超電導磁石装置及び核磁気共鳴イメージング装置
【課題】超電導磁石装置及びこれを適用する核磁気共鳴イメージング装置に関し、超電導コイル中の電流が時間的に変動しても、内部に作用する過負荷を軽減させる構成を得る。
【解決手段】 超電導コイルの中心軸(Z)と同軸状に配置され永久電流により誘導される静磁場により磁化する磁化部材(21,22)は、反対面(21b,22b)から側周面(21a,22a)に亘る開口を有するスリット(21f,22f)が設けられている。
【解決手段】 超電導コイルの中心軸(Z)と同軸状に配置され永久電流により誘導される静磁場により磁化する磁化部材(21,22)は、反対面(21b,22b)から側周面(21a,22a)に亘る開口を有するスリット(21f,22f)が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルに永久電流を循環させて静磁場を発生させる超電導磁石装置に関し、さらにこの超電導磁石装置を静磁場の発生源として適用する核磁気共鳴イメージング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴イメージング装置（Magnetic Resonance Imaging；以下、ＭＲＩ装置という）とは、核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance；以下、ＮＭＲという）現象により水素原子核のスピンの状態が変化する際に放出する電磁波を計測し、その信号を演算処理することによって、被検体の断層を水素原子核の密度分布に依存する画像として撮像するものである。
このＭＲＩ装置による計測を実行する際は、静磁場の発生源である超電導磁石装置が、磁場強度が高く（０．２Ｔ以上）、磁場密度の均一性の高い静磁場（１０ｐｐｍ程度）を撮像領域に形成する必要がある。
【０００３】
このような、高強度でかつ均一性の高い静磁場の発生源として用いられる超電導磁石装置は、永久電流を循環させて静磁場を誘導する一対の対向する超電導コイル、この誘導された静磁場を増幅したり均一性を改善したりする一対の対向する磁化部材、及び超電導コイルを冷却する冷媒を保持する冷媒容器を、構成要素として少なくとも含むものである。さらに、これら構成要素は、ＭＲＩ装置の外部からの熱を断熱する真空容器の内部に、保持されている（特許文献１，２参照）。
そして、ＭＲＩ装置は、断層像を鮮明にしたり診断に必要な情報量を増やしたりすることを目的として、撮像領域に形成される静磁場の強度をさらに向上させることが求められている。
【特許文献１】特開平９−１５３４０８号公報（第３頁から第５頁、図１）
【特許文献２】特表２００３−５１３４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＭＲＩ装置の静磁場の強度をさらに向上させるとなると、前記した構成要素の大型化を招来し、これら構成要素を相互に支持する支持部材の剛性を向上させる必要が必然的に生じる。
しかし、そのような支持部材の剛性を向上させることは、同時にＭＲＩ装置の外部の常温部から内部の冷却部へ熱侵入が容易になり、冷媒（液体ヘリウム）の液化維持に要する冷凍機の容量と負荷（運転電力など）が大きくなる。その結果、ＭＲＩ装置の運転の維持に掛かる費用も増大することになる。
このため、支持部材の剛性は、ＭＲＩ装置の定常の静磁場を発生するに伴う負荷に対し必要十分な耐力を有するのみとして、余裕分を極力省き低剛性にて構成したいところである。
【０００５】
ところが、ＭＲＩ装置において、静磁場を立上げる最中や、超電導状態の破壊が伝播する現象（所謂、クエンチ）に見舞われた場合は、超電導コイルに時間的変動を伴う電流が流れることになる。すると、磁化部材の周回方向に渦電流が誘導され、さらにこの渦電流と磁場との相互作用によるローレンツ力が発生する。そして、このローレンツ力が新たに加わり強化された電磁力が支持部材に作用することがある。
このように支持部材は、ＭＲＩ装置が定常の静磁場を発生しているときよりも大きな過負荷が作用する場合があり、それに耐えるだけの剛性を余分に備える必要がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決することを課題とし、超電導コイル中の電流が時間的に変動しても、支持部材に作用する過負荷を軽減させる構成を実現する。これにより、支持部材の剛性を小さく構成することが許容され、外部の常温部から内部の冷却部へ熱侵入が抑制される超電導磁石及び核磁気共鳴イメージング装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために本発明は、対向して配置する一対の超電導コイルと、その中心軸と同軸状に配置された一対の対向する磁化部材と、を備える超電導磁石装置において、一対の前記磁化部材には、反対面から側周面に亘る開口を有するスリットが設けられていることを特徴とする。
このように発明が構成されることにより、超電導コイル中の電流が時間的に変動しても、磁化部材の周回方向に流れる渦電流は、前記スリットが設けられている部分において遮断される。つまり、磁化部材を断面視した場合、スリットは反対面側に開口を有しているので、この反対面側のほうが対向面側よりも渦電流の電流密度が相対的に低くなる。これにより、この渦電流と静磁場との相互作用により発生した電磁力のうち、一対の磁化部材が互いに引き合う成分は、減少する。
さらに、スリットが対向面側にも開口するように構成されていれば、磁化部材の周回方向に流れる渦電流の電流密度を全体的にさらに低下させることができるので、電磁力のうち前記引き合う成分をさらに減少させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、例えばクエンチ時のように超電導コイル中の電流が時間的に変動しても、各構成要素を支持する支持部材に作用する過負荷を軽減させることができる。これにより、支持部材の剛性を小さく構成することが許容され、外部の常温部から内部の冷却部へ熱侵入が抑制される超電導磁石及び核磁気共鳴イメージング装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態に係る核磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）を説明する。
図１に全体の側面図が示されているように、ＭＲＩ装置１０は、垂直方向を向く中心軸Ｚが回転対称軸となるように第１静磁場発生部３０及び第２静磁場発生部４０を対向させて支柱１２に固定してなる超電導磁石装置１１（図２参照）に、撮像領域Ｒを挟むようにして配置される傾斜磁場発生部１３，１３と、被検体Ｐを載置して撮像領域Ｒに位置させるベッド台Ｄと、を備えている。
この超電導磁石装置１１（図２参照）は、撮像領域Ｒに、磁場強度が高く磁場密度の均一性の高い静磁場を中心軸Ｚと同じ方向に形成するものである。
【００１０】
さらに、ＭＲＩ装置１０は、図示されない構成要素として、撮像領域Ｒに向けてＮＭＲ現象を発現せる共鳴周波数の電磁波を照射するＲＦ（Radio Frequency）コイルと、撮像領域Ｒからの応答信号を受信する受信コイルと、これら構成要素を制御する制御装置、受信した信号を処理して解析を行う解析装置とを備えている。
このように構成されることによりＭＲＩ装置１０は、撮像領域Ｒの関心領域（通常１ｍｍ厚のスライス面）だけにＮＭＲ現象を発現させて、水素原子核スピンから放出される電磁波に基づいて被検体Ｐの断層を画像化するものである。
【００１１】
傾斜磁場発生部１３,１３は、第１静磁場発生部３０及び第２静磁場発生部４０が対向する面にそれぞれ設けられた一対の窪みＵ，Ｕ（図２参照）に配置されている。そして、傾斜磁場発生部１３,１３は、撮像領域Ｒにおいて、超電導磁石装置１１により形成された静磁場に勾配磁場を印加し、ＮＭＲ現象の位置情報を与えるものである。
【００１２】
第１静磁場発生部３０は、図２に示されるように、メインコイル３１と、シールドコイル３２と、コイルボビン３３と、冷媒容器３５と、輻射板３６と、真空容器３７と、第１磁化部材２１と、第２磁化部材２２と、支持部材２３，２４とを少なくとも構成要素として備えるものである。
