特許 6590573 超電導マグネット装置の運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6590573

(24)【登録日】2019年9月27日

(45)【発行日】2019年10月16日

(54)【発明の名称】超電導マグネット装置の運転方法

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/00 20060101AFI20191007BHJP

   A61B 5/055 20060101ALI20191007BHJP

   G01N 24/00 20060101ALI20191007BHJP

【ＦＩ】

   H01F6/00 160

   A61B5/055 332

   G01N24/00 600C

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-149236(P2015-149236)

(22)【出願日】2015年7月29日

(65)【公開番号】特開2017-33977(P2017-33977A)

(43)【公開日】2017年2月9日

【審査請求日】2018年4月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】加藤 武志

(72)【発明者】

【氏名】林 和彦

(72)【発明者】

【氏名】福山 秀直

【審査官】 久保田 昌晴

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００６／０９５６１４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０６−２７５４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１５７７４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０４−３５０９０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０６４４１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５２７０２９１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１４３７３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 吉川 正基，米村 直樹，谷内田 貴行，白井 康之，横山 彰一，高温超電導コイルの伝導冷却下励磁実験，平成27年電気学会全国大会講演論文集（第５分冊），２０１５年 ３月，P.139-140

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｆ ６／００−６／０６

Ａ６１Ｂ ５／０５５

Ｇ０１Ｎ ２４／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超電導マグネット装置の運転方法であって、
前記超電導マグネット装置は、
巻回された酸化物超電導線材を有する超電導コイルと、
前記超電導コイルに電流を供給する電源と、
前記超電導コイルの通電電流を制御する制御装置とを含み、
前記運転方法は、
超電導状態に冷却された前記超電導コイルに通電することにより、前記超電導コイルを励磁する工程と、
前記超電導コイルを励磁する工程の後に、前記超電導コイルに前記超電導マグネット装置の運転電流を保持する工程とを備え、
前記超電導コイルを励磁する工程は、前記通電電流を運転電流値まで増加させるとともに、第１の目標温度になるように前記超電導コイルを加熱する工程を含み、
前記運転電流を保持する工程は、前記第１の目標温度よりも低い第２の目標温度になるように前記超電導コイルを冷却する工程を含み、
前記超電導コイルを加熱する工程では、前記超電導コイルの軸方向の端部が前記第１の目標温度になるまで加熱する、超電導マグネット装置の運転方法。

【請求項2】

前記運転電流を保持する工程は、前記超電導コイルを冷却する工程の前に、前記運転電流値を中心として前記通電電流を振動させる工程を含む、請求項１に記載の超電導マグネット装置の運転方法。

【請求項3】

前記通電電流を振動させる工程では、前記超電導コイルが、前記第１の目標温度よりも高い第３の目標温度に達した後に、前記通電電流の振動振幅を減衰させる、請求項２に記載の超電導マグネット装置の運転方法。

【請求項4】

前記超電導コイルを加熱する工程では、前記通電電流を増加させることに起因する交流損失により前記超電導コイルを加熱する、請求項３に記載の超電導マグネット装置の運転方法。

【請求項5】

前記超電導コイルを加熱する工程は、加熱装置を用いて前記超電導コイルを加熱する工程を含む、請求項１に記載の超電導マグネット装置の運転方法。

【請求項6】

前記加熱装置は、前記超電導コイルの軸方向の端部に設けられる、請求項５に記載の超電導マグネット装置の運転方法。

【請求項7】

前記超電導コイルを加熱する工程では、さらに、前記通電電流を増加させることに起因する交流損失により前記超電導コイルを加熱する、請求項５または請求項６に記載の超電導マグネット装置の運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、巻回された酸化物超電導線材を有する超電導コイルを備えた超電導マグネット装置の運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、金属シース中に超電導体が埋め込まれたものや、基板上に超電導膜を形成した超電導線材の開発が進められている。中でも、転移温度が液体窒素温度以上の高温超電導体である酸化物超電導体からなる超電導層が設けられた酸化物超電導線材が注目されている。

【0003】

磁場共鳴診断装置（ＭＲＩ：Magnetic Resonance Imaging）や核磁気共鳴分析装置（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance）など、高強度を有する磁場が必要とされる超電導マグネット装置においても、酸化物超電導線材を巻回して形成された超電導コイルを用いて磁場を生成する技術が提案されている（例えば、非特許文献１および２参照）。

【0004】

上記の超電導マグネット装置においては、高い診断精度を実現するために、時間的に安定し、かつ、空間的に高い均一性を有する磁場を生成することが求められる。しかしながら、酸化物超電導線材からなる超電導コイルには、平坦な超電導層に誘導される遮蔽電流がコイル内部に発生させる付加的な磁場（以下、「遮蔽電流磁場」とも称する）の影響により、磁場分布に歪みが生じる、あるいは、磁場が時間的に変動するといった技術課題が存在する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】柳澤吉紀、前田秀明著、「ＲＥＢＣＯコイルにおける遮蔽電流磁場のメカニズムと抑制方法」、特集：ＲＥ系高温超電導線材のコイル化基盤技術、低温工学、４８巻４号、２０１３年

【非特許文献2】Kazuhiro Kajikawa and Kazuo Funaki, "A simple method to eliminate shielding currents for magnetization perpendicular to superconducting tapes wound into coils", 2011 Supercond. Sci. Technol. 24 125005

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記非特許文献１には、遮蔽電流磁場の影響を低減させる手法として、中心磁場の時間的なドリフトを抑える方法である電流掃引逆転法、および、遮蔽電流磁場を消失させるデマグネタイゼーション法（減磁法）が記載されている。

【0007】

また、非特許文献２には、超電導線材に生じる遮蔽電流による磁化方向に対して垂直方向の交流磁場を印加する方法が記載されている。

【0008】

しかしながら、テープ形状の酸化物超電導線材を巻回して形成された超電導コイルの場合、超電導層に誘導される遮蔽電流の大きさが大きくなるため、遮蔽電流磁場の影響も大きなものとなる。したがって、上述した方法を施しても、遮蔽電流が減衰してコイルの中心磁場が安定するまでに時間がかかるという課題が残る。

