DE1589027B2 - Schaltungsanordnung zum Betrieb einer supraleitenden Magnetspule - Google Patents

Description

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Zur technischen Ausgestaltung von zusätzlichen außen hin offen. Das dritte Dewar-Gefäß 77 enthält

Stromversorgungen stehen mehrere Möglichkeiten eine auf gyromagnetische Resonanz zu untersuchende

zur Verfugung. Als für die Zwecke der Erfindung Probe 78. Die Probe 78 ist in einer Glasphiole 79

geeignetste Möglichkeit hat sich erwiesen, daß jede untergebracht.

zusätzliche Stromversorgung von der gemeinsamen 5 Die Hauptwicklung 16 liefert ein starkes gleichstromquelle im wesentlichen unabhängig ist und eine förmiges statisches Magnetfeld H₀ von beispielsweise Steuerschaltung aufweist. Durch die Unabhängigkeit 52 kG, das längs der Z-Achse und durch den Probender Stromversorgungen werden Rückwirkungen von raum gerichtet ist. Eine Senderspule 81, die mit der einer Stromversorgung auf die andere oder auf die Jf-Achse koaxial ausgefluchtet ist, wird mit Hochgemeinsame Stromquelle mit Sicherheit ausgeschlos- io frequenzleistung erregt, die von einem Sender 82 sen, und durch eine Steuerschaltung ist die Einstellung geliefert wird und die Larmor-Frequenz der gyrodes gewünschten Stroms auf bequeme Weise möglich. magnetischen Körper innerhalb der Probe 78 hat,

Zur Korrektur bestimmter Inhomogenitäten ist es beispielsweise 220 MHz für Protonen, um diese zur

erforderlich, Ströme in mehreren Teilwicklungen gleich- gyromagnetischen Resonanz zu erregen. Eine Emp-

Iaufend oder entgegengesetzt zu verändern. Bei der 15 fängerspule 83, die koaxial mit der F-Achse ausge-

letztgenannten Ausführungsform der Erfindung läßt fluchtet ist, nimmt das von der Probe 78 ausgesandte

sich das gemäß einer speziellen Ausbildung der Resonanzsignal auf und liefert es an einen Empfänger

Erfindung dadurch auf einfache Weise ermöglichen, 84, indem es verstärkt, gleichgerichtet und einem

daß die Steuerschaltung wenigstens einer zusätzlichen Schreiber 85 zugeführt wird.

Stromversorgung mit der Steuerschaltung wenigstens 20 Das Magnetfeld H₀ wird in seiner Stärke dadurch

einer anderen zusätzlichen Stromversorgung derart durchgesteuert, daß über das Hauptfeld H₀ ein kleines

gekuppelt ist, daß beide Stromversorgungen in vorge- Steuerfeld H₅ überlagert wird, das mit einer Z-Achse

wählten Stromverhältnissen gesteuert werden können. koaxial liegenden und nicht dargestellten Steuerspule

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erzeugt wird, die mit einem Steuersignal vom Ablenkerläutert werden; es zeigt 25 spannungsgenerator 86 erregt wird.

F i g. 1 einen schematischen Schnitt und ein Das Feld H₀ wird auf diese Weise durch die verBlockschaltbild eines Spektrometers für gyromagne- schiedenen Resonanzlinien der Probe 78 gesteuert tische Resonanz mit einem Supraleitfähigkeitsma- oder abgelenkt, um als Ausgang ein Resonanzgneten, Spektrum zu liefern. Dieses Spektrum wird in einem

F i g. 2 ein Schaltschema einer erfindungsgemäßen 30 Schreiber 85 in Abhängigkeit vom Ablenkfeld aufStromversorgung für einen Supraleitfähigkeitsmagne- gezeichnet, so daß ein schriftliches Resonanzspektrum ten, der gemäß F i g. 1 verwendet wird, der Probe 78 vorliegt. Der Sender 82, der Empfänger

F i g. 3 eine andere Ausführungsform einer erfin- 84, der Scheiber 85 und der Ablenkgenerator 86

dungsgemäßen Stromversorgung, bilden zusammen ein Spektrometer 30.

F i g. 4 eine weitere Ausführungsform, 35 Die Endkorrekturspulen 44 und 46 liegen in Reihe

F i g. 5 eine vierte Ausführungsform der Erfindung, mit der Hauptspule 16, und die Enden der Korrektur-

F i g. 6 A und 6 B Kurvendarstellungen von Magnet- spulen sind mit der Steuerschaltung 24 verbunden, wie

feldformen, in F i g. 2 und 3 dargestellt. Vorzugsweise werden die

F i g. 7 eine weitere Ausführungsform einer erfin- Spulen sehr eng in Serie geschaltet, sonst ergeben Ver-

dungsgemäßen Stromversorgung für einen Supraleit- 40 Iuste in den Verbindungsleitungen eine Verdampfung

fähigkeitsmagneten und des teuren flüssigen Heliums, das dazu verwendet

Fig. SA bis 8 D die Abhängigkeit der magnetischen wird, die tiefen Temperaturen zu erhalten.
Feldstärke H₀ in Abhängigkeit vom Abstand d längs Gemäß F i g. 2 umfaßt die Stromversorgung 5 eine der Z-Achse der Magnetspule nach F i g. 7 zur Steuerschaltung 24 c mit einem ersten festen WiderDarstellung der Gradientenlöschwicklungen gemäß 45 stand 48 zwischen einer Stromversorgung und -rege-F i g. 7. lung 50 und einem Ende einer Korrekturspule 44

