(57)【要約】      （修正有）【課題】超電導コイルをヒータを用いてクエンチさせる方法とは別の原理により、クエンチを迅速に伝搬できるメンテナンスが容易な超電導磁石装置、超電導コイルの保護方法、および、磁気共鳴画像装置を提供する。【解決手段】上記のような課題を解決するために、本発明は、前記超電導コイル１０Ａ〜２０Ｂに交流損失を発生させる強制クエンチ用コイル３０Ａ〜４０Ｂと、前記強制クエンチ用コイルの作動を制御するスイッチング素子（スイッチング手段）とを備え、前記強制クエンチ用コイル３０Ａ〜４０Ｂが、複数の前記超電導コイルに対してそれぞれ設置されることを特徴とする。【選択図】図２
2013208188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超電導コイルを備える超電導磁石装置であって、
前記超電導コイルに交流損失を発生させる強制クエンチ用コイルと、
前記強制クエンチ用コイルを作動させるスイッチング手段とを備え、
前記強制クエンチ用コイルが、複数の前記超電導コイルに対してそれぞれ設置される
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
前記スイッチング手段はスイッチング素子であって、
前記スイッチング素子と前記強制クエンチ用コイルが直列に接続されて成る強制クエンチ用回路を備え、
前記強制クエンチ用回路は、一つ以上の前記超電導コイルが直列に接続されて成る超電導コイル群に対して並列に接続され、
前記スイッチング素子のターンオン電圧が、前記超電導磁石装置が定格運転している際に前記超電導コイル群の両端にかかる電圧よりも高い
ことを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
【請求項３】
前記強制クエンチ用回路は、前記強制クエンチ用コイルを複数備え、
前記複数の強制クエンチ用コイルは直列に接続されており、複数の前記超電導コイルに対して設置される
ことを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
【請求項４】
前記超電導磁石装置が、複数の前記超電導コイル群を備える場合において、
複数の前記強制クエンチ用回路が備えられ、それぞれ前記超電導コイル群に対して並列に接続される
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の超電導磁石装置。
【請求項５】
前記超電導コイルを挟みこむように一対の前記強制クエンチ用コイルが設置され、
前記一対の強制クエンチ用コイルが直列に接続された前記強制クエンチ用回路を備える
ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか1項に記載の超電導磁石装置。
【請求項６】
前記超電導コイルの巻線の口出し部に前記強制クエンチ用コイルが設置される
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか1項に記載の超電導磁石装置。
【請求項７】
複数の超電導コイルを備える超電導磁石装置における前記超電導コイルの保護方法であって、
前記超電導磁石装置は、
前記超電導コイルに交流損失を発生させる強制クエンチ用コイルと、前記強制クエンチ用コイルを作動させるスイッチング手段とを備え、
前記強制クエンチ用コイルが、複数の前記超電導コイルに対してそれぞれ設置されており、
複数の前記超電導コイルの内のいずれかにクエンチが生じた場合、
前記スイッチング手段が前記強制クエンチ用コイルを作動させ、
作動させた前記強制クエンチ用コイルが変動磁場を発生させ、
前記変動磁場が印加された複数の前記超電導コイルにて交流損失を発生させ、
前記変動磁場が印加された複数の前記超電導コイルに前記クエンチを伝播させる
ことを特徴とする超電導コイルの保護方法。
【請求項８】
複数の前記超電導コイルの内のいずれかにクエンチが生じた場合、
前記スイッチング手段と、前記強制クエンチ用コイルと、前記超電導コイルとが閉回路を形成し、
前記閉回路に含まれる前記超電導コイルに流れている電流が、前記強制クエンチ用コイルに流れ込み、
前記電流が流れ込んだ前記強制クエンチ用コイルが変動磁場を発生させる
ことを特徴とする請求項７に記載の超電導コイルの保護方法。
【請求項９】
請求項１から請求項６のいずれか1項に記載の前記超電導磁石装置と、
被検体を載置するベッドと、
前記ベッドに載置された前記被検体を前記撮像領域へ搬送する搬送手段と、
前記搬送手段によって前記撮像領域に搬送された前記被検体からの核磁気共鳴信号を解析する解析手段と、を備える
ことを特徴とする磁気共鳴画像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導磁石装置、超電導コイルの保護方法、および、核磁気共鳴装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気共鳴画像装置（以下、ＭＲＩ(Magnetic Resonance Imaging)装置と称する。）は、生体の大部分を構成する水素原子核の核磁気共鳴（ＮＭＲ(Nuclear Magnetic Resonance)）現象が組織によって異なることを利用して、生体組織を画像化するものであり、共鳴の強さや、共鳴の時間的変化の速さが画像のコントラストとして現われるようになっている。
