JP2001099904A - Z2シムを備えたアクティブ・シールド超伝導磁石システム - Google Patents
Z2シムを備えたアクティブ・シールド超伝導磁石システムInfo
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Abstract
部磁場による擾乱に影響されることなく、磁石巻線の内
部に半径方向に巻かれるZ2シム・コイルに必要なスペ
ースを減少させ、Z2シムの最適化を達成することが可
能なZ2シムを備えたアクティブ・シールド超伝導磁石
システムを提供すること。 【解決手段】シム・コイル系は、磁石システムから誘導
的に分離され作業容積内にz成分がΔH0+c2・z
2(c2=一定)のように変化する磁場を発生する半径方
向内側のシム・コイル組(Si)と、同じく磁石システ
ムから誘導的に分離され作業容積内に均一磁場−ΔH0
を発生する半径方向外側のシム・コイル組(Sa)とを
備える。これにより、一方においてはコンパクトであ
り、磁石巻線の場所でスペースを浪費せず、他方、変動
する外部磁場による擾乱に影響されないZ2シム・シス
テムが得られる。
Description
用の超伝導磁石システムに関し、詳しくは、z=0を中
心に配された作業容積内にz軸方向に均一な磁場を発生
するためのアクティブ・シールド超伝導磁石であって、
半径方向内側及び半径方向外側のコイル系を備え、該2
つのコイル系が略同じ電流が流れ、略同じ大きさで方向
が反対である双極子モーメントを有するアクティブ・シ
ールド超伝導磁石を備え、さらに作業容積内の磁場不均
一性を補正するための、z成分がZ2に比例する超伝導
シム・コイル系を含むシム・システムを備える超伝導磁
石システムに関する。
シールド超伝導磁石システムは、例えば、ブルーカー・
マグネテイクス社によって販売され、1999年5月15日付
けの同社パンフレットに記載されているNMR磁石シス
テム 500 SB UltraShield (登録商標)に含まれている。
磁石システムは、例えば、欧州特許公開第0,144,171号
から公知である。
高い共鳴線の分解能を達成するためには、サンプル容積
内の磁場が高い均一性を有しなければならない。超伝導
磁石の基本的な均一性は、磁場を発生するコイルの幾何
的配置によって最適化することができる。高分解能核磁
気共鳴分光学のように要求が厳しい適用分野では、例え
ば、製造許容誤差により設計値からの偏差が生ずるの
で、磁石の基本的な均一性は多くの場合不十分である。
磁石の残留不均一性を補償するために、磁石システムは
サンプル容積内における特定の幾何学的対称性を持つ磁
場不均一性を補償できる自律的な超伝導コイル、いわゆ
るシムを備える。
Z2に比例する強度の磁場を発生するZ2シムである。従
来技術による公知のZ2シム手段の1つの問題点は、大
きな磁石の場合シムを外側に巻くと弱すぎるため、シム
は磁石コイルの内部に巻かなければならないということ
である。これは磁石巻線のスペースを狭めるので、磁石
が高価になり、浮遊磁場を増加させ、その結果アクティ
ブ浮遊磁場補償を行う磁石システムの場合浮遊磁場のシ
ールドを強化しなければならなくなる。
磁石巻線の内部に半径方向に巻かれるZ2シム・コイル
に必要なスペースを減少することにより達成される。シ
ム効率を低下させることなくこれを達成するためには、
シム・コイルを数個の半径上に分布させることが必要で
ある。しかし、これはまた、特に、シムと変動する外部
磁場との結合に関連して新たな問題を生ずる。
によって、シムと変動する外部磁場との結合に関連して
新たな問題を生ずることなく、磁石巻線の内部に半径方
向に巻かれるZ2シム・コイルに必要なスペースを減少
させ、Z2シムの最適化を達成することが可能なZ2シム
を備えたアクティブ・シールド超伝導磁石システムを提
供することを目的とする。
れば、シム・コイル系が、磁石システムから実質的に誘
導的に分離され、作業容積内にz成分がΔH0+c2・z
2(c2=一定)のように変化する磁場を主に発生する半
径方向内側のシム・コイル組と、同じく磁石システムか
ら実質的に誘導的に分離され、作業容積内に均一な磁場
−ΔH0を発生する半径方向外側のシム・コイル組とを
備える構成により達成される。この構成によるプラスの
効果として、磁石が擾乱に影響される度合いが減少す
る。
シム強度c2への主なる寄与要因となるコイルS1’のΔ
H0寄与分はコイル対S2’によって補償される(Δ
H0:コイルのアンペア当たりの均一磁場部分=アンペ
