JP2018181960A - 超電導マグネット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】著しい大型化を伴うことなく、均一度の高い磁場を形成可能な超電導マグネット装置を提供すること。【解決手段】超電導マグネット装置であって、主磁場を形成する超電導メインコイル（１０）と、複数の超電導補正コイル（２０Ａ〜２０Ｃ）を含む超電導補正コイル群（２０）と、主電源（４０）と、超電導メインコイル（１０）及び超電導補正コイル群（２０）に対して並列に接続された開閉部（５０）と、を備え、開閉部（５０）は、それぞれが各超電導補正コイル（２０Ａ〜２０Ｃ）に対して並列に接続された複数の補正短絡スイッチ（５２Ａ〜５２Ｃ）を有すること。【選択図】図２

Description

本発明は、超電導マグネット装置に関するものである。

従来、ＮＭＲ（核磁気共鳴）装置、ＥＳＲ（電子スピン共鳴）装置、ＭＲＩ（核磁気共鳴イメージング）装置、物理研究用超電導マグネット等に用いられる超電導マグネット装置が知られている。この超電導マグネット装置は、超電導コイルを超電導状態で使用することによって均一度の高い磁場を生じさせる。

例えば、特許文献１及び特許文献２には、主磁場を発生させる超電導メインコイルと、超電導メインコイルの内側の空間における磁場の分布を調整するための超電導補正コイル群と、超電導メインコイルの径方向について超電導メインコイル及び超電導補正コイル群の外側に配置された超電導シムコイルと、を備える超電導マグネット装置が開示されている。超電導メインコイルと超電導補正コイル群とは、電気的に直列に接続されている。超電導シムコイルは、超電導メインコイル及び超電導補正コイル群を含む回路とは異なる回路で構成されている。超電導シムコイルは、超電導メインコイル及び超電導補正コイル群により形成される磁場の分布の均一度を高めるためのコイルである。

特開２００２−４３１１６号公報 特開２００４−２７３５６８号公報

特許文献１又は特許文献２に記載されるような超電導マグネット装置では、超電導シムコイルでの調整範囲を超える程度に磁場の分布に不均一が生じている場合、一度各コイルを昇温し、分解した後に再度組み立てる必要がある。

そこで、超電導シムコイルの磁場強度を大きくする（コイルの巻き数を増やす）ことが考えられるが、この場合、超電導シムコイルを含む装置全体の設置スペースが大きくなる。また、超電導シムコイルに通電する電流値を大きくすることも考えられるが、この場合、超電導シムコイルの負荷率が高くなるため、クエンチの発生が懸念される。

本発明の目的は、著しい大型化を伴うことなく、均一度の高い磁場を形成可能な超電導マグネット装置を提供することである。

前記課題を解決する手段として、本発明は、超電導マグネット装置であって、主磁場を形成する超電導メインコイルと、前記超電導コイルに対して直列に接続されておりかつ互いに直列に接続された複数の超電導補正コイルを含み、前記超電導メインコイルの内側の空間における前記主磁場の分布を調整するための超電導補正コイル群と、前記超電導メインコイル及び前記超電導補正コイル群に対して直列に接続された主電源と、前記超電導メインコイル及び前記超電導補正コイル群に対して並列に接続された開閉部と、を備え、前記開閉部は、それぞれが各超電導補正コイルに対して並列に接続された複数の補正短絡スイッチを有する、超電導マグネット装置を提供する。

本超電導マグネット装置は、複数の補正短絡スイッチを有するので、全てのコイルに定格電流が流れている状態から特定の超電導補正コイルに定格電流とは異なる補正電流が流れる状態に切り替えることが可能となる。具体的に、全てのコイルに定格電流が流れている状態（開閉部が閉じられた状態）において、前記補正電流を主電源から供給するとともに特定の超電導補正コイルに並列に接続された補正短絡スイッチを開く。そうすると、特定の超電導補正コイルに補正電流が流れる。その後、主電源からの補正電流の供給を停止するとともに、特定の超電導補正コイルに並列に接続された補正短絡スイッチを閉じることにより、特定の超電導補正コイルには補正電流が流れる一方で他のコイルには定格電流が流れる状態が形成される。よって、すべてのコイルに定格電流が流れている状態において磁場の分布に不均一が生じている場合に、その不均一成分を解消可能な位置に設けられた超電導補正コイルに対し、前記不均一成分を解消可能な電流を前記補正電流として供給することにより、磁場の分布の不均一が解消される。したがって、著しい大型化を伴うことなく、均一度の高い磁場を形成することが可能となる。

