DE102004023073B3

DE102004023073B3 - Magnetsystem mit abgeschirmten Regeneratorgehäuse und Verfahren zum Betrieb eines solchen Magnetsystems

Info

Publication number: DE102004023073B3
Application number: DE102004023073A
Authority: DE
Inventors: Arne Dr. Kasten; Michael Dr. Westphal
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2024-05-12
Also published as: US7235975B2; GB2414301B; US20050253583A1; GB2414301A; GB0509432D0

Abstract

Ein Magnetsystem einer Apparatur der magnetischen Resonanz zur Erzeugung eines innerhalb eines Untersuchungsvolumens homogenen, zeitlich hoch stabilen, entlang einer Achse z gerichteten Magnetfelds mit einer supraleitenden Magnetspule (3), die in einem Kryostaten (1) angeordnet ist, der einen periodisch betriebenen Refrigerator (2) mit magnetischem Regeneratormaterial aufweist, das in einem Regeneratorgehäuse (5) innerhalb des Kryostaten (1) im Streufeld der Magnetspule (3) angeordnet ist und mit einer Abschirm- oder Kompensationsvorrichtung (4) zur Abschirmung oder Kompensation eines magnetischen Störfeldes im Untersuchungsvolumen, das durch den periodischen Betrieb des Refrigerators (2) durch Änderung der Regeneratormagnetisierung entsteht, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Regeneratorgehäuse (5) von einer supraleitend kurzschließbaren Kompensationsspulenanordnung (4) aus einer Vielzahl von im Messbetrieb separat kurzgeschlossenen Leiterschleifen (6, 7a, 7b) umgeben ist, die im supraleitend kurzgeschlossenen Zustand eine Vielzahl von magnetischen Flüssen durch diese Leiterschleifen (6, 7a, 7b) konstant halten. Ein derartiges Magnetsystem erlaubt auf einfache Weise, die von einem magnetischen Regeneratormaterial hervorgerufenen Störfelder am Ort des Untersuchungsvolumens effektiv zu kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetsystem einer Apparatur der magnetischen Resonanz zur Erzeugung eines innerhalb eines Untersuchungsvolumens homogenen, zeitlich hoch stabilen, entlang einer Achse z gerichteten Magnetfelds mit einer supraleitenden Magnetspule, die in einem Kryostaten angeordnet ist, der einen periodisch betriebenen Refrigerator mit magnetischem Regeneratormaterial aufweist, das in einem Regeneratorgehäuse innerhalb des Kryostaten im Streufeld der Magnetspule angeordnet ist und mit einer Abschirm- oder Kompensationsvorrichtung zur Abschirmung oder Kompensation eines magnetischen Störfeldes im Untersuchungsvolumen ausgestattet ist, das durch den periodischen Betrieb des Refrigerators durch Änderung der Regeneratormagnetisierung entsteht.

Aus der US 4,535,595 ist bekannt, die magnetischen Störungen eines motorisch betriebenen Kolbenrefrigerators mittels einer Sensoreinrichtung zu erfassen, wobei die Sensoreinrichtung eine Spule zum Kompensieren des im Probenvolumen wirksamen Störfeldes steuert. Als Sensoreinrichtung dient dabei eine im Bereich des Refrigerators oder im Probenvolumen angeordnete Detektorspule. Die Signale werden über ein elektronisches Steuergerät zu einer das Probenvolumen umgebenden Kompensationsspule geführt. Mit einer derartigen Anordnung ist jedoch keine optimale Kompensation der auftretenden Störungen möglich. Darüber hinaus ist es nachteilig, dass zusätzliche elektronische Geräte benötigt werden.

Pulsrohr-Kühler dagegen realisieren die Expansion bzw. Kompression des Arbeitsgases mit Hilfe einer Stoßwellenfront in einem Pulsrohr.

