(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気共鳴イメージング超伝導マグネットのための希土類ディスプレーサを利用した機械的クライオクーラを有している冷凍剤再凝縮システムであって、
前記クライオクーラの希土類ディスプレーサを取り囲んでいるスリーブであって、前記希土類ディスプレーサの移動により発生される磁場に磁気的に結合されており、該磁場により該スリーブ内に誘導される電流を超伝導電流として流す鉛合金を含んでいるスリーブと、
該スリーブの表面に沿った高熱伝導率部材であって、前記超伝導電流の流れは、前記希土類ディスプレーサの前記移動により発生される前記磁場から前記超伝導マグネットをシールドするために、誘導される前記磁場と反対向きであり、前記高熱伝導率部材は、前記スリーブ上の溝内で波形パターンとなるように曲げられており、前記クライオクーラは、冷凍剤再凝縮手段に熱的に結合されている、高熱伝導率部材とを備えた冷凍剤再凝縮システム。
【請求項２】
高熱伝導率部材が、前記スリーブの軸方向に沿って配置されている請求項１に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
【請求項３】
前記超伝導マグネットは内部に、閉じた空洞を含んでおり、前記クライオクーラは、前記空洞内に取り外し可能に配置されている請求項２に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
【請求項４】
前記スリーブは、鉛−ビスマス合金であり、前記熱伝導率部材は、前記スリーブの熱抵抗を減少させるアルミニウムのストリップである請求項２に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
【請求項５】
前記アルミニウムと前記スリーブとの間にポリマ界面が設けられている請求項４に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
【請求項６】
前記スリーブは、鉛−ビスマス合金であると共に、該スリーブの熱抵抗を減少させる複数の埋め込まれたサファイアを含んでいる請求項２に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
【請求項７】
前記鉛合金は、およそビスマスが４０〜４６部及び鉛が６０〜５４部を含んでいる請求項３に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
【請求項８】
前記スリーブは、前記空洞の周りに配置されている請求項３に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
【請求項９】
前記アルミニウムのストリップは、前記スリーブの外側表面上の軸方向に延びている溝に配置されていると共に、所定位置に保持されている請求項４又は５に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
【請求項１０】
前記アルミニウムのストリップは、該アルミニウムのストリップの一部に被さっている前記スリーブの変形を含んでいる保持手段により所定位置に保持されている請求項９に記載の超伝導マグネット冷凍剤再凝縮器。
【請求項１１】
磁気共鳴イメージング超伝導マグネットのための希土類ディスプレーサを利用した機械的クライオクーラを有している冷凍剤再凝縮システムであって、
前記クライオクーラの希土類ディスプレーサを取り囲んでいるスリーブであって、前記希土類ディスプレーサの移動により発生される磁場に磁気的に結合されており、該磁場により該スリーブ内に誘導される電流を超伝導電流として流す鉛合金を含んでいるスリーブと、
該スリーブの表面に沿った高熱伝導率部材であって、前記超伝導電流の流れは、前記希土類ディスプレーサの前記移動により発生される前記磁場から前記超伝導マグネットをシールドするために、誘導される前記磁場と反対向きであり、前記クライオクーラは、冷凍剤再凝縮手段に熱的に結合されている、高熱伝導率部材とを備え、
前記高熱伝導率部材は、前記スリーブ上の溝内で波形パターンとなるように曲げられている、
冷凍剤再凝縮システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【従来の技術】