ＭＲＩ装置では、高画質の画像を得るために、撮像領域に高強度で高い静磁場均一度を有する磁場を生成する必要がある。そして、この高強度の静磁場を発生させるために、概して超電導磁石装置が用いられる。
【０００３】
超電導磁石装置には、高均一、高磁場、時間的に安定な磁場が求められる。超電導磁石装置の冷却には、液体ヘリウムによる浸漬冷却や、冷凍機による伝導冷却が用いられる。なお、冷凍機による冷却は、運転操作が簡便である利点がある。
【０００４】
ＭＲＩ装置に用いられる超電導磁石装置は、撮像領域の磁場空間に磁場を生成するための単一もしくは複数個の超電導主コイルと、超電導主コイルが生成する磁場が装置外へ漏洩することを抑制するための、超電導主コイルのコイル電流とは逆向きの電流を流した、単一もしくは複数個の超電導シールドコイルと、コイル電流が作る磁束を通すための磁路となる磁性材と、超電導主コイルおよび超電導シールドコイルの冷却用の液体ヘリウムを納めた冷却容器と、この冷却容器を包囲し、且つほぼ同軸上に設けられた輻射シールドと、さらにこの輻射シールドの外周に真空断熱用途で設けられた真空容器と、から構成されている。
【０００５】
ところで、超電導磁石装置の超電導コイル（超電導主コイル、超電導シールドコイル）に用いられている超電導線材の一部が超電導状態から常電導状態へと転移（常電導転移）する可能性がある。なお、この過程をクエンチと呼ぶ。
この過程では、超電導主コイルを流れる電流および超電導シールドコイルを流れる電流は時間的に減衰し、定格運転時の静磁場に対して、クエンチ時には動磁場が生成される。また、ある不特定の超電導コイルがクエンチすると、他の超電導コイルがクエンチに至るまでに一定時間を要する。このため、磁石中心に対して軸方向に対称に超電導コイルが配置されているが、クエンチ後の減衰電流は対称とはならず、それぞれが作る磁場によって漏洩磁場は拡大し、コイルに印加する最大電磁力も増加するコイルが存在する。磁場の向きによっては、定格運転時の電磁力の向きとは逆向きとなるため、コイル支持構造が大掛かりになる。
【０００６】
このような問題を解決する方法として、超電導主コイルおよび超電導シールドコイルにヒータを熱的に結合するように設置して、ある不特定のコイルがクエンチすると、他のコイルのヒータをＯＮにして熱的に他の超電導コイルをクエンチさせる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−７１５１５号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
超電導磁石装置は、複数の超電導コイルから構成されている。クエンチ過程においては、全磁気エネルギーがジュール発熱によって熱エネルギーに変換されるため、単一コイルで全磁気エネルギーを消費すると超電導コイルの損傷をまねく可能性が高い。このため、超電導コイルはいくつかの電気回路に区分され、さらに保護抵抗を並列に接続することで超電導コイルの焼損を回避する手段がとられる。
【０００９】
しかし、電気回路が区分されることによって、幾何学的に同一かつ対称位置に配置されている超電導コイルであっても流れる電流値は対称とはならない。これによって、磁気エネルギーをより多く消費する超電導コイルの両端電圧は高くなり、コイル温度も上昇する。超電導主コイルと超電導シールドコイルが生成する磁場も非平衡となって漏洩磁場が拡大し、前記磁場とコイル電流で生成される電磁力の大きさや向きも定格運転時と異なる。
【００１０】
コイルに印加する電磁力の向きが定格運転時に比べて反転する場合、磁石の健全性を確保するために反転電磁力にも耐え得る支持構造を有する必要がある。この反転電磁力はクエンチ時にのみ発生する電磁力であり、定格運転時には不要な支持構造であってコスト増加要因となる。
【００１１】
また、先行技術によるヒータを用いたクエンチ保護回路の場合、ヒータと超電導コイルとの熱的な結合が必要である。超電導コイルは樹脂等で成形するが、ヒータ入熱を効率的に行うためには超電導線材近傍にヒータを設置する工夫が必要となり、クエンチ時に保護回路が作動してヒータが損傷した場合の取替えは容易ではない。更に、超電導コイルに蓄積される磁気エネルギーがヒータでの発熱許容量に比べて非常に高いため、ヒータが焼損しないための転流機構、もしくは、電流を遮断するためのヒューズが必要となり、装置の大規模化、もしくは、ヒューズの取替え作業が生じる。
【００１２】
ヒータの損傷を回避するために、ヒータ回路に通電する電源を別途用意し、クエンチを検出してヒータ回路を閉とすることも可能であるが、付帯設備が大掛かりとなる。
【００１３】
そこで、本発明は、超電導コイルをヒータを用いてクエンチさせる方法とは別の原理により、クエンチを迅速に伝搬できるメンテナンスが容易な超電導磁石装置、超電導コイルの保護方法、および、磁気共鳴画像装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような課題を解決するために、本発明は、超電導コイルに交流損失を発生させる強制クエンチ用コイルと、前記強制クエンチ用コイルを作動させるスイッチング手段とを備え、前記強制クエンチ用コイルが、複数の前記超電導コイルに対してそれぞれ設置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、超電導コイルをヒータによってクエンチさせる方法とは別の原理により、クエンチを迅速に伝播できるメンテナンスが容易な超電導磁石装置、超電導コイルの保護方法、および、磁気共鳴画像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の超電導磁石装置が適用されるＭＲＩ装置の概念図である。