ア当たり発生するゼロ次磁場グラジエントH0)。完全
なΔH0補償がなされた場合、コイル対S2’は通常
S1’よりも強く磁石と結合する。この結合(couplin
g)はコイル対S3’によって打ち消されるが、これはシ
ム効率c2を大きく低下させる。
ト磁場c2*z2+ΔH0を発生するための部分コイルS1
及びS2から成る、磁石から分離されたシム・コイル組
Siと、汚染成分(impurity)ΔH0を打ち消すための部
分コイルS3から成り、同じく磁石から分離されたシム
・コイル組Saとを備える。 与えられた長さLでコイ
ル半径Rが増加するとコイルのH2効率はそのH0効率よ
りも大きく減少するので、グラジエント磁場を発生する
シム・コイル組Siは、ΔH0を抑えるシム・コイル組S
aよりも小さな半径上に配置されなければならない。
方向外側のシム・コイル組によってΔH0を打ち消す
と、半径方向内側のシム・コイル組のシム強度c2がほ
んの少ししか弱められないという点にある。従って、半
径方向内側のシム・コイル組に必要な巻線が少なくて済
み、半径方向内側のシム・コイル組が磁石巻線が巻かれ
る場所にある場合、磁石はよりコンパクトになる。
石から分離する利点は、このようにして2つのシム・コ
イル組の各々を個々に超伝導的に短絡しても、個々のシ
ム・コイル組が例えば磁石のドリフト、クエンチによ
り、あるいは磁石のメイン・スイッチの自発開放時に充
電され得ない実施形態が可能であるという点にある。さ
らに、このようにしてシム全体が磁石から分離され、こ
れによりシムを充電する際の磁石の誘導電流を減少でき
るという利点がある。
実施の形態では、半径方向内側のシム・コイル組と半径
方向外側のシム・コイル組の双方を個々に超伝導的に短
絡できる。内側及び外側のシム・コイル組が個別に超伝
導的に短絡できるということは、半径方向内側及び外側
のシム・コイル組間の半径差の橋絡は必ずしも超伝導的
である必要がないので、磁石システムの製造に有利であ
る。さらに、2つのシム組を異なる電流で作動させるこ
とも可能である。
個別に短絡することの決定的に有利な点は、外部磁場変
動が生じると明らかになる。外側のシム・コイル組は外
部擾乱で電流が誘導されても本質的に均一な磁場しか発
生しないので、ΔI2*c2*z2の形の磁場不均一性を
防止するためには内側のシム・コイル組を擾乱から分離
すれば(すなわち、外部擾乱が電流ΔI2を誘導しない
ように内側のシム・コイル組の大きさを設定すれば)十
分である。さらに、外側のシム・コイル組を、外部磁場
変動に対するその応答を利用して作業容積内の磁場擾乱
の均一部分を抑えるように配置することも可能である。
石システムは高分解能磁気共鳴分光装置の一部を成して
いる。本発明の有利な点は、特に高分解能磁気共鳴分光
装置のようなシステムにおいて発揮される。これらの磁
石システムは、高い均一性が要求されるためにいずれに
しても他のシステムより大きな容積を有し、従ってZ 2
シムの形をよりコンパクトにすれば特に効果的になるか
らである。
は、磁気共鳴装置が作業容積に発生した磁場をロックす
る手段を備え、半径方向内側及び半径方向外側のシム・
コイル組が磁場ロッキング装置のコイルから大きく分離
されている。サンプル容積内の一時的な磁場変動を補償
するコイルを備えたアクティブ磁場ロックは、高分解能
磁気共鳴システムの標準的設備の一部を成している。磁
場ロック・コイルを半径方向内側及び半径方向外側のシ
ム・コイル組から分離することは、ロック・コイルが作
動したときにシムに電流が誘導され得ないという効果が
ある。これにより、一方においては磁場の均一性が保た
れるし、他方においては磁場ロック・コイルの効果が損
なわれない。
装置が掃引コイルを備え、半径方向内側のシム・コイル
組及び半径方向外側のシム・コイル組がこの掃引コイル
から大きく分離されている。掃引コイルを半径方向内側
及び半径方向外側のシム・コイル組から分離することに
よって、掃引コイルを作動させても電流がシムに誘導さ
れることがない。これにより、一方においては磁場掃引
時に磁場の均一性が保たれるし、他方においては掃引コ
イルの効果が損なわれない。
及び/又は半径方向外側のシム・コイル組が数個の部分
コイルから構成される。シム・コイル組当たり数個のコ
イルがあると、シム強度を最適化し磁石から分離するた
めの自由度が多くなるのでこの形態は有利である。
は、半径方向内側のシム・コイル組が半径R上の3つの
部分コイルから成り、それらが軸方向に前後に、z=0
を中心として対称に配置されており、中央の部分コイル
