(57)【要約】【課題】  本発明の目的は超電導磁石を大型化することなく、省冷媒冷却下において時間的に安定な高磁場を高速に発生させることが可能な超電導磁石装置が提供することである。【解決手段】  電磁石と磁場増幅装置から構成され、磁場増幅装置は断熱容器とその中に位置する超電導体と熱源および冷却機構からなり、磁場を増幅させる超電導体は電磁石の磁場発生時にあらかじめ磁化されていることを特徴とする超電導磁石装置を提供する。 【選択図】  図１
2017183441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導磁石装置であって、
電磁石と、
前記電磁石に設置された磁場増幅装置と、を少なくとも有し、
前記磁場増幅装置は、
断熱容器と、
前記断熱容器内に配置された超電導体と、
前記超電導体の温度を調整する温度調整部と、を少なくとも有し、
前記超電導体は、
両端面に開口部を有する部材であって、かつ予め磁化されている
ことを特徴とする超電導磁石装置。 
【請求項２】
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記超電導体の温度計測素子を備える
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項３】
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記磁場増幅装置は着脱自在に構成された
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項４】
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記温度調整部の一部であって前記超電導体を冷却する冷却部と、
前記冷却部を流れる冷媒の流量を調整する流量調整部と、有する
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項５】
請求項１に記載された超電導磁石装置であって、
前記温度調整部の一部であって前記超電導体を加熱する加熱部を有する
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項６】
請求項１に記載された前記電磁石が超電導磁石である
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載された超電導磁石装置であって、
前記超電導体は少なくとも一つのスリットを有し、
前記スリットは、前記両端面に形成された開口部をつなげている
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載された超電導磁石装置であって、
前記超電導体と熱的に接触するように設けられた熱良導体を備える
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項９】
請求項８に記載された超電導磁石装置であって、
前記熱良導体を支持する構造強化部材を備えた
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載された超電導磁石装置であって、
前記超電導体は、前記両端面の片面開口部が前記電磁石の内径側に位置するように設置されている
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載された超電導磁石装置であって、
前記磁場増幅装置および前記電磁石と磁気回路を形成する強磁性体部材を備える
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載された超電導磁石装置であって、
前記電磁石が永久電流接続を有する
ことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載された超電導磁石装置を備える
ことを特徴とする磁気共鳴画像装置。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載された超電導磁石装置を備え
ることを特徴とする粒子線治療装置。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載された超電導磁石装置を備え
ることを特徴とする加速器用磁石。
【請求項１６】
開口部を有する超電導体を備え、前記開口部を通過する磁場を収束して収束磁場を発生する磁場増幅装置の磁化方法であって、
目標とする収束磁場を決定し、
前記決定された収束磁場に基づき前記開口部を通過する磁場の励磁速度を決定し、
前記開口部を通過する磁場が所定の強さに達すると、前記超電導体の温度を漸減するように制御する、
前記磁場増幅装置の磁化方法。
【請求項１７】
開口部を有し予め磁化された超電導体を備え、前記開口部を通過する磁場を収束して収束磁場を発生する磁場増幅装置、を具備する電磁石装置の磁場増幅方法であって、
前記磁場増幅装置を、前記電磁石装置が発生する磁場の向きと、前記超電導体の予め磁化された方向とがそろうように設置し、
前記電磁石装置を励磁し、
前記励磁した電磁石装置の励磁量が所定の大きさに達すると、前記超電導体の温度を漸減するように制御し、
前記電磁石装置の励磁量が定格に達すると、前記超電導体の温度を維持するように制御すること
