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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine supraleitende MR(Magnetresonanz)-Magnetanordnung mit einem filamentlosen Supraleiter-Band.
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Eine MR-Magnetanordnung mit einem filamentlosen Supraleiter-Band ist bekannt aus Laskaris, E. T., Ackermann, T., Dorri, B. Gross, D., Herd, K., Minas, C., A Cryogen-Free Superconducting Magnet for Interventional MRI Applications, IEEE Transactions an Applied Superconductivity, Vol. 5, No. 2, June 1995.
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Supraleiterdrähte, durch die ein elektrischer Strom verlustfrei fließen kann, werden in vielfältiger Weise eingesetzt, insbesondere für Hochfeld-Magnetspulen. Supraleitermaterialien werden dabei erst unterhalb einer materialspezifischen Sprungtemperatur Tc supraleitend, so dass diese für den technischen Einsatz gekühlt werden müssen.
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Für MR-Anwendungen ist es wichtig, ein zeitlich konstantes räumlich homogenes Magnetfeld zu erzeugen. Die zeitliche Konstanz setzt einen verlustfreien Stromfluss innerhalb der das Magnetfeld erzeugenden Spule voraus. Um einen solchen verlustfreien Stromfluss zu gewährleisten, ist es notwendig, die Supraleiter-Drähte extrem niederohmig oder widerstandsfrei mittels supraleitender Drahtverbindungen, sogenannter „Joints” in der Weise zu verbinden, dass sämtliche verbundenen Leiterelemente zusammen eine praktisch widerstandfreie geschlossene Schleife bilden. Drahtverbindungen mit nicht supraleitendem Lot sind beispielsweise völlig ungeeignet. Die Qualität der supraleitenden Verbindungsstellen im Hinblick auf verschwindenden elektrischen Widerstand ist unabdingbare Voraussetzung für die Anwendung eines supraleitenden Magneten für MR-Anwendungen.
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Als Leiterelemente für MR-Magnetanordnungen kommen bislang supraleitende Multifilamentdrähte mit Filamenten aus sogenanntem Tieftemperatursupraleitermaterial (Low Temperature Superconductor, LTS-Leiter) zum Einsatz, die eine Vielzahl von Filamenten umfassen, welche in eine Matrix eingebettet sind und mit Ziehprozessen hergestellt werden. Die hauptsächlich verwendbaren Materialien für die supraleitenden Filamente haben die Metalllegierung NbTi sowie die intermetallische Verbindung Nb3Sn als Basis. Die typische Betriebstemperatur für diese Materialien beträgt 4,2 K oder weniger. Für die Kühlung wird flüssiges Helium verwendet.
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Derartige supraleitende Leiterelemente können hinreichend widerstandsarm miteinander verbunden werden, indem bspw. freigelegte Filamente der Supraleiterdrähte mit einem supraleitenden Lot miteinander verbunden werden...
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Derartige LTS-Leiter sind jedoch nur bei Magnetfeldern mit Feldstärken unterhalb von etwa 25 T supraleitend. Die höchste Betriebsfeldstärke, die mit speziellen MR-Magneten erreicht werden, beträgt aus diesem Grunde 23,5 T. Will man noch höhere Magnetfeldstärken mit MR-Magneten erzeugen, reichen LTC Leiter allein nicht mehr aus. Um noch höhere Magnetfeldstärken zu erzeugen, sind Magnetanordnungen denkbar, die Leiterelemente auf der Basis von Hochtemperatursupraleiter (HTS-Leiter) umfassen. Besonders gut geeignet erscheinen hier HTS-Leiter der sogenannten zweiten Generation, die nicht als Multifilamentleiter sondern als Bandleiter ausgebildet sind.
