DE102006018650A1

DE102006018650A1 - Supraleitende Magnetanordung mit vermindertem Wärmeeintrag in tiefkalte Bereiche

Info

Publication number: DE102006018650A1
Application number: DE102006018650A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Westphal
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2026-04-22
Also published as: GB2438040A; US20080157771A1; DE102006018650B4; US7514928B2; GB2438040B; GB0707538D0

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Magnetanordnung mit einer supraleitenden Magnetspule (1), innerhalb der ein Gradientensystem geschaltet werden soll. Innerhalb der Magnetspule (1) sind alle tiefkalten Schwingungssysteme (R1) mit Temperatur T1 < 10 K aus elektrisch gut leitfähigem Material gefertigt, und wenigstens ein warmes Schwingungssystem (R2) mit Temperatur T2 > 10 K innerhalb der Magnetspule (1) ist elektrisch schlechter leitfähig und weist eine deutlich andere mechanische Resonanzfrequenz (Abstand ca. 500 Hz oder mehr) auf als wenigstens eines der tiefkalten Schwingungssysteme (R1). Dadurch kann die den tiefkalten Schwingungssystemen infolge mechanischer Schwingungen und dadurch induzierter Wirbelströme zugeführte unerwünschte Heizleistung reduziert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Magnetanordnung für eine Magnetresonanzapparatur,

– mit einer im Wesentlichen zylindrischen Magnetspule mit einer Magnetwicklung aus supraleitendem Draht zur Erzeugung eines Magnetfelds B in einem Arbeitsvolumen,
– mit einer Raumtemperaturbohrung, die zur Magnetspule koaxial ist und das Arbeitsvolumen enthält,
– und mit mehreren, radial innerhalb der Magnetwicklung der Magnetspule angeordneten, elektrisch leitfähigen Schwingungssystemen (R1, R2, R2'), wobei jedes Schwingungssystem (R1, R2, R2') ein in sich einheitliches Schwingverhalten aufweist und relativ zu jedem anderen Schwingungssystemen schwingen kann, wobei die Schwingungssysteme (R1, R2, R2') jeweils im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet und koaxial zur Raumtemperaturbohrung angeordnet sind, wobei die Schwingungssysteme (R1, R2, R2') jeweils eine elektrische Leitzahl p = σ·d aufweisen, mit p > 1·10² 1/Ohm bei Raumtemperatur, mit σ: elektrische Leitfähigkeit des Schwingungssystems und d: minimale Wandstärke des Schwingungssystems in radialer Richtung, wobei die Schwingungssysteme (R1, R2, R2') jeweils eine mechanische Kennzahl q = E/ρ aufweisen, mit E: mittleres Elastizitätsmodul des Schwingungssystems und ρ: mittlere Dichte des Schwingungssystems;
– wobei ein tiefkaltes Schwingungssystem (R1) oder mehrere tiefkalte Schwingungssysteme vorgesehen sind, welche im Betrieb Temperaturen T1 < 10 K aufweisen,
– und wobei ein warmes Schwingungssystem (R2) oder mehrere warme Schwingungssysteme (R2, R2') vorgesehen sind, welche im Betrieb Temperaturen T2 > 10 K aufweisen.

Eine solche supraleitende Magnetanordnung ist aus der DE 101 27 822 A1 bekannt geworden.
Supraleitende Magnetanordnungen werden zur Erzeugung starker Magnetfelder in einem Arbeitsvolumen eingesetzt. Starke Magnetfelder werden insbesondere in der Kernspinresonanz(NMR)-Spektroskopie und der NMR-Tomographie (MRT) benötigt, um qualitativ hochwertige Messungen durchzuführen.
Die starken Magnetfelder werden dabei von einer Magnetspule erzeugt, die aus supraleitendem Draht gewickelt ist. Die Magnetspule umfasst dabei typischerweise mehrere Sektionen und Abschnitte aus teilweise unterschiedlichen Supraleitermaterialien. Die Magnetspule wird gekühlt, um die verwendeten Supraleitermaterialien unter die Sprungtemperatur abzukühlen. Dadurch können im supraleitenden Zustand große elektrische Ströme und Magnetfeldstärken mit der Magnetspule erzielt werden. Die Kühlung erfolgt beispielsweise über umgebendes flüssiges Helium, oder auch mittels Refrigeratoren, die in thermischem Kontakt zur Magnetspule stehen.
Für NMR-Experimente werden dem starken Magnetfeld der Magnetspule noch zusätzliche Felder aufaddiert. Diese sogenannten Gradientenfelder dienen der Signalkodierung (etwa der Ortskodierung) und werden von einer Gradientenspule erzeugt. Die Gradientenspule ist typischerweise in der Raumtemperaturbohrung der supraleitenden Magnetanordnung nahe dem Arbeitsvolumen positioniert. Der Strom in einer Gradientenspule wird typischerweise viele Hundert Male in der Sekunde geschaltet.
Durch das Schalten der Gradientenspule und der zugehörigen Magnetfeldänderung werden in elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen Körpern in der näheren Umgebung elektrische Ströme induziert. Wenn diese Körper gleichzeitig einem starken Magnetfeld ausgesetzt sind, wie es radial innerhalb der Magnetwicklung der Magnetspule herrscht, erzeugen diese elektrischen Ströme Lorentzkräfte, die die Körper elastisch verformen. Aufgrund der wiederholten Schaltung der Gradientenspule wird den elektrisch leitfähigen Körpern eine erzwungene Schwingung aufgeprägt.
Die Schwingungsbewegung eines elektrisch leitfähigen Körpers im starken Magnetfeld erzeugt wiederum Wirbelströme in diesem Körper. Diese Wirbelströme bewirken einerseits aufgrund des Ohmschen Widerstands in dem Körper eine Erwärmung, andererseits wird eine Magnetfeldänderung in der Umgebung bewirkt, die sich wiederum in veränderten induzierten Strömen in benachbarten elektrisch leitfähigen Körpern auswirken kann und so fort. Dies führt dazu, dass im Wesentlichen alle elektrisch leitfähigen Körper innerhalb der Magnetwicklung elektromagnetisch gekoppelt schwingen und sich erwärmen.
In einem supraleitenden Magnetspulensystem sind beispielsweise ein Spulenträger der Magnetspule oder auch eine Innenwand eines Heliumtanks, der die Magnetspule enthält, schwingungsfähige Körper, in denen Wirbelströme für eine Erwärmung sorgen können. Bei Magnetspulen in Kontakt mit flüssigem Helium führt dies zu einem unerwünscht starken Verdampfen des teuren flüssigen Heliums. Außerdem kann sich die Wärme auch auf den supraleitfähigen Draht der Magnetspule übertragen, so dass der supraleitfähige Draht droht, sich über die Sprungtemperatur zu erwärmen und die Magnetspule unerwünscht und verbunden mit einem vollständigen Abfallen des Magnetfeldes und einer zusätzlichen starken Erwärmung in den normalleitenden Zustand übergeht. Dies hätte ein teures erneutes Einkühlen der Magnetspule mit flüssigem Helium sowie einen Ausfall der Magnetresonanzapparatur für mehrere Tage zu Folge.
Im Stand der Technik ist es bekannt, die Gradientenspule aktiv abzuschirmen, um die Wirbelstromeffekte und die resultierende Erwärmung der Magnetspule zu verringern.
Weiterhin schlägt die DE 101 27 822 A1 vor, ein Magnetsystem mit einer inneren, einer mittleren und einer äußeren Einheit zu versehen, wobei die Einheiten ineinander geschachtelt angeordnet sind. Die mechanischen Eigenschaften der Einheiten sollen dabei so aufeinander abgestimmt ein, dass die mittlere Einheit eine Schwingungsübertragung aufgrund magnetischer Kopplung von der äußeren auf die innere Einheit dämpft. Dadurch wird ebenfalls die Erwärmung der Magnetspule verringert.
Bei einer Magnetresonanzapparatur umfassend eine Magnetanordnung mit großem Durchmesser einer Raumtemperaturbohrungen von 40 cm und mehr ist, trotz der Maßnahmen des Standes der Technik, der Wärmeeintrag in die Magnetspule zu groß für einen Dauerbetrieb. Beispielsweise ist bei Kühlung der Magnetspule mit flüssigem Helium ein gesamter, typischer Vorrat an flüssigem Helium innerhalb weniger Stunden verdampft.
Aufgabe der Erfindung
Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, eine supraleitende Magnetanordnung bereitzustellen, bei der der Wärmeeintrag in die Magnetspule weiter reduziert ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine supraleitende Magnetanordnung der eingangs vorgestellten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,

– dass alle tiefkalten Schwingungssysteme (R1) elektrische Leitzahlen p1 = σ1·d1 aufweisen mit p1 > 1·10⁶/Ohm bei der jeweiligen Temperatur T1,
– dass mindestens ein warmes Schwingungssystem (R2, R2') eine elektrische Leitzahl p2 = σ2·d2 aufweist mit 1·10²/Ohm < p2 < 1·10⁶/Ohm bei der zugehörigen Temperatur T2,
– und dass sich die mechanische Kennzahl q2 dieses mindestens einen warmen Schwingungssystems (R2, R2') von der mechanischen Kennzahl q1 mindestens eines tiefkalten Schwingungssystems (R1) um wenigstens den Faktor 1,5 unterscheiden.