第２静磁場発生部４０は、第１静磁場発生部３０に対して中心軸Ｚを共有しかつ撮像領域Ｒを挟んで鏡面対称となるようにその内部が構成されている。
【００１３】
支柱１２は、一対の第１静磁場発生部３０と第２静磁場発生部４０とを天地方向に対向させて支持するものである。そして、図２の断面部に示されるように支柱１２の内部は、冷媒容器３５が、第１静磁場発生部３０と第２静磁場発生部４０とを連通するように構成されている。また真空容器３７も同様に、支柱１２の内部において、第１静磁場発生部３０と第２静磁場発生部４０とを連通している。
【００１４】
メインコイル３１は、永久電流が所定の方向（順方向）に循環して撮像領域Ｒに計測用の静磁場を生成させる超電導コイルであって、中心軸Ｚを中心として配置されるコイルボビン３３の周りに超電導線材が巻回して形成される。
ここで、超電導コイルとは、冷媒容器３５に充填されている冷媒Ｌ（例えば、液体ヘリウム）により臨界温度より低温に冷却されると常電導状態から超電導状態に転移して電気抵抗がゼロとなるものであって、環状の電流が減衰することなく永久に循環するものである。
【００１５】
シールドコイル３２は、メインコイル３１と中心軸Ｚを共有するようにかつ直径が大きくなるようにコイルボビン３３に巻回されている。そして、シールドコイル３２には、メインコイル３１に流れる順方向とは逆方向に環状の永久電流が流れている。
さらにシールドコイル３２は、撮像領域Ｒからの距離がメインコイル３１よりも遠い位置に配置され、超電導磁石装置１１の外部に漏洩する計測用の磁場を打ち消すように作用するものである。
【００１６】
真空容器３７は、真空状態に保たれている内部において図示しない部材を介して冷媒容器３５を保持するものであって、伝導および対流による冷媒容器３５への熱侵入を防止するものである。
冷媒容器３５は、メインコイル３１及びシールドコイル３２を超電導現象が発現する臨界温度以下の温度に保つ冷媒Ｌ（液体ヘリウム）を収容するものである。
輻射板３６は、真空容器３７と冷媒容器３５との間に設けられ、真空容器３７から冷媒容器３５に向かう熱輻射を遮蔽するものである。
【００１７】
このように、冷媒容器３５、輻射板３６、真空容器３７が層構造に配置されて断熱効果を発揮することにより、大気に晒され常温を示す超電導磁石装置１１の外表面から冷媒Ｌに浸漬して極低温に維持される超電導コイル３１，３２に至るまでの温度勾配が定常的に維持されることになる。
【００１８】
第１磁化部材２１及び第２磁化部材２２（以下、磁化部材２１，２２と記す場合がある）は、中心軸Ｚを共有して同軸状に、冷媒容器３５の外部でかつ真空容器３７の内部に、固定されている。典型的には、図示するように磁化部材２１，２２は冷媒容器３５の内半径側に配置される。
この磁化部材２１，２２は、例えば純鉄等の強磁性体から構成され、メインコイル３１に永久電流が環状に流れて閉ループ状に形成する磁気回路中に、撮像領域Ｒを挟むように対に配置される。このようにして磁化部材２１，２２は、磁気回路の磁気抵抗を引き下げて、撮像領域Ｒに多数の磁力線を誘導し静磁場の強度を増加させるものである。
【００１９】
図３に示されるように、第１磁化部材２１には、その側周面２１ａから鍔状に延出し反対面２１ｂの外周をさらに拡張させる鍔部位２１ｅが設けられている。このような鍔部位２１ｅが設けられていることにより、図４に示されるように、第１磁化部材２１を貫く磁場Ｂｂの曲率が大きくなり、磁気回路のループを小さくする。これにより、撮像領域Ｒにおける静磁場の高強度化と外部への漏洩磁場の削減を図ることができる。
【００２０】
図２に戻って説明を続ける。
この磁化部材２１，２２は、図示するように第１磁化部材２１と、この第１磁化部材２１から分離して環状に構成される第２磁化部材２２とから構成されることにより、撮像領域Ｒにおける磁場の均一性の改善並びに撮像領域Ｒを拡張する効果が得られる。
なおこのような効果をさらに向上させることを目的として、この第１磁化部材２１は、図示するように平板である場合以外に、中空の環状であったり、そのような環状の内側に、さらに複数の環状の磁化部材が同軸状に多段に配置されたりする場合もある。
なおこの磁化部材２１，２２については、後段で図３から図５を参照してその形状、作用につき説明を行う。
【００２１】
支持部材２３は、複数の棒状体が中心軸Ｚの軸廻りに間隔をおいて、かつ中心軸Ｚの軸方向にその長手方向を揃えて配置してなるものである。そして支持部材２３は、その一端が第１磁化部材２１に固定され、その他端が真空容器３７の内周面に固定されている。
この支持部材２３は、高剛性でかつ熱伝達率の小さな材料で構成されることが好ましく、具体的には繊維強化プラスチック（ＦＲＰ；Fiber Reinforced Plastics）で構成される。なおこの支持部材２３の他端の固定位置は特に限定されるものではなく、例えば冷媒容器３５に固定される場合もある。
このように支持部材２３が構成されることにより、超電導磁石装置１１の外表面の常温部から第１磁化部材２１へ向かう熱侵入を妨害することができる。
なお、第２磁化部材２２を冷媒容器３５の外部でかつ真空容器３７の内部で支持する支持部材２４も支持部材２３に同じであるので説明を省略する。
【００２２】
ところで、これら支持部材２３，２４は、温度の極端に異なる部材同士（図２では磁化部材２１，２２と真空容器３７）を支持・固定するものであるので、熱伝達を阻害するために熱抵抗を大きく構成する必要がある。このように、熱抵抗の大きな部材にするには、熱伝達率の低い材料から構成するとともに、熱流入路の断面を小さく全長を長く構成する必要がある。しかし、このように支持部材２３，２４を構成するとなると、一般にその機械的な剛性が低下し、〔発明が解決しようとする課題〕の欄で述べた機械的な過負荷がかかると磁化部材２１，２２の位置精度に狂いが生じることが懸念される。この磁化部材２１，２２の位置精度は、磁場の均一性と密接な関係を有しているため、この均一性が狂えば再調整の必要が生じ、装置の調整作業の効率低下を招くこととなる。
【００２３】
しかし、本発明においては、支持部材２３，２４が後記するような特徴的な構造を有することにより、支持部材２３，２４にかかる過負荷を低く抑えることができる。よって、支持部材２３，２４は、剛性を低く構成しても、クエンチ等の不慮の事故に遭遇して悪影響がおよぶことは無い。また支持部材２３，２４の熱抵抗が大きくなることで超電導磁石装置１１の構成要素（ここでは磁化部材２１，２２）をより断熱的に保持しすることが可能になる。
【００２４】
さらに、支持部材２３，２４は、冷媒容器３５の外部に磁化部材２１，２２を配置するものである。このため、磁化部材２１，２２は極温度に保持される訳でなく、常温あるいは、常温から冷媒Ｌの温度に至る中間温度に、温度変動なく保持されることになる。
磁化部材２１，２２は、熱容量が大きく、かつ構成材料である鉄は温度変化に対する磁化変化が大きい性質を有する為、常温に近い温度で温度変動なく保持されることは、ＭＲＩ装置１０にとってさまざまな点で好都合である（例えば、静磁場の強度変動を抑制することができる点、冷媒Ｌの消費が抑制される点、冷媒Ｌの気化を抑制する冷却装置を小規模化できる点等）。
【００２５】
次に、図３を参照して、磁化部材２１，２２の形状について説明する。
図３（ａ）は、第１磁化部材２１及び第２磁化部材２２の斜視図であり、説明上、両者の位置を中心軸Ｚに沿って所定量だけ変位させたものである。図３（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ方向の直交断面図である。
第１磁化部材２１は、中心軸Ｚに対して回転対称形を有し、前記したように側周面２１ａの一部が鍔状に延出した鍔部位２１ｅを有している。この鍔部位２１ｅは、図示されない撮像領域側を向く対向面２１ｄよろも反対面２１ｂの外周が拡張されるように構成される。
【００２６】
そして、スリット２１ｆが、磁化部材２１の反対面２１ｂから側周面２１ａに亘って開口するように設けられている。また、図中、スリット２１ｆは、直線的に中心軸Ｚに交差するとともに、その始端と終端が共に側周面２１ａに達し側周面２１ａに開口するように設けられている。