In F i g. 1 ist ein System für gyromagnetische und in ähnlicher Weise einen zweiten festen WiderResonanz dargestellt, bei dem ein Supraleitfähigkeits- stand 52 zwischen der Stromversorgung und -regelung magnet verwendet wird. Supraleitende Wicklungen 16, 50 und einem Ende der anderen Korrekturspule 46. 44, 46 und 39 sind koaxial angeordnet, so daß eine 50 Ein Nebenschluß aus einem veränderlichen Widerstand Zylinderspule gebildet wird, die in einen Kryostaten 2 54 und einem festen Widerstand 56 liegt über der ersten eingetaucht ist. Die Endkorrekturwicklungen sind als Korrekturspule 44 und dem Widerstand 48, und ein körperlich getrennte Wicklungen 44 und 46 dargestellt, zweiter Nebenschluß aus einem veränderlichen Widerdie über die Hauptwicklung 16 gewickelt sind und stand 58 und einem Festwiderstand 60 liegt über der elektrisch mit dieser in Reihe geschaltet sind. Statt 55 zweiten Korrekturspule 46 und dem festen Widerdessen kann eine Korrekturwicklung einfach dadurch stand 52.

gebildet werden, daß die Windungszahl pro Längen- Im Betrieb wird das von der Hauptwicklung 16

einheit in der Nähe der Enden der Hauptwicklung erzeugte Magnetfeld mit Inhomogenitäten und Un-

vergrößert wird und zwischen der mittleren Wicklung gleichförmigkeiten versehen sein, die sich durch

und den Endwicklungen eine Anzapfung oder ein 60 unwillkürliche Änderungen Jn der Eingangsleistung

elektrischer Anschluß herausgeführt wird, wie bei der oder andere unerwünschte Änderungen ergeben, wie

Fig. 7. bekannt. Solche unwillkürlichen Änderungen beein-

Der Kryostat 2 enthält ein Dewar-Gefäß 75 mit flüssen das beobachtete Spektralsignal, und es erflüssigem Stickstoff, in dem ein weiteres Dewargefäß 76 scheinen merkbare Störungen auf dem Schreiber angeordnet ist, das mit flüssigem Helium gefüllt ist 65 oder dem Oszillographen, der das Spektralsignal und das die supraleitenden Wicklungen 16, 44, 46 registriert. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schal- und 39 enthält. Ein drittes Dewargefäß 77 ist innerhalb tungsanordnung können die Verhältnisse der Ströme der erwähnten Dewar-Gefäße angeordnet und nach in den Wicklungen 16, 44 und 46 nachgestellt werden,

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um die Ungleichförmigkeiten im die Probe 78 umfassen- rend die Stromverhältnisse, die durch die veränder-

den Magnetfeld zu kompensieren. liehen Widerstände eingestellt sind, unverändert

Die Hauptwicklung 16 nimmt den gleichen Strom bleiben. Wenn sich die Ströme im supraleitenden System

auf, wie er der Verbindung 62 des Widerstandes 48 schnell ändern, modifiziert die Selbstinduktionsspan-

mit dem veränderlichen Widerstand 54 zugeführt 5 nung von den Spuleninduktivitäten die Ströme wäh-

wird. Der Strom von der Stromversorgung 50 wird rend dieser Änderungen.

zwischen dem Widerstand 48 und dem Nebenschluß Bei supraleitenden Magnetschaltungen, bei denen aus dem veränderlichen Widerstand 54 und dem Fest- Nebenschlüsse oder Stromverhältnisschaltungen verwiderstand 56 im umgekehrten Verhältnis zu den vom wendet werden, wie sie in Verbindung mit F i g. 2 Verbindungspunkt 62 aus gesehenen Impedanzen auf- io und 3 beschrieben worden sind, beeinflussen die geteilt. Die Größe des durch die Korrekturspule 44 Widerstände der Leitungen in der Nähe der suprafließenden Stroms hängt also von der Einstellung des leitenden Spulen geringfügig die Größe der Ströme veränderlichen Widerstandes 54 ab. In gleicher Weise zu jeder Spule. Um diesen Zustand zu vermeiden, wird hängt der Strom durch die Korrekturspule 46 von der eine Schaltung gemäß F i g. 4 verwendet, gemäß der Einstellung des Widerstandes 58 ab. 15 eine ungeregelte Stromversorgung 101 mit einem Die Größe des Stroms in jeder Spule kann wie folgt Stromregler 55 geregelt wird, der eine Steuerschaltung definiert werden: 87 enthält, die von der Stromversorgung 101 einen im

wesentlichen konstanten Strom erhält. Der Ausgangs-

I₁₆ = I. (1) strom von der Steuerschaltung 87 wird in einem

20 Bezugswiderstand 70 erfaßt, und die Spannung oder

J₄₄ _ / -^54 + -K₅B φ der Spannungsabfall über diesen Widerstand wird mit

R_Si + -R₄₈ + -R56 ^emer Bezugsspannung von einer Bezugsspannungs-

quelle 89 mittels eines Differenzverstärkers 74 ver-

/ _ / ^S8 ~*~ ⁶⁰ (3) glichen. Wenn die Spannung über dem Widerstand 70

R_5S + R₆₀ + R₅₂ 25 sich von der Bezugsspannung von der Quelle 89 unterscheidet, wird ein Fehlersignal der Hauptsteuerung 87

