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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf supraleitende Magnetsysteme
und mehr im Besonderen auf supraleitende Magnete, die in einer Wechselstrom(AC)-Umgebung
betrieben werden.
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In
einem Beispiel schließt
ein MR-System eine kalte Masse ein, die einen supraleitenden Magneten, eine
Magnetspulen-Trägerstruktur
und ein Heliumgefäß aufweist.
Flüssiges
Helium, das in dem Heliumgefäß enthalten
ist, sorgt für
die Kühlung
des supraleitenden Magneten und hält den supraleitenden Magneten
bei einer tiefen Temperatur für
supraleitende Operationen, wie der Fachmann verstehen wird. Das
flüssige
Helium hält
den supraleitenden Magneten bei etwa und/oder im Wesentlichen der
Temperatur flüssigen
Heliums von 4,2 Kelvin (K). Zur thermischen Isolation umfasst das
das flüssige
Helium enthaltende Heliumgefäß in einem Beispiel
ein Druckgefäß innerhalb
eines Vakuumgefäßes.
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Ein
supraleitender MR-Magnet schließt
typischerweise mehrere Spulen, einen Satz primärer Spulen, die ein gleichförmiges Bp-Feld
an dem abbildenden Volumen erzeugen, und einen Satz von Kompensationsspulen
ein, die das Randfeld des Magneten begrenzen. Diese Spulen sind
mit Supraleitern, wie NbTi- oder Nb3Sn-Leitern gewickelt. Der Magnet
wird auf die Temperatur flüssigen
Heliums (4,2K) abgekühlt,
so dass die Leiter in ihrem supraleitenden Zustand betrieben wer den.
Die Wärmebelastungen
des Magneten, wie sie durch die Strahlung und Leitung von der Umgebung
erzeugt werden, werden entweder durch Sieden des flüssigen Heliums
in einem "offenen
System" oder durch
einen 4 K-Cryokühler
in einem "geschlossenen
System" entfernt.
Der Magnet wird typischerweise in einem Cryostaten angeordnet, um
seine Wärmebelastungen
zu minimieren, da der Ersatz von flüssigem Helium teuer ist und
da die Kälteleistung
eines Cryokühlers
begrenzt ist. Sind die Spulen einem Wechselstromfeld, wie beispielsweise
einem durch Gradientenspulen des MR-Systems erzeugten Wechselstromfeld,
ausgesetzt, dann werden in den Supraleitern Wechselstromverluste
erzeugt. D.h., werden supraleitende Spulen einem Wechselstromfeld
ausgesetzt, dann werden darin Hystereseverlust und Wirbelströme induziert,
die zu den Wechselstromverlusten beitragen, die die Leitertemperaturen
erhöhen können und
gegebenenfalls zu einem sog. Quench, einem lokalen Zusammenbruch
der Supraleitung, führen. Die
Wechselstromverluste tragen auch zur Gesamtwärmebelastung für das Kühlsystem
bei. Ein Anstieg der Hitzebelastung erfordert zusätzliche
cryogene Gefrierleistung, was die Betriebskosten erhöht.
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Es
wäre daher
erwünscht,
eine Vorrichtung zu haben, die zur Verringerung von Wechselstromverlusten
konfiguriert ist, die durch Hysteresverlust und Wirbelströme verursacht
werden, die in den supraleitenden Magnetspulen induziert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Supraleiter zum Verringern von
Wechselstromverlusten in supraleitenden Spulen bereit, der die vorgenannten
Nachteile überwindet.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung enthält
ein elektrischer Leiter mit geringem Wechselstromverlust einen radial
zentralen elektrisch leitenden Kern und eine erste Schicht, die
den leitenden Kern radial umgibt und mehrere supraleitende Filamente
umfasst. Ein zweite Schicht umgibt radial die erste Schicht und
bildet eine Widerstandshülle
darum. Der elektrische Leiter enthält ferner einen Isolationsüberzug,
der die zweite Schicht radial umschließt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zum Aufbau
eines Leiters das Bilden eines elektrisch leitenden Kernes und das
Wickeln supraleitender Filamente um den elektrisch leitenden Kern
herum. Das Verfahren schließt
auch das Bilden einer Widerstandshülle ein, die die supraleitenden
Filamente umschließt,
und das Anordnen einer Isolierung um die Widerstandshülle.
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Gemäß noch einem
anderen Aspekt der Erfindung enthält ein supraleitendes Kabel
mehrere Supraleiter, die in einem isolierenden Mantel angeordnet
sind. Jedes supraleitende Bündel
weist mehrere supraleitende Stränge,
die um einen zentralen Kern gewickelt sind, eine die mehreren supraleitenden
Stränge
umgebende Hülle
und eine die Hülle
umgebende Isolationshülse
auf.