【図２】第１実施形態の超電導磁石装置が適用されるＭＲＩ装置のガントリの断面模式図である。
【図３】図２の強制クエンチ用コイルの概略レイアウト示す図である。
【図４】第１実施形態の超電導磁石装置の保護回路を示す回路図である。
【図５】第２実施形態の超電導磁石装置の保護回路を示す回路図である。
【図６】クエンチ開始からの超電導コイル群の電流の時間発展図である。
【図７】クエンチ開始からの超電導コイル群のコイル温度の時間発展図である。
【図８】クエンチ開始からの超電導コイル群のコイル端子間電圧の時間発展図である。
【図９】第２実施形態の超電導磁石装置におけるクエンチ時のコイル１２Ｂに印加する電磁力の時間発展図である。
【図１０】第２実施形態の超電導磁石装置におけるクエンチ時の最大漏洩磁場拡大範囲図である。
【図１１】第３実施形態の超電導磁石装置が適用されるＭＲＩ装置のガントリの断面模式図である。
【図１２】第４実施形態の超電導磁石装置におけるクエンチ用コイルの設置状況を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態に係る超電導磁石装置が適用されるＭＲＩ装置について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、水平磁場方式のＭＲＩ装置について説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、また、ＭＲＩ装置以外の他の超電導磁石装置にも適用することができる。
【００１８】
≪第１実施形態≫
図１は、本発明の超電導磁石装置が適用されるＭＲＩ装置の概念図である。
このＭＲＩ装置１は、核磁気共鳴（ＮＭＲ(Nuclear Magnetic Resonance)）現象を利用して被検体（図示せず、以下同じ）の断層画像を得るものであり、図１に示すように、被検体にＮＭＲ現象を誘起してＮＭＲ信号を受信するための各種装置を収容するガントリ１ａ、被検体を載置するベッド２、このベッド２に載置された被検体を磁場空間内の撮像領域Ｆへ搬送する搬送手段２ａ、ガントリ１ａ内の各種装置を制御する電源や各種制御装置を収納した制御装置３、検出された核磁気共鳴信号を処理するコンピュータ等の処理装置４、および処理された核磁気共鳴信号に基づき断層画像を表示する表示装置５等を含み、それぞれ電源・信号線６で接続される。ガントリ１ａ、ベッド２および搬送手段２ａは、高周波電磁波と静磁場を遮蔽する図示しないシールドルーム内に配置され、制御装置３、処理装置４および表示装置５は、シールドルーム外に配置される。
【００１９】
図２は、第１実施形態の超電導磁石装置が適用されるＭＲＩ装置のガントリの中心軸を含む断面模式図である。
ガントリ１ａは、中心軸Ｚを中心とした円筒形状である。ＭＲＩ装置１のガントリ１ａ内には超電導磁石装置が設けられており、中心軸Ｚ上の中心に撮像領域Ｆが存在する。
ガントリ１ａ内に設けられた超電導磁石装置は、撮像領域Ｆに磁場を生成するための超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂと、生成した磁場が装置外へ漏洩することを抑制するための超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂと、超電導主コイルおよび超電導シールドコイルの周方向の一部分もしくは複数部分の近傍に設置された強制クエンチ用コイル３０Ａ，４０Ｂ，３１Ａ，３２Ａ，３２Ｂ，３１Ｂ，４０Ａ，３０Ｂと、を有している。
超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ，超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂは、中心軸Ｚを軸として同軸に配置されている。
また、超電導主コイル１０Ａと超電導主コイル１０Ｂとは、撮像領域Ｆの中心Ｏを通りかつ中心軸Ｚを法線とする対称面（図示せず）に対して対称に配置されている。同様に、超電導主コイル１１Ａ，１１Ｂは対称面に対して対称に配置され、超電導主コイル１２Ａ，１２Ｂは対称面に対して対称に配置され、超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂは対称面に対して対称に配置されている。
【００２０】
また、超電導磁石装置は、超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ，超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂを、冷媒６１とともに収容する冷却容器６２と、この冷却容器６２を覆うように形成された輻射シールド６３と、冷却容器６２および輻射シールド６３を囲繞し、内部を真空にした真空容器６４と、を有している。
冷却容器６２に収容される冷媒６１としては、例えば液体ヘリウム等の液化した冷媒が用いられており、この冷媒６１と輻射シールド６３とを冷却するための図示しない冷凍機が真空容器６４に設置されている。冷却容器６２内は、このような冷媒６１によって、例えば、４．２Ｋ程度に保たれている。
【００２１】
超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂには、一定の電流が流れており、超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂには、超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂとは逆方向の一定の電流が流れている。
