(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する第１および第２の磁極面を持つ、間隔を置いて配置された第１および第２の磁極片を含む磁石において、上記第１の磁極面が上記第２の磁極面に向かって伸びる軸を持つと共に、複数の切頭円錐状の表面を含む表面領域を持ち、上記複数の切頭円錐状の表面は上記軸を中心として同軸に整列し、また半径方向に互いに隣接した上記切頭円錐状の表面が互いに接触しており、
上記複数の切頭円錐状の表面が上記第１の磁極面の表面積の大部分を占め、
更に、上記軸と同軸に整列して上記第１の磁極面に取り付けられた、シムを持つ円形のシムトレーを含み、
更に、上記軸と同軸に整列し、かつ上記円形シムトレーから半径方向外側に間隔を置いて上記第１の磁極面に取り付けられた、シムを持つ環状のシムトレーを含み、上記環状のシムトレーが上記円形のシムトレーよりも軸方向で上記第２の磁極面に一層近づいて配置されていることを特徴とする磁石。
【請求項２】
上記第１の磁極面はまた、上記軸と同軸に整列して、上記複数の切頭円錐状の表面の内の最も半径方向内側にある切頭円錐状の表面に円周が接している平面円形の表面を含み、上記円形シムトレーが軸方向に上記平面円形の表面に接している請求項１記載の磁石。
【請求項３】
上記第１の磁極面はまた、上記軸と同軸に整列して、上記複数の切頭円錐状の表面の内の最も半径方向外側にある切頭円錐状の表面に円周が接している平面環状の表面を含み、上記環状シムトレーが軸方向に上記平面環状の表面に接している請求項２記載の磁石。
【請求項４】
上記円形シムトレーおよび上記環状シムトレーの各シムは上記第１の磁極面に対向して見たとき台形の形状を持ち、上記台形は、短い底辺、長い底辺、第１の側辺および第２の側辺を持ち、上記短い底辺は上記長い底辺よりも半径方向で上記軸に一層近づいて配置され、上記第１の側辺は上記軸から上記第１の側辺に向けて引かれた半径線に整列し、そして上記第２の側辺は上記軸から上記第２の側辺に向けて引かれた半径線に整列している請求項３記載の磁石。
【請求項５】
上記複数の切頭円錐状の表面の数が５以上である請求項４記載の磁石。
【請求項６】
更に、２つの端を持つ「Ｃ」字形コアを含み、上記第１の磁極片が上記コアの上記２つの端の一方に取り付けられ、上記第２の磁極面は上記第１の磁極面と同じであり、上記第２の磁極面は上記第１の磁極面に向かって伸びる軸を持ち、上記第２の磁極面の上記軸は上記第１の磁極面の上記軸と同軸にそろっており、そして上記第２の磁極片が上記コアの上記２つの端の他方に取り付けられている請求項５記載の磁石。
【請求項７】
上記コアが上記２つの端から等距離に配置された中間部を持ち、低温冷却器で冷却される超伝導コイルが上記コアの上記中間部を取り囲んでいる請求項６記載の磁石。
【請求項８】
上記第１および第２の磁極片が強磁性材料のコアで接続されており、低温冷却器で冷却される超伝導コイルが該コアに隣接して配置されている請求項１記載の磁石。
【請求項９】
上記超伝導コイルが上記コアの中間部を取り囲んでいる請求項８記載の磁石。
【請求項１０】
超伝導コイルがニオブ−スズ超伝導コイルである請求項９記載の磁石。
【請求項１１】
