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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen supraleitenden, insbesondere
offenen Magneten, der zur Erzeugung eines gleichmäßigen Magnetfelds
verwendet wird, und auf ein Verfahren zur Schaffung eines solchen
Magneten.
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Magnete
umfassen widerstandsbehaftete und supraleitende Magnete, welche
ein Teil eines Magnetresonanzbilderzeugungssystems (MRI) sind, das
in verschiedenen Anwendungen, wie medizinischer Diagnose und medizinischen
Verfahren verwendet wird. Bekannte supraleitende Magnete umfassen
flüssigheliumgekühlte und
kryokühlergekühlte supraleitende
Magnete. Typischerweise umfasst die supraleitende Spulenbaugruppe
eine supraleitende Hauptspule, die von einer ersten thermischen
Abschirmung umgeben ist, die von einem Vakuumbehälter umschlossen ist. Ein kryokühlergekühlter Magnet
umfasst zudem typischerweise einen Kühlkopf des Kryokühlers, der
außen
an dem Vakuumbehälter angebracht
ist und seine erste Kühlstufe
in thermischem Kontakt mit der thermischen Abschirmung hat und seine
zweite Kühlstufe
in thermischem Kontakt mit der supraleitenden Hauptspule hat. Ein
flüssigheliumgekühlter Magnet
umfasst typischerweise zudem ein Flüssigheliumdewargefäß, das die
supraleitende Hauptspule umgibt, und eine zweite thermische Abschirmung,
welche die erste thermische Abschirmung umgibt, die das Flüssigheliumdewargefäß umgibt.
Bekannte Ausführungen
widerstandsbehafteter und supraleitender Magnete umfassen geschlossene Magnete
und offene Magnete. Geschlossene Magnete haben typischerweise eine
einzelne, rohrförmige,
widerstandsbehaftete oder supraleitende Spulenbaugruppe mit einer
Bohrung. Die Spulenbaugruppe umfasst mehrere radialausgerichtete
und in Längsrichtung
beabstandete wider standsbehaftete oder supraleitende Hauptspulen,
die jeweils einen großen identischen
elektrischen Strom in der gleichen Richtung führen. Die Hauptspulen sind
somit ausgelegt, ein Magnetfeld mit hoher Gleichmäßigkeit
innerhalb eines üblicher
Weise sphärischen
Abbildungs- oder Bilderzeugungsraums zu erzeugen, der zentral innerhalb
der Bohrung des Magneten angeordnet ist, wo das abzubildende Objekt
platziert ist. Eine einzelne rohrförmige Abschirmbaugruppe kann
zudem verwendet werden, um das durch die Hauptspulen erzeugte und
diese umgebende Magnetfeld daran zu hindern, mit elektronischer
Ausrüstung
in der Nähe des
Magnets nachteilig in Wechselwirkung zu treten. Eine solche Abschirmbaugruppe
umfasst mehrere radial ausgerichtete und in Längsrichtung beabstandete, radial
außerhalb
der Hauptspulen angeordnete widerstandsbehaftete oder supraleitende
Abschirmspulen, die elektrische Ströme führen, die allgemein die gleiche
Stärke
haben, jedoch in einer entgegengesetzten Richtung zu den in den
Hauptspulen geführten
elektrischen Strömen
sind.
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Offene
Magnete, einschließlich
C-förmiger Magnete
verwenden üblicherweise
zwei voneinander beabstandete Spulenbaugruppen, wobei der Raum zwischen
den Baugruppen den Abbildungs- oder
Bilderzeugungsraum oder Abbildungsbereich enthält und einen Zugang durch medizinisches
Personal für Operationen
oder andere medizinische Verfahren während der Magnetresonanzbilderzeugung
gestattet. Der Patient kann in diesem Raum oder auch in der Bohrung
oder Zentralöffnung
der ringförmigen Spulenbaugruppen
positioniert werden. Der offene Raum unterstützt den Patienten darin, Platzangstgefühle zu überwinden,
die in einer geschlossenen Magnetkonstruktion auftreten können. Bekannte
Konstruktionen offener Magnete mit einer Abschirmung umfassen jene,
in denen jede Spulenbaugruppe eine offene Bohrung und eine widerstandsbehaftete
oder supraleitende Abschirmspule hat, die in Längsrichtung und radial außerhalb
der widerstandsbehafteten oder supra leitenden Hauptspule(n) positioniert
ist. Im Fall eines supraleitenden Magneten ist eine große Menge
eines teuren Supraleiters in der Hauptspule erforderlich, um die
Magnetfeldsubtraktionseffekte der Abschirmspule zu überwinden.
Berechnung zeigen, dass für
einen 0,75 Tesla-Magneten etwa 1.043 kg (2.300 Pfund) an Supraleiter
erforderlich sind, was zu einem teuren Magneten führt, der
etwa 5.440 kg (12.000 Pfund) wiegt. Dieses bescheidene Gewicht macht
diese Konstruktion ausführbar.
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Es
ist bei Konstruktionen offener Magnete zudem bekannt, einen eisernen
Polschuh in der Bohrung einer widerstandsbehafteten oder supraleitenden
Spulenbaugruppe anzuordnen, die keine Abschirmspule hat. Der eiserne
Polschuh erhöht
die Stärke
des Magnetfelds und, indem die Oberfläche des Polschuhs geformt ist,
glättet
es den Magneten magnetisch, wodurch die Homogenität des Magnetfelds
verbessert ist. Ein eiserner Rückkehrpfad
wird verwendet, um die zwei eisernen Polschuhe zu verbinden. Es
ist anzumerken, dass der eiserne Polschuh zudem eine Abschirmung
des Magneten bewirkt. Jedoch ist eine große Eisenmenge in dem eisernen
Polschuh erforderlich, um eine Abschirmung bei starken Magneten
zu erreichen. Im Fall eines supraleitenden Magneten zeigen Berechnungen,
dass für
einen 0,75 Tesla-Magneten lediglich etwa 90 kg (200 Pfund) an Supraleiter
erforderlich sind, was jedoch zu einem Magneten führt, der über 31.750
kg (70.000 Pfund) wiegt, was zu schwer ist, um ihn in medizinischen
Einrichtungen, wie Hospitälern
verwenden zu können.
