いくつかの実施形態では、第１、第２および第３の低熱伝導支持要素３６０，３６２および３６４はそれぞれ、高い機械的強度および低い熱伝導率を有するガラス繊維、ＰＶＣまたはセラミックバンドを含むことができる。
【００５７】
ここで、要素３６０，３６２および３６４の熱伝導率が「低い」と言うとき、これは、言うまでもなく、要素間の与えられた温度差に対して、その要素が与えることができる最大熱エネルギー移動によって定義され得る。特に、いくつかの実施形態では、第１の低熱伝導支持要素３６０は、熱シールド２１３における４０°Ｋからクライオスタット３１０の壁における３００°Ｋまでの温度差に対して、数ワット以下の最大熱伝導を集合的に支持することができる。いくつかの実施形態では、これらの条件下での最大熱伝導は、１ワット以下であり得る。同様に、いくつかの実施形態では、第２の低熱伝導支持要素３６２は、低温チャンバー３７０における４°Ｋから熱シールド２１３における４０°Ｋまでの温度差に対して、１００ミリワット以下の最大熱伝導を集合的にサポートすることができる。いくつかの実施形態では、これらの条件下での最大熱伝導は、５０ミリワット以下であり得る。最後に、いくつかの実施形態では、第３の低熱伝導支持要素３６４は、サーマルマス３４０における２０°Ｋから低温チャンバー３７０における８０°Ｋまでの温度差に対して、１０ミリワット以下の最大熱伝導を集合的にサポートすることができる。いくつかの実施形態では、これらの条件下での最大熱伝導は、５ミリワット以下であり得る。
【００５８】
ここで、図３に示されたシステムまたは装置３００が、コールドヘッド３０１からの冷却が失われた場合に、長期の間にクライオスタット２１０内の真空を、どのように維持することができるかについて説明する。
【００５９】
通常の動作では、コールドヘッド３０１は、第１のコールドステーション３１１を低温まで、例えば約４°Ｋまで冷却する。一方、対流冷却ループ３３０はサーマルマス３４０を冷却し、サーマルマス３４０は第１のゲッター材料３１０を冷却する。すなわち、サーマルマス３４０が第１のコールドステーション３１１よりもクライオスタット２１０内のより低いところにあるので、熱はサーマルマス３４０から第１のコールドステーションまでの対流冷却ループを通って上昇する。第１のコールドステーションは、第１の冷却ループ３３０を介して第１のゲッター材料３１０を冷却する。第１のゲッター材料３１０は、十分に低い温度（例えば２０°Ｋ未満）に達すると、クライオスタット２１０内にあり得る漂遊分子５を吸収する。コールドヘッド３０１は、作動している限り、対流冷却ループ３３０およびサーマルマス３４０の作用を介して、第１のゲッター材料３１０を、十分に低い温度またはそれ以下の温度に維持する。
【００６０】
冷却能力が失われると、すなわち、コールドヘッド３０１がもはや動作していないとき、（例えば圧縮機２７０の機能不全、ＡＣ電源の喪失、クライオスタット２１０が設置されているＭＲＩ装置（例えば、ＭＲＩ装置１００）の輸送中）、暗いスタット２１０内の温度は、超伝導マグネット（導電コイル２３０）が発熱するにつれて上昇し始める。これが起こると、第１のコールドステーション３１１の温度もまた上昇し始める。
【００６１】
一般に、サーマルマス３４０は、十分に大きな熱容量を有し、第１のコールドステーション３１１よりも非常に低い熱伝導率を有する。その結果、第１のコールドステーション３１１の温度は、サーマルマス３４０の温度よりも急速に上昇する。そうして、第１のコールドステーション３１１の温度がサーマルマス３４０の温度よりも高い温度に上昇すると、対流冷却ループ３３０はサーマルマス３４０を第１のコールドステーション３１１から実質的に熱的に隔離する。この理由は、対流冷却ループ３３０が、対流を介して、したがって熱が上昇する方向に、熱を伝達することである。しかしながら、第１のコールドステーション３１１は、真空チャンバー／クライオスタット３１０内の、サーマルマス３４０が配置される高さよりも高い高さに配置されるので、第１のコールドステーション３１１の温度がサーマルマス３４０の温度よりも高い場合には、第１のコールドステーション３１１からの熱は、対流冷却ループによってサーマルマス３４０に伝達され得ない。言うまでもなく、対流冷却ループ３３０の金属管またはパイプの伝導を介して、サーマルマス３４０からコールドステーション３１１に、伝達される熱量は、はるかに少ない。ここで、「実質的に熱的に分離する」という用語は、具体的な意味、すなわち２つの構成要素間の対流冷却が防止され、残りの熱的接続は伝導のみによるものであると理解される。
