DE10156234C1 - Supraleitfähiges NMR-Magnetspulensystem mit Driftkompensation und Betriebsverfahren - Google Patents
Supraleitfähiges NMR-Magnetspulensystem mit Driftkompensation und BetriebsverfahrenInfo
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Abstract
Ein supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-Magnetspulensystem mit Induktivität L¶0¶ zur Erzeugung eines homongenen Magnetfelds B¶0¶, das von einem supraleitfähigen Schalter (SO) kurzgeschlossen wird, welcher im Dauerbetrieb vom Betriebsstrom I¶0¶ durchflossen wird, wobei weitere supraleitende Schalter (S1, S2, ..., Sn-1) zwischen je zwei Punkten (P1, Q,1), (P2, Q2), ..., (Pn-1, Qn-1) der Wicklung des Magnetspulensystem vorgesehen sind, die im Betrieb einen oder mehrere disjunkte Teilbereiche (1, 2, ..., n-1) mit den Induktivitäten L¶1¶, L¶2¶, ..., L¶n-1¶, welche Magnetfeldbeiträge B¶1¶, B¶2¶, ..., B¶n-1¶ zum homogenen Magnetfeld B¶0¶ erzeugen, separat supraleitend kurzschließen, ist dadurch gekennzeichnet, dass gilt: DOLLAR F1 wobei B¶n¶ der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B¶0¶ des um die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, ..., n-1) reduzierten Restbereichs (n) des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität L¶n¶ aufweist und (L·-1·)¶jn¶ den Eintrag der j-ten Zeile und n-ten Spalte der Inversen der gesamten Induktivitätsmatrix des Magnetspulensystems bezeichnet, und wobei L¶0¶ die gesamte Magnetinduktivität (Summe aller Einträge der Induktivitätsmatrix) ist. Damit kann ohne großen technischen Aufwand ohne Verwendung einer separaten Driftkompensationsspule und auch bei bereits vorhandenen Spulensystemen eine durch einen Restwiderstand in einer Wicklung der supraleitfähigen Leiterstrukturen des Spulensystems hervorgerufene ...
Description
Die Erfindung betrifft ein supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes
NMR (= Kernspinresonanz)-Magnetspulensystem mit Induktivität L0
zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds B0 in einem Mess
volumen, wobei das Magnetspulensystem von mindestens einem
supraleitfähigen Schalter kurzgeschlossen wird, welcher im Dauer
betrieb (= persistent mode) vom Betriebsstrom I0 durchflossen wird, und
wobei ein oder mehrere weitere supraleitende Schalter zwischen je
zwei Punkten der Wicklung des Magnetspulensystems vorgesehen
sind, die im Betrieb einen oder mehrere disjunkte Teilbereiche des
Magnetspulensystems mit den Induktivitäten L1, L2, . . ., Ln-1, welche im
Messvolumen Magnetfeldbeiträge B1, B2, . . ., Bn-1 zum homogenen
Magnetfeld B0 erzeugen, separat supraleitend kurzschließen.
Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der DE 199 30 412 C1
bekannt.
Das Einsatzgebiet von supraleitenden Magneten umfasst verschiedene
Anwendungsfelder. Dazu gehören insbesondere Magnetresonanz
verfahren, wobei zwischen bildgebenden Verfahren (Magnetic
Resonance Imaging = MRI) und spektroskopischen Verfahren unter
schieden wird. Um in solchen Verfahren eine gute örtliche bzw.
spektrale Auflösung zu erreichen, muss das Magnetfeld im Mess
volumen eine gute Homogenität aufweisen, die in der Regel kleiner als
1 ppm sein sollte.
Andererseits werden für diese Untersuchungen immer höhere Magnet
feldstärken benötigt. Viele Magnetresonanzapparaturen sind daher mit
supraleitfähigen Magnetspulensystemen ausgestattet, die im supra
leitend kurzgeschlossen Dauerbetrieb über sehr lange Zeiträume ohne
die Notwendigkeit eines den Messbetrieb unterbrechenden (und wegen
eventuell erforderlicher Nachjustagen oft erheblich störenden) Nach
ladevorgangs arbeiten können.
Allerdings sind selbst Supraleiter unterhalb der Sprungtemperatur in der
Realität nicht völlig frei von elektrischem Restwiderstand. Dieser kann,
bedingt durch nicht vorhersehbare und in der Regel auch nicht nach
vollziehbare, oftmals fertigungsbedingt auftretende Unterschiede in den
verschiedenen Wicklungen eines NMR-Magnetspulensystems um
Größenordnungen differieren.
Derartige Restwiderstände in den Wicklungen des Magnetspulen
systems bewirken eine Stromänderung des Betriebsstroms I0, die zu
einer Änderung der Stärke des homogenen Magnetfelds B0 und somit
zu einer Drift der in der NMR-Anordnung eingestellten Resonanz
frequenz führt. Typischerweise können derartige Driften in der Größen
ordnung 100 Hz/h bei Magnetspulensystemen mit einer Resonanz
frequenz über 300 MHz liegen.