【0009】

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、巻回された酸化物超電導線材を有する超電導コイルを備えた超電導マグネット装置において、短時間で遮蔽電流磁場の影響を低減することが可能な運転方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の一態様に係る超電導マグネット装置の運転方法であって、超電導マグネット装置は、巻回された酸化物超電導線材を有する超電導コイルと、超電導コイルに電流を供給する電源と、超電導コイルの通電電流を制御する制御装置とを含む。運転方法は、超電導状態に冷却された超電導コイルに通電することにより、超電導コイルを励磁する工程と、超電導コイルを励磁する工程の後に、超電導コイルに超電導マグネット装置の運転電流を保持する工程とを備える。超電導コイルを励磁する工程は、通電電流を運転電流値まで増加させるとともに、超電導コイルの許容温度よりも低い第１の目標温度になるように超電導コイルを加熱する工程を含む。運転電流を保持する工程は、第１の目標温度よりも低い第２の目標温度になるように超電導コイルを冷却する工程を含む。

【発明の効果】

【0011】

上記によれば、巻回された酸化物超電導線材を有する超電導コイルを備えた超電導マグネット装置において、短時間で遮蔽電流磁場の影響を低減することが可能な運転方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施の形態に係る超電導マグネット装置の構成を概略的に示す断面図である。

【図2】図１に示した超電導コイル体の構成例を概略的に示す図である。

【図3】酸化物超電導線材に誘導される遮蔽電流および遮蔽電流磁場を模式的に示す図である。

【図4】本実施の形態に係る超電導マグネット装置の運転方法を説明するフローチャートである。

【図5】超電導コイルの通電電流の時間変化を示す図である。

【図6】比較例による超電導マグネット装置の運転方法を示す図である。

【図7】第１の実施例による超電導マグネット装置の運転方法を示す図である。

【図8】第２の実施例による超電導マグネット装置の運転方法を示す図である。

【図9】第３の実施例による超電導マグネット装置の運転方法を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

【0014】

（１）本発明の一態様に係る超電導マグネット装置（図１および図２参照）は、巻回された酸化物超電導線材を有する超電導コイル（１０〜１８）と、超電導コイルに電流を供給する電源（１３２）と、超電導コイルの通電電流を制御する制御装置（１４０）とを含む。本発明の一態様に係る超電導マグネット装置の運転方法は、超電導状態に冷却された超電導コイルに通電することにより、超電導コイルを励磁する工程（図３の工程（Ｓ１０））と、超電導コイルを励磁する工程の後に、超電導コイルに超電導マグネット装置の運転電流を保持する工程（図３の工程（Ｓ２０））とを備える。上記超電導コイルを励磁する工程は、通電電流を運転電流値まで増加させるとともに、超電導コイルの許容温度よりも低い第１の目標温度になるように超電導コイルを加熱する工程（図３の工程（Ｓ１２））を含む。上記運転電流を保持する工程は、第１の目標温度よりも低い第２の目標温度になるように超電導コイルを冷却する工程（図３の工程（Ｓ２２））を含む。

【0015】

このようにすれば、超電導コイルの励磁中に超電導コイルを加熱することで、酸化物超電導線材を昇温して超電導層に誘導される遮蔽電流を低減できる。そして、超電導コイルを励磁した後に超電導コイルに運転電流（一定電流）を流す過程において、超電導コイルを冷却することで、酸化物超電導線材の電気抵抗値を低減し、遮蔽電流の時間変化を減少させることができる。これにより、超電導コイルを励磁した後に短時間で遮蔽電流が低い電流値で安定するため、遮蔽電流磁場も強度が減少した状態で安定する。すなわち、コイルの中心磁場の強度の減少が抑えられるとともに中心磁場の時間的なドリフトが抑制されるため、短時間で遮蔽電流磁場の影響を低減することができる。

【0016】

また、超電導マグネット装置は、超電導コイルに供給する通電電流によって発生磁場の大きさを調整可能に構成されるため、発生磁場の大きさに応じて、遮蔽電流磁場の大きさも異なってくる。本発明の一態様に係る運転方法によれば、超電導コイルの温度を制御することで遮蔽電流磁場の影響を低減するように構成されるため、発生磁場の大きさが異なっていても、同等の均一性を有する磁場を生成することが可能となる。

【0017】

（２）好ましくは、上記超電導コイルを加熱する工程（工程（Ｓ１２））では、超電導コイルの軸方向の端部が第１の目標温度になるまで加熱する。

【0018】

このようにすれば、超電導コイルの軸方向の中心部に比べて相対的に大きい遮蔽電流が誘導される端部を第１の目標温度になるまで加熱することで、遮蔽電流を効果的に低減することができる。

【0019】

（３）好ましくは、上記運転電流を保持する工程（工程（Ｓ２０））は、超電導コイルを冷却する工程（工程（Ｓ２２））の前に、運転電流値を中心として通電電流を振動させる工程を含む。

【0020】

このようにすれば、通電電流を振動させることで磁場の変化による交流損失（ヒステリシス損失）が増加するため、ヒータ等の加熱装置を用いずに超電導コイルを加熱することができる。

【0021】

（４）好ましくは、上記通電電流を振動させる工程では、超電導コイルが、超電導コイルの許容温度よりも低くかつ第１の目標温度よりも高い第３の目標温度に達した後に、通電電流の振動振幅を減衰させる。

【0022】

このようにすれば、超電導コイルの加熱に加えて、遮蔽電流磁場のヒステリシス効果を利用することにより、遮蔽電流磁場の強度をさらに減少させることができる。

【0023】

（５）好ましくは、上記超電導コイルを加熱する工程（工程（Ｓ１２））では、通電電流を増加させることに起因する交流損失により超電導コイルを加熱する。

【0024】

このようにすれば、超電導コイルの励磁過程における通流電流の変化速度を上げることができるため、励磁時間を短くすることができる。この結果、超電導コイルの励磁を開始してから短時間で遮蔽電流磁場の影響を低減することができる。また、ヒータ等の加熱装置を用いずに超電導コイルを加熱することができる。