Im Betrieb kann ein ausgebildeter Techniker ein durch eine Rückkopplungsschleife zugeführt, um den Ausgangssignal beobachten, beispielsweise das Spek- Ausgangsstrom entsprechend zu ändern. Solche Eintralsignal eines in gyromagnetischer Resonanz be- Stellungen werden weitergeführt, bis der Strom durch findlichen Systems, und die Einstellungen bestimmen, 30 den Widerstand 70 die gewünschte Größe hat, die die dazu erforderlich sind, das Magnetfeld gleich- durch die Größe der Bezugsspannung von 89 gegeben förmiger und homogener zu machen. Durch einfache ist. Die Hauptstromgröße kann durch Nachstellung Einstellungen der veränderlichen Widerstände 54 und der Bezugsspannung 89 oder durch Veränderung des 58 können unterschiedliche Gradienten geändert Widerstandes 70 geändert werden,
werden, indem der magnetische Fluß neu verteilt 35 Der Strom vom Widerstand 70 wird am gemeinwird, so daß eine relativ gleichförmige Feldform samen Anschluß eines festen Widerstandes 91 und erreicht wird. Die Anordnung nach F i g. 2 wird eines einstellbaren Widerstandes 93 aufgeteilt, wie in verwendet, wenn die Korrekturspulen 44 und 46 Verbindung mit F i g. 2 und 3 beschrieben. Die dem weniger Strom benötigen als die Hauptspule 16. Vereinigungspunkt fernen Enden der Widerstände 91 Wenn jedoch für Endkorrekturwicklungen mehr 40 und 93 sind mit einem Differenzverstärker 80 hoher Strom benötigt wird als für die Hauptspule, dann Verstärkung verbunden. Wenn sich ein Unterschied .wird die abweichende Ausführungsform nach F i g. 3 zwischen dem Spannungsabfall über Widerstand 91 verwendet. In diesem Falle ist der Nebenschluß aus und Widerstand 93 ergibt, wird diese Differenzden Widerständen 54 und 56a parallel zu der Reihen- spannung im Verstärker 80 verstärkt und als Steuerschaltung gelegt, die die Wicklungen 16 und 44 ent- 45 spannung einer Steuerschaltung 95 zugeführt, die den hält, und in ähnlicher Weise liegt der Nebenschluß mit Strom vom Widerstand 93 ändert, um ein korrektes den Widerständen 58 und 60 a parallel über der Verhältnis zwischen den Strömen durch die WiderReihenschaltung, die die Wicklungen 16 und 46 stände 91 und 93 zu erhalten. Ein Kompensationsenthält. widerstand 97 liegt mit dem Widerstand 91 in Reihe, Es ergeben sich dann folgende Ströme für die 50 um den Widerstand der Steuerschaltung 95 zu kompen-Ausführungsform nach Fig. 3: sieren. Auf diese Weise wird ein gewünschtes Stromverhältnis zwischen der Hauptspule 16 und der jj_4g ^₅₂ ι Endspule 44 eingestellt. Das Stromverhältnis wird

r—~~z—~r— · durch den einstellbaren Widerstand 93 eingestellt;

R₅₁ + R_i8 + Rssa R₅S , Reoa + R₅₂ J _{55 die} Größe dieses Verhältnisses ist

W J

J₁, R_n

-ί?51 + -^48 + -^56O

ji < Ji 6ο In gleicher Weise werden die Spulen 46 und 16 mit

I₄₆ = I ⁵^-———· (3) einem Netzwerk gekuppelt, das einen Festwiderstand

■^5&-τ·-^6οα + -^52 99 und einen einstellbaren Widerstand 88 enthält,

einen Differenzverstärker 90 hoher Verstärkung, eine

Eine Kombination der Schaltungen nach F i g. 2 Steuerschaltung 92 und einen Kompensationswiderund 3 kann je nach den Anforderungen für die 65 stand 94, um die Stromverhältnisse für diese Spulen Spulen 16, 44 und 46 verwendet werden. Auch der zu regeln.