上記シムは、上記第１の磁極面に隣接する少なくとも１つのシムトレーに固定されている請求項９記載の磁石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般に磁石に関し、更に詳しくは互いに対向する磁極片を持つ磁石内の軸対称な磁界の不均一度を小さくすることに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁石には、たとえば「Ｃ」字形磁石のように、第１および第２の磁極面がほぼ対向するように間隔を置いて配置された第１および第２の磁極片を持つものがある。ある種の磁石の用途たとえば医用診断のための磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）の用途では、超伝導磁石を用いることにより、イメージング容積内に高強度磁界を発生する。高品質のイメージングのため、イメージング容積内の磁界の不均一度は小さくしなければならない。イメージング容積内の磁界の不均一度を小さくするための公知の手法には、各磁極面に取り付けられた調整リングを使用することにより軸対称な磁界の不均一度を小さくすること、および調整リングに取り付けられたシム（ｓｈｉｍ）を使用することにより三次元の磁界の不均一度を小さくすることが含まれる。ＭＲＩの用途ではイメージング品質を改善するために、磁界の不均一度を更に小さくするように設計された磁石が必要とされる。
【０００３】
【発明の概要】
本発明の目的は、軸対称な磁界の不均一度を小さくできるように輪郭成形された対向する磁極面を持つ磁石を提供することである。
第１の実施の態様例では、本発明の磁石は、ほぼ対向する第１および第２の磁極面を持つ、間隔を置いて配置された第１および第２の磁極片を含む。第１の磁極面は、ほぼ第２の磁極面に向かって伸びる軸を持ち、また２つ以上の切頭円錐状の表面を含む表面領域を持つ。切頭円錐状の表面は軸を中心としてほぼ同軸に整列し、半径方向に互いに隣接した切頭円錐状の表面は互いに接触する。
【０００４】
第２の実施の態様では、本発明の磁石は、ほぼ対向する第１および第２の磁極面を持つ、間隔を置いて配置された第１および第２の磁極片を含む。第１の磁極面はほぼ第２の磁極面に向かって伸びる軸を持ち、また表面領域を持つ。軸から同じ半径距離の所に位置する表面領域上の点は、軸に沿って共通の軸方向距離の所に位置している。このような点を軸に沿った軸方向距離と軸からの半径方向距離とに対して描いたグラフは、２つ以上の符号反転がある連続したスロープを持つ曲線になる。
【０００５】
本発明から幾つかの利益および利点が得られる。本発明の上記の両方の実施態様では、輪郭成形した磁極面を設けることにより、より滑らかな磁界で、軸対称な磁界の不均一度を更に小さくすることができる。従来技術の調整リングでは、磁極面を磁極面の側面から一部を切り取って見たときの形状が「ステップ関数」状の形状である表面領域を持つ磁極面を使用して、粗調整が行われた。本発明の第１の実施態様では、磁極面の側面から一部を切り取って見たときの形状が複数の傾斜した直線線分で構成されている表面領域を持つ磁極面を使用して、より滑らかな磁界が形成される。本発明の第２の実施態様では、磁極面の側面から一部を切り取って見たときの形状が連続的な傾斜（スロープ）を持つ曲線の形状である表面領域を持つ磁極面を使用して、更に一層滑らかな磁界が形成される。
【０００６】
【詳しい説明】
付図は本発明の２つの好ましい実施態様を示す。図を通じて、同じ参照番号は同じ要素を表す。図１乃至図４は本発明の好ましい第１の実施態様の磁石１０を示す。磁石１０は、ほぼ対向する第１の磁極面１６および第２の磁極面１８を持つ、間隔を置いて配置された第１の磁極片１２および第２の磁極片１４が含む。磁石１０は「Ｃ」字形コア２０を含むことが好ましい。「Ｃ」字形コア２０は２つの端２２および２４を持ち、２つの端２２および２４からほぼ等距離に配置された中間部２６を持ちている。好適な一実施例では、第１の磁極片１２がコア２０の２つの端２２および２４の一方２２に取り付けられ、第２の磁極片１４がコア２０の２つの端２２および２４の他方２４に取り付けられている。磁石設計によっては磁極片は冶金的に取り付けてもよいし、または取り外し可能なボルトでコアに接続してもよい。通常、コア２０ならびに磁極片１２および１４はそれぞれ強磁性材料たとえば鉄で作られる。