この複数のスリット２１ｆは、中心軸Ｚに対して回転対称性を有するよう均等に配置されることが、撮像領域Ｒ（図１参照）における磁場の均一性の観点から好ましい。
【００２７】
しかし、スリット２１ｆは、側周面２１ａに始端が開口していれば、その終端は反対面２１ｂ内の任意位置でかまわない。またスリット２１ｆの溝状の方向は、その延長線が中心軸Ｚに交わる方向に完全一致している必要はなく、略一致していればよい。またスリット２１ｆの溝状は、直線的・平面的である必要はなく、後記するように、第１磁化部材２１の周回方向に発生する渦電流Ｊａ（図４（ａ）参照）の進行を遮断するものであれば曲線的・曲面的な形状であってもよい。さらに、第１実施形態において第１磁化部材２１は、鍔部位２１ｅを必須の構成要素として含むものでなく、中心軸Ｚに対して回転対称形を有していれば好ましく適用することができ、例えば単純な円筒形状である場合も含まれる。
【００２８】
スリット２１ｆは、図３（ｂ）に示すような断面視において、その深さが第１磁化部材２１の厚み方向三分の一から三分の二の範囲に含まれることが好ましい。
スリット２１ｆの深さが厚み方向三分の一よりも小さい場合は、後記するような、第１磁化部材２１の周回方向に発生する渦電流Ｊａ，Ｊｂ（図４（ａ）参照）の電流密度を対向面２１ｄ側に偏重させる効果が得られない。
またスリット２１ｆの深さが厚み方向三分の二よりも大きい場合は、第１磁化部材２１の剛性が低下し、図２に示されるように、吊り下げられた状態で弾性変形することが懸念される。しかし、このような変形が生じない処置が施されているのであれば、スリット２１ｆの深さの上限の規定は不要であって、対向面２１ｄ側に貫通していてもよい。
むしろ、スリット２１ｆの深さが大きいことは、周回方向に発生する渦電流を効果的に遮断させる観点からすれば、渦電流の遮断面の面積が広くなる点で好適である。
【００２９】
またスリット２１ｆは、その幅が０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲に形成されていることが好ましい。
スリット２１ｆ幅の下限が０．５ｍｍであることは、それよりも狭く形成することがコスト対効果の観点から適切でないことによる。
またスリット２１ｆ幅が１０ｍｍよりも大きい場合は、撮像領域Ｒ（図２参照）における磁場の均一性に影響を与えてしまう観点から好ましくないことによる。
【００３０】
図３に戻って説明を続ける。
第２磁化部材２２は、中心軸Ｚに対して回転対称形を有し、第２磁化部材２２の外周よりも半径方向に大きく環状に構成されている。
この第２磁化部材２２に設けられているスリット２２ｆは、その始端が、第２磁化部材２２の側周面２２ａの一の開口をなし、直線的に中心軸Ｚに交差する方向に延びて、その終端が内周面２２ｃに開口をなすように設けられている。しかし、スリット２２ｆは、内周面２２ｃ側に貫通していなくても反対面２２ｂから側周面２２ａに亘る開口が設けられていればよい。
なお、第２磁化部材２２に設けられるスリット２２ｆが具備すべき好ましい要件、変形可能な範囲等は、第１磁化部材２１に設けられるスリット２１ｆと同じであるので、その説明の該当部分を引用することとして、記載を省略する。
【００３１】
次に図４、図５を参照して、磁化部材２１，２２の作用について説明を行う。
図４（ａ）は、超電導磁石装置１１の第１実施形態におけるＸ（Ｙ）−Ｚ断面の座標上の第１象限部分を示す図であって、第１磁化部材２１の実施例を示す模式図である。
図４（ｂ）は、磁化部材２１´にスリット２１ｆが設けられていない場合の比較例を示す模式図である。
【００３２】
ここで、メインコイル３１には、断面視において図の表面から裏面に向く方向に永久電流Ｊｃが環状に流れていることとする。そして、この環状の永久電流Ｊｃに誘導されて、磁場Ｂｂが図示するように第１磁化部材２１，２１´を貫いていることとする。
【００３３】
次に、永久電流Ｊｃが急激に減衰する現象（例えば、クエンチ現象）が発生したとする。すると、この永久電流Ｊｃの減衰に伴う磁場Ｂｂの減少を補うように、電気伝導体でもある第１磁化部材２１には、図示するように渦電流Ｊａ，Ｊｂ，Ｊａ´，Ｊｂ´がメインコイル３１と同じ周回方向に発生する。
【００３４】
ここで、図４（ａ）に示す実施例では、反対面２１ｂ側に発生する渦電流Ｊａは、スリット２１ｆによって遮断されるのでその値は極めて小さく、Ｊａ≪Ｊｂの関係が成り立つといえる。つまり、第１磁化部材２１において、反対面２１ｂ側の渦電流Ｊａほうが対向面２１ｄ側の渦電流Ｊｂよりも電流密度が相対的に低くなるといえる。
一方、図４（ｂ）に示す実施例では、反対面２１ｂ側に発生する渦電流Ｊａ´は、流れを阻害するものが無いので、ほぼ、Ｊａ´＝Ｊｂ´の関係が成り立つといえる。つまり、比較例の磁化部材２１´において、反対面２１ｂ´側の渦電流Ｊａと´、対向面２１ｄ´側の渦電流Ｊｂ´とでは電流密度に差異がないといえる。
【００３５】
ところで、任意の点における渦電流Ｊａ，Ｊｂの接線方向のベクトルをＪとし、磁場Ｂｂの接線方向のベクトルをＢとすれば、この任意点において発生する電磁力ＦはＪとＢとの外積、Ｆ＝Ｊ×Ｂで表されることが知られている。
【００３６】
ここで、図４（ａ）に示す実施例において、反対面２１ｂ側の渦電流Ｊａにより発生する電磁力Ｆａは、図示するように、メインコイル３１に向かう方向斜め下向きである。一方、対向面２１ｄ側の渦電流Ｊｂにより発生する電磁力Ｆｂは、図示するように、メインコイル３１に向かう方向斜め上向きであり、かつその量はＪａ≪Ｊｂの関係から｜Ｆａ｜＜｜Ｆｂ｜である。
【００３７】
そして、第１磁化部材２１の全体に作用する力は、電磁力Ｆａと電磁力Ｆｂとの合力としてあらわされる。これらの合力の内、半径方向の成分は、中心軸Ｚに対して反対側の成分と打ち消され外力としては現れてこない。
一方、第１磁化部材２１にかかる合力の垂直方向の成分Ｆｇは、電磁力Ｆａの垂直成分と電磁力Ｆｂの垂直成分との差分である。この合力の垂直方向の成分Ｆｇは、第１磁化部材２１及びメインコイル３１の形状や高さ方向の位置関係によって決まるが、典型的には、図示されるように撮像領域Ｒ側を向く小負荷か、もしくは逆転方向の荷重となる。
【００３８】
次に、図４（ｂ）に示す比較例において、同様の検討を行うと、反対面２１ｂ´側の渦電流Ｊａ´により発生する電磁力Ｆａ´と、対向面２１ｄ´側の渦電流Ｊｂ´により発生する電磁力Ｆｂ´との合力の垂直成分Ｆｇ´は、Ｊａ´＝Ｊｂ´の関係及び磁束密度の大小関係から｜Ｆａ´｜＞｜Ｆｂ´｜である。
従って、この合力の垂直方向の成分Ｆｇ´は、典型的には、図示されるように撮像領域Ｒ側を向く大負荷になる。
【００３９】
通常、メインコイル３１に流れる永久電流Ｊｃが定常状態である場合は、磁化部材２１´に作用している力はそもそも撮像領域Ｒ側に向いている。
そして、メインコイル３１に流れる永久電流Ｊｃが減衰すると、比較例においては渦電流Ｆａ´，Ｆｂ´の発生により電磁力Ｆｇ´がさらに重畳して磁化部材２１´に作用し、支持部材２３（図２）に過負荷がかかる。
一方、実施例においては、第１磁化部材２１に発生する渦電流Ｊａ，Ｊｂは、対向面２１ｄ側よりも反対面２１ｂ側の電流密度が相対的に低いため、重畳する電磁力Ｆｇは小負荷か逆転方向であるため、支持部材２３（図２）に過負荷がかからない。
【００４０】
図５（ａ）は、超電導磁石装置１１の第１実施形態におけるＸ（Ｙ）−Ｚ断面の座標上の第１象限部分を示す図であって、第２磁化部材２２の実施例を示す模式図である。
図５（ｂ）は、磁化部材２２´にスリット２２ｆが設けられていない場合の比較例を示す模式図である。
図５において、第２磁化部材２２に設けられるスリット２２ｆの有無による作用・効果の相違点は、第１磁化部材２１（図４参照）におけるスリット２１ｆの有無の場合と同じであるので、図４を参照した説明文中、対応する構成の記載を置き換えて、図５の説明として援用し、記載を省略する。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態に適用される磁化部材２６の形状について説明を行う。
図６（ａ）は、磁化部材２６の斜視図であり、図６（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ方向の直交断面図である。