Strom von der Stromversorgung 50 kann verändert Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 haben die

werden, um geeignete Stromwerte zu erhalten, wäh- den Spulen 44, 16 und 46 benachbarten Leitungen nur

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einen vernachlässigbaren Einfluß, und wegen der form nach F i g. 7 ermöglicht es, die Stromgrößen

hohen Verstärkung der Verstärker 80 und 90 werden nachzustellen, ohne daß die Gesamtstärke des Feldes

die die Spulen erreichenden Ströme ausschließlich beeinflußt wird.

durch die Widerstände 91, 93, 99 und 88 bestimmt. Eine supraleitende Wicklung, die beispielsweise Selbstverständlich können die Steuerschaltungen 95 5 aus 36 600 m kupferumkleideten NbZr-Draht be- und 92 in den gleichen Zweigen wie die Widerstände stehen kann, bildet die Spulenwicklung 16, die 30,5 cm 91 und 99 liegen und die Kompensationswiderstände lang ist und 3,8 cm Innendurchmesser hat. Die 97 und 94 statt dessen in den Zweigen mit den Wider- Spulenwicklung 16 ist vorzugsweise mit zusätzlichen ständen 93 und 88; gewünschtenfalls können auch Windungen an den Enden ausgestattet, um die FeIdbeide Zweige Steuerschaltungen enthalten. io stärke in der Höhe der Wicklungsenden zu vergrößern. Im Betrieb eines Spektrometers mit Supraleit- Die Wicklung 16 ist an verschiedenen Stellen angezapft, fähigkeitsmagneten ist es oft erwünscht, das vom beispielsweise in Intervallen von 3 660 m. Diese Supraleitfähigkeitsmagnet gelieferte Feld auf einen Anzapfungen werden aus dem Kryostaten 2 herauswesentlich anderen Wert zu bringen, beispielsweise geführt, und zwar mit Kupferleitungen 3 an eine von 10 Kilogauß auf 50 Kilogauß. Wenn das Feld so 15 Bank aus vorwärts- und rückwärtsleitenden Dioden 4, geändert wird, können Hysteresiseffekte auftreten, wobei jeweils eine rückwärts- und eine vorwärtsdurch die das Magnetfeld verzerrt wird. Um diesen leitende Diode über jedes Anzapfungssegment der unerwünschten Effekt auf die Feldform zu kompen- Spulenwicklung 16 geschaltet ist. Durch diese Dioden 4 sieren, kann die Schaltung nach F i g. 5 verwendet wird die Spule 16 und die Stromversorgung 5 beim werden. Eine Hauptstromregelung in Form eines 20 Übergang der Spule in den normalleitenden Zustand veränderlichen Widerstandes 96 ist mit einer Strom- geschützt.

Versorgung und -regelung 98 verbunden, um den Eine Hauptstromversorgung 20, die geregelten Strom

Hauptstrom an die Spulen 16, 44 und 46 zu regeln. liefert, liefert den Erregungsstrom von 0 bis 25 Ampere

Der veränderliche Widerstand 96 ist mechanisch mit über Leitungen 6 an die Spule 16. Drei zusätzliche

veränderlichen Widerständen 100 und 102 gekuppelt, 25 stromgeregelte Stromversorgungen 7, 8 und 9 liefern

so daß der Strom durch die verschiedenen Zweige Strom von ±1 Ampere mit bis zu ±3 Volt, um

iü3

Widerstand 108 und dem Festwiderstand 110 anderer- lastungen zuzulassen. Die Endstromversorgungen 7 seits verändert wird, wenn das Potentiometer oder der 30 und 9 liegen jeweils über den Endwicklungen der Widerstand 96 verändert werden. Das Verhältnis des Spule 16. Jede Endwicklung umfaßt beispielsweise Stroms im Widerstand 112 zu dem im Widerstand 106 10% der Gesamtwindungszahl der Spule 16. Die und das Verhältnis des Stroms im Widerstand 114 mittlere Stromversorgung 8 liegt über dem Mittelteil zu dem im Widerstand 110 kann verändert werden, der Wicklung, etwa 80 % der Gesamtwindungszahl der oder diese Verhältnisse können im wesentlichen gleich- 35 Spule 16. Die Stromversorgungen 7, 8 und 9 haben gehalten werden, wobei sich nur eine entsprechende einen fast unendlichen Ausgangswiderstand, und jede Änderung der Strqmgröße in jedem Zweig ergibt. Um besteht aus einem Operationsverstärker, an den ein die verschiedenen Änderungen durchzuführen, können Tonfrequenzverstärker hoher Wiedergabetreue angeeine Programmsteuerung oder ein Rechner verwendet schlossen ist, der keine Kondensatoren enthält, so daß werden, um die gewünschten Stromverhältnisse in 40 er Gleichstrom verstärken kann. Der Ausgangsstrom Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes zu dieser Stromversorgungen, der an die beiden Enderrechnen. Für die veränderlichen Widerstände können wicklungen und die Mittelwicklung geliefert wird, lineare oder nichtlineare Potentiometer verwendet wird von Eingangssignalen geregelt, die von den werden. zugehörigen Widerstands-Netzwerken 11, 12 und 13

In Fig. 6A und 6B sind Magnetfelder über der 45 geliefert werden.