を特徴とする電磁石装置の磁場増幅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導磁石装置およびこれの励磁方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導磁石装置は、磁気共鳴画像装置（以下、ＭＲＩ装置という）や核磁気共鳴装置（以下、ＮＭＲ装置）、加速器装置などに適用されている。これら適用装置の性能向上のために超電導磁石装置の高磁場化が求められている。ＭＲＩ装置やＮＭＲ装置、加速器装置において、すでに数テスラから数十テスラの磁場強度を発生可能な装置が実用に供されており、その磁場は装置の仕様を満たすために時間的に安定である。
【０００３】
現行装置に対して、さらに高磁場化を実現しようとすると、磁場を発生させる超電導磁石装置の大型化という問題が存在する。超電導磁石装置が大型化すると、その超電導磁石の構成材料増加や冷媒量の増加、設置スペースの拡大が必要となり、使用が限られることになる。そこで、超電導磁石装置を大型化することなく、省冷媒で高磁場化を実現することが可能な超電導磁石装置が求められている。
【０００４】
特許文献１には、超電導磁石の空芯中に、入口が広く出口が狭い円筒状または中空円錐状の超電導体を配置し、その内側に超電導磁石が発生する磁束を通過させて収束し、高磁場化を実現する技術が開示されている。また、特許文献２には、超電導磁石を励磁することで、その空芯内の超電導体と強磁性体とを磁化させ、超電導磁石の電流値を０Ａにした後、空芯内の超電導体と強磁性体が磁気回路となることで、磁化した超電導体が捕捉する磁場分布の時間的変化を低減する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５１５８７９９号公報
【特許文献２】特開第２００５−５７２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１には、磁束を収束させて高磁場を実現する技術は開示されているものの、その高磁場を時間的に高速に得る技術については開示されていない。超電導体を使って磁束を収束させて高磁場を発生する際、超電導体はその磁化とともに発熱する。超電導体を高速に磁化させるほど、単位時間あたりの発熱量は増加する。ヘリウム価格の高騰などをうけて、超電導磁石は省冷媒化が求められており、省冷媒で冷却する超電導体においてはその発熱を低減させることが必要である。なお、特許文献２には磁化した超電導体が捕捉する磁場分布の時間的変化を低減する技術について開示されている。しかしながら、特許文献２のように、強磁性体の保磁力を用いて捕捉磁場の時間的変化を低減させた磁気回路では強磁性体の高々２テスラ程度である飽和磁化以上の磁場中ではその低減効果が小さくなる。
【０００７】
そこで本発明は、超電導磁石に高磁場を高速に発生させることが可能な超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「超電導磁石装置であって、電磁石と、前記電磁石に設置された磁場増幅装置と、を少なくとも有し、前記磁場増幅装置は、断熱容器と、前記断熱容器内に配置された超電導体と、前記超電導体の温度を調整する温度調整部と、を少なくとも有し、前記超電導体は、両端面に開口部を有する部材であって、かつ予め磁化されていること」を特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
超電導磁石に高磁場を高速に発生させることが可能な超電導磁石装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１に係る超電導磁石装置の断面図の例を示した図。
【図２】磁場増幅部材の斜視図の例を示した図。
【図３】磁場増幅部材を形成する超電導体の磁化と外部磁場の関係を示した模式図。
【図４】磁場増幅装置の有無による、超電導磁石装置の発生磁場の違いを示した図。
【図５】磁場増幅装置の温度制御有無による発生磁場の時間変化の差を示した図。
【図６】磁場増幅装置の超電導体を磁化するときの手順を示した図。
【図７】磁場増幅装置によって収束磁場を発生させる手順を示した図。
【図８】実施例２に係る超電導磁石装置の断面図の例を示した図。
【図９】実施例３に係る超電導磁石装置を用いたＭＲＩ装置の斜視図の例を示した図。
【図１０】実施例３に係る超電導磁石装置を用いたＭＲＩ装置の断面図の例を示した図。
【図１１】実施例４に係る超電導磁石装置を用いた粒子線治療装置の例を示した図。
【図１２】実施例４に係る四極電磁石の断面図の例を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本実施例の超電導磁石装置３００の構成を示す断面図の例である。以下、本実施例の超電導磁石装置３００の主な構成を説明する。
【００１３】
超電導磁石装置３００は通電して磁場を発生させる電磁石装置３０２と電磁石装置３０２が発生させる磁束を収束させて磁束密度（以下、磁場という）を増加させる磁場増幅装置３０１とから構成される。磁場増幅装置３０１は電磁石装置３０２と着脱可能な構成である。また、電磁石装置３０２は、磁場増幅装置３０１が増幅する磁場の発生源であって、後述する磁場増幅部３０の開口部１８a,１８ｂを通過する磁場を発生させる。
【００１４】
電磁石装置３０２は、導体にコイル状の形状を維持させるための巻き枠、巻き枠に巻きまわされて樹脂等によって固定された導体から形成されるコイル３６、コイル３６に通電するための電流経路３１１、電流を供給するための電源３１２を有する。電磁石の導体を形成する材料としては、銅などの常伝導の電気良導体やニオブチタンやニオブ三スズ、二硼化マグネシウム、銅酸化物系の高温超電導導体など一般に市販されている超電導導体を用いることができる。