は軸方向の長さL1を有し(R≦L1≦1.5R)、軸方向
外側の2つの部分コイルは中央部分コイルの極性と反対
の極性を有することを特徴とする。この配置は、与えら
れたアンペア巻線数に対して与えられた半径上のシム・
コイル組の最大シム強度c2を達成する。
に巻かれた2つの対称なコイルで構成されている場合、
この中央コイルの高すぎるH4グラジエントを抑えるこ
とができる。これは、Z4に比例する内側シム・コイル
組の磁場寄与分を効果的に抑制する。
の複数の部分コイルのみを含むのが有利である。もしも
例えばアクティブ・シールド磁石から分離するために異
なる極性の部分コイルを用いた場合、外側のシム・コイ
ル組が−ΔH0を発生する効率は低下する。
径方向外側のシム・コイル組がアクティブ・シールド磁
石の半径方向外側の磁場コイル系の半径方向において直
ぐ近くに配置される。これにより、異なる極性の部分コ
イルを用いることなく、すなわちH0効率を低下させず
に、外側のシム・コイル組をアクティブ・シールド磁石
から簡単に且つ効率的に分離することができる。
・コイル組のコイルが数個の半径上に分布している実施
の形態も利点がある。これはシム設計の自由度を増加
し、特にシム・コイル組をアクティブ・シールド磁石か
ら分離する可能性を高める。
(すなわち、外部磁場擾乱の際作業容積内にΔI2*c2
*z2の形の磁場不均一性は発生しない)を実現するた
めに、内側シム・コイル組の双極子モーメントDiを減
少することが可能である。それにより内側シム・コイル
組は外部均一擾乱源から分離され、望ましくない作業容
積内の磁場均一性の擾乱を生ずる電流変化ΔI2への反
応がなくなる。双極子モーメントはDi≒0であること
が好ましい。
側及び半径方向外側のシム・コイル組の間の誘導的結合
が少なくとも略0である。これにより、一方においては
外部擾乱に対する半径方向外側のシム・コイル組の反応
が内側のシム・コイル組に伝わり、それが作業容積内の
磁場均一性の擾乱を生ずる可能性が排除される。他方に
おいて、シム・コイル組間の分離により、双方が相互に
影響を及ぼすことなく個々に充電されることができる。
は、半径方向外側のシム・コイル組がZ0シムとして用
いられる。すなわち、外側のシム・コイル組は作業容積
内に均一磁場を生じ、磁石システムの他のコイルから分
離されている。しかし、この有利な点は適当な配線でし
か活用できない。
のシム・コイル組が半径方向外側のシム・コイル組と電
気的に直列に結合され、少なくとも2つの超伝導スイッ
チがこの2つのシム・コイル組を個別に超伝導的に短絡
するために設けられることが特徴である。2つのシム・
コイル組の直列結合は充電電流による同時充電を可能に
する。
ル組の直列結合は超伝導的である。
2つのシム・コイル組と並列に接続され、第2の超伝導
スイッチは2つのシム・コイル組のうちの一方のみと並
列に、好ましくは半径方向内側のシム・コイル組と並列
に接続される。これは、半径方向外側のシム・コイル組
をZ0シムとして用いることができる点で有利である。
各々と並列に超伝導スイッチが接続される。
の直列結合は抵抗的であり、1つの超伝導スイッチが2
つのシム・コイル組の各々と並列に接続される。
及び半径方向外側のシム・コイル組間の差電流用に設け
られる。電流リミッタは半径方向内側及び外側のシム・
コイル組間の望ましくない差電流を減少することができ
る。
・コイル組の超伝導スイッチが各々、該2つのシム・コ
イル組のもう1つの超伝導スイッチの加熱手段と電気的
に直列に接続された加熱手段を備えていることを特徴と
する。内側及び外側のシム・コイル組の同時充電のため
には双方のスイッチが同時に加熱されること(開く、す
なわち抵抗的になること)が必要である。上記別の発展
例によるシステムでは、特別なヒータ配線によってこの
条件は常に自動的に満たされる。
加熱手段は、好ましくは常に個別に加熱できるようにす
る。各スイッチが個別に加熱されること(開く、すなわ
ち抵抗的になること)は、内側及び/又は外側のシム・
コイル組の自律的な充電(例えば、外側をZ0シムとし
ての充電)を可能にする。
から明らかになる。上述の特徴及び以下に述べる特徴
は、本発明によれば、個々に、又はいかなる任意の組み
合わせによっても適用することができる。図示し説明す
る実施の形態は、全てを列挙したものではなく、本発明
を説明するための例示的な性質のものと考えるべきであ
る。
を参照して説明する。
の一例を示す。同図において、右側半分のみが磁石軸z
を含む平面を通る断面図で模式的に示されている。この