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HTS-Bandleiter der zweiten Generation erreichen auch in Magnetfeldern oberhalb von 25 T höhere Stromdichten (mehr als 1000 A/mm2 bei Temperaturen unterhalb von 5 K) und eignen sich wegen ihres Werkstoffs Yttrium-Barium-Kupfer-Oxyd (YBCO) und des Herstellungsverfahrens und der daraus resultierenden supraleitenden Eigenschaften prinzipiell besonders gut für Hochfeldanwendungen oberhalb von 25 T. Diese sogenannten „beschichteten Leiter” (Coated Conductor – CC) basieren auf einer Schichtarchitektur, wobei auf ein metallisches Trägerband eine Supraleiterschicht abgeschieden wird, bspw. mittels Sputtern, Laserablation, Elektronenstrahlverdampfung oder chemischer Vakuumbeschichtung. Die Breite dieser Bandleiter liegt typisch im Bereich zwischen wenigen mm und wenigen cm. Derartige Bandleiter sind beispielsweise aus der Druckschrift Bruker HTS YBCO CoatedConductorDataSheet der Firma Bruker HTS GmbH sowie aus http://www.bruker-est.com/ybco-tapes.html bekannt.
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Die Anwendung dieser HTS Bandleiter in MR-Magnetanordnungen wird jedoch dadurch erschwert, dass nach dem Stand der Technik keine Verfahren bekannt sind, die zuverlässige und hinreichend widerstandsfreie Drahtverbindungen zwischen diesen Leiterelementen ermöglichen.
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Der Einsatz von filamentlosen Bandleitern in einer MR-Magnetanordnung ist aus Laskaris, E. T., Ackermann, T., Dorri, B. Gross, D., Herd, K., Minas, C., A Cryogen-Free Superconducting Magnet for Interventional MRI Applications, IEEE Transactions an Applied Superconductivity, Vol. 5, No. 2, June 1995 bekannt. Allerdings handelt es sich hierbei um LTS Bandleiter, bei welchem Verfahren zur Herstellung hinreichend widerstandsfreier Drahtverbindungen zwischen Leiterelementen bekannt sind.
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Wegen der aufwendigen Kühlung von LTS-Materialien, ist es für MR-Anwendungen jedoch auch wünschenswert, HTS-Spulen (Sprungtemperatur Tc > 40 K) zu verwenden, welche mittels flüssigem Stickstoff relativ einfach und kostengünstig gekühlt werden können. Bezüglich der Verwendung von HTS-Bandleitern für MR-Anwendungen stellt sich aber nach dem derzeitigen Stand der Technik grundsätzlich das Problem, die filamentlosen Bandleiter hinreichend niederohmig miteinander zu verbinden, um einen verlustfreien Stromfluss innerhalb der aus diesem Material bestehenden Spule zu gewährleisten. HTS-Bandleiter kommen daher bislang hauptsächlich in der Energietechnik zur Anwendung, wo es nicht auf eine niederohmige Verbindung der Bandleiter ankommt.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine MR-Magnetanordnung vorzuschlagen, die filamentlose Supraleiter-Bänder zur Magnetfelderzeugung verwendet, bei der ein verlustfreier Stromfluss durch die Supraleiter-Bänder und somit eine hohe zeitliche Konstanz des erzeugten Magnetfeldes realisiert wird.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Supraleiter-Band in Längsrichtung einen Schlitz zwischen beiden Enden des Supraleiter-Bandes aufweist, wobei der Schlitz derart ausgebildet ist, dass das Supraleiter-Band eine den Schlitz umschließende geschlossene Schleife bildet, und dass das Supraleiter-Band zu mindestens einer Doppel-Spule aufgewickelt ist, wobei die Schlitzung die Doppel-Spule in zwei Teilspulen unterteilt, wobei bei mindestens einer Doppel-Spule die Teilspulen jeweils so gegeneinander verdreht und/oder verschoben angeordnet sind, dass die Teilspulen (6a, 6b, 6c, 6d) in einem Messvolumen einen vorgegebenen räumlichen Magnetfeldverlauf erzeugen.
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Als filamentloses Supraleiter-Band kann bspw. ein oben beschriebener Band-Supraleiter (Supraleiter 2. Generation) dienen.
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„Schlitzung in Längsrichtung” bedeutet hierbei, dass sich der Schlitz von einem Ende des Supraleiter-Bandes zum anderen Ende des Supraleiter-Bandes erstreckt, wobei die Schlitzung nicht geradlinig erfolgen muss, sondern auch wellen-, zickzackförmig usw. ausgebildet sein kann. Die Enden des Supraleiter-Bandes umfassen einen nicht geschlitzten Bereich. Das Supraleiter-Band bildet also eine geschlossene Schleife, ohne dass es mittels eines Joints verbunden werden muss. Die erfindungsgemäße Magnetanordnung weist daher eine jointfreie supraleitende Schleife auf, wodurch ein verlustfreier Stromfluss innerhalb der Schleife realisiert wird.