磁化部材２６は、中心軸Ｚに対して回転対称形を有し、前記したように側周面２６ａの一部が鍔状に延出した鍔部位２６ｅを有している。この鍔部位２６ｅは、図示されない撮像領域側を向く対向面２６ｄよりも反対面２６ｂの外周が拡張されるように構成される。
【００４２】
そして、スリット２６ｆの複数が溝状にこの鍔部位２６ｅに設けられている。この複数のスリット２６ｆは、中心軸Ｚに対して回転対称性を有するよう均等に配置されることが、撮像領域Ｒ（図１参照）における磁場の均一性の観点から好ましい。
【００４３】
スリット２６ｆは、図６（ｂ）に示すような断面視において、その深さが鍔部位２６ｅの厚み方向の全範囲におよぶことが好ましい。しかし、磁化部材２６に発生する渦電流が鍔部位２６ｅにおいて周回しない効果が得られれば、スリット２６ｆの形状に特に制限はない。
またスリット２６ｆは、その幅が０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲に形成されていることが好ましい。
【００４４】
また第２実施形態に適用される磁化部材２６は、単独で配置される場合もあるし、図３（ａ）に示されるような第２磁化部材２２と併用される場合もあるし、また図示されるような平板である場合以外に、中空の環状であったり、そのような環状の内側に、さらに複数の環状の磁化部材が同軸状に多段に配置されたりする場合もある。
【００４５】
次に図７を参照して、磁化部材２６の作用について説明を行う。
図７は、超電導磁石装置１１（図２参照）の第２実施形態におけるＸ（Ｙ）−Ｚ断面の座標上の第１象限部分を示す図であって、磁化部材２６の実施例を示す模式図である。
以下、図４（ｂ）に示す比較例と対比して説明を続ける。
【００４６】
永久電流Ｊｃが急激に減衰する現象（例えば、クエンチ現象）が発生したとする。すると、この永久電流Ｊｃの減衰に伴う磁場Ｂｂの減少を補うように、電気伝導体でもある磁化部材２６には、図示するように渦電流Ｊａ，Ｊｂがメインコイル３１と同じ周回方向に発生する。
【００４７】
ここで、図７に示す実施例では、鍔部位２６ｅに渦電流は、スリット２６ｆによって遮断されるので流れないといえる。そのかわり、スリット２６ｆが設けられていない磁化部材２６の部分においては、反対面２６ｂ側も対向面２６ｄ側も渦電流の電流密度に差異がないといえる（Ｊａ＝Ｊｂ）。
【００４８】
ここで、図７に示す実施例における反対面２６ｂ側の渦電流Ｊａにより発生する電磁力Ｆａと、図４（ｂ）に示す比較例における反対面２１ｂ´側の渦電流Ｊａ´により発生する電磁力Ｆａ´とを対比する。すると、図７の実施例の電磁力Ｆａの垂直成分のほうが、図４（ｂ）の比較例の電磁力Ｆａ´の垂直成分よりも小さいといえる。
このため、実施例の電磁力Ｆａ，Ｆｂの合力の垂直成分Ｆｇは、比較例の電磁力Ｆａ´，Ｆｂ´の合力の垂直成分Ｆｇ´よりも小さいといえる。
このように、第２実施形態の実施例においては、永久電流Ｊｃが減衰することにより磁化部材２６に重畳される電磁力Ｆｇが小さいので、支持部材２３（図２）に過負荷を与えない。
【００４９】
以上の説明において、核磁気共鳴イメージング装置を構成する超電導磁石装置は、被検体が前記撮像領域に挿入される方向に対して、垂直方向に静磁場が向くよう位置していることを前提として説明を行った。しかし、これに限定されることなく、核磁気共鳴イメージング装置において、被検体が撮像領域に挿入される方向に対し、静磁場が平行方向を向くように超電導磁石装置が位置する構成も取り得る。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の核磁気共鳴イメージング装置の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明の超電導磁石装置の第１実施形態を示す部分断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の超電導磁石装置の第１実施形態に適用される第１磁化部材及び第２磁化部材の斜視図であり、（ｂ）はＸ−Ｙ直交断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の超電導磁石装置の第１実施形態に適用される第１磁化部材の実施例を説明する図であり、（ｂ）は比較例を説明する図である。
【図５】（ａ）は本発明の超電導磁石装置の第１実施形態に適用される第２磁化部材の実施例を説明する図であり、（ｂ）は比較例を説明する図である。
【図６】（ａ）は本発明の超電導磁石装置の第２実施形態に適用される磁化部材の斜視図であり、（ｂ）はＸ−Ｙ直交断面図である。
【図７】本発明の超電導磁石装置の第２実施形態に適用される磁化部材の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ ＭＲＩ装置（核磁気共鳴イメージング装置）
１１ 超電導磁石装置
２１，２６ 第１磁化部材（磁化部材）
２１ａ，２２ａ，２６ａ 側周面
２１ｂ，２２ｂ，２６ｂ 反対面
２１ｄ，２６ｄ 対向面
２１ｅ，２６ｅ 鍔部位
２１ｆ，２２ｆ，２６ｆ スリット
２２ 第２磁化部材（磁化部材）
２３，２４ 支持部材
３１ メインコイル（超電導コイル）
３５ 冷媒容器
３７ 真空容器
Ｌ 冷媒
Ｐ 被検体
Ｒ 撮像領域
Ｚ 中心軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導コイルに永久電流を循環させて静磁場を発生させる超電導磁石装置に関し、さらにこの超電導磁石装置を静磁場の発生源として適用する核磁気共鳴イメージング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
核磁気共鳴イメージング装置（Magnetic Resonance Imaging；以下、ＭＲＩ装置という）とは、核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance；以下、ＮＭＲという）現象により水素原子核のスピンの状態が変化する際に放出する電磁波を計測し、その信号を演算処理することによって、被検体の断層を水素原子核の密度分布に依存する画像として撮像するものである。
このＭＲＩ装置による計測を実行する際は、静磁場の発生源である超電導磁石装置が、磁場強度が高く（０．２Ｔ以上）、磁場密度の均一性の高い静磁場（１０ｐｐｍ程度）を撮像領域に形成する必要がある。
【０００３】
このような、高強度でかつ均一性の高い静磁場の発生源として用いられる超電導磁石装置は、永久電流を循環させて静磁場を誘導する一対の対向する超電導コイル、この誘導された静磁場を増幅したり均一性を改善したりする一対の対向する磁化部材、及び超電導コイルを冷却する冷媒を保持する冷媒容器を、構成要素として少なくとも含むものである。さらに、これら構成要素は、ＭＲＩ装置の外部からの熱を断熱する真空容器の内部に、保持されている（特許文献１，２参照）。
そして、ＭＲＩ装置は、断層像を鮮明にしたり診断に必要な情報量を増やしたりすることを目的として、撮像領域に形成される静磁場の強度をさらに向上させることが求められている。
【特許文献１】特開平９−１５３４０８号公報（第３頁から第５頁、図１）
【特許文献２】特表２００３−５１３４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＭＲＩ装置の静磁場の強度をさらに向上させるとなると、前記した構成要素の大型化を招来し、これら構成要素を相互に支持する支持部材の剛性を向上させる必要が必然的に生じる。
しかし、そのような支持部材の剛性を向上させることは、同時にＭＲＩ装置の外部の常温部から内部の冷却部へ熱侵入が容易になり、冷媒（液体ヘリウム）の液化維持に要する冷凍機の容量と負荷（運転電力など）が大きくなる。その結果、ＭＲＩ装置の運転の維持に掛かる費用も増大することになる。
このため、支持部材の剛性は、ＭＲＩ装置の定常の静磁場を発生するに伴う負荷に対し必要十分な耐力を有するのみとして、余裕分を極力省き低剛性にて構成したいところである。
【０００５】
