DE10354677A1

DE10354677A1 - Zusätzliche Streufeldabschirmung eines supraleitenden Magnetspulensystem

Info

Publication number: DE10354677A1
Application number: DE10354677A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Phys. Dr. Westphal
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2003-11-22
Filing date: 2003-11-22
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2023-11-23
Also published as: GB2408347B; GB0425274D0; DE10354677B4; US7170291B2; GB2408347A; US20050110494A1

Abstract

Ein aktiv abgeschirmtes, supraleitendes Magnetspulensystem (1) zur Erzeugung eines Magnetfelds in einem Arbeitsvolumen (6), das rotationssymmetrisch um eine z-Achse aufgebaut ist, mit einer radial innen liegenden Hauptfeldwicklung (5) und einer radial äußeren Abschirmwicklung (7), sowie mit einem elektrisch hoch leitfähigen, radial innerhalb der Hauptfeldwicklung (5) oder zwischen Hauptfeldwicklung (5) und Abschirmwicklung (7) angeordneten Abschirmzylinder (= radial innerer Abschirmzylinder) (8a/8b), ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer, elektrisch hoch leitfähiger Abschirmzylinder (9) vorgesehen ist, der radial außerhalb der Abschirmwicklung (7) angeordnet ist. Beim erfindungsgemäßen Magnetspulensystem wird bei einem Quench ein Streufeldblitz im Außenbereich des Magnetspulensystems unterbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein aktiv abgeschirmtes, supraleitendes Magnetspulensystem zur Erzeugung eines Magnetfelds in einem Arbeitsvolumen, das rotationssymmetrisch um eine z-Achse aufgebaut ist, mit einer radial innen liegenden Hauptfeldwicklung und einer radial äußeren Abschirmwicklung, sowie mit einem elektrisch hoch leitfähigen, radial innerhalb der Hauptfeldwicklung oder zwischen Hauptfeldwicklung und Abschirmwicklung angeordneten Abschirmzylinder (=radial innerer Abschirmzylinder).
Ein aktiv abgeschirmtes Magnetspulensystem ohne radial inneren Abschirmzylinder ist beispielsweise aus der DE 100 33 411 A1 bekannt. Ein nicht aktiv abgeschirmtes Magnetspulensystem mit einem radial inneren Abschirmzylinder ist beispielsweise aus der DE 39 00 725 A1 bekannt.
Zur Erzeugung von starken, homogenen Magnetfeldern in Kernspinresonanz(=NMR)-Apparaturen werden supraleitende Magnetspulensysteme eingesetzt.

Solche Magnetspulensysteme umfassen eine Hauptfeldwicklung zur Erzeugung des Magnetfelds in einem Arbeitsvolumen sowie eine Abschirmwicklung zur Verminderung von Streufeldern in der Umgebung des Magneten im Betrieb. Dadurch kann ein Gefahrenbereich um das Magnetspulensystem herum verkleinert werden. Die Magnetspulensysteme umfassen weiterhin typischerweise einen elektrisch leitfähigen Abschirmzylinder radial innerhalb der Hauptfeldwicklung oder auch zwischen Hauptfeldwicklung und Abschirmwicklung, der dazu dient, das Arbeitsvolumen vor äußeren Magnetfeldstörungen zu schützen und so das Magnetfeld im Arbeitsvolumen konstant zu halten.

Im Falle eines plötzlichen Übergangs der Hauptfeldspule in den normalleitenden Zustand (=Quench) verursacht dieser Abschirmzylinder (im weiteren radial innerer Abschirmzylinder genannt) ein erhebliches, plötzliches Streufeld im Außenbereich des Magnetspulensystems. Dieser Streufeldblitz gefährdet technische Anlagen und Menschen, etwa Herzschrittmacherträger, in der Umgebung des Magnetspulensystems.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Magnetspulensystem so fortzubilden, dass bei einem Quench ein Streufeldblitz im Außenbereich des Magnetspulensystems unterbunden wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Magnetspulensystem der eingangs vorgestellten Art dadurch gelöst, dass mindestens ein weiterer, elektrisch hoch leitfähiger Abschirmzylinder vorgesehen ist, der radial außerhalb der Abschirmwicklung angeordnet ist.

In dem weiteren, radial äußeren Abschirmzylinder wird im Falle eines Quenches – d.h. im Falle des Ausbreitens eines Streufeldblitzes ausgehend von der Hauptfeldwicklung bzw. dem radial inneren Abschirmzylinder – ein Strom induziert, dessen zugehöriges Magnetfeld diesem Streufeldblitz entgegengesetzt ist. Dadurch wird das Streufeld außerhalb des radial äußeren Abschirmzylinders – und damit außerhalb des Magnetspulensystems – abgeschwächt.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Abschirmzylinder eine größere Zeitkonstante L/R für Wirbelströme in Umfangsrichtung aufweist als der radial innere Abschirmzylinder, mit L: Induktivität und R: ohmscher Widerstand. Der weitere, radial äußere Abschirmzylinder kann dann ausreichend schnell auf das durch den inneren Abschirmzylinder dringende Magnetfeld bzw. dessen Änderungen reagieren und den Streufeldblitz in voller Länge kompensieren.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist mindestens der weitere, radial äußere Abschirmzylinder supraleitend. Dadurch wird grundsätzlich eine vollständige Abschirmung des Streufeldblitzes in der Umgebung ermöglicht.

Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass auch der radial innere Abschirmzylinder supraleitend ist, und dass der radial innere Abschirmzylinder einen kleineren kritischen Strom aufweist als der weitere, radial äußere Abschirmzylinder. In diesem Fall kann der radial äußere Abschirmzylinder den Strom des radial inneren Abschirmzylinders im Falle von dessen Quench vollständig durch Induktion übernehmen.

Eine andere, bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems sieht vor, dass der radial innere Abschirmzylinder und/oder der weitere, radial äußere Abschirmzylinder als flächenhafte, mehrlagige Anordnung von Supraleiterdrähten ausgebildet ist, wobei die Anordnung ein normalleitendes Substrat und mindestens eine mit dem Substrat elektrisch leitend verbundene, bei vorgegebenen Bedingungen supraleitende Faser umfasst, dass die Supraleiterdrähte in den jeweiligen Lagen überwiegend kreuzungsfrei angeordnet sind, dass zwischen den Supraleiterdrähten verschiedener Lagen ein resistiver, elektrischer Kontakt besteht, dass sich die Supraleiterdrähte mindestens zweier benachbarter Lagen kreuzen, und dass in der Anordnung keine geschlossenen, supraleitenden Schleifen auftreten. Diese flächenhafte Anordnung verfügt über eine weitaus höhere elektrische Leitfähigkeit als ein normalleitendes, metallisches Abschirmmaterial, aber über einen spezifischen Widerstand größer null. Damit sind die Abschirmzylinder überaus effizient, insbesondere auch bei niederfrequenten Feldstörungen (um 1 Hz), blockieren aber gleichzeitig nicht den Magnetfeldaufbau beim Laden der Hautptfeldwicklung. Auch ist die Anordnung frei von Instabilitäten der Supraleitung, wie sie von konventionellen, flächenhaften Supraleitern bekannt sind.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist der radial innere Abschirmzylinder und/oder der weitere, radial äußere Abschirmzylinder als resistiver Abschirmzylinder ausgebildet, insbesondere aus Cu oder Al gefertigt. Das Cu oder Al liegt dabei typischerweise als ein flächenhaftes Blech vor. Diese Ausführungsform ist besonders preisgünstig in Anschaffung und Unterhalt.

Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der der weitere, radial äußere Abschirmzylinder aus Draht, insbesondere Supraleiterdraht, gewickelt ist und der Draht an seinen Enden kurzgeschlossen oder mit einem endlichen ohmschen Widerstand abgeschlossen ist. Beispielsweise kann eine Wicklung aus Supraleiterdraht mit der Induktivität L mit einem Widerstand R geschlossen sein, so dass sich eine Zeitkonstante τ = L/R ergibt. Drahtwicklungen sind mit kommerziell erhältlichem Drahtmaterial einfach und kostengünstig herzustellen. Außerdem ist die induzierte Stromverteilung im äußeren Abschirmzylinder im Falle eines Quenchs stets rotationssymmetrisch und daher mit einer Wicklung aus Draht gut zu realisieren.

In den Rahmen der Erfindung fällt auch eine NMR-Apparatur, MRI(=bildgebende Magnetresonanz)-Apparatur oder ICR(=Ionen-Zyklotron-Resonanz)-Apparatur, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Apparatur ein erfindungsgemäßes, oben beschriebenes Magnetspulensystem umfasst.