Ein Ansatz zur Lösung oder zumindest zur Linderung des Driftproblems
bei den NMR-Spektrometern liegt darin, eine separate Driftkompensati
onsspule vorzusehen. Derartige NMR-Spektrometer besitzen als Teil
einer supraleitfähigen Shimeinrichtung eine sogenannte z0-Spule, die
zusätzlich zu ihrer eigentlichen Shim-Funktion auch zur Kompensation
der oben beschriebenen Magnetfelddriften sowie zur genaueren Ein
stellung der Resonanzfrequenz der NMR-Anordnung eingesetzt werden
kann. Eine solche z0-Spule kann aber naturgemäß nur sehr kleine
Driften kompensieren, so dass bei supraleitenden Magnetsystemen, die
eine Spulenwicklung mit etwas größerem Restwiderstand aufweisen,
das oben beschilderte Driftproblem nicht oder nicht ausreichend beho
ben werden kann.
In der eingangs zitierten DE 199 30 412 C1 ist ein NMR-Magnetspulen
system beschrieben, welches über eine Einrichtung zur Kompensation
externer Magnetfeldstörungen verfügt. Da jedoch die Magnetfelddrift
aufgrund eines Restwiderstands in den supraleitenden Spulenwick
lungen vom Magnetsystem selbst herrührt, kann mit dieser bekannten
Anordnung eine solche Drift nicht kompensiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein NMR-Magnetspulen
system mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend weiter
zubilden, dass ohne großen technischen Aufwand, ohne Verwendung
einer separaten Driftkompensationsspule und möglichst auch bei
bereits vorhandenen Spulensystemen eine durch einen Restwiderstand
in einer Wicklung der supraleitfähigen Leiterstrukturen des Spulen
systems hervorgerufene Magnetfeld-Drift zumindest in einem erheb
lichen Umfang kompensiert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überraschend ein
fache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, dass gilt:
wobei Bn der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B0 des um
die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche reduzierten
Restbereichs des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität Ln auf
weist und (L-1)jn den Eintrag der j-ten Zeile und n-ten Spalte der
Inversen der gesamten Induktivitätsmatrix des Magnetspulensystems
bezeichnet, und wobei L0 die gesamte Magnetinduktivität (Summe aller
Einträge der Induktivitätsmatrix) ist.
Damit gelingt es mit technisch leicht zu realisierenden Mitteln,
Magnetfelddriften aufgrund von erratisch auftretenden Restwider
ständen in Bereichen der supraleitfähigen Leiterstrukturen eines
gattungsgemäßen NMR-Magnetspulensystems ohne die Verwendung
einer zusätzlichen Driftkompensationsspule sehr effektiv zu kompensie
ren. Die Erfindung kann auch an bereits bestehenden supraleitfähigen
NMR-Magnetspulensystemen verwirklicht werden, da kein zusätzlicher
Platzbedarf erforderlich wird.
Der "Trick" der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass durch
separates supraleitendes Kurzschließen geeigneter Teilbereiche des
Magnetspulensystems gegenüber dem insgesamt supraleitend kurz
geschlossenen Restbereich die Stromdrift und damit auch die Magnet
felddrift im Wesentlichen ausgeglichen werden kann. Um zu verwert
baren Ergebnissen zu gelangen, muss die oben beschriebene
Bedingung für die Größe α eingehalten werden, weil α dem Verhältnis
der Magnetfelddrift mit kurzgeschlossenen Teilbereichen zur Magnet
felddrift ohne kurzgeschlossene Teilbereiche entspricht.
Die Erfindung lässt sich durch Einbau eines oder mehrerer zusätzlicher
oder bereits in der Apparatur vorhandener supraleitender Schalter rela
tiv einfach realisieren. Beim Laden des NMR-Magnetsystems werden
die Zusatzschalter ebenfalls beheizt. Sobald das System in den
Betriebsmodus übergeht, werden die Schalter kurzgeschlossen und
bewirken so die Kompensation der Drift.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Magnetanordnung, bei der genau ein weiterer supraleitender Schalter
zwischen zwei Punkten P1 und Q1 der Wicklung des Magnetspulen
systems vorgesehen ist, der im Betrieb einen Teilbereich des Magnet
spulensystems mit der Induktivität L1, welcher im Messvolumen einen
Magnetfeldbeitrag B1 zum homogenen Magnetfeld B0 erzeugt, separat
supraleitend kurzschließt, und dass gilt:
wobei B2 der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B0 des um
den separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereich reduzierten
Restbereichs des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität L2 und
die Gegeninduktivität L12 bezogen auf den separat supraleitend
kurzgeschlossenen Teilbereich aufweist.