Neben Kolbenrefrigeratoren setzten sich mehr und mehr Pulsrohrkühler als Refrigeratoren durch, bei denen die Expansion bzw. Kompression des Arbeitsgases mit Hilfe einer Stoßwellenfront realisiert wird. Nach der Verdichtung durchströmt das Arbeitsgas einen Regenerator, um dann im Expansionsraum einer Entspannung unterzogen zu werden. Dabei findet ein Wärmeaustausch des Arbeitsgases mit dem Regeneratormaterial statt. Um diesen Wärmeaustausch bei sehr kleinen Temperaturen zu realisieren, werden im Allgemeinen Regeneratormaterialien mit einem Phasenübergang verwendet. Dieser Phasenübergang bewirkt eine Steigerung der spezifischen Wärme des Regeneratormaterials und ermöglicht eine Abkühlung des Arbeitsgases bis auf unter 3 K. Die für diesen Zweck üblicherweise verwendeten Materialien weisen einen magnetischen Phasenübergang auf, der jedoch im Untersuchungsvolumen zu erheblichen Störungen des Hauptmagnetfelds führen kann.

Ein Magnetsystem einer MRI-Apparatur mit einem periodisch betriebenen Refrigerator mit magnetischem Regeneratormaterial ist aus US 4,701,744 bekannt. Das Magnetsystem ist mit einer Hülse ausgestattet, die das Regeneratormaterial umgibt und mit dem durch das Regeneratormaterial entstehenden Störfeld derart gekoppelt ist, dass ein Strom in der Hülse induziert wird, der dem Störfeld entgegen gesetzt ist.

Aus der US 6,029,458 ist eine Magnetanordnung mit einem Kryokühler bekannt, der Regeneratormaterialien mit magnetischem Phasenübergang aufweist. Zur Abschirmung der durch den magnetischen Phasenübergang des Regeneratormaterials erzeugten Störfelder wird eine den Refrigerator umgebende supraleitende Hülse vorgeschlagen, die zwischen dem kalten Ende des Refrigerators und dem Untersuchungsvolumen angeordnet ist. Die supraleitende Hülse umgibt dabei 90° bis 270° des kal ten Endes des Refrigerators. Sie enthält eine oder mehrere Schichten aus Supraleiterwerkstoff, vorzugsweise NbTi. Durch das magnetische Störfeld des Regeneratormaterials wird in der Hülse ein dem Störfeld entgegen gesetztes magnetisches Feld induziert, das den magnetischen Fluss durch die Hülse konstant halten und das Störfeld somit kompensieren soll. Problematisch wird die Verwendung solcher supraleitender Hülsen dadurch, dass sie auch mit Magnetfeld des Hauptmagneten wechselwirken. Da der verwendete Supraleiterwerkstoff schichtförmig ist mit Querabmessungen von einigen cm, neigt die in solchen Schichten durch das Störfeld des Regeneratormaterials oder des Hauptfeldmagneten zu Instabilitäten, bei denen der supraleitende Zustand zeitweise völlig verschwinden kann. Somit ist in der Praxis keine zuverlässige und stabile Abschirmung möglich. Die Neigung von Stromverteilungen in Supraleiterwerkstoffen zu Instabilität ist theoretisch bei Querabmessungen der Supraleiterwerkstoffe oberhalb von etwa 0,1 mm zu erwarten. Bei schichtförmigen Supraleiterwerkstoffen mit Querabmessungen oberhalb von etwa 10 mm sind ebenfalls Instabilitäten zu erwarten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine stabile Abschirmvorrichtung für ein eingangs beschriebenes Magnetsystem vorzuschlagen, welches auf einfache Weise die von einem magnetischen Regeneratormaterial hervorgerufenen Störfelder am Ort des Untersuchungsvolumens kompensiert. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Magnetsystems vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Regeneratorgehäuse von einer supraleitend kurzschließbaren Kompensationsspulenanordnung aus einer Vielzahl von im Messbetrieb separat kurzgeschlossenen Leiterschleifen umgeben ist, die im supraleitend kurzgeschlossenen Zustand eine Vielzahl von magnetischen Flüssen durch diese Leiterschleifen konstant halten.

