JP2009032758A - 伝導冷却式超伝導磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】停電しても超伝導コイルのクエンチが起こりにくい伝導冷却式超伝導磁石装置を提供する。
【解決手段】極低温用冷凍機と、冷媒の入った容器と、該冷媒に浸漬された超伝導コイルと、前記容器と前記極低温用冷凍機の両方に熱接触し、両者の間の熱伝導を行なわせる伝熱手段とを備え、前記極低温用冷凍機が稼動しているときには、前記容器と前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を前記伝熱手段を介して行ない、前記容器を冷却するようにし、前記極低温用冷凍機の運転が停止したときには、前記伝熱手段に設けた遮断手段によって前記容器と前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を遮断して、外界から前記伝熱手段を介して熱が前記容器に流入して前記冷媒が蒸発するのを防ぐようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、核磁気共鳴装置に用いられる超伝導磁石装置、特に、極低温用冷凍機により超伝導コイルを冷却する、核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置に関する。

核磁気共鳴の測定においては、試料中の核スピンを持った核種を観測するために、試料に強い静磁場を印加する必要がある。そのため、従来は、図１に示すような、液体ヘリウムを冷媒として使用した超伝導磁石装置が用いられてきた。

図中、１は、超伝導コイルである。超伝導コイル１は、液体ヘリウムが蓄えられたヘリウムタンク２の中に浸され、極低温に維持されている。また、ヘリウムタンク２の液体ヘリウムが、蒸発して失われるのを抑えるため、ヘリウムタンク２の周囲の環境を冷やすための液体窒素が蓄えられた窒素タンク３が設けられている。ヘリウムタンク２と窒素タンク３は、外部の熱が侵入するのを防ぐために、真空容器４の中に収められ、外界から熱的に遮断されて置かれている。

このような液体ヘリウムや液体窒素などの冷媒を使用する超伝導磁石装置の問題点は、定期的に冷媒の補充を行なわなければならないことである。この作業は面倒であり、補充を忘れると超伝導コイルがクエンチを起こすため、長期休暇中や出張中の冷媒の補充をどうするかで、超伝導磁石装置の保守担当者に大きな精神的負荷を与えていた。

そこで近年、液体ヘリウムや液体窒素などの冷媒を使用しない、伝導冷却式超伝導磁石装置が提案されている（非特許文献１、特許文献１〜２）。伝導冷却式超伝導磁石装置は、極低温冷凍機を用いて超伝導コイルを冷却することにより、冷媒の液体ヘリウムや液体窒素がなくても、電力だけで、超伝導コイルの超伝導状態を維持できるように設計されたものである。

図２は、核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置の一例を示したものである。図２において、この核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置は、外部からの熱侵入を避けるために、真空にされた真空容器５内に、より一層、断熱効果を高めるために、熱輻射シールド板６により区画形成された熱輻射シールド室を設け、この熱輻射シールド室内に、超伝導コイル７を収納している。

また、８は、超伝導コイル７を冷却する極低温用冷凍機としてのギフォード・マクマホン型冷凍機（ＧＭ冷凍機）である。このＧＭ冷凍機８は、１段ステージ８ａ、２段ステージ８ｂを備えている。１段ステージ８ａは、熱輻射シールド室を区画形成する熱輻射シールド６と熱接触し、熱輻射シールド６を、４０〜５０Ｋに冷却している。また、２段ステージ８ｂは、伝熱板９に熱接触すると共に、伝熱板９を介して、伝熱板９に熱接触している超伝導コイル７とも熱接触し、超伝導コイル７を、下部から、約４Ｋに冷却している。

また、熱輻射シールド室内には、核磁気共鳴の測定に際し、超伝導コイル７が発生する静磁界の歪みを補正するのに不可欠な、超伝導シムコイル１０が、伝熱板９と熱接触して、設けられている。

また、真空容器５の外部には、前記ＧＭ冷凍機８を稼働させるために必要な、冷凍機電源と圧縮機１２、超伝導コイル７を励磁するための励磁電源１３、超伝導シムコイル１０に電流を送るための超伝導シム電源１４が設けられている。