【0025】

（６）好ましくは、通電電流の変化速度は、超電導コイルに発生する交流損失に伴う単位時間当たりの発熱量が、超電導コイルの許容発熱量を超えないことを条件として設定される。

【0026】

このようにすれば、超電導コイルの発熱が超電導コイルの磁気的特性に影響を及ぼすことを防ぐことができる。

【0027】

（７）好ましくは、上記超電導コイルを加熱する工程（工程（Ｓ１２））は、加熱装置（ヒータ１０ａ，１０ｂ，１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０ｂ）を用いて超電導コイルを加熱する工程を含む。

【0028】

このようにすれば、超電導コイルの励磁中に酸化物超電導線材に誘導される遮蔽電流を低減できる。なお、冷却装置の冷却ヘッドに加熱装置を取付けて超電導コイルを加熱してもよい。

【0029】

（８）好ましくは、上記加熱装置は、超電導コイルの軸方向の端部に設けられる。
このようにすれば、超電導コイルの軸方向の中心部に比べて相対的に大きい遮蔽電流が誘導される端部を重点的に加熱することで、遮蔽電流を効果的に低減することができる。

【0030】

（９）好ましくは、上記超電導コイルを加熱する工程（工程（Ｓ１２））では、さらに、通電電流を増加させることに起因する交流損失により超電導コイルを加熱する。

【0031】

このようにすれば、超電導コイルの励磁過程における通流電流の変化速度を上げることができるため、励磁時間を短くすることができる。この結果、超電導コイルの励磁を開始してから短時間で遮蔽電流磁場の影響を低減することができる。

【0032】

[本発明の実施形態の詳細]
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明については繰り返さない。

【0033】

（超電導マグネット装置の構成）
図１は、実施の形態に係る超電導マグネット装置の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態に超電導マグネット装置は、たとえばＭＲＩ装置に適用され得る。図１を参照して、実施の形態に係る超電導マグネット装置１００は、超電導コイル体９１と、断熱容器１１１と、冷却装置１２１と、ホース１２２と、コンプレッサ１２３と、ケーブル１３１と、電源１３２と、制御装置１４０とを備える。

【0034】

断熱容器１１１は、中空円筒状の形状を有しており、その内部に超電導コイル体９１を収容する。断熱容器１１１の内部は、真空状態に維持されている。真空状態とは、大気圧よりも断熱を維持できる程度の減圧状態であることを意味する。

【0035】

超電導コイル体９１は、テープ状の形状を有する酸化物超電導線材を巻回して形成された超電導コイルを含む。酸化物超電導線材は、たとえば、その延在方向に延びるビスマス（Ｂｉ）系超電導体と、この超電導体を被覆するシースとを有する。シースは、たとえば銀や銀合金により形成されている。酸化物超電導線材は、テープ状面に垂直な磁場が印加されるほど交流損失が増大するような特性を有する。超電導コイルの詳細な構成については後述する。

【0036】

超電導コイル体９１は、超電導コイルと冷却装置１２１とを伝熱可能に繋ぐ伝熱板をさらに含む。超電導コイルは、冷却装置１２１によって冷却される。冷却装置１２１は、超電導コイルに熱的に接続された冷却ヘッド１２０を有する。冷却装置１２１は、たとえばギフォード・マクマホン式冷凍機、パルス管冷凍機またはスターリング式冷凍機である。冷却装置１２１は、ホース１２２を介して、コンプレッサ１２３につながっている。冷却装置１２１は、超電導コイルを構成する酸化物超電導材料の臨界温度以下の極低温を冷却ヘッド１２０に発生させる。冷却ヘッド１２０で得られた極低温は、伝熱板を介して超電導コイルに伝熱される。なお、超電導コイルを冷却する冷却部としては、冷却装置１２１を用いずに、断熱容器１１１内に収容された液体ヘリウムまたは液体窒素などの冷媒に超電導部を浸漬させる構成としてもよい。

【0037】

ケーブル１３１は、超電導コイル体９１と電源１３２との間に配設される。電源１３２からケーブル１３１を経由して超電導コイルに通電電流が与えられることにより、超電導コイルは磁場（磁束）を発生する。断熱容器１１１の円筒中心部の空間には、図中の点線で示す範囲内に、ＭＲＩ装置の撮像領域ＦＯＶ（Field of View）が形成されている。撮像領域ＦＯＶは、断熱容器１１１に外側に位置し、室温かつ大気圧に保持可能であるため、被検者は、自身の被検査領域を撮像領域ＦＯＶの中に収めることができる。

【0038】

制御装置１４０は、超電導コイルの通電電流を制御する。一例として、制御装置１４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶部とを含むマイクロコンピュータを主体として構成される。

【0039】

制御装置１４０は、超電導コイルの通電電流の制御に加えて、超電導コイルの温度（以下、コイル温度とも称する）を制御する。具体的には、制御装置１４０は、冷却装置１２１の運転を制御するとともに、ヒータ（図２参照）の起動および停止を制御可能に構成される。

【0040】

図２は、図１に示した超電導コイル体９１の構成例を概略的に示す図である。図２を参照して、超電導コイル体９１は、複数の超電導コイルと、傾斜磁場コイル２１と、シム２２，２４と、複数のヒータとを含む。

【0041】

図２の構成例では、複数の超電導コイルは、６個の超電導コイル１０，１２，１４，１６，１８，２０により構成されている。６個の超電導コイル１０，１２，１４，１６，１８，２０は、コイル中心軸を共通にして、互いに間隔を隔てて配置される。コイル中心軸は、赤道面８に垂直となるＺ軸に一致するように設定されている。