周知のように、マグネット・コイルは、そのマグネット・コイルを極めて低温の環境に配置することにより、例えばそのマグネット・コイルをクライオスタット（低温保持装置）又は圧力容器に封入して、その温度を４〜１０°ケルビンのような超伝導レベルに低下させることにより、超伝導性にすることができる。極度の低温によって、マグネット・コイルの抵抗は無視できるレベルにまで低下する。従って、最初に、ある期間の間、コイルに電源を接続してコイルに電流を流すと、電源を切った後でも、コイル抵抗が無視できるため、コイルに電流が流れ続ける。これにより、強い、定常的な磁場が維持される。超伝導マグネットは、例えば磁気共鳴イメージング（magnetic resonance imaging（以後、ＭＲＩと呼ぶ））の分野で広い用途がある。
【０００２】
代表的なＭＲＩマグネットでは、主超伝導マグネット・コイルは円筒形状の圧力容器に封入されている。圧力容器は、真空容器内に包含されていると共に、中心にイメージング中孔（ボア）を形成している。主マグネット・コイルはイメージング中孔内に強い磁場を形成する。この磁場は、正確なイメージングのために、非常に均一で且つ時間的に一定でなければならない。
【０００３】
超伝導温度は普通、圧力容器内の液体冷凍剤（クライオジェン）、通常は液体ヘリウムを沸騰させることにより得られる。しかしながら、液体ヘリウムを使用して低温にすることは広く実施されており、ＭＲＩ動作に対しては満足できるものであるが、全世界のＭＲＩ設備に液体ヘリウムの間断のない供給源を設けること、並びにその貯蔵及び使用は、困難であると共に費用のかかることがわかった。その結果、機械的変位形クライオクーラ（低温冷却器）又は伝導冷却を用いて、沸騰したヘリウムを凝縮させて再循環させることにかなりの努力が向けられてきた。しかしながら、必要な量と要求される温度の冷却とを行うクライオクーラの能力は、しばしば限界的であることがあった。望ましい冷却容量を有しているクライオクーラの１つの形式は、２段クライオクーラの第２段又は低温段の圧縮機の移動するピストン内の変位材として希土類材料を使用している。Ｅｒ3 Ｎｉ及びＥｒＮｉＣｏのような希土類材料の往復移動は、磁気的遷移により４〜１０°Ｋの超伝導温度範囲内で比較的高い熱容量を生じる。
【０００４】
しかしながら、ＭＲＩの用途において強磁性遷移希土類材料を利用しているあるクライオクーラを用いることにより、ＭＲＩイメージング体積内に磁場の著しい歪み及び摂動が発生する。移動するディスプレーサ（変位機）内の希土類材料は、典型的な超伝導マグネットの局所磁場によって磁化されたときに、可変磁場強度の移動するマグネットとして作用し、その結果、超伝導マグネットのイメージング体積内に磁場の変動が発生し、これにより、このようなクライオクーラがＭＲＩ装置に利用されているときの画像の歪みが生じるものと考えられる。
【０００５】
移動する希土類ディスプレーサによって発生される時間と共に変化する磁場が、主マグネット・アセンブリの種々の金属構造体内に、且つ主マグネット・コイル内に渦電流を誘導することがある。ＭＲＩマグネット・システムの目標は、イメージング中孔内のターゲット（標的）磁場の完全な忠実度であり、そのためには、イメージング中孔内の磁場が極めて均一であることが要求される。希土類クライオクーラのＭＲＩの用途では、渦電流の存在は最も望ましくない。このような渦電流は、主磁場にある磁場を重畳させるからである。
【０００６】
更に、超伝導マグネット構造の渦電流は、このような構造の有限の電気抵抗により熱を発生する。これは、渦電流のいわゆる交流加熱効果であり、適切な冷却を行う際の付加的な問題である。
バッキングコイルと、銅及び超伝導のシールドとを含んでいるＭＲＩ装置では、磁気シールド構成が用いられてきたが、上述した画質及び他の問題が、ＭＲＩ装置での希土類クライオクーラの意図した使用を妨げてきた。本発明と同じ譲受人に譲渡され、１９９６年１月４日に出願された係属米国特許出願第０８／５８３，１８６号では、超伝導シールドがＭＲＩ内の勾配コイルをシールドするために使用されている。超伝導材料が希土類クライオクーラをシールドするために提案されてきたが、銅／ニオブ−チタン（ＮｂＴｉ）混合合金のような提案された材料は、クライオクーラの負担となり、且つ過度の負担とさえなり得る熱を発生する。
