(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向に対向して配置された１組の超電導コイルと、それぞれの超電導コイルを収納し冷却する１組の冷却容器とから成る静磁場発生源を有し、該静磁場発生源の上下外側に強磁性体から成る磁気シールド板を配置し、該上下の磁気シールド板の間を１本以上の強磁性体から成るヨークにて結合するパッシブシールド型超電導磁石において、
前記冷却容器を冷却する冷凍機は、上側磁気シールド板の上で、かつ、該上側磁気シールド板と前記ヨークの接合部位（以下、シールド板・ヨーク接合部位という）から離れた位置に取り付けられており、前記上側磁気シールド板を通して前記冷却容器に接続されていることを特徴とするパッシブシールド型超電導磁石。
【請求項２】
請求項１記載のパッシブシールド型超電導磁石において、前記ヨークが１本であり、前記冷凍機が前記上側磁気シールド板の中央部又は該中央部よりも前記シールド板・ヨーク接合部位から離れた位置に取り付けられていることを特徴とするパッシブシールド型超電導磁石。
【請求項３】
請求項１記載のパッシブシールド型超電導磁石において、前記ヨークが２本以上であり、前記冷凍機が隣合う前記シールド板・ヨーク接合部位を結ぶ線分のほぼ垂直２等分線上に取り付けられていることを特徴とするパッシブシールド型超電導磁石。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載パッシブシールド型超電導磁石において、前記冷凍機が前記上側シールド板の上に設けた非磁性体から成る固定板に上に取り付けられていることを特徴とするパッシブシールド型超電導磁石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気共鳴イメージング（以下、ＭＲＩと略称する）装置などに使用されるパッシブシールド型超電導磁石に係り、特にパッシブシールド型超電導磁石での冷凍機の取付構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導磁石は様々な分野で用いられているが、汎用超電導磁石として現在最も実用化が進んでいるのはＭＲＩ装置への利用である。ＭＲＩ装置は、磁石により、一定空間内に，一定方向に，一定磁場強度の均一磁場を作り、各種コイル（傾斜磁場コイル−ＭＲＩに際し、スピンの位置情報を得るために傾斜磁場を与える；高周波（ＲＦ）コイル−被検体に高周波磁場を照射し、原子核を励起すると共に、被検体で発生した核磁気共鳴（ＮＭＲ）信号を受信する；等）を用い、前記空間内に挿入された被検体からのＮＭＲ情報を収集し、被検体の任意位置，任意方向の断面図を再構成するものである。一般に、ＭＲＩ装置は均一磁場の方向により、水平方向のものと、垂直方向のものに分類される。
【０００３】
医用ＭＲＩ装置では、従来、超電導磁石を使用したものとしては水平磁場方式が一般的であった。しかし、近年磁石として永久磁石を用いた、均一磁場が垂直方向である開放型永久磁石方式ＭＲＩ装置が実用化され、その開放性ゆえに、広く全世界に価値が認識されるようになった。そこで、現在では、永久磁石では達成できない高い磁場強度を生成することができる超電導方式による開放型（垂直磁場方式）ＭＲＩ装置の開発が行われている。
【０００４】
超電導磁石においては、均一磁場を発生するための超電導コイルの冷却方法が重要な技術となる。超電導磁石の冷却方法としては、一般に下記の４種類が行われている。（中込秀樹；冷凍機を用いた超電導マグネット：第１回超伝導・低温若手セミナー  テキスト  題目：超伝導の基礎理論・デバイスの基礎と冷凍機の原理・応用、ｐ．１４〜２０、平成８年７月２５日〜２７日、低温工学協会東北・北海道支部主催）
（１）開放タイプ；冷媒（液体ヘリウム等）のみを用いて冷却する方式で、冷媒容器内で超電導コイルを冷媒に浸漬させて冷却する。
（２）ベビーシッタタイプ；超電導コイル自体については（１）と同様に冷媒で直接冷却し、冷却容器のうちの冷媒容器を収容する２層の熱シールドを極低温冷凍機で２つの温度レベル（例えば、７７Ｋと２０Ｋ）にて冷却するものである。