【００１５】
本実施例の電磁石装置３０２は、導体として超電導導体を用いたものを説明する。そのため、コイル３６は断熱容器３４の中に格納され、冷媒３５によって冷却されている。また、超電導コイルの突然の常伝導転移に備え、保護回路３１４と電流供給を遮断するスイッチ３１３とが備えられている。
【００１６】
冷媒３５は超電導導体を超電導転移温度以下にできればよい。コイル３６を形成する超電導導体の種類にしたがって、液体ヘリウムや液体ネオン、液体水素、液体窒素などの液体冷媒、または固体窒素などの固体冷媒、ガスヘリウムなどの気体冷媒が適宜選択される。また、図示していないが、蒸発する冷媒３５を再凝縮する公知の冷凍機、例えばギンツブルグ-マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）やスターリング冷凍機、パルス管冷凍機などが断熱容器３４に具備される。
【００１７】
次に、本実施例における磁場増幅装置３０１の構成について説明する。
【００１８】
磁場増幅装置３０１は、断熱容器３４の中に格納された磁場増幅部３０と、磁場増幅部３０を冷却するための冷却部３２、磁場増幅部３０を加熱するための加熱部３１を主な構成とする。冷却部３２および加熱部３１は、温度調節部であって、磁場増幅部３０の構成部材である超電導体１８の温度を調整する。
【００１９】
なお、温度調整部は、制御装置３３によって制御されるか、あるいは加熱部３１や冷却部３２そのものにフィードバック回路が組み込まれ、自律的に温度を制御するように構成されてもよい。また、温度調整部に含まれる加熱部３１と冷却部３２のいずれか一方は、一定の出力を維持し、他方が出力を変動することで温度調整を実行するようにしてもよい。
【００２０】
なお、加熱部３１は通電されることで発熱するヒータであって、磁場増幅部３０の近傍に設置される。また、冷却部３２は公知の冷凍機、例えばギンツブルグ-マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）やスターリング冷凍機、パルス管冷凍機などを含んだ構成であって、磁場増幅部３０を伝導冷却する。
【００２１】
図２は、磁場を収束させる磁場増幅部３０の一例を示す。磁場増幅部３０は、超電導体１８と、熱良導体４０、４１、超電導体１８の割れや変形を防ぐ構造強化部材４２などから構成されている。なお熱良導体４０、４１は冷却部３２と接続される。
【００２２】
超電導体１８の形状は、図２に示されるように、頂点方向および底面方向の端面の両方が開口した中空の錐台様である。なお、ここで言う頂点方向とは、錐台形状の高さ方向において存在する二つの端面のうち、面積が小さい方の端面が存在する方向を指す。底面方向とは二つの端面のうち面積が大きい方の端面が存在する方向を指す。また、錐台様の形状とは、錐台形状や、これに類似する笠状、漏斗状の形状を含むものとする。また超電導体１８の開口部１８a、１８ｂの形状は、円、楕円、矩形のいずれであってもよい。また本実施例では、超電導体１８の頂点方向の開口部１８aと、底面方向の開口部１８ｂとが、錐台形状の高さ方向において重なるように形成されているが、重なりを有さないように配置されていてもよい。
【００２３】
超電導体１８の配置は、頂点方向の開口部１８aが磁場を収束させたい方向に面するものとする。したがって、図１および図２の例であれば、超電導体１８は、電磁石装置３０２が作る磁場７８の向きと同じ方向に頂点方向の開口部１８aが面するように配置される。底面方向の開口部１８ｂは、図１のように電磁石装置３０２の内径側に設置する場合は、電磁石装置３０２の内径よりも小さいものであればよい。磁場増幅装置３０１が、電磁石装置３０２の端部に設置される場合は、電磁石装置３０２の内径よりも大きいものであってもよい。磁場の収束性能の観点からは、超電導体１８の底面方向の開口部１８ｂは、電磁石装置３０２の内径と略一致し、かつ頂点方向の開口部１８aが開口部１８ｂよりも十分に小さいことが望ましい。また、望ましくは、開口部１８aおよび開口部１８ｂの両中心が、電磁石装置３０２の内径中心、より正確にはコイル３６の中心軸上にあるように、超電導体１８が設置される。
【００２４】
また図２に示されるように、超電導体１８は、構造強化部材４２および熱良導体４１によって内張りされ、熱良導体４０によって外張りされた状態で保持される。本実施例では熱良導体４０が、超電導体１８の外側の構造強化の役割も兼ねている。構造強化を更に図る場合は、例えば構造強化部材４２と類似した別部材が、熱良導体４０の外側に配置されてもよい。
【００２５】
熱良導体４０、４１は純アルミや無酸素銅などの金属やアルミナや窒化アルミなどのセラミクスである。また、図示していないが、熱良導体４０、４１は樹脂やグリースなどの絶縁体を介して超電導体１８と固着または接触している。また、温度センサ４３によって超電導体１８の冷却時や磁場増幅時の温度が測定される。
【００２６】
超電導体１８の材料は、ニオブチタンやニオブ三スズ、二硼化マグネシウム、銅酸化物系の高温超電導体である。これらの材料がバルク体とよばれる塊状の部材、あるいは薄膜状の部材に加工され、これらの導体から超電導体１８が構成される。このように構成された超電導体１８が、磁場を収束させる機能を果たす。
【００２７】
次に、本実施例において、磁場増幅装置３０１の超電導体１８を磁化させる手順（ステップ）と、各ステップにおいて生じさせる物理的な現象を説明する。図６は、磁場増幅装置３０１の超電導体１８を磁化するときの手順を示した図である。