なお、これらの超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ，超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂは、電磁力、漏洩磁場、最大経験磁場、磁場均一度、および磁場強度を許容範囲内に抑えるように、位置、形状、および設置個数の変更が可能である。
【００２２】
また、図２に示すように、各超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂには、各強制クエンチ用コイル３０Ａ，３１Ａ，３２Ａ，３２Ｂ，３１Ｂ，３０Ｂが、外周側と内周側から挟み込むように設置されている。また、各超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂにも、強制クエンチ用コイル４０Ａ，４０Ｂが、外周側と内周側から挟み込むように設置されている。
【００２３】
超電導主コイル１０Ａを例にすれば、第１実施形態では、その円周上の１箇所において、強制クエンチ用コイル３０Ａが、当該超電導主コイル１０Ａの内周側と外周側（つまり外側）を挟み込むように設置されている。この様子を示したのが図３（ａ）（ｂ）である。ちなみに、強制クエンチ用コイル３０Ａは、外周側か内周側のいずれか一方でもよいが、効率的に超電導主コイル１０Ａに交流損失（ＡＣロス）を生じさせるために、内周側・外周側を一対として対向するように設置するのが好ましい。また、なるべく超電導主コイル１０Ａの近くに強制クエンチ用コイル３０Ａが位置するようにするのが好ましいが、交流損失を生じさせる範囲内であれば特に位置は限定されない。また、強制クエンチ用コイル３０Ａは１対であるものを図示しているが、これが、２対でも３対でもよい。また、対になっていないものを１つ又は複数設置するものでもよい。また、超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂもしくは超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂの側面側に設置するものでもよい。
これらの点は、他の超電導主コイル１０Ｂ等や、他の超電導シールドコイル２０Ａ等においても同じであるので、説明を省略する。
【００２４】
図４は、第１実施形態の超電導磁石装置の保護回路を示す回路図である。
超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂおよび超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂおよび強制クエンチ用コイル３０Ａ，４０Ｂ，３１Ａ，３２Ａ，３２Ｂ，３１Ｂ，４０Ａ，３０Ｂは、図４に示すような回路で接続されている。
本実施形態での回路では、特許文献２の従来技術で示されたように、超電導主コイルと超電導シールドコイルとが対をなして直列に接続された回路を考えるとすると、超電導主コイル１０Ａと超電導シールドコイル２０Ｂとが対をなして直列に接続され超電導コイル群Ａ１を形成し、超電導主コイル１１Ａと超電導主コイル１２Ａとが対をなして直列に接続され超電導コイル群Ｂ１を形成し、超電導主コイル１２Ｂと超電導主コイル１１Ｂとが対をなして直列に接続され超電導コイル群Ｃ１を形成し、超電導シールドコイル２０Ａと超電導主コイル１０Ｂとが対をなして直列に接続され超電導コイル群Ｄ１を形成し、これらの超電導コイル群Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１が直列に接続されている。そして、直列に接続された超電導コイル群Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１（適宜「超電導コイル群１００」と総称する）に対して、並列に永久電流スイッチ５１が接続されて、超電導磁石装置の主回路が形成されている。また、強制クエンチ用コイル３０Ａ，４０Ｂ，３１Ａ，３２Ａ，３２Ｂ，３１Ｂ，４０Ａ，３０Ｂはそれぞれ直列に接続されている（適宜「強制クエンチ用コイル群１１０」と総称する）。そして、この強制クエンチ用コイル群１１０は、更にスイッチング素子５２（スイッチング手段）と直列に接続されて強制クエンチ用回路５３が形成されている。そして、この強制クエンチ用回路５３は、超電導コイル群１００（Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１）と並列に接続される。
【００２５】
スイッチング素子５２には、双方向ダイオードやサイリスタ、トランジスタ等の半導体素子が挙げられる。ここで、双方向ダイオードは、２つのダイオードがそれぞれ逆方向に並列接続されてなる。
なお、超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ，超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂの組み合わせ、スイッチング素子５２および強制クエンチ用コイル３０Ａ，４０Ｂ，３１Ａ，３２Ａ，３２Ｂ，３１Ｂ，４０Ａ，３０Ｂの構成数、保護回路の分割数は、クエンチ時のコイル電圧、温度上昇、電磁力、漏洩磁場等を考慮して、これらが許容範囲に収まるように適宜設定することができる。ちなみに、第１実施形態では、保護回路等の分割はされていない。