ところが、ＭＲＩ装置において、静磁場を立上げる最中や、超電導状態の破壊が伝播する現象（所謂、クエンチ）に見舞われた場合は、超電導コイルに時間的変動を伴う電流が流れることになる。すると、磁化部材の周回方向に渦電流が誘導され、さらにこの渦電流と磁場との相互作用によるローレンツ力が発生する。そして、このローレンツ力が新たに加わり強化された電磁力が支持部材に作用することがある。
このように支持部材は、ＭＲＩ装置が定常の静磁場を発生しているときよりも大きな過負荷が作用する場合があり、それに耐えるだけの剛性を余分に備える必要がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決することを課題とし、超電導コイル中の電流が時間的に変動しても、支持部材に作用する過負荷を軽減させる構成を実現する。これにより、支持部材の剛性を小さく構成することが許容され、外部の常温部から内部の冷却部へ熱侵入が抑制される超電導磁石及び核磁気共鳴イメージング装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために本発明は、対向して配置する一対の超電導コイルと、その中心軸と同軸状に配置された一対の対向する磁化部材と、を備える超電導磁石装置において、一対の前記磁化部材には、反対面から側周面に亘る開口を有するスリットが設けられていることを特徴とする。
このように発明が構成されることにより、超電導コイル中の電流が時間的に変動しても、磁化部材の周回方向に流れる渦電流は、前記スリットが設けられている部分において遮断される。つまり、磁化部材を断面視した場合、スリットは反対面側に開口を有しているので、この反対面側のほうが対向面側よりも渦電流の電流密度が相対的に低くなる。これにより、この渦電流と静磁場との相互作用により発生した電磁力のうち、一対の磁化部材が互いに引き合う成分は、減少する。
さらに、スリットが対向面側にも開口するように構成されていれば、磁化部材の周回方向に流れる渦電流の電流密度を全体的にさらに低下させることができるので、電磁力のうち前記引き合う成分をさらに減少させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、例えばクエンチ時のように超電導コイル中の電流が時間的に変動しても、各構成要素を支持する支持部材に作用する過負荷を軽減させることができる。これにより、支持部材の剛性を小さく構成することが許容され、外部の常温部から内部の冷却部へ熱侵入が抑制される超電導磁石及び核磁気共鳴イメージング装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態に係る核磁気共鳴イメージング装置（ＭＲＩ装置）を説明する。
図１に全体の側面図が示されているように、ＭＲＩ装置１０は、垂直方向を向く中心軸Ｚが回転対称軸となるように第１静磁場発生部３０及び第２静磁場発生部４０を対向させて支柱１２に固定してなる超電導磁石装置１１（図２参照）に、撮像領域Ｒを挟むようにして配置される傾斜磁場発生部１３，１３と、被検体Ｐを載置して撮像領域Ｒに位置させるベッド台Ｄと、を備えている。
この超電導磁石装置１１（図２参照）は、撮像領域Ｒに、磁場強度が高く磁場密度の均一性の高い静磁場を中心軸Ｚと同じ方向に形成するものである。
【００１０】
さらに、ＭＲＩ装置１０は、図示されない構成要素として、撮像領域Ｒに向けてＮＭＲ現象を発現せる共鳴周波数の電磁波を照射するＲＦ（Radio Frequency）コイルと、撮像領域Ｒからの応答信号を受信する受信コイルと、これら構成要素を制御する制御装置、受信した信号を処理して解析を行う解析装置とを備えている。
このように構成されることによりＭＲＩ装置１０は、撮像領域Ｒの関心領域（通常１ｍｍ厚のスライス面）だけにＮＭＲ現象を発現させて、水素原子核スピンから放出される電磁波に基づいて被検体Ｐの断層を画像化するものである。
【００１１】
傾斜磁場発生部１３,１３は、第１静磁場発生部３０及び第２静磁場発生部４０が対向する面にそれぞれ設けられた一対の窪みＵ，Ｕ（図２参照）に配置されている。そして、傾斜磁場発生部１３,１３は、撮像領域Ｒにおいて、超電導磁石装置１１により形成された静磁場に勾配磁場を印加し、ＮＭＲ現象の位置情報を与えるものである。
【００１２】
第１静磁場発生部３０は、図２に示されるように、メインコイル３１と、シールドコイル３２と、コイルボビン３３と、冷媒容器３５と、輻射板３６と、真空容器３７と、第１磁化部材２１と、第２磁化部材２２と、支持部材２３，２４とを少なくとも構成要素として備えるものである。
第２静磁場発生部４０は、第１静磁場発生部３０に対して中心軸Ｚを共有しかつ撮像領域Ｒを挟んで鏡面対称となるようにその内部が構成されている。
【００１３】
支柱１２は、一対の第１静磁場発生部３０と第２静磁場発生部４０とを天地方向に対向させて支持するものである。そして、図２の断面部に示されるように支柱１２の内部は、冷媒容器３５が、第１静磁場発生部３０と第２静磁場発生部４０とを連通するように構成されている。また真空容器３７も同様に、支柱１２の内部において、第１静磁場発生部３０と第２静磁場発生部４０とを連通している。
【００１４】
メインコイル３１は、永久電流が所定の方向（順方向）に循環して撮像領域Ｒに計測用の静磁場を生成させる超電導コイルであって、中心軸Ｚを中心として配置されるコイルボビン３３の周りに超電導線材が巻回して形成される。
ここで、超電導コイルとは、冷媒容器３５に充填されている冷媒Ｌ（例えば、液体ヘリウム）により臨界温度より低温に冷却されると常電導状態から超電導状態に転移して電気抵抗がゼロとなるものであって、環状の電流が減衰することなく永久に循環するものである。
【００１５】
シールドコイル３２は、メインコイル３１と中心軸Ｚを共有するようにかつ直径が大きくなるようにコイルボビン３３に巻回されている。そして、シールドコイル３２には、メインコイル３１に流れる順方向とは逆方向に環状の永久電流が流れている。
さらにシールドコイル３２は、撮像領域Ｒからの距離がメインコイル３１よりも遠い位置に配置され、超電導磁石装置１１の外部に漏洩する計測用の磁場を打ち消すように作用するものである。
【００１６】
真空容器３７は、真空状態に保たれている内部において図示しない部材を介して冷媒容器３５を保持するものであって、伝導および対流による冷媒容器３５への熱侵入を防止するものである。
冷媒容器３５は、メインコイル３１及びシールドコイル３２を超電導現象が発現する臨界温度以下の温度に保つ冷媒Ｌ（液体ヘリウム）を収容するものである。
輻射板３６は、真空容器３７と冷媒容器３５との間に設けられ、真空容器３７から冷媒容器３５に向かう熱輻射を遮蔽するものである。
【００１７】
このように、冷媒容器３５、輻射板３６、真空容器３７が層構造に配置されて断熱効果を発揮することにより、大気に晒され常温を示す超電導磁石装置１１の外表面から冷媒Ｌに浸漬して極低温に維持される超電導コイル３１，３２に至るまでの温度勾配が定常的に維持されることになる。
【００１８】
第１磁化部材２１及び第２磁化部材２２（以下、磁化部材２１，２２と記す場合がある）は、中心軸Ｚを共有して同軸状に、冷媒容器３５の外部でかつ真空容器３７の内部に、固定されている。典型的には、図示するように磁化部材２１，２２は冷媒容器３５の内半径側に配置される。
この磁化部材２１，２２は、例えば純鉄等の強磁性体から構成され、メインコイル３１に永久電流が環状に流れて閉ループ状に形成する磁気回路中に、撮像領域Ｒを挟むように対に配置される。このようにして磁化部材２１，２２は、磁気回路の磁気抵抗を引き下げて、撮像領域Ｒに多数の磁力線を誘導し静磁場の強度を増加させるものである。
【００１９】
図３に示されるように、第１磁化部材２１には、その側周面２１ａから鍔状に延出し反対面２１ｂの外周をさらに拡張させる鍔部位２１ｅが設けられている。このような鍔部位２１ｅが設けられていることにより、図４に示されるように、第１磁化部材２１を貫く磁場Ｂｂの曲率が大きくなり、磁気回路のループを小さくする。これにより、撮像領域Ｒにおける静磁場の高強度化と外部への漏洩磁場の削減を図ることができる。
【００２０】
図２に戻って説明を続ける。
