Built-in type super-stable power supply for helium-free MRI magnet

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K20106
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 福山 秀直 京都大学, 充実した健康長寿社会を築く総合医療開発リーダー育成リーディング大学院, 特任教授 (90181297)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 浦山 慎一 京都大学, 充実した健康長寿社会を築く総合医療開発リーダー育成リーディング大学院, 特定助教 (10270729) ; 上野 智弘 京都大学, 医学研究科, 助教 (10379034) ; 鈴木 崇士 京都大学, 充実した健康長寿社会を築く総合医療開発リーダー育成リーディング大学院, 特定助教 (10572224) ; 松原 明 京都大学, 理学研究科, 准教授 (00229519)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2019-03-31
• Keywords: ヘリウムフリーMRI / 高温超伝導マグネット / 安定化電源

Outline of Annual Research Achievements

ヘリウムを100%輸入に頼る日本ではヘリウムフリーMRI用超伝導マグネットの実現は重要な課題である。しかし、その高い運転温度のために完全な超伝導を実現出来ず、僅かに減衰する電流を補償するために非常に高価な超安定化直流外部電源が必要なる上、太いリード線からの熱侵入が冷凍機に負担をかけ、また冷凍機が止まると短時間の内に超伝導リードが焼損するなど、そのマグネットは致命的問題を抱える。本研究では、マグネット内部に大電流が収まるような、極低温・超高真空・高磁場に耐えうる外部電源システムの実現可能性を追求した。
本研究ではまず、電源として使用可能なシステムにどの様なものがあるかを調査した。その結果、1990年以降、複数の試みがなされており、フラックスポンプ型電源の多くはマグネット励磁用に、熱電素子に関しては、励磁後の磁場レベル維持に有用であることが分かった。
次に、電源では最も重要なパワー素子であるN型MOSFETに関して低温実験を行った。その結果、少なくとも液体窒素温度では正常に動作し、逆に素子のオン抵抗が下がり有用性が高いことが判明、当初の予想以上に使用出来る素子の選択肢が広いことが分かった。そのため我々は、当初の計画を越えてヒトMRI用超電導マグネットへの利用を想定した電源システムの要素技術開発を試みた。具体的には、MOSFETが理想ダイオードとして動作することに注目し、低オン抵抗MOSFETを用いた整流回路を開発、電磁誘導コイルや常伝導マグネットと接続し、その整流回路によりどの程度の電源安定性が得られるかを調べた。
加えて、磁場安定性を高めるための磁場モニタリングシステムとして、MgH2を信号源とするNMRプローブを開発、その可能性を調査した。その結果は決して肯定的ではなかったが、MgH2の製造方法などを変えれば、可能性がまだ残っていることが示唆された。