CH639772A5 - Supraleitende spule fuer ein spektrometer. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Spule gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Einige früher in Verbindung mit Spektrometern für die gyromagnetische Kernresonanz verwendete supraleitende Spulen haben einen supraleitenden Draht mit kreisförmigem Querschnitt verwendet. Bei einer Konfiguration hatte der Draht Monofil-Form mit einem Kern aus einem supraleitenden Material, beispielsweise Niob-Titan-Legierung, der von einer Lage nicht supraleitendem Metall umgeben war, das eine relativ hohe Leitfähigkeit bei Zimmertemperatur hat, beispielsweise Kupfer. Typischerweise lag der Durchmesser des Drahtes mit kreisförmigen Querschnitt zwischen 0,41 und 0,76 mm. Der supraleitende Monofil-Draht wird typischerweise als Wendel mit mehreren konzentrischen Lagen gewik-kelt, zwischen denen jeweils eine dünne dielektrische Lage vorgesehen wird, beispielsweise Mylar. Benachbarte Lagen müssen gewöhnlich in entgegengesetzter Längsrichtung gewickelt werden, d.h. sie haben entgegengesetzt gerichtete Steigungen.

Nachdem die erste Lage der Zylinderspule gewickelt worden ist, sind die folgenden Lagen keine wahren Wendeln, weil die runden Drähte dazu neigen, in die Rillen zwischen Windungen der vorher gewickelten Lage zu fallen. Da benachbarte Lagen in entgegengesetzten Richtungen gewickelt werden, folgt jede Windung einer anschliessend gewickelten Lage der Steigung der vorher gewickelten Lage und springt dann über eine Windung der unmittelbar vorher gewickelten Lage. Es ergibt sich deshalb eine Ungleichförmigkeit der Steigung der Wicklung zwischen aufeinanderfolgenden Windungen jeder Wendellage, ausgenommen der ersten Lage. Diese Wick-lungsungleichförmigkeit bewirkt erhebliche radiale und spiralförmige Gradienten im Magnetfeld, das erzeugt wird,

wenn die supraleitende Spule mit einem Strom erregt wird, so dass das Magnetfeld im Inneren der Zylinderspule nicht ho-

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mögen ist, wo eine zu untersuchende Probe sowie die HF-An-regungs- und Abnahme-Spulen angeordnet sind. Der spira-lenförmige Feldgradient tritt auf wegen der Tendenz des runden Drahtes, der Rille zwischen benachbarten Drähten der 5 vorher gewickelten Lage zu folgen. Der Übersprung zwischen benachbarten Windungen der gleichen Lage ruft einen radialen Feldgradienten hervor. Frühere Versuche, diese Feldgradienten zu korrigieren, waren sehr schwierig und aufwendig und haben sich, wenn sie angewandt wurden, nicht als erfolg-lo reich erwiesen.

Supraleitende Spulen für die magnetische Kernresonanz unter Verwendung von Draht mit rechteckigem Querschnitt, der zu entgegengesetzt gerichteten Wendeln geformt ist, ist bereits entwickelt worden (US-PS 35 59 128), diese bekannten 15 Spulen hatten jedoch nicht homogene Magnetfeldeigenschaften. Der Draht bei dieser bekannten Struktur wird als Band aus Supraleiter gebildet, der an einen nicht supraleitenden Metallstreifen aus einem Material, das hohe Leitfähigkeit bei Raumtemperatur hat, gebondet ist. Der Streifen und das 20 Band haben eine Breite von etwa 3,2 mm. Nur gewisse Fasern längs des relativ breiten Supraleiterbandes können den supraleitenden Strom führen. Die stromführenden Fasern haben eine Tendenz, sich an den Kanten des Bandes zu lokalisieren, so dass eine Tendenz für den Strom besteht, in unvorherseh-25 barer Weise durch unterschiedliche Kanten des Bandes zu fliessen. Damit hat das Magnetfeld eine ungleichförmige, unvorhersehbare Verteilung über den Querschnitt des Drahtes, das zu einem inhomogenen Magnetfeld führt. Das steht in Kontrast zur Erfindung, bei der der Supraleiterquerschnitt so 30 klein ist, dass der Supraleitungsstrom eine konstante Position relativ zum Querschnitt hat.