Spulenachse aufgetragen. In F i g. 6A ist ein Feld von Die Eingänge der beiden Endstromversorgungen

etwa 10 Kilogauß angenommen; es ist der Fall sind mit einer Welle 14 gekuppelt, die die Abgriffe von dargestellt, daß das Feld um die Mitte der Z-Achse zwei Potentiometern 15 und 10 antreibt, die über den durch die Hauptspule 16 im wesentlichen gleichförmig Anschlüssen von mit der Mittelzapfung geerdeten korrigiert ist. Wenn das Feld auf 50 Kilogauß erhöht 5° Gleichstromquellen in Form von Batterien 17 und IS wird, wie gemäß Fig. 6B, dann muß das vorher liegen. Eine Verdrehung der Welle 14 sorgt dafür, korrigierte Feld nachkorrigiert werden, was mit einer daß die betroffenen Abgriffe der Potentiometer 15 Schaltung gemäß F i g. 5 erreicht werden kann. und 10 gleiche und entgegengesetzte Eingangssignale

Bei einer Ausführungsform der Erfindung mit einer an die Stromversorgungen 7 und 9 über die Leitungen Schaltung gemäß F i g. 2, die praktisch erfolgreich 55 19 bzw. 21 liefern. Auf diese Weise wird Plusstrom an verwendet wurde, hatten die Widerstände 48, 52, 56 eine Endwicklung der Spule geliefert und ein gleicher und 60 jeder einen Wert von etwa 0,001 Ohm, die Minusstrom an die andere Endwicklung der Spule, veränderlichen Widerstände 54 und 58 hatten einen Diese Plus- und Minus-Ströme werden dem Haupt-Regelbereich von 0,01 bis 1 Ohm, der Widerstand 54 Spulenstrom von der Haupt-Stromversorgung 20 überwurde auf 0,2 Ohm und der Widerstand 58 auf etwa 60 lagert, so daß lineare Gradientenkomponenten erzeugt 0,4 Ohm eingestellt. Diese Widerstandswerte sind werden, die den Restgradienten des magnetischen selbstverständlich nur Beispiele. Hauptfeldes der Spule 16 überlagert werden, so daß

Die bisher betrachteten Ausführungsformen der ein gewisser Restgradient in noch zu beschreibender Erfindung sind einfach und billig aufgebaut. Wie Weise ausgelöscht wird. Variable Widerstände 22 bereits erwähnt, beeinflußt die Nachstellung der 65 und 23 liegen in den Leitungen 19 und 21, um eine relativen Größen der Ströme in der Hauptspule und Feineinstellung der relativen Stärken der Ausgangsden Korrekturspulen auch den Gesamtstrom und ströme der Stromversorgungen 7 und 9 zu ermöglichen, damit die Gesamtstärke des Feldes. Die Ausführunas- In ähnlicher Weise verbindet eine zweite semein-

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same Welle 57 die Widerstandsnetzwerke 11,12 und 13 reich zwischen den Endwicklungen. Das resultierende der Stromversorgungen 7, 8 und 9, um eine weitere Feld ist gleichförmig, wie durch die ausgezogene Gradientenregelung zu schaffen. In diesem Falle sind Linie 36 in Fig. 8 B dargestellt. Es ist zu beachten, die Eingangspotentiometer 25 und 26 der beiden daß diese Korrektur durchgeführt wird, ohne daß End-Stromversorgungen so über die zugehörigen, mit 5 die Stärke des magnetischen Gesamtfeldes in der Mitte der Mittelanzapfung geerdeten Gleichstromquellen in der Spule geändert wird. Das ist sehr wichtig, weil die Form von Batterien 17 und 18 geschaltet, daß eine Feldgleichförmigkeit üblicherweise durch gyromagne-Verdrehung der Welle 57 dafür sorgt, daß die Abgriffe tische Resonanzen überwacht wird oder für solche Eingangssignale gleichen Vorzeichens aufnehmen, d. h. verwendet wird. Wenn die Gesamtfeldstärke H₀ im beide plus oder minus, so daß beide End-Stromver- io Bereich der Resonanzprobe in der Mitte der Spule sorgungen gleiche Plus- oder Minus-Ausgangsströme geändert würde, würde das Resonanzsignal verlorenliefern. Diese zweiten Eingangssignale werden den gehen, wenn angenommen wird, daß die Probe durch End-Stromversorgungen 7 und 9 über Leitungen 27 eine übliche Quelle für feste Frequenz erregt wird, und 28 zugeführt, wobei jede Leitung einen veränder- die auf die Larmor-Frequenz im Feld vor Durchlichen Widerstand 29 und 31 für Fein-Relativein- 15 führung der Gradientenkorrektur abgestimmt ist. Stellungen der Stärke der Eingangssignale enthält. Die Es soll nunmehr angenommen werden, daß das mittlere Stromversorgung 8 ist jedoch auch mit der ursprüngliche magnetische Gesamtfeld H₀ einen nichtWelle 57 gekuppelt, das Eingangspotentiometer 32 linearen Gradienten aufweist, wie in Fig. 8C durch liegt über der mit der Mittelanzapfung geerdeten die ausgezogene Linie 45 dargestellt ist. Wenn die Gleichstromquelle in Form einer Batterie 33 in der 20 Welle 57 in der richtigen Richtung gedreht wird, wird Weise, daß das aufgenommene Eingangssignal ein eine Gradientenkorrekturkomponente eingeführt, wie zum von den End-Potentiometern 25 und 26 aufge- durch die unterbrochenen Linien 37 und 47 in F i g. nommenen Signal entgegengesetztes Vorzeichen hat. 8 D dargestellt ist. In diesem Falle liefern die End-Das Eingangssignal für die mittlere Stromversorgung, Stromversorgungen 7 und 9 solche Ströme an die dasvomPotentiometer32aufgenommenwird, wird über 25 obere und untere Wicklung, daß sich die Magnetfelder die Leitung 34 und einen veränderlichen Widerstand 35 ergänzen. Diese Komponenten überlagern einander, zur mittleren Stromversorgung 8 geleitet. Der Wider- so daß sich eine resultierende Komponente 37 ergibt, stand 35 ermöglicht es, die Größe des Eingangssignals die eine Änderung der Gesamtfeldstärke H₀ in der für die mittlere Stromversorgung 8 relativ zu denen der Mitte der Spule hervorrufen würde, wenn das nicht End-Stromversorgungen 7 und 9 einzustellen. 30 in anderer Weise kompensiert würde. Diese Änderung