【００２６】
このような回路において、ＭＲＩ装置１の定格運転時には、超電導コイル群Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１と永久電流スイッチ５１とで構成される回路上に電流が流れる。つまり、スイッチング素子５２には、電流が流れないようになっている。なお、必要に応じてスイッチング素子５２の数を調整することによって、仮に、超電導コイル群Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１の励磁時および消磁時等に、スイッチング素子５２のターンオン電圧を上回る電圧が発生したような場合にも、電流がスイッチング素子５２側に分流しないようにすることができる。これにより、定格運転時には強制クエンチ用コイル３０Ａ，４０Ｂ，３１Ａ，３２Ａ，３２Ｂ，３１Ｂ，４０Ａ，３０Ｂに電流が流れることはない。
一方、クエンチ時には、超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ，超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂにおいて、スイッチング素子５２のターンオン電圧を上回る電圧が発生するため（スイッチング素子のターンオン電圧が、前記超電導磁石装置が定格運転している際に前記超電導コイル群の両端にかかる電圧よりも高いため）、スイッチング素子５２側に電流が流れ、強制クエンチ用コイル３０Ａ，４０Ｂ，３１Ａ，３２Ａ，３２Ｂ，３１Ｂ，４０Ａ，３０Ｂに急峻な電流が流れることで、強制クエンチ用コイル電流が生成する変動磁場を超電導コイルに印加することができる。
【００２７】
ちなみに、強制クエンチ用コイル群１１０の各コイルは低抵抗導体を巻き線して製作され、そのインダクタンスは、超電導コイル群１００の各コイルのインダクタンスに比較して（例えば二桁以上）小さく、更に超電導コイル群１００の各コイルとは磁気的に結合しないため、スイッチング素子５２がＯＮ（回路が閉）となった直後は、強制クエンチ用コイル群１１０の各コイルには短絡電流とほぼ等しい電流が流れ、当該コイルが生成する磁場の時間変化量が大きくなり超電導コイル群１００の各コイルを強制クエンチさせるのに必要な交流損失を局所的に発生させることができる。これにより、超電導コイル群１００のある不特定のコイルにてクエンチが発生すると、直ちに他のコイルもほぼ同時にクエンチさせることができる。なお、強制クエンチ用コイル群１１０が超電導コイル群１００に対して並列に接続され、クエンチ時には強制クエンチ用コイル群１１０を作動させるための電流が超電導コイル側から流れるため、強制クエンチ用コイル群１１０を作動させるための別途電源は必要なく、付帯設備の大型化を避けることができる。
【００２８】
すなわち、この第１実施形態によれば、超電導コイル群１００、すなわち、超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ，超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂのいずれかでクエンチが発生した場合、発生したクエンチを、強制クエンチ用コイル３０Ａ，４０Ｂ，３１Ａ，３２Ａ，３２Ｂ，３１Ｂ，４０Ａ，３０Ｂによって生成される変動磁場に起因する交流損失により、他の超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂや超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂに速やかに伝播させることができ、結果として、超電導磁石装置（ＭＲＩ装置１）の健全性を保つことができる。すなわち、超電導コイル群１００の各コイルの焼損等を防止することができる。
また、ヒータを用いたクエンチ保護回路とは作動原理が違うので、ヒータを焼損させないための転流機構、もしくは、電流を遮断するためのヒューズは不要であり、装置の大規模化、もしくは、ヒューズの取替え作業が生じない。すなわち、課題の欄で説明したヒータを用いたクエンチ保護回路にみられるような各不都合は生じない。
また、クエンチを、超電導コイル群１００を構成するすべてのコイルに速やかに伝播することができるので、クエンチ時に反転電磁力が生じても、その大きさを小さなものとすることができ、反転電磁力に耐えるための支持構造を簡便なものとすることができる。
【００２９】
また、漏洩磁場に関しては、超電導磁石装置（ＭＲＩ装置１）は、図２に示すように、磁石中心である中心軸Ｚに対して軸方向に対称に超電導コイル群１００が配置されており、定格運転時には、超電導コイル群１００のうちの超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂにより漏洩磁場は抑えられているが、クエンチ後の減衰電流は対称とはならず（後記の図６（ａ）参照）、それぞれのコイルが作る磁場によって漏洩磁場は拡大する。しかし、本実施形態では、クエンチを超電導コイル群１００の各コイルに速やかに伝播できるので、減衰電流を対称に、すなわち、クエンチ過程において、幾何学的に同一かつ対称位置に配置されている超電導コイル電流が極力同一となるように（後記の図６（ｂ）参照）、全ての超電導コイルをほぼ同時にクエンチさせることができ、これにより、漏洩磁場を抑制できる。