【0042】

超電導コイル１４，１６は、赤道面８を対称面として対向配置されている。超電導コイル１２，１８は、赤道面８を対称面として対向配置されている。超電導コイル１０，２０は、赤道面８を対称面として対向配置されている。６個の超電導コイル１０，１２，１４，１６，１８，２０にそれぞれ一定電流を流すことにより、撮像領域ＦＯＶにＺ軸方向の磁場を発生させることができる。

【0043】

超電導コイル１０，１２，１４，１６，１８，２０の内部には、コイル中心軸をＺ軸に一致させて傾斜磁場コイル２１が配置されている。傾斜磁場コイル２１は、撮像領域ＦＯＶ内の位置情報を得る目的で、撮像領域ＦＯＶの均一磁場に重畳する形で、磁場を空間的に変化させた傾斜磁場を生成する。

【0044】

シム２２，２４は、傾斜磁場コイル２１と超電導コイル１０，１２，１４，１７，１８，２０との間に設けられる。シム２２は、傾斜磁場コイル２１の外周側の側壁に沿うように配置される。シム２４は、断熱容器１１１の内周側の側壁に沿うように配置される。シム２２，２４は、撮像領域ＦＯＶの均一磁場の均一度をさらに向上させるための磁場調整用鉄材である。撮像領域ＦＯＶに発生している磁場の測定結果に基づいてシムを取り付ける位置およびシムの厚さを調整することにより、撮像領域ＦＯＶの均一度を調整することができる。

【0045】

超電導マグネット装置１００が稼働すると、撮像領域ＦＯＶには、白矢印方向の静磁場Ｂｃが発生する。超電導マグネット装置１００がＭＲＩ装置である場合には、静磁場Ｂｃは、３Ｔ程度の高強度であって、５ｐｐｍ程度の高い均一度を有し、かつ、時間的に安定していることが求められる。

【0046】

しかしながら、酸化物超電導線材の平坦な超電導層に誘導される遮蔽電流がコイル内部に発生させる付加的な磁場（遮蔽電流磁場）の影響により、磁場分布に歪みが生じる、磁場が時間的に変動する、といった技術課題が存在する。

【0047】

詳細には、超電導コイルに内部に発生する静磁場Ｂｃは、コイルの軸方向成分と径方向成分とに分けられる。図３に示されるように、磁場の径方向成分（図中のベクトルＢｃ１に相当）が、酸化物超電導線材３０の超電導層に垂直方向に加わると、この径方向成分Ｂｃ１をはじくようにして、超電導層内に遮蔽電流Ｉｓが誘導される。

【0048】

遮蔽電流Ｉｓは、コイル内部に遮蔽電流磁場（図中のベクトルＢｓ１）を発生させる。図２に示されるように、遮蔽電流磁場Ｂｓは、コイルの中心磁場Ｂｃと反対向きに発生する。そのため、超電導コイルの励磁過程において発生する遮蔽電流磁場Ｂｓにより、コイルの中心磁場Ｂｃの値が設計値と比べて、遮蔽電流磁場Ｂｓの分だけ小さくなる。すなわち、遮蔽電流磁場Ｂｓがコイルの中心磁場Ｂｃの強度を減少させるため、コイル中心近傍の磁場Ｂｃの空間的な分布が不均一になる。

【0049】

また、超電導層内に誘導された遮蔽電流Ｉｓは永久電流として流れ続けるが、磁束クリープ現象などによって長い時間をかけて少しずつ緩和する。これにより、コイル中心部では、遮蔽電流磁場Ｂｓが時間とともに減少する。この結果、中心磁場Ｂｃが時間とともに正の方向にドリフトすることになる。

【0050】

上述のように、遮蔽電流磁場Ｂｓは、酸化物超電導線材のテープ形状が原因で起こる物理現象であり、様々な低減方法が提案されているが、有効な手法が無いのが現状である。そこで、本実施の形態に係る超電導マグネット装置の運転方法では、超電導コイルの励磁過程および励磁後における超電導コイルの温度を制御することにより、遮蔽電流磁場Ｂｓの影響を低減する。

【0051】

（超電導マグネット装置の運転方法）
以下、本実施の形態に係る超電導マグネット装置１００の運転方法について説明する。

【0052】

図４は、本実施の形態に係る超電導マグネット装置の運転方法を説明するフローチャートである。なお、図４に示すフローチャートは、制御装置１４０において予め格納したプログラムを実行することで実現できる。

【0053】

図４を参照して、超電導マグネット装置の運転方法は、超電導コイルを励磁する工程（Ｓ１０）と、超電導コイルの運転電流を保持する工程（Ｓ２０）とを備える。

【0054】

最初に、超電導コイルを励磁する工程（Ｓ１０）が実施される。具体的には、超電導状態に冷却された超電導コイルに通電することにより、超電導コイルを励磁する。図５に、超電導コイルの通電電流Ｉの時間変化を示す。図５に示されるように、電源１３２（図１）から超電導コイルに供給する通電電流Ｉを、０から超電導マグネット装置１００の運転電流値Ｉｏｐまで増加させる。本明細書では、通電電流Ｉが０の時点（時刻ｔ＝０）から通電電流Ｉが運転電流値Ｉｏｐに到達する時点（時刻ｔ１）までの時間を、励磁時間とも称する。

【0055】

超電導コイルの励磁中、酸化物超電導線材の超電導層には遮蔽電流Ｉｓが誘導される。遮蔽電流Ｉｓは、コイルの中心磁場Ｂｃと反対向きに遮蔽電流磁場Ｂｓを発生させる。

【0056】

通電電流Ｉが運転電流値Ｉｏｐに達すると（時刻ｔ１）、続いて、図５に示されるように、超電導コイルの運転電流Ｉｏｐを保持する工程（Ｓ２０）が実施される。

【0057】

時刻ｔ１以降、磁束クリープ現象などによって、遮蔽電流Ｉｓは時間とともに減衰する。超電導コイルのインダクタンスをＬとし、電気抵抗値をＲとすると、遮蔽電流Ｉｓは、Ｌ／Ｒで表わされる時定数に基づいて減衰する。