システムは、負の極性の部分コイルS1とこの部分コイ
ルS1を軸方向に囲繞する正の極性の部分コイルS2とか
ら成る半径方向内側のシム・コイル組Siと、部分コイ
ルS3から成る半径方向外側のシム・コイル組Saとを備
え、これらのシム・コイル組は数個の部分から成る磁石
M1とアクティブ浮遊磁場シールド・コイルM2とを備え
る超伝導磁石システムに一体に組み込まれている。
アクティブ浮遊磁場シールド・コイルM2と、コイル
S1’、S2’、及びS3’を含むZ2シム系とから成る従
来の超伝導磁石システムを示す線図である。
密度j=1[A/cm]の場合について、磁場グラジエン
トH0(R)、H2(R)、及びH4(R)の半径依存性
を、それぞれ、H0(R=10cm)、H2(R=10c
m)、及びH4(R=10cm)で描いて表している。
関数である(L:コイル長、R:コイル半径)。y
nは、半径が1cmで電流密度が1A/cmの電流が流
れる円筒面の磁場グラジエントHn[G/cmn]に対応し
ている。s≒0.5におけるy2の極値は、所定の半径及び
電流密度のコイルが、長さL≒Rのときに最も効果的に
H 2グラジエントを発生することを意味する。
Rの部分コイルS1及びS2を備える半径方向内側のシム
・コイル組Siの3つのコイルを有する実施例を示す。
部分コイルS1は軸方向の長さがL1であり、2つのコイ
ルから成る部分コイルS2は軸方向の長さがL2である
が、部分コイルS1が配置されている磁石中央面Eの領
域に軸方向長さがL3の凹部(=切欠き)がある。
のシム・コイル組Si”で、中央の部分コイルS1”にシ
ム磁場のH4“不均一性”を抑制するための追加の切欠
きを備えた実施例の線図である。
及び半径方向外側のシム・コイル組Si及びSaの配線図
であり、2つのシム・コイル組が超伝導的に直列結合さ
れている。第1の超伝導スイッチSW1がシム全体を橋
絡し、第2の超伝導スイッチSW2が半径方向内側のシ
ム・コイル組Siのみを橋絡する。2つのシム・コイル
組の間の差電流は電流リミッタCLによって制限するこ
とができる。
組Si及びSaが同じく超伝導的に直列に結合されてい
る。第1の超伝導スイッチSW1は半径方向外側のシム
・コイル組Saを橋絡し、第2の超伝導スイッチSW2は
半径方向内側のシム・コイル組Siを橋絡している。2
つのシム・コイル組の間の差電流は同じく電流リミッタ
CLによって制限することができる。
及び半径方向外側のシム・コイル組Si及びSaの配線図
であって、2つのシム・コイル組の抵抗的な直列結合
(等価抵抗rによって示される)を含む配線図を示す。
第1の超伝導スイッチSW1は半径方向外側のシム・コ
イル組Saを橋絡し、第2の超伝導スイッチSW2は半径
方向内側のシム・コイル組Siを橋絡している。
対称な半径R及び長さLを有する円筒電流密度jを示
す。
の高い均一性を必要とする。この目的を達成するため
に、一方では高い基本的な磁場均一性を磁石コイルの設
計において適当な手段によって達成しなければならない
し、他方では所定の基本的な均一性から製造時に生ずる
ずれを別の手段によって補償しなければならない。
=0)近傍における対称軸(z方向)上の磁場は、対称
性故に軸方向であり、磁石コイルが磁石中心に関して対
称に配置されているならば、次のように表すことができ
る。
ためには、磁石設計で低い次数の係数をゼロにすること
が必要である。代表的には、H2=H4=0であることが
(多分H6=0も)望ましい。磁場展開式の係数Hnはグ
ラジエントと呼ばれる。
低次の係数、特に係数H1及びH2がゼロにならないとい
う形で生じるが、純粋な円筒対称性からの磁場のずれと
しても生じる。超伝導磁石システムにおけるこのような
磁場不均一性は、例えば超伝導シム・コイルを磁石シス
テムに組み込むことによって補正できる。これらのコイ
ルの各々は特定の磁場プロフィールを有し、すなわち一
定の磁場グラジエントを発生し、別々の電流で作動させ
ることができ、それ自体超伝導スイッチによって短絡す
ることができる。磁石システムの磁場均一性は種々の電
流の選択によってかなり向上できる。残念ながら各シム
は貴重なスペースを要求し、そのスペースが磁石コイル
のために失われる。いわゆるZ2シムに関し、本発明
は、磁石をわずかに拡大するに止める、特にコンパクト
で効率的な解決方法を提供する。
エントを打ち消す。すなわち、このシムの磁石軸上の磁
場プロフィールはZ2に比例する。Z2シムの効率又は強
度c 2とは、アンペア当たり発生されるH2グラジエント
を意味する。