Es wird auch berücksichtigt, dass supraleitende Spulen bisher aus verflochtenen Litzen hergestellt worden sind, die aussen rechteckigen Querschnitt für Hochleitungsanwendun-35 gen hatten. Der supraleitende Draht hatte eine relativ grosse Querschnittsfläche, wobei jede Seite des Drahtes zwischen 1,6 und 25 mm lag. Ein Draht mit einer solch grossen Querschnittsfläche liefert kein homogenes Magnetfeld, wenn er zu einer wendeiförmigen Spule gewickelt wird, und zwar aus 40 ähnlichen Gründen wie sie oben in Verbindung mit dem Band besprochen worden sind.

Zu Hochleistungsanwendungen wurde der Draht mit grosser Querschnittsfläche verwendet, um die Induktivität der supraleitenden Spule auf einen relativ niedrigen Wert zu hal-45 ten. Wenn Draht mit kleiner Querschnittsfläche mit hoher Induktion in Verbindung mit supraleitenden Spulen hoher Leistung verwendet wird, können bescheidene Änderungen des zirkulierenden Stromes zu einem Kollaps des Magnetfeldes führen. Ein solcher Feldkollaps resultiert in einem Wärme-50 schock für das ganze System. Dieses Problem existiert in supraleitenden Drähten für die magnetische Kernresonanz im allgemeinen nicht, die im allgemeinen kleine Querschnittsflächen haben, um Wicklungsfehler zu reduzieren, und um die Drahtkosten und die Stromstärke zu begrenzen. Supralei-55 tende Spulen, wie sie in Spektrometern für magnetische Kernresonanz verwendet werden, haben relativ niedrige zirkulierende Ströme von 30 bis 50 Ampere, verglichen mit Strom-flüssen von wenigstens mehreren hundert Ampere in Anwendungen mit hoher Leistung. Bei supraleitenden Magneten mit 60 hoher Leistung treten auch die Probleme, die mit der Feldhomogenität in Verbindung stehen, gewöhnlich auch nicht auf und Korrekturen für einen Spiralgradienten sind nicht notwendig. Die Gründe zur Verwendung von Drähten mit rechteckigem Querschnitt bei supraleitenden Spulen, wie sie für 65 Leistungsanwendungen benutzt werden, unterscheiden sich also deutlich von den Gründen, aus denen Drähte mit rechteckigem Querschnitten in Verbindung mit Spektrometern für die gyromagnetische Kernresonanz verwendet werden.

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Aufgabe der Erfindung ist es also, eine verbesserte supraleitende Spule für ein Spektrometer für die magnetische Kernresonanz verfügbar zu machen, welche Spule ein Magnetfeld grosser Homogenität erzeugt.

Die supraleitende Spule nach der Erfindung ist durch die im kennzeichneden Teil des Patentanspruches 1; angeführten Merkmale gekennzeichnet.