Die durch -Verdrehung der Welle 57 erzeugten wird jedoch vermieden, weil die mittlere Stromver-

Ausgangsstromkomponenten werden den Strömen in sorgung 8 einen Strom und damit ein Feld 47 in

der Spule 16 überlagert, die von der Haupt-Strom- entgegengesetztem Sinne liefert, das in der Mitte der

Versorgung 20_und von den End-Stromversorgungen 7 Spule die unerwünschte Feldänderung durch die

und 9 geliefert" werden, die durch die vorangegangene 35 Endwicklungen aufhebt, so daß ein gleichförmiges

Einstellung der Welle 14 festgelegt sind. Eine Ver- Gesamtfeld 38 in der Mitte der Spule erzeugt wird,

drehung der Welle 57 sorgt also dafür, daß die Strom- In der Praxis sind die unerwünschten restlichen

komponenten von den End-Wicklungen sich gleich- Gradienten des magnetischen Hauptfeldes, wie sie

sinnig ändern, während die Stromkomponente, die durch die Linien 41 und 45 in Fig. 8A und 8C

in die mittlere Wicklung fließt, sich in entgegengesetz- 40 veranschaulicht sind, beide vorhanden. Die Rege-

tem Sinne ändert. Es ergibt sich eine einstellbare, lungen 14 und 57 sind jedoch unabhängig \'oneinander

nichtlineare axiale Gradientenkomponente, die der einstellbar, d. h., eine optimale Einstellung einer

restlichen axialen nichtlinearen Gradientenkompo- Regelung 14 stört nicht eine vorangegangene optimale

nente des magnetischen Hauptfeldes überlagert wird, Einstellung der anderen Regelung 57, mit der die

sofern eine solche vorhanden ist, so daß diese ausge- 45 unerwünschten axialen Gradienten beseitigt werden,

löscht wird und das gesamte Magnetfeld der Spule 16 und die Korrekturen werden durchgeführt, ohne

gleichförmiger wird. daß die Stärke des magnetischen Gesamtfeldes in der

Die Wirkung der Gradienten-Lösch-Regelungen 14 Mitte der Spule 16 geändert wird,
und 57 soll an Hand von Fi g. 8 A bis 8 D erläutert Tiefpaßfilter mit in Reihe geschalteten Widerwerden. Es soll zunächst angenommen werden, daß 50 ständen 49 von 0,5 Ohm und Parallelkondensatoren 51 das magnetische Hauptfeld H₀, das durch den Strom von 2,2 pF liegen über den Ausgängen der Stromvervon der Haupt-Stromversorgung 20 durch die Spule 16 sorgungen 7, 8 und 9, um Schwingungen im Auserzeugt wird, die durch die ausgezogene Linie 41 in gangsstrom der Stromversorgungen 7, 8 und 9 zu Fig. 8A angedeutete Form hat. Dieses Feld H₀ hat verhindern. Auch die Hauptstromversorgung20 weist längs der Spulenachse, der Z-Achse, einen linearen 55 aus dem gleichen Grunde im Ausgang einen nicht Gradienten. Gewünscht ist ein Feld, wie es durch die dargestellten Tiefpaß auf.

unterbrochene Linie42 in Fig. 8A dargestellt ist, Wenn einmal das magnetische Hauptfeld mit den

d. h. ein gleichförmiges Feld mit konstanter Intensität verschiedenen Gradientenlöschspulen korrigiert wor-

von einem Ende der Spule 16 zum anderen. Dieser den ist, kann das Magnetsystem in bekannter Weise

lineare Gradient wird bei der Schaltung nach F i g. 7 60 in Persistenzbetrieb umgeschaltet werden, so daß das

dadurch ausgelöscht, daß die Welle 14 so gedreht wird, korrigierte Gesamtfeld H₀ auf unbestimmte Zeit

daß das Feld H₀ am Ende mit geringerer Stärke gehalten wird. Supraleitende Drähte 59, 61 und 53

vergrößert und am Ende mit höherer Stärke verringert sind über die Enden der beiden Endwicklungen und

wird, wie durch die unterbrochene Linie 43 in F i g. 8 B der Mittelwicklung der Spule geschaltet. In die

angedeutet. 65 supraleitenden Drähte 59, 61 und 53 sind Persistenz-

Mit anderen Worten, der Gradientenlöschstrom, schalter 63, 64 und 65 eingeschaltet. Die Peristenz-

der an die Endwicklungen geliefert wird, erzeugt schalter bestehen jeder aus einem thermisch nicht-

entgegengerichtete Magnetfeldkomponenten im Be- leitenden dielektrischen Element 66, durch das der