Änderungen im Magnetfeld, beispielsweise durch Überlagerung des Hauptmagnetfelds mit einem vom magnetischen Regeneratormaterial hervorgerufenen sich periodisch ändernden magnetische Störfeld, induziert in den Leiterschleifen Ströme, die ein dem Störfeld entgegen gesetztes Magnetfeld bewirken, so dass sich der Fluss durch die Leiterschleife nicht ändert. Das Kurzschließen der Leiterschleifen bewirkt also ein Einfrieren des magnetischen Flusses durch die jeweiligen Leiterschleifen. Durch die Anordnung vieler separat kurzgeschlossener Leiterschleifen ist es möglich, in jeder Leiterschleife einen verschiedenen magnetischen Fluss einzufrieren, so dass Störfelder in einem örtlich variierendem Magnetfeld, beziehungsweise örtlich variierende Störfelder mit hoher Präzision kompensieren werden können, so dass sich insgesamt eine effektive Kompensation des vom Regeneratormaterial hervorgerufenen Störfelds ergibt.

Da die Quenchgefahr und somit die Stabilität einer Spulenanordnung mit steigender Querabmessung des supraleitenden Materials zunimmt, stellt eine Abschirm- oder Kompensationsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Form von Leiterschleifen, deren Ausdehnung in geeigneter Weise gewählt werden kann, eine einfache Möglichkeit dar, eine stabile Kompensation von Störfeldern bzw. eine stabile Abschirmung des Untersuchungsvolumens von einem durch einen Refrigerator mit magnetischem Regeneratormaterial hervorgerufenen Störfelds dar.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat das Regeneratorgehäuse eine zylindrische Form und ist zumindest ein Teil der Leiterschleifen entlang der Achse des Zylinders angeordnet und diese umschließen die Zylinderachse. Die zylindrische Form entspricht der üblichen Ausführung eines Regeneratorgehäuses. Daher ist es vorteilhaft, die Abschirm- oder Kompensationsvorrichtung dieser Form anzupassen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Leiterschleifen einen dreidimensionalen Käfig bilden, der das Regeneratorgehäuse umgibt, wobei die Flächennormalen mehrerer Leiterschleifen nicht parallel verlaufen. Die Leiterschleifen können somit das Regeneratorgehäuse vollständig einschließen, so dass eine dreidimensionale Kompensierung des Störfelds ermöglicht wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Leiterschleifen der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung über einen oder mehrere gemeinsam beheizbare supraleitende Schalter geschlossen und geöffnet werden können. Auf diese Weise können die Leiterschleifen beispielsweise erst nach dem Laden der das Hauptfeld erzeugenden Magnetspule kurzgeschlossen werden, so dass das von Magnetspule erzeugte Feld in den durch die Leiterschleifen gebildeten Käfig eindringen kann. Dies bietet den Vorteil, dass während des Ladens keine größeren Ströme in der Abschirm- und Kompensationsspulenanordnung induziert werden, die beispielsweise die Homogenität des von der Hauptfeldspule zu erzeugenden Magnetfelds in dem Arbeitsvolumen beeinträchtigen. Die supraleitenden Schalter müssen bei der vorliegenden Vorrichtung nicht perfekt schließen, sondern können einen gewissen Restwiderstand aufweisen, solange die Zeitkonstante der Leiterschleifen groß gegenüber der Betriebsperiode des Regenerators ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems ist die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung einseitig oder beidseitig mit einer thermisch gut leitfähigen Folie in Kontakt, insbesondere mit einer Kupferfolie. Die thermisch gut leitfähige Folie bietet den Vorteil, dass die supraleitend kurzschließbare Abschirm- und Kompensationsspulenanordnung weiter thermisch stabilisiert wird. Außerdem wird es so möglich, die thermisch gut leitfähige Folie in thermischen Kontakt mit dem kältesten Teil des Refrigerators zu verbinden und so die gesamte Abschirm- und Kompensationsspulenanordnung hinreichend kalt zu halten, um den supraleitenden Zustand zu sichern. Außerdem kann die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung über die leitfähige Folie beheizt werden, um beispielsweise gezielt einen stromlosen Zustand zu erzielen. Dies ist z.B. während des Ladevorgangs der das Hauptfeld erzeugende Magnetspule wünschenswert, um eine Stromüberhöhung innerhalb der Leiterschleifen zu vermeiden. Die thermisch gut leitfähige Folie kann somit die Aufgabe der oben beschriebenen supraleitenden Schalter übernehmen, was besonders vorteilhaft ist, wenn die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung eine große Anzahl an Leiterschleifen umfasst, da in diesem Fall das Schließen der einzelnen Schalter einen großen Aufwand bedeuten würde.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems sind die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung und die thermisch gut leitfähige Folie gegen das Regeneratorgehäuse und/oder umgebendes Heliumgas thermisch isoliert. Auf diese Weise wird vermieden, dass die metallischen Teile, insbesondere die thermisch gut leitfähige Folie, der Abschirm- und Kompensationsspulenanordnung einen thermischen Kurzschluss längs des Regeneratorgehäuses bilden und so die thermische Wirksamkeit des Refrigerators herabsetzen