Durch die Verbindung von supraleitendem Draht mit rechteckigem Querschnitt werden die Probleme des Standes der Technik vermieden, da jede Lage als echter Zylinder mit konstantem Durchmesser gebildet wird, ohne Rillen, in die der Draht der nächsten Lage eingreifen kann. Jede Lage wird deshalb als wahre Wendel geformt, so dass die jeder Lage assoziierten Wendeln mit einer Längsachse der Spule konzentrisch sind. Unmittelbar benachbarte Lagen haben Wendeln mit entgegengesetzt gerichteten Steigungen und Flächen, die im wesentlichen aneinander stossen. Die aneinander stossen-den Flächen benachbarter Wendeln haben einen Abstand voneinander, der nur durch eine relativ dünne Lage aus dielektrischem Material definiert ist, beispielsweise Mylar, der einen elektrischen Kurzschluss der Spule zwischen benachbarten Lagen reduziert, so dass diese in vernünftiger Zeit geladen werden kann. Benachbarte Windugnen der gleichen Wendel haben Flächen, die aneinander stossen. Diese Flächen können mit einer dielektrischen Schicht versehen werden, das braucht jedoch nicht notwendig zu sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die Längen benachbarter Flächen des Drahtes, so dass die Lang- und Breitseite sich parallel bzw. quer zur Längsachse der Zylinderspule erstrecken. Diese Konfiguration hat sich als sehr vorteilhaft gezeigt, weil sie das Wickeln der einzelnen Wendeln dadurch erleichtert, dass die Neigung benachbarter Windungen der gleichen Wendel vermieden wird, in die Seite der vorher gewickelten Windung zu sacken. Es ist jedoch daraufhinzuweisen,

dass der Ausdruck «rechteckig» nicht auf Draht beschränkt, bei dem benachbarte Flächen notwendigerweise unterschiedliche Länge haben, sondern dass unter «rechteckig» auch Draht mit quadratischem Querschnitt zu verstehen ist. Im allgemeinen ist jedoch Draht mit quadratischem Querschnitt nicht vorteilhaft, weil es schwierig ist, solchen Draht während des Wickeins an einem Verdrillen zu hindern.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Spektrometer für die magnetische Kernresonanz mit einer supraleitenden Spule nach der Erfindung in Kombination mit Vorrichtungen zur Benutzung des Spektrometers;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines supraleitenden Drahtes;

Fig. 3 eine auseinandergezogene Darstellung von zwei benachbarten Lagen einer Ausführungsform der supraleitenden Spule nach der Erfindung;

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Teil einer weiteren Ausführungsform der supraleitenden Spule nach der Erfindung, und

Fig. 5 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines supraleitenden Drahtes, der mit dem Spektrometer für die magnetische Kernresonanz verwendet werden kann.