Dieses Gewicht macht diese Magnetkonstruktion nicht ausführbar.
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Ferner
ist aus der
GB 2 311
375 A ein supraleitender Magnet bekannt, dessen Hauptspulen
und Korrekturringe in ein kryogenes Fluid eintauchen und diese im
Betrieb kühlen.
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Demgegenüber ist
es Aufgabe der Erfindung, einen supraleitenden Magneten vorzuschlagen,
der kompakt ist und eine große
Magnetfeldhomogenität
innerhalb des Abbildungsraums des Magneten hat. Ferner soll ein
Verfahren zur Schaffung einer solchen Magneten angegeben werden.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 12, 22 bzw. 28 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.
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Gemäß der Erfindung
umfasst ein supraleitender Magnet eine sich in Längsrichtung erstreckende Achse
und hat eine erste Baugruppe mit einer supraleitenden Hauptspule,
einem magnetisierbaren Polschuh und einem Dewargefäß für kryogenes
Fluid. Die Hauptspule ist koaxial mit der Achse ausgerichtet und
führt einen
ersten elektrischen Hauptstrom in einer ersten Richtung. Der Polschuh
ist koaxial mit der Achse ausgerichtet, ist von der Hauptspule der
ersten Baugruppe beabstandet und hat einen Oberflächenabschnitt.
Der Hauptteil des Polschuhs der ersten Baugruppe ist radial einwärts der Hauptspule
der ersten Baugruppe angeordnet. Das Dewargefäß umschließt die Hauptspule der ersten Baugruppe
und hat eine Innenfläche,
die teilweise durch den Oberflächenabschnitt
des Polschuhs der ersten Baugruppe definiert oder begrenzt ist.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein offener Magnet eine sich in Längsrichtung erstreckende
Achse und in Längsrichtung
voneinander beabstandete erste und zweite Baugruppen, die jeweils
eine supraleitende Hauptspule, eine supraleitende Abschirmspule,
einen magnetisierbaren und allgemein zylinderförmigen Polschuh sowie ein Dewargefäß für ein kryogenes
Fluid haben. Jede Hauptspule ist koaxial mit der Achse ausgerichtet und
führt einen
ersten elektrischen Hauptstrom in der gleichen ersten Richtung.
Jeder Polschuh ist koaxial mit der Achse ausgerichtet und schneidet
diese, ist von seiner zugehörigen
Hauptspule beabstandet und hat einen Oberflächenabschnitt. Der Hauptteil
jedes Polschuhs ist radial einwärts
seiner zugehörigen Hauptspule
angeordnet. Jedes Dewargefäß umschließt seine
Haupt- und Abschirmspulen und hat eine Innenfläche, die teilweise durch den
Oberflächenabschnitt
seines zugehörigen
Polschuhs definiert oder begrenzt ist.
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In
einem Aufbau umfasst der offene Magnet zudem voneinander beabstandete
und nicht magnetisierbare erste und zweite Stützpfosten, die jeweils ein
erstes Ende haben, das an dem Polschuh der ersten Baugruppe befestigt
ist, die jeweils ein zweites Ende haben, das an dem Polschuh der
zweiten Baugruppe befestigt ist, und die jeweils einen Oberflächenabschnitt
haben. In diesem Aufbau umfasst der offene Magnet ferner erste und
zweite Dewarleitungen, die jeweils in Fluidverbindung mit dem Dewargefäß der ersten
Baugruppe und dem Dewargefäß der zweiten
Baugruppe sind. Die erste Dewarleitung hat eine Innenfläche, die
teilweise durch den Oberflächenabschnitt
des ersten Stützpfostens
definiert oder begrenzt ist, und die zweite Dewarleitung hat eine
Innenfläche,
die teilweise durch den Oberflächenabschnitt
des zweiten Stützpfostens
definiert oder begrenzt ist.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
umfasst Schritt a) bis d) und schafft sowohl Kompaktheit als auch
einen homogenen Bilderzeugungsraum für einen supraleitenden Magneten
mit einem magnetisierbaren Polschuh und einer supraleitenden Hauptspule.
Schritt a) umfasst die Bereitstellung einer nicht magnetisierbaren
Spulenhalterung. Schritt b) umfasst das Anbringen der Spulenhalterung
an dem Polschuh. Schritt c) umfasst das Abstützen der Hauptspule mit der
Spulenhalterung. Schritt d) umfasst die Auslegung und Positionierung
eines Dewargefäßes für kryogenes
Fluid die Hauptspule umge bend und mit einer Innenfläche, die
teilweise durch einen Oberflächenabschnitt
des Polschuhs definiert oder begrenzt ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst ferner die Schritte a) bis j) und schafft Kompaktheit sowie
einen homogenen Bilderzeugungsraum für einen supraleitenden offenen
Magneten mit einer sich in Längsrichtung
erstreckenden Achse und in Längsrichtung
voneinander beabstandeten und koaxial ausgerichteten ersten und
zweiten Baugruppen, die jeweils einen magnetisierbaren und im zylindrischen, die
Achse schneidenden Polschuh, eine supraleitende Hauptspule sowie
eine supraleitende Abschirmspule haben. Schritt a) umfasst die Bereitstellung
von nicht magnetisierbaren ersten Spulenhalterungen. Schritt b)
umfasst das Anbringen der ersten Spulenhalterungen an dem Polschuh
der ersten Baugruppe. Schritt c) umfasst das Abstützen der
Haupt- und Abschirmspulen der ersten Spulenbaugruppe mit den ersten
Spulenhalterungen. Schritt d) umfasst die Auslegung und Positionierung
eines Dewargefäßes für kryogenes
Fluid die Haupt- und Abschirmspulen der ersten Baugruppe umgebend,
das eine Innenfläche
hat, die teilweise durch einen Oberflächenabschnitt des Polschuhs
der ersten Baugruppe definiert oder begrenzt ist. Schritt e) umfasst
die Bereitstellung von nicht magnetisierbaren zweiten Spulenhalterungen.
Schritt f) umfasst die Anbringung der zweiten Spulenhalterungen
an dem Polschuh der zweiten Baugruppe. Schritt d) umfasst das Abstützen der Haupt-
und Abschirmspulen der zweiten Baugruppe mit den zweiten Spulenhalterungen.