【００２８】
はじめに、磁場増幅装置３０１に磁場の増幅能力を持たせるために、超電導体１８を磁化させるプロセスを説明する。まず、磁場増幅装置３０１の冷却部３２を起動させ、磁場増幅部３０を超電導状態にする（S１０１）。
【００２９】
次に、要求される磁場の強度（目標とする収束磁場の強度）を決定する（Ｓ１０２）。そして目標の収束磁場にあわせて、磁束の収束率を決定し、収束率を実現するために必要な電磁石装置３０２の励磁量と超電導体１８の温度Ｔを決定する（Ｓ１０３）。励磁量が決定、すなわち電磁石装置３０２に流されるべき電流の大きさ（定格電流）と、その電流の大きさに至るまでに要する時間を決定した後は、超電導体１８の温度をＴKに設定後、電磁石装置３０２のコイル３６に通電を開始する（S１０４）。なお磁束の収束率及び電磁石装置３０２の励磁量は、磁場増幅部３０の冷却開始前に決定されてもよい。ただし電磁石装置３０２に対する通電は、磁場増幅部３０が十分冷却され超電導体１８が超電導状態に移行した後に実行される。この通電の際、電磁石装置３０２は励磁速度VIA/sで励磁される。
【００３０】
また、電磁石装置３０２に通電が開始されると。加熱部３１または冷却部３２は磁場増幅部３０の温度が所定の温度T Kに維持されるように調整する（Ｓ１０５）。なお、この際の温度制御は厳密に温度T Kに維持されることではなく、ある程度の許容範囲を設けて制御することを意味する。
【００３１】
電磁石装置３０２の通電が開始されると、磁場増幅部３０では次の現象が生じる。まず、磁場増幅部３０の外径側に配置された電磁石装置３０２が通電されることによって磁場が発生し、この磁場は超電導体１８の底面方向の開口部１８ｂへ入る。この磁場の侵入を遮蔽するように図２の超電導体１８の表面に遮蔽電流Isrが流れる。超電導体１８は周方向に少なくとも１つのスリット１７を持っており、Isrは電磁石装置３０２の発生する磁束を曲げることで磁場を遮蔽する。なお、スリット１７は、図２に示されるように、開口部１８aから開口部１８ｂまで至る超電導体１８の不連続部として形成される。
【００３２】
遮蔽電流Isrによって遮蔽された磁束の一部は超電導体１８の壁面に沿って進む。この現象は超電導体１８の全体で生じるため、その様子を俯瞰的に捉えると、電磁石装置３０２が作る磁場が、超電導体１８の開口部１８ｂから空芯内に入り、空芯の出口である開口部１８aに向かって収束する現象と捉えることができる。すなわち、電磁石装置３０２の本来の磁束密度が、超電導体１８によって増大し、磁場が増幅される。なお、ここで言う超電導体１８の空芯内とは、超電導体１８が呈する錐台形状において、内部側の空間のことを意味する。
【００３３】
侵入する磁場を遮蔽するようにはたらく遮蔽電流Isrのふるまいは次のとおり説明される。
【００３４】
変動磁場にさらされた超電導体１８では、ファラデーの電磁誘導の法則にしたがって、電界が発生する。その電界によって遮蔽電流Isrの電流密度は決まるが、超電導体１８は電気抵抗がゼロであるためにその電流密度は超電導臨界電流密度となる。つまり、超電導体１８の遮蔽電流Isrの電流密度は金属などの常伝導体とは異なり、変動磁場の変化速度に依存しない。
【００３５】
また、遮蔽電流Isrが流れた状態の超電導体１８が磁場変化にさらされると、超電導体１８内で発熱が生じる。この発熱はいわゆる超電導体１８の磁化損失であって、超電導体１８の内部に侵入してくる磁場の向きに抗して超電導体１８が磁化する場合に発熱が生じる。
【００３６】
図３は電磁石装置３０２によって発生する磁場の強さを横軸としたときの超電導体１８の磁化を示す。横軸は電磁石装置３０２の磁場の強さを示し、縦軸は超電導体１８の磁化を示す。電磁石装置３０２が励磁速度VIA/sで通電されると、超電導体１８の磁化は0A/mから図３中の矢印に沿って負の方向に磁化する。負の方向とは電磁石装置３０２が発生する磁場の方向とは逆方向を意味する。超電導体１８の磁化は遮蔽電流Isrが超電導体１８の全体に広がるまで負方向に進み、極小となった後、電磁石装置３０２の励磁電流が下がるにつれて、超電導臨界電流密度の磁場依存性にしたがって正方向に向かう。
【００３７】
図４は、この電磁石装置３０２の励磁速度VIA/sで通電電流を増加した際の磁場増幅部３０の空芯内磁場、すなわち収束磁場の変化を模式的に示す。なお、この磁場の測定位置は、超電導体１８の頂点方向の開口部中央である。
【００３８】
超電導体１８が設置された場合、電磁石装置３０２が定格電流に到達した時点t0において空芯内磁場は最大値Blensとなる。超電導体１８が設置されない場合も電磁石装置３０２の励磁速度VIA/sが一定であるとき、同位置における磁場は直線的に増加し、定格電流に到達した時点にBambとなる。磁場の収束率Blens/Bambは超電導体１８の形状やIsrの温度・磁場依存性によって変化するが、例えば超電導体１８として希土類系銅酸化物高温超電導体を用い、超電導体１８の温度を20Kに維持、電磁石装置の磁場0.6Tのとき、形状に応じてBlens/Bambは1〜2程度の値となる。
【００３９】
また、電磁石装置３０２が定格に到達した後に、電磁石装置３０２の通電電流が一定に保たれると、超電導体１８に流れる遮蔽電流Isrは超電導体１８の内部に生じる磁束クリープと呼ばれる現象によって時間の対数に比例して減少する。その結果、図５に示すように、定格到達時の磁場Bt0は任意時刻tにおいてBtに変化し、発生磁場が安定するまでにある程度の時間を要することが理解される。
【００４０】