Vorzugsweise ist der Refrigerator ein Pulsrohrkühler. Durch die Verwendung eines Pulsrohrkühlers als Refrigerator kann man auf bewegliche Teile (Kolben) im Bereich tiefer Temperaturen verzichten, wodurch eine laufruhige und verschleißarme Kühleinrichtung realisiert werden kann.

Speziell für MR-Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn das Regeneratormaterial eine Substanz mit einem magnetischen Phasenübergang unterhalb von 30 K enthält, insbesondere ErNi und/oder Er₃Ni und/oder HoCu und/oder GdAlO₃. Durch die Verwendung von Materialien mit einem Phasenübergang in diesem Temperaturbereich kann das Magnetsystem auf die für MR-Anwendungen benötigten tiefen Temperaturen abgekühlt werden.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung ein Gitter aus supraleitend kontaktierten supraleitenden Drähten, insbesondere aus NbTi. Die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung weist bei dieser Ausführungsform eine besonders hohe Stromtragfähigkeit auf.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung eine gelochte Folie mit supraleitenden Stegen, insbesondere aus NbTi. Die Lochform ist hierbei nicht auf kreisförmige Löcher beschränkt, sondern kann im Prinzip beliebig sein.

Die supraleitenden Drähte bzw. Stege sind vorzugsweise dünner als 200 μm, vorzugsweise dünner als 100 μm. Da die Stabilität der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung von der Querabmessung des supraleitenden Materials abhängig ist, kann durch die oben beschriebene Dimensionierung der Drähte bzw. Stege der flächige Charakter der Vorrichtung vermieden und dadurch die Stabilität der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung erhöht werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Regenerator enthaltende Abschnitt des Regeneratorgehäuses an einer Stelle im Kryostaten angeordnet, an der im Betrieb ein minimales Magnetfeld herrscht, insbesondere radial außerhalb einer äußeren Abschirmteilspule der Magnetspule. Die Wechselwirkung des Regeneratormaterials mit dem Hauptmagnetfeld wird hierdurch minimiert, so dass auch eine schwächere Kompensation des Störfelds für einen ungestörten Betrieb des Magnetsystems ausreicht.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb eines oben beschriebenen Magnetsystems, bei dem zuerst alle supraleitenden Schalter der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung geöffnet werden, dann die Magnetspule geladen und kurzgeschlossen wird, wobei deren Streufeld die Leiterschleifen durchsetzt, und schließlich der supraleitende Schalter der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung geschlossen wird, wobei die Flüsse durch die Leiterschleifen eingefroren werden.

Durch den geöffneten Zustand der supraleitenden Schalter während des Ladevorgangs der das Hauptfeld erzeugenden Magnetspule wird gewährleistet, dass das Streufeld der das Hauptfeld erzeugenden Magnetspule die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung durchsetzen kann. Dies ist erwünscht, da sonst die Abschirmströme, die in Folge des Ladevorgangs in den Leiterschleifen oder Stegen bei bereits geschlossenen supraleitenden Schaltern induziert werden würden, sehr hoch wären, so dass die Belastung der Filamente unnötig hoch wäre.