Mit der erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetanordnung wird erreicht, dass die Erwärmung durch Wirbelströme aufgrund von Ohmschen Widerstand größtenteils in dem mindestens einen warmen Schwingungssystem mit den angegebenen Werten für elektrische Leitzahl und mechanischer Kennzahl stattfindet, wohingegen in allen tiefkalten Schwingungssystemen allenfalls eine geringe Erwärmung eintritt.
Die überraschende Erkenntnis der Erfindung liegt darin, dass trotz der erheblich kleineren elektrischen Leitzahl p2 des mindestens einen warmen Schwingungssystems im Vergleich mit den tiefkalten Schwingungssystemen bei erfindungsgemäßer Einstellung der mechanischen Kennzahlen q1, q2 die Stärke der Wirbelströme in allen Schwingungssystemen innerhalb der Magnetwicklung der Magnetspule von gleicher Größenordnung und in der Stärke gering ist. Ebenso sind dann die Schwingungsamplituden in allen Schwingungssystemen von gleicher Größenordnung und besonders klein. Dies liegt offenbar hauptsächlich daran, dass die mechanische Schwingung des mindestens einen warmen Schwingungssystem umgekehrt proportional zu seiner elektrischen Leitzahl p2 eine erhebliche Heizleistung erzeugt. Dies dämpft aufgrund der induktiven Kopplungen aller Schwingungssysteme miteinander bei erfindungsgemäßer Einstellung der mechanischen Kennzahlen offenbar die Schwingungsamplituden und die Amplituden der Wirbelströme auch in allen anderen Schwingungssystemen. Aufgrund der hohen elektrischen Leitzahlen p1 aller tiefkalten Schwingungssysteme wird in diesen jedoch nur eine stark reduzierte und praktisch unbedeutende Heizleistung erzeugt. Die erfindungsgemäße Einstellung der mechanischen Kennzahlen bewirkt offenbar, dass die mechanischen Schwingungen in den tiefkalten und den warmen Schwingungssystemen in weiten Frequenzbereichen weitgehend gegenphasig erfolgen, und dass diese gegenphasige Schwingungen infolge der in dem mindestens einen warmen Schwingungssystem dadurch erzeugte sehr große elektrische Heizleistung in allen warmen und tiefkalten Schwingungssystemen stark gedämpft sind. Bei genau einem tiefkalten und genau einem warmen Schwingungssystem treten beispielsweise ungefähr gleich große, aber entgegengesetzt gerichtete Wirbelströme in diesen beiden Schwingungssystemen auf.
Die tiefkalten Schwingungssysteme stehen in engem thermischen Kontakt zum supraleitenden Draht der Magnetspule (beispielsweise über flüssiges Helium), wohingegen alle warmen Schwingungssysteme thermisch von der Magnetspule entkoppelt sind (beispielsweise durch Vakuumbarrieren und Strahlungsschilde). Die Heizleistung der Wirbelströme ist proportional zum Ohmschen Widerstand, den die Wirbelströme passieren.
Da erfindungsgemäß alle tiefkalten Schwingungssysteme eine deutlich höhere elektrische Leitzahl aufweisen als das mindestens eine warme Schwingungssystem, fällt der größte Teil der elektrischen Heizleistung in dem mindestens einen warmen Schwingungssystem an. Dort gefährdet die freigesetzte Wärme aber nicht den supraleitenden Draht und belastet auch nicht ein zugehöriges Helium-basiertes Kühlsystem. Die Kühlung ist auch deutlich einfacher und kostengünstiger als bei den tiefkalten Schwingungssystemen. Bevorzugt gilt dabei für das mindestens eine warme Schwingungssystem (R2, R2') 1·10²/Ohm < p2 < 1·10⁵/Ohm bei Temperatur T2. Ebenfalls bevorzugt gilt für das mindestens eine warme Schwingungssystem (R2, R2') 1·10²/Ohm < p2 < 0,2·p1 gegenüber allen tiefkalten Schwingungssystemen (R1), wobei p2 bei T2 und p1 bei T1 bestimmt sind.
Die Wärmeenergie, die durch die Ohmsche Heizleistung der Wirbelströme in dem mindestens einen warmen Schwingungssystem erzeugt wird, wird sämtlichen Schwingungssystemen der Magnetanordnung entzogen und steht insbesondere nicht mehr als Bewegungsenergie der mechanischen Schwingungen der Schwingungssysteme zur Verfügung. Mit anderen Worten, die Amplitude der erzwungenen Schwingung der Schwingungssysteme wird vermindert, also die erzwungene Schwingung gedämpft. Die verringerte Schwingungsamplitude vermindert ihrerseits Magnetfeldschwankungen, was wiederum induzierte elektrische Ströme (insbesondere in weiter außen liegenden tiefkalten Schwingungssystemen) vermindert.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetanordnung, die vorsieht, dass sich die mechanische Kennzahl q2 des mindestens einen warmen Schwingungssystems (R2, R2') von den mechanischen Kennzahlen q1 aller tiefkalten Schwingungssysteme (R1) um wenigstens den Faktor 1,5 unterscheidet. Dies stellt sicher, dass das warme Schwingungssystem gegen alle tiefkalten Schwingungssysteme schwingt. Dies trägt zur Minderung der Wirbelstromeffekte bei.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen supraleitenden Magnetanordnung, bei der alle warmen Schwingungssysteme (R2, R2') eine elektrische Leitzahl p2 = σ2·d2 aufweisen mit 1·10²/Ohm < p2 < 1·10⁵/Ohm bei der jeweiligen Temperatur T2. Dadurch wird eine gute Heizleistung aller warmen Schwingungssysteme und eine entsprechen starke Dämpfung der mechanischen Schwingungen und der Wirbelströme in allen tiefkalten Schwingungssystemen und dort deshalb eine besonders kleine elektrische Heizleistung erreicht.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der mehrere tiefkalte Schwingungssysteme vorgesehen sind, deren mechanische Kennzahlen q1 sich untereinander jeweils um wenigstens den Faktor 1,5 unterscheiden, insbesondere wobei tiefkalte Schwingungssysteme mit höheren mechanischen Kennzahlen q1 radial weiter innen angeordnet sind. Dadurch tritt eine Entkopplung auch innerhalb des tiefkalten Bereichs ein, was Wirbelstromeffekte weiter reduziert.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der genau ein tiefkaltes Schwingungssystem (R1) vorgesehen ist. Dies verbessert die Verteilung der Wirbelstrombeträge unter den Schwingungssystemen und reduziert den Wärmeeintrag in die Magnetspule. Insbesondere wird verhindert, dass mehrere tiefkalte Schwingungssysteme gegeneinander schwingen.
Ebenso ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der genau ein warmes Schwingungssystem (R2) vorgesehen ist. Auch dies verbessert die Verteilung der Wirbelstrombeträge unter den Schwingungssystemen und reduziert den Wärmeeintrag in die Magnetspule. Insbesondere stellt sich bei genau einem tiefkalten und genau einem warmen Schwingungssystem im Inneren der Magnetwicklung eine besonders günstige Wirbelstromverteilung ein.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der alle tiefkalten Schwingungssysteme (R1) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt sind, insbesondere wobei gilt σ1 > 6·10⁸/(Ohm m), vorzugsweise σ1 > 3·10⁹/(Ohm m) bei der Temperatur T1. Kupfer und Kupferlegierungen sind Metalle mit besonders kleinen mechanischen Kennzahlen q1 von etwa 2,6 × 10⁷ Nm/kg und erfüllen erfindungsgemäße Materialanforderung (insbesondere in Kombination mit unmagnetischem Edelstahl) als bevorzugtem Werkstoff für ein tiefkaltes Schwingungssystem besonders gut. Außerdem lassen sich mit Kupfer bei Temperaturen T1 < 5 K besonders große elektrische Leitfähigkeiten σ1 und besonders große elektrische Leitzahlen p1 realisieren.
Ebenfalls bevorzugt ist eine supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein warmes Schwingungssystem (R2, R2') aus unmagnetischem Edelstahl gefertigt ist. Unmagnetischer Edelstahl stellt eine Legierung mit einer besonders kleinen elektrischen Leitfähigkeit σ2 dar und ist deshalb besonders gut zur Realisierung der erfindungsgemäßen elektrischen Leitzahlen geeignet. Mit σ2 = 1,4 × 10⁶/Ω/m und Wandstärken d2 zwischen 1 mm und 10 mm ergeben sich elektrische Leitzahlen von 1,4 × 10³/Ω und 1,4 × 10⁴/Ω, die in dem erfindungsgemäßen Bereich liegen. Außerdem ist unmagnetischer Edelstahl ein Metall mit einer relativ hohen mechanischen Kennzahl q2 = 2,6 × 10⁷ Nm/kg und erlaubt deshalb einen gewissen Spielraum für das Material eines tiefkalten Schwingungssystems.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der ein tiefkaltes Schwingungssystem (R1) von einem Trägerrohr der Magnetspule gebildet wird. Dadurch ist das Trägerrohr multifunktional.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass ein Heliumtank für flüssiges Helium vorgesehen ist, und dass die Magnetspule in dem Heliumtank angeordnet ist. Mit flüssigem Helium ist eine effektive Kühlung der Magnetspule möglich, insbesondere auf eine Temperatur von 4,2 K und darunter. Dies hat sich insbesondere für Magnetresonanzapparaturen bewährt.
Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die radial innen liegende Wand des Heliumtanks aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt ist. Die radial innen liegende Wand des Heliumtanks bildet ein tiefkaltes Schwingungssystem (oder einen Teil davon), und weist die erfindungsgemäße elektrische Leitzahl sowie mechanische Kennzahl auf.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der obigen Ausführungsform sieht vor, dass eine radial innen liegende Wand des Heliumtanks und ein Trägerrohr der Magnetspule kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und die radial innen liegende Wand des Heliumtanks und das Trägerrohr gemeinsam ein tiefkaltes Schwingungssystem (R1) bilden.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass eine radial innen liegende Wand des Heliumtanks als ein Trägerrohr der Magnetspule ausgebildet ist, und die radial innen liegende Wand des Heliumtanks ein tiefkaltes Schwingungssystem (R1) bildet. In beiden Fällen kann dadurch mit einem einzigen, tiefkalten Schwingungssystem ausgekommen werden. Es wird verhindert, dass beispielsweise ein vom Trägerrohr getrenntes Innenrohr des Heliumtanks mit ebenfalls großer elektrischer Leitzahl sowie das Trägerrohr aufgrund ihrer großen Leitzahlen zueinander praktisch ungedämpft in Schwingung geraten und sich in beiden Rohren folglich Wirbelströme mit großen Amplituden einstellen, die so groß sind, dass trotz der großen Leitzahlen höhere elektrische Heizleistungen in beiden Rohren entstehen können, die beide zu einem erhöhten Heliumverbrauch beitragen.