三上行雄、桜庭順二、渡沢恵一他、「１５Ｔ冷凍機冷却型超伝導マグネットの開発」、雑誌「低温工学」（低温工学協会／低温工学会編）、第３４巻、第５号、１９９９年５月２０日発行、２００〜２０５頁 特開２００１−７７４３４号公報 特開２００４−２５９９２５号公報

このような状況において、伝導冷却式超伝導磁石装置を実用化する際の最大の問題点の１つは、装置が稼働中に停電すると、冷凍機が停止して、超伝導コイルの温度が上昇し、それに伴って、クエンチが発生することであった。

核磁気共鳴装置では、１０^−９／ｈｏｕｒ以上の極度に高い磁場安定性が要求されるため、超伝導磁石がいったんクエンチを起こすと、再び、安定した状態に持って行くまでに、励磁後、数日以上に渡って、磁場の安定を待たなければならない。その間、装置が使用できなくなり、実験がストップしてしまう。

また、超伝導磁石の励磁は、極めて専門的な作業であり、一般の利用者が取り扱える作業ではない。したがって、停電によりクエンチが起きると、その都度、専門家に依頼を要請しなければならなかった。

そのため、冷凍機のみに頼らず、液体ヘリウムへの超伝導コイルの浸漬をも併用することにより、冷凍機が長期間の停電等で稼動を停止しても、液体ヘリウムが容器内に存在している間はクエンチが起こらないように工夫することが重要となる。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、停電しても超伝導コイルのクエンチが起こりにくい伝導冷却式超伝導磁石装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明にかかる伝導冷却式超伝導磁石装置は、
極低温用冷凍機と、
冷媒の入った容器と、
該冷媒に浸漬された超伝導コイルと、
前記容器と前記極低温用冷凍機の両方に熱接触し、両者の間の熱伝導を行なわせる伝熱手段と、
前記容器と前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を遮断できるように、前記伝熱手段に設けた遮断手段と
を備えたことを特徴とする伝導冷却式超伝導磁石装置。

また、前記遮断手段は、前記極低温用冷凍機の稼動状態を検出する検出手段からの信号に基づいて、前記極低温用冷凍機が稼動しているときには、前記容器と前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を媒介し、前記極低温用冷凍機の運転が停止しているときには、前記容器と前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を遮断するように動作することを特徴としている。

また、前記検出手段は、液体ヘリウムの温度上昇、液体ヘリウム容器の圧力上昇、または冷凍機圧縮機の停止のうち、少なくとも１つをセンサーで監視する手段であることを特徴としている。

また、極低温用冷凍機と、
真空容器内に設置された超伝導コイルと、
前記超伝導コイルと前記極低温用冷凍機の両方に熱接触し、両者の間の熱伝導を行なわせる伝熱手段と、
前記超伝導コイルと前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を遮断できるように、前記伝熱手段に設けた遮断手段と
を備えたことを特徴としている。

また、前記遮断手段は、前記極低温用冷凍機の稼動状態を検出する検出手段からの信号に基づいて、前記極低温用冷凍機が稼動しているときには、前記超伝導コイルと前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を媒介し、前記極低温用冷凍機の運転が停止しているときには、前記超伝導コイルと前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を遮断するように動作することを特徴としている。

また、前記検出手段は、超伝導コイルの温度上昇、前記真空容器内の圧力上昇、または冷凍機圧縮機の停止のうち、少なくとも１つをセンサーで監視する手段であることを特徴としている。

本発明の伝導冷却式超伝導磁石装置によれば、
極低温用冷凍機と、
冷媒の入った容器と、
該冷媒に浸漬された超伝導コイルと、
前記容器と前記極低温用冷凍機の両方に熱接触し、両者の間の熱伝導を行なわせる伝熱手段と、
前記容器と前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を遮断できるように、前記伝熱手段に設けた遮断手段と
を備えたので、
停電しても超伝導コイルのクエンチが起こりにくい伝導冷却式超伝導磁石装置を提供することが可能になった。

また、極低温用冷凍機と、
真空容器内に設置された超伝導コイルと、
前記超伝導コイルと前記極低温用冷凍機の両方に熱接触し、両者の間の熱伝導を行なわせる伝熱手段と、
前記超伝導コイルと前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を遮断できるように、前記伝熱手段に設けた遮断手段と
を備えたので、
停電しても超伝導コイルのクエンチが起こりにくい伝導冷却式超伝導磁石装置を提供することが可能になった。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図３は、本発明にかかる核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置の一実施例を示したものである。図３において、この核磁気共鳴装置用伝導冷却式超伝導磁石装置は、外部からの熱侵入を避けるために、真空にされた真空容器５内に、より一層、断熱効果を高めるために、熱輻射シールド板６により区画形成された熱輻射シールド室を設け、この熱輻射シールド室内に液体ヘリウム容器２１を設け、超伝導コイル７を収納している。