Schritt h) umfasst die Auslegung und Positionierung eines Dewargefäßes für kryogenes
Fluid die Haupt- und Abschirmspulen der zweiten Baugruppe umgebend, wobei
es eine Innenfläche
hat, die teilweise durch einen Oberflächenabschnitt des Polschuhs
der zweiten Baugruppe begrenzt ist. Schritt i) umfasst die Befestigung
eines erstes Endes eines nicht magnetisierbaren Stützpfostens
an dem Polschuh der ersten Baugruppe und die Befestigung eines zweiten
Endes des Stützpfostens
an dem Polschuh der zweiten Baugruppe. Schritt j) umfasst die Auslegung
und Positionierung einer Dewarleitung in Fluidverbindung mit dem
Dewargefäß der ersten
Baugruppe und dem Dewargefäß der zweiten
Baugruppe, wobei die Dewarleitung eine Innenfläche hat, die teilweise durch
einen Oberflächenabschnitt
des Stützpfostens
definiert oder begrenzt ist.
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Die
Erfindung bietet verschiedene Vorzüge und Vorteile. Indem der
Polschuh als ein tieftemperaturkalter Polschuh ausgebildet ist,
bietet der Polschuh eine größere Magnetfeldhomogenität innerhalb
des Bilderzeugungsraums des Magneten, indem Inhomogenitäten des
Magnetfelds eliminiert werden, die durch Temperaturänderungen
herkömmlicher
Raumtemperatur-Polschuhe hervorgerufen sind, die durch Veränderungen
in der Raumtemperatur bedingt sind. Indem der Polschuh als ein Teil
des Dewargefäßes verwendet
wird, ist für
Kompaktheit gesorgt, indem der andernfalls erforderliche zusätzliche
Raum eingespart wird, der für
einen tiefkalten Polschuh gemäß der Erfindung
erforderlich wäre,
der von einem Dewargefäß für kryogenes
Fluid vollständig
umschlossen ist.
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Die
Erfindung wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
Darin zeigen:
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1 eine
schematische Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Magneten;
und
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2 eine
schematische Schnittansicht des Magneten aus 1 entlang
der Linie II-II in 1.
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In
der Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen durchgehend gleiche
Elemente bezeichnen, zeigen 1 und 2 ein
Aus führungsbeispiel
des Magneten 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung. In einer Anwendung schafft der Magnet 10 das
statische Magnetfeld für
ein Magnetresonanzbilderzeugungssystem (MRI) (nicht gezeigt), das
in medizinischer Diagnose verwendet wird. Es ist anzumerken, dass
bei der Beschreibung der Erfindung, wenn ein Magnet als eine Komponente,
wie eine Spule, einen Polschuh oder ein Dewargefäß etc. enthaltend beschrieben
wird, klar sein soll, dass der Magnet mindestens eine Spule, mindestens
einen Polschuh oder mindestens ein Dewargefäß oder dergleichen umfasst.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein supraleitender
Magnet 10 eine sich in Längsrichtung erstreckende Achse 12 und
eine erste Baugruppe 14. Die erste Baugruppe 14 umfasst
eine supraleitende Hauptspule 16 und einen magnetisierbaren
Polschuh 18. Die Hauptspule 16 ist im Wesentlichen
koaxial mit der Achse 12 ausgerichtet, führt einen
ersten elektrischen Hauptstrom in einer ersten Richtung und ist
mit einem ersten Radialabstand von der Achse 12 angeordnet.
Die erste Richtung ist entweder als im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn
in Umfangsrichtung um die Achse 12 bestimmt, wobei jedwede
geringe Längskomponente
der Stromrichtung unbeachtet bleibt. Der Polschuh 18 ist im
Wesentlichen koaxial mit der Achse 12 ausgerichtet und
ist von der Hauptspule 16 der ersten Baugruppe 14 beabstandet.
Der Hauptteil des Polschuhs 18 der ersten Baugruppe 14 ist
radial einwärts
der Hauptspule 16 der ersten Baugruppe 14 angeordnet. Der
Polschuh 18 der ersten Baugruppe 14 erstreckt sich
von der Achse 12 radial auswärts um einen Abstand, der mindestens
gleich 75 % des ersten Radialabstands ist. Während des Betriebs des Magneten 10 hat
der Polschuh 18 der ersten Baugruppe 14 eine Temperatur,
die im Wesentlichen gleich der der Hauptspule 16 der ersten
Baugruppe 14 ist. Es ist anzumerken, dass die erste Baugruppe 14 alleine
als ein Tischmagnet (nicht gezeigt) verwendet werden kann, oder
eine von zwei Baugruppen eines offenen Magneten sein kann, wie in
den Figuren gezeigt ist. Während
des Betriebs des Magneten 10 sind die Hauptspule 16 und
der Polschuh 18 der ersten Baugruppe 14 durch
einen Kühlkopf
(nicht gezeigt) eines Kryokühlers
und/oder durch ein kryogenes Fluid oder dergleichen gekühlt.
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In
einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung hat ein supraleitender
Magnet 10 eine sich in Längsrichtung erstreckende Achse 12 und
eine erste Baugruppe 14. Die erste Baugruppe 14 umfasst
eine supraleitende Hauptspule 16, einen magnetisierbaren Polschuh 18 und
ein Dewargefäß 20 für ein kryogenes
Fluid. Die supraleitende Hauptspule 16 ist im Wesentlichen
koaxial mit der Achse 12 ausgerichtet und führt einen
ersten elektrischen Hauptstrom in einer ersten Richtung. Der Polschuh 18 ist
im Wesentlichen koaxial mit der Achse 12 ausgerichtet,
ist von der Hauptspule 16 beabstandet und hat einen Oberflächenabschnitt 22.
Der Hauptteil des Polschuhs 18 ist radial einwärts der
Hauptspule 16 angeordnet. Das Dewargefäß 20 umschließt die Hauptspule 16 und
hat eine Innenfläche 24,
die teilweise durch den Oberflächenabschnitt 22 des
Polschuhs 18 begrenzt oder definiert bzw. gebildet ist.