この場合において、前記開閉部は、前記超電導メインコイルに対して並列に接続されたメイン短絡スイッチをさらに有することが好ましい。

このようにすれば、超電導メインコイルに流れる電流の調整も可能となるので、より均一度の高い磁場の形成が可能となる。

また、前記超電導マグネット装置において、前記超電導メインコイル及び前記超電導補正コイル群に対して直列に接続されており、前記超電導メインコイル及び前記超電導補正コイル群により形成される漏洩磁場を低減させる超電導シールドコイルをさらに備え、前記開閉部は、前記超電導シールドコイルに対して並列に接続されたシールド短絡スイッチをさらに有することが好ましい。

このようにすれば、前記漏洩磁場の低減しつつ、磁場の分布の不均一をより確実に解消することが可能となる。

また、本発明は、超電導マグネット装置であって、主磁場を形成する超電導メインコイルと、前記超電導コイルに対して直列に接続されておりかつ互いに直列に接続された複数の超電導補正コイルを含み、前記超電導メインコイルの内側の空間における前記主磁場の分布を調整するための超電導補正コイル群と、前記超電導メインコイル及び前記超電導補正コイル群に対して直列に接続されており、前記超電導メインコイル及び前記超電導補正コイル群により形成される漏洩磁場を低減させる超電導シールドコイルと、前記超電導メインコイル、前記超電導補正コイル群及び前記超電導シールドコイルに対して直列に接続された主電源と、前記超電導メインコイル、前記超電導補正コイル群及び前記超電導シールドコイルに対して並列に接続された開閉部と、を備え、前記開閉部は、前記超電導シールドコイルに対して並列に接続されたシールド短絡スイッチを有する、超電導マグネット装置を提供する。

本超電導マグネット装置は、シールド短絡スイッチを有するので、全てのコイルに定格電流が流れている状態から超電導シールドコイルに定格電流とは異なる補正電流が流れる状態に切り替えることが可能となる。よって、すべてのコイルに定格電流が流れている状態において磁場の分布に不均一が生じている場合に、その不均一成分を解消可能な電流を前記補正電流として超電導シールドコイルに供給することにより、磁場の分布の不均一が解消される。したがって、著しい大型化を伴うことなく、均一度の高い磁場を形成することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、著しい大型化を伴うことなく、均一度の高い磁場を形成可能な超電導マグネット装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の超電導マグネット装置の各コイルの構成の概略を示す図である。 図１に示す超電導マグネット装置の回路構成を示す図である。 定格電流Ｉを流す工程を示す図である。 定格電流Ｉを流す工程を示す図である。 補正電流Ｉ′を流す工程を示す図である。 補正電流Ｉ′を流す工程を示す図である。 補正電流Ｉ′を流す工程を示す図である。

本発明の一実施形態の超電導マグネット装置について、図１〜図７を参照しながら説明する。図１及び図２に示されるように、超電導マグネット装置は、超電導メインコイル１０と、超電導補正コイル群２０と、超電導シールドコイル３０と、主電源４０と、開閉部５０と、を備えている。なお、図１には、各コイル１０，２０，３０のうちこれらコイルの中心軸Ａに対して一方側に位置する部位のみが示されている。

超電導メインコイル１０は、主磁場を発生させるコイルである。この超電導メインコイル１０は、図示略のメイン巻枠に巻回されている。

超電導補正コイル群２０は、超電導メインコイルの内側の空間における主磁場の分布を調整するためのコイル群である。超電導補正コイル群２０は、超電導メインコイル１０に直列に接続されている。図１に示されるように、超電導補正コイル群２０は、超電導メインコイル１０の径方向について超電導メインコイル１０の外側に配置されている。超電導補正コイル群２０は、それぞれが互いに直列に接続された複数の超電導補正コイルを有している。本実施形態では、前記複数の超電導補正コイルは、第１超電導補正コイル２０Ａと、第２超電導補正コイル２０Ｂと、第３超電導補正コイル２０Ｃと、を有している。各超電導補正コイル２０Ａ〜２０Ｃは、超電導メインコイル１０の軸方向に沿って間欠的に並ぶように配置されている。各超電導補正コイル２０Ａ〜２０Ｃは、図示略の補正巻枠に巻回されている。

超電導シールドコイル３０は、超電導メインコイル１０及び超電導補正コイル群２０により形成される漏洩磁場を低減させる。超電導シールドコイル３０は、超電導メインコイル１０及び超電導補正コイル群２０に対して直列に接続されている。超電導シールドコイル３０は、超電導メインコイル１０の径方向について超電導補正コイル群２０の外側に配置されている。超電導シールドコイル３０は、図示略のシールド巻枠に巻回されている。

主電源４０は、超電導メインコイル１０、超電導補正コイル群２０及び超電導シールドコイル３０に対して直列に接続されている。超電導メインコイル１０、超電導補正コイル群２０、超電導シールドコイル３０及び主電源４０により形成される回路には、当該回路を開閉可能な主スイッチ４１が設けられている。