In dieser einfachen Anordnung ist lediglich ein Zusatzschalter zum
Kurzschließen eines Teilbereichs gegenüber dem Restbereich des
Magnetspulensystems vorgesehen. In der Regel werden NMR-Hoch
feldmagnetsysteme aus koaxial ineinander verschachtelten Wicklungs
sektionen aufgebaut. Tritt bei einer dieser Sektionen ein erhöhter Rest
widerstand auf, so kann durch separates supraleitendes Kurzschließen
einer oder mehrerer geeigneter Sektionen (zusätzlich zum supraleiten
den Kurzschluss der Gesamtanordnung im Dauerbetrieb) auf einfache
Weise die Magnetfelddrift in einem erheblichen Maß kompensiert
werden, so dass ein aufwendiges und in der Regel sehr teures Austau
schen der fehlerbehafteten Spulensektion gegen eine andere (die sich
hinterher ebenfalls als fehlerbehaftet herausstellen könnte) vermieden
wird.
Wie oben erwähnt, sollte zur Erzielung eines nennenswerten Kompen
sationseffektes der Wert der Größe α kleiner oder gleich 0.8 gewählt
werden. Noch besser sollten die Parameter so eingestellt werden, dass
gilt α ≦ 0.5, vorzugsweise α ≦ 0.2, besonders bevorzugt α ≦ 0.05.
Dies entspricht einer Reduktion der Magnetfelddrift auf 50%, bzw. 20%,
bzw. 5% des Wertes ohne supraleitend kurzgeschlossene Teilbereiche.
Besonders bevorzugt ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei
der die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche und der
Restbereich des Magnetspulensystems so aufgebaut sind, dass der
Restbereich einen weitgehend homogenen Magnetfeldbeitrag Bn zum
homogenen Magnetfeld B0 im Messvolumen erzeugt.
Bei einer einfachen Weiterbildung der oben beschriebenen Ausfüh
rungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung ist vorgesehen,
dass die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche und der
Restbereich des Magnetspulensystems jeweils eine Homogenisie
rungseinrichtung zur Homogenisierung des vom jeweiligen Teilbereich
bzw. Restbereich im Messvolumen erzeugten Magnetfeldbeitrags Bj
aufweisen, und dass die Homogenisierungseinrichtungen der verschie
denen Bereiche räumlich voneinander getrennt angeordnet sind. Insbe
sondere können derartige Homogenisierungseinrichtungen aus zusätz
lichen Homogenisierungswicklungen zu den supraleitfähigen Leiter
strukturen des NMR-Magnetspulensystems bestehen.
Besonders günstig ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei
der die Homogenisierungseinrichtungen auch räumlich getrennt von
den felderzeugenden Wicklungen des jeweils zugehörigen Teilbereichs
bzw. des Restbereichs des Magnetspulensystems angeordnet sind.
Damit ergeben sich vor allem bei der Nachrüstung eines bereits vor
handenen NMR-Magnetspulensystems mit der Erfindung erhebliche
topologische Vorteile.
Besonders bevorzugt ist auch eine Weiterbildung der oben beschriebe
nen Ausführungsformen der Erfindung, bei der der Gradient zweiter
Ordnung im Magnetfeldbeitrag Bj des jeweiligen Bereichs im
Messvolumen weitgehend verschwindet.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Magnetanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass
Shimspulen vorgesehen sind, und dass sämtliche Teilbereiche und der
Restbereich des Magnetspulensystems, welche Magnetfeldbeiträge Bj
zum homogenen Magnetfeld B0 im Messvolumen liefern, von den
Shimspulen, insbesondere von z2-Shimspulen entkoppelt sind.
Dadurch ergibt sich keine Verstellung der Shimwerte bei einer eventu
ellen Spulendrift.
Alternativ kann bei anderen Ausführungsformen der erfindungsgemä
ßen Magnetanordnung mindestens ein zusätzlicher, im Betrieb supra
leitend kurzgeschlossener Strompfad vorgesehen sein, der mit den
Teilbereichen bzw. dem Restbereich des Magnetspulensystems induk
tiv gekoppelt ist. Dieser zusätzliche Strompfad kann auch als Shim
ausgelegt werden und dient zur Beibehaltung der Homogenität der
Gesamtanordnung, wobei keine in Serie mit den Teilbereichen des
Magnetspulensystems geschaltete Homogenisierungswicklungen ein
gesetzt werden.
Diese Ausführungsform der Erfindung kann bei einer Weiterbildung
dadurch verbessert werden, dass der (die) zusätzliche(n) Strompfad(e)
so ausgelegt ist (sind), dass er (sie) im Betrieb aufgrund der induktiven
Aufladung ein Shim-Feld im Messvolumen erzeugt (erzeugen), welches
sich während des Betriebs aufbauende Inhomogenitäten des von den
Teilbereichen und vom Restbereich des Magnetspulensystems im
Messvolumen erzeugten Magnetfelds laufend kompensiert.
Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Magnetanordnung, bei der das Magnetspulensystem sektio
niert aufgebaut ist, und zumindest einer der separat supraleitend
kurzgeschlossenen Teilbereiche mit jeweils einer bzw. mehreren der
Sektionen zusammenfällt. Ein Spulensystem mit einer derartig sektio
nierten Aufbauweise ist besonders einfach zu handhaben. Insbeson
dere können die Teilbereiche über bereits vorhandene Joints entspre
chend der erfindungsgemäßen Lehre separat supraleitend kurz
geschlossen werden.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform sind zusätzlich zu den
äußeren elektrischen Anschlussleitungen der einzelnen Sektionen noch
weitere elektrische Anschlussleitungen mit Abgriffpunkten an aus
gewählten Punkten innerhalb der Sektionen des Magnetspulensystems
vorgesehen. Damit lassen sich noch feiner abgestimmte Kompensa
tionseffekte erzielen.
Eine weitere Verbesserung kann darin bestehen, dass die Abgriffpunkte
für die weiteren elektrischen Anschlussleitungen quasi-kontinulierlich
wicklungslagenweise an den Sektionen des Magnetspulensystems
angeordnet sind. Hierdurch wird die Möglichkeit einer optimal feinen
Driftkompensation eröffnet.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Magnetanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzlich zum
Magnetspulensystem ferromagnetische Elemente vorgesehen sind, die
einen zusätzlichen Magnetfeldbeitrag ΔB0 zum Magnetfeld B0 im
Messvolumen liefern, wobei das gesamte Magnetfeld B = B0 + ΔB0 im
Messvolumen homogen ist. Damit ergeben sich einerseits auf technisch
leicht zu realisierende Weise zusätzliche Shim-Möglichkeiten, anderer
seits tragen die ferromagnetischen Elemente zur Magnetfelderhöhung
im Messvolumen bei.
Vorteilhaft schließlich ist auch eine Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Magnetanordnung, bei der mindestens einer der weiteren
supraleitenden Schalter in Serie mit einem supraleitenden Strom
begrenzer geschaltet ist. Dabei kann beispielsweise im Falle einer
spontanen Öffnung des Hauptschalters während des Betriebs der
supraleitend kurzgeschlossene Teilbereich nicht bis zum Eintreten
eines Quench induktiv aufgeladen werden. Eine derartige Anordnung
mit supraleitendem Kurzschluss und Strombegrenzer über einem Teil
bereich des Magnetspulensystems, genauer gesagt über der Haupt
spule eines aktiv abgeschirmten Magnetsystems, ist an sich bekannt
aus der US-A 4,926,289. In der bekannten Anordnung dient der supra
leitende Kurzschluss jedoch zur Störkompensation und die Anordnung
erfüllt aus diesem Grund nicht die Bedingung für eine erfindungs
gemäße Driftkompensation.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum
Betrieb eines supraleitfähige Leiterstrukturen umfassenden NMR
(= Kernspinresonanz)-Magnetspulensystems, insbesondere der oben
beschriebenen Art, mit Induktivität L0 zur Erzeugung eines homogenen
Magnetfelds B0 in einem Messvolumen, wobei das Magnetspulen
system von mindestens einem supraleitfähigen Schalter kurzgeschlos
sen wird, welcher im Dauerbetrieb (= persistent mode) vom Betriebs
strom I0 durchflossen wird, und wobei ein oder mehrere weitere supra
leitende Schalter zwischen je zwei Punkten der Wicklung des Magnet
spulensystems vorgesehen sind, die im Betrieb einen oder mehrere
disjunkte Teilbereiche des Magnetspulensystems mit den Induktivitäten
L1, L2, . . ., Ln-1, welche im Messvolumen Magnetfeldbeiträge B1, B2, . . .,
Bn-1 zum homogenen Magnetfeld B0 erzeugen, separat supraleitend
kurzschließen.
Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die
Teilbereiche zu Beginn des Dauerbetriebs des Magnetspulensystems
separat supraleitend kurzgeschlossen werden, und dass gilt:
wobei Bn der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B0 des um
die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1)
reduzierten Restbereichs (n) des Magnetspulensystems ist, der die
Induktivität Ln aufweist und (L-1)jn den Eintrag der j-ten Zeile und
n-ten Spalte der Inversen der gesamten Induktivitätsmatrix des
Magnetspulensystems bezeichnet, und wobei L0 die gesamte Magnet
induktivität (Summe aller Einträge der Induktivitätsmatrix) ist. Damit
lässt sich die oben gestellte Erfindungsaufgabe vollständig lösen.
Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird der Betriebsstrom I0 bei geöffnetem supraleitfähigem
Schalter S0 und geschlossenen weiteren supraleitenden Schaltern (S1,
S2, . . ., Sn - 1) in festlegbaren Zeitintervallen nachgeladen. Die durch
den Restwiderstand in einem Teilbereich des Magnetspulensystems im
Lauf der Zeit dissipierte Energie wird dadurch ersetzt. Die in der
Zwischenzeit aufgelaufenen Stromabweichungen in den Teilströmen
durch die separat kurzgeschlossenen Teilbereiche können zurück
geführt werden.
Vorteilhaft ist auch eine weitere Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei der während des Aufladens des supraleitenden
Magnetspulensystems schon bei Erreichen eines Ladestromes Ix, der
kleiner ist als der Nennwert des Betriebsstromes I0, mindestens einer
der weiteren supraleitenden Schalter der jeweils separat supraleitend
kurzgeschlossenen Teilbereiche geschlossen wird. Damit wird eine
vorteilhafte negative Stromabweichung des kompensierenden Teil
bereiches bewirkt. Die zeitliche Dauer, bis ein weiteres Nachladen
wegen der sich aufbauenden Stromüberhöhung erforderlich wird, kann
daher wesentlich erhöht werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Zeichnungen und der Beschrei
bung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter
aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß einzeln für sich und zu meh
reren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten
und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende
Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften
Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt und wird anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a eine schematische Darstellung eines NMR-
Magnetspulensystems nach dem Stand der Technik;
Fig. 1b ein elektrisches Ersatzschaltbild des Magnetspulensystems
gemäß Fig. 1a nach dem Stand der Technik;
Fig. 2a eine Ausführungsform der Erfindung mit kurzgeschlossener
mittlerer Sektion des Magnetspulensystems;
Fig. 2b das elektrische Ersatzschaltbild zur Konfiguration nach Fig. 2a;
Fig. 3a eine Ausführungsform mit zwei separat kurzgeschlossenen
Magnetspulensektionen;
Fig. 3b das elektrische Ersatzschaltbild zu Fig. 3a; und
Fig. 4 eine Ausführungsform der Erfindung mit kontinuierlichem
Abgriff für den separat kurzschließbaren Teilbereich.
Eine kurzgeschlossene Spule mit Induktivität L0 und Restwiderstand R,
entlädt sich aufgrund der Verluste im Widerstand R. Die Summe der
Spannungen im geschlossenen Schaltkreis ist null. Die zeitliche
Entwicklung des Magnetstroms I0 ist gegeben durch die Differential
gleichung
Die Magnetfeld-Drift ist definiert als die zeitliche Abnahme des
Magnetfeldes im Messvolumen.
Wenn h0 das Magnetfeld pro Ampere im Messvolumen bezeichnet, ist
die Drift m0 gegeben durch
wobei B0 das Magnetfeld im Messvolumen ist.
Der allgemeinste Fall mit Zusatzschaltern ist in Fig. 3a schematisch
dargestellt.
In diesem Abschnitt wird lediglich der Fall n = 2 behandelt. Da beide
Spulenabschnitte supraleitend kurzgeschlossen sind, ist es irrelevant,
ob der Zusatzschalter den Abschnitt 1 oder 2 überbrückt. Die Verallge
meinerung auf den Fall beliebig vieler Zusatzschalter wird im nächsten
Abschnitt behandelt.
Wie im vorigen Abschnitt wird die Zeitentwicklung der Ströme durch die
folgende Differentialgleichung gegeben
wobei nun R die Diagonalmatrix mit den Widerständen der beiden
Abschnitte bezeichnet. I ist der Stromvektor und L die Induktivitäts
matrix. Die zeitliche Änderung des Stromes der verschiedenen
Abschnitte ist also gegeben durch
Es soll angenommen werden, dass sich der gesamte Widerstand des
Magneten im zweiten Abschnitt befindet. In Komponenten ausgeschrie
ben lautet dann die obige Gleichung
Wird das Magnetfeld des j-ten Abschnittes bei vollem Strom I0 mit Bj
bezeichnet, beträgt die Magnetdrift mit Zusatzschaltern
Für die betrachteten Zeiträume und typische Parameter gilt I2/I1 ≈ 1.
Das Verhältnis der Drift mit Zusatzschalter zur Drift ohne Zusatzschalter
errechnet sich also zu
falls sich der gesamte Widerstand im zweiten Abschnitt befindet, wobei
L0 die gesamte Magnetinduktivität bezeichnet.
Die dimensionslose Zahl α ist der sogenannte Driftfaktor. Die Zahl gibt
an, um welchen Faktor sich die Drift nach dem Schließen des Zusatz
schalters ändert.
In diesem Abschnitt wird die Berechnung der Drift auf den Fall beliebig
vieler Zusatzschalter erweitert. Wie im vorigen Abschnitt wird die Zeit
entwicklung durch die folgende Differentialgleichung gegeben
(R = Diagonalmatrix, L = Induktivitätsmatrix, I = Stromvektor).