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die supraleitfähige Magnetanordnung einen Kryostaten aufweist, wobei das Innenrohr des Außenbehälters des Kryostaten ein warmes Schwingungssystem (R2) bildet. Dies hat den Vorteil, dass sich die hier wichtige Funktion der Schwingungsdämpfung mit der allgemein erforderlichen Funktion der Abdichtung des Außenbehälters, der gleichzeitig einen Vakuumbehälter darstellt, durch ein einziges Bauteil erfüllen lässt. Allerdings ist es für die Funktion der Schwingungsdämpfung, die hier stets nach einem elektromechanischen Prinzip erfolgt, erforderlich, dass das Innenrohr des Außenbehälters frei schwingen kann und nicht etwa durch eine direkt darin befestigte Gradientenspule darin behindert wird. Alternativ kann auch ein warmes Schwingungssystem im Außenbehälter des Kryostaten angeordnet werden, dann wird eine Lärmerzeugung durch das Schwingen des warmen Schwingungssystems verhindert.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein warmes Schwingungssystem (R2) innerhalb der Raumtemperaturbohrung angeordnet, insbesondere zwischen einer Gradientenspule und der Raumtemperaturbohrung. In diesem Falle ist es möglich, die beiden Funktionen der Schwingungsdämpfung und der Abdichtung voneinander zu trennen. Das Innenrohr des Außenbehälters bzw. Kryostaten ist dann beispielsweise aus elektrisch nicht leitfähigem Material, etwa glasfaserverstärkter Kunststoff. Nun wir es möglich, die Wandstärke d2 des warmen Schwingungssystem ausschließlich in Hinblick auf die Schwingungsdämpfung zu optimieren. Dabei kann d2 mit etwa 1–2 mm kleiner sein als es für ein Innenrohr eines Vakuumbehälters in der Regel zulässig ist.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen supraleitfähigen Magnetanordnung, bei der zwischen einem tiefkalten Schwingungssystem (R1) und einem warmen Schwingungssystem (R2, R2') mindestens ein Strahlungsschild angeordnet ist, insbesondere wobei der Strahlungsschild mit flüssigem Stickstoff oder einem Refrigerator kühlbar ist. Das Strahlungsschild schützt die tiefkalten Bereiche der Magnetanordnung vor Wärmestrahlung.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass der Strahlungsschild im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist und in Umfangsrichtung mehrfach unterteilt ist. Bevorzugt ist der Strahlungsschild mehr als 100fach unterteilt oder geschlitzt. Die Funktion eines Strahlungsschildes (bzw. dessen Innenrohrs) besteht darin, in seiner Längsrichtung Wärme zu transportieren. Deshalb verwendet man Metalle mit relativ großer Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit von Metallen ist nach dem Wiedemann-Frantz Gesetz proportional zu seiner elektrischen Leitfähigkeit. Deshalb werden üblicherweise Rohre aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder nach der US 6707302 B2 aus Kupfer oder Messing verwendet. Bei nicht in Umfangsrichtung unterteilten metallischen Rohren bilden sich in diesen ebenfalls Wirbelströme aus, die durch Vibrationen verändert oder verstärkt werden und die Wirbelströme in allen anderen Rohren beeinflussen, und in der Regel verstärken. Durch die vorgesehene Unterteilung lassen sich die Wirbelströme in den Strahlungsschilden fast völlig unterdrücken. Dafür muss die Anzahl der Unterteilungen so groß gewählt werden, dass die Breite der verbleibenden Metallstege hinreichend gering ist, damit Wirbelströme und damit verbundene Vibrationen weitgehend vermieden werden. Man kann auf diese Weise beispielsweise eine Anordnung realisieren, bei der ausschließlich ein tiefkaltes und ein warmes Schwingungssystem in nennenswertem Umfang Wirbelströme tragen und deshalb die Funktion der Anordnung bestimmen. In diesem Fall lassen sich besonders kleine Werte der Übertragungsfunktionen V₀₁ (siehe unten) und entsprechend kleine Heizleistungen realisieren. Eine Realisierungsmöglichkeit ist hier beispielsweise ein Gewebe aus in Längsrichtung verlaufenden metallischen Adern und in Umfangsrichtung verlaufenden Streifen aus nicht leitfähigem material, beispielsweise Glasfaser verstärkter Kunststoff. Die Unterteilung in Umfangsrichtung kann auch mit Litzen aus Draht mit untereinander isolierten Adern realisiert werden, wobei die Litzen beispielsweise auf einem Tragerohr aus elektrisch nicht leitfähigem Material befestigt sein können. Ein geschlitzter Strahlungsschild stellt kein Schwingungssystem im Sinne der vorliegenden Erfindung dar, da es nicht die erforderliche elektrische Leitzahl in Umfangsrichtung aufweist.
Eine bevorzugte andere Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass der Strahlungsschild aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist. Typischerweise sind dann das tiefkalte Schwingungssystem aus Kupfer und das warme Schwingungssystem aus Stahl gefertigt. Die Werte einer Übertragungsfunktion V₀₁ (s. unten) sind auf diese Weise grundsätzlich größer als bei in Umfangsrichtung mehrfach unterteilten Strahlungsschilden. Dennoch erweist sich ein geschlossenes Rohr aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als noch geeignet und ist preisgünstiger als ein in Umfangsrichtung mehrfach unterteiltes Rohr. Ein Strahlungsschild aus Kupfer oder einer Kupferlegierung wäre ungeeignet.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der innerhalb der Raumtemperaturbohrung eine Gradientenspule angeordnet ist, insbesondere eine aktiv abgeschirmte Gradientenspule. Die Gradientenspule kodiert das Messsignal. Die aktive Abschirmung mindert Wirbelstromeffekte durch das Schalten der Gradientenspule.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der die Gradientenspule eine Befestigung aufweist, die unabhängig von einem radial nach außen benachbart angeordneten warmen Schwingungssystem (R2) ist. Mit anderen Worten ist die Gradientenspule nicht unmittelbar am warmen Schwingungssystem bzw. Rohr R2 befestigt. Auf diese Weise kann das Rohr R2 weitgehend frei in verschiedenen Schwingungsformen schwingen. Durch seine Schwingung in dem Hintergrundfeld B und die dadurch induzierten Wirbelströme und die induktive Kopplung mit dem warmen Schwingungssystem bzw. Rohr R1 werden sowohl die Amplituden der Wirbelströme als auch die Amplituden der Schwingungen selbst in beiden Rohren gedämpft. Auf diese Weise ist die in R1 erzeugte Heizleistung besonders klein. Will man die Gradientenspule dennoch direkt in dem Innenrohr des Außenbehälters befestigen, so empfiehlt es sich, das Rohr R2 radial außerhalb des Innenrohres des Außenbehälters anzuordnen, möglichst aber bei einer Betriebstemperatur T2, die ungefähr gleich der Zimmertemperatur ist.
Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, die vorsieht, dass das mindestens eine warme Schwingungssystem (R2, R2') sich in axialer Richtung über eine Länge entsprechend wenigstens 80% der Länge der Magnetspule frei tragend erstreckt. Auf der angegebenen Länge weist das warme Schwingungssystem keine Abstützungen radial nach innen oder nach außen auf. Auch ist es bevorzugt, wenn das warme Schwingungssystem bzw. Rohr R2 in seinem mittleren axialen Bereich auf mindestens 80% seiner gesamten Länge weder nach innen noch nach außen Abstützungen zu anderen Körpern besitzt. Auf diese Weise kann das Rohr R2 weitgehend frei in verschiedenen Schwingungsformen schwingen. Durch seine Schwingung in dem Hintergrundfeld B und die dadurch induzierten Wirbelströme und die induktive Kopplung mit dem tiefkalten Schwingungssystem R1 werden sowohl die Amplituden der Wirbelströme als auch die Amplituden der Schwingungen selbst in beiden Rohren gedämpft. Auf diese Weise ist die im tiefkalten Schwingungssystem R1 erzeugte Heizleistung besonders klein.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Magnetspule eine Hauptfeldsektion umfasst, die von einem Rohr (R3) umgeben ist, wobei das Rohr (R3) eine elektrische Leitzahl p3 > 1·10⁶/Ohm bei einer Temperatur T1 < 10 K aufweist, insbesondere wobei eine Abschirmsektion der Magnetspule radial außerhalb des Rohrs (R3) angeordnet ist. In dem Bereich dicht außerhalb der Hauptfeldsektion ist das Magnetfeld erheblich kleiner als in dem Arbeitsvolumen der Magnetanordnung sowie im Bereich der Schwingungssysteme bzw. Rohre R1 und R2. Die in dem Rohr R3 induzierten Wirbelströme führen deshalb aufgrund hinreichend kleiner Lorentzkräfte nur geringfügig zu mechanischen Schwingungen. Auf diese Weise schirmt das Rohr R3 aufgrund seiner großen elektrischen Leitzahl p3 die mit den Wirbelströmen in R1 und R2 verbundenen Störfelder bereits oberhalb kleiner Frequenzen von wenigen Hz nach außen ab und verhindert Wirbelströme in noch weiter außen liegenden metallischen Körpern, insbesondere Spulenkörpern von Abschirmsektionen der Magnetspule oder in dem Außenrohr eines Heliumbehälters. Die große elektrische Leitzahl p3 verhindert außerdem die Erzeugung einer größeren elektrischen Heizleistung in dem Rohr R3. Durch eine Anordnung der Abschirmsektion außerhalb des Rohres R3 können sich in metallischen Trägerrohren der Abschirmsektion keine Wirbelströme ausbilden, die zu einer zusätzlichen Erwärmung führen.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, dass gilt 1,5·q1 < q2, und bevorzugt 2·q1 < q2. Die mechanische Kennzahl des mindestens einen tiefkalten Schwingungssystem kann durch geeignete Materialwahl wie Kupfer leicht eingestellt werden. Die Resonanzfrequenzen von tiefkalten und warmen Schwingungssektionen liegen weit auseinander, und die Schwingungskopplung wird vermindert.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, die vorsieht, dass mindestens ein tiefkaltes Schwingungssysteme (R1) eine mechanische Resonanzfrequenz von 1,5 kHz oder weniger aufweist, und dass mindestens ein warmes Schwingungssysteme (R2, R2') eine mechanische Resonanzfrequenz von 2,5 kHz oder mehr aufweist. Bei einer Betriebsfrequenz von ca. 1,5 kHz bis 2,5 kHz eines Gradientensystems erfolgen die mechanischen Schwingungen der tiefkalten und warmen Schwingungssysteme gegenphasig, was die Schwingungskopplung dämpft.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der für den Durchmesser D der Raumtemperaturbohrung gilt D > 0,4 m, und bevorzugt D > 0,6 m. Bei größeren Durchmessern der Magnetbohrungen liegen nach Gleichung (1) (siehe unten) die Resonanzfrequenzen metallischer Rohre in einem Bereich von etwa 0,5 kHz bis etwa 2,5 kHz, in dem die Ströme der Gradientenspulen betrieben werden und in denen die Amplitudenverhältnisse A1/A0 und damit die elektrische Heizleistung P1 deshalb bei herkömmlichen Anordnungen besonders groß sind. Die Vorteile der Erfindung kommen deshalb in besonderem Maße zur Geltung.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, wonach gilt T2 > 20 K, und bevorzugt T2 > 40 K, und besonders bevorzugt T2 beträgt ungefähr Zimmertemperatur. Bei T2 um beispielsweise 20 K bis 40 K wird die bei der Schwingungsdämpfung erzeugte Heizleistung im warmen Schwingungssystem bzw. Rohr R2 nicht in den Heliumtank abgeführt, sondern kann beispielsweise durch Kühlung mit dem Kaltkopf eines Refrigerators abgeführt werden. Bei T2 bei Zimmertemperatur (ca. 20°C) führt die Heizleistung infolge der Schwingungsdämpfung auch bei einer Größenordnung oberhalb von 10 W zu einer nur unbedeutenden Erwärmung des warmen Schwingungssystems bzw. Rohrs R2 und kann gegebenenfalls durch Wasser- oder Luftkühlung abgeführt werden.
Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausführungsform, die vorsieht, dass die Stärke des Magnetfelds im Arbeitsvolumen wenigstens 3 Tesla beträgt, und bevorzugt wenigstens 5 Tesla. Das Verdampfen von flüssigem Helium (bei Heliumkühlung) ist bei Magnetanordnungen mit großer Magnetfeldstärke besonders stark, und die Vorteile der vorliegende Erfindung kommen besonders stark zur Geltung.
Vorteilhaft ist schließlich noch eine Ausführungsform, bei der die Schwingungssysteme (R1, R2, R2') jeweils als Rohre ausgebildet sind. In diesem Fall können die Schwingungssysteme weitere notwendige Funktionen beispielsweise eines Spulenkörpers, eines Innenrohres eines Heliumbehälters oder eines Außenbehälters übernehmen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln 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.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße supraleitende Magnetanordnung mit genau einem tiefkalten Schwingungssystem, das durch das Innenrohr des Heliumtanks ausgebildet ist, und genau einem warmen Schwingungssystem, das durch die innere Kryostatenwand ausgebildet ist, und mit einem geschlitzten Strahlungsschild;
2 eine erfindungsgemäße supraleitende Magnetanordnung mit genau einem tiefkalten Schwingungssystem, das durch das Innenrohr des Heliumtanks ausgebildet ist, und genau einem warmen Schwingungssystem, das durch ein Rohr in der Raumtemperaturbohrung ausgebildet ist, und mit einem geschlitzten Strahlungsschild;
3 eine erfindungsgemäße supraleitende Magnetanordnung ähnlich 2, mit einem Strahlungsschild, das als geschlossenes Rohr aus AlMg3 ausgebildet ist;
4 eine supraleitende Magnetanordnung nach dem Stand der Technik;
5 ein geschlitztes Strahlungsschild zur Verwendung mit der Erfindung;
6a ein Diagramm der Heizleistung in der inneren Kryostatenwand und im Innenrohr des Heliumbehälters von 1;
6b ein Diagramm der Heizleitung im Innenrohr des Heliumbehälters von 1:
7 ein Diagramm der Heizleitung im Innenrohr des Heliumbehälters von 2;
8 ein Diagramm der Heizleitung im Innenrohr des Heliumbehälters von 3;
9 ein Diagramm der Heizleistung im Innenrohr des Heliumbehälters und im Spulenkörper von 4.
Die Erfindung beschäftigt sich mit der Verbesserung einer supraleitenden Magnetanordnung einer Magnetresonanzapparatur.
Supraleitende Magnetanordnungen, die mit der vorliegenden Erfindung verbessert werden können, sind beispielsweise aus der DE 10127822 A1 und der US 6707302 B2 bekannt.
Die Magnetanordnung umfasst eine um ein radial inneres Trägerrohr R1 angeordnete Magnetwicklung aus supraleitendem Draht. Das Trägerrohr und die Magnetwicklung bilden, gegebenenfalls zusammen mit radial weiter außen liegenden Magnetwicklungen aus supraleitendem Draht, die beispielsweise das magnetische Streufeld in der Umgebung der Magnetanordnung reduzieren, die supraleitende Magnetspule. Werkstoffe für Trägerrohre R1 sind in der Regel Aluminiumlegierungen oder unmagnetischer Edelstahl. Die Magnetspule befindet sich auf einer Betriebstemperatur unterhalb von 10 K, damit der Supraleiterdraht den supraleitenden Zustand annimmt. Um diese Betriebstemperatur zu ermöglichen, befindet sich die Magnetspule in einem Kryostaten. Der Kryostat weist radial innerhalb des Trägerrohres R1 weitere konzentrische metallische Rohre, die entweder Teile von Strahlungsschilden sind oder Teile von Behältern. In der Regel befindet sich die Magnetspule in einem Heliumtank aus unmagnetischem Edelstahl, dessen Innenrohr ein solches metallisches weiteres Rohr darstellt. Strahlungsschilde befinden sich auf Betriebstemperaturen zwischen 15 K und 100 K und bestehen in der Regel aus Aluminium, ebenfalls die Innenrohre der Strahlungsschilde, die ebenfalls weitere metallische Rohre darstellen, die radial innerhalb des Trägerrohres R1 angeordnet sind. Grundsätzlich besitzt ein Kryostat einen Außenbehälter, der den Heliumtank und sämtliche Strahlungsschilde umschließt, der sich auf Zimmertemperatur befindet, und der einen Vakuumbehälter darstellt. Letzteres verhindert die Wärmeleitung zwischen dem Außenbehälter und der Magnetspule oder dem Heliumtank durch Gas. Die Funktion der Strahlungsschilde besteht darin, die Wärmezufuhr zur Magnetspule oder dem Heliumtank durch Wärmestrahlung weiter zu reduzieren. Der Außenbehälter besitzt ein Innenrohr, welches auch die Raumtemperaturbohrung des Kryostaten darstellt. Dieses kann aus Metall, in der Regel, wie der gesamte Außenbehälter, aus unmagnetischem Edelstahl, bestehen und damit ein weiteres metallisches Rohr innerhalb des Trägerrohres R1 darstellen.
Die Magnetspule erzeugt in einem Arbeitsvolumen im Bereich ihres Zentrums ein für Magnetresonanzmessungen geeignetes statisches Magnetfeld. Typische Magnetfeldstärken liegen zwischen 0,5 T und 20 T.
Bei Magnetresonanzapparaturen befindet sich in der Raumtemperaturbohrung des Kryostaten in der Regel ein rohrförmiges Gradientensystem mit drei Gradientenspulen, die dem von der Magnetspule in dem Arbeitsvolumen erzeugten Magnetfeld drei schaltbare Zusatzfelder überlagern. Nach dem Stand der Technik sind die drei Gradientenspulen aktiv abgeschirmt, damit das von ihnen radial außerhalb des Gradientensystems erzeugte magnetische Streufeld möglichst gering bleibt. Es sind Anordnungen bekannt, bei denen das Gradientensystem direkt in der Raumtemperaturbohrung des Kryostaten befestigt ist. Bei anderen Anordnungen ist das Gradientensystem an den Seitenplatten des Außenbehälters oder außerhalb des Kryostaten am Fußboden befestigt. Das Innere des rohrförmigen Gradientensystems umschließt das Arbeitsvolumen und bildet den Zugang für das Untersuchungsobjekt.
Es sind Anordnungen bekannt, bei denen das Innenrohr des Außenbehälters nicht elektrisch leitfähig ist, sondern beispielsweise aus Glasfaser verstärktem Kunststoff besteht.
Ferner sind Anordnungen bekannt, bei denen das Trägerrohr R1 aus unmagnetischem Edelstahl der Magnetspule gleichermaßen das Innenrohr des Heliumtanks darstellt.
Ferner sind Anordnungen bekannt, bei denen kein Heliumbehälter vorhanden ist, sondern die Magnetspule wärmeleitend mit dem Kühlfinger eines Kaltkopfes eines Refrigerators verbunden ist.
In jedem Falle besteht eine wesentliche Funktion des Kryostaten darin, die Magnetspule oder den Heliumtank thermisch gegen den Außenbehälter möglichst gut zu isolieren. Bei Magnetsystemen mit einem Heliumtank bleibt dann der Verbrauch an flüssigem Helium gering. Es sind Anordnungen mit einem Heliumtank und aktiver Kühlung durch einen Refrigerator bekannt. Auf diese Weise ist es möglich, den Verbrauch von flüssigem Helium völlig zu vermeiden. Bei Magnetanordnungen nach dem Stand der Technik liegt die dem Heliumtank oder der Magnetspule durch Wärmeleitung oder Wärmestrahlung zugeführte Wärmeleistung unterhalb von etwa 0,5 W.
Das in der US 6707302 B2 angesprochene und zu lösende Problem besteht darin, dass insbesondere bei Magnetanordnungen mit relativ großen Raumtemperaturbohrungen zwischen 0,5 m und 1 m sowie großen Magnetfeldstärken oberhalb von 3T beim Schalten der Ströme in den Gradientenspulen infolge der Streufelder der Gradientenspulen in den metallischen Rohren des Kryostaten sowie dem Trägerrohr R1 Wirbelströme induziert werden. Diese sind wegen des von der Magnetspule im Bereich dieser Rohre erzeugten statischen Hintergrundfeldes B mit Lorentzkräften verbunden und führen wegen der endlichen Elastizitätsmoduli E zu mechanischen Schwingungen dieser Rohre, wodurch wiederum die Stärke der Wirbelströme modifiziert wird. Insbesondere bei Betrieb der Gradientenspulen mit Wechselströmen mit Frequenzen im Bereich der mechanischen Resonanzfrequenzen der Rohre sind auch im Innenrohr des Heliumtanks oder in dem Trägerrohr R1 Wirbelströme mit erheblichen Stärken möglich. Auf diese Weise können in diesen Rohren elektrische Heizleistungen oberhalb von 10 W oder sogar oberhalb von 100 W erzeugt werden, wodurch die Magnetanordnung infolge exzessiven Verdampfens von flüssigem Helium oder der Erwärmung der Magnetspule praktisch unbrauchbar wird.
Beispielsweise die DE 3900725 C2 oder die US 6501275 B2 der Anmelderin beschreiben Anordnungen, bei denen die Abschirmwirkung von elektrisch leitfähigen Rohren, welche nicht oder unvollständig abgeschirmte Gradientensysteme umschließen, in dem diese Rohre umschließenden Raum ausgenutzt wird. Diese Abschirmwirkung leitfähiger Rohre im Bereich höherer Frequenzen oberhalb von etwa 1–100 Hz geht in höheren statischen Hintergrundfeldern B bereits oberhalb von etwa 1 T weitgehend verloren und kann sogar im Bereich der mechanischen Resonanzfrequenzen und mehr dieser sowie weiter außen angeordneter elektrisch leitfähiger Rohre statt zu einer Abschirmung zu einer Verstärkung der in diesen Rohren induzierten hauptsächlich durch mechanische Vibrationen induzierten Wirbelströme führen. Dieser Effekt verstärkt sich in der Regel bei noch stärkeren Hintergrundfeldern B im Bereich von 7 T.
Wie in der US 6707302 B2 erwähnt, beträgt die mechanische Resonanzfrequenz f0 eines Rohres bei radialen Schwingungsmoden f0 = 1/(2 π r)(E/ρ)1/2, (1)