【０００７】
【発明の目的】
本発明の１つの目的は、ＭＲＩ内でヘリウムを再循環させるために許容可能な且つ実用的な希土類クライオクーラを提供することにある。
本発明の更なる目的は、クライオクーラによって発生される時間と共に変化する磁場による主マグネットの磁場への侵入を排除して、均一で時間的に一定なイメージング体積磁場を可能にしながら交流熱の発生を最小にするＭＲＩ超伝導マグネットにおける希土類クライオクーラ磁気シールドを提供することにある。
【０００８】
【発明の概要】
本発明の一形式によれば、機械的変位希土類クライオクーラが、ＭＲＩの超伝導動作において沸騰したヘリウムを再循環させるための冷却を行う。シールド・スリーブが、クライオクーラ・ハウジングの終端部の希土類ディスプレーサの周りに設けられている。ハウジングに近接していると共に、希土類ディスプレーサの移動によって発生された磁場に磁気的に結合されているシールド・スリーブは、ビスマスの超伝導合金から選択されている。希土類ディスプレーサの磁化及び希土類ディスプレーサの移動により発生された磁場によって、シールドに誘導される電流を超伝導電流として流すように、合金は選択されている。これらは、誘導された磁場に対抗していると共に、希土類ディスプレーサの移動によって発生された時間的及び空間的に変化する磁場からＭＲＩ主マグネット・コイルをシールドしている。更に詳しくは、スリーブ材料は、鉛−ビスマスを含んでいる。高純度高熱伝導率のアルミニウムのストリップが、スリーブの熱抵抗を減少させると共にスリーブを素早く超伝導動作を行うことができるように、鉛−ビスマス合金の表面の溝に波形パターンで配置されている。更に詳しく述べると、鉛−ビスマス合金は重量比で、およそ鉛が６０部及びビスマスが４０部の共晶であってもよい。スリーブは、クライオクーラが内部に配置されたＭＲＩマグネット・ハウジングの空洞の周りに配置されているか、又は真空グリースと、銅粉末とを含んでいる熱グリースを用いることによりクライオクーラ・ハウジングの開放端の周りにぴったり嵌め込まれている。
【０００９】
新規であると考えられる本発明の特徴は、特許請求の範囲に具体的に記述されている。しかしながら、本発明自体の構成及び動作の方法は本発明の更なる目的及び利点と共に、図面と関連した以下の記述を参照することにより最もよく理解され得る。図面を通して、同様の参照番号は、同様の構成部分を表している。
【００１０】
【実施例】
図１に示されているように、２段のクライオクーラ１０が、内部の円筒形の中孔１２を形成しているハウジング８を含んでいる。円筒形の中孔１２内で、機械的駆動２１を介して交流駆動電動機１５によって駆動される第２段のディスプレーサ１４が、矢印９で示されるように往復する。駆動電動機１５は、一定周波数の交流電源１９によって電力供給されている。第２段のディスプレーサ１４は、クライオクーラにおいて利用されているＥｒＮｉＣｏのような希土類材料、例えばコールド・ヘッドのモデル名ＲＤＫ−４０８として住友重機械工業によって販売されているものである。
【００１１】
クライオクーラ（低温冷却器）１０は、ＭＲＩ超伝導マグネット３０内の壁２及び４によって形成されている封止された空洞３２内に挿入されている。動作について説明すると、第２段のディスプレーサ１４の希土類材料は、磁気遷移のため４〜１０°Ｋの範囲の比較的高い熱容量を有しており、これにより、クライオクーラ１０は、そのクライオクーラが熱的に接続されている冷凍剤再凝縮装置３３の温度を超伝導温度に低下させることができる。熱接続は分離可能な熱継手５０を介して成されており、熱継手５０は、クライオクーラ１０上の銅の熱部材５２と、ＭＲＩマグネット３０内に設けられていると共に空洞３２の底面を形成している銅の熱部材５４とを含んでいる。これにより、マグネット３０内の真空を破壊したり、又はマグネットの超伝導動作を中断することなく、クライオクーラ１０を除去することができる。これにより、沸騰した冷凍剤、典型的には、主マグネット・コイル３４を超伝導温度に冷却するための加圧された容器３５内のヘリウム・タンク３６からの液体ヘリウムの沸騰によって生じるヘリウム・ガスの再凝縮及び再循環が可能となる。本発明を適用することができる適当なヘリウム再凝縮装置が、１９９５年１２月２８日に出願され、本発明の譲り受け人に譲渡されたウィリアム・イー・チェン（William E.Chen）の米国特許出願第０８／５８０，３５９号に示されている。