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Zur Erzeugung der notwendigen Magnetfeldstärke ist das geschlitzte Supraleiter-Band zu einer Doppel-Spule aufgewickelt und bildet zwei Teilspulen.
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Aufgrund der jointfreien Ausbildung der Supraleiter-Schleife wird eine Anwendung von HTS-Bandleitern in der Magnetresonanz ermöglicht.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Doppel-Spule um eine Doppel-Pancake-Spule mit Pancake-Spulen als Teilspulen. Eine Pancake-Spule ist spiralförmig in einer Ebene gewickelt (Flachspule). Im Allgemeinen ist die Doppel-Pancake-Spule auf ein oder mehreren Spulenträgern (Wicklungsträger) aufgewickelt. Es sind jedoch auch andere Spulenformen, z. B. Solenoidspulen, möglich.
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Nach Aufwickeln des Supraleiter-Bandes zu einer Doppel-Pancake-Spule würden sich die durch die Teilspulen erzeugten Teilmagnetfelder größtenteils auslöschen. Um trotzdem ein für MR-Messungen nutzbares Magnetfeld zu erzeugen, werden erfindungsgemäß die Teilspulen gegeneinander verdreht und/oder verschoben. Auf diese Weise können eine Vielzahl von Magnetfeldverläufen realisiert werden, die bei MR-Messungen benötigt werden. So kann eine erfindungsgemäße Magnetanordnung mit lediglich gegeneinander verschobenen Teilspulen bspw. als Shimspule für eine andere Magnetanordnung dienen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung sind bei mindestens einer Doppel-Spule (vorzugsweise bei allen Doppel-Spulen) die Teilspulen jeweils so gegeneinander verdreht und/oder verschoben angeordnet, dass beide Teilspulen jeweils einer Doppel-Spule bei Stromfluss innerhalb der geschlossenen Schleife gleichsinnig vom Strom durchflossen werden. „Gleichsinnig” bedeutet hierbei, dass der Betrag des effektiven (durch Überlagerung der Magnetfelder der Teilspulen hervorgerufene) Magnetfeldes in einem Messvolumen größer ist als das Magnetfeld der einzelnen Teilspulen. Bei Doppe-Spulen, eine Spulenachse aufweisen liegt das Messvolumen vorzugsweise radial innerhalb der Doppel-Spule. Gleichsinnig durchflossene Teilspulen im Sinne der Erfindung können bspw. durch Verdrehen der Spulen gegeneinander um einen Winkel, der zwischen 90° und 270° liegt, erreicht werden.
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Durch die Verdrehung der Teilspulen gegeneinander wird also ein Magnetfeld auf effektive Weise erzeugt. Durch geeignete Wahl des Abstandes beider Teilspulen zueinander lässt sich gewisse Homogenität des Magnetfelds im geometrischen Zentrum dieser Anordnung erreichen.
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Die Enden des Supraleiter-Bandes sind aufgrund der Verdrehung der Teilspulen gegeneinander leicht verdrillt, so dass in diesem Bereich kleine Störfelder entstehen können, die jedoch bei entsprechend hoher Anzahl von Windungen (Größenordnung 1000 bei Doppel-Pancake-Spulen) der Doppel-Spule vernachlässigbar sind.
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Wenn das Supraleiter-Band nur zu einer einzigen Doppel-Spule gewickelt ist, sind die Teilspulen über die Enden des Bandes miteinander verbunden. Vorzugsweise ist das Supraleiter-Band jedoch zu mindestens zwei Doppel-Spulen aufgewickelt. Dies hat zur Folge, dass die durch das Supraleiter-Band gebildete Spulenanordnung einen größeren Raum abdecken kann, und durch Optimierung der axialen Positionen der Teilspulen die Erzeugung eines großräumig homogenen Magnetfelds ermöglicht wird. Bei der Verwendung von nur einer Doppel-Spule sind die Möglichkeiten für diese Optimierung der Positionen zur Erzeugung eines großräumig homogenen Volumens entsprechend eingeschränkt.