【０００７】
ＭＲＩ医用イメージングのようなある種の磁石の用途では、２つの磁極面１６と１８の間に配置された（点線で示された）イメージング容積２８内に高磁界強度が必要とされる。通常これは、コア２０の中間部２６を取り囲む超伝導コイル、たとえば図１に示されるような低温冷却器で冷却される超伝導コイル３０を用いることによって達成される。熱遮蔽体３２が超伝導コイル３０をほぼ取り囲むように超伝導コイル３０から間隔を置いて配置され、また、真空エンクロージャ３４が熱遮蔽体３２をほぼ取り囲むように熱遮蔽体３２から間隔を置いて配置されている。たとえばギフォド・マクマホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ）低温冷却器の低温ヘッドの様な低温冷却器の低温ヘッド３６が、熱遮蔽体３２と熱接触する第１段３８および超伝導コイル３０と熱接触する第２段４０を持つ。ニオブ−スズ超伝導コイル３０の場合、第２段４０が超伝導コイル３０をほぼ１０ケルビンの温度に維持し、第１段３８が熱遮蔽体３２をほぼ４０ケルビンの温度に維持する。熟練した当業者には知られている通り、コイルに使用されている超伝導体の臨界電流密度を超えることなく高磁界強度を達成するために、付加的な超伝導コイル（図には示さない）が必要とされることがある。
【０００８】
ＭＲＩ医用イメージングのようなある種の磁石の用途では、２つの磁極面１６と１８の間に配置されたイメージング容積２８内の磁界は（前に説明した高磁界強度とともに）不均一度が低いことが要求される。磁極片１２および１４自体の存在によって生じる軸対称な磁界の不均一性が存在する。このような軸対称な磁界の不均一度を小さくするように、磁石１０が設計される。第１の磁極面１６はほぼ第２の磁極面１８に向かって伸びる軸４２を持つ。第２の磁極面１８は、第１の磁極面１６とほぼ同じものであって、ほぼ第１の磁極面１６に向かって伸びる軸４４を持つ。第２の磁極面１８の軸４４は第１の磁極面１６の軸４２とほぼ同軸にそろっていることが好ましい。第１の磁極面１６は、複数の切頭円錐状の表面４８ａ乃至４８ｆを含む表面領域４６を持つ。切頭円錐状の表面４８ａ乃至４８ｆは第１の磁極面１６の軸４２のまわりにほぼ同軸に整列しており、半径方向に隣接した切頭円錐状の表面（たとえば、４８ｃおよび４８ｄ）は互いに接触する。切頭円錐状の表面４８ａ乃至４８ｆは第１の磁極面１６の表面積の大部分を占めることが好ましい。典型的な実施例では、切頭円錐状の表面４８ａ乃至４８ｆの数は５以上である。
【０００９】
切頭円錐状の表面４８ａ乃至４８ｆは、図２および図３に最も明確に示されている。あらかじめ選択された数の円が、第１の磁極面１６の軸４２とほぼ同軸に整列した円周５０ａ乃至５０ｇを持つ。半径方向に隣接した円周の間の半径方向の距離（すなわち、軸４２からほぼ垂直に伸びる線に沿った距離）はほぼ等しいことが好ましい。たとえば、円周５０ｂから円周５０ａまでの半径方向距離は、円周５０ｂから円周５０ｃまでの半径方向距離にほぼ等しい。半径方向に隣接した円周の軸方向の位置（軸４２に沿った位置）は互いに等しくない。一対の半径方向に隣接した円周（たとえば、５０ｂと５０ｃ）の間には切頭円錐状の表面（たとえば、４８ｂ）が伸びる。当業者には理解できるように、切頭円錐状の表面（たとえば、４８ｂ）とそれに関連した対の半径方向に隣接した円周（たとえば、５０ｂと５０ｃ）に対応する円とは一緒になって切頭円錐すなわち円錐台を形成する。円周５０ａ乃至５０ｇの各々についての軸４２からの半径方向の（すなわち、垂直方向の）位置はあらかじめ選定されている。