Fig. 1 zeigt ein repräsentatives Spektrometer für die magnetische Kernresonanz, in dem ein Supraleitungsmagnetsystem verwendet wird. Eine durch gyromagnetische Kernresonanz zu untersuchende Probe 11 ist in einer Phiole 12 angeordnet, die innerhalb eines homogenen Magnetfeldes H0 angeordnet wird, das von einer supraleitenden Spule 13 in ihrem inneren oder Zentral-Kern erzeugt wird. Zwei Senderspulen 14 übergreifen die Phiole 12 im Kern der Spule 13, so dass die Achsen der Spulen 14 im wesentlichen miteinander ausgefluchtet sind und rechtwinklig zum Feld H0 liegen. Die Senderspulen 14 sprechen auf HF-Energie von einem Sender 15 an und legen HF-Energie an die Probe 11. Rechtwinklig zu den Richtungen der Achsen der Spulen 14 und dem Feld H0 s befindet sich die Achse einer Empfängerspule 16, die im Kern der Spule 11 in der Nähe der Phiole 12 positioniert ist, so dass die Spule 16 ein Signal ableitet, das die gyromagnetischen Resonanzeigenschaften der Probe 11 anzeigt. Die Empfängerspule 16 liefert ein Eingangssignal an einen Empfänger 17. io Die supraleitende Spule 13 wird von einer Gleichstromversorgung 18 über Leitungen 19 erregt, die schematisch so dargestellt sind, dass sie sich durch ein Dewar-Gefäss 20 erstrecken, und die so geschaltet sind, dass sie die Spule 13 erregen. Aufgrund des Erregungsstroms von der Stromversor-15 gung 18 erzeugt die Spule 13 ein homogenes magnetisches Gleichfeld H0 relativ hoher Intensität, das sich durch das ganze Volumen der Probe 11 erstreckt. Typischerweise fliesst ein Erregungsstrom von 40-50 Ampère in der supraleitenden Spule 13, um ein magnetisches Gleichfeld H0 in der Grössen-2o Ordnung von 4,7-7,0 T zu erzeugen. Wie in modernen Spektrometern dieser Art unter Verwendung von supraleitenden Spulen üblich ist, wird die Spule 13, nachdem sie einmal durch die Stromversorgung 18 erregt worden ist, von der Stromversorgung abgeschaltet, ausgenommen unter unge-25 wöhnlichen Umständen. Um einen Sweep durch die Eigenschaften der Probe 11 zu erreichen, liefert der Sender 15 HF-Energie-Impulse an die Spule 14 und diese Impulse werden selektiv von der Probe absorbiert. Die Auffangspule 16 wandelt die Energie, die von der Probe 11 zurückgestrahlt wird, und 3o liefert ein Signalspektrum an den Empfänger 17. Der Empfänger 17 schliesst Fouriertransformations-Berechnungsein-richtungen ein, die es ermöglichen, dass eine Kurve der gyromagnetischen Resonanzeigenschaften der Probe 11 abgeleitet und auf einem X-Y-Schreiber 21 ausgegeben wird. 35 Die Spule 13 wird auf kryogenen Temperaturen des flüssigen Heliums in der Grössenordnung von 4,2° K gehalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird diese kryogene Temperatur der Spule 13 in einem Dewar-Gefäss 20 mit einer äusseren Aluminiumschale 21 aufgebaut, in der ein Alumini-40 umgefäss 22 angeordnet ist, das flüssigen Stickstoff bei etwa 77° K enthält. Unterhalb des Flüssigstickstoff-Behälters 22 befindet sich ein weiterer Behälter 23, der mit flüssigem Helium gefüllt ist. Der Behälter 23 umgibt einen Zylinder 124, in dem die supraleitende Spule 13 angeordnet ist. Ein evakuier-45 ter Raum, typischerweise ein Vakuum von weniger als 1,3310~3 Pa, existiert zwischen der Wand 24 des Gefässes 23 und dem Boden 25 des Gefässes 22 sowie zwischen der Wand 24 und der Seitenwand 26 und dem Boden 27 des Aluminium-Wärmeschirms 28. Im evakuierten Raum unmittelbar ausser-50 halb des Gefässes 23 befindet sich ein weiterer Wärmeschirm 29 aus Aluminium. Ein weiterer evakuierter Raum existiert zwischen dem Inneren der Schale 20 und dem Deckel 31 und der Seitenwand 32 des Gefässes 22, sowie der Wand 26 und dem Boden 27 des Schirms 28. In diesem weiteren evakuierten 55 Raum ist ein weiterer Wärmeschirm 33 angeordnet. Um zum Minimieren des Wärmestroms vom Äusseren des Dewar-Ge-fässes 20 zur supraleitenden Spule 13 beizutragen, sind der Schirm 33, der Deckel 31, der Boden 25 und der Schirm 29 jeweils mit Hülsen 34,35 und 36 versehen, die alle zu einer Boh-60 rung 37 konzentrisch sind, die sich durch das Innere des Gefässes 23 erstreckt. Die Bohrung 37 ist koaxial mit der Hülse 38, die sich zwischen den diametralen Enden des Dewar-Ge-fässes erstreckt. Die Spule 13 ist koaxial mit den Hülsen 34 bis 36, so dass sich das Magnetfeld H0 ebenfalls in der gleichen 65 Richtung wie die gemeinsame Längsachse der Hülsen erstreckt.

Die Spule 13 liefert ein sehr homogenes Magnetfeld H0 über die ganze Probe 11. Das Magnetfeld H0 hat praktisch

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keine Spiralkomponenten, d.h. praktisch alle Komponenten des durch die Probe 11 verlaufenden Feldes sind mit der Achse der Spule 13 und der Hülsen 34-36 ausgefluchtet. Darüber hinaus befinden sich praktisch keine Radialkomponenten des Magnetfeldes H0 in dem Bereich, in dem die Probe 11 angeordnet ist.