開閉部５０は、超電導メインコイル１０、超電導補正コイル群２０及び超電導シールドコイル３０に対して並列に接続されている。開閉部５０は、主スイッチ４１と直列に接続されており、当該開閉部５０と主電源４０とにより形成される回路を開閉可能である。開閉部５０は、メイン短絡スイッチ５１と、複数の補正短絡スイッチ５２Ａ〜５２Ｃと、シールド短絡スイッチ５３と、を有する。

メイン短絡スイッチ５１は、超電導メインコイル１０に対して並列に接続されている。メイン短絡スイッチ５１は、当該メイン短絡スイッチ５１と超電導メインコイル１０とにより形成される回路を開閉可能である。

複数の補正短絡スイッチ５２Ａ〜５２Ｃは、第１超電導補正コイル２０Ａに対して並列に接続された第１補正短絡スイッチ５２Ａと、第２超電導補正コイル２０Ｂに対して並列に接続された第２補正短絡スイッチ５２Ｂと、第３超電導補正コイル２０Ｃに対して並列に接続された第３補正短絡スイッチ５２Ｃと、を有する。第１補正短絡スイッチ５２Ａは、当該第１補正短絡スイッチ５２Ａと第１超電導補正コイル２０Ａとにより形成される回路を開閉可能である。第２補正短絡スイッチ５２Ｂは、当該第２補正短絡スイッチ５２Ｂと第２超電導補正コイル２０Ｂとにより形成される回路を開閉可能である。第３補正短絡スイッチ５２Ｃは、当該第３補正短絡スイッチ５２Ｃと第３超電導補正コイル２０Ｃとにより形成される回路を開閉可能である。

シールド短絡スイッチ５３は、超電導シールドコイル３０に対して並列に接続されている。シールド短絡スイッチ５３は、当該シールド短絡スイッチ５３と超電導シールドコイル３０とにより形成される回路を開閉可能である。

次に、超電導メインコイル１０、超電導補正コイル群２０、超電導シールドコイル３０及び開閉部５０により形成される回路に、定格電流Ｉを流す方法について説明する。

まず、図３に示されるように、開閉部５０（各短絡スイッチ５１，５２Ａ〜５２Ｃ，５３）を開いた状態で主スイッチ４１を閉じる。そうすると、超電導メインコイル１０、超電導補正コイル群２０及び超電導シールドコイル３０に通電される。

各コイル１０〜３０に流れる電流が定格値に到達した後、図４に示されるように、各短絡スイッチ５１，５２Ａ〜５２Ｃ，５３を閉じるとともに、主スイッチ４１を開く。これにより、超電導メインコイル１０、超電導補正コイル群２０、超電導シールドコイル３０及び開閉部５０により形成される回路に定格電流Ｉが流れる。

続いて、各コイル１０〜３０により形成された磁場の分布に不均一が生じている場合に、この不均一を調整する方法について説明する。

まず、図４の状態で形成されている磁場の分布をＮＭＲプローブ等によって計測する。その結果、特定の磁場成分が設計値と異なっていた場合、その特定の磁場成分を補正可能な補正電流Ｉ′を一又は複数のコイルに流す。以下、磁場の分布の不均一を解消可能な位置に設けられたコイルが第１超電導補正コイル２０Ａである場合について説明する。

図５に示されるように、主スイッチ４１を閉じる。そうすると、主電源４０及び開閉部５０により形成される回路に補正電流Ｉ′が流れる。なお、このとき、超電導メインコイル１０、超電導補正コイル群２０、超電導シールドコイル３０及び開閉部５０により形成される回路には、定格電流Ｉが流れている。

次に、図６に示されるように、第１超電導補正コイル２０Ａに対して並列となるように接続された第１補正短絡スイッチ５２Ａを開く。そうすると、第１超電導補正コイル２０Ａに補正電流Ｉ′が流れ、他のコイル１０，２０Ｂ，２０Ｃ，３０には定格電流Ｉが流れ続ける。なお、補正電流Ｉ′の値と定格電流Ｉの値との差は非常に小さいので、第１補正短絡スイッチ５２Ａを開くことに問題はない。

最後に、図７に示されるように、第１補正短絡スイッチ５２Ａを閉じるとともに、主スイッチ４１を開く。これにより、超電導メインコイル１０、第２超電導補正コイル２０Ｂ、第３超電導補正コイル２０Ｃ及び超電導シールドコイル３０には定格電流Ｉが流れ、第１超電導補正コイル２０Ａにのみ磁場の不均一を解消可能な補正電流Ｉ′が流れる状態が形成される。よって、磁場の不均一が解消される。