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In
besonderen Magnetkonstruktionen können zusätzliche supraleitende Hauptspulen
(nicht gezeigt) in der ersten Baugruppe 14 erforderlich
sein, um eine hohe Magnetfeldstärke
innerhalb des Bilderzeugungsraums des Magneten zu erreichen, ohne die
kritische Stromdichte des Supraleiters zu überschreiten, der in den supraleitenden
Spulen verwendet wird, wie dem Fachmann bekannt ist. Ein Beispiel eines
Supraleiters für
die supraleitende Hauptspule 16 ist Niob-Titan. Ein Beispiel
eines Materials für
den Polschuh 18 ist Eisen.
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In
einem Beispiel umfasst der Magnet 10 ferner eine zweite
Baugruppe 26, die in Längsrichtung von
der ersten Baugruppe 14 beabstandet ist. Die zweite Baugruppe 26 umfasst
eine supraleitende Hauptspule 28, einen magnetisierbaren
Polschuh 30 und ein Dewargefäß 32 für ein kryogenes
Fluid. Die supraleitende Hauptspule 28 ist im Wesentlichen
koaxial mit der Achse 12 ausgerichtet und führt einen ersten
elektrischen Hauptstrom in der vorgenannten ersten Richtung. Der
Polschuh 30 ist im Wesentlichen koaxial mit der Achse 12 ausgerichtet,
ist von der Hauptspule 28 beabstandet und hat einen Oberflächenabschnitt 34.
Der Hauptteil des Polschuhs 30 ist radial einwärts der
Hauptspule 28 angeordnet. Das Dewargefäß 32 umschließt die Hauptspule 28 und
hat eine Innenfläche 36,
die teilweise durch den Oberflächenabschnitt 34 des
Polschuhs 30 definiert ist. In dem in 1 und 2 gezeigten
Beispiel hat der Polschuh 18 einen weiteren Oberflächenabschnitt 23,
welcher nicht zur Begrenzung oder Bildung der Innenfläche 24 des
Dewargefäßes 20 beiträgt, und
der Polschuh 30 umfasst einen weiteren Oberflächenabschnitt 35,
welcher nicht zur Begrenzung oder Bildung der Innenfläche 36 des
Dewargefäßes 32 beiträgt.
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In
einem Aufbau umfasst der Magnet 10 zudem eine im Wesentlichen
nicht magnetisierbare Spulenhalterung 38, die an dem Polschuh 18 angebracht
ist und die Hauptspule 16 der ersten Baugruppe abstützt, und
er umfasst ferner eine im Wesentlichen nicht magnetisierbare Spulenhalterung 40,
die an dem Polschuh 30 angebracht ist und die Hauptspule 28 der
zweiten Baugruppe 26 abstützt. Der Ausdruck "nicht magnetisierbar" bedeutet, dass das
Material nicht besser magnetisierbar ist als nichtmagnetischer Edelstahl.
Ein Beispiel für
ein Material für
die Spulenhalterungen 38 und 40 ist nichtmagnetischer
Edelstahl oder Fiberglas. In einer Ausgestaltung des Magneten umfasst
der Magnet 10 zudem im Wesentlichen einen nicht magnetisierbaren
ersten Stützpfosten 42, der
ein erstes Ende hat, das an dem Polschuh 18 der ersten
Baugruppe 14 befestigt (z.B. geschweißt) ist, der ein zweites Ende
hat, das an dem Polschuh 30 der zweiten Baugruppe 26 befestigt (z.B.
geschweißt)
ist, und der einen Oberflächenabschnitt 44 hat.
Ein Beispiel eines Materials für
den (ersten) Stützpfosten 42 ist
nichtmagnetischer Edelstahl. In dieser Ausgestaltung umfasst der
Magnet 10 ferner eine (erste) Dewarleitung 46 in
Fluidverbindung mit dem Dewargefäß 20 der
ersten Baugruppe 14 und dem Dewargefäß 32 der zweiten Baugruppe 26.
Die (erste) Dewarleitung 46 hat eine Innenfläche 48,
die teilweise durch den Oberflächenabschnitt 44 des
(ersten) Stützpfostens 42 definiert
oder begrenzt ist. Eine Plattenbaugruppe 50 hat eine Innenfläche einschließlich eines
ersten Abschnitts 52, der teilweise die Innenfläche des
Dewargefäßes 20 der
ersten Baugruppe 14 definiert oder begrenzt, einen zweiten Abschnitt 54,
der teilweise die Innenfläche
des Dewargefäßes 32 der
zweiten Baugruppe 26 definiert oder begrenzt, und einen
dritten Abschnitt 56, der teilweise die Innenfläche der
(ersten) Dewarleitung 46 begrenzt oder definiert. In diesem
Beispiel umfasst der Magnet 10 zusätzlich eine thermische Abschirmung 58 und
ein Vakuumgefäß 60.
Die thermische Abschirmung 58 umschließt im Wesentlichen die Polschuhe 18 und 30 und
die Dewargefäße 20 und 32 der
ersten und zweiten Baugruppe 14 und 26, den (ersten)
Stützpfosten 42 und
die (erste) Dewarleitung 46 und sie ist davon beabstandet.
Der Vakuumbehälter 60 umschließt hermetisch
die thermische Abschirmung 58 und ist davon beabstandet.
Ein Beispiel eines Materials für
die Plattenbaugruppe 50, die thermische Abschirmung 58 und
den Vakuumbehälter 60 ist
nichtmagnetischer Edelstahl. Es ist anzumerken, dass in diesem Beispiel
die zuvor beschriebene Beabstandung durch Verwendung herkömmlicher
Abstandshalter oder Unterlegscheiben 62 erreicht wird.
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Im
Betrieb wird der Magnet 10 ein kryogenes Fluid 64 aufweisen,
das in den Dewargefäßen 20 und 32 der
ersten und zweiten Baugruppe 14 und 26 sowie in
der (ersten) Dewarleitung 46 aufgenommen ist. Ein Beispiel
eines kryogenen Fluids ist flüssiges
Helium. Ein Kühlkopf
eines Kryokühlers
(nicht gezeigt) kann verwendet werden, um verdampftes flüssiges Helium
wieder zu kondensieren, indem die erste Stufe des Kühlkopfs
in Kontakt mit der thermischen Abschirmung 58 ist und die
zweite Stufe des Kühlkopfs in
das Leervolumen des Dewargefäßes in der
Nähe des
höchsten
Punktes eines Dewargefäßes 20 bzw. 32 eindringt.