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Vorzugsweise sind die Doppel-Spulen so angeordnet, dass die Teilspulen sämtlicher Doppel-Spulen bei Stromfluss innerhalb der geschlossenen Schleife gleichsinnig vom Strom durchflossen werden. Auf diese Weise kann ein besonders hohes Magnetfeld erzeugt werden.
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Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Doppel-Spulen so angeordnet sind, dass mindestens eine Doppel-Spule bei Stromfluss innerhalb der geschlossenen Schleife gegensinnig bezüglich anderer Doppel-Spulen vom Strom durchflossen wird. D. h. es existiert mindestens ein benachbartes Paar von Doppel-Spulen, deren Magnetfelder sich teilweise auslöschen. Mit Hilfe der gegensinnig durchflossenen Doppel-Spulen können Magnetfeldgradienten realisiert oder Störfelder abgeschirmt werden.
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Bei einer speziellen Ausführungsform weisen die Doppel-Spulen unterschiedliche Innenradien und/oder unterschiedliche Außenradien auf. Doppel-Spulen mit größerem Innen- und/oder Außenradius können beispielsweise als Abschirm- oder Kompensationsspulen für z. B. Doppel-Spulen mit kleineren Innenradien und/oder Außenradien dienen. Besonders bevorzugt ist es, wenn alle Teilspulen mit einem ersten Radius gleichsinnig von Strom durchflossen werden, während die Teilspulen mit einem zweiten Radius gegenüber der Teilspulenmit dem ersten Radius gegensinnig durchflossen werden. Derartige Magnetanordnungen können als Hauptfeldspule mit Abschirmspule dienen.
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Vorzugsweise sind die Teilspulen koaxial zueinander angeordnet. Die Achse bezüglich der die Teilspulen koaxial angeordnet sind, verläuft senkrecht zur Wickelebene der Teilspulen. Somit kann bei geeigneter Beabstandung der Teilspulen innerhalb der Doppel-Spule ein homogenes Feld erzeugt werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Doppel-Spulen koaxial zueinander angeordnet. Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, bei denen die Doppel-Spulen winkelig zueinander angeordnet sein können, um bspw. ein ringförmiges Magnetfeld zu erzeugen.
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Aufgrund der hohen Stromtragfähigkeit von HTS-Bandleitern und der Tatsache, dass niederohmige Joints zwischen HTS-Bandleitern bislang nicht realisierbar sind, kommen die Vorteile der Erfindung besonders gut zur Geltung, wenn das Supraleiter-Band HTS-Material, vorzugsweise YBaCuO, umfasst.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Supraleiter-Band mit zwei Stromanschlüssen zur Stromeinspeisung in die Schleife versehen ist, wobei sich zwischen den Stromanschlüssen ein beheizbares Ende des Supraleiter-Bandes befindet. Über die Stromanschlüsse kann die Magnetanordnung geladen werden. Das beheizbare Ende des Supraleiter-Bandes dient dabei als supraleitender Schalter. Sobald der Ladevorgang abgeschlossen ist, wird das Beheizen des beheizbaren Endes des Supraleiter-Bandes beendet, so dass das Supraleiter-Band wieder einen verlustfreien Stromkreis bildet. Eine solche Magnetanordnung kann als Feldspule, bspw. für eine MR-Apparatur, verwendet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schlitz geradlinig verläuft und der Schlitz das Band im geschlitzten Bereich (also die nicht geschlitzten Enden ausgenommen) in Teilbänder gleicher Breite teilt. Der Schlitz verläuft dann also entlang der Längsachse des Supraleiter-Bandes. Die aus diesen Teilbändern gewickelten Teilspulen erzeugen Magnetfelder der gleichen Stärke, so dass insbesondere symmetrische Spulenanordnungen einfach realisiert werden können.