なお、超電導コイル群１００の各コイルと１対１に対応するように、強制クエンチ用コイル群１１０の各コイルを超電導コイル群１００の各コイルに配置したが、強制クエンチ用コイル群１００のコイルを適宜間引くことも可能であるし、適宜増やすことも可能である。
【００３０】
＜作用・原理の補足＞
本実施形態に係る超電導磁石装置の作用について補足説明する。すなわち、第１実施形態として、図３のように超電導コイル（超電導主コイル１０Ａ）の一部を挟み込んで２個で一対となるよう配置した円形の強制クエンチ用コイル（３０Ａ）を用いて超電導状態にある超電導主コイル１０Ａを常電導転移させることが可能かを見積もる。
【００３１】
文献［Wilson MN, Superconducting Magnets, Oxford University Press, 1983］によれば、単位体積あたりの交流損失Ｑは、
Ｑ＝（ｄＢｉ／ｄｔ）＾２／μ０＊２＊τ
で表され、結合時定数τは、
τ＝１／２＊（ｐ／２π）＾２＊μ０／ρ
である。ここで、Ｂｉは超電導線材内部の平均磁界、μ０は空気中の透磁率、ｐは超電導多芯フィラメントのツイストピッチ、ρはフィラメント間の安定化銅の比抵抗である。ここでは、クエンチ開始から０．１ｓで強制クエンチ用コイル３０Ａに１００Ａ（アンペア）の電流が流れると仮定し、ツイストピッチｐを０．０５ｍ、安定化銅の比抵抗ρを１．０Ｅ−９Ωｍとした。強制クエンチ用コイル３０Ａは、超電導主コイル１０Ａのツイストピッチの長さに変動磁場を印加できるよう、直径１００ｍｍ、コイル断面は４０ｍｍ×１６ｍｍ、巻数は４０ターンの円形コイルとした。コイル巻線については、極低温に冷却された低抵抗電導線、低温超電導線材や高温超電導線材等が利用できる。超電導主コイル１０Ａに比べて強制クエンチ用コイル３０Ａのサイズは小さく、インダクタンスは二桁以上異なるため、スイッチング素子５２が閉となって強制クエンチ用コイル３０Ａに通電された直後はほぼ短絡電流と等価な電流が流れる。この条件で超電導主コイル１０Ａの周方向長０．０５ｍの区分された体積での交流損失は０．１ｓ間で約２．５Ｊと見積もられる。一方、超電導主コイル１０Ａが常電導転移するのに必要なエネルギーは、これまでの解析や実験結果から、同体積で約１．５Ｊであることがわかっている。上記結果より、前記した強制クエンチ用コイル３０Ａおよび通電電流を用いて、超電導主コイル１０Ａを常電導転移させることが可能である。尚、前記強制クエンチ用コイル３０Ａが電気抵抗を持つ場合には、熱的な結合によって更にエネルギーが注入される。
【００３２】
以上から、本発明によれば、クエンチ過程において、例えば、漏洩磁場の領域拡大を効果的に抑制し、コイルに印加する電磁力を抑制することが可能な超電導磁石装置、磁気共鳴画像装置および核磁気共鳴装置を提供することができる。
【００３３】
≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態を説明する。図５は、第２実施形態の超電導磁石装置の保護回路を示す回路図であり、（ａ）は回路全体を、（ｂ）は（ａ）の回路のうちの保護回路の詳細を示す図である。
【００３４】
前記の第１実施形態では、超電導コイル１００の各コイルのすべてが、すなわち、超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂおよび超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂが直列に接続されている。このため、超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂもしくは超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂの端子間に発生する最高電圧が高くなる可能性がある。したがって、第２実施形態では、図４（ａ）のように回路を分割して、各超電導コイル群Ａ１〜Ｄ１のそれぞれが、強制クエンチ用回路５３と並列に接続される構成として、最高電圧が高くならないように、例えば２０００Ｖ以内に収まるようにしている。こうすることによって本実施形態の超電導磁石装置は、クエンチが発生したときに、磁気エネルギーから熱エネルギーへの変換が単一コイルに集中して、コイルが焼損するような事態を回避することができる。
【００３５】
強制クエンチ用回路５３は、図５（ｂ）に示すように前記の第１実施形態と同じ構成をしており、第２実施形態では、図５（ａ）に示すように各強制クエンチ用回路５３が数珠つなぎにされている。ちなみに、超電導主コイル１０Ａを例にすれば、第１実施形態では、超電導主コイル１０Ａの円周上には、１対をなす強制クエンチ用コイル３０Ａが１つ設置されるものであったが（図３参照）、この第２実施形態では図示を省略するが、回路分割数が４であるため、超電導主コイル１０Ａの円周上には、１対をなす強制クエンチ用コイル３０Ａが４つ設置されるものである。この４つ設置される点は、他の超電導主コイル１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ，超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂにおいても同じである。
【００３６】