また、８は、超伝導コイル７を冷却する極低温用冷凍機としてのギフォード・マクマホン型冷凍機（ＧＭ冷凍機）である。このＧＭ冷凍機８は、１段ステージ８ａ、２段ステージ８ｂを備えている。１段ステージ８ａは、熱輻射シールド室を区画形成する熱輻射シールド６と１段ステージ伝熱板２２を介して熱接触し、熱輻射シールド６を、４０〜５０Ｋに冷却している。また、２段ステージ８ｂは、２段ステージ伝熱板２３に熱接触すると共に、２段ステージ伝熱板２３を介して、２段ステージ伝熱板２３に熱接触している液体ヘリウム容器２１とも熱接触し、液体ヘリウム容器２１を４Ｋ程度に冷却している。

また、真空容器５の外部には、前記ＧＭ冷凍機８を稼働させるために必要な、図示しない冷凍機電源と圧縮機や、超伝導コイル７を励磁するための図示しない励磁電源等が設けられている。

このような構成の超伝導磁石装置では、冷凍機が停止した場合の超伝導コイル部への熱の流入は、冷凍機８と液体ヘリウム容器２１を結ぶ１段ステージ伝熱板２２と２段ステージ伝熱板２３とが主要な経路となる。流入熱量の８割程度が冷凍機を通して流入するものと推測される。

冷凍機の停止は、液体ヘリウムの温度上昇、液体ヘリウム容器内の圧力上昇、冷凍機圧縮機の停止などをセンサーによって監視すれば検出は可能である。通常、冷凍機を備えた伝導冷却式超伝導磁石装置は、４Ｋ以下で運転されており、異常が発生すると、温度が４Ｋ以上に上昇する。また、液体ヘリウム容器を備えた超伝導磁石装置には安全弁２４が取り付けられていて、若干の与圧が液体ヘリウムに加わるようになっており、異常が発生すると、液体ヘリウム容器内の圧力が１気圧以上に上昇するからである。

そこで、冷凍機停止時の主要な熱の流入経路を遮断できるようにするために、冷凍機の１段ステージ８ａと熱輻射シールド６を結ぶ１段ステージ伝熱板２２に１段ステージ伝熱スイッチ２５、また冷凍機の２段ステージ８ｂと液体ヘリウム容器２１を結ぶ２段ステージ伝熱板２３に２段ステージ伝熱スイッチ２６を設置する。この両スイッチは、通常は熱的に接触させてあり、超伝導コイル７の冷却を行なうようになっている。

センサーによって異常が感知されると、例えば伝導冷却式超伝導磁石装置の上部に設置された伝熱スイッチ駆動機構２７を用いて２つの伝熱スイッチ２５、２６をともに熱的に切り離す。切り離す方法としては、２つの伝熱スイッチ２５、２６を上方に数ミリメートル移動させれば良い。

伝熱スイッチの具体的な構造としては、図３に示すような平板上の２枚の板を単に接触させるのみでも良いが、図４に示すような傾斜を持たせたカップ状の構造により、金属のバネ性を利用して、より強い接触を持たせる方法も考えられる。

通常、伝熱スイッチ駆動機構２７（モータなど）は室温大気中に設けるため、伝熱スイッチの駆動は、外界の熱が伝わらないよう断熱性の高いガラスエポキシ樹脂などでできた円柱状の棒などを用いてＯＮ／ＯＦＦさせる。

超伝導コイル７は真空容器５に収められているので、伝熱スイッチが接続されていなければ、熱は実質上ほとんど伝わらない。伝熱スイッチを切れば、外界からの熱の流入を抑えることができるので、液体ヘリウムの消費量が抑制され、超伝導状態の保持時間を５倍程度に延長できる。それは、日数にして１０〜２５日に相当する。この程度の日数があれば、液体ヘリウムの追加補充や冷凍機の修理は十分可能であり、クエンチの発生を防ぐことが可能となる。