この磁化部材２１，２２は、図示するように第１磁化部材２１と、この第１磁化部材２１から分離して環状に構成される第２磁化部材２２とから構成されることにより、撮像領域Ｒにおける磁場の均一性の改善並びに撮像領域Ｒを拡張する効果が得られる。
なおこのような効果をさらに向上させることを目的として、この第１磁化部材２１は、図示するように平板である場合以外に、中空の環状であったり、そのような環状の内側に、さらに複数の環状の磁化部材が同軸状に多段に配置されたりする場合もある。
なおこの磁化部材２１，２２については、後段で図３から図５を参照してその形状、作用につき説明を行う。
【００２１】
支持部材２３は、複数の棒状体が中心軸Ｚの軸廻りに間隔をおいて、かつ中心軸Ｚの軸方向にその長手方向を揃えて配置してなるものである。そして支持部材２３は、その一端が第１磁化部材２１に固定され、その他端が真空容器３７の内周面に固定されている。
この支持部材２３は、高剛性でかつ熱伝達率の小さな材料で構成されることが好ましく、具体的には繊維強化プラスチック（ＦＲＰ；Fiber Reinforced Plastics）で構成される。なおこの支持部材２３の他端の固定位置は特に限定されるものではなく、例えば冷媒容器３５に固定される場合もある。
このように支持部材２３が構成されることにより、超電導磁石装置１１の外表面の常温部から第１磁化部材２１へ向かう熱侵入を妨害することができる。
なお、第２磁化部材２２を冷媒容器３５の外部でかつ真空容器３７の内部で支持する支持部材２４も支持部材２３に同じであるので説明を省略する。
【００２２】
ところで、これら支持部材２３，２４は、温度の極端に異なる部材同士（図２では磁化部材２１，２２と真空容器３７）を支持・固定するものであるので、熱伝達を阻害するために熱抵抗を大きく構成する必要がある。このように、熱抵抗の大きな部材にするには、熱伝達率の低い材料から構成するとともに、熱流入路の断面を小さく全長を長く構成する必要がある。しかし、このように支持部材２３，２４を構成するとなると、一般にその機械的な剛性が低下し、〔発明が解決しようとする課題〕の欄で述べた機械的な過負荷がかかると磁化部材２１，２２の位置精度に狂いが生じることが懸念される。この磁化部材２１，２２の位置精度は、磁場の均一性と密接な関係を有しているため、この均一性が狂えば再調整の必要が生じ、装置の調整作業の効率低下を招くこととなる。
【００２３】
しかし、本発明においては、支持部材２３，２４が後記するような特徴的な構造を有することにより、支持部材２３，２４にかかる過負荷を低く抑えることができる。よって、支持部材２３，２４は、剛性を低く構成しても、クエンチ等の不慮の事故に遭遇して悪影響がおよぶことは無い。また支持部材２３，２４の熱抵抗が大きくなることで超電導磁石装置１１の構成要素（ここでは磁化部材２１，２２）をより断熱的に保持しすることが可能になる。
【００２４】
さらに、支持部材２３，２４は、冷媒容器３５の外部に磁化部材２１，２２を配置するものである。このため、磁化部材２１，２２は極温度に保持される訳でなく、常温あるいは、常温から冷媒Ｌの温度に至る中間温度に、温度変動なく保持されることになる。
磁化部材２１，２２は、熱容量が大きく、かつ構成材料である鉄は温度変化に対する磁化変化が大きい性質を有する為、常温に近い温度で温度変動なく保持されることは、ＭＲＩ装置１０にとってさまざまな点で好都合である（例えば、静磁場の強度変動を抑制することができる点、冷媒Ｌの消費が抑制される点、冷媒Ｌの気化を抑制する冷却装置を小規模化できる点等）。
【００２５】
次に、図３を参照して、磁化部材２１，２２の形状について説明する。
図３（ａ）は、第１磁化部材２１及び第２磁化部材２２の斜視図であり、説明上、両者の位置を中心軸Ｚに沿って所定量だけ変位させたものである。図３（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ方向の直交断面図である。
第１磁化部材２１は、中心軸Ｚに対して回転対称形を有し、前記したように側周面２１ａの一部が鍔状に延出した鍔部位２１ｅを有している。この鍔部位２１ｅは、図示されない撮像領域側を向く対向面２１ｄよろも反対面２１ｂの外周が拡張されるように構成される。
【００２６】
そして、スリット２１ｆが、磁化部材２１の反対面２１ｂから側周面２１ａに亘って開口するように設けられている。また、図中、スリット２１ｆは、直線的に中心軸Ｚに交差するとともに、その始端と終端が共に側周面２１ａに達し側周面２１ａに開口するように設けられている。
この複数のスリット２１ｆは、中心軸Ｚに対して回転対称性を有するよう均等に配置されることが、撮像領域Ｒ（図１参照）における磁場の均一性の観点から好ましい。
【００２７】
しかし、スリット２１ｆは、側周面２１ａに始端が開口していれば、その終端は反対面２１ｂ内の任意位置でかまわない。またスリット２１ｆの溝状の方向は、その延長線が中心軸Ｚに交わる方向に完全一致している必要はなく、略一致していればよい。またスリット２１ｆの溝状は、直線的・平面的である必要はなく、後記するように、第１磁化部材２１の周回方向に発生する渦電流Ｊａ（図４（ａ）参照）の進行を遮断するものであれば曲線的・曲面的な形状であってもよい。さらに、第１実施形態において第１磁化部材２１は、鍔部位２１ｅを必須の構成要素として含むものでなく、中心軸Ｚに対して回転対称形を有していれば好ましく適用することができ、例えば単純な円筒形状である場合も含まれる。
【００２８】
スリット２１ｆは、図３（ｂ）に示すような断面視において、その深さが第１磁化部材２１の厚み方向三分の一から三分の二の範囲に含まれることが好ましい。
スリット２１ｆの深さが厚み方向三分の一よりも小さい場合は、後記するような、第１磁化部材２１の周回方向に発生する渦電流Ｊａ，Ｊｂ（図４（ａ）参照）の電流密度を対向面２１ｄ側に偏重させる効果が得られない。
またスリット２１ｆの深さが厚み方向三分の二よりも大きい場合は、第１磁化部材２１の剛性が低下し、図２に示されるように、吊り下げられた状態で弾性変形することが懸念される。しかし、このような変形が生じない処置が施されているのであれば、スリット２１ｆの深さの上限の規定は不要であって、対向面２１ｄ側に貫通していてもよい。
むしろ、スリット２１ｆの深さが大きいことは、周回方向に発生する渦電流を効果的に遮断させる観点からすれば、渦電流の遮断面の面積が広くなる点で好適である。
【００２９】
またスリット２１ｆは、その幅が０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲に形成されていることが好ましい。
スリット２１ｆ幅の下限が０．５ｍｍであることは、それよりも狭く形成することがコスト対効果の観点から適切でないことによる。
またスリット２１ｆ幅が１０ｍｍよりも大きい場合は、撮像領域Ｒ（図２参照）における磁場の均一性に影響を与えてしまう観点から好ましくないことによる。
【００３０】
図３に戻って説明を続ける。
第２磁化部材２２は、中心軸Ｚに対して回転対称形を有し、第２磁化部材２２の外周よりも半径方向に大きく環状に構成されている。
この第２磁化部材２２に設けられているスリット２２ｆは、その始端が、第２磁化部材２２の側周面２２ａの一の開口をなし、直線的に中心軸Ｚに交差する方向に延びて、その終端が内周面２２ｃに開口をなすように設けられている。しかし、スリット２２ｆは、内周面２２ｃ側に貫通していなくても反対面２２ｂから側周面２２ａに亘る開口が設けられていればよい。
なお、第２磁化部材２２に設けられるスリット２２ｆが具備すべき好ましい要件、変形可能な範囲等は、第１磁化部材２１に設けられるスリット２１ｆと同じであるので、その説明の該当部分を引用することとして、記載を省略する。
【００３１】
次に図４、図５を参照して、磁化部材２１，２２の作用について説明を行う。
図４（ａ）は、超電導磁石装置１１の第１実施形態におけるＸ（Ｙ）−Ｚ断面の座標上の第１象限部分を示す図であって、第１磁化部材２１の実施例を示す模式図である。
図４（ｂ）は、磁化部材２１´にスリット２１ｆが設けられていない場合の比較例を示す模式図である。
【００３２】
ここで、メインコイル３１には、断面視において図の表面から裏面に向く方向に永久電流Ｊｃが環状に流れていることとする。そして、この環状の永久電流Ｊｃに誘導されて、磁場Ｂｂが図示するように第１磁化部材２１，２１´を貫いていることとする。