E:: Elastizitätsmodul,
ρ:: Dichte,
r:: Radius.

Die Wandstärke geht nicht ein, weil beispielsweise mit größerer Wandstärke d sowohl die Federkonstante als auch die Masse in gleichem Maße zunehmen und damit die Resonanzfrequenz unverändert bleibt.
In der US 6707302 B2 wird ausgeführt, dass bei Magnetanordnungen nach dem damaligen Stand der Technik die Werkstoffe des Innenrohres des Außenbehälters und des Heliumtanks, unmagnetischer Edelstahl in beiden Fällen, und der Strahlungsschilde, Aluminium, etwa gleiche mechanische Kennzahlen q = E/ρ, und damit etwa gleiche Resonanzfrequenzen besitzen, und deshalb die Amplitude der Wirbelströme in dem Innenrohr des Heliumtanks und folglich die im Heliumtank umgesetzte Heizleistung besonders groß sind.
Der US 6707302 B2 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Amplitude der Wirbelströme in dem Innenrohr der Heliumtanks erheblich abnimmt, wenn man für ein Innenrohr einer zwischen dem Innenrohr des Heliumtanks und dem Innenrohr des Außenmantels angeordneten „mittleren Einheit", beispielsweise und vorzugsweise eines Strahlungsschildes, ein Material mit einer mechanischen Kennzahl q verwendet, die stark von der mechanischen Kennzahl des Innenrohres des Heliumtanks und des Außenmantels abweicht und welches vorzugsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung ist. Die mechanische Kennzahl q von Kupfer und Kupferlegierungen beträgt nur etwa die Hälfte im Vergleich mit Aluminium oder unmagnetischem Edelstahl. Auf diese Weise wird die elektrische Heizleistung durch vibrationsverstärkte Wirbelströme in dem Innenrohr des Heliumtanks erheblich reduziert.
Die allgemeine Erkenntnis der US 6707302 B2 der wichtigen Rolle unterschiedlicher mechanischer Kennzahlen der verschiedenen Innenrohre eines Kryostaten wird hier nach eigener Analyse bestätigt. Sie ist eine nicht unwichtige, aber nicht hinreichende Erkenntnis für die Planung von Magnetanordnungen mit geringer Heizleistung im Bereich der Magnetspule. Die fundamentale Bedeutung, welche die US 6707302 B2 dem Material und der mechanischen Kennzahl der „mittleren Einheit", also eines Strahlungsschildes zumisst, hat in den eigenen Analysen der Anmelderin keine Bestätigung gefunden. Insbesondere berücksichtigt die US 6707302 B2 beispielsweise nicht den Einfluss des ebenfalls im Heliumtank angeordneten Trägerrohres der Magnetspule, das hier mit R1 bezeichnet wird.
Die vorliegende Erfindung hat insbesondere zum Ziel, die der Magnetspule oder dem Heliumtank zugeführte elektrische Heizleistung durch vibrationsverstärkte Wirbelströme gegenüber den in der US 6707302 B2 vorgeschlagenen Anordnungen erheblich, d.h. um Faktoren > 10, vorzugsweise > 100 zu reduzieren.
Dieses Ziel wird auf überraschend einfache aber wirkungsvolle Weise durch die Anordnung gemäß Anspruch 1 erreicht.
Entscheidend ist die Erkenntnis, dass zwei Schwingungssysteme, etwa koaxiale Rohre R1 und R2 vorhanden sind, die nicht nur unterschiedliche mechanische Kennzahlen q und deshalb unterschiedliche mechanische Resonanzfrequenzen besitzen, sondern die außerdem erheblich unterschiedliche elektrische Leitzahlen p = σ d, σ: mittlere elektrische Leitfähigkeit bei der Betriebstemperatur, d: Wandstärke des Rohres, besitzen.
Wegen der unterschiedlichen mechanischen Resonanzfrequenzen schwingen diese Rohre im Gegentakt zueinander. Wegen der geringen elektrischen Leitzahl eines der beiden Rohre ist diese Schwingung infolge von Wärmeerzeugung in dem Rohr mit der geringen elektrischen Leitzahl gedämpft. Interessanterweise sind die mit dieser Schwingung verbundenen Stärken der Wirbelströme in beiden Rohren von gleicher Größenordnung und weitgehend entgegengesetzt gerichtet, während die mechanische Schwingungsamplitude in dem Rohr mit der geringeren elektrischen Leitzahl erheblich größer als bei dem Rohr mit der großen elektrischen Leitzahl ist, nämlich näherungsweise proportional zum umgekehrten Verhältnis der beiden Leitzahlen. Die mechanische Schwingung wird also hauptsächlich in dem Rohr mit der geringen elektrischen Leitzahl gedämpft und deren Energie dort in Wärme umgewandelt.
Auf der Basis dieser neuen Erkenntnis wird erfindungsgemäß wie folgt vorgegangen: Man verwende das Rohr R1 mit der großen elektrischen Leitzahl zur Erfüllung einer geeigneten strukturellen Funktion, beispielsweise der eines Trägerrohres der Magnetspule oder der eines Innenrohres des Heliumtanks, bei der extrem niedrigen Betriebstemperatur (etwa T1) der supraleitenden Magnetspule, und das Rohr R2 mit der geringen elektrischen Leitzahl für die genannte Funktion der Schwingungsdämpfung oder auch für eine weitere strukturelle Funktion wie der des Innenrohres des Außenmantels der Magnetanordnung. Bei der erhöhten Temperatur T2 dieses weiteren Rohres R2 ist die in diesem Rohr durch die Schwingungsdämpfung erzeugte Heizleistung weniger nachteilig oder völlig unbedeutend.
Entscheidend ist zusätzlich, dass im tiefkalten Bereich, insbesondere innerhalb der Magnetspule und bei der Betriebstemperatur der Magnetspule, kein weiteres Schwingungssystem bzw. Rohr mit geringer elektrischer Leitzahl vorhanden ist, in dem Schwingungsenergie verbunden mit dann großer elektrischer Heizleistung gedämpft wird.
Dies impliziert im Falle einer Magnetanordnung mit einem Heliumtank eine völlig ungewöhnliche Maßnahme, nämlich dass das Innenrohr des Heliumtanks nicht mehr wie sonst ausnahmslos üblich aus unmagnetischem Edelstahl mit einigen mm Wandstärke bestehen darf, da dessen elektrische Leitzahl p für die vorliegende Erfindung zu gering wäre. Besser geeignete Materialien sind Kupfer mit hoher elektrischer Leitzahl, oder auch elektrisch nicht leitfähige Materialien wie faserverstärkte Kunststoffe. Bei Ausführungsformen mit einem warmen Schwingungssystem bzw. Rohr R2 aus unmagnetischem Edelstahl scheidet ein Innenrohr des Heliumtanks auch aufgrund seiner identischen mechanischen Kennzahl als Material für das Innenrohr des Heliumtanks aus.
Die in dem Ausführungsbeispiel der US 6707302 B2 angegebene Anordnung weist ein Innenrohr des Heliumtanks und auch ein Trägerrohr aus Edelstahl auf einer Betriebstemperatur von typisch 4,2 K auf, was zu erheblichen Verdampfungsraten von flüssigem Helium führen kann. Das Beispiel der US 6707302 B2 zeigt, wie stark die Vorstellung eines Innenrohres eines Heliumtanks aus unmagnetischem Edelstahl als unabänderliche Gegebenheit im Bewusstsein eines Fachmannes, der auch mit der hier angesprochenen Problematik vertraut ist, verankert sein kann.
In der DE 3900725 C2 wurden vibrationsinduzierte Wirbelströme unter dem Einfluss eines Hintergrundfeldes B und die Bedeutung der mechanischen Eigenschaften und Kennzahlen und deren Wechselspiel mit den elektrischen Leitzahlen weder erkannt noch beschrieben.
Bei erfindungsgemäßen Anordnungen, analog übrigens zu anderen metallischen Rohren, beträgt die in dem tiefkalten Schwingungssystem bzw. Rohr R1 erzeugte Heizleistung P1: P1 = A12 V01 2 g r1 (π f μ0/σ1)–1/2, für δ < d1 (2)und P1 = A12 V01 2 g (r1/p1) für δ > d1 (3)