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Verschiedene
andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der folgenden detaillierten Beschreibung und der Zeichnung deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
Zeichnung veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform, die derzeit zur
Ausführung
der Erfindung vorgesehen ist.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm eines MR-Bildgebungssystems, das von der Einführung der vorliegenden
Erfindung einen Nutzen haben kann,
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2 eine
Querschnittsansicht eines Supraleiters gemäß der vorliegenden Erfindung,
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3 eine
perspektivische aufgeschnittene Ansicht einer Anzahl der Supraleiter
von 2, die gemeinsam gebündelt sind,
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4 eine
perspektivische aufgeschnittene Ansicht einer Anzahl von supraleitenden
Strängen
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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5 eine
Querschnittsansicht eines supraleitenden Stranges nach 4,
geschnitten entlang der Linie 5-5.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Bezugnehmend
auf 1 weist ein supraleitendes Magnetsystem 10 in
einem Beispiel ein supraleitendes Magnetsystem auf, das in einer
Wechselstrom(AC)-Umgebung betrieben wird. Beispielhafte supraleitende
Magnetsysteme umfassen einen Wandler, einen Generator, einen Motor,
supraleitende Magnetenergiespeicher (SMES) und/oder ein Magnetresonanz(MR)-System.
Obwohl ein konventioneller MR-Magnet in einem Gleichstrommodus (DC-Modus)
betrieben wird, können
einige MR-Magnete unter einem Wechselstrom-Magnetfeld (AC-Magnetfeld) von den
Gradientenspulen betrieben werden, wenn das zu dem Magneten reichende
Gradientenleckfeld stark ist. Ein solches Wechselstrom-Magnetfeld
erzeugt Wechselstromverluste (AC-Verluste) in dem Magneten. Eine
veranschaulichende Beschreibung beispielhafter Details einer/eines
Magnetresonanz- und/oder Magnetresonanz-Bildgebungs(MRI)-Vorrichtung und/oder
-Systems ist für
erläuternde
Zwecke angegeben.
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Der
Betrieb des MR-Systems wird von einer Operatorkonsole 12 aus
gesteuert, die eine Tastatur oder eine sonstige Eingabevorrichtung 13,
ein Bedienungsfeld 14 und einen Anzeigeschirm 16 einschließt. Die
Konsole 12 steht über
eine Verbindung oder einen Link 18 mit einem separaten
Computersystem 20 in Verbindung, das es einer Bedienungsperson
(Operator) gestattet, die Erzeugung und Anzeige von Bildern auf
dem Anzeigeschirm 16 zu steuern. Das Computersystem 20 enthält eine
Anzahl von Modulen, die durch eine Backplane (Busplatine) 20a miteinander
in Verbindung stehen. Diese umfassen ein Bildprozessormodul 22,
ein CPU-Modul 24 und ein Speichermodul 26, das
im Stande der Technik als ein Framebuffer oder Bildspeicher zum
Speichern von Bilddatenreihen bekannt ist. Das Computersystem 20 ist
mit einem Diskettenspeicher 28 und einem Bandlaufwerk 30 zum
Spei chern von Bilddaten und Programmen verbunden und steht über eine
serielle Hochgeschwindigkeitsverbindung 34 mit einer separaten
Systemsteuerung 32 in Verbindung. Die Eingabevorrichtung 13 kann
eine Maus, ein Joystick, eine Tastatur, einen Trackball, einen berührungssensitiven
Bildschirm, einen Lesestift (Light Wand), eine Sprachsteuerung oder
irgendein ähnliches
oder äquivalentes
Eingabegerät enthalten
und sie kann für
eine interaktive Geometrievorgabe benutzt werden.
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Die
Systemsteuerung 32 enthält
einen Satz von Modulen, die über
eine Backplane 32a miteinander verbunden sind. Diese umfassen
ein CPU-Modul 36 und ein Impulsgeneratormodul 38,
das über
eine serielle Verbindung bzw. einen seriellen Link 40 mit
der Operatorkonsole 12 verbunden ist. Es ist der Link 40, über den die
Systemsteuerung 32 Anweisungen von der Bedienungsperson
erhält,
um die Scansequenz anzugeben, die auszuführen ist. Das Impulsgeneratormodul 38 betreibt
die Systemkomponenten, um die erwünschte Scansequenz auszuführen, und
erzeugt Daten, die die Zeiteinteilung, Stärke und Gestalt der erzeugten
HF-Impulse sowie das Zeitintervall und die Länge des Datenerfassungsfensters
kennzeichnen. Das Impulsgeneratormodul 38 ist mit einem
Satz von Gradientenverstärkern 42 verbunden,
um die Zeitsteuerung und Gestalt der Gradientenimpulse anzugeben,
die während
des Scans erzeugt werden. Das Impulsgeneratormodul 38 kann auch
Patientendaten von einem physiologischen Akquisitionscontroller 44 empfangen,
die Signale von einer Anzahl verschiedener, an einen Patienten angeschlossener
befestigter Sensoren erhält,
wie EKG-Signale von an dem Patienten angeschlossenen Elektroden.