（３）直接冷却タイプ；超電導コイル自体については（１）と同様に冷媒で直接冷却するが、極低温冷凍機にて気化した冷媒を再度液化して冷媒容器に戻すものである。
（４）冷凍機直接タイプ；極低温冷凍機の先端の温度を超電導コイルの臨界温度以下にして直接（又は熱の良伝導体を介して）超電導コイルを冷却するものである。
上記の冷却方法において、初期は、（１）の方法が超電導方式ＭＲＩ装置の冷却の主流を占めていたが、近年では極低温冷凍機の性能向上にともない、（２）〜（４）の方法が次第に用いられるようになってきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
垂直磁場方式超電導磁石において、均一磁場の磁場強度を高めようとすると、磁場の漏洩が大きくなり、この磁場の漏洩をどのように防止するかが問題となる。特願平８−１６５３１７や特開平５−２３４７４６号公報には、図８に示すように、１組の超電導コイル２と冷却容器３とから成る静磁場発生源１を、上下に配置した強磁性体から成る磁気シールド板４と磁気シールド板を支持する強磁性体から成るヨーク５にて囲む構造の垂直磁場方式の超電導磁石が開示されている。この構造の超電導磁石では、静磁場発生源１と磁気シールド板４とヨーク５とで磁気回路を構成し、静磁場発生源１で発生した磁場が超電導磁石の外部に漏洩するのを極力防止している。このような超電導磁石は、パッシブシールド型超電導磁石と呼ばれている。
【０００６】
このパッシブシールド型超電導磁石を用いて、高磁場の垂直磁場方式ＭＲＩ装置を構成しようとする場合、漏洩磁場を低減するためには、磁気シールド板４を厚くし、ヨーク５を太くしなければならないので、多量の強磁性体が必要となり、装置は大型化する。装置を小型・コンパクト化しようとすると、漏洩磁場の低減が不十分になることが考えられる。
【０００７】
一方、超電導磁石の冷却に使用される極低温冷凍機（以下、冷凍機という）は、液体ヘリウム等の冷媒の蒸発した気体を高温側で圧縮し、低温側で膨張させることにより気体のエントロピーを変化させ、熱エネルギーを低温側から高温側に移動し、冷凍機の先端部（低温側）を冷却するものである。高温側で気体を圧縮する部分を圧縮機と呼んでいるが、この圧縮機はピストンを用い、気体の圧縮作業を行っている。ピストンを駆動させるためにインダクションモータが使用されている。インダクションモータ内の磁性体は直流の漏洩磁場にさらされると、磁性体が飽和し、モータが動かなくなることがあり、また、この磁性体が交流の漏洩磁場にさらされると、モータの回転周波数が乱れることがある等の問題があり、冷凍機を漏洩磁場の大きい位置に設置する動作不良を起こすことがある。
【０００８】
以上説明した如く、超電導磁石における冷凍機の配置は重要な課題であり、この配置の如何によっては冷凍機の性能を十分発揮できず、超電導磁石の性能にも影響を及ぼす可能性がある。また、本発明の対象としている垂直磁場方式のパッシブシールド型超電導磁石に冷凍機を設置する場合の設置位置についても、殆ど検討されていなかった。
従って、本発明では、漏洩磁場が冷凍機に悪影響を及ぼすことのないパッシブシールド型超電導磁石を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のパッシブシールド型超電導磁石は、上下方向に対向して配置された１組の超電導コイルと、それぞれの超電導コイルを収納し冷却する１組の冷却容器とから成る静磁場発生源を有し、該静磁場発生源の上下外側に強磁性体から成る磁気シールド板を配置し、該上下の磁気シールド板の間を１本以上の強磁性体から成るヨークにて結合するパッシブシールド型超電導磁石において、前記冷却容器を冷却する冷凍機は、上側磁気シールド板の上で、かつ、該上側磁気シールド板と前記ヨークの接合部位（以下、シールド板・ヨーク接合部位という）から離れた位置に取り付けられており、前記上側磁気シールド板を通して前記冷却容器に接続されている。
【００１０】
パッシブシールド型超電導磁石では、上側磁気シールド板上においては、シールド板・ヨーク接合部位の周辺部の漏洩磁場が大きくなり、それから離れた位置で漏洩磁場が小さくなるので、上記構成のように冷凍機を取り付け配置することにより、漏洩磁場による冷凍機への悪影響を低減することができる。また、漏洩磁場の小さい位置に取り付けられているので、冷凍機の動作信頼性が向上し、超電導コイルの冷却が確実に行われる。