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Die Erfindung betrifft auch ein MR-Magnetsystem, welches mindestens zwei erfindungsgemäße Magnetanordnungen umfasst, sowie ein MR-Magnetsystem, welches mindestens eine erfindungsgemäße Magnetanordnung und mindestens eine andere Magnetanordnung umfasst.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Zeichnung und detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Supraleiter-Bandes mit Schlitz;
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2 eine schematische Darstellung einer Doppel-Pancake-Spule, die aus dem geschlitzten Supraleiter-Band aus 1 gewickelt wurde;
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3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit einer Doppel-Pancake-Spule, die aus dem geschlitzten Supraleiter-Band aus 1 gewickelt wurde, wobei die Teilspulen um 180° gegeneinander verdreht sind;
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4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit einer Doppel-Pancake-Spule, einem supraleitenden Schalter und Stromzuleitungen;
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5 eine schematische Darstellung eines Doppel-Pancake-Spulen-Paares, welches aus dem geschlitzten Supraleiter-Band aus 1 gewickelt wurde;
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6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit dem Doppel-Pancake-Spulen-Paar, welches aus dem geschlitzten Supraleiter-Band aus 1 gewickelt wurde, wobei die Teilspulen jeweils einer Doppel-Pancake-Spule um 180° gegeneinander verdreht sind;
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7 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MR-Magnetsystems mit mehreren erfindungsgemäßen Magnetanordnungen, deren Doppel-Pancake-Spulen unterschiedliche Radien aufweisen, und
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8 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MR-Magnetsystems mit mehreren erfindungsgemäßen Magnetanordnungen, deren Doppel-Pancake-Spulen unterschiedliche Radien aufweisen und gleichsinnig vom Strom durchflossen werden.
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Die 2 bis 8 zeigen die Erfindung anhand von Doppel-Pancake-Spulen.
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1 zeigt ein Supraleiter-Band 1 mit einem Schlitz 2, der sich entlang der Längsachse L des Supraleiter-Bandes 1 zwischen den beiden Enden 3a, 3b des Supraleiter-Bandes 1 erstreckt und das Supraleiter-Band 1 in zwei Teilbänder 4a, 4b teilt. Die Enden 3a, 3b des Supraleiter-Bandes umfassen jeweils einen Bereich, der nicht geschlitzt ist und als Verbindung zwischen den beiden Teilbändern 4a, 4b dient, so dass das geschlitzte Supraleiter-Band 1 eine geschlossene Schleife bildet. In dem in 1 gezeigten Beispiel teilt der Schlitz 2 das Band im geschlitzten Bereich in zwei gleich breite Teilbänder 4a, 4b. Auf diese Weise können gleichartige Teilspulen 6a, 6b gewickelt werden (2). Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, den Schlitz nicht mittig im Supraleiter-Band zu platzieren, so dass man Teilbänder verschiedener Breite erhält. Der Schlitz 2 verläuft in Längsrichtung, also in Richtung der größeren Ausdehnung des Supraleiter-Bandes 1. Dabei ist es jedoch nicht zwingend erforderlich, dass der Schlitz geradlinig verläuft. Auch kann der Schlitz 2 in Form einer Ausnehmung vorliegen, so dass die Summe der Breiten der Teilbänder 4a, 4b kleiner ist als die Breite des supraleitenden Bandes 1 im ungeschlitzten Bereich. Entscheidend ist, dass durch die Schlitzung des Supraleiter-Bandes 1 eine geschlossene Schleife entsteht. Die Teilbänder 4a, 4b müssen also nicht mehr mittels eines Joints verbunden werden.
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Durch Aufwickeln des in 1 gezeigten geschlitzten Supraleiter-Bandes 1 entsteht eine Doppel-Pancake-Spule 5', wie in 2 gezeigt. Die Teilbänder 4a, 4b des Supraleiter-Bandes 1 bilden jeweils eine Teilspule 6a, 6b, die über die Enden 3a, 3b des Supraleiter-Bandes 1 miteinander verbunden sind, so dass ein Stromfluss von der ersten Teilspule 6a in die zweite Teilspule 6b und von dieser wieder in die erste Teilspule 6a möglich ist. Allerdings verlaufen die Stromrichtungen in den beiden Teilspulen 6a, 6b der in 2 gezeigten Doppel-Pancake-Spule 5' gegensinnig, so dass sich die Magnetfelder der Teilspulen 6a, 6b (je nach Abstand und winkeliger Ausrichtung der Teilspulen zueinander) zumindest teilweise auslöschen. Typischerweise ist das Supraleiterband einschließlich der Teilbänder allseitig mit einem elektrischen Isolierstoff beschichtet. Alternativ oder zusätzlich kann in jeder Teilspule eine elektrische Isolierfolie mit eingewickelt sein, welche die Windungen voneinander trennt. Typischerweise wird jede Teilspule nach dem Wickeln in sich mechanisch stabilisiert und fixiert, beispielsweise durch Vergießen mit einem Kunstharz, wodurch jede Teilspule ein freitragendes Gebilde wird. Alternativ oder zusätzlich kann jede Teilspule auf einem geeigneten Tragekörper (Spulenträger) verbleiben oder nach dem Vergießen auf geeignete Tragekörper aufgebracht werden.