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supraleitende Draht 59, 61 bzw. 53 hindurchführt. 64 und 65 werden dadurch aberregt, so daß das

Ein Widerstands-Heizelement 67 ist ebenfalls in das flüssige Helium im Kryostaten 2 die supraleitenden

dielektrische Element 66 eingebettet. An die Heiz- Nebenschlußdrähte 59, 61 und 53 schnell, d. h. in

elemente 67 wird jeweils Heizstrom über Leitungen 68 etwa 5 Sekunden, auf ihren Supraleitfähigkeitszustand

geliefert, die Strom von einer Stromversorgung 69 5 abkühlen kann. Wenn der Magnetstrom von der

erhalten, deren Ausgang durch einen Spannungsteiler Stromversorgung auf Null herabgesetzt wird, wandert

71 unterteilt ist. Eine Reihe von gekuppelten Schaltun- der Magnetstrom von den Kreisteilen, die die ver-

gen 72 liegt in den Zuleitungen 6 und 3, die die Strom- schiedenen Magnet-Stromversorgungen 20, 7, 8 und 9

Versorgung 20, 7, 8 und 9 und die Spule verbinden, enthalten, in die supraleitenden Nebenschlüsse. Auf

und den Leitungen 68, die zu den Heizelementen 67 io diese Weise werden die einmal eingestellten Ströme

der Persistenzschalter 63, 64 und 65 führen. in den verschiedenen Wicklungen der Spule 16 unbe-

Ehe die supraleitende Spule 16 von den Stromver- grenzt lange gehalten, sie persistieren, so daß das

sorgungen 20, 7, 8 und 9 erregt wird, werden die einmal eingestellte korrigierte Feld beibehalten wird,

Schalter 72 und 72' geschlossen. Die Heizelemente 67 ohne daß zusätzliche Leistung in den Magneten

werden dadurch erregt, so daß die supraleitenden 15 eingespeist werden muß. Die Schalter 72 und 72'

Drähte 59,61 und 53 etwas über die kritische Supraleit- werden dann geöffnet, um den Magneten von den

fähigkeitstemperatur erwärmt werden, so daß sie Stromversorgungen zu trennen und damit von dieser

nicht supraleitend sind und damit den Strom durch Seite herrührenden Störungen durch Ausfälle usw.,

die supraleitende Hauptwicklung 16 nicht an dieser so daß mögliche Übergänge in den normalleitenden,

vorbeileiten. Sobald die richtige Feldform des Haupt- 20 Zustand vermieden werden. Im persistenten Betrieb

feldes der Spule erreicht worden ist, wie oben be- ist das Feld wesentlich stabiler, weil es jetzt von

schrieben, wird die Stromversorgung 69 mittels eines möglichen Stromfluktuationen und Stromstößen von

Schalters 40 abgeschaltet. Die Persistenzschalter 63, den Stromversorgungen getrennt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

I 589 027 1 2 Durch einen Vorwiderstand ist es möglich, die Patentansprüche: Stromstärke in der Wicklung auf einen bestimmten Wert einzustellen (USA.-Patentschrift 3 129 359).

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Bei einer mehrlagigen Wicklung ist es auch möglich, supraleitenden Magnetspule, die aus einer Haupt- 5 den Strom in den einzelnen Lagen getrennt einzustellen wicklung und wenigstens einer mit der Haupt- (GEC Journal Bd. 30 [1963], S. 114 bis 121). wicklung in Reihe geschalteten Endkorrektur- Da die Teilwicklungen einer supraleitenden Spule wicklung besteht und an eine geregelte Stromquelle den Widerstand 0 haben, können die Ströme in in angeschlossen ist, dadurch gekennzeich- Reihe liegenden Wicklungen nicht ohne weiteres net, daß mit der Endkorrekturwicklung (44, 46) io geregelt werden.

ein fester Widerstand (48; 52; 91, 97; 94, 98; 112, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

114) in Reihe geschaltet und parallel zu der Reihen- Schaltungsanordnung zum Betrieb einer supraleitenden

schaltung aus dem festen Widerstand und der End- Magnetspule, die aus einer Hauptwicklung und

korrekturwicklung und eventuell der Haupt- wenigstens einer mit der Hauptwicklung in Reihe

wicklung (16) ein veränderbarer Widerstand (54, 15 geschalteten Endkorrekturwicklung besteht und an eine

58; 100, 104; 102, 108) angeordnet ist oder daß geregelte Stromquelle angeschlossen ist, verfügbar zu

die Endkorrekturwicklung und/oder die Haupt- machen, durch die die Größe der Ströme in den

wicklung (16) an je eine zusätzliche Stromversor- einzelnen in Reihe liegenden Teilwicklungen geregelt

gung (7, 8, 9) angeschlossen sind. werden kann, um Korrekturfelder für vorhandene