そこで図５に示されるように、電磁石装置３０２が定格に至る直前期間Δtにおいて、磁場増幅部３０の温度がΔTだけ下がり続けるように制御されてもよい。すなわち図６のＳ１０５以降は、電磁石装置３０２に通電される電流が、定格電流に到達するまでに要する時間を監視し、定格到達前Δtに達したか否かを判定する（Ｓ１０６）。定格到達前Δtに達した場合は、超電導体１８の温度をΔTだけ下がり続けるよう制御する（Ｓ１０７）。また定格到達前Δtに達していない場合は、超電導体１８の温度はＴＫに維持され続ける。このような温度制御を採用することによって、磁場増幅部３０の発生磁場を早期に安定化させ、次の手順への移行に要する時間を短縮することができる。
【００４１】
理由は以下のように説明される。なお、電磁石装置３０２の通電値が定格に到達したか否かは、電流値ではなく、電磁石装置３０２が発生する磁場の強さ等で確認してもよい。例えば、定格に到達した際に、事前に定められ位置において計測される磁場強度を記録しておき、また、定格到達のΔｔ前に同位置において計測される磁場強度を記録しておくことでも、電流値の管理と同様のことができる。
【００４２】
図５は、電磁石装置３０２が定格に到達した後に、その通電電流を一定に保った状態で、超電導体１８の温度調整有無による収束磁場の変化を模式的に示す図である。
【００４３】
磁束クリープによる遮蔽電流Isrの変化速度、すなわち収束磁場の時間依存の不安定性は、超電導体１８の温度を制御することによって抑制することができる。図５の太い破線に示されるように、定格電流到達時からΔtの分だけ前から超電導体１８の温度をΔT下げることで、磁束の動きに対してポテンシャル障壁を作ることができ、発生磁場の時間的安定性が向上する。Δtは冷却部３２の熱拡散時間によって決められるが、t0に到達したときに超電導体１８の温度が下がり続けていることが必要である。すなわち、図１に示す加熱部３１または冷却部３２が、超電導体１８の温度を制御しながら温度を下げることで、超電導体１８の磁場収束によって形成される収束磁場の時間的安定性向上をもたらす。
【００４４】
電磁石装置３０２はΔｔの期間もVIA/sで励磁されて続けており、定格に達したか否かは監視される（Ｓ１０８）。定格に達した後は、電磁石装置３０２の通電量を漸減し、最終的には０Ａとする（S１０９）。なお、この時点で、コイル３６によって発生する磁束が、上記のメカニズムによって磁場増幅装置３０１で収束されている。一方、定格に達していない場合は、引き続き超電導体１８の温度はΔTだけ下がり続けるよう制御される。
【００４５】
Ｓ１０９において、定格電流に到達し超電導体１８により収束された磁場が安定した後、通電電流を減らしていくと、超電導体の磁化は図３の左上方向に向かう矢印に沿って変化する。通電電流0Aにおいて、超電導体１８の残留磁化はMとなる。この残留磁化Mは電磁石装置３０２が発生した磁場７８の向きと同じ向きの磁場７９を発生させる。
【００４６】
以上で説明したプロセスによって超電導体１８を磁化させることができる。なお、この超電導体１８を磁化するプロセスでは手順S106、S107を省いてもよい。超電導体１８に残留磁化Mを持たせた状態から再び電磁石装置３０２が励磁されると、図３内の破線のように超電導体１８の磁化が変化する。この場合、定格到達までの磁化の経路は異なるが、定格到達時の磁化は事前に磁化していない場合と同じになる。すなわち、超電導体１８によって収束される磁場は、残留磁化Mの有無によって増加中の値は異なるが、定格到達時には同じ値となる。
【００４７】
励磁中の超電導体１８に生じる発熱も、定格到達直前の単位時間あたりの発熱量は残留磁化Mの有無に依らずほぼ同じだが、それ以前の励磁中の単位時間あたりの発熱量は異なる。なお、上記に述べたようにこの発熱はいわゆる磁化損失であり、超電導体１８に入ろうとする磁場の向きと抗して磁化するときに生じる発熱である。
【００４８】
したがって、残留磁化Mである超電導体１８は、電磁石装置３０２の励磁初期段階において、超電導体１８の残留磁化Mが作る磁場７９と、電磁石装置３０２が発生する磁場７８と同じ向きとなるため、磁化損失による発熱は、残留磁化Mが無い場合と比較して小さくなる。なお、超電導体１８の全体に遮蔽電流Isrが広がるまでの発熱低減量は電磁石装置３０２の通電電流値Itと定格到達時の通電電流値It0の比によっておおよそ決まる。
【００４９】
磁場増幅部３０は電磁石装置３０２を励磁していた期間と同じ温度に保たれることで、磁場増幅部３０の磁化も保たれる。その後、磁場増幅装置３０１は電磁石装置３０２から取り外して保管しておいてもよい(Ｓ１１０)。もしくは仕様が同じ超電導磁石装置３００であれば、磁場増幅装置３０１を入れ替えて励磁することで、一つの電磁石装置３０２によって複数の磁場増幅装置３０１を磁化させることができる。
【００５０】
また、磁場増幅部３０を初期化する、すなわち残留磁化を消失させる場合は、冷却部３２の停止または加熱部３１の出力上昇が実施される。この制御によって磁場増幅部３０の温度を上げることで磁化の消失を引き起こす。磁化が消失した磁場増幅部３０は、再度S001〜S110のステップが実施されることによって、新たな目標とする発生磁場を形成するために適した磁化を付与することができ、超電導体１８の繰り返し利用ができる。
【００５１】
また、超電導磁石装置３００の発生磁場が必要な場合は、磁場増幅装置３０１が電磁石装置３０２に取り付けられ、再び電磁石装置３０２が励磁される。このような予め磁化作業を終えた磁場増幅装置３０１の利用は、次のような手順で実行される。
【００５２】