【0058】

超電導コイルを励磁する工程（Ｓ１０）は、超電導コイルを加熱する工程（Ｓ１２）を含む。超電導コイルを加熱する工程（Ｓ１２）では、超電導コイルの許容温度よりも低い第１の目標温度Ｔ１＊になるように超電導コイルを加熱する。これにより、超電導層に誘導される遮蔽電流Ｉｓの大きさを低減する。

【0059】

詳細には、超電導コイルに流れる遮蔽電流Ｉｓの大きさは、臨界電流Ｉｃに依存する。臨界電流Ｉｃは、酸化物超電導線材の温度が高いほど（臨界温度に近づくほど）小さくなるという温度依存性を有している。したがって、遮蔽電流Ｉｓも酸化物超電導線材の温度が高くなるほど小さくなる。そこで、超電導コイルを加熱する工程（Ｓ１２）では、このような遮蔽電流Ｉｓの温度依存性を利用して超電導コイルを励磁する際に超電導コイルを加熱することにより、遮蔽電流Ｉｓの大きさを低減する。遮蔽電流Ｉｓの大きさを低減することにより、コイル内部に発生する遮蔽電流磁場Ｂｓ１（図３参照）の大きさを低減することができる。

【0060】

なお、超電導コイルを加熱する工程（Ｓ１２）では、超電導コイルの軸方向の端部が第１の目標温度Ｔ１＊になるまで加熱することが好ましい。超電導コイルにおいて、遮蔽電流Ｉｓの大きさは、超電導コイルの軸方向の中央部から端部にいくほど大きくなる。本実施の形態においては、６個の超電導コイル１０，１２，１４，１６，１８，２０（図２参照）の各々において、軸方向の中央部に比べて端部の方が遮蔽電流Ｉｓが大きくなる。これは、超電導コイルの軸方向の端部は、軸方向の中央部に比べて垂直磁場の強度が大きくなるため、この垂直磁場をはじくために、より大きな遮蔽電流Ｉｓが誘導されることによる。したがって、超電導コイルの軸方向の端部を第１の目標温度Ｔ１＊になるまで加熱することで、遮蔽電流Ｉｓを効果的に低減することができる。

【0061】

超電導コイルの運転電流Ｉｏｐを保持する工程（Ｓ２０）は、超電導コイルを冷却する工程（Ｓ２２）を含む。超電導コイルを冷却する工程（Ｓ２２）では、第１の目標温度Ｔ１＊よりも低い第２の目標温度Ｔ２＊になるように超電導コイルを冷却する。

【0062】

酸化物超電導線材は、臨界温度以下では電気抵抗が限りなく０に近い状態になるが、この状態においても、温度が低いほど（臨界温度から離れるほど）電気抵抗値が小さくなるという温度依存性を有している。超電導コイルを冷却する工程（Ｓ２２）では、加熱によって遮蔽電流Ｉｓが低減された状態となっている酸化物超電導線材を冷却することで、酸化物超電導線材の電気抵抗値を低下させる。酸化物超電導線材の電気抵抗値が小さくなると、超電導コイルでは、インダクタンスＬと電気抵抗値Ｒとの比で決まる時定数（Ｌ／Ｒ）が大きくなる。これにより、遮蔽電流Ｉｓはその大きさが低減された状態からの時間変化が減少するため、遮蔽電流Ｉｓが時間的に安定する。

【0063】

このように、本実施の形態に係る超電導マグネット装置の運転方法では、超電導コイルの励磁中に超電導コイルを加熱することで、酸化物超電導線材を昇温して超電導層に誘導される遮蔽電流Ｉｓを低減する。そして、超電導コイルを励磁した後に超電導コイルに運転電流（一定電流）を流す過程において、超電導コイルを冷却することで、酸化物超電導線材の電気抵抗値を低減し、遮蔽電流Ｉｓの時間変化を減少させる。これにより、超電導コイルを励磁した後に短時間で遮蔽電流Ｉｓが低い電流値で安定するため、遮蔽電流磁場Ｂｓも強度が減少した状態で安定する。すなわち、コイルの中心磁場Ｂｃの強度の減少が抑えられるとともに中心磁場Ｂｃの時間的なドリフトが抑制されるため、短時間で遮蔽電流磁場の影響を低減することができる。

【0064】

以下では、本実施の形態に係る超電導マグネット装置の運転方法を実施例および比較例により詳細に説明する。ただし本実施の形態は、これらに限定されるものではない。

【0065】

＜比較例＞
図６は、比較例による超電導マグネット装置の運転方法を示す図である。図６には、超電導コイルの励磁を開始した時点をｔ＝０として、超電導コイルの通電電流、超電導コイルの温度（コイル温度）、撮像領域ＦＯＶにおける磁場変動の時間変化が示されている。さらに図６には、ヒータの作動（オン）／停止（オフ）の時間変化が示されている。

【0066】

以下の説明では、比較例および実施例ともに、超電導マグネット装置の運転電流値Ｉｏｐを２００Ａとする場合を想定する。また、比較例および実施例ともに、コイル温度は、超電導コイルの軸方向（図１のＺ軸方向）の端部における温度を示している。酸化物超電導線材は、テープ状面に垂直な磁場が印加されるほど交流損失が増大するような特性を有している。そのため、超電導コイルでは、軸方向の端部に位置するコイルは、軸方向の中央部に位置するコイルに比べて垂直磁場の強度が大きくなるため、交流損失が大きく、発熱が多くなりやすい。そこで、コイル温度として軸方向の端部の温度を管理することで、超電導コイルの端部が常伝導化してクエンチが生じることを防止している。

【0067】

比較例による運転方法は、超電導コイルを励磁する工程と、超電導コイルを励磁する工程の後に、超電導コイルの運転電流Ｉｏｐを保持する工程とを備える。ただし、比較例では、超電導コイルを励磁する工程は、超電導コイルを加熱する工程を含まない。よって、ヒータはオフに固定されている。

