(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定空間に配された被測定物に印加する主磁場を発生する超電導磁石と、該超電導磁石を囲繞して保冷するクライオスタットと、前記超電導磁石に対して測定空間側に配置され、前記主磁場の不均一を補正する磁場補正用の磁性体シムとを備えた超電導磁石装置において、前記クライオスタットが液体ヘリウム容器とこれを囲繞した液体窒素容器とを有し、前記超電導磁石が前記液体ヘリウム容器内に配置されており、該液体ヘリウム容器における前記測定空間側の壁の容器内側の面に前記磁性体シムを取り付けたことを特徴とする超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
ＮＭＲ装置は、人体の断層図を画像化するＮＭＲ−ＣＴ（核磁気共鳴イメージング装置）や、有機化合物の結合状態解析装置などのような核磁気共鳴現象（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）を観測・測定する装置である。本発明は、ＮＭＲ装置の主要構成要素であって、被測定物に印加する静磁場を発生させる超電導磁石装置に係り、詳しくは、超電導磁石による主磁場の磁場均一度を調整するための磁性体シム（磁性体片、シム：shim）を備えた超電導磁石装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＭＲ装置用の超電導磁石装置では、測定空間の磁場均一度が極めて高いこと、つまり磁束密度が一様で勾配がなく、磁束密度の空間的変化が極めて小さいことが要求される。そこで、このような磁場の高均一化を実現するために、設計段階では主磁場を発生する超電導磁石のコイル形状や電流密度等に工夫が施されている。しかし、設計通りの製作精度が得られ難いことや、装置設置場所に存在する例えば鉄筋コンクリート建屋の鉄筋のような外乱となる強磁性体の影響を受けることなどにより、所望の磁場均一度が得られないことがある。このため、超電導磁石装置は、超電導磁石による主磁場の不均一を補正し高い磁場均一度を得るための磁場補正用の磁性体シムを備えている。
【０００３】
図３は従来の超電導磁石装置の構成の一例を示す断面図である。同図において、２は内部に極低温媒体である液体ヘリウム３が収容された液体ヘリウム容器（例えば銅製）であって、本例では立体円環状（中空円柱状）をなしている。７は被測定物Ｓに印加する主磁場を発生する本例では円筒状をなす超電導磁石であり、この超電導磁石７が液体ヘリウム容器２内に該磁石７を超電導の作動温度まで冷却して運転するための液体ヘリウム３中に浸漬されて配置されている。４は本例では立体円環状をなし、超電導磁石７を収容した前記液体ヘリウム容器２を囲繞する液体窒素容器（例えばステンレス鋼製）であり、この液体窒素容器４内の外側円筒状壁寄りの部位に熱流入防止用の液体窒素５が収容されている。また、６は本例では立体円環状をなし、液体窒素容器４を囲繞する真空容器（例えばステンレス鋼製）である。この真空容器６と液体窒素容器４との間に形成された真空断熱空間、及び、液体窒素容器４と液体ヘリウム容器２との間に形成された真空断熱空間により、液体ヘリウム３に対する室温からの熱放射を防ぐようになされている。
【０００４】
前記の液体ヘリウム容器２、液体窒素容器４及び真空容器６は、多重構造の立体円環状をなし、超電導磁石７を囲繞して保冷するクライオスタット（極低温恒温装置）１を構成しており、本例では超電導磁石７の軸心線CLを中心として同軸心状に設けられている。超電導磁石７は磁場の方向が軸心線CLに平行となる磁場を発生し、本例では、超電導磁石７の内側（軸心線CL側）に位置する室温の測定空間に被測定物Ｓが配されるようになっている。
【０００５】
そして、複数個の磁性体シム８が、超電導磁石７に対して測定空間側の位置に、この例では真空容器６の内側円筒状壁６ａの容器６外部側の面に配置されている。これらの磁性体シム８は、超電導磁石７による主磁場の不均一を補正するためのもので、電磁軟鉄，ニッケル，コバルトなどの磁性体よりなり、一例として電磁軟鉄では厚み３ｍｍ×幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍ程度の大きさのもので、エポキシ樹脂などの接着剤によって貼り付けることで内側円筒状壁６ａに取り付けられている。
【０００６】
なお、これらの構成の概略寸法の一例は、真空容器６：内径φ６８０ｍｍ×外径φ１４００ｍｍ×長さ１６００ｍｍ、液体窒素容器４：内径φ７２０ｍｍ×外径φ１１６０ｍｍ×長さ１４５０ｍｍ、液体ヘリウム容器２：内径φ８００ｍｍ×外径φ１１００ｍｍ×長さ１３７０ｍｍ、超電導磁石７：内径φ８４０ｍｍ×外径φ１０００ｍｍ×長さ１３００ｍｍ、である。
【０００７】