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Um trotzdem ein möglichst großes effektives Magnetfeld zu erzeugen, werden bei der erfindungsgemäßen Magnetanordnung die Teilspulen 6a, 6b gegeneinander verdreht, so dass die beiden Teilspulen 6a, 6b gleichsinnig vom Strom durchflossen werden können. Das effektive (durch Überlagerung der Teilspulen 6a, 6b erzeugte) Magnetfeld ist dann größer als das Magnetfeld jeder Teilspule 6a, 6b alleine. Ein maximales effektives Magnetfeld erhält man, wenn die Teilspulen 6a, 6b um 180° gegeneinander verdreht sind, wie in 3 gezeigt. Eine derartige Doppel-Pancake-Spule 5 stellt bereits eine erfindungsgemäße MR-Magnetanordnung dar. Die erfindungsgemäße Magnetanordnung kann darüber hinaus einen oder mehrere Spulenträger (nicht gezeigt) umfassen, auf dem/denen die Doppel-Pancake-Spule 5 aufgewickelt ist. Werden die Teilspulen 6a, 6b auf verschiedenen Spulenträgern aufgewickelt, kann das Verdrehen der Teilspulen 6a, 6b gegeneinander durch Verdrehen der Spulenträger und der darauf befindlichen Wicklungen der Teilspulen 6a, 6b erfolgen. Bei Verwendung nur eines Spulenträgers für beide Teilspulen 6a, 6b, müssen zum Verdrehen der Teilspulen 6a, 6b gegeneinander die Wicklungen einer Teilspule 6a, 6b zwischenzeitlich vom Spulenträger abgenommen werden.
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Jede Teilspule ist um eine Achse a gewickelt. In der in 3 gezeigte Ausführungsformen sind beide Teilspulen zueinander koaxial ausgerichtet, so dass die Achsen der Teilspulen 6a, 6b gleichzeitig die Achse der Doppel-Pancake-Spule 5 bildet. Die Teilspulen in den hier gezeigten Ausführungsformen besitzen die Form von Kreisringen. Die Erfindung umfasst jedoch auch andere Formen, beispielsweise elliptische Ringe oder rechteckige Rahmen.
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Die Stromzufuhr in eine erfindungsgemäße Magnetanordnung mit einer Doppel-Pancake-Spule 5, wie sie in 3 gezeigt ist, kann mittels Induktion erfolgen. Befindet sich das Supraleiter-Band 1 im supraleitenden Zustand, erfolgt ein verlustfreier Stromfluss durch die Doppel-Pancake-Spule und ermöglicht somit die Erzeugung eines stabilen Magnetfelds, wie es für MR-Anwendungen gewünscht ist. Beispielsweise können die erfindungsgemäßen Anordnungen auf diese Weise als Abschirmspulen betrieben werden.
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Für den Fall, dass die Stromzufuhr nicht über Induktion erfolgen soll, sondern mittels einer externen Stromquelle, z. B. zum Laden einer Hauptfeldspule zur Erzeugung des B0-Feldes einer MR-Anordnung, sind bei der in 4 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung zu beiden Seiten eines Endes 3a des Supraleiter-Bandes 1 Stromzuführungen 7a, 7b vorgesehen, die mit einer externen Stromquelle verbunden werden können. Das eine Ende 3a des Supraleiter-Bandes 1 ist mit einem supraleitenden Schalter 8, z. B. in Form einer Heizschleife, versehen, wodurch das Ende 3a des Supraleiter-Bandes 1 in den normalleitenden Zustand gebracht werden kann und während des Ladens einen elektrischen Widerstand darstellt, um ein Laden der Doppel-Pancake-Spule 5 über die externe Stromquelle zu ermöglichen. Nach Beendigung des Ladevorgangs schaltet der supraleitende Schalter 8 das Supraleiter-Band 1 wieder kurz (Heizvorgang wird gestoppt).