【0068】

図６に示されるように、比較例では、超電導コイルの励磁時間を４時間とする。すなわち、制御装置１４０は、超電導コイルの通電電流を０Ａから４時間かけて運転電流値（Ｉｏｐ）である２００Ａまで増加させる。

【0069】

通電電流を時間とともに増加させることにより、超電導コイルが発生する磁場が変化する。磁場の時間変化により、交流損失、特にヒステリシス損失による発熱が増加するため、コイル温度が時間とともに上昇する。その結果、コイル温度は励磁時間が経過した時点（時刻ｔ＝４Ｈ）で最も高くなり、１４Ｋを示している。

【0070】

通電電流が運転電流値Ｉｏｐに達した後、制御装置１４０は、通電電流を運転電流値Ｉｏｐに保つことによって、磁場を一定値に固定させる。磁場の変化による発熱が抑えられるため、コイル温度は時間とともに低下する。制御装置１４０は、コイル温度を１０Ｋに保つように冷却装置１２１を制御する。

【0071】

撮像領域ＦＯＶにおける磁場変動の大きさは、励磁時間が経過した時点（時刻ｔ＝４Ｈ）において、２０ｐｐｍを超えている。図示しないが、この時点での磁場変動の大きさは３０ｐｐｍに及んでいる。この時点以降、磁束クリープ現象によって遮蔽電流Ｉｓは時間とともに減少する。遮蔽電流Ｉｓの減少に伴い遮蔽電流磁場Ｂｓも減少するため、磁場変動の大きさも時間とともに小さくなる。

【0072】

比較例では、励磁を開始した時点（時刻ｔ＝０）から９時間経過した時点において、言い換えれば、励磁を終了した時点（時刻ｔ＝４Ｈ）から５時間経過した時点において、磁場変動の大きさが０．５ｐｐｍに到達している。このように、比較例では、超電導コイルの励磁を開始してから撮像領域ＦＯＶにおける磁場変動が０．５ｐｐｍ程度に安定するまでに、９時間程度の時間を要する。したがって、超電導コイルの励磁を開始してから、撮像領域ＦＯＶに、時間的かつ空間的に精密な静磁場が生成されて被検体の断層画像を撮像可能な状態となるまでに９時間程度を要することになる。

【0073】

＜第１の実施例＞
図７は、第１の実施例による超電導マグネット装置の運転方法を示す図である。図７には、超電導コイルの励磁を開始した時点をｔ＝０として、超電導コイルの通電電流、コイル温度、撮像領域ＦＯＶにおける磁場変動、およびヒータのオン／オフの時間変化が示されている。

【0074】

第１の実施例による運転方法は、超電導コイルを励磁する工程（図３のＳ１０）と、超電導コイルを励磁する工程の後に、超電導コイルの運転電流Ｉｏｐを保持する工程（図３のＳ２０）とを備える。第１の実施例では、超電導コイルの励磁時間を、比較例と同様の４時間とする。すなわち、超電導コイルの通電電流を０Ａから４時間かけて運転電流値Ｉｏｐである２００Ａまで増加させる。

【0075】

第１の実施例ではさらに、励磁時間においてヒータをオンさせる。図２に示されるように、各超電導コイルの軸方向の端部にはヒータが設けられている。詳細には、超電導コイル１０の軸方向の両端部にはヒータ１０ａ，１０ｂがそれぞれ設けられる。超電導コイル１２の軸方向の両端部にはヒータ１２ａ，１２ｂがそれぞれ設けられる。超電導コイル１４の軸方向の両端部にはヒータ１４ａ，１４ｂがそれぞれ設けられる。超電導コイル１６の軸方向の両端部にはヒータ１６ａ，１６ｂがそれぞれ設けられる。超電導コイル１８の軸方向の両端部にはヒータ１８ａ，１８ｂがそれぞれ設けられる。超電導コイル２０の軸方向の両端部にはヒータ２０ａ，２０ｂがそれぞれ設けられる。これらのヒータを冷却ヘッド１２０に取り付けることで各超電導コイルを加熱することができる。このように遮蔽電流Ｉｓが相対的に大きくなる超電導コイルの軸方向の端部にヒータを設けることで、当該端部を重点的に加熱することができる。よって、遮蔽電流Ｉｓを効果的に低減することができる。

【0076】

このように、第１の実施例では、超電導コイルを加熱する工程（図３のＳ１２）として、ヒータを用いて超電導コイルを加熱する。したがって、励磁過程において、超電導コイルは、交流損失（主にヒステリシス損失）による発熱の増加に加えて、ヒータから与えられる熱を受けて昇温する。コイル温度は励磁時間が経過した時点（時刻ｔ＝４Ｈ）で最も高くなり、２３Ｋを示している。

【0077】

ここで、超電導コイルを加熱する工程（図３のＳ１２）における第１の目標温度Ｔ１＊は、超電導コイルの許容温度以下の温度に設定される。超電導コイルの許容温度とは、超電導コイルの磁気的特性が超電導コイルの発熱の影響を受けない温度である。第１の実施例では許容温度は２４Ｋに設定されており、第１の目標温度Ｔ１＊は、許容温度よりも１Ｋ低い２３Ｋに設定されている。励磁中の超電導コイルの発熱量が冷却装置１２１の冷却能力を超えた場合、コイル温度が許容温度を超えてしまう可能性がある。コイル温度を許容温度以下に抑えるために、励磁中における超電導コイルの発熱量がコントロールされている。

【0078】

第１の実施例において、撮像領域ＦＯＶにおける磁場変動の大きさは、励磁時間が経過した時点（時刻ｔ＝４Ｈ）において１５ｐｐｍであり、比較例における磁場変動の約１／２の大きさに抑えられている。これは、第１の実施例では、励磁時間が経過した時点におけるコイル温度が比較例よりも高いために、比較例に比べて超電導層に誘導される遮蔽電流Ｉｓが小さくなり、結果的に遮蔽電流磁場Ｂｓの強度が低減されたことを示している。