Vorzugsweise ist während des Schließens der supraleitenden Schalter der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung der Refrigerator abgeschaltet. Beim Schließen der supraleitenden Schalter herrschen dann stabile Verhältnisse, wodurch Felddefekte vermieden werden.

In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet sich das Regeneratormaterial während des Schließens der supraleitenden Schalter der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung auf einem gegenüber seiner Betriebstemperatur erhöhten Temperaturniveau, wodurch seine Magnetisierung reduziert ist. Dies kann beispielsweise durch Heizen des Regenerators erfolgen. Dadurch wird die aufgrund der erhöhten Temperatur reduzierte integrale Magnetisierung des Regeneratormaterials während des Schließens der supraleitenden Schalter quasi eingefroren.

Insgesamt ergibt sich ein Magnetsystem mit einer effektiven und zuverlässigen Abschirmung von Störfeldern, die aufgrund von magnetischen Regeneratormaterialien hervorgerufen werden. Auf diese Weise können Magnetsysteme realisiert werden, bei denen die Vorteile von Pulsrohrkühler als Refrigeratoren besonders gut zur Geltung kommen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren 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.

Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Magnetsystem;
2 eine erste Ausführungsform einer Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung, bestehend aus einzelnen Leiterschleifen;
3 eine weitere Ausführungsform der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung, bestehend aus einer gelochten Folie mit supraleitenden Stegen; und
4 einen Ausschnitt einer Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung aus 3 mit einer thermisch gut leitfähigen Folie und einer Isolationsschicht.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetsystem mit einer in einem Kryostaten 1 angeordneten Magnetspule 3 zur Erzeugung eines hochhomogenen Magnetfeldes. Im Kryostaten 1 befindet sich Helium, welches mit Hilfe eines Pulsrohrkühlers 2 auf eine Temperatur deutlich unter 4 K abgekühlt wird. Der Pulsrohrkühler 2 ist mit einer Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 ausgestattet, welche die vom Regeneratormaterial des Pulsrohrkühlers 2 resultierenden Störungen abschirmen bzw. kompensieren soll. Da die bei Pulsrohrkühlern auftretenden Störungen hauptsächlich auf die Ummagnetisierungsprozesse des Regeneratormaterials zurückzuführen sind, ist es ausreichend, die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 lediglich um das Regeneratorgehäuse 4, in dem sich das Regeneratormaterial befindet, anzuordnen. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 auch um das Pulsrohr vorzusehen. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn Regenerator und Pulsrohr koaxial angeordnet sind.
2 zeigt ein Regeneratorgehäuse 5, das von einer Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 umgeben ist. Die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 umfasst einzelne voneinander isolierte kurzschließbare Leiterschleifen 6, 7a, 7b aus supraleitfähigem Material. Statt aus supraleitendes Material können die Leiterschleifen 6, 7a, 7b auch insgesamt schwach resistiv sein, solange die Zeitkonstante der Leiterschleifen groß gegenüber der Betriebsperiode des Regenerators ist. Entsprechend der Form des Regeneratorgehäuses 5 sind die Leiterschleifen 6, 7a, 7b in einer zylindrischen Geometrie angeordnet. Dabei sind mehrere Leiterschleifen 6 entlang der Symmetrieachse 8 des Regeneratorgehäuses 5 angeordnet, so dass ihre Flächennormalen parallel zur Symmetrieachse 8 (z-Richtung) verlaufen. Neben