電流密度j(単位[A/cm])を考察する(図10参
照)。この電流密度は円筒軸上に次の大きさの軸方向磁
場を生ずる。
4(単位[Gauss/cmn])は次のように表される:
4(s)は図4に示されている関数であり、その次元は
[G・cm/A]である。Rは円筒半径(単位[cm])で
ある。重要なことは、グラジエントHnの効率が半径R
のn次のべきに反比例するということである。(図3:
一定の長さLで、一定の電流密度jの電流が流れる円筒
面に対するH0(R)、H2(R)、及びH4(R))。
コイルのグラジエント効率の半径依存性から、大きなシ
ム効率を達成するためには、Z2シムを小さな半径上に
配置しなければならないことが示唆される。
以外にも、超伝導磁石システムのシムの設計では他の規
準も満たすことが必要である。特に、シムは均一磁場部
分ΔH0を発生してはならないし、超伝導磁石から誘導
的に分離されなければならない。分離されていないと、
望ましくない効果、例えばシム作動時の磁場の歪み、磁
石ドリフトが生じた場合のシム電流の変化、あるいは磁
石のクエンチでのシムの大きな誘導電流などが生じる。
浮遊磁場シールド磁石システムの一部として示されてい
る)では、同じ半径上にコイルを配置することによって
これらの規準を全て満たそうとする。最大効率を達成す
るためには、この半径は出来るだけ小さくしなければな
らない。その場合、可能なシム効率c2の相当部分が磁
石からの分離及びシムのΔH0寄与分の抑制のために失
われてしまう。特に、ΔH0寄与分の抑制は、図3に示
すように、H2グラジエントの効率的な発生のために必
要とされる半径よりもかなり大きな半径上のシム・コイ
ル組によっても達成可能である。本発明はこの可能性を
利用するものである。すなわち、発生される汚染ΔH0
を無視して最大シム強度c2に最適化した半径方向内側
コイル組と、この汚染ΔH0を補償する半径方向外側の
シム・コイル組とにZ2シムを分けることにより、結果
として得られるシム効率を大きく増加させることができ
る。コイルのH2グラジエントは半径の二乗に依存する
ので、半径方向外側のシム・コイル組はシム全体の効率
にわずかしか寄与しない。
ティブ浮遊磁場シールド超伝導磁石システムで用いた場
合に大きな効果がある。この場合、シム・コイルを組み
込むことによって磁石の主コイルが膨らむことは浮遊磁
場の増大につながり、それを絶対に避けなければならい
ので、本発明のZ2シムのコイル系が特に有利な解決方
法となる。この理由から、本発明はアクティブ・シール
ド磁石における半径方向内側及び半径方向外側のシム・
コイル組に分割されたZ2シムの記載に限定される。図
1は、本発明のZ2シム・コイル系をアクティブ浮遊磁
場補償を有する磁石と共に示す。
の上記の議論から、最大グラジエント強度c2に関して
最適なZ2シムのコイル形態を導くことができる。個々
のシム・コイルは通常薄い壁のソレノイドであるので、
円筒電流密度による近似が許される。磁石中心に関して
対称な、与えられた半径R上の単一ソレノイドから成る
仮想的シムでは、s≒0.5(s=L/2R)でy2(s)
が極値を有するから、長さL1≒Rが最大のH2効率を与
える(図4)。非常に長いソレノイドでも(略L 2>4
R)、長さL3≒Rが中心で空いていれば(いわゆる
“切欠き”)、ほとんど同じ効果が得られる。その場
合、発生するH2グラジエントは前述のシステムと比較
して反対の符号を有する。2つのコイル系を組み合わせ
ることによって、全部で3つのコイルを用いた形態で、
半径R上におけるある電流密度で達成できる最大のH2
効率を有する形態が得られる(図5参照)。
磁場に大きな又は小さなH4“汚染部分”ΔH4を発生す
る。これには次の2つの方法で対抗できる: 1.L1及びL3を大きくして、H4に関連した関数y
4(s)のs≒0.9のゼロ交差点にコイルを近づける。
代表的にs<0.2で設ける(図6)。
減少させる。全体としては、H4汚染部分を低く抑え、
H0汚染部分ΔH0を無視することでH2効率最大の形態
が得られる。一般に、長さL2の適当な選択によって磁
石との結合をゼロにすることができる。従って、この形
態が本発明のZ2シムの半径方向内側のシム・コイル組
として最適である(図5及び図6)。
半径上に別のコイルを装着することが有利である。これ
らのコイルは、電流が流れる円筒面のH2効率は半径の
二乗で減少するので、内側のシム・コイル組のH2効率
にほとんど影響しない。半径方向外側のシム・コイル組
による最適なΔH0補償は、磁石の中心軸のまわりに配
