-
HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft allgemein supraleitende Magnetsysteme und insbesondere
supraleitende Magnete, die in einer Wechselstromumgebung (AC-Umgebung)
betrieben werden.
-
In
einem Beispiel enthält
ein MR-System eine kalte Masse, 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
supraleitenden Betrieb, wie ein Fachmann ohne Weiteres verstehen
wird. Das flüssige Helium
hält den
supraleitenden Magneten bei etwa und/oder im Wesentlichen der Temperatur
des 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.
-
Ein
supraleitender MR-Magnet enthält
typischerweise mehrere Spulen, einen Satz primärer Spulen, die ein gleichförmiges B0-Feld an dem Bildgebungsvolumen erzeugen,
und einen Satz von Kompensationsspulen, die das Randfeld des Magneten
begrenzen. Diese Spulen sind mit Supraleitern, wie NbTi- oder Nb3Sn-Leitern
gewickelt. Der Magnet wird auf die Temperatur des flüssigen Heliums
(4,2K) abgekühlt,
so dass die Leiter in ihrem supraleitenden Zustand betrieben werden.
Die Wärmebelastungen
des Magneten, wie sie durch die Strahlung und Leitung aus 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" beseitigt.
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 Hystereseverluste und Wirbelströme induziert,
die zu den Wechselstromverlusten beitragen, die die Leitertemperaturen erhöhen und
gegebenenfalls zu einem sog. Quench, einem lokalen Zusammenbruch
der Supraleitung, führen können. Die
Wechselstromverluste tragen auch zur Gesamtwärmebelastung für das Kühlsystem
bei. Ein Anstieg der Hitzebelastung erfordert zusätzliche
cryogene Gefrierleistung, was die Betriebskosten erhöht.
-
Es
wäre daher
erwünscht,
eine Vorrichtung zu haben, die zur Verringerung von Wechselstromverlusten
konfiguriert ist, die durch Hysteresverluste und Wirbelströme verursacht
werden, die in den supraleitenden Magnetspulen induziert werden.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung stellt einen Supraleiter zum Verringern von
Wechselstromverlusten in supraleitenden Spulen bereit, der die vorgenannten
Nachteile überwindet.
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist ein elektrischer Leiter mit geringen Wechselstromverlusten
beschrieben, der mehrere supraleitende Einzelfilamentstränge enthält, die
in Längsrichtung
umeinander gewickelt sind. Der elektrische Leiter enthält ferner
ein isolierendes Gehäuse,
das konfiguriert ist, um die mehreren supraleitenden Einzelfilamentstränge zu umschließen.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Aufbau
eines Leiters angegeben, das eine Bildung mehrerer Einzelstrang-Supraleiter,
einschließlich
einer Umschließung
eines Einzelstrang-Supraleiterfilamentkerns mit einer Kupferschicht
und eine Anordnung eines Isolationsüberzugs rund um die Kupferschicht,
enthält.
Das Verfahren enthält
ferner eine Wicklung der mehreren Einzelstrang-Supraleiter umeinander
und eine Anordnung der mehreren gewickelten Einzelstrang-Supraleiter
innerhalb eines Isolationsmantels.
-
Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der Erfindung ist ein supraleitendes Kabel
beschrieben, das mehrere supraleitende Bündel enthält, die in einem Isolationsmantel
angeordnet sind. Jedes supraleitende Bündel weist mehrere supraleitende
Einzelfilamentstränge
auf, die umeinander gewickelt sind.
-
Zahlreiche
weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden detaillierten Beschreibung und der Zeichnung deutlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
-
Die
Zeichnung veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform, die derzeit zur
Ausführung
der Erfindung vorgesehen ist.
-
In
den Zeichnungen zeigen:
-
1 ein
schematisches Blockdiagramm eines MR-Bildgebungssystems, das von der Einführung der vorliegenden
Erfindung einen Nutzen haben kann,
-
2 eine
Querschnittsansicht eines Supraleiters gemäß der vorliegenden Erfindung,
-
3 eine
perspektivische aufgeschnittene Ansicht einer Anzahl der Supraleiter
von 2, die gemeinsam gebündelt sind,
-
4 eine
perspektivische aufgeschnittene Ansicht einer Anzahl von supraleitenden
Strängen
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
-
5 eine
Querschnittsansicht eines supraleitenden Stranges nach 4,
geschnitten entlang der Linie 5-5.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Bezugnehmend
auf 1 weist ein supraleitendes Magnetsystem 10 in
einem Beispiel ein supraleitendes Magnetsystem auf, das in einer
Wechselstromumgebung (AC-Umgebung) betrieben wird. Beispielhafte supraleitende
Magnetsysteme umfassen einen Transformator, einen Generator, einen
Motor, supraleitende Magnetenergiespeicher (SMES) und/oder ein Magnetresonanzsystem
(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.