このようにして、測定空間に配された被測定物Ｓに印加する主磁場を発生する超電導磁石７と、この超電導磁石７を囲繞して保冷するクライオスタット１と、超電導磁石７に対して測定空間側であって、クライオスタット１の室温空間面に配置された複数個の磁性体シム８とを備えたＮＭＲ装置用の超電導磁石装置が構成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＭＲ装置では、被測定物Ｓ自体の温度を変化させての測定がしばしば行われる。このため、前述した従来の超電導磁石装置では、磁場補正用の磁性体シム８を室温空間面に配置したものであるから、被測定物Ｓの温度変化や、また、装置設置室の室温変化に伴って磁性体シム８の温度が変化する。このため、磁性体シム８の磁化特性が前記の温度変化に起因して変化し、その結果、測定空間での磁場均一性が乱され、高均一磁場を変動なく安定して保持することが難しかった。
【０００９】
そこで本発明は、被測定物の温度変化や測定空間の温度変化による磁場補正用磁性体シムへの影響をなくし、高均一磁場を変動することなく安定性良く発生することができる超電導磁石装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願請求項１の発明は、測定空間に配された被測定物に印加する主磁場を発生する超電導磁石と、該超電導磁石を囲繞して保冷するクライオスタットと、前記超電導磁石に対して測定空間側に配置され、前記主磁場の不均一を補正する磁場補正用の磁性体シムとを備えた超電導磁石装置において、前記クライオスタットが液体ヘリウム容器とこれを囲繞した液体窒素容器とを有し、前記超電導磁石が前記液体ヘリウム容器内に配置されており、該液体ヘリウム容器における前記測定空間側の壁の容器内側の面に前記磁性体シムを取り付けたことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明による超電導磁石装置では、内部に超電導磁石が配置された液体ヘリウム容器における測定空間側の壁の容器内側の面に、磁性体シムを取り付けるようにしたものであるから、被測定物の温度変化や室温の測定空間の温度変化に影響されることなく磁性体シムの温度を略一定に保つことができ、よって、磁性体シムの磁化特性を略一定に保つことができるので、測定空間に高均一磁場をこれが変動することなく安定性良く発生することができる。
【００１３】
本発明による超電導磁石装置では、磁性体シムを液体ヘリウム容器における測定空間側の壁の容器内側の面に取り付けたので、磁性体シムの温度は、当然ながら室温よりも低温の状態で略一定に保持される。例えば、液体ヘリウム容器の測定空間側に位置する該容器壁の該容器内部側面に磁性体シムを取り付けたものでは（図２参照）、該磁性体シムの温度は液体ヘリウム容器の温度と等しくなり、結局、液体ヘリウム温度である４．２Ｋとなる。
【００１４】
このように液体ヘリウム容器における測定空間側の壁の容器内側の面に磁性体シムを配置すると、後述するように、室温域に配置した場合に比べて、磁性体シムの飽和磁化Ｉｓの温度変化に対する変化割合が極めて小さくなり、磁性体シムの磁化特性を略一定に保つことができるので、高均一磁場の安定性を高めることができる。
【００１５】
図４は磁性体シムを構成する磁性体（鉄、ニッケル）の飽和磁化の温度依存性を示したグラフである。同図において、Ｔｃはキュリー温度、Ｔは磁性体の温度、Ｉs0は絶対零度における飽和磁化、Ｉｓは温度Ｔにおける飽和磁化である。磁性体シムとして用いられる鉄，コバルト，ニッケルなどの磁性体の飽和磁化は、図４に示すように、温度の上昇とともに減少し、キュリー温度Ｔｃでゼロとなる。なお、キュリー温度Ｔｃは、鉄で１０４０Ｋ、コバルトで１３９５Ｋ、ニッケルで６２８Ｋである。磁性体の代表である鉄の飽和磁化Ｉｓの温度変化に対する変化割合は、室温である３００Ｋ（２７℃）で約７０ｐｐｍ／Ｋ、液体窒素温度である７７Ｋで約９ｐｐｍ／Ｋ、液体ヘリウム温度である４．２Ｋで０．１ｐｐｍ／Ｋと、温度低下に伴いその値が急激に小さくなる。したがって、室温の測定空間より低温の温度域に磁性体シムを配置することにより、磁性体シムの飽和磁化Ｉｓの温度変化に対する変化割合が大幅に小さくなり、これにより高均一磁場の安定性を高めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、参考例について説明する。図１は参考例による超電導磁石装置の構成を示す断面図である。この例では、磁性体シム８’の配置位置が異なる点以外は、図３に示した従来の超電導磁石装置と同一構成なので、従来と同一部分には図３と同一の符号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００１７】