Und schließlich
ist das Impulsgeneratormodul 38 mit einer Scanraum-Interfaceschaltung 46 verbunden,
die Signale von verschiedenen Sensoren empfängt, die mit dem Zustand des
Patienten und dem Magnetsystem im Zusammenhang stehen. Es erfolgt
auch über
die Scanraum-Interfaceschaltung 46, dass ein Patientenpositionierungssystem 48 Anweisungen
empfängt,
um den Patienten in die gewünschte
Position für
den Scann zu bewegen.
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Die
durch das Impulsgeneratormodul 38 erzeugten Gradientenwellenformen
werden dem Gradientenverstärkersystem 42 zugeführt, das
Gx-, Gy- und Gz-Verstärker
aufweist. Jeder Gradientenverstärker
erregt eine entsprechende physikalische Gradientenspule in einer
Gradientenspulenanordnung, die allgemein mit 50 bezeichnet
ist, um magnetische Feldgradienten zu erzeugen, die für eine Ortskodierung
erfasster Signale benutzt werden. Die Gradientenspulenanordnung 50 bildet
Teil einer Magnetanordnung 52, die einen polarisierenden
Magneten 54 und eine Ganzkörper-HF-Spule 56 umfasst.
Ein Transceiver- oder Sende-Empfangs-Modul 58 in der Systemsteuerung 32 erzeugt
Impulse, die durch einen HF-Verstärker 60 verstärkt und
durch einen Sende/Empfangs-Schalter 62 an
der HF-Spule 56 angekoppelt werden. Die durch die angeregten
Kerne in dem Patienten emittierten resultierenden Signale können durch
die gleiche HF-Spule 56 erfasst und über den Sende/Empfangs-Schalter 62 zu
einem Vorverstärker 64 gekoppelt
werden. Die verstärkten
MR-Signale werden
in dem Empfängerabschnitt
des Sende-Empfangs-Gerätes 58 demoduliert,
filtriert und digitalisiert. Der Sende/Empfangs-Schalter 62 wird
durch ein Signal von dem Impulsgeneratormodul 38 gesteuert,
um den HF-Verstärker 60 elektrisch
mit der Spule 56 während
des Sendemodus zu verbinden und um den Vorverstärker 64 mit der Spule 56 während des
Empfangsmodus zu verbinden. Der Sende/Empfangs-Schalter 62 kann auch
die Benutzung einer separaten HF-Spule (z.B. einer Oberflächenspule)
entweder in dem Sendemodus oder in dem Empfangsmodus ermöglichen.
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Die
durch die HF-Spule 56 aufgenommenen MR-Signale werden durch
das Transceivermodul 58 digitalisiert und zu einem Speichermodul 66 in
der Systemsteuerung 32 übertragen.
Ein Scan ist vollständig, wenn
eine Reihe roher k-Raumdaten
in dem Speichermodul 66 akquiriert worden ist. Diese rohen
k-Raumdaten werden für
jedes zu rekonstruierende Bild zu separaten k-Raumdatenarrays neu
angeordnet und jede von diesen wird einem Arrayprozessor 68 zugeführt, der
die Daten über
eine Fouriertransformation in ein Array von Bilddaten wandelt. Diese
Bilddaten werden über
die serielle Verbindung 34 an das Computersystem 20 übertragen,
wo sie in einem Speicher, wie beispielsweise einem Diskettenspeicher 28,
gespeichert werden. Als Reaktion auf Anweisungen, die von der Bedienerkonsole 12 erhalten
werden, können
diese Bilddaten in einem Langzeitspeicher, wie beispielsweise auf
dem Bandlaufwerk 30, archiviert werden, oder sie können durch
den Bildprozessor 22 weiter verarbeitet und zu der Bedienerkonsole 12 übertragen
und auf der Anzeige 16 präsentiert werden.