まず、磁化作業済みの磁場増幅装置３０１が電磁石装置３０２の内径に設置される（Ｓ２０１）。なお、Ｓ２０１の段階では、電磁石装置３０２は励磁されていない。また、磁場増幅装置３０１は、電磁石装置３０２を励磁した際に発生する磁場の向きと、予め付与された磁化の向きが一致するように設置される。次に磁場増幅装置３０１によって発生させる収束磁場を決定する（Ｓ２０２）。収束磁場の条件が決定した後は、電磁石装置３０２の励磁量を決定する（Ｓ２０３）。この際に定格に達するまでに要する時間は、磁場増部３０を初回励磁した際よりも短い時間を設定できる。
【００５３】
電磁石装置３０２の励磁量が決定した後は、コイル３６に通電が開始される（Ｓ２０４）。電磁石装置３０２の発生する磁場は、磁場増幅装置３０１が収束し増幅される。この際、超電導体１８の励磁中の発熱は、先に説明したように超電導体１８を磁化させるための１回目の励磁時に対して数分の１となる。したがって、仮に冷却部３２の出力が、超電導体１８の初回励磁の際と同程度でとすると、電磁石装置３０２の励磁速度Vtが初回励磁時のVIA/sに対して数倍であっても、超電導体１８の発熱量の側面からは問題無い。結果、予め磁化された超電導体１８を有する磁場増幅装置３０１によって、超電導磁石装置３００は、高速に発生磁場を形成することができる。なお、この通電中は超電導体１８の温度はＴＫに維持される（Ｓ２０５）。
【００５４】
次に、電磁石装置３０２の電流が定格に到達する直前の時点Δtに達したか否かが確認される（Ｓ２０６）。時点Δtに達した場合は、温度調整部が磁場増幅部３０の温度をΔT K下げる制御が実行される（Ｓ２０７）。このようにすることで、図５に示されるように、収束磁場を短時間に安定化させることができる。Δtは冷却部３２の熱拡散時間とΔT Kの値によって定格到達時に温度が下がり続けるという条件下で決定される。このように制御を採用することで、超電導磁石装置３００は、高速に発生磁場を形成し、かつ発生磁場を短時間で安定化できるため、超電導磁石装置３００の利便性を向上させることもできる。
【００５５】
なお、上述のように残留磁化Mを有する超電導体１８は、磁化Mを付与するために利用された磁場７８よりも強い磁場環境で利用することもできる。磁場７８よりも強い磁場環境下であれば、磁化Mを付与するまでの磁場環境での発熱は磁化Mを付与しない場合よりも低減でき、その磁場以上の環境では磁化Mを付与する際の発熱と同じになるため、発生磁場を得るための励磁中総発熱量は低減することができる。結果、本実施例の超電導磁石装置３００は、ヘリウムの消費量が従来よりも少なく、かつ２テスラ以上の高磁場であっても高速に発生する。
【００５６】
以上説明するように、本実施例では磁場増幅装置３０１を予め磁化させておくことによって、電磁石装置３０２が発生する磁場による超電導体１８の磁化損失が抑えられ、その結果、超電導磁石装置３００の励磁速度が向上したとしても、時間的安定度の高い収束磁場を超電導磁石装置３００は発生させることができる。さらに、電磁石装置３０２の電流が定格に到達する直前期間Δtに、温度調整部が磁場増幅部３０の温度をΔT K下げる手順を採用することで、時間的安定度の高い収束磁場をさらに早く発生させることができる。結果として、従来よりも利便性の高い、すなわち必要なときに必要とされる収束磁場を迅速に得ることが可能な超電導磁石装置３００が構築される。
【実施例２】
【００５７】
本実施例では、磁場増幅装置４０１の冷却方法をガス冷却とし、温度調節応答速度を高めることのできる超電導磁石装置４００の例を説明する。図８は、本実施例の超電導磁石装置４００の構成を示す断面図の例である。図８の超電導磁石装置４００のうち、既に説明した図１および図２に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００５８】
次に、超電導磁石装置４００の構成を説明する。超電導磁石装置４００は電磁石装置４０２と、磁場増幅装置４０１とから主に構成される。電磁石装置４０２は銅線などの常伝導体が利用される。この場合、コイル３６は断熱容器等に格納されなくともよいが、コイル３６の巻き線内に水などの液体冷媒を循環させるための冷却流路を持たせることが望ましい。なおコイル３６が実施例１のように、超電導導体によって作られてもよい。
【００５９】
磁場増幅装置４０１は磁場増幅部３０と磁場増幅部３０に取り付けられる加熱部３１、断熱容器３４、冷却部３２としてのガス流路６１、液体冷媒格納容器６３、ポンプ６２、冷媒ガス流量調整用バルブ６４から構成される。冷媒は磁場増幅部３０の材料に応じて選択され、材料が超電導導体であれば、超電導転移温度以下にすることが可能なものであり、例えば液体ヘリウム、液体窒素、液体ネオン、液体水素などを利用することができる。ガス流量調整用バルブ６４にはボールバルブやニードルバルブなどが利用できる。
【００６０】
次に、超電導磁石装置４００の励磁手順を説明する。
【００６１】
はじめにガス流量調整用バルブ６４が開放される。次にポンプ６２が作動し、液体冷媒格納容器６３の内部に貯留された液体冷媒が気化し、これによって得られる冷媒ガスが磁場増幅部３０に接することで、磁場増幅部３０は冷却される（Ｓ１０１）。なお、本実施例では、これらの冷媒ガスを発生させ利用するための構成が冷却部３２に相当する。磁場増幅部３０が超電導状態になった後、加熱部３１または冷却部３２が磁場増幅部３０の温度をT Kに保持する（Ｓ１０５）。その後、実施例１と同様に、電磁石装置４０２の励磁と減磁を行い、この磁場７８が磁場増幅部３０を、磁場７８の向きと同じ向きの磁場７９を生じるように磁化させる。以上の手順で、磁場増幅装置４０１の利用準備を完了する。なお、電磁石装置４０２と異なる電磁石装置によって磁場増幅装置４０１の利用準備を実施してもよい。