置される単一コイルによって達成される。半径方向外側
のシム・コイル組を磁石から分離するのに極性の異なる
追加のシム・コイルを導入することを避けるために、ア
クティブ・シールド磁石に、主コイルと浮遊磁場シール
ド・コイルとで反対の極性を用いて分離することができ
る。
主な問題点は、半径方向外側のシム・コイル組の最適な
実施の形態が大きな双極子モーメントを有することであ
る。これは外部磁場擾乱源との間に強い結合を生じ、そ
して多分掃引コイルや磁場ロック・コイルとの間でも強
い結合を生じる。これは望ましくないシム電流の一時的
変動を引き起こし、その結果時間的に変化するH2磁場
グラジエントを生じることがある。この問題は以下のよ
うに解決される: 1.半径方向内側及び半径方向外側のシム・コイル組を
個々に磁石から分離する。外側のシム・コイル組をアク
ティブ・シールド磁石から分離するには、主コイルと浮
遊磁場シールド・コイルの極性を反対にするのが有利で
ある。
・コイル組を個別に超伝導的に短絡する。磁石から個別
に分離することによって、2つのシム・コイル組を個別
に超伝導的に短絡したたときにも、磁石のドリフトによ
るシム電流の変化、磁石のクエンチの際シムに大きな電
流が誘導されるなどの望ましくない効果が回避される。
磁場掃引コイルの作動時にH2均一性を十分安定に保つ
ためには、外側のシム・コイル組はほとんどH2を発生
しないから、内側のシム・コイル組を擾乱源/ロック・
コイル/掃引コイルから分離するのみで十分である。均
一な磁場擾乱の場合、内側のシム・コイル組を外部擾乱
源から分離することは内側のシム・コイル組の双極子モ
ーメントを小さくすることにより達成される。
向内側のシム・コイル組を半径方向外側のシム・コイル
組から分離することによってさらに改善される。このよ
うにすれば、半径方向外側のシム・コイル組に誘導され
る電流が、半径方向内側のシム・コイル組に電流を誘導
しないからである。
掃引コイルの作動時の半径方向外側のシム・コイル組の
反応は、まず、サンプル容積内の均一磁場部分H
0(t)の一時的挙動に影響する。半径方向外側のシム
・コイル組の最適設計解が実現されるのは、磁場ロック
・コイルとの及び多分磁場掃引コイルとの相互作用が消
失する場合であり、他方、外部擾乱が生じたときに、擾
乱磁場に対抗する磁場を形成する半径方向外側のシム・
コイル組の電流変化が望ましい。磁場ロック・コイル及
び磁場掃引コイルが磁石中心領域に配置されている場
合、単にシム・コイルの半径を大きくするのみで、その
他に何も設計手段を講じなくても磁場ロック・コイル及
び磁場掃引コイルに対する半径方向外側のシム・コイル
組の望ましい挙動が得られる。外部磁場擾乱源に対する
挙動については、特にアクティブ・シールド磁石の場
合、半径方向内側及び半径方向外側のシム・コイル組を
個別に超伝導的に短絡する本発明のZ2シム・システム
の基本的形態によって、その他に何も設計手段を講じな
くても、磁石システムが外部磁場変動の均一磁場寄与分
の影響を受ける度合いが概ね向上することになる。
イル組を個別に超伝導的に短絡することは、さらに2つ
の有利な結果を生む: ・半径方向内側及び半径方向外側のシム・コイル組は、
超伝導的にのみでなく、抵抗的にも結合することがで
き、シムの製造が容易になる。
動させることができる。特に、半径方向外側のシム・コ
イル組はZ0シムの全ての要件を満たしているので、Z0
シムとして作動させることができる。これは磁石システ
ムの全ての超伝導的に短絡される電流路から分離されて
おり、均一な磁場H0を発生する。
個別の超伝導的な短絡を実現するための可能な方法を図
7乃至図9に模式的に示す。半径方向内側及び外側のシ
ム・コイル組の間の抵抗的結合は等価抵抗rで表され
る。半径方向内側及び外側のシム・コイル組の間を超伝
導的に結合する場合、半径方向内側及び外側のシム・コ
イル組の間の差電流は電流リミッタCLによって制限で
きる。
個別に超伝導的に短絡する場合、双方の超伝導的に短絡
される電流路は、各々、対応する電流路を充電するため
に開放される超伝導スイッチを有していなければならな
い。シム全体を充電するときは、双方のスイッチが同時
に開いていなければならない。同様なことが、スイッチ
・ヒータ同士が直列に接続されている場合にも云える。
ある種の状況では、例えば半径方向外側のシム・コイル
組をZ0シムとして用いる場合には、前記個々のスイッ
チをさらに個別に開放できるようにしておく必要があ
る。
シム・コイル系が、磁石システムから実質的に誘導的に