In einer anderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Magneten
haben die erste und die zweite Baugruppe 14 und 26 jeweils
ein selbständiges
Dewargefäß, eine
thermische Abschirmung und einen Vakuumbehälter, wobei Stützpfosten
die Vakuumbehälter
miteinander verbinden oder wobei die beiden Baugruppen 14 und 26 durch
einen C-förmigen
Arm in voneinander beabstandeter Beziehung gehalten sind oder wobei
sie mit einem Fußboden und/oder
Wänden
verschraubt sind oder durch andere Mittel gehalten sind. In dem
nicht gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das kryogene Fluid 64 lediglich in den Dewargefäßen 20 und 32 der
ersten und zweiten Baugruppe 14 und 26 aufgenommen,
weil keine (erste) Dewarleitung 46 vorhanden ist. In dem
in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
umfasst der Magnet 10 ferner einen Magnetresonanzbilderzeugungsraum 66,
der eine Mitte hat, die im Wesentlichen auf der Achse 12 in
Längsrichtung
gleichbeabstandet zwischen der ersten und zweiten Baugruppe 14 und 26 angeordnet
ist. Eine Form des Bilderzeugungsraums 66 ist eine Kugel.
Es ist anzumerken, dass typischerweise die zweite Baugruppe 26 allgemein
spiegelbildlich zur ersten Baugruppe 14 bezüglich einer
Ebene (nicht gezeigt) ist, die auf die Achse 12 senkrecht
steht und welche im Wesentlichen gleichbeabstandet zwischen der
ersten und der zweiten Baugruppe 14 und 26 angeordnet
ist.
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In
einer dritten Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein supraleitender
offener Magnet 10 eine sich in Längsrichtung erstreckende Achse 12,
eine erste Baugruppe 14 sowie eine in Längsrichtung von der ersten
Baugruppe 14 beabstandete zweite Baugruppe 26.
Die erste Baugruppe 14 umfasst eine supraleitende Hauptspule 16,
eine supraleitende Abschirmspule 68, einen magnetisierbaren
und im Wesentlichen zylinderförmigen
Polschuh 18 sowie ein Dewargefäß 20 für ein kryogenes
Fluid. Die supraleitende Hauptspule 16 ist im Wesentlichen
koaxial mit der Achse 12 ausgerichtet und führt einen
ersten elektrischen Hauptstrom in einer ersten Richtung. Die supraleitende
Abschirmspule 68 ist im Wesentlichen koaxial mit der Achse 12 ausgerichtet,
ist in Längsrichtung
außerhalb
der Hauptspule 16 angeordnet und führt einen ersten elektrischen
Abschirmstrom in einer zu der vorgenannten ersten Richtung entgegengesetzten
Richtung. Der Polschuh 18 ist im Wesentlichen koaxial mit
der Achse ausgerichtet und schneidet diese, ist von der Haupt- und
der Abschirmspule 16 und 68 beabstandet und hat
einen Oberflächenabschnitt 22.
Der Hauptteil des Polschuhs 18 ist in Längsrichtung zwischen und radial einwärts der
Haupt- und Abschirmspule 16 und 68 angeordnet.
Das Dewargefäß 20 umschließt die Haupt-
und Abschirmspulen 16 und 18 und hat eine Innenfläche 24,
die teilweise durch den Oberflächenabschnitt 22 des
Polschuhs 18 begrenzt oder definiert ist. Die zweite Baugruppe 26 umfasst
eine supraleitende Hauptspule 28, eine supraleitende Abschirmspule 70,
einen magnetisierbaren und im Wesentlichen zylinderförmigen Polschuh 30 und
ein Dewargefäß 32 für ein kryogenes
Fluid. Die supraleitende Hauptspule 28 ist im Wesentlichen
koaxial mit der Achse 12 ausgerichtet und führt einen
zweiten elektrischen Hauptstrom in der vorgenannten ersten Richtung.
Die supraleitende Abschirmspule 70 ist im Wesentlichen
koaxial mit der Achse 12 ausgerichtet, ist in Längsrichtung
außer halb
der Hauptspule 28 angeordnet und führt einen zweiten elektrischen
Abschirmstrom in der vorgenannten entgegengesetzten Richtung. Der
Polschuh 30 ist im Wesentlichen mit der Achse 12 ausgerichtet
und schneidet diese, ist von den Haupt- und Abschirmspulen 28 und 70 beabstandet
und hat einen Oberflächenabschnitt 34.
Der Hauptteil des Polschuhs 30 ist in Längsrichtung zwischen und radial
einwärts
der Haupt- und Abschirmspulen 28 und 70 angeordnet.
Das Dewargefäß 32 umschließt die Haupt-
und Abschirmspulen 28 und 70 und hat eine Innenfläche 36,
die teilweise durch den Oberflächenabschnitt 34 des
Polschuhs 30 begrenzt oder definiert ist.
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In
einem Aufbau umfasst der offene Magnet 10 zudem im Wesentlichen
nicht magnetisierbare Spulenhalterungen 38 und 72,
die an dem Polschuh 18 befestigt sind und die Haupt- und Abschirmspulen 16 und 68 der
ersten Baugruppe 14 halten, und er umfasst ferner im Wesentlichen
nicht magnetisierbare Spulenhalterungen 40 und 74,
die an dem Polschuh 30 angebracht sind und die Haupt- und
Abschirmspulen 28 und 70 der zweiten Baugruppe 26 halten.
In einer Ausführung
umfasst der offene Magnet 10 zudem im Wesentlichen nicht
magnetisierbare erste 42 und zweite Stützpfosten (nicht gezeigt, jedoch
identisch mit dem ersten Stützpfosten 42),
die jeweils ein erstes Ende haben, das an den Polschuh 18 der
ersten Baugruppe 14 befestigt ist, die jeweils ein zweites
Ende haben, das an dem Polschuh 30 der zweiten Baugruppe
befestigt ist, und die jeweils einen Oberflächenabschnitt 44 haben.