次に、本実施形態の効果を説明する。図２に示す超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ，超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂを、図５（ａ）に示すように、４つの超電導コイル群Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１として構成し、保護回路も図５（ａ）に示すものとして、各強制クエンチ用コイル群１１０の各コイルを各超電導コイル群１００の各コイルの円周上の一部に設置した条件でシミュレーション（数値解析）を行った。なお、超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ，超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂに初期通電した電流値は、撮像領域Ｆにおよそ３Ｔの磁場を生成するコイル電流値とした。
【００３７】
超電導シールドコイル２０Ｂ（超電導コイル群Ａ１）でクエンチが発生したものと仮定し、以下のシミュレーション（数値解析）を行った。
【００３８】
図６はクエンチ開始からの超電導コイル群Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１（図５参照）の電流の時間発展図のシミュレーション結果である。比較のために、本発明を適用しない比較例によるシミュレーション結果を図左に（ａ）として、本実施形態によるシミュレーション結果を図右に（ｂ）として示す。用いる回路図は、前記のとおり図５のものである。なお前記比較例とは、クエンチ保護回路５３のうちの双方向ダイオード５２のみがついた分割回路である。この比較例では、ある超電導コイルがクエンチすると、そのコイルを含む回路の電流が減衰し磁束が時間的に変化するため、その変動磁場を他の超電導コイルが経験してクエンチが伝播し、磁石が保護される。
比較例である図６（ａ）において、超電導主コイル１０Ａでクエンチが生じると（開始すると）、クエンチ開始コイルである超電導主コイル１０Ａを含む超電導コイル群Ａ１の電流はクエンチ開始から徐々に減衰し、抵抗によるジュール損失によって磁気エネルギーが散逸する。その他の超電導コイル群Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１では、始めにクエンチした超電導主コイル１０Ａによる変動磁場に起因した交流損失によって、他のコイルである超電導シールドコイル２０Ｂと超電導コイル群Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１の各コイルが常電導転移した後に磁気エネルギーが消費される。このため、各コイルの電流減衰波形は、それぞれ異なる。
一方、図６（ｂ）の本実施形態による場合には、クエンチ開始から他の超電導コイル群Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１へのクエンチの伝播が即座に（例では0.1s後に伝播を仮定）おこり、各回路の電流値の減衰はほぼ同等で揃っている。
【００３９】
図７はクエンチ開始からの超電導コイル（超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ，超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂ）のコイル温度の時間発展図を示している。図７（ａ）は比較例を、図７（ｂ）は本実施形態を示している。
なお、図７（ａ）の縦軸はフルスケールが２２０Ｋであり、図７（ｂ）の縦軸はフルスケールが１８０Ｋである。
図７（ａ）の比較例では、常電導転移したコイル（超電導シールドコイル２０Ｂ）で磁気エネルギーが熱エネルギーに変換されて温度が上昇する。一方、図７（ｂ）の本実施形態によるシミュレーション結果では、強制クエンチ用コイル１１０によりクエンチが伝播され、できる限り多くの超電導コイル群１００で磁気エネルギーを分散消費する。すなわち、ある特定のコイルの温度上昇を避けられるが、図７（ａ）の比較例では他の超電導コイルへのクエンチの伝播が遅れ、クエンチが開始した超電導コイルの温度が上昇している。また、局所的な最高到達温度も、比較例が約１９０Ｋであるのに対して実施形態が約１６０Ｋであり、実施形態の方が低く抑えられている。
【００４０】
図８はクエンチ開始からの超電導コイルの端子間電圧を示しており、コイル温度と同様、図８（ａ）の比較例による場合には、クエンチの伝播が遅れるために、特定のコイルの端子間電圧が上昇しているが、右側の図８（ｂ）右の本発明によれば、コイル端子間電圧が比較例よりも３〜４割ほど抑制される。ちなみに、この図でも図８（ａ）の比較例と図８（ｂ）の実施形態とで、グラフのスケールが異なっている。
【００４１】
図９は、クエンチ開始からの超電導コイル１２Ｂのコイルに印加する電磁力の時間発展図を示している。図９（ａ）の比較例による場合には、図６（ａ）に示すように、超電導コイル群Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１に流れる電流が大きく異なるため、特に軸方向電磁力には符号が反転する電磁力が印加される。磁石（超電導コイル群１００の各コイル）の健全性を確保するためには、上記反転電磁力を支持するための支持構造が必要となり、定格運転時にコイルに印加する電磁力の向きとは逆向きの電磁力に対する支持構造を併せ持つ必要がある。また、径方向電磁力についても、定格運転時に印加する電磁力よりも高い電磁力がクエンチ後に印加されるため、この最大電磁力を支持するための構造物が必要となる。ちなみに、図９（ｂ）のように、本実施形態では、電磁力が抑制され、かつ、なめらかになっていることがわかる。