分離され、作業容積内にz成分がΔH0+c2・z2(c2
=一定)のように変化する磁場を主に発生する半径方向
内側のシム・コイル組と、同じく磁石システムから実質
的に誘導的に分離され、作業容積内に均一な磁場−ΔH
0を発生する半径方向外側のシム・コイル組とを備える
構成としたので、半径方向外側のシム・コイル組によっ
てΔH0を打ち消すと、半径方向内側のシム・コイル組
のシム強度c2がほんの少ししか弱められず、半径方向
内側のシム・コイル組に必要な巻線が少なくて済み、半
径方向内側のシム・コイル組が磁石巻線が巻かれる場所
にある場合、磁石はよりコンパクトになり、しかも、内
側及び外側のシム・コイル組を個別に磁石から分離する
構成により、2つのシム・コイル組の各々を個々に超伝
導的に短絡しても、例えば磁石のドリフト、クエンチ、
あるいは磁石のメイン・スイッチの自発開放時にも、個
々のシム・コイル組が充電されず、シムを充電する際の
磁石の誘導電流を小さくできる。従って、変動する外部
磁場による擾乱に影響されることなく、磁石巻線の内部
に半径方向に巻かれるZ2シム・コイルに必要なスペー
スを減少させ、Z2シムの最適化を達成することが可能
となるという効果が得られる。
一実施の形態の構成を示す線図である。
磁石システムの構成を示す線図である。
存性を示すグラフである。
ル組の実施の形態の構成を示す線図である。
を示す、図5に対応する線図である。
組の超伝導直列結合であって、該直列結合と並列な第1
の超伝導スイッチと、半径方向内側のシム・コイル組と
並列な第2の超伝導スイッチを備える構成を示す電気配
線図である。
組とそれぞれ並列な超伝導スイッチを備える構成を示
す、図7に対応する電気配線図である。
組の間の抵抗的直列結合を示す電気配線図である。
す線図である。
径方向外側のコイル系(M2) Si,Si” 半径方向内側のシム・コイル組 Sa 半径方向外側のシム・コイル組 S1,S2,S3,S1” 部分コイル z 磁石中心軸 R 半径 L1,L2,L3 軸方向長さ E 磁石中央面 SW1,SW2 超伝導スイッチ CL 電流リミッタ r 抵抗的結合の等価抵抗
Claims (21)
- 【請求項1】 z=0を中心に配置された作業容積内に
z軸方向に均一磁場H0を発生するためのアクティブ・
シールド超伝導磁石であって、半径方向内側のコイル系
(M1)と半径方向外側のコイル系(M2)とを備え、該
2つのコイル系(M1,M2)は略同じ電流が流れ、略同
じ大きさで方向が反対である双極子モーメントを有する
アクティブ・シールド超伝導磁石を備え、且つ前記作業
容積内の磁場不均一性を補正するための、z成分がZ2
に比例する超伝導シム・コイル系を含むシム・システム
を備える磁気共鳴分光装置用の超伝導磁石システムにお
いて、 前記シム・コイル系が、前記磁石システム(M1,M2)
から実質的に誘導的に分離され主に前記作業容積内にz
成分がΔH0+c2・z2(c2=一定)のように変化する
磁場を発生する半径方向内側のシム・コイル組(Si;
Si”)と、同じく前記磁石システム(M1,M2)から
実質的に誘導的に分離され主に前記作業容積内に均一な
磁場−ΔH0を発生する半径方向外側のシム・コイル組
(Sa)とを備えることを特徴とする超伝導磁石システ
ム。 - 【請求項2】 前記半径方向内側のシム・コイル組(S
i;Si”)及び前記半径方向外側のシム・コイル組(S
a)が各々個別に超伝導的に短絡可能であることを特徴
とする請求項1記載の超伝導磁石システム。 - 【請求項3】 前記磁石システムが高分解能磁気共鳴分
光装置の一部であることを特徴とする前記各項のいずれ
かに記載の超伝導磁石システム。 - 【請求項4】 前記磁気共鳴装置が前記作業容積内に発
生された磁場をロックする手段を備え、前記半径方向内
側のシム・コイル組(Si;Si”)及び前記半径方向外
側のシム・コイル組(Sa)が該磁場ロック手段のコイ
ルから大きく分離されていることを特徴とする請求項3
記載の超伝導磁石システム。 - 【請求項5】 前記磁気共鳴装置が掃引コイルを備え、
前記半径方向内側のシム・コイル組(Si;Si”)及び
前記半径方向外側のシム・コイル組(Sa)が該掃引コ
イルから大きく分離されていることを特徴とする請求項
3又は4記載の超伝導磁石システム。 - 【請求項6】 前記半径方向内側及び/又は前記半径方
向外側のシム・コイル組(それぞれ、Si、Si”、及び
Sa)が数個の部分コイル(S1,S2,S3;S1”)か
ら成ることを特徴とする前記各項のいずれかに記載の超