In dieser Ausführung
umfasst der offene Magnet 10 ferner erste 46 und
zweite Dewarleitungen (nicht gezeigt, jedoch mit der ersten Dewarleitung 46 identisch),
die jeweils in Fluidverbindung mit dem Dewargefäß 20 der ersten Baugruppe 14 und
dem Dewargefäß 32 der
zweiten Baugruppe 26 sind. Die erste Dewarleitung 46 hat eine
Innenfläche 48,
die teilweise durch den Oberflächenabschnitt 44 des
ersten Stützpfosten 42 definiert oder
begrenzt ist, und die zweite Dewarleitung hat eine Innenfläche, die
teilweise durch den Oberflächenabschnitt
des zweiten Stützpfostens
definiert oder begrenzt ist. In diesem Beispiel umfasst der offene
Magnet 10 zusätzlich
eine thermische Abschirmung 58 und ein Vakuumgefäß 60.
Die thermische Abschirmung 58 ist von dem Polschuh 18 und 30 sowie
dem Dewargefäß 20 und 32 der
ersten und zweiten Baugruppe 14 und 26, dem ersten 42 und
zweiten Stützpfosten
und der ersten 46 und zweiten Dewarleitung beabstandet
und umschließt
im Wesentlichen diese Elemente. Der Vakuumbehälter 60 ist von der thermischen
Abschirmung 58 beabstandet und umschließt diese hermetisch. Es ist
anzumerken, dass der erste Stützpfosten 42 und
die erste Dewarleitung 46 innerhalb eines ersten Abschnitts 76 des
Vakuumgefäßes 60 angeordnet
sind, dass der zweite Stützpfosten
und die zweite Dewarleitung innerhalb eines zweiten Abschnitts 78 des
Vakuumbehälters
angeordnet sind, und dass diese ersten und zweiten Abschnitte 76 und 78 des
Vakuumbehälters 60 in 1 gezeigt
sind. Im Betrieb weist der Magnet 10 das vorgenannte kryogene
Fluid 64 und einen Magnetresonanzbilderzeugungsraum 66 (auch
lediglich als "Bilderzeugungsraum" bekannt) auf. In
einem Aufbau sind der erste 42 und der zweite Stützpfosten
(von den einschließenden
ersten und zweiten Abschnitten 76 und 78 des Vakuumbehälters 60 aus
gesehen, wie in 1 gezeigt ist) in Winkelrichtung
zwischen im Wesentlichen 110° und
150° um
die Achse 12 beabstandet und radial außerhalb des Bilderzeugungsraums 66 angeordnet.
In einem Beispiel ist eine Winkelteilung von im Wesentlichen 130° vorgesehen,
um den Patienten (nicht gezeigt) bequem in dem Bilderzeugungsraum 66 positionieren
zu können.
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In
einer Anwendung hat der offene Magnet 10 ein Magnetfeld
in seinem Bilderzeugungsraum 66 von im Wesentlichen 1,4
bis 1,5 Tesla. In einer Ausrichtung des offenen Magneten 10 sind
die ersten und zweiten Abschnitte 76 und 78 des
Vakuumbehälters 60 horizontal
ausgerichtet (wie in 1 gezeigt ist) und der Patient
würde üblicherweise
in einer stehenden Position innerhalb des Bilderzeugungsraums 66 sein.
In einer anderen Ausrichtung (nicht gezeigt) des offenen Magneten 10 sind
der erste und zweite Abschnitt 76 und 78 des Vakuumbehälters 60 vertikal ausgerichtet
und der Patient würde üblicher
Weise auf einer Bahre innerhalb des Bilderzeugungsraums 66 liegen.
Es ist anzumerken, dass die Polschuhe 18 und 30 die
Hauptstütze
des Magneten 10 einschließlich der Spulen 16, 28, 68 und 70 sowie
der Dewargefäße 20 und 32 bilden,
und dass die Polschuhe 18 und 30 geformt sind
(beispielsweise Ringstufen haben), um ein gleichmäßigeres
Magnetfeld innerhalb des Bilderzeugungsraums 66 zu schaffen.
Jede weitere Korrektur der Magnetfeldinhomogenitäten kann durch aktives Glätten oder
Trimmen (shimming) verwirklicht werden, wie dem Fachmann bekannt
ist. Es ist ferner anzumerken, dass in dem in den Figuren gezeigten
Beispiel der Magnet 10 für jede Baugruppe 14 und 26 ausgelegt
ist, eine dem Bilderzeugungsraum 66 zugewandte Aussparung 80 für ein geteiltes Paar
flacher abgeschirmter Gradienten/RF-Spulen in dem Vakuumraum 60 zu
haben, wobei die Polflächen der
Polschuhe 18 und 30 nicht laminiert sind, wie
für den
Fachmann zu erkennen ist.
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Das
Verfahren der Erfindung ist ein Verfahren zur Schaffung eines homogenen
Magnetresonanzbilderzeugungsraums 66 für einen supraleitenden Magneten 10 mit
einem magnetisierbaren Polschuh 18 und einer supraleitenden
Hauptspule 16, wobei im Betrieb die Hauptspule 16 eine
kritische Temperatur hat (d.h. eine Temperatur bei der oder unterhalb
der Supraleitung auftritt). Das Verfahren umfasst das Kühlen der
Hauptspule 16 auf eine Temperatur gleich oder niedriger
als die kritische Temperatur und das Kühlen des Polschuhs 18 auf
eine Temperatur gleich oder im Wesentlichen gleich der Tem peratur
der Hauptspule 16. Während
des Betriebs des Magneten 10 sind die Hauptspule 16 und
der Polschuh 18 der ersten Baugruppe 14 durch
einen Kühlkopf
(nicht gezeigt) eines Kryokühlers
und/oder durch eine kryogenes Fluid oder dergleichen gekühlt.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
umfasst ferner die Schritte a) bis d). Schritt a) umfasst die Bereitstellung
einer im Wesentlichen nicht magnetisierbaren Spulenhalterung 38.
