DE19639924C1 - Wärmestrahlungsschild und seine Verwendung bei einer supraleitenden Antenne - Google Patents

Wärmestrahlungsschild und seine Verwendung bei einer supraleitenden Antenne

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Description

In diagnostischen Magnetresonanz-Niederfeldsystemen mit ent­ sprechend niedrigen Frequenzen der Magnetresonanzsignale wer­ den die Sende- und Empfangsantennen zur Anregung und zum Emp­ fang der Magnetresonanzsignale nur noch gering durch den Kör­ per eines Patienten bedämpft. Andererseits gibt es aber auch bei höheren Hauptmagnetfeldstärken zunehmend mehr Anwendun­ gen, die einen größeren Abstand der Hochfrequenz-Antenne vom Patienten als bisher erfordern. Dies gilt vor allem für in­ terventionelle Techniken oder Eingriffe unter Magnetresonanz­ kontrolle, wobei ein Operateur einen möglichst großen freien Zugangsbereich zum Patienten benötigt. Wegen des größeren Ab­ stands ist auch dabei eine Bedämpfung der Antenne durch den Patienten gering, so daß die Eigenverluste der Antenne eine zunehmende Rolle spielen.
Mit supraleitenden Spulen oder Antennen lassen sich sehr hohe Gütewerte in der Größenordnung von über 100.000 erreichen, d. h. die Antennenverluste sind praktisch vernachlässigbar. Der Einsatz derartiger verlustfreier Antennen empfiehlt sich also. Jedoch ist darauf zu achten, daß die hohe Güte auch im Betrieb erhalten bleibt. Das erfordert eine entsprechend wirksame Wärmeisolation gegen die Wärmestrahlung des Patien­ ten. In der Kryotechnik werden als Strahlungsschirme sogenann­ te Superisolationsfolien verwendet, die aus einem dünnen Po­ lyesterfilm mit einer aufgedampften Metallschicht aus Alumi­ nium bestehen. Derartige Superisolationsfolien können jedoch bei supraleitenden Antennen keinesfalls verwendet werden. Die in der Metallschicht induzierten, hochfrequenten Wirbelströme würden die hohe Güte der Spule oder Antenne drastisch herab­ setzen.
Nun ist es z. B. aus der US-PS 4 636 730 bekannt, eine Anten­ ne für ein Magnetresonanzgerät mit einer Abschirmung zu ver­ sehen, um von der Antenne erzeugte elektrische Felder vom Pa­ tienten fern zu halten (Faraday-Schirm). Die Abschirmung muß jedoch für die magnetische Komponente des Hochfrequenzfeldes durchlässig sein. Daher besteht sie gemäß einer in der US-PS 4 636 730 beschriebenen Ausführungsform aus untereinander elektrisch verbundenen Streifenleitern. Als Wärmestrahlungs­ schild ist eine derartige elektrische Abschirmung unbrauch­ bar.
Aus der JP-OS 64 37 813 ist eine supraleitende Antenne für Magnetresonanzgeräte bekannt, die in einem wärmeisolierenden Gehäuse angeordnet ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Wärmestrahlungsschild anzugeben, der für hochfrequente elektromagnetische Signale im Megahertzbereich durchlässig ist.
Die Aufgabe wird durch einen Wärmestrahlungsschild gelöst, der gekennzeichnet ist durch einen elektrisch isolierenden Träger, worauf mindestens einseitig ein Mosaik von elektrisch leitenden Elementarschichten angeordnet ist. Durch die Auf­ teilung der Metallschicht in sehr kleine, nebeneinander ange­ ordnete Elementarschichten wird die Verlustleistung für die in Frage kommende Hochfrequenz drastisch reduziert, gleichzei­ tig wird die thermische Reflexion nicht wesentlich beein­ trächtigt. Die zulässigen Hochfrequenzverluste bestimmen die Größe der elektrisch leitenden Elementarschichten.
Eine gute thermische Isolationswirkung bei geringen Hochfre­ quenzverlusten wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht, daß die Elementarschichten eine Dicke auf­ weisen, die ungefähr gleich einer Skintiefe beim Wärmestrah­ lungsmaximum ist. Einerseits ist die Verlustleistung in den elektrisch leitenden Elementarschichten um so geringer, je dünner die Schichtdicke gewählt ist, andererseits wird die thermische Isolationswirkung mit dünner werdenden Schichten ebenfalls geringer.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Trä­ ger als Folie oder Film ausgebildet, wodurch die thermische Leitfähigkeit quer zur Oberfläche reduziert ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfaßt die isolierende Trägerfolie einen Polyesterfilm. Derartige Folien sind vorzügliche elektrische Isolatoren und weisen nur gerin­ ge dielektrische Verluste auf. Zudem lassen sie sich ohne spezielle Vorbehandlung gut metallisieren.
Eine besonders vorteilhafte Verwendung des Wärmestrahlungs­ schildes ist bei einer hochtemperatur-supraleitenden und in einem Dewar angeordneten Magnetresonanz-Antenne gegeben, wo­ bei die Isolation im Dewar zwischen einer Wandung des Dewars und der Antenne angeordnet ist. Die thermische Isolation schirmt die von einem Patienten abgestrahlte Körperwärme von der hochtemperatur-supraleitenden Magnetresonanz-Antenne ab, wobei die Güte der Magnetresonanz-Antenne nur unwesentlich beeinträchtigt wird. Dabei sollte bei einer Güte der Magnet­ resonanz-Antenne in der Größenordnung von 105 die auf die Schirmverluste bezogene Teilgüte um eine Größenordnung höher sein, also etwa 106, d. h. die Verluste im Wärmestrahlungs­ schirm sollten höchstens ca. 10% der Gesamtverluste der An­ tenne betragen.
Zur Erhöhung der thermischen Isolationswirkung werden bei ei­ ner weiteren vorteilhaften Verwendung des Wärmestrahlungs­ schildes zwischen der Magnetresonanz-Antenne und der Wandung im Dewar mehrere Folien übereinander angeordnet. Die einzel­ nen Lagen sind bei einseitiger Metallisierung elektrisch von­ einander isoliert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Verwendung der thermischen Isolation sind die Isolation oder die Isolationen punktweise gehaltert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Figuren er­ läutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Mosaik von elektrisch lei­ tenden Elementarschichten,