【００１１】
本発明のパッシブシールド型超電導磁石では更に、前記ヨークが１本であり、前記冷凍機が前記上側磁気シールド板の中央部又は該中央部よりも前記シールド板・ヨーク接合部位から離れた位置に取り付けられている。この構成では、シールド板・ヨーク接合部位が１個所であり、その周辺部の漏洩磁場が大きくなる。従って、冷凍機の取り付け位置をシールド板・ヨーク接合部位を基準にして上側磁気シールド板の中央部、またはそれより遠い位置まで離せば漏洩磁場を小さくすることができる。
【００１２】
本発明のパッシブシールド型超電導磁石では更に、前記ヨークが２本以上であり、前記冷凍機が隣合う前記シールド板・ヨーク接合部位を結ぶ線分のほぼ垂直２等分線上に取り付けられている。ヨークが２本以上の場合には、隣合うシールド板・ヨーク接合部位からほぼ等距離の位置において漏洩磁場が最も小さくなるので、上記構成のように冷凍機を取り付け配置することにより、漏洩磁場による冷凍機への悪影響を大幅に低減することができる。
【００１３】
本発明のパッシブシールド型超電導磁石では更に、前記冷凍機が前記上側磁気シールド板の上に設けた非磁性体から成る固定板上に取り付けられている。この構成では、冷凍機と上側磁気シールド板の間に固定板を挿しているので、固定板の厚さ分だけ超電導コイルより離れることになり、漏洩磁場強度は小さくなる。また、固定板を加工してこれに冷凍機を強固に固定することも可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
図１に、本発明のパッシブシールド型超電導磁石の第１の実施例を示す。図１（ａ）は縦断面図、図１（ｂ）は上面図である。図１（ａ）において、超電導磁石は、均一磁場領域１０に垂直磁場Ｂ0を発生する静磁場発生源１と，この静磁場発生源１の発生する磁束線の帰路を構成する磁気シールド板４とヨーク５の組合せと，静磁場発生源１を冷却する冷凍機１２と，静磁場発生源１を磁気シールド板４に固定する固定部１３とからなる。
【００１６】
静磁場発生源１は、均一磁場領域１０の上下に配置された１組の超電導コイル２と，超電導コイル２を収納し冷却する１組の冷却容器３とから構成される。上下の超電導コイル２は、各々１個以上のコイルから成り、コイルの配列を適当にすることにより、均一磁場領域１０に均一性の良い高磁場を発生する。冷却容器２は、超電導コイル２を超電導状態に保持する超電導用冷媒（液体ヘリウムなど）を収容する冷媒容器と，冷媒容器を囲む熱シールドと，熱シールドを囲む真空容器とから成る。
【００１７】
磁束線１４の帰路となる磁気シールド板４とヨーク５は共に鉄などの強磁性体から成る。磁気シールド板４は、静磁場発生源１の上下にほぼ水平に配置される。以後、上側に配置されたものを上側磁気シールド板，下側に配置されたものを下側磁気シールド板と呼ぶことにする。冷却容器２は固定部１３により磁気シールド板４に固定されている。磁気シールド板４とヨーク５とは、ヨーク５の端部で接合されている。以下、この接合部位をシールド板・ヨーク接合部位と呼ぶ。本実施例の場合、上側磁気シールド板４は２本のヨーク５に支持され、ヨーク５の長さにより、上下の磁気シールド板４の間隔および冷却容器３の間隔が保持されている。このように磁束線１４の帰路を構成することにより、超電導コイル２によって発生された磁束１４の大部分は、均一磁場領域１０から上側の超電導コイル２，上側磁気シールド板４，上側のシールド板・ヨーク接合部位１１，ヨーク５，下側のシールド板・ヨーク接合部位１１，下側磁気シールド板４，下側の超電導コイル２を経由して、均一磁場領域１０に戻ることになる。
【００１８】
図２は、本実施例のパッシブシールド型超電導磁石における磁束分布の概略を示したものである。図２によれば、均一磁場領域１０を発した磁束１４は上側の超電導コイル２を通った後に、上側磁気シールド板４において左右の方向に分かれ、左右のシールド板・ヨーク接合部位１１を通って、左右のヨーク５に入ることが判る。このため、上側磁気シールド板４上のシールド板・ヨーク接合部位１１の周辺部で磁場強度が高く、中央部は磁場強度の低い場所になっている。これは、ヨーク５を２本配置したことにより、超電導コイル２で発生した磁束１４が上側磁気シールド板４の中央部で左右に分かれ、左右のシールド板・ヨーク接合部位１１に向かって集中して行くためと考えられる。この磁束線の分布を考慮して、本実施例では、冷凍機１２を上側磁気シールド板４上であって、その中央部に配置したものである。