その米国特許出願に示されているように、ヘリウム・ガスは、再凝縮表面５８相互の間を通過して再凝縮され、帰路６０を介して液体ヘリウムとしてＭＲＩ超伝導マグネット３０の加圧容器３５内の液体ヘリウム・タンクであって、全体が参照番号３６として表されている液体ヘリウム・タンクに戻される。その結果、ボイルオフ・ゼロの閉ループ・ヘリウム沸騰及び再凝縮システムが得られ、外部液体ヘリウムを定期的に追加することにより沸騰したヘリウムに対して補充する必要はなくなる。再凝縮表面５８は、熱部材５４に設けられたスロットによって形成されており、ヘリウム・ガスは、これらのスロットを通って流れて、再凝縮される。
【００１２】
ディスプレーサ１４は交流駆動電動機１５によって一定の周波数及び振幅で駆動され、移動するディスプレーサ内の希土類材料は、移動するマグネットとして作用し、強い変動する磁場を発生している。この強い変動する磁場は、ＭＲＩ超伝導マグネット３０の主マグネット・コイル３４によって発生される磁場と相互作用して、ＭＲＩ超伝導マグネットのイメージング体積、即ち中孔４０内に磁場の変動を生じさせることがあり得る。従って、移動する第２段ディスプレーサ１４によって発生される磁場を最小にすると共に又は、中央のイメージング中孔若しくは体積４０内の磁場の均一性を損なわないようにしなければならない。これは、希土類クライオクーラ１０をＭＲＩイメージングでの使用に適するようにし、且つ実用的であるようにしなければならない場合に、イメージング品質の歪みを回避するためである。
【００１３】
超伝導スリーブ２０が、クライオクーラ１０の第２段の第２段ディスプレーサ１４を取り囲んでいる領域で空洞３２の周りに嵌め込まれている。超伝導スリーブ２０は、円筒の形状に鋳造された鉛−ビスマスであることが好ましい。鉛−ビスマス合金は、超伝導マグネットのクェンチング、即ち超伝導動作の中断の際に望ましい電流制限特性を示すことが明らかになった。急速に低下する磁場によって生じる力は、例えばニオブ−チタン合金によって生じ得る力ほど強くない。従って、シールドとマグネット・コイル３４との間の力はより小さい。ＰｂＢｉは、分離し得る２つの別々の相として存在するので、クェンチング及び十分な混合がＰｂＢｉ超伝導シールド２０の最高の臨界電流を達成するために必要である。しかしながら、鉛−ビスマス合金は高い熱抵抗をもたらすので、この高い熱抵抗によって、シールドは超伝導状態になるための十分に低い温度に達しないことがあり得る。
【００１４】
超伝導シールド又はスリーブ２０は、およそ鉛が６０部及びビスマスが４０部（重量比）の合金、並びにビスマスが４８部、カドミウムが１３部、鉛が２６部、スズが１３部の合金のような合金を利用している。このようなシールドは、交流磁場を１００のオーダだけ小さくするシールドを行うことができる。
図２及び図３に示すように、高純度のアルミニウム・ストリップが超伝導スリーブ２０のスロット内又は溝内に設けられており、ＰｂＢｉを電気的に分路することなく、従って、シールドが温かく且つ冷却しつつあるときに渦電流を許容することなく、シールドの熱抵抗を小さくする。
【００１５】
次に図２及び図３を参照すると、超伝導シールド２０の外側表面６は、軸方向に伸びているスロット４４内に配置された高純度（残留抵抗比ＲＲＲが８０００）の複数のアルミニウム・ストリップ４６を含んでいる。スロット４４は、およそ幅１／８インチ（３．１７５ｍｍ）及び深さ１／８インチ（３．１７５ｍｍ）であり、スロット４４は、厚さが１／４インチ（６．３５ｍｍ）のスリーブ２０の外周表面６の周りに等間隔に配置されている。アルミニウム・ストリップ４６のビスマスは１０億分の５よりも少なくなければならず、アルミニウム・ストリップ４６の横断面はおよそ１．５ｍｍ×２．０ｍｍでなければならない。鉛−ビスマスとアルミニウムとの間の異なる熱収縮及び膨張率を補償するために、アルミニウム・ストリップ４６は、後で説明するように曲線状又は波状パターンで形成されている。
【００１６】