円周５０ａ乃至５０ｇの各々についての軸４２に沿った軸方向の位置は、磁極片１２および１４自体によって生じる軸対称な磁界の不均一度を最小にするように決められる。円周５０ａ乃至５０ｇの軸方向位置のこのような決定は、磁界マッピング（ｍａｐｐｉｎｇ）のための（好ましくはコンピュータの助けを借りた）実験的または解析的な手法を使用することにより当業者が行うことができる。この手法についてはたとえば、発明の名称「磁気共鳴磁石に於ける受動シム配置を最適化する方法」の米国特許第５，０４５，７９４号明細書に記載されている。表面領域４６の輪郭（すなわち、切頭円錐状の表面４８ａ乃至４８ｆ）は、従来の数値制御の機械加工手法を使用することにより形成することができる。
【００１０】
図５に示される本発明の好ましい第２の実施態様では、磁石５２は、ほぼ対向する第１の磁極面５８および第２の磁極面６０を持つ、間隔を置いて配置された第１の磁極片５４および第２の磁極片５６を含む。第１の磁極面５８は、ほぼ第２の磁極面６０に向かって伸びる軸６２を持ち、また表面領域６４を持つ。軸６２から同じ半径方向の（すなわち垂直方向の）距離の所にある表面領域６４上の点は、軸６２に沿っても共通の軸方向の距離の所に位置する。また、このような点を軸６２に沿った軸方向の距離と軸６２からの半径方向の距離とに対して描いたグラフは、少なくとも２つの（そして好ましくは少なくとも５つの）符号反転がある連続した傾斜を持つ曲線６６になる。このようなグラフは図５の曲線６６として見ることができる。軸６２と軸６２から伸びる（破線で示された）半径方向の（すなわち垂直方向の）線６７とがグラフの軸を形成する。軸６２からの半径方向の（すなわち垂直方向の）あらかじめ選定された位置に対して、表面領域６４上のこのような各点に対する軸６２に沿った軸方向の位置は、磁極片５４および５６自体によって生じる軸対称な磁界の不均一度を最小にするように決められる。このような点の軸方向位置のこのような決定は、本発明の第１の実施態様について前に説明したように行うことができる。表面領域４６の輪郭は、従来の数値制御の機械加工手法を使用することにより形成することができる。
【００１１】
代替案として、本発明の好ましい第２の実施態様の磁石５２の表面領域６４は、本発明の好ましい第１の実施態様の半径方向に隣接した円周５０ａ乃至５０ｇの半径方向距離をすべての実用的な目的のために零に近づくように非常に小さくすることにより、第１の実施態様の磁石１０の表面領域４６から求めることができる。この代替案では、半径方向に隣接した円周５０ａ乃至５０ｇと軸６２を含む平面との交差によって生じる２つの最も近い点の間に（標準の曲線あてはめ手法よって決められる）曲線を通すことにより、第１の実施態様の円周５０ａ乃至５０ｇから表面領域６４の近似を求めることができる。
【００１２】
上記の両方の好ましい実施態様はともに輪郭成形した表面領域４６および６４を持っていることにより、当業者には理解できるように、従来知られている調整リングを用いる手法に比べてより滑らかな磁界が形成されて軸対称な磁界の不均一度が更に小さくなる。
当業者の技術の範囲内にある従来の磁界解析と共に、ここに開示された本発明の原理を使用して、本発明者は本発明の第１の実施態様の磁石１０の一例を設計した。磁石１０は、直径が１０センチメートルの球形の０．３テスラのイメージング容積２８に対して設計された。軸対称なピークピーク磁界不均一度は、１００００ｐｐｍを超える計算値から８ｐｐｍの計算値に低減された。従来の調整リングを用いる手法では、その値を１００ｐｐｍの計算値より低い値に無理なく下げることはできないと考えられる。
【００１３】