den Leiterschleifen 6, deren Flächennormalen in z-Richtung zeigen, sind weitere Leitschleifen 7a, 7b angeordnet, deren Flächennormalen nicht parallel zur z-Richtung verlaufen. Die Flächennormalen der Leiterschleife 7a und die der Leiterschleife 7b sind dabei linear voneinander unabhängig. Auf diese Weise ist eine effektive integrale Flusskompensation in allen drei Raumrichtungen möglich. Selbstverständlich können weitere Leiterschleifen vorgesehen werden, deren Flächennormale eine beliebige Linearkombination der Flächennormalen der Leiterschleifen 6, 7a, 7b darstellen kann. Jede Leiterschleife 6, 7a, 7b bildet einen eigenen Stromkreis. Die einzelnen Leiterschleifen 6, 7a, 7b können voneinander isoliert oder miteinander kontaktiert sein. Durch die Anordnung einer Vielzahl voneinander unabhängiger Leiterschleifen 6, 7a, 7b ist es möglich, unterschiedliche Flüsse in den jeweiligen Leiterschleifen 6, 7a, 7b konstant zu halten, so dass örtlich variierende Störfelder optimal kompensiert werden können. Jede der Leiterschleifen 6, 7a, 7b kann mit einem supraleitenden Schalter (nicht gezeigt) ausgestattet sein, um bei Bedarf den Stromkreis zu unterbrechen oder die Leiterschleifen 6, 7a, 7b können gemeinsame supraleitende Schalter besitzen.
3 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 in Form eines Zylindermantels, der aus einer gelochten Folie 9 mit supraleitenden Stegen 10 geformt ist. Die Form der Ausnehmungen 11 in der gelochten Folie 9 ist hier quadratisch dargestellt, kann aber prinzipiell beliebig sein. Für die Effizienz der Abschirmung ist jedoch die Stärke der Stege 10 entscheidend. Um eine stabile Abschirmung bzw. Kompensation des durch den Pulsrohrkühler 2 erzeugten Störfelds zu ermöglichen, sollten die Stege 10 eine Stärke von etwa 100 μm aufweisen. Die in 3 gezeigten Ausführungsform der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 erstreckt sich lediglich über einen Teil des Regeneratorgehäuses 5, nämlich vorzugsweise über den Teil, aus dem die größten Störungen resultieren. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 auch über die gesamte Länge des Regeneratorge häuses 5 oder sogar darüber hinaus ausgeführt sein kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lochfolie einen weitgehend geschlossenen Käfig bildet, wie dies beispielsweise bei den Leiterschleifen 6, 7a, 7b aus 2 der Fall ist. Neben aus einer gelochten Folie 9 gefertigten Ausführungsform der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4, die in 2 gezeigt ist, ist es auch möglich eine ähnliche Anordnung aus gekreuzten Filamenten zu realisieren.
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 aus in 3. Die gelochte Folie 9 mit den supraleitenden Stegen 10 ist zur thermischen Stabilisierung mit einer thermisch gut leitfähigen Folie 12, z.B. einer Kupferfolie, kontaktiert. Durch Verbindung der thermisch gut leitfähigen Folie 12 mit einer kryogenen Flüssigkeit oder dem kalten Ende des Pulsrohrkühlers 2 kann die für die Supraleitung benötigte tiefe Temperatur der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 realisiert und konstant gehalten werden. Mit Hilfe eines elektrisch beheizbaren Drahts 13 ist es möglich, die Temperatur der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 zu erhöhen. Durch das Beheizen des Drahtes 13 wird Wärme erzeugt, die durch die thermisch gut leitfähige Folie 12 schnell an alle Stellen der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 geleitet werden kann, um bei Bedarf einen stromlosen Zustand zu erzeugen, beispielsweise beim Laden der Magnetspule 3. Die Stege 10 der gelochten Folie 9 verlieren dann ihre supraleitenden