【００６２】
利用準備が完了した磁場増幅装置４０１は、温度を維持した状態で保管される（Ｓ１１０）。収束磁場が必要の場合は、実施例１のＳ２０１〜Ｓ２０８に准じて、磁場増幅装置４０１を電磁石装置４０２に設置し、超電導磁石装置４００を作動させる。
【００６３】
超電導磁石装置４００を動作させる段階では、利用準備時よりも速い励磁速度でコイル３６を励磁し、収束磁場を形成してもよい。また、コイル３６の電流が定格に到達する前に、実施例１のＳ２０７と同様に、加熱部３１とガス流量調整バルブ６４によって入熱量と、除熱量を操作し、図５に示すように超電導体１８の温度を制御することによって収束磁場の形成に要する時間は更に高速化できる。
【００６４】
また実施例１では加熱部３１からの伝熱部材の熱拡散時間によって磁場増幅部３０の温度応答速度が決められるが、本実施例では加熱部３１からの伝熱の熱拡散時間に加え、ガスによる熱拡散も追加されるためより高速な温度応答を実現でき、より速いコイル３６の励磁速度にも対応することができる。
【００６５】
したがって、本実施例の超電導磁石装置４００は、実施例１よりもさらに高速に時間的安定度の高い収束磁場を発生させることができる。
【実施例３】
【００６６】
本実施例では、磁場増幅装置１０１を用いた磁気共鳴画像（以下、ＭＲＩという）装置１００の例を説明する。
【００６７】
図９は、本実施例のＭＲＩ装置１００の外観を示す斜視図の例である。図１０は図９のＭＲＩ装置１００の断面構造の例を模式的に示した図である。ＭＲＩ装置１００のうち、既に説明した図１、図２および図８に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００６８】
次に、ＭＲＩ装置１００の構成を説明する。図１および図２に示すように、ＭＲＩ装置１００の主要部は、支持筺体である円筒状のガントリ１１０の内部に、円筒状の超電導電磁石１０２が収容されて構成されている。超電導電磁石１０２の内径側に磁場増幅装置１０１、磁場調整部７６、磁気勾配コイル７１、磁気共鳴信号取得のための高周波コイル７２などが設置されている。さらにその内周側の円筒状の空間に、被検体挿入領域１１７があり、可搬式テーブル駆動部１１４によって、可搬式テーブル１１３および可搬式テーブル１１３に載置された被検体１１６が受信コイル７３とともに挿入され、均一磁場空間７７に位置制御される。この超電導電磁石１０２が、実施例１の電磁石装置３０２に相当する。
【００６９】
可搬式テーブル１１３の位置制御や磁場増幅装置１０１、磁気勾配コイル７１、高周波コイル７２の温度、電流、周波数などの信号制御は制御装置１１１を用いて行われ、表示装置１１２にそれらの制御結果および、磁気共鳴画像が映し出される。また、図示している磁場増幅装置１０１は１つであるが、要求されるＭＲＩ装置１００の仕様に応じて磁場増幅装置１０１は複数配置される、もしくは一部が磁気勾配コイル７１や高周波コイル７２の内径側にあってもよい。
【００７０】
図１０に示すように、超電導電磁石１０２は断熱容器５１の中に超電導コイル５３が収容され、冷媒５２によって冷却された構成となっている。ここでは２個のみ超電導コイル５３を図示しているが、必要な磁場強度に応じて超電導コイル５３の数は多数あってよい。また、図示していないが、蒸発した冷媒５２を再凝縮する公知の冷凍機、例えばギンツブルグ-マクマホン冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機という）やスターリング冷凍機、パルス管冷凍機などを断熱容器５１に具備しておいてもよい。
【００７１】
超電導コイル５３は励磁配線１６を介して励磁回路１５と接続されている。励磁回路１５は電源や抵抗器、ダイオードなどの公知の超電導コイル保護回路から構成されている。図中では励磁回路１５はすべて断熱容器５１の外側に配置されているが、一部は断熱容器５１の内側に置くこともできる。可搬式テーブル１１３や断熱容器３４、５１は、非磁性のステンレスや樹脂などで構成されている。
【００７２】
次に、ＭＲＩ装置１００の励磁手順を説明する。基本となる手順は、実施例１のＳ２０１〜Ｓ２０８と同様である。
【００７３】
断熱容器５１内に収容された超電導コイル５３を冷媒５２により超電導状態とする。あらかじめ、実施例１、２と同様の方法でＭＲＩ装置が発生する磁場７８と同じ向きの磁場７９を発生させるように磁化させた磁場増幅装置１０１が設置（Ｓ２０１）し、超電導コイル５３を励磁する（Ｓ２０４）。超電導コイル５３が定格電流に到達するΔt前に加熱部３１または冷却部３２が磁場増幅部３０の温度制御を行い（Ｓ２０７）、ＭＲＩ装置１００は時間的に安定な収束磁場を迅速に発生させることができる。
【００７４】
なお、図示していないが、超電導コイル５３は断熱容器５１の内部にて公知の永久電流回路を有する。永久電流回路は、超電導コイル５３が定格電流に到達した後に、断熱容器５１の外側に配置されている励磁配線１６や励磁回路１５と電気的に切り離すことができる。
【００７５】
また、本実施例ではＭＲＩ装置１００が発生する磁場７８の向きは被検体１１６の挿入方向と平行方向であるが、垂直方向であっても、同様の励磁方法を適用することができる。
【実施例４】
【００７６】
本実施例では、磁場増幅装置２０１を具備する粒子線治療装置２００の例を説明する。図１１は、本実施例の粒子線治療装置２００の例である。