【００３３】
次に、永久電流Ｊｃが急激に減衰する現象（例えば、クエンチ現象）が発生したとする。すると、この永久電流Ｊｃの減衰に伴う磁場Ｂｂの減少を補うように、電気伝導体でもある第１磁化部材２１には、図示するように渦電流Ｊａ，Ｊｂ，Ｊａ´，Ｊｂ´がメインコイル３１と同じ周回方向に発生する。
【００３４】
ここで、図４（ａ）に示す実施例では、反対面２１ｂ側に発生する渦電流Ｊａは、スリット２１ｆによって遮断されるのでその値は極めて小さく、Ｊａ≪Ｊｂの関係が成り立つといえる。つまり、第１磁化部材２１において、反対面２１ｂ側の渦電流Ｊａほうが対向面２１ｄ側の渦電流Ｊｂよりも電流密度が相対的に低くなるといえる。
一方、図４（ｂ）に示す実施例では、反対面２１ｂ側に発生する渦電流Ｊａ´は、流れを阻害するものが無いので、ほぼ、Ｊａ´＝Ｊｂ´の関係が成り立つといえる。つまり、比較例の磁化部材２１´において、反対面２１ｂ´側の渦電流Ｊａと´、対向面２１ｄ´側の渦電流Ｊｂ´とでは電流密度に差異がないといえる。
【００３５】
ところで、任意の点における渦電流Ｊａ，Ｊｂの接線方向のベクトルをＪとし、磁場Ｂｂの接線方向のベクトルをＢとすれば、この任意点において発生する電磁力ＦはＪとＢとの外積、Ｆ＝Ｊ×Ｂで表されることが知られている。
【００３６】
ここで、図４（ａ）に示す実施例において、反対面２１ｂ側の渦電流Ｊａにより発生する電磁力Ｆａは、図示するように、メインコイル３１に向かう方向斜め下向きである。一方、対向面２１ｄ側の渦電流Ｊｂにより発生する電磁力Ｆｂは、図示するように、メインコイル３１に向かう方向斜め上向きであり、かつその量はＪａ≪Ｊｂの関係から｜Ｆａ｜＜｜Ｆｂ｜である。
【００３７】
そして、第１磁化部材２１の全体に作用する力は、電磁力Ｆａと電磁力Ｆｂとの合力としてあらわされる。これらの合力の内、半径方向の成分は、中心軸Ｚに対して反対側の成分と打ち消され外力としては現れてこない。
一方、第１磁化部材２１にかかる合力の垂直方向の成分Ｆｇは、電磁力Ｆａの垂直成分と電磁力Ｆｂの垂直成分との差分である。この合力の垂直方向の成分Ｆｇは、第１磁化部材２１及びメインコイル３１の形状や高さ方向の位置関係によって決まるが、典型的には、図示されるように撮像領域Ｒ側を向く小負荷か、もしくは逆転方向の荷重となる。
【００３８】
次に、図４（ｂ）に示す比較例において、同様の検討を行うと、反対面２１ｂ´側の渦電流Ｊａ´により発生する電磁力Ｆａ´と、対向面２１ｄ´側の渦電流Ｊｂ´により発生する電磁力Ｆｂ´との合力の垂直成分Ｆｇ´は、Ｊａ´＝Ｊｂ´の関係及び磁束密度の大小関係から｜Ｆａ´｜＞｜Ｆｂ´｜である。
従って、この合力の垂直方向の成分Ｆｇ´は、典型的には、図示されるように撮像領域Ｒ側を向く大負荷になる。
【００３９】
通常、メインコイル３１に流れる永久電流Ｊｃが定常状態である場合は、磁化部材２１´に作用している力はそもそも撮像領域Ｒ側に向いている。
そして、メインコイル３１に流れる永久電流Ｊｃが減衰すると、比較例においては渦電流Ｆａ´，Ｆｂ´の発生により電磁力Ｆｇ´がさらに重畳して磁化部材２１´に作用し、支持部材２３（図２）に過負荷がかかる。
一方、実施例においては、第１磁化部材２１に発生する渦電流Ｊａ，Ｊｂは、対向面２１ｄ側よりも反対面２１ｂ側の電流密度が相対的に低いため、重畳する電磁力Ｆｇは小負荷か逆転方向であるため、支持部材２３（図２）に過負荷がかからない。
【００４０】
図５（ａ）は、超電導磁石装置１１の第１実施形態におけるＸ（Ｙ）−Ｚ断面の座標上の第１象限部分を示す図であって、第２磁化部材２２の実施例を示す模式図である。
図５（ｂ）は、磁化部材２２´にスリット２２ｆが設けられていない場合の比較例を示す模式図である。
図５において、第２磁化部材２２に設けられるスリット２２ｆの有無による作用・効果の相違点は、第１磁化部材２１（図４参照）におけるスリット２１ｆの有無の場合と同じであるので、図４を参照した説明文中、対応する構成の記載を置き換えて、図５の説明として援用し、記載を省略する。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態に適用される磁化部材２６の形状について説明を行う。
図６（ａ）は、磁化部材２６の斜視図であり、図６（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｙ方向の直交断面図である。
磁化部材２６は、中心軸Ｚに対して回転対称形を有し、前記したように側周面２６ａの一部が鍔状に延出した鍔部位２６ｅを有している。この鍔部位２６ｅは、図示されない撮像領域側を向く対向面２６ｄよりも反対面２６ｂの外周が拡張されるように構成される。
【００４２】
そして、スリット２６ｆの複数が溝状にこの鍔部位２６ｅに設けられている。この複数のスリット２６ｆは、中心軸Ｚに対して回転対称性を有するよう均等に配置されることが、撮像領域Ｒ（図１参照）における磁場の均一性の観点から好ましい。
【００４３】
スリット２６ｆは、図６（ｂ）に示すような断面視において、その深さが鍔部位２６ｅの厚み方向の全範囲におよぶことが好ましい。しかし、磁化部材２６に発生する渦電流が鍔部位２６ｅにおいて周回しない効果が得られれば、スリット２６ｆの形状に特に制限はない。
またスリット２６ｆは、その幅が０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲に形成されていることが好ましい。
【００４４】
また第２実施形態に適用される磁化部材２６は、単独で配置される場合もあるし、図３（ａ）に示されるような第２磁化部材２２と併用される場合もあるし、また図示されるような平板である場合以外に、中空の環状であったり、そのような環状の内側に、さらに複数の環状の磁化部材が同軸状に多段に配置されたりする場合もある。
【００４５】
次に図７を参照して、磁化部材２６の作用について説明を行う。
図７は、超電導磁石装置１１（図２参照）の第２実施形態におけるＸ（Ｙ）−Ｚ断面の座標上の第１象限部分を示す図であって、磁化部材２６の実施例を示す模式図である。
以下、図４（ｂ）に示す比較例と対比して説明を続ける。
【００４６】
永久電流Ｊｃが急激に減衰する現象（例えば、クエンチ現象）が発生したとする。すると、この永久電流Ｊｃの減衰に伴う磁場Ｂｂの減少を補うように、電気伝導体でもある磁化部材２６には、図示するように渦電流Ｊａ，Ｊｂがメインコイル３１と同じ周回方向に発生する。
【００４７】
ここで、図７に示す実施例では、鍔部位２６ｅに渦電流は、スリット２６ｆによって遮断されるので流れないといえる。そのかわり、スリット２６ｆが設けられていない磁化部材２６の部分においては、反対面２６ｂ側も対向面２６ｄ側も渦電流の電流密度に差異がないといえる（Ｊａ＝Ｊｂ）。
【００４８】
ここで、図７に示す実施例における反対面２６ｂ側の渦電流Ｊａにより発生する電磁力Ｆａと、図４（ｂ）に示す比較例における反対面２１ｂ´側の渦電流Ｊａ´により発生する電磁力Ｆａ´とを対比する。すると、図７の実施例の電磁力Ｆａの垂直成分のほうが、図４（ｂ）の比較例の電磁力Ｆａ´の垂直成分よりも小さいといえる。
このため、実施例の電磁力Ｆａ，Ｆｂの合力の垂直成分Ｆｇは、比較例の電磁力Ｆａ´，Ｆｂ´の合力の垂直成分Ｆｇ´よりも小さいといえる。
このように、第２実施形態の実施例においては、永久電流Ｊｃが減衰することにより磁化部材２６に重畳される電磁力Ｆｇが小さいので、支持部材２３（図２）に過負荷を与えない。
【００４９】
以上の説明において、核磁気共鳴イメージング装置を構成する超電導磁石装置は、被検体が前記撮像領域に挿入される方向に対して、垂直方向に静磁場が向くよう位置していることを前提として説明を行った。しかし、これに限定されることなく、核磁気共鳴イメージング装置において、被検体が撮像領域に挿入される方向に対し、静磁場が平行方向を向くように超電導磁石装置が位置する構成も取り得る。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の核磁気共鳴イメージング装置の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明の超電導磁石装置の第１実施形態を示す部分断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の超電導磁石装置の第１実施形態に適用される第１磁化部材及び第２磁化部材の斜視図であり、（ｂ）はＸ−Ｙ直交断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の超電導磁石装置の第１実施形態に適用される第１磁化部材の実施例を説明する図であり、（ｂ）は比較例を説明する図である。