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2 zeigt
einen Querschnitt eines elektrischen supraleitenden Leiters 70 mit
geringen Wechselstromverlusten in einem Wechselstromfeld. Der Leiter 70 hat
einen Kupferkern 72, der in Radialrichtung von einer ersten
Schicht 74 umgeben ist, die eine Vielzahl supraleitender
Filamente 76 aufweist, die ein Supraleiter-Filamentbündel bilden,
das in einer Kupfermatrix 78 angeordnet ist. Die Filamente 76 sind
vorzugsweise aus Niob-Titan (NbTi) erzeugt, jedoch ist es für einen
Fachmann verständlich,
dass die Filamente 76 aus anderen supraleitenden Materialien
aufgebaut werden können.
Die Filamente 76 sind in Längsrichtung innerhalb der ersten
Schicht 74 um den Kupferkern 72 herum verdrillt
oder verwunden. Vorzugsweise ist die Ganghöhe der Verdrillung bzw. Verwindung
der mehreren supraleitenden Filamente 76 größer als
oder gleich 100 mm. Die Filamente 76 haben auch einen Durchmesser
von vorzugsweise wenigen Mikrome tern, so dass Hystereseverluste
aufgrund einer höheren
Amplitude des Wechselstromfeldes vermindert sind.
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Wird
der Leiter
70 zunehmenden Wechselstromfrequenzen ausgesetzt,
dann beginnt sich die Stromleitung darin in der ersten Schicht
94 zu
konzentrieren. Die Eindringtiefe des Leiters
70 nimmt ab.
Die Eindringtiefe kann errechnet werden durch:
worin ρ der spezifische
Widerstand, μ die
Permeabilität
und f die Frequenz ist. Der elektrische Widerstand zwischen den
Filamenten
76 und der Kupfermatrix
78 steht proportional
in Beziehung zu Wechselstromverlusten. D.h., je geringer der elektrische
Widerstand zwischen den Filamenten
76 und der Kupfermatrix
78 ist,
um so geringer ist die Eindringtiefe der Stromleitung. Mit abnehmender
Eindringtiefe nehmen die bei der Stromleitung induzierten Wirbelströme ab. Die
Wechselstromverluste, die durch induzierte Wirbelströme verursacht
werden, werden als solche auch verringert.
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Eine äußere Hülle 80 umgibt
die erste Schicht 74, und ein Isolationsüberzug 82 umgibt
die äußere Hülle 80.
Die äußere Hülle 80 kann,
wenn sie leitend ist, signifikante Wechselstromverluste erzeugen,
insbesondere bei hohen Frequenzen. Die äußere Hülle 80 ist daher vorzugsweise
aus Widerstandsmaterialien, wie beispielsweise CuNi oder CuMn, erzeugt,
um induzierte Wirbelströme
und Wechselstromverluste zu verringern. Der Isolationsüberzug 82 isoliert
einen einzelnen Leiter 70 vom anderen oder den Leiter 70 von
sich selbst, wenn er auf sich selbst gewickelt ist. In dieser Weise
wirkt jeder Leiter 70 oder ein Teil desselben individuell bei
der Erzeugung von Wechselstromverlusten.
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3 zeigt
ein Bündel 84 von
Leitern 70 nach 2 innerhalb einer isolierenden
Hülse 86.
Bei höheren
Frequenzen werden mit abnehmendem Durchmesser jedes Leiters 70 Wechselstromverluste,
die durch darin induzierte Wirbelströme verursacht werden, ebenfalls
vermindert. Jeder Leiter 70 in dem Bündel 84 verläuft parallel
zu den anderen Leitern 70, und die Anzahl der Leiter 70 in
dem Bündel 84 kann
derart erhöht werden,
dass das Bündel 84 einen
erwünschten
Strom trägt.
Vorzugsweise ist ein Teil des Isolationsüberzuges 82 jedes
Leiters 70 entfernt und eine Brücke 88 auf jeden Leiter 70 an
der Stelle des entfernten Isolationsüberzuges 82 angelötet, so
dass die Leiter 70 elektrisch miteinander verbunden sind.
Eine Anzahl von Brücken 88 ist
in regelmäßigen Abständen entlang
einer Länge
des Bündels 84 an
die Leiter 70 angelötet.
Die elektrische Verbindung der Leiter 70 untereinander
in dieser Weise fördert
den Stromübergang
und die Aufteilung desselben auf die Leiter und verbessert die Stabilität und das
Quench-Verhalten des Bündels 84.