Die zeitlichen Änderungen der Ströme in den verschiedenen Abschnit
ten sind also gegeben durch
Für die Parameter typischer Magnetanordnungen und typische Zeit
räume ist es zulässig, alle Komponenten des Stromvektors auf der
rechten Seite der Gleichung durch I0 zu ersetzen. Ferner soll ange
nommen werden, dass sich der gesamte Widerstand des Magneten im
n-ten Abschnitt befindet. Damit reduziert sich die Gleichung auf
Wird das Magnetfeld des j-ten Abschnittes bei vollem Strom I0 wieder
mit Bj bezeichnet, beträgt die Magnetdrift mit Zusatzschaltern
Das Verhältnis der Drift mit Zusatzschaltern zur Drift ohne Zusatz
schalter errechnet sich also zu
wobei L0 die gesamte Magnetinduktivität (Summe aller Einträge der
Induktivitätsmatrix) bezeichnet.
In Fig. 1a ist in sehr schematischer Weise ein NMR-Magnetspulen
system mit drei radial ineinander geschachtelten, elektrisch in Serie
geschalteten, solenoidförmig gewickelten Sektionen 1, 2, 3 in einem
Vertikalschnitt dargestellt. Im Betrieb des supraleitfähigen Magnet
systems ist der innerste Abgriff der innersten Spulensektion 1 mit dem
äußersten Abgriff der äußeren Spulensektion 3 über einen supraleiten
den Schalter S0 supraleitend kurzgeschlossen.
Ein elektrisches Ersatzschaltbild zu der in Fig. 1a gezeigten Magnet
spulenanordnung ist in Fig. 1b gezeigt. Die drei Spulensektionen sind
hier jeweils durch eine Induktivität L1, L2, L3 repräsentiert.
Eine besonders einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung ist in Fig. 2a gezeigt. Gegenüber der in Fig. 1a dargestellten
Anordnung nach dem Stand der Technik ist hier der radial mittlere Teil
bereich 1 mittels eines weiteren supraleitenden Schalters S1 separat
supraleitend kurzgeschlossen. Die radial innerste und die radial
äußerste Spulensektion bilden zusammen den Restbereich n.
Das entsprechende Ersatzschaltbild zur erfindungsgemäßen Anord
nung nach Fig. 2a ist in Fig. 2b dargestellt, wobei die Schalter der
Übersichtlichkeit halber offen, also nicht in der Betriebssituation
gezeichnet sind.
Fig. 3a zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Anordnung, bei der der radial innerste Teilbereich über einen supra
leitenden Schalter S1 und der radial mittlere Teilbereich über einen
supraleitenden Schalter S2 jeweils separat supraleitend kurzgeschlos
sen sind. Der radial äußerste Teilbereich (n) ist nicht für sich supra
leitend kurzgeschlossen; jedoch ist im Betrieb des Magnetspulen
systems der supraleitfähige Schalter S0 ebenfalls geschlossen, welcher
die radial innerste mit der radial äußersten Sektion der Anordnung ver
bindet.
Das der Anordnung nach Fig. 3a entsprechende Ersatzschaltbild ist in
Fig. 3b dargestellt, wobei die supraleitenden Schalter S0, S1, S2
wiederum der Anschaulichkeit halber geöffnet gezeichnet sind. R3
bezeichnet den Restwiderstand im radial äußeren Teilbereich.
Fig. 4 schließlich stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der
ein radial mittlerer Teilbereich 1 über einen weiteren supraleitenden
Schalter S1 supraleitend kurzgeschlossen wird, wobei der Abgriff für
diesen weiteren supraleitenden Schalter S1 quasi kontinuierlich
wicklungslagenweise am Spulensystem angeordnet ist. Der vom weite
ren supraleitenden Schalter S1 nicht kurzgeschlossene Teilbereich des
Magnetspulensystems stellt den Restbereich (n) dar. Das gesamte
Magnetspulensystem ist wiederum im Betrieb über den supraleitfähigen
Schalter S0 insgesamt supraleitend kurzgeschlossen.
Ein elektrisches Ersatzschaltbild für die in Fig. 4 gezeigte Anordnung
wäre das in Fig. 2b dargestellte, wobei der separat supraleitend kurz
geschlossene Teilbereich 1 die Induktivität L1 aufweist und der Rest
bereich (n) die Induktivität Ln.