【００４２】
図１０は、クエンチ開始からの超電導磁石から漏洩する磁場領域（図１０には０．５ｍＴラインを表示）の最大領域を示している。図１０（ａ）は比較例であり、図１０（ｂ）は実施形態である。図１０（ａ）（ｂ）とも、超電導磁石装置を縦にして見ており、縦軸は、撮像領域Ｆの中心からの水平方向（図２参照）の距離をメートル単位で示している。すなわち、図２の横方向（中心軸Ｚの方向）が図１０の縦軸になっている。
この図１０から明らかなように、本実施形態では、漏洩磁場を比較例に比べて低減することができている。すなわち、比較例では、図６（ａ）に示されるように、超電導コイル群Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１に流れる電流が大きく異なるため、磁場の重畳による打ち消される磁場が非平衡となり、漏洩磁場領域が拡大する。
【００４３】
≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態に係る超電導磁石装置について説明する。図１１は、第３実施形態の超電導磁石装置が適用されるＭＲＩ装置のガントリの対称軸を含む断面模式図である。第３実施形態に係る強制クエンチ用コイルと、第１実施形態や第２実施形態に係る強制クエンチ用コイルとの差異点は、第１実施形態や第２実施形態に係る強制クエンチ用コイルがすべての超電導コイルに設置されているのに対して、第３実施形態に係る強制クエンチ用コイルは、磁石の健全性により大きな影響を及ぼす超電導コイルにのみ設置している点で異なる。
【００４４】
すなわち、第３実施形態では、特に磁気エネルギーの大きな超電導コイル２０Ａ，２０Ｂ，１０Ａ，１０Ｂ（超電導主コイル１０Ａ，１０Ｂ、超電導シールドコイル２０Ａ，２０Ｂ）にのみ強制クエンチ用コイル３０Ａ，３０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂが設置されている。この第３実施形態でも、漏洩磁場の拡大領域や超電導コイルに印加する電磁力は前記の超電導コイル電流および当該電流が生成する磁場に起因しており、磁石の健全性を高めることができる。
【００４５】
≪第４実施形態≫
次に、第４実施形態に係る超電導磁石装置について説明する。
第４実施形態に係る強制クエンチ用コイルと、第１実施形態等に係る強制クエンチ用コイルとの差異点は、第１実施形態に係る強制クエンチ用コイルは、超電導コイル脇（外周上・内周上）に設置されていたのに対し、第４実施形態に係る強制クエンチ用コイルは、超電導コイル巻線の口出し部に設置した点で異なる。
【００４６】
図１２は、第４実施形態の超電導磁石装置におけるクエンチ用コイルの設置状況を示す模式的な断面図であるが、符号７０はボビンであり、符号１０Ａは超伝導主コイルであり、符号３０Ａは強制クエンチ用コイルであり、符号８０は口出し部である。前記のように、第４実施形態では、口出し部８０に設けられている。
ちなみに、図１２はオープン型のＭＲＩ装置であるが、図１のトンネル型のＭＲＩ装置１にも適用できる。トンネル型の場合は、図２でいえば、例えば超電導主コイル１０Ａを上下から挟みこんでいる強制クエンチ用コイル３０Ａが超電導主コイル１０Ａの脇の口出し部（図２には不図示）に設置されることとなる。
【００４７】
第４実施形態に係る強制クエンチ用コイルは、超電導コイル脇に強制クエンチ用コイルの設置スペースを確保する必要がないため、超電導磁石装置が適用されるＭＲＩ装置１（図１参照）のガントリ１ａの開口面積を広げられる利点がある。また、開口面積が同じであれば、高さを抑えることなどができる。この点は、オープンタ型のＭＲＩ装置でも同じである。
【００４８】
なお、本発明は、前記した第１〜第４実施形態に記載の技術に限らず、その効果を奏する範囲にて適宜変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１      ＭＲＩ装置（超電導磁石装置）
１ａ    ガントリ
２      ベッド
２ａ    搬送手段
３      制御装置（解析手段）
４      処理装置（解析手段）
５      表示装置
６      電源・信号線
１０Ａ，１０Ｂ，１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ  超電導主コイル（超電導コイル）
２０Ａ，２０Ｂ  超電導シールドコイル（超電導コイル）
３０Ａ，３０Ｂ，３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ，４０Ａ，４０Ｂ  強制クエンチ用コイル
５１    永久電流スイッチ
５２    スイッチング素子（半導体素子、スイッチング手段）
５３    強制クエンチ用回路
６１    冷媒
６２    冷却容器
６３    輻射シールド
６４    真空容器
１００  超電導コイル群
Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１  超電導コイル群
１１０  強制クエンチ用コイル群
Ｆ      撮像領域（磁場空間）
Ｏ      中心
Ｚ      中心軸
【図１】
2013208188.tif 000003
【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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