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4 zeigt
ein Bündel 90 aus
isolierten supraleitenden Einzelfilament-Strängen 92. Die Stränge 92 sind
in Form einer litzenartigen Anordnung gewickelt und mittels eines
Isolationsmantels 94 gemeinsam gebündelt. Die Stränge 92 sind
vorzugsweise innerhalb des Isolationsmantels 94 gänzlich verdrillt.
Um in jedem Strang 92 erzeugte Wechselstromverluste zu
verringern, kann dessen Durchmesser verringert werden, z.B. auf
weniger als 0,15 mm. Die Stränge 92 leiten
Strom parallel derart, dass das Bündel 90 einen gewünschten Strom
trägt.
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Eine
Anzahl von Brücken 96 ist
in regelmäßigen Abschnitten
entlang einer Länge
des Bündels 90 an die
Stränge 92 angelötet. Auf
diese Weise ist ein Teil eines Isolationsüberzuges 98 jedes
Stranges 92 entfernt, und eine Brücke 96 ist auf jeden
Strang 92 an der Stelle des entfernten Isolationsüberzuges 98 derart
aufgelötet,
dass die Stränge 92 elektrisch
miteinander verbunden sind. Die Brücken 96 fördern die
Stromübertragung
und -aufteilung zwischen den Strängen 92 und
verbessern die Stabilität
und das Quench-Verhalten
Bündels 90.
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5 zeigt
einen Querschnitt durch einen supraleitenden Einfilament-Strang 92 entlang
der Linie 5-5 der 4. Der Strang 92 weist
ein einzelnes supraleitendes Filament 100 auf, das von
einem Kupfer-Stabilisator 102 umgeben ist. Der Strang 92 ist
vorzugsweise aus NbTi aufgebaut, wobei jedoch ein Fachmann verstehen
wird, dass der Strang 92 aus anderen supraleitenden Materialien
gefertigt sein kann. Um einen einzelnen Strang 92 von einem
anderen zu isolieren, ist der Stabilisator 102 von einem
Isolationsüberzug
umgeben.
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Eine
supraleitende Spule, die aus dem Leiter 70 und/oder den
Bündeln 84, 90,
wie sie oben beschrieben sind, konstruiert ist, verringert Wechselstromverluste,
die durch induzierte Wirbelströme
hervorgerufen werden. Wechselstromverluste werden in einem supraleitenden
MR-Magneten unter einem pulsierenden Gradienten-Wechselstromfeld
und in einem supraleitenden Anker oder in supraleitenden Feldspulen
eines Hochgeschwindigkeits-Generators oder -Motors verringert.
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Es
ist daher ein elektrischer Leiter mit geringen Wechselstromverlusten
offenbart, wobei dieser einen radial zentralen elektrisch leitenden
Kern und eine erste Schicht enthält,
die den leitenden Kern radial umgibt und eine Vielzahl supraleitender
Filamente umfasst. Eine zweite Schicht umgibt die erste Schicht
in Radialrichtung und bildet eine Widerstandshülle um diese herum. Der elektrische
Leiter enthält
ferner einen Isolationsüberzug,
der die zweite Schicht radial umschließt.
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Ein
Verfahren zum Aufbau eines Leiters ist auch angegeben und enthält das Bilden
eines elektrisch leitenden Kernes und das Wickeln supraleitender
Filamente um den elektrisch leitenden Kern herum. Das Verfahren
enthält
ferner das Bilden einer Widerstandshülle, die die supraleitenden
Filamente umschließt,
und das Anordnen einer Isolation um die Widerstandshülse.
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Die
vorliegende Erfindung ist auch in einem supraleitenden Kabel verkörpert, das
mehrere Supraleiter enthält,
die in einem isolierenden Mantel angeordnet sind. Jedes supraleitende
Bündel
weist mehrere supraleitende Stränge
auf, die um einen zentralen Kern herum gewickelt sind, eine Hülle, die
die mehreren supraleitenden Stränge
umgibt, und eine Isolationshülse,
die die Hülle
umgibt.
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Die
vorliegende Erfindung ist in Form der bevorzugten Ausführungsform
beschrieben worden, und es ist klar, dass Äquivalente, Alternativen und
Modifikationen neben denen, die ausdrücklich genannt wurden, möglich sind
und in den Umfang der beigefügten
Ansprüche
fallen.
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Ein
elektrischer Leiter 70 mit geringem Wechselstromverlust
enthält
einen elektrisch leitenden Kern 72, der von einer ersten
Schicht 74 von supraleitenden Filamenten 76 umgeben
ist. Eine Widerstandshülle 80 umgibt
die erste Schicht 74, und ein Isolationsüberzug 82 umschließt radial
die Widerstandshülle 80.