磁石１０（および磁石５２）は、その形状が「Ｃ」字形であるため、そしてその超伝導コイル３０の位置のために、三次元の磁界の不均一度がなお残る。これはシムトレー（ｓｈｉｍ  ｔｒａｙ）およびシムを使用することにより補正することができる。通常、シムトレーはガラス繊維のような非強磁性材料で作られ、シムは鉄のような強磁性材料で作られる。磁石１０の調整（シミング）だけについて説明する。磁石１０には、シム７０を持つほぼ円形のシムトレー６８が、軸４２とほぼ同軸に整列して第１の磁極面１６に取り付けられることが好ましい。磁石１０にはまた、シム７０を持つほぼ環状のシムトレー７２が、軸４２とほぼ同軸に整列し、かつ円形のシムトレー６８から半径方向外側に間隔を置いて、第１の磁極面１６に取り付けられる。環状のシムトレー７２は、円形のシムトレー６８よりも軸方向で第２の磁極面１８に一層近づくように配置される。この２トレー構成では、第１の磁極面１６の表面領域４６は、その半径方向の最も外側の部分がイメージング容積２８の適当な成形のためにその半径方向の最も内側の部分よりも軸方向で第２の磁極面１８に一層近づくように伸びる。したがって当業者には理解できるように、２トレー構成では、より良い調整のために単一のシムトレーを使用した場合に比べて２つのトレー６８および７２のシム７０を表面領域４６に一層近づけて配置することができる。
【００１４】
磁石１０の第１の磁極面１６には、平面円形の表面７４も含まれている。平面円形の表面７４は、軸４２とほぼ同軸に整列していて、切頭円錐状の表面４８ａ乃至４８ｆのの内の半径方向に最も内側の表面４８ａに円周が接している。円形のシムトレー６８は軸方向に平面円形の表面７４に接している。円形のシムトレー６８を第１の磁極面１６に取り付けるのを容易にするために、このような平面円形の表面７４が設けられる。磁石１０の第１の磁極面１６にはまた、平面環状の表面７６も含まれている。平面環状の表面７６は、軸４２とほぼ同軸に整列していて、切頭円錐状の表面４８ａ乃至４８ｆの内の半径方向に最も外側にある表面４８ｆに円周が接している。環状のシムトレー７２は軸方向に平面環状の表面７６に接している。環状のシムトレー７２を第１の磁極面１６に取り付けるのを容易にするために、このような平面環状の表面７６が設けられる。磁石１０の第２の磁極片１４は同様なシムトレーおよびシムを持ち、磁石５２の第１の磁極片５４および第２の磁極片５６もまた同様なシムトレーおよびシムを持つ。
【００１５】
図４に示すように、磁石１０の円形のシムトレー６８および環状のシムトレー７２の各シム７０は、第１の磁極面１６に対向して見たときほぼ台形になっていることが好ましい。各台形は、短い底辺７８、長い底辺８０、第１の側辺８２および第２の側辺８４、ならびに幾何学的中心点８６を持っている。短い底辺７８は長い底辺８０よりも半径方向で軸４２に一層近づいて配置される。第１の側辺８２は軸４２から引かれる半径線（図示しない）にほぼ整列し、第２の側辺８４も軸４２から引かれる半径線（図示しない）にほぼ整列する。実施例では、円形シムトレー６８のシム７０は、それらの台形の幾何学的中心点８６（それらの内の１つだけが図４に示されている）が軸４２とほぼ同軸に整列した仮想の同心円の（破線で示された）円周８８ａ乃至８８ｄ上に位置するように配置され、また環状シムトレー７２のシム７０は、それらの台形の幾何学的中心点８６（それらの中の１つだけが図４に示されている）が軸４２とほぼ同軸に整列した仮想円の（破線で示された）円周８８ｅ上に位置するように配置される。シム７０の形状と配置の組み合わせによって、従来知られている調整手法によって得られるシムの調整範囲に比べて、より良い調整範囲が得られる。シムトレー６８および７２上の個々のシム７０の実際の位置（すなわち、仮想円の円周上の個々のシム７０の幾何学的中心８６の位置）は、それらのらの厚さと共に、第１の磁極面１６の表面領域４６の軸対称な調整について前に説明したのと同様にして決められる。