Zu diesem Zweck ist die Spule 13 aus supraleitendem Draht mit rechteckigem Querschnitt gewickelt. Bei der Aus-führugnsform nach Fig. 2 hat der supraleitende Draht eine Monofil-Konfiguration mit einem Kern 41 aus duktilem Niob-Titan-Legierungsdraht mit einem kreisförmigen Querschnitt, umgeben von einem Kupfermantel 42 mit rechteckigem Querschnitt. Auf die Aussenfläche des Mantels 42 ist eine dielektrische Oxydlage (nicht dargestellt) geschichtet, die wahrscheinlich in gewissen Situationen weggelassen werden kann. Typischerweise hat die Basis des Rechtecks 42 eine Länge von 0,41 mm und eine Höhe von 0,33 mm und der Kern 41 hat einen Durchmesser von 0,25 mm. Der kleine Durchmesser des Kerns 41 sorgt dafür, dass das vom Draht nach Erregung von der Stromversorgung 18 erzeugte Magnetfeld eine konstante Position relativ zum Drahtquerschnitt hat, so dass das Feld nicht merklich quer zum Draht wandert. Es ist daraufhinzuweisen, dass der supraleitende Draht andere Abmessungen haben kann; in einer tatsächlich getesteten Konfiguration hatte der Kern 41 einen Durchmesser von 0,41 mm. Der supraleitende Draht hat auch diese relativ kleinen Abmessungen, um die Menge an Supraleiter zu verringern, die für den Kern 41 erforderlich ist, und damit die Kosten zu senken. Ein relativ niedriger Erregungsstrom zwischen 30 und 50 Ampère wird von der Fig. 1 dargestellten Stromversorgung 18 angelegt, ehe das Spektrometer in Betrieb genommen wird.

Der in Fig. 2 dargestellte supraleitende Draht wird zu einer Vielzahl von wendeiförmigen Lagen gewickelt, die jede konzentrisch zur Längsachse der Spule 13 ist, wie in Fig. 3 und 4 dargestellt. Wie schematisch in der auseinandergezogenen Darstellung der Fig. 3 gezeigt, sind unmittelbar benachbarte wendeiförmige Lagen 43 und 44 so gewickelt, dass sie entgegengesetzt gerichtete Steigung haben, d.h. die Wendellage 43 wird nach unten gewickelt, während die Wendellage 44, die der Lage 43 unmittelbar benachbart ist, nach oben gewickelt wird. Zwischen benachbarten Wendellagen befindet sich eine dünne dielektrische Lage 45 aus Mylar (Fig. 4), das elektrisch benachbarte Lagen voneinander isoliert und die Spuleninduktivität reduziert, wenn die Kerne 41 benachbarter Lagen normal werden, d.h. nicht mehr supraleitend bleiben. Im Supraleitungsbetrieb ist die Impedanz des Kupfermantels 42 relativ zur Impedanz des supraleitenden Kerns 41 so gross, dass das Kupfer als Isolator betrachtet werden kann. Wenn der Kern 41 normal wird, bildet der Kupfermantel 42 einen Nebenschlussweg für den Teil des Kerns, der normalleitend geworden ist; auf diese Weise wird die Möglichkeit verringert, dass die ganze Spule normalleitend wird, wenn nur ein kleines Segment derselben normalleitend wird.

Wegen des recheckigen Querschnitts des supraleitenden Drahtes sind benachbarte entgegengesetzte gewickelte Lagen wahre Wendeln mit konstanter Steigung über die ganze Länge. Benachbarte Seiten 46 und 47 von wendeiförmigen Lagen 43 und 44 stossen im wesentlichen gegeneinander und sind voneinander nur durch die Lage 45 getrennt. Jede benachbarte Lage hat einen zylindrischen Aussenumfang mit praktisch konstantem Radius, im Gegensatz zu dem variablen Radius einer Wendel, die aus Draht mit kreisförmigem Querschnitt gebildet ist, und wegen des konstanten Radius ist das zylindrische Wickeln von benachbarten, wahrhaft wendeiförmigen Lagen erleichtert.