A0:: Nicht kompensierte Ampere Windungszahl der Gradientenspule,
A1:: Ampere Windungszahl der im Rohr R1 induzierten Wirbelströme,
V₀₁ = A1/A0:: Frequenzabhängige Übertragungsfunktion
g:: Faktor, der von der Geometrie der Anordnung und vom Schwingungstyp abhängt,
r1:: Radius des Rohres R1,
δ = (π f μ₀ σ1)^–½:: elektromagnetische Eindringtiefe,
f:: Frequenz,
μ₀:: Induktionskonstante.

Ersichtlich wird nach den Gleichungen (2) und (3) überhaupt keine Heizleistung P1 erzeugt, wenn die Gradientenspule perfekt aktiv abgeschirmt ist und die nicht kompensierte Ampere Windungszahl A0 deshalb verschwindet. Dies ist in der Praxis wegen mechanischer Toleranzen bei der Herstellung der aktiv abgeschirmten Gradientenspule und durch den Skineffekt in den elektrischen Leitern der Gradientenspule in der Regel nicht der Fall.
Sowohl die US 6707302 B2 als auch die vorliegende Erfindung minimieren auf völlig unterschiedliche Weise, jedoch größenordnungsmäßig ähnlich die Übertragungsfunktion V₀₁ = A1/A0, mit Vorteilen für die vorliegende Erfindung. Der entscheidende Vorteil liegt nun darin, dass die Heizleistung nach (2) und (3) mit wachsender elektrischer Leitfähigkeit σ1 abnimmt. In dem für die zu lösende Aufgabe relevanten Frequenzbereich von 0,5 ... 2,5 kHz, in welchem auch die Schaltfrequenzen der Ströme in den Gradientenspulen bei Magnetresonanzapparaturen liegen, und der geforderten großen elektrischen Leitzahl p1 gilt Gleichung (2). P1 ist ersichtlich bei ansonsten gleichen Verhältnissen umgekehrt proportional zur Wurzel aus der elektrischen Leitfähigkeit σ1. Stellt man in Rechnung, dass bei herkömmlichen Anordnungen, beispielsweise nach der US 6707302 B2 , das Innenrohr eines Heliumtanks aus unmagnetischem Edelstahl mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 1,4 × 10⁶/Ω/m besteht und man nach der vorliegenden Erfindung besser beispielsweise Kupfer mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 6 × 10⁹/Ω/m verwendet, so ergibt sich eine etwa um einen Faktor 65 kleinere elektrische Heizleistung P1 und ein entsprechend kleinerer Verbrauch an flüssigem Helium.
Zum Begriff des erfindungsgemäßen Schwingungssystems
Ein Schwingungssystem im Sinne der Erfindung ist ein Körper oder Körperverbund, der als ganzes einer einheitlichen Schwingung unterliegt, wobei verschiedene Schwingungssysteme relativ zueinander schwingen können müssen.
Ein einfaches Schwingungssystem stellt beispielsweise in Rohr dar. Zwei Rohre, die koaxial zueinander angeordnet sind und nur an ihren Enden starr miteinander verbunden sind, können gegeneinander schwingen und stellen daher verschiedene Schwingungssysteme dar. Hingegen stellen zwei koaxiale Rohre, die über ihre gesamten, einander zugewandten Zylindermantelflächen kraftschlüssig fest miteinander verbunden sind, nur ein Schwingungssystem dar, da sie nicht gegeneinander schwingen können; vielmehr schwingen sie stets in einheitlicher Weise bzgl. Amplitude und Phase.
Die Schwingung eines Schwingungssystems muss über eine elektromagnetische Kopplung anregbar sein. Dies wird durch den Mindestwert der elektrischen Leitzahl des Schwingungssystems in Umfangsrichtung definiert. Nicht leitfähige Rohre sind daher nicht Schwingungssysteme im Sinne der Erfindung. Allerdings kann ein nicht leitfähiges Rohr mit einem hochleitfähigen Material beschichtet oder sonst fest verbunden sein (Verbundrohr), so dass sich insgesamt eine erfindungsgemäße elektrische Leitzahl ergibt.
Ein Rohr, das entlang seines Umfangs unterbrochen ist („geschlitzt"), weist eine elektrische Leitzahl von null in Umfangsrichtung auf und stellt daher kein erfindungsgemäßes Schwingungssystem dar.
Zu den Figuren
Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße supraleitende Magnetanordnung in einem schematischen Querschnitt. Eine im wesentlichen kreiszylindermantelförmige Magnetspule 1 umfasst eine Hauptfeldsektion mit einem zentralen Abschnitt 2a und axial außen liegenden Abschnitten 2b, 2c, sowie eine radial weiter außen liegende Abschirmsektion umfassend Abschnitte 3a, 3b. Zwischen der Hauptfeldsektion 2a–2c und der Abschirmsektion 3a–3b verläuft ein Rohr 11 aus Kupfer. Die Magnetspule 1 erzeugt in einem Arbeitsvolumen 4 ein homogenes Magnetfeld B. Die Zylinderachse der Magnetspule 1 verläuft in der Darstellung von 1 waagrecht durch das Zentrum des Arbeitsvolumens 4. Das Magnetfeld B verläuft parallel zur Zylinderachse (z-Richtung) und hat eine Stärke von 7 Tesla im Arbeitsvolumen 4.
Die Magnetspule 1 ist in einem Heliumtank 5 untergebracht, der zumindest teilweise mit flüssigem Helium mit einer Temperatur von 4,2 K befüllt ist. Ein Trägerrohr der Magnetspule 1 bildet gleichzeitig die radial innen liegende Wand 6 des Heliumtanks 5. Um den Heliumtank 5 ist ein Strahlungsschild 7 angeordnet. Ein radial innerhalb der Magnetspule 1 liegender Abschnitt 7a des Strahlungsschildes 7 ist in Umfangsrichtung mehrfach geschlitzt, d.h. er besteht aus einer Vielzahl von in axialer Richtung verlaufenden, parallelen, gegeneinander isolierten elektrischen Leitern (vgl. 5). Der Strahlungsschild 7 wird in nicht dargestellter Weise mit einem Refrigerator gekühlt. Heliumtank 5 und Strahlungsschild 7 sind im Inneren eines evakuierten Kryostaten 8 angeordnet. Die radial innen liegende Wand 8a des Kryostaten 8 begrenzt eine axiale Raumtemperaturbohrung 9 mit Durchmesser D. In der Raumtemperaturbohrung 9 ist eine Gradientenspule 10 (oder ein Gradientenspulensystem) angeordnet, die im Arbeitsvolumen 4 zusätzliche magnetische Gradientenfelder erzeugen kann. Das Arbeitsvolumen 4 befindet sich im Inneren der Gradientenspule 10.
Die erfindungsgemäße Magnetanordnung umfasst genau zwei Schwingungssysteme im Sinne der Erfindung radial innerhalb der Hauptfeldsektion: Zum einen als tiefkaltes Schwingungssystem R1 (bei der Temperatur von flüssigem Helium bei ca. 4,2 K) die radial innen liegende Wand 6 des Heliumtanks 5, und zum anderen als warmes Schwingungssystem R2 die radial innen liegende Wand 8a des Kryostaten 8 (= das Innenrohr des Außenmantels) bei Raumtemperatur.
Kein Schwingungssystem im Sinne der Erfindung ist die Gradientenspule 10, denn sie stellt das Anregungsmittel dar. Kein Schwingungssystem im Sinne der Erfindung ist weiterhin der radial innen liegende Abschnitt 7a des Strahlungsschildes 7, denn der Abschnitt 7a ist in Umfangsrichtung geschlitzt und hat daher keine elektrische Leitfähigkeit in Umfangsrichtung. Ebenfalls kein Schwingungssystem im Sinne der Erfindung ist das Rohr 11, da es außerhalb der Hauptfeldsektion und deren Abschnitte 2a, 2b, 2c liegt.
Das warme Schwingungssystem R2, also die Kryostateninnenwand 8a, besteht aus einem Rohr aus unmagnetischem Edelstahl von 4 mm Wandstärke (Dicke) in radialer Richtung, bei einem Radius von 0,47 m. Die elektrische Leitzahl beträgt p2 = 5,7·10³/Ohm. Die mechanische Kennzahl beträgt q2 = 2,6·10⁷ Nm/kg. Der innen liegende, geschlitzte Abschnitt 7a des Strahlungsschildes 7 hat einen Radius von 0,485 m, eine Dicke von 4 mm, und einen elektrischen Leitwert p = 0. Das tiefkalte Schwingungssystem R1, also das Innenrohr 6 des Heliumtanks 5, hat einen Innenradius von 0,5 m, einen Außenradius von 0,51 m, eine Dicke von 10 mm und besteht aus Kupfer. Die Leitzahl p1 beträgt 2,9·10⁷/Ohm. Die mechanische Kennzahl beträgt q1 = 1,35·10⁷ Nm/kg und damit um den Faktor 1,93 kleiner als q2. Die Hauptsektion der Magnetspule 1 ist mit Supraleiterdraht aus 80% Kupfer und 20% NiobTitan gewickelt, mit einem Innendurchmesser von 0,51 m und einem Außendurchmesser von 0,6 m, und mit p = 0. Das Rohr 11 ist aus Kupfer.
Die 2 zeigt eine weitere, erfindungsgemäße supraleitende Magnetanordnung ähnlich der in 1 dargestellten. Im folgenden werden die Unterschiede erläutert.
In der Ausführungsform von 2 ist die radial innen liegende Wand 8a des Kryostaten 8 aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff gefertigt und verfügt somit über keine nennenswerte Leitfähigkeit (p = 0). Stattdessen befindet sich ein unmagnetisches Edelstahlrohr 21 zwischen dem Gradientensystem 10 und der Kryostateninnenwand 8a. Das Edelstahlrohr 21 stellt das einzige warme Schwingungssystem R2 dar (bei Raumtemperatur).
Das Edelstahlrohr 21 als warmes Schwingungssystem R2 hat einen Radius von 0,46 m, eine Dicke von 2 mm und eine elektrische Leitzahl von p2 = 2,85·10³/Ohm. Die mechanische Kennzahl beträgt q2 = 2,6·10⁷ Nm/kg. Der Strahlungsschild 7, Innenwand 6 des Heliumtanks 5 (und damit das tiefkalte Schwingungssystem R1) und Rohr 11 sind wie in 1 ausgebildet.
Die 3 zeigt eine weitere, erfindungsgemäße supraleitende Magnetanordnung ähnlich der in 2 dargestellten. Im folgenden werden wiederum die Unterschiede erläutert.
Die Innenwand 6 des Heliumtanks 5 fungiert wie bereits in 1 erläutert als tiefkaltes Schwingungssystem R1. Weiterhin bildet das Rohr 21 das warme Schwingungssystem R2 bei Raumtemperatur.
Der radial innen liegende Abschnitt 7a des Strahlungsschildes 7 ist – anders als in 2 – geschlossen rohrförmig ausgebildet und insbesondere ungeschlitzt. Er besteht aus der Legierung AlMg₃. Der Abschnitt 7a stellt somit ein weiteres warmes Schwingungssystem R2' dar. Der Abschnitt 7a hat einen Radius von 0,485 m, eine Dicke von 4 mm und eine elektrische Leitzahl von 1,7·10⁵/Ohm. Die mechanische Kennzahl beträgt q2 = 2,5·10⁷ Nm/kg.
4 zeigt eine supraleitende Magnetanordnung nach dem Stand der Technik, wie er beispielsweise durch die DE 101 27 822 A1 repräsentiert wird.
Die Abschnitte 2a, 2b, 2c einer Hauptfeldsektion einer Magnetspule 1 ist auf einem Trägerkörper (Spulenkörper) 1a aufgewickelt. Die Magnetspule 1 samt Trägerkörper 1a ist innerhalb eines Heliumtanks 5 aus Edelstahl angeordnet. Im Heliumtank 5 befindet sich flüssiges und gasförmiges Helium. Der Heliumtank 5 wird radial nach innen durch eine separate Innenwand 6 begrenzt. Ein radial innerer, geschlossen rohrförmiger Abschnitt 7a eines Strahlungsschildes 7 aus Kupfer schirmt den Heliumtank 5 gegenüber der radial inneren Wand 8a des Kryostaten 8 aus unmagnetischem Edelstahl vor Wärmestrahlung ab. Innerhalb der Raumtemperaturbohrung 9 befinden sich die Gradientenspule 10 und das Arbeitsvolumen 4. Im Arbeitsvolumen herrscht ein homogenes B-Feld mit einer Stärke von 7 Tesla.
Als Schwingungssysteme treten in der Anordnung von 4 auf:

– die Innenwand 8a des Kryostaten 8, aus unmagnetischem Edelstahl mit Innenradisus 0,47 m, Dicke d = 4 mm und elektrischer Leitzahl p = 5,7·10³/Ohm und mechanischer Kennzahl q = 2,6·10⁷ Nm/kg.
– der Abschnitt 7a des Strahlungsschildes 7 aus Kupfer, mit Radius 0,485 m, d = 4 mm, p = 1,2·10⁶/Ohm, q = 1,35·10⁷ Nm/kg
– das Innenrohr 6 des Heliumtanks 5 aus unmagnetischem Edelstahl, mit Innenradius 0,5 m, Außenradius 0,506 m, d = 6 mm, p = 8,6·10³/Ohm;
– der Trägerkörper 1a aus AlMg₃ mit Innenradius 0,508 m, Außenradius 0,518 m, p = 4,25·10⁵/Ohm, q = 2,5·10⁷ Nm/kg.

Die Wicklung des SL-Drahts aus 80% Kupfer und 20% Niob Titan der Hauptfeldsektion erfolgt mit einem Innenradius von 0,518 m und einem Außenradius von 0,608 m (und p = 0).
In Abweichung zur Erfindung weist dieser Stand der Technik also insbesondere zwei elektrisch schlecht leitfähige, tiefkalte Schwingungssysteme (Heliumtankwand 6 und Trägerkörper 1a) auf.
5 zeigt eine schematische Schrägansicht eines in Umfangsrichtung unterteilten Strahlungsschildes 51, wie es mit der Erfindung verwendet werden kann (etwa als Abschnitt 7a des Strahlungsschildes gemäß 1 oder 2).
Der geschlitzte Strahlungsschild 51 weist einen rohrförmigen, elektrisch isolierenden Trägerkörper 52 auf. Auf dem Trägerkörper 52 sind zahlreiche Litzen 53 aufgebracht und parallel in Axialrichtung ausgerichtet. Die Litzen 53 bestehen jeweils aus mehreren (hier fünf) Kupferadern 54. Im rechten Teil der 5 ist eine Vergrößerung einer Litze 53 dargestellt. Die Litzen 53 haben untereinander keine elektrische Verbindung.
Der geschlitzte Strahlungsschild 51 ermöglicht einen axialen Wärmetransport, vermeidet jedoch Wirbelströme in den einzelnen Adern, und damit in Umfangsrichtung des Strahlungsschildes 51.
6a zeigt ein Diagramm, welches die Heizleitungen P_eddy in der Ausführungsform der Erfindung von 1 als eine Funktion der Anregungsfrequenz der Gradientenspulen darstellt. Die Linie 61 zeigt die Heizleitung im warmen Schwingungssystem R2, nämlich der Kryostateninnenwand. Die Linie 62 zeigt die Heizleistung im tiefkalten Schwingungssystem R1, nämlich der Innenwand des Heliumtanks. Die Heizleistung in der Innenwand des Heliumbehälters ist erheblich geringer als die Heizleistung in der Kryostatenwand.
In 6b ist die Linie 62 (tiefkaltes Schwingungssystem R1) in einem anderen Maßstab vergrößert dargestellt. Die maximale Heizleistung beträgt etwa 27 mW/m² bei 2000 Hz.
7 zeigt die Heizleistung P_eddy im tiefkalten Schwingungssystem R1, nämlich der Innenwand des Heliumbehälters, als Funktion der Frequenz bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform von 2. Die maximale Heizleistung beträgt ca. 16 mW/m² bei 2100 Hz.
8 zeigt die Heizleistung P_eddy im tiefkalten Schwingungssystem R1, nämlich der Innenwand des Heliumbehälters, als Funktion der Frequenz bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform von 3. Die maximale Heizleistung beträgt hier ca. 35 mW/m² bei 2100 Hz.
In 9 ist zum Vergleich die Heizleistung P_eddy derjenigen Schwingungssysteme der Magnetanordnung des Standes der Technik von 4 dargestellt, die im tiefkalten Bereich bei 4,2 K angeordnet sind. Nach rechts ist wiederum die Anregungsfrequenz der Gradientenspulen dargestellt. Die Kurve 91 zeigt das Verhalten der Heliumtankwand (Bzz. 6 in 4) aus Edelstahl, die Kurve 92 zeigt das Verhalten des Trägerkörpers aus AlMg₃ (Bzz. 1a in 4). Die Summe der Heizleistungen der Kurven 91 und 92 bestimmt den Heliumverbrauch in der Anordnung nach 4. Die maximalen Heizleistungen betragen ca. 1350 mW/m² bei 1900 Hz in Kurve 91 und 300 mW/m² bei 1900 Hz in Kurve 92. Ersichtlich sind die Heizleistungen bei den tiefkalten Rohren im Stand der Technik erheblich höher als bei erfindungsgemäßen Anordnungen.
Die Diagramme der 6a bis 9 wurden auf einem Computer berechnet.
Eine nicht dargestellte, bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung sieht vor, dass an einem tiefkalten Schwingungssystem R1, insbesondere dem Trägerrohr der Magnetspule, mindestens eine flächenhafte Anordnung nach der DE 10354676 A1 , Anspruch 2, kraftschlüssig befestigt (niederresistive Abschirmung). Die kraftschlüssige Befestigung kann beispielsweise durch Kleben oder Löten an einer Oberfläche von R1 geschehen. Die Supraleiterdrähte in der flächenhaften Anordnung reduzieren die in R1 erzeugte elektrische Heizleistung erheblich. Die kraftschlüssige Befestigung bewirkt, dass die flächenhafte Anordnung exakt die Vibrationen von R1 mit durchführt. Wegen der besseren elektrischen Leitfähigkeit fließen die mit den Vibrationen von R1 verbundenen Wirbelströme fast ausschließlich in der flächenhaften Anordnung, wo sie wegen der besseren elektrischen Leitfähigkeit zu einer erheblich kleineren Heizleistung führt.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Magnetanordnung mit einer supraleitenden Magnetspule 1, innerhalb der ein Gradientensystem geschaltet werden soll. Innerhalb der Magnetspule 1 sind alle tiefkalten Schwingungssysteme R1 (mit Temperatur T1 < 10 K) aus elektrisch gut leitfähigem Material gefertigt, und wenigstens ein warmes Schwingungssystem R2 (mit Temperatur T2 > 10 K) innerhalb der Magnetspule 1 ist elektrisch schlechter leitfähig und weist eine deutlich andere mechanische Resonanzfrequenz (Abstand ca. 500 Hz oder mehr) auf als wenigstens eines der tiefkalten Schwingungssysteme R1. Dadurch kann die Kühlleistung für die tiefkalten Schwingungssysteme R1 reduziert werden. Mit anderen Worten, es kann die den tiefkalten Schwingungssystemen infolge mechanischer Schwingungen und dadurch induzierter Wirbelströme zugeführte unerwünschte Heizleistung reduziert werden.