-
Der
Betrieb des MR-Systems wird von einer Bedienerkonsole 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 gesonderten
Computersystem 20 in Verbindung, das es einer Bedienungsperson
gestattet, die Erzeugung und Anzeige von Bildern auf dem Anzeigeschirm 16 zu
steuern. Das Computersystem 20 enthält eine Anzahl von Modulen,
die über
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 Speichern 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.
-
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 Bedienerkonsole 12 verbunden ist. Es ist der Link 40, über den die
Systemsteuerung 32 Anweisungen von der Bedienungsperson
erhält,
um die Scannsequenz anzugeben, die auszuführen ist. Das Impulsgeneratormodul 38 betreibt
die Systemkomponenten, um die erwünschte Scannsequenz 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 Scanns erzeugt werden. Das Impulsgeneratormodul 38 kann
auch Patientendaten von einem physiologischen Akquisitionscontroller 44 empfangen,
der Signale von einer Anzahl verschiedener, an einen Patienten angeschlossener
Sensoren erhält,
wie EKG-Signale von an dem Patienten angeschlossenen Elektroden.
Und schließlich
ist das Impulsgeneratormodul 38 mit einer Scannraum-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 Scannraum-Interfaceschaltung 46,
dass ein Patientenpositionierungs system 48 Anweisungen
empfängt,
um den Patienten in die gewünschte
Position für
den Scann zu bewegen.
-
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
die 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.
-
Die
durch die HF-Spule 56 aufgenommenen MR-Signale werden durch
das Transceivermodul 58 digitalisiert und zu einem Speichermodul 66 in
der Systemsteuerung 32 übertra gen.
Ein Scann 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-Raum-Datenarrays neu
geordnet und jedes 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.
-
2 zeigt
einen Querschnitt eines elektrischen supraleitenden Leiters 70,
der geringe Wechselstromverluste in einem Wechselstromfeld aufweist.
Der Leiter 70 weist einen Kupferkern 72 auf, 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 sein 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 mehreren supraleitenden
Filamente 76 größer als
oder gleich 100 mm. Die Filamente 76 haben auch einen Durchmesser
von vorzugsweise wenigen Mikrometern, so dass Hystereseverluste
aufgrund einer höheren
Amplitude des Wechselstromfeldes vermindert sind.
-
Wird
der Leiter
70 zunehmenden Wechselstromfrequenzen ausgesetzt,
dann beginnt sich die Stromleitung darin in der ersten Schicht
74 zu
konzentrieren. Die Eindringtiefe der Stromleitung des Leiters
70 nimmt als
solche 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.
-
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 von anderen oder den Leiter 70 von
sich selbst, wenn er über
sich selbst gewickelt ist. In dieser Weise wirkt jeder Leiter 70 oder
ein Teil desselben individuell bei der Erzeugung von Wechselstromverlusten.
-
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.
-
4 zeigt
ein Bündel 90 aus
isolierten supraleitenden Einzelfilament-Strängen 92. Die Stränge 92 sind
gemeinsam 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 führen Strom
parallel derart, dass das Bündel 90 einen gewünschten
Strom trägt.
-
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 Isolati onsüberzuges 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
des Bündels 90.
-
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.
-
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.
-
Es
ist deshalb ein elektrischer Leiter mit geringen Wechselstromverlusten
offenbart, der mehrere supraleitende Einzelfilamentstränge enthält, die
in Längsrichtung
umeinander gewickelt sind. Der elektrische Leiter enthält ferner
ein Isoliergehäuse,
das konfiguriert ist, um die mehreren supraleitenden Einzelfilamentstränge zu umschließen.
-
Ein
Verfahren zum Aufbau eines Leiters ist ebenfalls angegeben und enthält eine
Bildung mehrerer Einzelstrangsupraleiter, einschließlich einer
Umschließung
eines Einzelstrang-Supraleiterfilamentkerns mit einer Kupferschicht
und einer Anordnung eines Isolationsüberzuges um die Kupferschicht
herum. Das Verfahren enthält
ferner eine Wicklung der mehreren Einzelstrangsupraleiter umeinander
und eine Anordnung der mehreren gewickelten Einzelstrangsupraleiter
in einem Isolationsmantel.
-
Die
vorliegende Erfindung ist auch in einem supraleitenden Kabel verkörpert, das
mehrere supraleitende Bündel
enthält,
die in einem isolierenden Mantel angeordnet sind. Jedes supraleitende
Bündel
weist mehrere supraleitende Einzelfilamentstränge auf, die umeinander gewickelt
sind.
-
Die
vorliegende Erfindung ist anhand 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.
-
Ein
elektrischer Leiter mit geringen Wechselstromverlusten enthält mehrere
supraleitende Einzelfilamentstränge 92,
die in Längsrichtung übereinander
gewickelt sind. Ein Isoliergehäuse 94 umgibt
die mehreren supraleitenden Einzelfilamentstränge 92.