Der supraleitende Draht ist so angeordnet, dass benachbarte, zueinander senkrechte Seiten 48 und 49 so angeordnet sind, dass die lange Seite 48 sich rechtwinklig zur Längsachse der Spule erstreckt und die Schmalseite 49 sich parallel zur Spulenachse erstreckt. Wenn die Flächen 48 und 49 des supraleitenden Drahtes auf diese Weise angeordnet werden, wird die Neigung benachbarter Windungen, beispielsweise der Wendellage 43, zur Seite der vorhergewickelten Windung der Lage 43 zu sacken, im wesentlichen vermieden.

In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform eines supraleitenden Drahtes dargestellt, der dazu verwendet werden kann, die nacheinander gewickelten wendeiförmigen Lagen zu wik-keln. Der supraleitende Draht ist als Kupferblock 51 mit rechteckigem Querschnitt geformt, vorzugsweise mit einer Grundfläche von 1 mm Länge und einer Höhe von 0,36 mm. Eine Vielzahl von Bohrungen mit extrem kleinen Durchmessern erstreckt sich in Längsrichtung durch den Block 51. Durch jede dieser Bohrungen des Blocks 51 erstreckt sich eine einzelne supraleitende Faser 52 mit einer Querschnittsabmessung von etwa 5 (im. In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich 3 553 supraleitende Fasern 52 durch den Kupferblock 51. Die Erregung der supraleitenden Spule sorgt dafür, dass ein supraleitender Strom in jeder dieser Fasern fliesst, um einen konstanten magnetischen Fluss über alle Segmente des supraleitenden Drahtes zu gewährleisten.

Der Kupferblock 51 ist zu einer Serie von konzentrischen, entgegengesetzt gerichteten Wendellagen gewickelt, die durch eine Mylar-Lage im Abstand voneinander gehalten werden, wie das oben in Verbindung mit Fig. 3 und 4 für den Monofil-Supraleiterdraht beschrieben worden ist. Unmittelbar benachbarte Wendeln, die aus dem Kupferblock 51 gebildet sind, haben also entgegengesetzt gerichtete Steigungen und Flächen, die im wesentlichen aneinanderstossen und nur durch die Mylar-Lage getrennt sind. Benachbarte Windungen der gleichen Wendel, die durch den Kupferblock 51 gebildet sind, haben Flächen, die gegeneinander anstossen. Alle Fasern 52, die sich durch den Kufperblock 51 erstrecken, sind miteinander und mit dem Draht 19 verbunden, der an die Stromversorgung 18 angeschlossen ist.

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639 772 PATENTANSPRÜCHE

1. Supraleitende Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes in einem Spektrometer für die magnetische Kernresonanz, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Spule aus einem Draht gewickelt ist, der wenigstens einen Kern aus supraleitendem Material mit einem solchen Querschnitt enthält, dass das von dem den Kern durchflies-senden Strom erzeugte Magnetfeld eine praktisch konstante Position bezogen auf den Drahtquerschnitt hat, und dass das supraleitende Material in einem Mantel aus normalleitendem Material eingebettet ist, der einen rechteckigen Querschnitt und bei Raumtemperatur eine gute Leitfähigkeit hat.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lange Seite (48) des rechteckigen Querschnitts quer und die Schmalseite (49) parallel zur Spulenachse liegt.

3. Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht einen einzigen supraleitenden Kern (41) aufweist.

4. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsabmessungen des Drahtes 0,406 x 0,330 mm betragen.

5. Spule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Kern (41) einen Durchmesser von etwa 0,254 mm hat.

6. Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Fasern (52) aus supraleitendem Material in einem Block (51) aus normalleitendem Material eingebettet ist.

7. Spule nach den Ansprüchen 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsabmessungen 1 mm x 0,36 mm betragen und die Fasern 5 um dick sind.