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.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur eine erfindungsgemäßes Magnetspulensystem.
Das erfindungsgemäße Magnetspulensystem 1 der Figur umfasst einen Vakuumtank 2, in dem ein Heliumtank 3 angeordnet ist. Der Heliumtank 3 ist etwa bis zur Mitte mit flüssigem Helium befüllt. Die Kühlung des Heliums erfolgt über einen Refrigerator mit einem Kühlkopf 4, der in den Heliumtank 3 hineinragt.
Im Heliumtank 3 ist eine im Betrieb supraleitende Hauptfeldwicklung 5 angeordnet. Die Hauptfeldwicklung 5 erzeugt am Ort eines Arbeitsvolumens 6 ein starkes, homogenes Magnetfeld. Dieses Magnetfeld ist rotationssymmetrisch um eine horizontale, durch das Arbeitsvolumen 6 verlaufende Achse, die eine z-Richtung definiert. Um Streufelder außerhalb des Magnetspulensystems 1 zu vermeiden, weist dieses weiterhin eine Abschirmwicklung 7 auf. Diese ist in radialem Abstand außerhalb der Hauptfeldwicklung 5 angeordnet. Der Stromfluss in der Abschirmwicklung 7 ist im Normalbetrieb gegensinnig zum Stromfluss in der Hauptfeldwicklung 5.
Weiterhin sieht das Magnetspulensystem 1 einen radial inneren Abschirmzylinder 8a/8b vor. Dieser kann entweder radial innerhalb der Hauptfeldwicklung 5 angeordnet sein, entsprechend Bezugszeichen 8a. Alternativ kann der radial innere Abschirmzylinder zwischen Hauptfeldwicklung 5 und Abschirmwicklung 7 angeordnet sein, entsprechend Bezugszeichen 8b. Der radial innere Abschirmzylinder 8a/8b schirmt in erster Linie das Arbeitsvolumen 6 induktiv von äußeren Magnetfeldstörungen ab, wie sie etwa durch einen pulsierenden Betrieb des Refrigerators, insbesondere eine periodische Ummagnetisierung eines Regeneratormaterials am Kühlkopf 4 entstehen können. Der radial innere Abschirmzylinder 8a/8b ist dazu elektrisch gut leitfähig, insbesondere supraleitend ausgebildet.
Erfindungsgemäß sieht das Magnetspulensystem 1 weiterhin einen weiteren, radial äußeren Abschirmzylinder 9 vor. In der Figur weist der Abschirmzylinder 9 zwei Teilabschnitte auf, die jeweils radial außen an der Abschirmwicklung 7 angeordnet sind. Im Falle eines Quenchs von Hauptfeldwicklung 5 und/oder gegebenenfalls des radial inneren Abschirmzylinders 8a/8b kann der äußere Abschirmzylinder 9 ein Streufeld im Außenbereich des Magnetspulensystems 1 induktiv unterdrücken und blockieren.
Zusätzlich können in die Hauptfeldwicklung 5 weitere elektrisch hoch leitfähige, allenfalls abschnittweise supraleitende, zylinderförmige Flächen 10 integriert sein. Im Falle eines Quenchs der Hauptfeldwicklung 5 helfen diese, in der Hauptfeldwicklung 5 eine rasche Ausdehnung der normalleitenden Bereiche zu bewirken und so lokale Überhitzungen zu vermeiden.

Claims

Aktiv abgeschirmtes, supraleitendes Magnetspulensystem (1) zur Erzeugung eines Magnetfelds in einem Arbeitsvolumen (6), das rotationssymmetrisch um eine z-Achse aufgebaut ist, mit einer radial innen liegenden Hauptfeldwicklung (5) und einer radial äußeren Abschirmwicklung (7), sowie mit einem elektrisch hoch leitfähigen, radial innerhalb der Hauptfeldwicklung (5) oder zwischen Hauptfeldwicklung (5) und Abschirmwicklung (7) angeordneten Abschirmzylinder (=radial innerer Abschirmzylinder) (8a/8b), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer, elektrisch hoch leitfähiger Abschirmzylinder (9) vorgesehen ist, der radial außerhalb der Abschirmwicklung (7) angeordnet ist.
Magnetspulensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Abschirmzylinder (9) eine größere Zeitkonstante L/R für Wirbelströme in Umfangsrichtung aufweist als der radial innere Abschirmzylinder (8a/8b), mit L: Induktivität und R: ohmscher Widerstand.
Magnetspulensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der weitere, radial äußere Abschirmzylinder (9) supraleitend ist.
Magnetspulensystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auch der radial innere Abschirmzylinder (8a/8b) supraleitend ist, und dass der radial innere Abschirmzylinder (8a/8b) einen kleineren kritischen Strom aufweist als der weitere, radial äußere Abschirmzylinder (9).
Magnetspulensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Abschirmzylinder (8a/8b) und/oder der weitere, radial äußere Abschirmzylinder (9) als flächenhafte, mehrlagige Anordnung von Supraleiterdrähten ausgebildet ist, wobei die Anordnung ein normalleitendes Substrat und mindestens eine mit dem Substrat elektrisch leitend verbundene, bei vorgegebenen Bedingungen supraleitende Faser umfasst, dass die Supraleiterdrähte in den jeweiligen Lagen überwiegend kreuzungsfrei angeordnet sind, dass zwischen den Supraleiterdrähten verschiedener Lagen ein resistiver, elektrischer Kontakt besteht, dass sich die Supraleiterdrähte mindestens zweier benachbarter Lagen kreuzen, und dass in der Anordnung keine geschlossenen, supraleitenden Schleifen auftreten.
Magnetspulensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Abschirmzylinder (8a/8b) und/oder der weitere, radial äußere Abschirmzylinder (9) als resistiver Abschirmzylinder ausgebildet ist, insbesondere aus Cu oder Al gefertigt ist.
Magnetspulensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere, radial äußere Abschirmzylinder (9) aus Draht, insbesondere Supraleiterdraht, gewickelt ist und der Draht an seinen Enden kurzgeschlossen oder mit einem endlichen ohmschen Widerstand abgeschlossen ist.
NMR-Apparatur, MRI-Apparatur oder ICR-Apparatur, dadurch gekennzeichnet, dass die Apparatur ein Magnetspulensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.