【００６２】
サーマルマス３４０は第１のゲッター材料３１０から熱を吸収し続け、それにより、第１のゲッター材料３１０が活性状態のままである期間が延び、クライオスタット３１０内に存在しうる漂遊分子５を捕捉して保持する。さらに、熱は、サーマルマス３４０によりその周囲から容易に吸収されない。サーマルマス３４０は、第１、第２、第３の低熱伝導支持体３６０，３６２および３６４によって熱シールド２１３および真空チャンバー／クライオスタット２１３の壁に対して基本的に熱的に浮いているからである。したがって、クライオスタット３１０内の真空が長期間維持され、低温冷却器が作動していない期間を乗り切ることができる。
【００６３】
いくつかの実施形態では、第１および第２のゲッター材料３１０および３２０は、それぞれ活性炭を含むことができる。いくつかの実施形態では、第２のゲッター材料３２０を設けて、サーマルマス３４０および第１のゲッター材料３１０が依然として動作温度（例えば、２０°Ｋ未満）まで冷却されている間に、漂遊分子５を捕捉してもよい。いくつかの実施形態では、第２のゲッター材料３２０を省略することができる。
【００６４】
いくつかの実施形態では、サーマルマス３４０は水の氷のサーマルマスを含んでもよい。水の氷は比較的安価であり、さらに、２０°Ｋの温度まで銅の２０倍のエンタルピーを有し、コールドヘッド３０１からの冷却が失われた場合に、捕捉された分子を放出し始める温度よりも低い温度にゲッター３２０の温度を維持するのに有利な材料となる。
【００６５】
図４は、冷却が中断されたときの超伝導マグネットシステム内の真空を維持する方法４００のいくつかの例示的な要素を示す図である。
【００６６】
方法４００の要素４１０では、サーマルマスが真空チャンバーの外壁から熱的に分離される。上述したように、いくつかの実施形態では、これは、複数の低熱伝導支持要素を介して行われてもよい。
【００６７】
方法４００の別の要素４２０では、サーマルマスは、ゲッター材料に隣接して真空チャンバー内に配置され、ゲッター材料と熱的に連通して、第１ゲッター材料から熱を吸収する。           
方法４００の別の要素４３０では、真空チャンバー内の、サーマルマスが配置されている高さよりも高いところに配置されたコールドステーションは、サーマルマスを冷却し、次にゲッター材料を冷却する。ここでは、冷却は、サーマルマスとコールドステーションとの間に接続された対流冷却ループを介して行われる。
【００６８】
方法４００の別の要素４４０では、冷却されたゲッター材料は、真空チャンバー内の漂遊分子を吸収する。
【００６９】
方法４００の別の要素４５０では、コールドステーションがサーマルマスよりも高い温度にあるとき、例えばコールドステーションを冷却するクライオクーラーが機能していない場合、対流冷却ループは、サーマルマスをコールドステーションから実質的に熱的に隔離する。結果として、真空チャンバー／クライオスタットに冷却がもはや提供されなくても、ゲッター材料は、長い期間、その適切な動作のために必要な低温のままである。
【００７０】
好ましい実施形態が本明細書に開示されているが、本発明の概念および範囲内に留まる多くの変形が可能である。そのような変形は、本明細書、図面および特許請求の範囲を調べれば、当業者には明らかになるであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲を除き、限定されるものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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