図１に示すように、参考例による超電導磁石装置では、複数個の磁性体シム８’は、液体窒素容器４の内側円筒状壁４ａの該容器内部側の面に配置されている。よって、磁性体シム８’の温度は液体窒素容器４の温度と等しくなり、該容器４の温度は収容している液体窒素５の温度である７７Ｋとなることから、結局、磁性体シム８’の温度は７７Ｋで略一定となる。この例の各磁性体シム８’は、電磁軟鉄からなり、厚み３ｍｍ×幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍ程度の大きさのもので、エポキシ樹脂などの接着剤によって貼り付けることで内側円筒状壁４ａに取り付けられている。
【００１８】
このような構成になる超電導磁石装置において、磁性体シム８’を配置することにより、室温測定空間の中心付近の磁場均一度を０．０１ｐｐｍ／１０ｍｍ球以下となるように補正・調整した。なお、調整前の磁場均一度は約１００ｐｐｍ／１０ｍｍ球であった（１００ｐｐｍ／１０ｍｍ球とは、直径１０ｍｍの球空間における磁束密度の変化割合が１００ｐｐｍという意味である）。
【００１９】
そして比較のため、磁性体シム８’を真空容器６の室温空間面（内側円筒状壁６ａの容器外部側の面）に配置した装置では、測定空間中心付近の磁場均一度の変動は、約０．０１ｐｐｍ／１０ｍｍ球／Ｋであり、磁性体シム８’で補正して得られた前記の磁場均一度０．０１ｐｐｍ／１０ｍｍ球以下と同レベルの値で変動してしまった。これに対して本例の超電導磁石装置によると、磁性体シム８’を液体窒素容器４の内側円筒状壁４ａの該容器内部側の面に配置し、被測定物Ｓの温度変化や測定空間の温度変化による磁性体シム８’への影響をなくし、磁性体シム８’の温度を略一定で、かつ室温より低温（７７Ｋ）に保つようにすることにより、測定空間中心付近の磁場均一度の変動は測定されず、高均一磁場を安定性良く発生することができた。
【００２０】
図２は本発明の一実施形態による超電導磁石装置の構成を示す断面図である。この例では、磁性体シム８”の配置位置が異なる点以外は、図３に示した従来の超電導磁石装置と同一構成なので、従来と同一部分には図３と同一の符号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００２１】
図２に示すように、本例による超電導磁石装置では、複数個の磁性体シム８”は、液体ヘリウム容器２の内側円筒状壁２ａの該容器内部側の面に配置されている。よって、磁性体シム８”の温度は液体ヘリウム容器２内に収容されている液体ヘリウム３の温度である４．２Ｋで、かつ略一定となる。この例の各磁性体シム８”は、ニッケルからなり、厚み１ｍｍ×幅５ｍｍ×長さ５ｍｍ程度の大きさのもので、エポキシ樹脂などの接着剤によって貼り付けることで内側円筒状壁２ａに取り付けられている。
【００２２】
そして比較のため、ニッケル製磁性体シム８”を真空容器６の室温空間面に配置した装置では、測定空間中心付近の磁場均一度の変動は、約０．０４ｐｐｍ／１０ｍｍ球／Ｋであった。これに対して本例の超電導磁石装置によると、磁性体シム８”を液体ヘリウム容器２の内側円筒状壁２ａの容器内部側の面に配置し、被測定物Ｓの温度変化や測定空間の温度変化による磁性体シム８”への影響をなくし、磁性体シム８”の温度を略一定で、かつ室温より低温（４．２Ｋ）に保つようにすることにより、測定空間中心付近の磁場均一度の変動は測定されず、高均一磁場を変動することなく安定性良く発生することができた。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による超電導磁石装置によると、内部に超電導磁石が配置された液体ヘリウム容器における測定空間側の壁の容器内側の面に磁性体シムを取り付けるようにしたものであるから、被測定物の温度変化や測定空間の温度変化に影響されることなく磁性体シムの温度を略一定に保つことができ、これにより磁性体シムの磁化特性を略一定に保つことができるので、測定空間に高均一磁場を変動することなく安定性良く発生することができ、ＮＭＲ装置に適用されることで、ＮＭＲの良質で安定した観測・測定に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例による超電導磁石装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による超電導磁石装置の構成を示す断面図である。
【図３】従来の超電導磁石装置の構成の一例を示す断面図である。
【図４】磁性体シムを構成する磁性体（鉄、ニッケル）の飽和磁化の温度依存性を示したグラフである。
【符号の説明】
１…クライオスタット  ２…液体ヘリウム容器  ２ａ…液体ヘリウム容器の内側円筒状壁  ３…液体ヘリウム  ４…液体窒素容器  ４ａ…液体窒素容器の内側円筒状壁  ５…液体窒素  ６…真空容器  ６ａ…真空容器の内側円筒状壁  ７…超電導磁石  ８，８’，８”…磁性体シム  Ｓ…被測定物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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