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Je nach Länge des Supraleiter-Bandes 1 und nach gewünschter Anzahl von Wicklungen können auch mehrere Doppel-Pancake-Spulen 5, 5' aus einem Supraleiter-Band 1 gewickelt werden. 5 zeigt beispielhaft eine Anordnung von zwei Doppel-Pancake-Spulen 5a', 5b', deren Teilspulen 6a, 6b bzw. 6c, 6d nicht gegeneinander verdreht sind. Für den Einsatz als erfindungsgemäße Magnetanordnung müssen die Teilspulen jeder Doppel-Pancake-Spule 5' so gegeneinander verdreht werden, dass die Teilspulen 6a, 6b bzw. 6c, 6d innerhalb jeder Doppel-Pancake-Spule gleichsinnig vom Strom durchflossen werden können. Werden in der in 5 gezeigten Anordnung die jeweils linken Teilspulen 6a, 6c gegen die jeweils rechten Teilspulen 6b, 6d verdreht, erhält man die in 6 gezeigte erfindungsgemäße Magnetanordnung, bei der alle Teilspulen 6a, 6b, 6c, 6d beider Doppel-Pancake-Spulen 5a, 5b gleichsinnig vom Strom durchflossen werden. Verdreht man hingegen bei beiden Doppel-Pancake-Spulen die äußeren Teilspulen 6a, 6d gegenüber den inneren Teilspulen 6b, 6c, erhält man eine erfindungsgemäße Magnetanordnung (nicht gezeigt), bei der zwar innerhalb jeder Doppel-Pancake-Spule 5 die Teilspulen 6a, 6b gleichsinnig, die erste Doppel-Pancake-Spule bezüglich der zweiten Doppel-Pancake-Spule jedoch gegensinnig durchflossen wird. Auf diese Weise können Magnetfelder mit Magnetfeldgradienten realisiert werden. Eine Magnetanordnung weist dann gegensinnig durchflossene Doppel-Pancake-Spulen auf, wenn mindestens zwei benachbarte Doppel-Pancake-Spulen so zueinander ausgerichtet sind, dass das durch Überlagerung der Magnetfelder der beiden benachbarten Doppel-Pancake-Spulen erzeugte effektive Feld im Messvolumen betragsmäßig kleiner ist als das größte durch eine einzige der beiden Doppel-Pancake-Spulen erzeugte Feld. Bei koaxialen Anordnungen befindet sich das Messvolumen um Bereich der Achse a der Magnetanordnung. In 6 sind die Doppel-Pancake-Spulen 5 koaxial zueinander angeordnet (d. h. die Magnetanordnung weist eine Achse auf, die mit den Achsen der Doppel-Pancake-Spulen 5 übereinstimmt), wodurch die Erzeugung eines homogenen Magnetfelds innerhalb der Doppel-Pancake-Spulen 5 erzeugt wird. Es ist jedoch auch denkbar, die Doppel-Pancake-Spulen parallel gegeneinander verschoben (Achsen der Doppel-Pancake-Spulen sind parallel) oder winkelig zueinander (Achsen der Doppel-Pancake-Spulen bilden dann einen Winkel > 0°) anzuordnen. Mittels vieler winkelig zueinander angeordneter Doppel-Pancake-Spulen können die Magnetfeldlinien bspw. einen definierten Bogen beschreiben. Auf diese Weise können beispielsweise Korrekturspulen angeordnet sein, mit deren Hilfe bestimmte gewünschte Feldformen erzeugt werden und bestimmte Abweichungen der Feldform einer Magnetanordnung von der bei MR-Anwendungen angestrebten homogenen Form korrigiert werden können.
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7 zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetspulensystem, welches mehrere erfindungsgemäße Magnetanordnungen MA1, MA2 umfasst, wobei zwei Magnetanordnungen MA1 zur Erzeugung des B0-Feldes vorgesehen sind, die jeweils über eine externe Stromquelle geladen werden können (4), sowie zwei als Abschirmung dienende Magnetanordnungen MA2 ohne Stromzuführungen, in denen Strom aufgrund von Magnetfeldänderungen induziert wird (3). Die Magnetanordnungen MA1, MA2 weisen unterschiedliche Radien auf. Der Stromfluss innerhalb der Magnetanordnungen MA2 erfolgt hier gegensinnig bezüglich des Stromflusses der Magnetanordnungen MA1.