【００１９】
これを図１（ｂ）に基づいて説明する。図１（ｂ）は、本実施例の超電導磁石を上から見た図である。上側磁気シールド板４の内部では、磁束線１４は図中の上下方向の中心線１６を境にして、左右のシールド板・ヨーク接合部位１１に向かうことになる。このため、上側磁気シールド板４上のこの中心線１６上の部分は漏洩磁場の最も少ない部位となる。この中心線１６は、シールド板・ヨーク接合部位１１から最も離れた位置であり、また２つのシールド板・ヨーク接合部位１１を結ぶ線分１５の垂直２等分線に相当する。以上のことから、上側磁気シールド板４上のこの中心線１６上、又はその近傍に冷凍機１２を配置すれば、この部分の漏洩磁場が最も小さくなり、冷凍機に対する磁場の悪影響を最も小さくすることができる。
【００２０】
図３には、本発明のパッシブシールド型超電導磁石の第２の実施例を示す。図３は、超電導磁石の上面図である。本実施例は、２本のヨーク５をもつ超電導磁石であるが、冷凍機１２を２つのシールド板・ヨーク接合部位１１を結ぶ線分１５の垂直２等分線１６上であるが、上側磁気シールド板４の中央部でなく、周辺部に位置をずらして配置したものである。冷凍機１２を上側磁気シールド板４の周辺部に配置することにより、冷凍機１２のメインテナンス時等に、冷凍機１２へのアクセス性が良くなり、修理者の負担が軽減される。
【００２１】
図４には本発明のパッシブシールド型超電導磁石の第３の実施例を示す。本実施例では、上側磁気シールド板４と冷凍機１２との間に固定板１５を挿入している。固定板１５の材質は非磁性体とし、その厚さを適当に厚くすることにより、冷凍機１２を超電導コイル２から離すことができる。その結果、冷凍機１２が設置される位置の漏洩磁場を低減できるので、磁場の冷凍機への悪影響を更に低減できる。また、固定板１５は冷凍機１２を固定しやすい構造に加工するすることも可能であるので、固定板１２を介して冷凍機１２を固定する方が、上側磁気シールド板４に直接固定するよりも強固に固定されるので、耐振性などを向上することができる。
【００２２】
図５には、本発明のパッシブシールド型超電導磁石の第４の実施例を示す。本実施例はヨーク５が１本の場合のものである。図６は、ヨーク５が１本の場合の超電導磁石の磁束分布の概略を示したものである。図６によれば、均一磁場領域１０を発した磁束１４の大部分は上側の超電導コイル２を通った後、上側磁気シールド板４内でシールド板・ヨーク接合部位１１のある左側に進み、シールド板・ヨーク接合部位１１を通って、ヨーク５に入る。このため、上側磁気シールド板上では、シールド板・ヨーク接合部位１１の周辺部で漏洩磁場が大きく、その中央部又は中央部よりもシールド板・ヨーク接合部位１１から離れた位置において漏洩磁場が小さくなっている。この磁束線の分布を考慮して、本実施例では、冷凍機１２を上側磁気シールド板４上であって、その中央部又は中央部よりもシールド板・ヨーク接合部位１１から離れた位置に配置したものである。
【００２３】
また、上記第４の実施例の１本ヨークの超電導磁石においても、第２の実施例の如く、冷凍機１２を上側磁気シールド板４の周辺部に配置したり、第３の実施例の如く、冷凍機１２と上側磁気シールド板４との間に固定板１５を挿入することは可能であり、各々の実施例で得られる効果と同様な効果が得られる。
【００２４】
３本以上のヨーク５を持つパッシブシールド型超電導磁石においては、隣合う２本のヨーク５の間での上側磁気シールド板４内の磁束分布は２本のヨーク５を持つ超電導磁石の磁束分布に近似するものとなり、上側磁気シールド板４上では、隣合う２つのシールド板・ヨーク接合部位１１を結ぶ線分の垂直２等分線上において漏洩磁場が小さくなる。従って、第１の実施例と同様に、冷凍機１２を上側磁気シールド板４上の、隣合う２つのシールド板・ヨーク接合部位１１を結ぶ線分のほぼ垂直２等分線上に配置するのが、磁場の冷凍機への悪影響を低減するのに効果がある。