同じ円周８８ａ乃至８８ｅ上の台形はほぼ同じ台形を持ち、異なる円周８８ａ乃至８８ｅ上の台形はだいたい異なる台形を持つことが好ましい。同じ円周８８ａ乃至８８ｅ上の少なくとも２つのシム７０は異なる厚さを持つことが好ましい。構造的な理由のため、円形のシムトレー６８は複数の扇形部分（図示しない）を円形に結合したもので構成することができ、環状のシムトレー７２は複数の弧状部分（図示しない）を環の形に結合したもので構成することができる。中心の円形シム９０を設けてもよいことに注意すべきである。
【００１６】
前に説明した本発明者の磁石の設計では、シム９０の円の寸法は事前に選定され、シム７０の台形の寸法は事前に選定され、そして特定の円周８８ａ乃至８８ｅ上のシム７０の台形の寸法はほぼ等しかった。当業者の技術の範囲内にあるように、前に説明した本発明の原理および従来の磁界解析を使用することにより、円形のシムトレー６８の上の円形シム９０の厚さ、ならびに円形シムトレー６８および環状シムトレー７２の上の仮想円の円周８８ａ乃至８８ｅ上の台形シム７０の厚さおよび位置が決められた。ピークピーク三次元磁界不均一度は、３０００ｐｐｍを超える計算値から２３ｐｐｍの計算値に低減された。従来の調整リングを用いる手法では、このレベルに達することはできないと考えられる。
【００１７】
説明の目的で、本発明の２つの実施態様について述べてきた。これらは本発明を網羅するものではないし、また本発明を開示された細部に限定するものではなく、上記の教示に照らして多数の変形および変更が可能である。たとえば、磁石の軸対称な磁界の不均一度を更に減らすために必要であれば、磁石１０の第１の磁極面１６の表面領域４６に、半径方向に隣接した対の切頭円錐状の表面４８ａ乃至４８ｆを接続する（平面環状の表面７６に類似した）平面環状の表面を設けてもよい。本発明の範囲は特許請求の範囲により規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施態様の磁石の概略側面図であり、磁石の磁極片ならびに超伝導コイルを取り囲む熱遮蔽体および真空エンクロージャを断面で示す。
【図２】図１の磁石の磁極片の領域の拡大断面図であり、図を簡単にするためにシムトレーおよびシムを取り除いてある。
【図３】図２の線３−３に沿って見た平面図である。
【図４】図１の線４−４に沿って見た平面図である。
【図５】本発明の第２の実施態様の磁石の磁極片の領域の拡大断面図であり、図を簡単にするためにシムトレーおよびシムを取り除いてある。
【符号の説明】
１０    磁石
１２    第１の磁極片
１４    第２の磁極片
１６    第１の磁極面
１８    第２の磁極面
２０    「Ｃ」字形コア
３０    超伝導コイル
４２    第１の磁極面の軸
４４    第２の磁極面の軸
４６    第１の磁極面の表面領域
４８ａ乃至４８ｆ    切頭円錐状の表面
５２    磁石
５８    第１の磁極面
６０    第２の磁極面
６２    第１の磁極面の軸
６４    第１の磁極面の表面領域
６６    曲線
６８    円形のシムトレー
７０    シム
７２    環状のシムトレー
７４    平面円形の表面
７６    平面環状の表面
７８    台形の短い底辺
８０    台形の長い底辺
８２    台形の第１の側辺
８４    台形の第２の側辺
【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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