Claims (18)
1. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR (= Kernspin
resonanz)-Magnetspulensystem, mit Induktivität L0 zur Erzeugung
eines homogenen Magnetfelds B0 in einem Messvolumen, wobei das
Magnetspulensystem von mindestens einem supraleitfähigen Schalter
(S0) kurzgeschlossen wird, welcher im Dauerbetrieb (= persistent
mode) vom Betriebsstrom I0 durchflossen wird, und wobei ein oder
mehrere weitere supraleitende Schalter (S1, S2, . . ., Sn - 1) zwischen je
zwei Punkten (P1, Q1), (P2, Q2), . . ., (Pn - 1, Qn - 1) der Wicklung des
Magnetspulensystem vorgesehen sind, die im Betrieb einen oder
mehrere disjunkte Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) des Magnetspulen
systems mit den Induktivitäten L1, L2, . . ., Ln-1, welche im Messvolumen
Magnetfeldbeiträge B1, B2, . . ., Bn-1 zum homogenen Magnetfeld B0
erzeugen, separat supraleitend kurzschließen,
dadurch gekennzeichnet,
dass gilt:
wobei Bn der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B0 des um die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) reduzierten Restbereichs (n) des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität Ln aufweist und (L-1)jn den Eintrag der j-ten Zeile und n-ten Spalte der Inversen der gesamten Induktivitätsmatrix des Magnetspulensystems bezeichnet, und wobei L0 die gesamte Magnetinduktivität, d. h. die Summe aller Einträge der Induktivitätsmatrix ist.
wobei Bn der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B0 des um die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) reduzierten Restbereichs (n) des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität Ln aufweist und (L-1)jn den Eintrag der j-ten Zeile und n-ten Spalte der Inversen der gesamten Induktivitätsmatrix des Magnetspulensystems bezeichnet, und wobei L0 die gesamte Magnetinduktivität, d. h. die Summe aller Einträge der Induktivitätsmatrix ist.
2. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass genau ein weiterer supraleitender Schalter (S1) zwischen zwei
Punkten P1 und Q1 der Wicklung des Magnetspulensystems
vorgesehen ist, der im Betrieb einen Teilbereich (1) des Magnet
spulensystems mit der Induktivität L1, welcher im Messvolumen einen
Magnetfeldbeitrag B1 zum homogenen Magnetfeld B0 erzeugt, separat
supraleitend kurzschließt, und dass gilt:
wobei B2 der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B0 des um den separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereich (1) reduzierten Restbereichs (2) des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität L2 und die Gegeninduktivität L12 bezogen auf den separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereich (1) aufweist.
wobei B2 der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B0 des um den separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereich (1) reduzierten Restbereichs (2) des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität L2 und die Gegeninduktivität L12 bezogen auf den separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereich (1) aufweist.
3. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass gilt α ≦ 0.5, vorzugsweise
α ≦ 0.2, besonders bevorzugt α ≦ 0.05.
4. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die separat supraleitend
kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) und der Restbereich
(n) des Magnetspulensystems so aufgebaut sind, dass der
Restbereich (n) einen weitgehend homogenen Magnetfeldbeitrag Bn
zum homogenen Magnetfeld B0 im Messvolumen erzeugt.
5. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche
(1, 2, . . ., n - 1) und der Restbereich (n) des Magnetspulensystems
jeweils eine Homogenisierungseinrichtung zur Homogenisierung des
vom jeweiligen Teilbereich bzw. Restbereich im Messvolumen
erzeugten Magnetfeldbeitrags Bj aufweisen, und dass die
Homogenisierungseinrichtungen der verschiedenen Bereiche räumlich
voneinander getrennt angeordnet sind.
6. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Homogenisierungseinrichtungen auch räumlich getrennt von
den felderzeugenden Wicklungen des jeweils zugehörigen
Teilbereichs (1, 2, . . ., n - 1) bzw. des Restbereichs (n) des
Magnetspulensystems angeordnet sind.
7. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der Gradient zweiter Ordnung im
Magnetfeldbeitrag Bj des jeweiligen Bereichs im Messvolumen
weitgehend verschwindet.
8. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass Shimspulen vorgesehen sind, und dass
sämtliche Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) und der Restbereich (n) des
Magnetspulensystems, welche Magnetfeldbeiträge Bj zum homogenen
Magnetfeld B0 im Messvolumen liefern, von den Shimspulen,
insbesondere von z2-Shimspulen entkoppelt sind.
9. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzlicher, im Betrieb
supraleitend kurzgeschlossener Strompfad vorgesehen ist, der mit den
Teilbereichen (1, 2, . . ., n - 1) bzw. dem Restbereich (n) des
Magnetspulensystems induktiv gekoppelt ist.
10. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass der (die) zusätzliche(n) Strompfad(e) so ausgelegt ist (sind),
dass er (sie) im Betrieb aufgrund der induktiven Aufladung ein Shim-
Feld im Messvolumen erzeugt (erzeugen), welches Inhomogenitäten
des von den Teilbereichen (1, 2, . . ., n - 1) und vom Restbereich (n) des
Magnetspulensystems im Messvolumen erzeugten Magnetfelds
kompensiert.
11. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulensystem sektioniert
aufgebaut ist, und dass zumindest einer der separat supraleitend
kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) mit jeweils einer bzw.
mehreren der Sektionen zusammenfällt.
12. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich zu den äußeren elektrischen Anschlussleitungen der
einzelnen Sektionen noch weitere elektrische Anschlussleitungen mit
Abgriffpunkten an ausgewählten Punkten innerhalb der Sektionen des
Magnetspulensystems vorgesehen sind.
13. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
dass die Abgriffpunkte für die weiteren elektrischen
Anschlussleitungen quasi kontinuierlich wicklungslagenweise an den
Sektionen des Magnetspulensystems angeordnet sind.
14. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Magnetspulensystem
ferromagnetische Elemente vorgesehen sind, die einen zusätzlichen
Magnetfeldbeitrag ΔB0 zum Magnetfeld B0 im Messvolumen liefern,
wobei das gesamte Magnetfeld B = B0 + ΔB0 im Messvolumen
homogen ist.
15. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-
Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der weiteren
supraleitenden Schalter (S1, S2, . . ., Sn - 1) in Serie mit einem
supraleitenden Strombegrenzer (SB) geschaltet ist.
16. Verfahren zum Betrieb eines supraleitfähige Leiterstrukturen
umfassenden MMR (= Kernspinresonanz)-Magnetspulensystems,
insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
Induktivität L0 zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds B0 in
einem Messvolumen, wobei das Magnetspulensystem von mindestens
einem supraleitfähigen Schalter (S0) kurzgeschlossen wird, welcher
im Dauerbetrieb (= persistent mode) vom Betriebsstrom I0
durchflossen wird, und wobei ein oder mehrere weitere supraleitende
Schalter (S1, S2, . . ., Sn - 1) zwischen je zwei Punkten (P1, Q1),
(P2, Q2), . . ., (Pn - 1, Qn - 1) der Wicklung des Magnetspulensystems
vorgesehen sind, die im Betrieb einen oder mehrere disjunkte
Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) des Magnetspulensystems mit den
Induktivitäten L1, L2, . . ., Ln-1, welche im Messvolumen Magnetfeld
beiträge B1, B2, . . ., Bn-1 zum homogenen Magnetfeld B0 erzeugen,
separat supraleitend kurzschließen,
dadurch gekennzeichnet,
dass zu Beginn des Dauerbetriebs des Magnetspulensystems die Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) separat supraleitend kurzgeschlossen werden,
und dass gilt:
wobei Bn der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B0 des um die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) reduzierten Restbereichs (n) des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität Ln aufweist und (L-1)jn den Eintrag der j-ten Zeile und n-ten Spalte der Inversen der gesamten Induktivitätsmatrix des Magnetspulensystems bezeichnet, und wobei L0 die gesamte Magnetinduktivität, d. h. die Summe aller Einträge der Induktivitätsmatrix ist.
dass zu Beginn des Dauerbetriebs des Magnetspulensystems die Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) separat supraleitend kurzgeschlossen werden,
und dass gilt:
wobei Bn der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B0 des um die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) reduzierten Restbereichs (n) des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität Ln aufweist und (L-1)jn den Eintrag der j-ten Zeile und n-ten Spalte der Inversen der gesamten Induktivitätsmatrix des Magnetspulensystems bezeichnet, und wobei L0 die gesamte Magnetinduktivität, d. h. die Summe aller Einträge der Induktivitätsmatrix ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der
Betriebsstrom I0 bei geöffnetem supraleitfähigem Schalter S0 und
geschlossenen weiteren supraleitenden Schaltern (S1, S2, . . ., Sn - 1)
in festlegbaren Zeitintervallen nachgeladen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass
während des Aufladens des supraleitenden Magnetspulensystems
schon bei Erreichen eines Ladestromes Ix, der kleiner ist als der
Nennwert des Betriebsstromes I0, mindestens einer der weiteren
supraleitenden Schalter (S1, S2, . . ., Sn - 1) der jeweils separat
supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1)
geschlossen wird.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001156234 DE10156234C1 (de) | 2001-11-15 | 2001-11-15 | Supraleitfähiges NMR-Magnetspulensystem mit Driftkompensation und Betriebsverfahren |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2001156234 DE10156234C1 (de) | 2001-11-15 | 2001-11-15 | Supraleitfähiges NMR-Magnetspulensystem mit Driftkompensation und Betriebsverfahren |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE10156234C1 true DE10156234C1 (de) | 2003-02-13 |
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ID=7705924
Family Applications (1)
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DE2001156234 Expired - Lifetime DE10156234C1 (de) | 2001-11-15 | 2001-11-15 | Supraleitfähiges NMR-Magnetspulensystem mit Driftkompensation und Betriebsverfahren |
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DE (1) | DE10156234C1 (de) |
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