尚、本実施例では、冷凍機と液体ヘリウム容器を併用するタイプの伝導冷却式超伝導磁石装置について述べたが、本発明が、液体ヘリウム容器の外層にさらに液体窒素容器を備えたタイプの伝導冷却式超伝導磁石装置や、冷凍機のみで冷却し、液体ヘリウム容器自体を持たないタイプの伝導冷却式超伝導磁石装置にも適用可能である。

また、冷凍機のみで冷却し、液体ヘリウム容器自体を持たないタイプの伝導冷却式超伝導磁石装置の場合は、冷凍機の運転の停止は、超伝導コイル自体の温度上昇、超伝導コイルを収納した真空容器内の圧力上昇、または冷凍機圧縮機の停止をセンサーで監視することにより検出すれば良い。

また、上記実施例では、ＧＭ冷凍機を使用した場合について述べたが、パルス管冷凍機等、他の冷凍機でも同様に代用できることは、言うまでもない。

核磁気共鳴装置に広く利用できる。

従来の超伝導磁石装置の一例を示す図である。 従来の超伝導磁石装置の一例を示す図である。 本発明にかかる超伝導磁石装置の一実施例を示す図である。 本発明にかかる伝熱スイッチの一実施例を示す図である。

符号の説明

１：超伝導コイル、２：窒素タンク、３：ヘリウムタンク、４：真空容器、５：真空容器、６：熱輻射シールド板、７：超伝導コイル、８：冷凍機、８ａ：１段ステージ、８ｂ：２段ステージ、９：伝熱板、１０：超伝導シムコイル、１１：冷凍機電源、１２：圧縮機、１３：超伝導コイル励磁電源、１４：超伝導シムコイル励磁電源、２１：液体ヘリウム容器、２２：１段ステージ伝熱板、２３：２段ステージ伝熱板、２４：安全弁、２５：１段ステージ伝熱スイッチ、２６：２段ステージ伝熱スイッチ、２７：伝熱スイッチ駆動機構

Claims (6)

1. 極低温用冷凍機と、
   冷媒の入った容器と、
   該冷媒に浸漬された超伝導コイルと、
   前記容器と前記極低温用冷凍機の両方に熱接触し、両者の間の熱伝導を行なわせる伝熱手段と、
   前記容器と前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を遮断できるように、前記伝熱手段に設けた遮断手段と
   を備えたことを特徴とする伝導冷却式超伝導磁石装置。
2. 前記遮断手段は、前記極低温用冷凍機の稼動状態を検出する検出手段からの信号に基づいて、前記極低温用冷凍機が稼動しているときには、前記容器と前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を媒介し、前記極低温用冷凍機の運転が停止しているときには、前記容器と前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を遮断するように動作することを特徴とする請求項１記載の伝導冷却式超伝導磁石装置。
3. 前記検出手段は、液体ヘリウムの温度上昇、液体ヘリウム容器の圧力上昇、または冷凍機圧縮機の停止のうち、少なくとも１つをセンサーで監視する手段であることを特徴とする請求項２記載の伝導冷却式超伝導磁石装置。
4. 極低温用冷凍機と、
   真空容器内に設置された超伝導コイルと、
   前記超伝導コイルと前記極低温用冷凍機の両方に熱接触し、両者の間の熱伝導を行なわせる伝熱手段と、
   前記超伝導コイルと前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を遮断できるように、前記伝熱手段に設けた遮断手段と
   を備えたことを特徴とする伝導冷却式超伝導磁石装置。
5. 前記遮断手段は、前記極低温用冷凍機の稼動状態を検出する検出手段からの信号に基づいて、前記極低温用冷凍機が稼動しているときには、前記超伝導コイルと前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を媒介し、前記極低温用冷凍機の運転が停止しているときには、前記超伝導コイルと前記極低温用冷凍機の間の熱伝導を遮断するように動作することを特徴とする請求項４記載の伝導冷却式超伝導磁石装置。
6. 前記検出手段は、超伝導コイルの温度上昇、前記真空容器内の圧力上昇、または冷凍機圧縮機の停止のうち、少なくとも１つをセンサーで監視する手段であることを特徴とする請求項５記載の伝導冷却式超伝導磁石装置。

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