伝導磁石システム。 - 【請求項7】 前記半径方向内側のシム・コイル組(S
i;Si”)が互いに軸方向に前後に且つz=0を中心に
対称に配置された半径Rの3つの部分コイル(S1,
S2;S1”)から成り、中央の部分コイル(S1、
S1”)が軸方向の長さL1(R≦L1≦1.5R)を有し、
軸方向外側の2つの部分コイル(S2)が該中央の部分
コイル(S1、S1”)の極性と反対の極性を有すること
を特徴とする請求項6記載の超伝導磁石システム。 - 【請求項8】 前記中央の部分コイル(S1”)が同じ
方向に巻かれた2つの対称なコイルから成ることを特徴
とする請求項7記載の超伝導磁石システム。 - 【請求項9】 前記半径方向外側のシム・コイル組(S
a)が同じ極性の部分コイル(S3)のみを有することを
特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載の超伝導磁
石システム。 - 【請求項10】 前記半径方向外側のシム・コイル組
(Sa)が前記アクティブ・シールド磁石の前記半径方
向外側の磁場コイル系(M2)の半径方向において直ぐ
近くに配置されていることを特徴とする前記各項のいず
れかに記載の超伝導磁石システム。 - 【請求項11】 前記半径方向内側及び/又は前記半径
方向外側のシム・コイル組(Si、Sa;Si”)のコイ
ルが数個の半径上に分布していることを特徴とする前記
各項のいずれかに記載の超伝導磁石システム。 - 【請求項12】 前記半径方向内側のシム・コイル組
(Si;Si”)が前記半径方向外側のシム・コイル組
(Sa)より小さい双極子モーメントDiを有し、好まし
くはDi≒0であることを特徴とする前記各項のいずれ
かに記載の超伝導磁石システム。 - 【請求項13】 前記半径方向内側(Si;Si”)及び
前記半径方向外側(Sa)のシム・コイル組の間の誘導
的結合が少なくとも略0であることを特徴とする前記各
項のいずれかに記載の超伝導磁石システム。 - 【請求項14】 前記半径方向外側のシム・コイル組
(Sa)がZ0シムとして設計されていることを特徴とす
る請求項13記載の超伝導磁石システム。 - 【請求項15】 前記半径方向内側のシム・コイル組
(Si;Si”)が前記半径方向外側のシム・コイル組
(Sa)と電気的に直列に結合され、少なくとも2つの
超伝導スイッチ(SW1,SW2)が設けられ、それによ
って前記2つのシム・コイル組が互いに独立に超伝導的
に短絡できることを特徴とする前記各項のいずれかに記
載の超伝導磁石システム。 - 【請求項16】 前記半径方向内側及び半径方向外側の
シム・コイル組間の前記結合が超伝導的であり、前記超
伝導スイッチの1つ(SW1)が前記2つのシム・コイ
ル組(Si、Sa)と並列に接続され、第2の超伝導スイ
ッチ(SW2)が前記2つのシム・コイル組の1つのみ
と並列に、好ましくは前記半径方向内側のシム・コイル
組(Si)と並列に接続されていることを特徴とする請
求項15記載の超伝導磁石システム。 - 【請求項17】 前記半径方向内側及び半径方向外側の
シム・コイル組間の前記結合が超伝導的であり、それぞ
れ、1つの超伝導スイッチ(SW1、SW2)が前記2つ
のシム・コイル組(Si、Sa)の1つと並列に接続され
ていることを特徴とする請求項15記載の超伝導磁石シ
ステム。 - 【請求項18】 前記2つのシム・コイル組(Si、
Sa)が抵抗的に直列に結合され、前記2つのシム・コ
イル組(Si、Sa)の各々と並列に1つの超伝導スイッ
チ(SW1、SW2)が接続されていることを特徴とする
請求項15記載の超伝導磁石システム。 - 【請求項19】 前記半径方向内側及び前記半径方向外
側のシム・コイル組(Si、Sa)間の差電流を減少する
ための電流リミッタ(CL)が設けられていることを特
徴とする請求項16又は17のいずれかに記載の超伝導
磁石システム。 - 【請求項20】 前記2つのシム・コイル組(Si、
Sa)の超伝導スイッチ(SW1、SW2)が各々、前記
2つのシム・コイル組(Si、Sa)のもう1つの超伝導
スイッチ(SW2、SW1)の加熱手段と電気的に直列に
接続された加熱手段を備えていることを特徴とする請求
項15乃至19のいずれかに記載の超伝導磁石システ
ム。 - 【請求項21】 前記2つのシム・コイル組(Si、
Sa)の超伝導スイッチ(SW1、SW2)の加熱手段が
個別に加熱可能であることを特徴とする請求項20記載
の超伝導磁石システム。
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