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8 zeigt ebenfalls ein erfindungsgemäßes Magnetsystem, welches mehrere erfindungsgemäße Magnetanordnungen MA1, MA3 umfasst, wobei alle Magnetanordnungen MA1, MA3 zur Erzeugung des B0-Feldes vorgesehen sind und jeweils über externe Stromquellen geladen werden können (4).
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Anstelle der in 8 eingezeichneten Magnetanordnung MA3 kann auch beispielsweise eine Magnetanordnung aus LTS-Leiter nach dem Stand der Technik vorhanden sein. Hier kann die radial äußere Magnetanordnung aus LTS-Leiter ein Hintergrundfeld mit einer Stärke bis beispielsweise 24 T erzeugen und die radial innere erfindungsgemäße Anordnung MA1 mit HTS-Bandleiter ein Zusatzfeld von beispielsweise 10 T, wobei die gesamte Magnetanordnung damit ein Magnetfeld mit einer Stärke von 34 T erzeugt.
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Die erfindungsgemäßen Magnetanordnungen umfassen jeweils eine gerade Anzahl an Teilspulen (Einzel-Pancake-Spulen), wobei jeweils zwei benachbarte Teilspulen eine Doppel-Pancake-Spule bilden, die durch Aufwickeln eines geschlitzten Supraleiter-Bandes und Verdrehen der Teilspulen gegeneinander hergestellt werden kann. Die Teilspulen einer Doppel-Pancake-Spule werden gleichsinnig vom Strom durchflossen, um ein effektives Magnetfeld zu erzeugen, das größer ist als die Einzelfelder der Teilspulen. Das geschlitzte Supraleiter-Band, aus dem die Doppel-Pancake-Spule gewickelt ist, stellt eine geschlossene Schleife dar, in der der Strom (sobald die Doppel-Pancake-Spule im supraleitenden Zustand ist) verlustfrei fließen kann. Eine zusätzliche Verbindung der einzelnen Teilspulen untereinander ist nicht mehr notwendig. Dies eröffnet die Möglichkeit, MR-Magnetanordnungen mit HTS-Bandleitern auszustatten und somit die Vorteile von HTS-Bandleitern in der Magnetresonanz zu nutzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Supraleiter-Band
- 2
- Schlitz
- 3a, 3b
- Ende des Supraleiter-Bandes
- 4a, 4b
- Teilbänder des Supraleiter-Bandes
- 5, 5a, 5b
- Doppel-Pancake-Spule mit gleichsinnig durchflossenen Teilspulen
- 5', 5a', 5b'
- Doppel-Pancake-Spule mit gegensinnig durchflossenen Teilspulen
- 6a, 6b, 6c, 6d
- Teilspulen der Doppel-Pancake-Spulen
- 7a, 7b
- Stromzuführungen
- 8
- Supraleitender Schalter
- a
- Achse der Teilspule
- L
- Längsachse des Supraleiter-Bandes
- MA1
- Magnetanordnung mit Doppel-Pancake-Spule mit Radius 1
- MA2, MA3
- Magnetanordnung mit Doppel-Pancake-Spule mit Radius 2
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Laskaris, E. T., Ackermann, T., Dorri, B. Gross, D., Herd, K., Minas, C., A Cryogen-Free Superconducting Magnet for Interventional MRI Applications, IEEE Transactions an Applied Superconductivity, Vol. 5, No. 2, June 1995 [0002]
- Druckschrift Bruker HTS YBCO CoatedConductorDataSheet der Firma Bruker HTS GmbH [0008]
- http://www.bruker-est.com/ybco-tapes.html [0008]
- Laskaris, E. T., Ackermann, T., Dorri, B. Gross, D., Herd, K., Minas, C., A Cryogen-Free Superconducting Magnet for Interventional MRI Applications, IEEE Transactions an Applied Superconductivity, Vol. 5, No. 2, June 1995 [0010]