【0079】

第１の実施例では、超電導コイルを冷却する工程（図３のＳ２２）として、超電導コイルを励磁した後、ヒータをオフにし、コイル温度が第１の目標温度Ｔ１＊（２３Ｋ）よりも低い第２の目標温度Ｔ２＊になるように冷却装置１２１を用いて超電導コイルを冷却する。第２の目標温度Ｔ２＊はたとえば１０Ｋに設定される。

【0080】

これにより、励磁後、コイル温度が第１の目標温度Ｔ１＊（２３Ｋ）から時間とともに低下することに伴い、超電導コイルの電気抵抗値も時間とともに低下する。電気抵抗値の低下に起因して時定数が時間とともに大きくなるため、遮蔽電流Ｉｓの時間変化が小さくなる。

【0081】

上述のように、励磁時間が経過した時点における遮蔽電流磁場Ｂｓの強度が低減したこと、および、励磁後の遮蔽電流磁場Ｂｓの強度が減少した状態で安定化したことにより、励磁を開始した時点（時刻ｔ＝０）から７．２時間経過した時点、言い換えれば、励磁を終了した時点（時刻ｔ＝４Ｈ）から３．２時間経過した時点において、磁場変動の大きさが０．５ｐｐｍに到達している。第１の実施例によれば、比較例に比べて、超電導コイルの励磁を開始してから撮像領域ＦＯＶにおける磁場変動が０．５ｐｐｍ程度に安定するまでに要する時間が約２時間短くなっている。これにより、超電導コイルの励磁を開始してから、撮像領域ＦＯＶに時間的かつ空間的に均一度の高い磁場が生成されて被検体の断層画像を撮像可能な状態となるまでに要する時間を短くすることができる。

【0082】

＜第２の実施例＞
図８は、第２の実施例による超電導マグネット装置の運転方法を示す図である。図８には、超電導コイルの励磁を開始した時点をｔ＝０として、超電導コイルの通電電流、コイル温度、撮像領域ＦＯＶにおける磁場変動、およびヒータのオン／オフの時間変化が示されている。

【0083】

第２の実施例による運転方法は、第１の実施例による運転方法と同様に、超電導コイルを励磁する工程（図３のＳ１０）と、超電導コイルを励磁する工程の後に、超電導コイルの運転電流Ｉｏｐを保持する工程（図３のＳ２０）とを備える。ただし、第２の実施例では、超電導コイルの励磁時間を、第１の実施例よりも短い、０．５時間とする。すなわち、超電導コイルの通電電流を０Ａから０．５時間かけて運転電流値Ｉｏｐ（２００Ａ）まで増加させる。なお、通電電流の変化速度は、励磁時間中一定速度とする。

【0084】

第２の実施例では、第１の実施例と同様に、励磁時間において超電導コイルを加熱する。具体的には、超電導コイルを加熱する工程（図３のＳ１２）として、ヒータを用いて超電導コイルを加熱することに加えて、通電電流を増加させることに起因する交流損失（主にヒステリシス損失）により超電導コイルを加熱する。すなわち、ヒータによる加熱と超電導コイルに発生する交流損失との両方によって、第１の目標温度Ｔ１＊になるように超電導コイルを加熱する。なお、第１の目標温度Ｔ１＊は、第１の実施例と同じ温度（２３Ｋ）とする。

【0085】

詳細には、第２の実施例では、励磁中における通電電流の変化速度を第１の実施例よりも高速化する。これにより、超電導コイルが発生する磁場の時間変化が大きくなるため、第１の実施例に比べて、交流損失（ヒステリシス損失）による発熱が増加して単位時間当たりの発熱量が多くなる。その結果、より短い励磁時間で超電導コイルを第１の目標温度Ｔ１＊（２３Ｋ）になるまで加熱することができる。

【0086】

ただし、単位時間当たりの発熱量が冷却装置１２１の冷却能力を超えた場合、コイル温度が許容温度を超えてしまう可能性がある。そのため、ヒータによる加熱と交流損失とによる単位時間当たりの発熱量が超電導コイルの許容発熱量を超えないように、通電電流の変化速度が設定される。

【0087】

第２の実施例においても、第１の実施例と同様に、超電導コイルを励磁した後は、ヒータをオフにし、コイル温度が第１の目標温度Ｔ１＊（２３Ｋ）よりも低い第２の目標温度Ｔ２＊（１０Ｋ）になるように冷却装置１２１を用いて超電導コイルを冷却する。

【0088】

図８に示されるように、第２の実施例では、第１の実施例に比べて励磁時間が大幅に短縮されるため、励磁を開始した時点（時刻ｔ＝０）から４時間経過した時点（時刻ｔ＝４Ｈ）において、磁場変動の大きさが０．５ｐｐｍに到達している。その結果、第２の実施例では、第１の比較例に比べて、超電導コイルの励磁を開始してから撮像領域ＦＯＶにおける磁場変動が０．５ｐｐｍ程度に安定するまでに要する時間が約３時間短くなっている。これにより、第２の実施例によれば、超電導コイルの励磁を開始してから、撮像領域ＦＯＶに、時間的かつ空間的に高い均一度を有する磁場が生成されて被検体の断層画像を撮像可能な状態となるまでに要する時間をより一層短くすることができる。

【0089】

＜第３の実施例＞
図９は、第３の実施例による超電導マグネット装置の運転方法を示す図である。図９には、超電導コイルの励磁を開始した時点をｔ＝０として、超電導コイルの通電電流、コイル温度、撮像領域ＦＯＶにおける磁場変動、およびヒータのオン／オフの時間変化が示されている。

【0090】

第３の実施例による運転方法は、第１および第２の実施例による運転方法と同様に、超電導コイルを励磁する工程（図３のＳ１０）と、超電導コイルを励磁する工程の後に、超電導コイルの運転電流Ｉｏｐを保持する工程（図３のＳ２０）とを備える。ただし、第３の実施例では、超電導コイルの励磁時間を、第２の実施例よりもさらに短い、０．２５時間とする。すなわち、超電導コイルの通電電流を０Ａから０．２５時間かけて運転電流値Ｉｏｐ（２００Ａ）まで増加させる。なお、通電電流の変化速度は、励磁時間中一定速度とする。