Schritt b) umfasst die Befestigung der Spulenhalterung 38 an
dem Polschuh 18. Schritt c) umfasst die Abstützung der
Hauptspule 16 mit der Spulenhalterung 38. Schritt
d) umfasst die Auslegung und Anordnung eines Dewargefäßes 20 für ein kryogenes
Fluid, das die Hauptspule 16 umgibt und eine Innenfläche 24 hat,
die teilweise durch einen Oberflächenabschnitt 22 des
Polschuhs 18 definiert oder begrenzt ist.
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In
einer Umsetzung des Verfahrens wird ein Schritt hinzugefügt, um eine
thermische Abschirmung 58 anzuordnen, die den Polschuh 18 und
das Dewargefäß 20 im
Wesentlichen umschließt
und davon beabstandet ist. In dieser Umsetzung wird ein weiterer
Schritt hinzugefügt,
um einen Unterdruckbehälter 60 anzuordnen,
der die thermische Abschirmung 58 hermetisch umschließt und davon
beabstandet ist. Ein weiterer Schritt wird hinzugefügt, um ein
kryogenes Fluid 64 in das Dewargefäß 20 einzubringen.
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In
einer Anwendung des Verfahrens in Schritt d) ist das Dewargefäß 20 so
ausgebildet, dass der Oberflächenabschnitt 22 des
Polschuhs 18 zwischen im Wesentlichen 40 % und im Wesentlichen
60 % der Gesamtoberfläche
des Polschuhs 18 beträgt.
In der gleichen oder einer anderen Anwendung wird in Schritt d)
das Dewargefäß 20 so
ausgebildet, dass es ein Leervolumen hat, wobei mindestens im Wesentlichen
60 % des Leervolumens in Längsrichtung
außerhalb
des Polschuhs 18 angeordnet sind.
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Ein
weiteres Verfahren gemäß der Erfindung umfasst
die Schritte a) bis j) und ist ein Verfahren zur Schaffung von Kompaktheit
und einem homogenen Magnetresonanzbilderzeugungsraum 66 für einen supraleitenden
offenen Magneten 10 mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden Achse 12 und
in Längsrichtung
voneinander beabstandeten und im Wesentlichen koaxial ausgerichteten
ersten und zweiten Baugruppen 14 und 26, die jeweils
einen magnetisierbaren und im Wesentlichen zylinderförmigen Polschuh 18 und 30,
der die Achse 12 schneidet, eine supraleitende Hauptspule 16 und 28 sowie
eine supraleitende Abschirmspule 68 und 70 haben. Schritt
a) umfasst die Bereitstellung von im Wesentlichen nicht magnetisierbaren
ersten Spulenhalterungen 38 und 72. Schritt b)
umfasst die Anbringung der ersten Spulenhalterungen 38 und 72 an
dem Polschuh 18 der ersten Baugruppe 14. Schritt
c) umfasst die Abstützung
der Haupt- und Abschirmspulen 16 und 68 mit den
ersten Spulenhalterungen 38 und 72 der ersten
Baugruppe 14. Schritt d) umfasst die Auslegung und Anordnung
eines Dewargefäßes 20 für ein kryogenes
Fluid die Haupt- und Abschirmspulen 16 und 68 der
ersten Baugruppe 14 umgebend, das eine Innenfläche 24 hat,
die teilweise durch einen Oberflächenabschnitt 22 des
Polschuhs 18 begrenzt oder definiert ist. Schritt e) umfasst
die Bereitstellung von im Wesentlichen nicht magnetisierbaren zweiten Spulenhalterungen 40 und 74.
Schritt f) umfasst die Anbringung der zweiten Spulenhalterungen 40 und 74 an
dem Polschuh 30 der zweiten Baugruppe 26. Schritt
g) umfasst die Abstützung
der Haupt- und Abschirmspulen 28 und 70 mit den
zweiten Spulenhalterungen 40 und 74 der zweiten
Baugruppe 26. Schritt h) umfasst die Auslegung und Anordnung
eines Dewargefäßes 32 für ein kryogenes
Fluid die Haupt- und
Abschirmspulen 28 und 70 der zweiten Baugruppe 26 umge bend,
das eine Innenfläche 36 hat,
die teilweise durch einen Oberflächenabschnitt 34 des
Polschuhs 30 begrenzt oder definiert ist. Schritt i) umfasst
die Befestigung eines ersten Endes eines im Wesentlichen nicht magnetisierbaren
(ersten) Stützpfostens 42 an
dem Polschuh 18 der ersten Baugruppe 14 und die
Befestigung eines zweiten Endes des (ersten) Stützpfostens 42 an dem
Polschuh 30 der zweiten Baugruppe 26. Schritt
j) umfasst die Auslegung und Anordnung einer (ersten) Dewarleitung 46 in
Fluidverbindung mit dem Dewargefäß 20 der
ersten Baugruppe 14 und dem Dewargefäß 32 der zweiten Baugruppe 26,
wobei die (erste) Dewarleitung 46 eine Innenfläche 48 hat,
die teilweise durch einen Oberflächenabschnitt 44 des
(ersten) Stützpfostens 42 definiert
oder begrenzt ist.
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In
einer Umsetzung des Verfahrens wird ein Schritt hinzugefügt, um eine
thermische Abschirmung 58 anzuordnen, die im Wesentlichen
die Polschuhe 18 und 30 sowie Dewargefäße 20 und 32 der ersten
und zweiten Baugruppe 14 und 26 sowie den (ersten)
Stützpfosten 42 und
die (erste) Dewarleitung 46 umschließt und davon beabstandet ist.
In dieser Umsetzung wird ein weiterer Schritt hinzugefügt, um einen
Vakuumbehälter 60 anzuordnen,
der die thermische Abschirmung 58 hermetisch umschließt und davon
beabstandet ist. Es wird ein weiterer Schritt hinzugefügt, um ein
kryogenes Fluid 64 in die Dewargefäße 20 und 32 der
ersten und zweiten Baugruppe 26 und in die (erste) Dewarleitung 46 einzubringen.
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In
einer Anwendung des Verfahrens wird in Schritt d) das Dewargefäß 20 der
ersten Baugruppe 14 so ausgebildet, dass der Oberflächenabschnitt 22 des
Polschuhs 18 zwischen im Wesentlichen 40 % und im Wesentlichen
60 % der Gesamtoberfläche des
Polschuhs 18 beträgt,
und in Schritt h) wird das Dewargefäß 32 der zweiten Baugruppe 26 so
ausgelegt, dass der Oberflächenabschnitt 34 des
Polschuhs 30 zwischen im Wesentlichen 40 % und im Wesentlichen
60 % der Gesamtoberfläche
des Polschuhs 30 beträgt.