【００７７】
粒子線治療装置２００を構成する各機器のうち、既に説明した図１、図２、図８および図１０に示された同一の符号を付された構成と同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００７８】
本実施例の粒子線治療装置２００の構成を説明する。本実施例の粒子線治療装置２００は、入射器２１０から輸送系２１１aを通じてシンクロトロン２２０へ入射された荷電粒子ビーム（以下、ビームという）を、シンクロトロン２２０によって所定のエネルギーまで加速して取り出し、ビーム輸送系２１１b、複数の四極電磁石２１９および照射野形成装置２１６を介して被検体２１７の患部２１８へ照射する構成となっている。なお、照射野形成装置２１６は、走査電磁石やコリメータによって構成され、ビームを任意の方向へ変更し、または任意の箇所以外にビームが届かないように遮蔽することによって、照射野を形成する装置である。
【００７９】
シンクロトロン２２０は、インフレクタ２１２、偏向電磁石２１３、四極電磁石２１４から構成されている。シンクロトロン２２０から取り出されたビームは四極電磁石２１９の発生磁場によって、進行方向に対して垂直な断面に関し、水平および垂直方向の形状が調整される。四極電磁石２１９は個別の四極電磁石電源２１５によって電流が制御される。
【００８０】
図１２に磁場増幅装置２０１を備えた四極電磁石２１９の断面図の例を示す。四極電磁石は磁場増幅装置２０１と、電磁石装置２７、強磁性体２４から構成されている。電磁石装置２７は磁場増幅装置２０１および強磁性体２４と磁気回路を形成する。
【００８１】
四極電磁石電源２１５は、電磁石装置２７を構成するコイル２５に接続されており、所定の磁場を発生させる。コイル２５は鞍型形状となっており、銅線などの常伝導体が使用されている。必要磁場強度に応じてコイル２５は超電導導体を用いることもできる。
【００８２】
次に、四極電磁石２１９の励磁方法を示す。基本的な励磁方法は、実施例１のＳ２０１〜Ｓ２０８と同様である。
【００８３】
実施例１から３と同様に磁場増幅装置２０１を超電導状態にし、コイル２５が発生する磁場７８の向きと同じ磁場の向きとなるように磁場増幅部３０を磁化させ、一定温度に保つ。電磁石装置２７を励磁し、到達目標磁場に達する前に加熱部３１または冷却部３２を制御することで磁場増幅部３０の温度を下げ始め、目標磁場到達時も温度降下を続ける。したがって、本実施例では磁場増幅装置２０１を用いることで強磁性体２４の飽和磁化２Ｔ以上の磁場についても収束することが可能であり、コイル２５の発生磁場を収束することで必要磁場発生までの時間を低減することができる。
【００８４】
本実施例ではシンクロトロン２２０を例として示したが、シンクロトロン２２０や公知のサイクロトロンを構成する双極電磁石や四極電磁石、六極電磁石などに本発明の超電導磁石装置およびその励磁方法を適用することができる。
【００８５】
以上、本発明について複数の実施例を挙げて説明した。ただし本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない限りにおいて、各種の変更を加えることができ、他の超電導応用機器に適用することが可能であって、また各実施例について組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１５  励磁回路
１６  励磁配線
１７  スリット
１８  超電導体
１８a  頂点方向の開口部
１８ｂ  底面方向の開口部
１００  ＭＲＩ装置
１０１、２０１、３０１、４０１  磁場増幅装置
１０２  超電導電磁石
１１０  ガントリ
１１１  制御装置
１１２  表示装置
１１３  可搬式テーブル
１１４  可搬式テーブル駆動部
１１６、２１７  被検体
１１７  被検体挿入領域
２００  粒子線治療装置
２１０  入射器
２１１a、２１１ｂ  ビーム輸送系
２１２  インフレクタ
２１３  偏向電磁石
２１５  四極電磁石電源
２１６  照射野形成装置
２１８  患部
２１４、２１９  四極電磁石
２２０  シンクロトロン
３００、４００  超電導磁石装置
２４  強磁性体
２７、３０２、４０２  電磁石装置
３１１  電流経路
３１２  電源
３１３  スイッチ
３１４  保護回路
３０  磁場増幅部
３１  加熱部
３２  冷却部
３３  制御装置
３４、５１  断熱容器
３５、５２  冷媒
２５、３６  コイル
４０、４１  熱良導体
４２  構造強化部材
４３  温度センサ
５３  超電導コイル
６１  ガス流路
６２  ポンプ
６３  液体冷媒格納容器
６４  ガス流量調整用バルブ
７１  磁気勾配コイル
７２  高周波コイル
７３  受信コイル
７６  磁場調整部
７７  均一磁場空間
７８  電磁石装置が発生させる磁場
７９  超電導体の残留磁化により現れる磁場
【図１】
2017183441.tif 000003
【図２】
2017183441.tif 000004
【図３】
2017183441.tif 000005
【図４】
2017183441.tif 000006
【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】
2017183441.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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