【0091】

第３の実施例において、超電導コイルを励磁する工程（図３のＳ１０）では、第１および第２の実施例と同様に、励磁時間において超電導コイルを加熱する。ただし、第３の実施例では、第１および第２の実施例とは異なり、ヒータを用いず、通電電流を増加させることに起因する交流損失（主にヒステリシス損失）によって、第１の目標温度Ｔ１＊になるように超電導コイルを加熱する。第１の目標温度Ｔ１＊は、第１および第２の実施例よりも低い温度（たとえば２０Ｋ）とする。

【0092】

第３の実施例では、励磁中における通電電流の変化速度を第２の実施例よりもさらに高速化する。これにより、超電導コイルが発生する磁場の時間変化が大きくなるため、第２の実施例に比べて、交流損失（ヒステリシス損失）による発熱が増加して単位時間当たりの発熱量が多くなる。ただし、交流損失による単位時間当たりの発熱量が超電導コイルの許容発熱量を超えないように、通電電流の変化速度が設定される。

【0093】

また、第３の実施例では、超電導コイルの運転電流Ｉｏｐを保持する工程（図３のＳ２０）は、超電導コイルを冷却する工程（図３のＳ２２）の前に、運転電流値Ｉｏｐを中心として通電電流を振動させる工程を含む。具体的には、図９に示されるように、励磁時間が経過した時点（時刻ｔ＝０．２５Ｈ）から所定時間、通電電流を振動させる。所定時間はたとえば０．２５Ｈとする。通電電流をたとえば運転電流値Ｉｏｐ±５Ａ（±２．５％）の範囲内で振動させるものとする。

【0094】

通電電流を振動させることにより、磁場の変化による交流損失（ヒステリシス損失など）が増加する。その結果、コイル温度は第１の目標温度Ｔ１＊（２０Ｋ）からさらに上昇する。

【0095】

通電電流を振動させる工程では、超電導コイルが、超電導コイルの許容温度よりも低くかつ第１の目標温度Ｔ１＊（２０Ｋ）よりも高い第３の目標温度Ｔ３＊に達した後に、通電電流の振動振幅を減衰させる。第３の目標温度Ｔ３＊は、超電導コイルの許容温度（２４Ｋ）よりも１Ｋ低い２３Ｋに設定されている。

【0096】

通電電流の振動振幅を減衰させることにより、通電電流は、運転電流値Ｉｏｐに対してオーバーシュートとアンダーシュートとを繰り返しながら、運転電流値Ｉｏｐに近づいていく。この操作により、酸化物超電導線材内の遮蔽電流ループを徐々に小さくしていくことができ、最終的に遮蔽電流磁場Ｂｓがほぼ０の状態で運転電流値Ｉｏｐに到達することができる。このような遮蔽電流磁場Ｂｓを消失させる手法は、遮蔽電流磁場Ｂｓのヒステリシス効果を利用したものであり、デマグネタイゼーション法（減磁法）とも呼ばれる。

【0097】

第３の実施例では、上記デマグネタイゼーション法を行なうことにより、所定時間（０．２５Ｈ）が経過した時点（時刻ｔ＝０．５Ｈ）での磁場変動の大きさは、２ｐｐｍ程度にまで低減されている。

【0098】

通電電流を振動させる工程の後、超電導コイルを冷却する工程（図３のＳ２２）が実施される。具体的には、通電電流を運転電流値Ｉｏｐに固定するとともに、コイル温度が第１の目標温度Ｔ１＊（２３Ｋ）よりも低い第２の目標温度Ｔ２＊（１０Ｋ）になるように冷却装置１２１を用いて超電導コイルを冷却する。

【0099】

以上に示したように、第３の実施例では、超電導コイルを励磁する工程および通電電流を振動させる工程において、磁場の時間変化による交流損失（ヒステリシス損失）により超電導コイルを加熱する。これにより、超電導コイルを加熱するためのヒータの設置が不要となるため、超電導コイルを小型化することができる。

【0100】

また、通電電流を振動させる工程において通電電流を振動振幅を減衰させることにより、遮蔽電流磁場Ｂｓをさらに低減することができる。これにより、第３の実施例では、励磁を開始した時点（時刻ｔ＝０）から１時間経過した時点（時刻ｔ＝１Ｈ）において、磁場変動の大きさが０．５ｐｐｍに到達している。その結果、第３の実施例では、第１の比較例に比べて、超電導コイルの励磁を開始してから撮像領域ＦＯＶにおける磁場変動が０．５ｐｐｍ程度に安定するまでに要する時間が約６時間短くなっている。これにより、第３の実施例によれば、超電導コイルの励磁を開始してから、撮像領域ＦＯＶに、時間的かつ空間的に高い均一度を有する磁場が生成されて被検体の断層画像を撮像可能な状態となるまでに要する時間をより一層短くすることができる。

【0101】

今回開示された実施の形態および実施例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の形態および実施例ではなく特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。

【符号の説明】

【0102】

１０，１２，１４，１６，１８，２０ 超電導コイル
１０ａ，１０ｂ，１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ，２０ａ，２０ｂ ヒータ
２１ 傾斜磁場コイル
２２，２４ シム
３０ 酸化物超電導線材
９１ 超電導コイル体
１００ 超電導マグネット装置
１１１ 断熱容器
１２０ 冷却ヘッド
１２１ 冷却装置
１２２ ホース
１２３ コンプレッサ
１３１ ケーブル
１３２ 電源
１４０ 制御装置
Ｂｃ 静磁場（コイル中心磁場）
Ｂｓ 遮蔽電流磁場
ＦＯＶ 撮像領域
Ｉ 通電電流
Ｉｓ 遮蔽電流
Ｉｏｐ 運転電流

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】