Eigenschaften. Der elektrisch beheizbare Draht 13 kann demnach die Funktion eines Schalters einnehmen. Des Weiteren ist die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 mit einer thermischen Isolationsschicht 14 ausgestattet, welche zwischen der thermisch gut leitfähigen Folie 12 und dem Regeneratorgehäuse 5 angeordnet ist. Hierdurch kann ein thermischer Kurzschluss zwischen dem Regeneratorgehäuse 5 und der Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 vermieden werden. Ohne diese thermische Isolationsschicht 14 würden die supraleitenden Stege 10 bei einer Erhöhung der Temperatur des Regeneratorgehäuses 5 möglicherweise unbeabsichtigt ihre supraleitende Eigenschaft verlieren, wodurch die Abschirm- oder Kompensationswirkung beeinträchtigt werden würde. Die thermische Isolationsschicht 14 kann ein isolierendes Material umfassen oder aber als Vakuumschicht ausgebildet sein. Um die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 auch gegenüber den die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 umgebenden Elementen des Magnetsystems zu isolieren, kann eine weitere Isolationsschicht auf der der Isolationsschicht 14 gegenüberliegenden Seite der gelochten Folie 9 angeordnet sein. Ebenso kann die Kontaktierung der gelochten Folie 9 mit einer thermisch gut leitfähigen Folie 12 beidseitig erfolgen.
Durch die erfindungsgemäße Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 werden bei einer Änderung des Magnetfelds durch das Regeneratormaterial des Pulsrohrkühlers 2 in den Leiterschleifen 6, 7a, 7b bzw. den Stegen 10 der gelochten Folie 9 Ströme induziert, die ein dem Störfeld entgegengesetztes Magnetfeld hervorrufen, so dass der magnetische Fluss durch die Leiterschleifen 6, 7a, 7b bzw. durch die gelochte Folie 9 konstant bleibt, sozusagen eingefroren wird. Die Größe der eingefrorenen Flüsse ist abhängig vom Zeitpunkt, an dem die Leiterschleifen 6, 7a, 7b kurzgeschlossen werden. Das Kurzschließen kann hierbei über supraleitende Schalter beziehungsweise durch Heizen der thermisch gut leitfähigen Folie 12 erfolgen. Findet das Kurzschließen beispielsweise vor oder während dem Laden der Magnetspule 3 statt, so werden durch den Ladevorgang der Magnetspule 3 in den Leiterschleifen 6, 7a, 7b Ströme induziert, die dem Streufeld der Magnetspule 3 entgegenwirken. Da es sich jedoch bei dem durch die Magnetspule 3 erzeugten Magnetfeld um ein sehr starkes Magnetfeld handeln kann, würden in diesem Fall sehr hohe Ströme in den Leiterschleifen 6, 7a, 7b fließen. Die vorliegende Erfindung sieht daher vor, das Kurzschließen der Leiterschleifen 6, 7a, 7b erst nach dem Laden der Magnetspule 3 durchzuführen, so dass das Streufeld der Magnetspule 3 in die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 eindringen kann. Somit werden die durch die Leiterschleifen 6, 7a, 7b fließenden Ströme gering gehalten, so dass die Leiterschleifen aus einem sehr dünnen supraleitfähigen Draht gefertigt werden können. Das Eindringen des Streufelds der Magnetspule 3 in die Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung 4 verhindert darüber hinaus eine Verbiegung des Streufelds der Magnetspule 3 und somit eine mögliche Beeinträchtigungen des Hauptmagnetfelds durch die ansonsten sehr hohen auftretenden Induktionsströme.
Das erfindungsgemäße Magnetsystem mit der beschriebenen Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung ermöglicht eine örtlich variierende Abschirmung des von einem Pulsrohrkühler hervorgerufenen Störfeldes, so dass die Vorteile der Verwendung eines Pulsrohrkühlers beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Magnetsystems besonders gut zur Geltung kommen.