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Modell einer Elementar­ schicht und
Fig. 3 in einer Schnittdarstellung eine hochtemperatur­ supraleitende Antennenanordnung für eine Magnet­ resonanzgerät mit einer thermischen Isolation.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt des erfundungsgemäßen Wärmestrahlungsschildes 1. Auf einem elektrisch isolie­ renden Träger 2 in Form einer Polyesterfolie oder eines Poly­ esterfilms ist auf einer Seite ein Mosaik von elektrisch lei­ tenden Elementarschichten 4 angeordnet. Die Polyesterfolie ist hergestellt aus Polyethylenterephthalat (PETP). Die gleich großen und regelmäßig sechseckig ausgeführten Elemen­ tarschichten 4 sind in einem regelmäßigen Raster angeordnet. Die Elementarschichten 4 bestehen aus Aluminium oder Gold, das auf die Folienoberfläche aufgedampft oder aufgesputtert wurde, wobei die Elementarschichten 4 eine gleichmäßige Dicke von ca. 10 nm aufweisen. Die Kantenlänge der Elementarschich­ ten a beträgt ca. 50 µm, die Spaltbreite b zwischen den ein­ zelnen Elementarschichten beträgt ca. 10 µm. Damit ergibt sich ein Bedeckungsgrad des Mosaiks auf dem elektrisch iso­ lierenden Träger 2 von ca. 80%.
Die Dicke der als Elementarschicht 4 aufgedampften Aluminium­ schicht beträgt ca. 10 nm und entspricht der Skintiefe bei einem Wärmestrahlungsmaximum im Infrarotbereich. In einer Verwendung als thermische Isolation in einer hochtemperatur­ supraleitenden Antenne für ein 0,2 T-Magnetresonanzsystem bei einer Signalfrequenz von 8 MHz und einer Antenneninduktivität von 40 nH ergibt sich eine Teilgüte von ca. 3 × 106. Bei ei­ ner Antenneneigengüte von ca. 105 können mehrere solcher me­ tallisierten Folien 1 aufeinandergelegt werden, ohne die An­ tennengüte wesentlich zu beeinträchtigen.
Anhand von Fig. 2 soll in einem vereinfachten Modell die Dimensionierung der einzelnen Elementarschichten 4 erläutert werden. Fig. 2 zeigt wegen einer einfacheren analytischen Betrachtung anstatt einer sechseckigen Elementarschicht eine kreisförmige elektrisch leitfähige Elementarschicht 4a mit dem Radius R. Das Mosaik soll aus insgesamt N × N derartiger Elementarschichten 4a bestehen. Für die Güte gilt allgemein (ω Kreisfrequenz)
Q = ω (gespeicherte Energie) / (Verlustleistung),
wobei die gespeicherte magnetische Feldenergie durch die Antenneninduktivität L und den Antennenstrom I wie folgt definiert ist:
L steht für die Antenneninduktivität und I steht für den Antennenstrom.
Zur Berechnung der Verlustleistung wird von der Elementar­ schicht 4a ausgegangen, wobei die entlang einem Kreisring mit einem mittleren Radius r induzierte Spannung Ui sich aus der Änderung des Magnetfelds B wie folgt ergibt:
Ui = ω π r2 B.
Der ohmsche Widerstand im Ring beträgt
wobei ρ der spezifische Widerstand, dr die Breite des Kreis­ rings und d die Dicke der metallischen Schicht darstellen.
Damit ergibt sich für die Verlustleistung pro Elementarschicht 4a
Für B wird näherungsweise angenommen:
B = µo . I/2RAntenne
RAntenne steht für den Radius einer Antenne mit kreisförmigen Windungen.
Aus der Verlustleistung und der gespeicherten Feldenergie bestimmt sich dann die Güte der thermischen Isolation (mit RAntenne ≈ . R)
mit µo Permeabilität des leeren Raumes.
Daraus läßt sich der Radius der Elementarschicht 4a wie folgt bestimmen.
Da die Güte einer thermischen Isolation mit n Schichten ungefähr 10mal so groß wie die Antennengüte QAntenne sein soll, ergibt sich für den Radius der Elementarschicht 4a.
Fig. 3 zeigt in einer Schnittdarstellung einen prinzipiellen Aufbau einer hochtemperatur-supraleitenden Antennenanordnung für ein diagnostisches Magnetresonanzgerät. In einem zylin­ drischen Behälter oder einem Dewar 10 aus einem elektrisch nicht leitenden und unmagnetischen Material befindet sich eine Kältemaschine 12. Auf einer wärmeleitenden Trägerplatte 14 ist einseitig eine hochtemperatur-supraleitende Antennen­ struktur 15 aufgebracht. Die Antennenstruktur 15 besteht aus drei in einer Ebene spiralförmig angeordneten Windungen 16. Die Trägerplatte 14 mit der Antennenstruktur 15 ist möglichst dicht und parallel zu einer stirnseitigen Wandung 17 des Vakuumbehälters 10 angeordnet. Im Betrieb der Antenne befindet sich die zu untersuchende Partie eines Patienten in einigem Abstand in axialer Richtung von der stirnseitigen Wandung 17. Die Trägerplatte 14 ist über eine elektrisch isolierende Wärmebrücke 18 mit einem Kaltkopf 20 der Kältemaschine 12 gekoppelt. Zwischen der stirnseitigen Wandung 17 des Vakuumbehälters 10 und der Antennenstruktur 15 ist der schon anhand von Fig. 1 beschriebene, folienartige Wärmestrahlungsschild 1 angeordnet. Die Folie 1 ist seitlich hochgeführt und am Rand an einigen Punkten 21 an der Innenwand des Vakuumbehälters 10 fixiert, z. B. verklebt. Eine in axialer Richtung weiter nach oben angeordnete sogenannte Superisolationsfolie 22 mit einer durchgehend aufgedampften Metallschicht schirmt ebenfalls den Innenraum des Vakuumgefäßes 10 gegen Wärmestrahlung ab. Wegen ihres weiten Abstandes zur Antennenstruktur 15 beeinträchtigt die Superisolationsfolie 22 nicht mehr die Güte der Antenne.
Falls keine ausreichende thermische Isolationswirkung mit einer Lage des Wärmestrahlungsschildes 1 erreicht werden kann, können mehrere Lagen des Wärmestrahlungsschildes 1 zwischen der Antennenstruktur 15 und dem Abbildungsvolumen angeordnet sein.