In der gleichen oder einer anderen Anwendung wird in Schritt d)
das Dewargefäß der ersten
Baugruppe 14 so ausgebildet, dass es ein Leervolumen hat,
wobei mindestens im Wesentlichen 60 % des Leervolumens des Dewargefäßes 20 in Längsrichtung
außerhalb
des Polschuhs 18 angeordnet sind, und in Schritt h) wird
das Dewargefäß 32 der zweiten
Baugruppe 26 so ausgebildet, dass es ein Leervolumen hat,
wobei mindestens im Wesentlichen 60 % des Leervolumens des Dewargefäßes 32 in Längsrichtung
außerhalb
des Polschuhs 30 angeordnet sind. In einem Beispiel wird
in Schritt j) die (erste) Dewarleitung 46 so ausgebildet,
dass sie ein Leervolumen hat, das vollständig radial außerhalb
des (ersten) Stützpfostens 42 angeordnet
ist.
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Verschiedene
Vorzüge
und Vorteile werden mit der Erfindung erhalten. Indem der Polschuh
zu einem tieftemperaturgekühlten
Polschuh gemacht wird, schafft dies eine größere Magnetfeldhomogenität innerhalb
des Bilderzeugungsraums des Magneten, indem Magnetfeldinhomogenitäten eliminiert werden,
die durch Temperaturveränderungen
eines herkömmlichen
Raumtemperaturpolschuhs hervorgerufen sind, die durch Änderungen
der Raumtemperatur bedingt sind. Indem der Polschuh ein Teil des Dewargefäßes gemacht
wird, wird Kompaktheit erreicht, indem auf den zusätzlichen
Raum verzichtet wird, der andernfalls für einen tieftemperaturgekühlten Polschuh
gemäß der Erfindung
erforderlich wäre, der
vollständig
durch ein Dewargefäß für kryogenes Fluid
umgeben ist.
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Es
ist anzumerken, dass der Fachmann unter Verwendung von Computersimulationen
auf der Basis herkömmlicher
Magnetfeldanalysentechniken und unter Verwendung der Lehre der vorliegenden Erfindung
einen abgeschirmten supraleitenden offenen Magneten 10 mit
einer gewünschten
Magnetfeldstärke, einer
gewünschten
Magnetfeldinhomogenität und
einem gewünschten
Abschirmpegel (d.h. eine gewünschte
Position des 5-Gauss-Streufelds von der Mitte des Bilderzeugungsraums 66 des
supraleitenden offenen Magneten) auslegen kann. Der Polschuh verstärkt die
Stärke
des Magnetfelds, so dass weniger Supraleiter in der Hauptspule erforderlich
ist. Der radial äußerste Abschnitt
des Polschuhs schafft einen Rückfluss
eines Teils des magnetischen Flusses für die Hauptspule, was die in
dem Polschuh erforderliche Eisenmenge verringert und die in der Hauptspule
erforderliche Menge an Supraleiter vermindert. Der radial äußerste Abschnitt
des Polschuhs entkoppelt zudem magnetisch die Abschirmspule von
der Hauptspule, so dass die magnetischen Flusslinien von der Abschirmspule
durch den radial äußersten
Abschnitt des Polschuhs eingefangen werden und die magnetischen
Flusslinien von der Hauptspule nicht erreichen. Somit muss die Eisenmasse
des Polschuhs nicht vergrößert werden,
und die Menge an Supraleiter in der Hauptspule muss nicht vergrößert werden,
um die Feldsubtraktionseffekte der magnetischen Flusslinien von
der Abschirmspule auszugleichen, weil diese durch die Anwesenheit
des radial äußersten
Abschnitts des Polschuhs blockiert sind.
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Computersimulationen
zeigen, dass ein 1,4 Tesla MRI (Magnetresonanzbilderzeugungs-) Magnet,
wie er in den Figuren gezeigt ist und einen kugelförmigen Bilderzeugungsbereich
mit 35 cm Durchmesser hat, etwa 16.300 kg (30.000 Pfund) wiegen würde und
ein 5-Gauss-Streufeld haben würde,
das sich 4,5 m vertikal und 5,5 m horizontal von der Mitte des Bilderzeugungsraums 66 erstreckt.
Das 5-Gauss-Streufeld kann durch die Verwendung eines 6.520 kg (12.000
Pfund) Raumschilds auf 2,5 m vertikal und 3,5 m horizontal beschränkt werden.
Der Magnet würde
in einen 180 cm Würfel
passen (d.h. ein Würfel
mit Länge
= Breite = Höhe
= 180 cm). Die vorhergehende Beschreibung verschiedener Aus gestaltungen
eines Ausführungsbeispiels
des Magneten gemäß der Erfindung
und verschiedene Methoden, die sich darauf beziehen, wurden erläuternd präsentiert.
Dies soll nicht erschöpfend
sein oder die Erfindung auf die genauer beschriebene Form beschränken und
es sind verschiedene Modifikationen und Variationen im Lichte der
oberen Lehre möglich. Der
Bereich der Erfindung soll durch die nachfolgenden Ansprüche definiert
sein.
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Ein
Magnet, wie ein offener Magnetresonanzbilderzeugungsmagnet (MRI)
hat eine ersten Baugruppe, die eine supraleitende Hauptspule und einen
magnetisierbaren Polschuh hat, der während des Betriebs des Magneten
eine Temperatur hat, die im Wesentlichen gleich der Temperatur der Hauptspule
ist. In einem Beispiel umschließt
ein Dewargefäß für ein kryogenes
Fluid (z.B. flüssiges
Helium) die Hauptspule und das Dewargefäß hat eine Innenfläche, die
teilweise durch einen Oberflächenabschnitt
des Polschuhs definiert ist. Ein Verfahren zur Schaffung eines homogenen
Bilderzeugungsraums für
einen Magneten umfasst Schritte zum Aufbau des zuvor beschriebenen
Magneten.