1: Kryostat
2: Pulsrohrkühler
3: Magnetspule
4: Abschirm- oder Kompensationsspulenanordnung
5: Regeneratorgehäuse
6: Leiterschleife mit Flächennormalen parallel zur Zylinderachse
7: Leiterschleife mit Flächennormalen nicht parallel zur Zylinderachse
8: Symmetrieachse
9: gelochte Folie
10: Stege
11: Ausnehmungen
12: thermisch gut leitfähige Folie
13: elektrisch heizbarer Draht
14: thermische Isolationsschicht

Claims

Magnetsystem einer Apparatur der magnetischen Resonanz zur Erzeugung eines innerhalb eines Untersuchungsvolumens homogenen, zeitlich hochstabilen, entlang einer Achse z gerichteten Magnetfelds mit einer supraleitenden Magnetspule (3), die in einem Kryostaten (1) angeordnet ist, der einen periodisch betriebenen Refrigerator (2) mit magnetischem Regeneratormaterial aufweist, das in einem Regeneratorgehäuse (5) innerhalb des Kryostaten (1) im Streufeld der Magnetspule (3) angeordnet ist und mit einer Abschirm- oder Kompensationsvorrichtung (4) zur Abschirmung oder Kompensation eines magnetischen Störfeldes im Untersuchungsvolumen, das durch den periodischen Betrieb des Refrigerators (2) durch Änderung der Regeneratormagnetisierung entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeneratorgehäuse (5) von einer supraleitend kurzschließbaren Kompensationsspulenanordnung (4) aus einer Vielzahl von im Messbetrieb separat kurzgeschlossenen Leiterschleifen (6, 7a, 7b) umgeben ist, die im supraleitend kurzgeschlossenen Zustand eine Vielzahl von magnetischen Flüssen durch diese Leiterschleifen (6, 7a, 7b) konstant halten.
Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeneratorgehäuse (5) eine zylindrische Form hat und zumindest ein Teil der Leiterschleifen (6) entlang der Achse (8) des Zylinders angeordnet sind und die Zylinderachse (8) umschließen.
Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterschleifen (6, 7a, 7b) einen 3-dimensionalen Käfig bilden, der das Regeneratorgehäuse (5) umgibt, wobei die Flächennormalen mehrerer Leiterschleifen (6, 7a, 7b) nicht parallel verlaufen.
Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (6, 7a, 7b) der Kompensationsspulenanordnung (4) über einen oder mehrere, gemeinsam beheizbare supraleitende Schalter geschlossen und geöffnet werden können.
Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspulenanordnung (4) einseitig oder beidseitig mit einer thermisch gut leitfähigen Folie (12) in Kontakt ist, insbesondere mit einer Kupferfolie.
Magnetsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspulenanordnung (4) und die thermisch gut leitfähige Folie (12) gegen das Regeneratorgehäuse (5) und/oder umgebendes Heliumgas thermisch isoliert sind.
Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Refrigerator (2) ein Pulsrohrkühler ist.
Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeneratormaterial eine Substanz mit einem magnetischen Phasenübergang unterhalb von 30 K enthält, insbesondere ErNi und/oder Er3Ni und/oder HoCu und/oder GdAlO3.
Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspulenanordnung (4) ein Gitter aus supraleitend kontaktierten, supraleitenden Drähten, insbesondere aus NbTi, ist.
Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspulenanordnung (4) eine gelochte Folie (9) mit supraleitenden Stegen (10), insbesondere aus NbTi, ist.
Magnetsystem nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitenden Drähte oder Stege (10) dünner sind als 200 μm, vorzugsweise dünner als 100 μm.
Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Regenerator enthaltende Abschnitt des Regeneratorgehäuses (5) an einer Stelle im Kryostaten (1) angeordnet ist, an der im Betrieb ein minimales Magnetfeld herrscht, insbesondere radial außerhalb einer äußeren Abschirmteilspule der Magnetspule.
Verfahren zum Betrieb eines Magnetsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a Öffnen aller supraleitenden Schalter der Kompensationsspulenanordnung (4) b Laden und Kurzschließen der Magnetspule (3) wobei deren Streufeld die Leiterschleifen (6, 7a, 7b) durchsetzt c Schließen der supraleitenden Schalter der Kompensationsspulenanordnung (4), wobei die Flüsse durch die Leiterschleifen eingefroren werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schrittes c der Refrigerator (2) abgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich während des Schrittes c das Regeneratormaterial auf einem gegenüber seiner Betriebstemperatur erhöhten Temperaturniveau befindet, wodurch seine Magnetisierung reduziert ist.