Claims (12)

1. Wärmestrahlungsschild (1) mit einem elektrisch isolie­ renden Träger (2), worauf mindestens einseitig ein Mosaik von elektrisch leitenden Elementarschichten (4, 4a) angeordnet ist, welche Elementarschichten (4, 4a) durch einen Spalt von­ einander getrennt sind.
2. Wärmestrahlungsschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarschichten (4, 4a) in einem regelmäßigen Raster auf dem Träger (2) ange­ ordnet sind.
3. Wärmestrahlungsschild nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Elemen­ tarschichten (4, 4a) gleich groß sind.
4. Wärmestrahlungsschild nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarschichten (4, 4a) eine Dicke aufweisen, die ungefähr gleich einer Skintiefe beim Wärmestrahlungsmaximum ist.
5. Wärmestrahlungsschild nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarschichten (4, 4a) ein Metall enthalten.
6. Wärmestrahlungsschild nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarschichten (4, 4a) Aluminium oder Gold enthalten.
7. Wärmestrahlungsschild nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) als Folie oder Film ausgebildet ist.
8. Wärmestrahlungsschild nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) als Kunststoffolie ausgebildet ist.
9. Wärmestrahlungsschild nach Anspruch 7 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die isolie­ rende Trägerfolie (2) ein Polyesterfilm ist.
10. Verwendung des Wärmestrahlungsschildes (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bei einer hochtemperatur-supraleiten­ den und in einem Dewar (10) angeordneten Magnetresonanz-Antenne (15), wobei der Wärmestrahlungsschild (1) in dem De­ war (10) zwischen einer Wandung des Dewars (17) und der An­ tenne (15) angeordnet ist.
11. Verwendung des Wärmestrahlungsschildes nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Antenne (15) und der Wandung (17) im Dewar (10) mehrere Wärmestrahlungsschilde (1) übereinander angeordnet sind.
12. Verwendung des Wärmestrahlungsschildes nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahlungsschild (1) oder die Wärmestrahlungs­ schilde punktweise gehaltert sind.
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