Claims

Supraleitende Magnetanordnung für eine Magnetresonanzapparatur, – mit einer im Wesentlichen zylindrischen Magnetspule (1) mit einer Magnetwicklung aus supraleitendem Draht zur Erzeugung eines Magnetfelds B in einem Arbeitsvolumen (4), – mit einer Raumtemperaturbohrung (9), die zur Magnetspule (1) koaxial ist und das Arbeitsvolumen (4) enthält, – und mit mehreren, radial innerhalb der Magnetwicklung der Magnetspule (1) angeordneten, elektrisch leitfähigen Schwingungssystemen (R1, R2, R2'), wobei jedes Schwingungssystem (R1, R2, R2') ein in sich einheitliches Schwingverhalten aufweist und relativ zu jedem anderen Schwingungssystem (R1, R2, R2') schwingen kann, wobei die Schwingungssysteme (R1, R2, R2') jeweils im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet und koaxial zur Raumtemperaturbohrung (9) angeordnet sind, wobei die Schwingungssysteme (R1, R2, R2') jeweils eine elektrische Leitzahl p = σ·d aufweisen, mit p > 1·10²/Ohm bei Raumtemperatur, mit σ: elektrische Leitfähigkeit des Schwingungssystems und d: minimale Wandstärke des Schwingungssystems in radialer Richtung, wobei die Schwingungssysteme (R1, R2, R2') jeweils eine mechanische Kennzahl q = E/ρ aufweisen, mit E: mittleres Elastizitätsmodul des Schwingungssystems und ρ: mittlere Dichte des Schwingungssystems; – wobei ein tiefkaltes Schwingungssystem (R1) oder mehrere tiefkalte Schwingungssysteme vorgesehen sind, welche im Betrieb Temperaturen T1 < 10 K aufweisen, – und wobei ein warmes Schwingungssystem (R2) oder mehrere warme Schwingungssysteme (R2, R2') vorgesehen sind, welche im Betrieb Temperaturen T2 > 10 K aufweisen, wobei alle warmen Schwingungssysteme (R2, R2') radial innerhalb des tiefkalten Schwingungssystems (R1) oder der tiefkalten Schwingungssysteme angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, – dass alle tiefkalten Schwingungssysteme (R1) elektrische Leitzahlen p1 = σ1·d1 aufweisen mit p1 >1·10⁶/Ohm bei der jeweiligen Temperatur T1, dass mindestens ein warmes Schwingungssystem (R2, R2') eine elektrische Leitzahl p2 = σ2·d2 aufweist mit 1·10²/Ohm <p2 < 1·10⁶/Ohm bei der zugehörigen Temperatur T2, – und dass sich die mechanische Kennzahl q2 dieses mindestens einen warmen Schwingungssystems (R2, R2') von der mechanischen Kennzahl q1 mindestens eines tiefkalten Schwingungssystems (R1) um wenigstens den Faktor 1,5 unterscheidet.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mechanische Kennzahl q2 des mindestens einen warmen Schwingungssystems (R2, R2') von den mechanischen Kennzahlen q1 aller tiefkalten Schwingungssysteme (R1) um wenigstens den Faktor 1,5 unterscheidet.
Supraleitende Magnetanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle warmen Schwingungssysteme (R2, R2') eine elektrische Leitzahl p2 = σ2·d2 aufweisen mit 1·10²/Ohm < p2 < 1·10⁵/Ohm bei der jeweiligen Temperatur T2.
Supraleitende Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere tiefkalte Schwingungssysteme vorgesehen sind, deren mechanische Kennzahlen q1 sich untereinander jeweils um wenigstens den Faktor 1,5 unterscheiden, insbesondere wobei tiefkalte Schwingungssysteme mit höheren mechanischen Kennzahlen q1 radial weiter innen angeordnet sind.
Supraleitende Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein tiefkaltes Schwingungssystem (R1) vorgesehen ist.
Supraleitende Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein warmes Schwingungssystem (R2) vorgesehen ist.
Supraleitende Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle tiefkalten Schwingungssysteme (R1) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt sind, insbesondere wobei gilt σ1 > 6·10⁸/(Ohm m), vorzugsweise σ1 > 3·10⁹/(Ohm m) bei der Temperatur T1.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein warmes Schwingungssystem (R2, R2') aus unmagnetischem Edelstahl gefertigt ist.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein tiefkaltes Schwingungssystem (R1) von einem Trägerrohr der Magnetspule (1) gebildet wird.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heliumtank (5) für flüssiges Helium vorgesehen ist, und dass die Magnetspule (1) in dem Heliumtank (5) angeordnet ist.
Supraleitende Magnetanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innen liegende Wand (6) des Heliumtanks (5) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt ist.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine radial innen liegende Wand (6) des Heliumtanks (5) und ein Trägerrohr der Magnetspule (1) kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und die radial innen liegende Wand (6) des Heliumtanks (5) und das Trägerrohr gemeinsam ein tiefkaltes Schwingungssystem (R1) bilden.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine radial innen liegende Wand (6) des Heliumtanks (5) als ein Trägerrohr der Magnetspule (1) ausgebildet ist, und die radial innen liegende Wand (6) des Heliumtanks (5) ein tiefkaltes Schwingungssystem (R1) bildet.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Kryostaten (8) aufweist, wobei das Innenrohr (8a) des Außenbehälters des Kryostaten (8) ein warmes Schwingungssystem (R2) bildet.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein warmes Schwingungssystem (R2) innerhalb der Raumtemperaturbohrung (9) angeordnet ist, insbesondere zwischen einer Gradientenspule (10) und der Raumtemperaturbohrung (9).
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem tiefkalten Schwingungssystem (R1) und einem warmen Schwingungssystem (R2, R2') mindestens ein Strahlungsschild (7, 7a) angeordnet ist, insbesondere wobei der Strahlungsschild (7, 7a) mit flüssigem Stickstoff oder einem Refrigerator kühlbar ist.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsschild (7, 7a) im wesentlichen rohrförmig ausgebildet und aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsschild (7, 7a) im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist und in Umfangsrichtung mehrfach unterteilt ist.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Raumtemperaturbohrung (9) eine Gradientenspule (10) angeordnet ist, insbesondere eine aktiv abgeschirmte Gradientenspule (10).
Supraleitfähige Magnetanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradientenspule (10) eine Befestigung aufweist, die unabhängig von einem radial nach außen benachbart angeordneten warmen Schwingungssystem (R2, R2') ist.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine warme Schwingungssystem (R2, R2') sich in axialer Richtung über eine Länge entsprechend wenigstens 80% der Länge der Magnetspule (1) frei tragend erstreckt.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (1) eine Hauptfeldsektion (2a, 2b, 2c) umfasst, die von einem Rohr (11, R3) umgeben ist, wobei das Rohr (11, R3) eine elektrische Leitzahl p3 > 1·10⁶/Ohm bei einer Temperatur T1 < 10 K aufweist, insbesondere wobei eine Abschirmsektion (3a, 3b) der Magnetspule (1) radial außerhalb des Rohrs (11, R3) angeordnet ist.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gilt 1,5·q1 < q2, und bevorzugt 2·q1 < q2.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein tiefkaltes Schwingungssystem (R1) eine mechanische Resonanzfrequenz von 1,5 kHz oder weniger aufweist, und dass mindestens ein warmes Schwingungssysteme (R2, R2') eine mechanische Resonanzfrequenz von 2,5 kHz oder mehr aufweist.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchmesser D der Raumtemperaturbohrung (9) gilt D > 0,4 m, und bevorzugt D > 0,6 m.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gilt T2 > 20 K, und bevorzugt T2 > 40 K, und besonders bevorzugt T2 beträgt ungefähr Zimmertemperatur.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des Magnetfelds im Arbeitsvolumen (4) wenigstens 3 Tesla beträgt, und bevorzugt wenigstens 5 Tesla.
Supraleitfähige Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Schwingungssysteme (R1, R2, R2') jeweils als Rohre ausgebildet sind.