アルミニウム・ストリップ４６は、ＶＡＷによってＵＴＨ−１純度等級５Ｎ５という名称で販売されているような高純度アルミニウムで製造されている。図３に示すように、全体的に正弦波のパターンになるように曲げられた後に、参照番号４８、４８’及び４８”のような頂点領域、即ち接触領域をフォームバル（formvar）のようなポリマでコーティングして、接触領域を隔離することにより、ビスマスによるアルミニウムの汚染を防止してもよい。代わりに、好ましくは、ストリップ４６全体をコーティングすることもできる。保護されたアルミニウム・ストリップ４６を溝４４内に挿入した後に、比較的軟らかいスリーブ２０の外側表面６を叩くか又は変形させて、図３に示すようなスロット４４に沿って間隔を置いて配置されている保持器６２をアルミニウム・ストリップ４６に被せることにより、アルミニウム・ストリップ４６は定位置に保持されている。代わりの保持手段として、スロット４４内に直接、重アルミニウム酸化物でストリップ４６を鋳造するか、又はスリーブ２０の外側表面６の周りに１つ若しくはそれ以上のバンド（図示していない）を設けることも可能である。又、より高価にはなるが、アルミニウム・ストリップ４６の代わりに、サファイアの棒を用いることもできる。
【００１７】
スロット４４内のストリップ４６の波状のパターンによって、スロット４４の長さに沿ってインチ（２．５４ｃｍ）当たりおよそ２つの接触点を有している波形の集合体が得られる。機械的な曲げ及び叩きにより、ストリップ４６の熱伝導率は低下するが、適当な熱伝導率を与えてスリーブ２０を超伝導温度まで素早く冷却させるのに十分に高い値にとどまることが見出された。又、鉛−ビスマス・スリーブ２０は、ニオブ・チタン／銅の混合物のような材料によって発生されるような熱を発生しないので、ＭＲＩ超伝導マグネット３０の、特にクライオクーラ１０における冷却能力が過重負担になることはない。
【００１８】
本発明は特に、大きさが０．５〜１．５テスラのＭＲＩ超伝導マグネットに適用することができる。
超伝導シールド２０は、クライオクーラ１０の第２段ディスプレーサ１４によって発生される時間と共に変動する磁場の磁場侵入を除去すると共に、第２段ディスプレーサ１４の磁気的妨害から主マグネット・コイル３４を有効に磁気的にシールドする。これにより、最小の交流加熱（典型的には、２、３ミリワット未満）と、非常に長く（１，０００秒よりも大）、実質的に無限大でさえある時定数とを有しているシールドが得られる。
【００１９】
超伝導シールド２０は連続した超伝導シートであるので、無限の数の超伝導ループを含むことができ、磁場を連続的に発生して、ＭＲＩ超伝導マグネット３０の主マグネット・コイル３４をクライオクーラ１０の磁場の摂動からシールドすると共に、クライオクーラ１０の磁場の摂動がＭＲＩ中孔のイメージング体積４０内の磁場に悪影響を与えないようにすることができる。これにより、主マグネット・コイル３４及び付随するコイル（図示していない）は、クライオクーラ１０の希土類の第２段ディスプレーサ１４からの過度の磁気的妨害なしに、所望の必要な磁場の均一度及び安定度を与えることができる。
【００２０】
一実施例のスリーブ２０は、銅粉又ははんだを含んでいる真空グリースである熱グリースを用いて、超伝導クライオクーラ１０のハウジング８の円筒形の外側表面の周りにきちんと嵌め込まれており、これにより、クライオクーラの第２段ディスプレーサ１４との良好な熱接触及び磁気的結合が得られる。
本発明のある特徴のみを図示すると共に説明してきたが、当業者は多くの変形及び変更を考え得るであろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の要旨の範囲内でこのような変形及び変更をすべて包含することが理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＭＲＩ超伝導マグネットのためのゼロ・ボイルオフＭＲＩ冷凍剤再凝縮用クライオクーラの断面図である。
【図２】図１の超伝導スリーブの詳細を示す図である。
【図３】図２の線３−３に沿って見た図２の拡大断面部の図であって、超伝導スリーブ内のスロットの詳細を示している図である。
【符号の説明】
８  ハウジング
１０  クライオクーラ
１４  第２段ディスプレーサ
２０  超伝導シールド又はスリーブ
３２  空洞
３３  冷凍剤再凝縮装置
４４  スロット
４６  ストリップ
６２  保持器
【図１】
0003972968.tif 000002
【図２】
0003972968.tif 000003
【図３】
0003972968.tif 000004