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- 20 Feldgradienten des magnetischen Feldes zu erzeugen, durch gekennzeichnet, daß ein regelbarer Wider- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, stand in Reihe mit der gemeinsamen Stromquelle daß mit der Endkorrekturwicklung ein fester Widerliegt, stand in Reihe geschaltet und parallel zu der Reihen-

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- schaltung aus dem festen Widerstand und der Enddurch gekennzeichnet, daß der feste Widerstand 25 korrekturwicklung und eventuell der Hauptwicklung aus zwei in Reihe liegenden Widerständen (91, 97; ein veränderbarer Widerstand angeordnet ist oder daß 99, 94) besteht, daß der veränderbare Widerstand die Endkorrekturwicklung und/oder die Hauptaufgeteilt ist in einen einstellbaren Widerstand wicklung an je eine zusätzliche Stromversorgung ange-(93; 88) und eine Steuerschaltung (95; 92) und daß schlossen sind. Bei einer solchen Schaltungsanordnung ein Differenzverstärker (80; 90) vorgesehen ist, 30 kann je nach Einstellung des festen Widerstandes bzw. dessen Eingang an der Verbindung des einstell- der zusätzlichen Stromversorgung dafür gesorgt baren Widerstandes (93; 88) mit der Steuer- werden, daß in einer der Teilwicklungen ein stärkerer schaltung (95; 92) liegt, dessen zweiter Eingang an Strom fließt als in der oder den anderen, so daß die ,

' ·· der Verbindung der beiden Teile des festen Wider- angestrebte Feldkorrektur erreicht wird.

Standes (91, 97; 99, 94) liegt, und dessen Ausgang 35 Es ist zwar bereits vorgeschlagen worden, für eine

an den Steuereingang der Steuerschaltung ange- aus mehreren in Reihe liegenden Teilwicklungen

schlossen ist (F i g. 4). aufgebaute supraleitende Spule für jede einzelne

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- Teilwicklung eine getrennte Stromquelle vorzusehen, durch gekennzeichnet, daß jede zusätzliche Strom- dieser ältere Vorschlag zielt jedoch ausdrücklich darauf Versorgung (7, 8, 9) von der gemeinsamen Strom- 40 ab, die getrennten Stromquellen an die Stelle der quelle (20) im wesentlichen unabhängig ist und gemeinsamen Stromquelle treten zu lassen (deutsche eine Steuerschaltung (15, 19, 22, 25, 27, 29; 32, 34, Offenlegungsschrift 1 589 992).

35; 10, 21, 23, 26, 28, 31) aufweist (F i g. 7). Zur Einstellung des Hauptstroms wird zweck-

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei mäßigerweise in bekannter Weise ein regelbarer Wider- ·■ der für jede Teilwicklung eine zusätzliche Strom- 45 stand in Reihe mit der gemeinsamen Stromquelle Versorgung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, geschaltet.

daß die Steuerschaltung (15, 25; 35; 10, 26) Bei Verwendung fester Widerstände in Reihe mit der

wenigstens einer zusätzlichen Stromversorgung Endkorrekturwicklung und veränderbarer Widerstände (7, 8,9) mit der Steuerschaltung (35; 10,26; 15, 25) parallel zu der Reihenschaltung aus festem Widerstand wenigstens einer anderen zusätzlichen Stromver- 50 und Endkorrekturwicklung und eventuell Hauptsorgung (8; 9; 7) derart gekuppelt ist, daß beide wicklung können die Widerstände der Leitungen in der Stromversorgungen in vorgewählten Stromverhält- Nähe der supraleitenden Spulen geringfügig die Größe nissen gesteuert werden können (F i g. 7). der Ströme zu jeder Spule beeinflussen. Um diesen

Einfluß zu vermeiden, wird gemäß einer speziellen 55 Ausbildung der Erfindung die Schaltungsanordnung

dadurch ergänzt, daß der feste Widerstand aus zwei

in Reihe liegenden Widerständen besteht, daß der veränderbare Widerstand aufgeteilt ist in einen ein-

Zur Erzeugung starker Magnetfelder werden supra- stellbaren Widerstand und eine Steuerschaltung und leitende Magnetspulen verwendet. Werden an die 60 daß ein Differenzverstärker vorgesehen ist, dessen Homogenität solcher Felder hohe Anforderungen einer Eingang an der Verbindung des einstellbaren gestellt, wie das beispielsweise bei Spektrometern für Widerstandes mit der Steuerschaltung liegt, dessen gyromagnetische Resonanz der Fall ist, so wird zweiter Eingang an der Verbindung der beiden Teile wenigstens eine mit der Hauptwicklung in Reihe des festen Widerstandes liegt, und dessen Ausgang an geschaltete Endkorrekturwicklung verwendet, und die 65 den Steuereingang der Steuerschaltung angeschlossen ganze Spule wird an eine geregelte Stromquelle ange- ist. Bei einer solchen Schaltungsanordnung haben die schlossen (Journal of Applied Physics, Bd. 34 [1963], den supraleitenden Spulen benachbarten Leitungen S. 3175 bis 3178). nur einen vernachlässigbaren Einfluß.