以上説明したように、本実施形態の超電導マグネット装置は、複数の補正短絡スイッチ５２Ａ〜５２Ｃを含むので、全てのコイル１０，２０，３０に定格電流Ｉが流れている状態（図４に示される状態）から特定の超電導補正コイルに定格電流Ｉとは異なる補正電流Ｉ′が流れる状態（図７に示される状態）に切り替えることが可能となる。よって、すべてのコイル１０，２０，３０に定格電流Ｉが流れている状態において磁場の分布に不均一が生じている場合に、その不均一成分を解消可能な位置に設けられた超電導補正コイルに対し、前記不均一成分を解消可能な電流を補正電流Ｉ′として供給することにより、磁場の分布の不均一が解消される。したがって、装置全体の大型化を伴うことなく、均一度の高い磁場を形成することが可能となる。また、本装置では、比較的大きな不均一成分の調整も可能となる。さらに、超電導シムコイルの省略も可能となる。

また、開閉部５０は、メイン短絡スイッチ５１を有するので、超電導メインコイル１０に流れる電流の調整も可能となる。よって、より均一度の高い磁場の形成が可能となる。

さらに、開閉部５０は、シールド短絡スイッチ５３を有するので、超電導シールドコイル３０に流れる電流の調整も可能となる。よって、さらに均一度の高い磁場の形成が可能となる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、超電導メインコイル１０の径方向について超電導メインコイル１０と超電導補正コイル群２０との間に、超電導メインコイル１０とは別の超電導メインコイルが設けられてもよい。この場合、開閉部５０は、前記別の超電導メインコイルに対して並列に接続された別のメイン短絡スイッチを有することが好ましい。このようにすれば、より均一度の高い磁場の形成が可能となる。

また、メイン短絡スイッチ５１及びシールド短絡スイッチ５３の少なくとも一方は、省略されてもよい。

また、超電導メインコイル１０、超電導補正コイル群２０及び超電導シールドコイル３０を含む回路とは異なる回路であって超電導シムコイルを含むものが、超電導メインコイル１０の径方向について超電導シールドコイル３０の外側に配置されてもよい。

１０ 超電導メインコイル
２０ 超電導補正コイル群
２０Ａ 第１超電導補正コイル（超電導補正コイル）
２０Ｂ 第２超電導補正コイル（超電導補正コイル）
２０Ｃ 第３超電導補正コイル（超電導補正コイル）
３０ 超電導シールドコイル
４０ 主電源
５０ 開閉部
５１ メイン短絡スイッチ
５２Ａ 第１補正短絡スイッチ
５２Ｂ 第２補正短絡スイッチ
５２Ｃ 第３補正短絡スイッチ
５３ シールド短絡スイッチ

Claims (4)

1. 超電導マグネット装置であって、
   主磁場を形成する超電導メインコイルと、
   前記超電導コイルに対して直列に接続されておりかつ互いに直列に接続された複数の超電導補正コイルを含み、前記超電導メインコイルの内側の空間における前記主磁場の分布を調整するための超電導補正コイル群と、
   前記超電導メインコイル及び前記超電導補正コイル群に対して直列に接続された主電源と、
   前記超電導メインコイル及び前記超電導補正コイル群に対して並列に接続された開閉部と、を備え、
   前記開閉部は、それぞれが各超電導補正コイルに対して並列に接続された複数の補正短絡スイッチを有する、超電導マグネット装置。
2. 請求項１に記載の超電導マグネット装置において、
   前記開閉部は、前記超電導メインコイルに対して並列に接続されたメイン短絡スイッチをさらに有する、超電導マグネット装置。
3. 請求項１又は２に記載の超電導マグネット装置において、
   前記超電導メインコイル及び前記超電導補正コイル群に対して直列に接続されており、前記超電導メインコイル及び前記超電導補正コイル群により形成される漏洩磁場を低減させる超電導シールドコイルをさらに備え、
   前記開閉部は、前記超電導シールドコイルに対して並列に接続されたシールド短絡スイッチをさらに有する、超電導マグネット装置。
4. 超電導マグネット装置であって、
   主磁場を形成する超電導メインコイルと、
   前記超電導コイルに対して直列に接続されておりかつ互いに直列に接続された複数の超電導補正コイルを含み、前記超電導メインコイルの内側の空間における前記主磁場の分布を調整するための超電導補正コイル群と、
   前記超電導メインコイル及び前記超電導補正コイル群に対して直列に接続されており、前記超電導メインコイル及び前記超電導補正コイル群により形成される漏洩磁場を低減させる超電導シールドコイルと、
   前記超電導メインコイル、前記超電導補正コイル群及び前記超電導シールドコイルに対して直列に接続された主電源と、
   前記超電導メインコイル、前記超電導補正コイル群及び前記超電導シールドコイルに対して並列に接続された開閉部と、を備え、
   前記開閉部は、前記超電導シールドコイルに対して並列に接続されたシールド短絡スイッチを有する、超電導マグネット装置。
   
   

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