【００２５】
図７に、本発明のパッシブシールド型超電導磁石の第５の実施例を示す。本実施例では、冷凍機１２と冷却容器２との接続構造例を示したものである。図７は、本実施例の要部断面図を示したものである。図７において、上側磁気シールド板４の上に冷凍機１２が配置され、上側磁気シールド板４の下部に上側の冷却容器３が支持されている。上側磁気シールド板４に穴２５が設けられ、この穴２５を通して、冷却容器３と冷凍機１２とが接続されている。冷却容器３は、液体ヘリウム等の冷媒を収容する冷媒容器２１と，冷媒容器２１を収容する２層の熱シールド２２，２３と，熱シールド２２，２３を収容する真空容器２４とから成り、超電導コイル２は冷媒容器２１内の冷媒に浸漬して、超電導状態に冷却される。冷凍機１２は２つの温度レベルの冷却用のステージを持つ極低温冷凍機で、冷却方式はベビーシッタータイプである。冷凍機１２は、冷却機本体部２６と第１ステージ冷却部２７と第２ステージ冷却部２８とから成り、第１ステージ冷却部２７は管２９を通して内側の熱シールド２２に、第２ステージ冷却部２８は管３０を通して外側の熱シールド２３に、それぞれ接続されている。このとき、各熱シールドは、別々の温度に、例えば内側の熱シールド２２は２０Ｋに、外側の熱シールド２３は８０Ｋに冷却される。冷凍機１２全体としては、管３１を通して真空容器２４に接続される。このように冷却方式を構成することにより、熱シールド２２，２３の冷却を通して、冷媒容器２１内の冷媒が冷却され、超電導コイル２が超電導状態に保持される。なお、上側の冷却容器と下側の冷却容器との間は、連結管などにより、真空容器２４，熱シールド２２，２３，冷媒容器２１それぞれについて連結すればよい。
【００２６】
真空容器２４に接続された管３１とそれを通す穴２５については、強磁性体などで確実に覆ったり、穴２５を小さくしたりして、上側磁気シールド板４の上に磁場が漏れないようにし、冷凍機本体２６内のインダクションモータなどに磁場が悪影響しないようにする。
【００２７】
本実施例では、冷凍機１２による冷却容器３の冷却方式としてベビーシッタータイプの冷却方式を採用した場合について説明したが、本発明ではこれに限定されず、直接冷却タイプの冷却方式や冷凍機直冷タイプの冷却方式を採用してもよいことは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明によれば、パッシブシールド型超電導磁石において、冷凍機が上側磁気シールド板上の漏洩磁場の小さい位置に設置されるので、冷凍機に対する磁場による悪影響を除くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパッシブシールド型超電導磁石の第１の実施例。
【図２】第１の実施例の超電導磁石における磁束分布の概略。
【図３】本発明のパッシブシールド型超電導磁石の第２の実施例。
【図４】本発明のパッシブシールド型超電導磁石の第３の実施例。
【図５】本発明のパッシブシールド型超電導磁石の第４の実施例。
【図６】ヨーク１本の場合の超電導磁石の磁束分布の概略。
【図７】本発明のパッシブシールド型超電導磁石の第５の実施例。
【図８】パッシブシールド型超電導磁石の構造例。
【符号の説明】
１  静磁場発生源
２  超電導コイル
３  冷却容器
４  磁気シールド板
５  ヨーク
１０  均一磁場領域
１１  シールド板・ヨーク接合部位
１２  冷凍機
１３  固定部
１４  磁束線
１５  ２つの隣合うシールド板・ヨーク接合部を結ぶ線分
１６  垂直２等分線
２１  冷媒容器
２２，２３  熱シールド
２４  真空容器
２５  穴
２６  冷凍機本体
２７  第１ステージ冷却部
２８  第２ステージ冷却部
２９，３０，３１  管
【図１】
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【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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