【図５】（ａ）は本発明の超電導磁石装置の第１実施形態に適用される第２磁化部材の実施例を説明する図であり、（ｂ）は比較例を説明する図である。
【図６】（ａ）は本発明の超電導磁石装置の第２実施形態に適用される磁化部材の斜視図であり、（ｂ）はＸ−Ｙ直交断面図である。
【図７】本発明の超電導磁石装置の第２実施形態に適用される磁化部材の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ ＭＲＩ装置（核磁気共鳴イメージング装置）
１１ 超電導磁石装置
２１，２６ 第１磁化部材（磁化部材）
２１ａ，２２ａ，２６ａ 側周面
２１ｂ，２２ｂ，２６ｂ 反対面
２１ｄ，２６ｄ 対向面
２１ｅ，２６ｅ 鍔部位
２１ｆ，２２ｆ，２６ｆ スリット
２２ 第２磁化部材（磁化部材）
２３，２４ 支持部材
３１ メインコイル（超電導コイル）
３５ 冷媒容器
３７ 真空容器
Ｌ 冷媒
Ｐ 被検体
Ｒ 撮像領域
Ｚ 中心軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久電流を循環させて静磁場を誘導する一対の対向する超電導コイルと、
前記超電導コイルの中心軸と同軸に配置され前記永久電流により誘導される静磁場により磁化する一対の対向する磁化部材と、を備え、
一対の前記磁化部材には、互いに対向する側とは反対側の反対面から側周面に亘る開口を有するスリットが設けられていることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
前記磁化部材の側周面から鍔状に延出し前記反対面の外周をさらに拡張させる鍔部位が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
【請求項３】
スリットは、その始端と終端が共に前記側周面に開口するように設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導磁石装置。
【請求項４】
前記スリットは、前記鍔部位にのみ設けられていることを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
【請求項５】
前記スリットは、
深さが前記磁化部材の厚み方向三分の一から三分の二の範囲に含まれ、
幅が０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲に含まれることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項６】
前記磁化部材は、第１磁化部材と、この第１磁化部材から分離して環状に構成される第２磁化部材と、を含んで構成され、
前記第１磁化部材及び第２磁化部材のうち少なくもとも一方に前記スリットが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項７】
前記超電導コイル及びこの超電導コイルを冷却する冷媒を内部に保持する冷媒容器と、
前記冷媒容器を断熱して内部に保持する真空容器と、
前記冷媒容器の外部でかつ前記真空容器の内部で前記磁化部材を支持する支持部材と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導磁石装置を静磁場の発生源として適用し、磁気共鳴現象を利用した被検体の画像を撮像する核磁気共鳴イメージング装置。
【請求項９】
前記被検体が前記撮像領域に挿入される方向に対して、前記静磁場が垂直方向を向くように前記超電導磁石装置が位置されていることを特徴とする請求項８に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１０】
前記被検体が前記撮像領域に挿入される方向に対して、前記静磁場が平行方向を向くように前記超電導磁石装置が位置されていることを特徴とする請求項８に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１】
永久電流を循環させて静磁場を誘導する一対の対向する超電導コイルと、
前記超電導コイルの中心軸と同軸に配置され前記永久電流により誘導される静磁場により磁化する一対の対向する磁化部材と、を備え、
一対の前記磁化部材には、互いに対向する側とは反対側の反対面から側周面に亘る開口を有するスリットが設けられていることを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
前記磁化部材の側周面から鍔状に延出し前記反対面の外周をさらに拡張させる鍔部位が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超電導磁石装置。
【請求項３】
スリットは、その始端と終端が共に前記側周面に開口するように設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超電導磁石装置。
【請求項４】
前記スリットは、前記鍔部位にのみ設けられていることを特徴とする請求項２に記載の超電導磁石装置。
【請求項５】
前記スリットは、
深さが前記磁化部材の厚み方向三分の一から三分の二の範囲に含まれ、
幅が０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲に含まれることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項６】
前記磁化部材は、第１磁化部材と、この第１磁化部材から分離して環状に構成される第２磁化部材と、を含んで構成され、
前記第１磁化部材及び第２磁化部材のうち少なくもとも一方に前記スリットが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項７】
前記超電導コイル及びこの超電導コイルを冷却する冷媒を内部に保持する冷媒容器と、
前記冷媒容器を断熱して内部に保持する真空容器と、
前記冷媒容器の外部でかつ前記真空容器の内部で前記磁化部材を支持する支持部材と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超電導磁石装置を静磁場の発生源として適用し、磁気共鳴現象を利用した被検体の画像を撮像する核磁気共鳴イメージング装置。
【請求項９】
前記被検体が前記撮像領域に挿入される方向に対して、前記静磁場が垂直方向を向くように前記超電導磁石装置が位置されていることを特徴とする請求項８に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
【請求項１０】
前記被検体が前記撮像領域に挿入される方向に対して、前記静磁場が平行方向を向くように前記超電導磁石装置が位置されていることを特徴とする請求項８に記載の核磁気共鳴イメージング装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−１２５８４１（Ｐ２００８−１２５８４１Ａ）
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１４６９８（Ｐ２００６−３１４６９８）
【出願日】平成１８年１１月２１日（２００６．１１．２１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２１日（２００６．１１．２１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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