DE3723776A1

DE3723776A1 - Magnetfeldgenerator

Info

Publication number: DE3723776A1
Application number: DE19873723776
Authority: DE
Inventors: Koichiro Inomata; Tetsuhiko Mizoguchi; Naoyuki Sori; Hideki Yamamiya; Isao Sakai
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-07-18
Filing date: 1987-07-17
Publication date: 1988-01-21
Also published as: US4827235A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetfeldgenerator und genauer einen Magnetfeldgenerator, der für den Einsatz in einem medizinischen Abbildungsgerät aufgrund kernmagnetischer Resonanz (MRI) geeignet ist.

Das MRI ist ein Gerät, das einen Hohlraum besitzt, in dem ein starkes magnetisches Feld von ungefähr 1 bis 20 KG erzeugt wird und in den ein Patient hineingelegt wird, um eine gewünschte Querschnittsabbildung des Patienten zu erhalten. Ein derartig starkes magnetisches Feld wird durch einen Magnetfeldgenerator erzeugt, der einen normalleitenden Magneten, in dem die Leiter aus Kupfer, Aluminium, etc. als Spulen gewickelt sind, oder einen supraleitenden Magneten nutzt, bei dem Supraleiter eingesetzt werden. Ebenso wurde kürzlich der Einsatz eines Permanentmagneten, bestehend aus einem Nd-Fe-B-System, als Magnetfeldgenerator untersucht, wie in der Japanischen Offenlegungsschrift 60-76104 offenbart ist.

Das MRI umfaßt grundsätzlich die folgenden vier prinzipiellen Komponenten. Nämlich den oben erwähnten Magnetfeldgenerator, Magnetfeldablenkspulen (normalerweise werden drei eingesetzt für die Ablenkung des Magnetfelds in X-, Y-- und Z-Richtung) für die Auswahl einer räumlichen Position, eine RF-Spule für die Erzeugung einer kernmagnetischen Resonanz in einem Untersuchungsmaterial, das in dem Magnetfeld positioniert ist, und einen Empfänger. Das geneigte magnetische Feld wird genauer beschrieben. In Richtung der X- und Y-Achse erzeugt eine Magnetfeldablenkspule für die Y-Achse (X-Achse) ein geneigtes magnetisches Feld, das in Richtung einer Z-Achse orientiert ist und das unterschiedliche Stärken in Abhängigkeit von der Y-Koordinate (X-Koordinate) aufweist. Das abgelenkte magnetische Feld wird von einem stationären magnetischen Feld H₀ überlagert, wodurch eine Resonanzwinkelfrequenz Omega wie folgt definiert wird:

ω = ω₀ + γ G _x · X + γ G _y · Y (1)

wobei Omega₀ = GammaH₀ ist; Gamma entspricht einem kernmagnetischen Rotationsverhältnis und G _X und G _y den geneigten magnetischen Feldern in Richtung der X-Achse und der Y-Achse. Als Ergebnis werden abhängig von den X- und Y-Koordinaten unterschiedliche Resonanzwinkelfrequenzen für den stationären Magnetfeldbereich erzielt. Die geneigten Magnetfelder der X- und Y-Achsen

G _x = G _j cos R, G _y = G _j sin R (2)

werden überlagert und angewandt und Theta verändert. Dadurch wird dann ein geneigtes magnetisches Feld realisiert, bei dem die Magnetfeldneigung G _j konstant ist und die Richtung (j-Achse) der Neigung frei gesteuert werden kann.

Wie oben beschrieben, erhält man räumlich unterschiedliche Resonanzwinkelfrequenzen und durch die Messung der Frequenzen werden räumliche Positionen erkannt.

Das geneigte magnetische Feld wird üblicherweise durch Pulse, dargestellt in Fig. 1A, erzeugt. Die Wellenform der Pulse wird zu derjenigen, die in Fig. 1B dargestellt ist, aufgrund der folgenden Gründe und eine Impulsanstiegszeit t 1 und eine Impulsabfallszeit t 2 beeinflussen das S/N-Verhältnis einer Abbildung. Wenn t 1 und t 2 groß sind, verschlechtert sich das S/N-Verhältnis. Wenn nämlich ein normalleitender oder ein supraleitender Magnet als Magnetfeldgenerator eingesetzt wird und wenn ein Impulsstrom in der Ablenkspule angewendet wird, um ein geneigtes Magnetfeld zu erzeugen, wird ein Wirbelstrom in normalleitenden und supraleitenden Spulen erzeugt, die in der Nachbarschaft der Ablenkspule angeordnet sind, wodurch t 1 und t 2 vergrößert werden. Aufgrund des Energieverbrauchs des Wirbelstroms wird darüber hinaus mehr Impulsstrom als nötig an den Spulen angewandt, so daß eine größere Spannungsversorgung benötigt wird. In der Praxis wird eine elektrische Kompensation durchgeführt, um t 1 und t 2 unter 2 ms zu halten. Die elektrische Kompensation ist jedoch eine teuere Messung und erhöht die Kosten.

Entsprechend den Experimenten, die von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung durchgeführt wurden, wurde festgestellt, daß dieselben Probleme in einem Magnetfeldgenerator hervorgerufen werden, in dem Permanentmagnete eingesetzt werden.

Mit dem Ziel, eine hochgenaue Abbildung durch das MRI zu erhalten, ist es unvermeidlich, einen Magnetfeldgenerator für die Erzeugung eines magnetischen Feldes in einem festgelegten Raumbereich vorzusehen, wobei das Magnetfeld eine ausreichende Stärke, eine ausgezeichnete Gleichförmigkeit, ebenso wie eine Stabilität über eine lange Zeit besitzt.

Für einen derartigen Magnetfeldgenerator wird ein normalleitender Magnet, dessen Spulen aus Leitern aus Kupfer, Aluminium, etc. gewickelt sind oder ein supraleitender Magnet eingesetzt, der Supraleiter aus Nb-Ti-Legierungen usw. verwendet, oder ein Permanentmagnet, der kürzlich untersucht wurde, wie z. B. in der Japanischen Offenlegungsschrift 60-76104 offenbart ist.

Der Magnetfeldgenerator, ind dem ein normalleitender Magnet eingesetzt wird, kann ein relativ starkes und gleichförmiges Magnetfeld erzeugen, jedoch erfordert er eine große Menge Elektrizität und Kühlwasser, was die Kosten erhöht und er zeigt Probleme im Hinblick auf die Langzeitstabilität der magnetischen Feldstärke und im Hinblick auf große magnetische Streufelder, die eine magnetische Abschirmung erforderlich machen.

Andererseits besitzt der Magnetfeldgenerator, bei dem ein supraleitender Magnet eingesetzt wird, die Vorteile, daß er eine ausreichend große Magnetfeldstärke, eine ausgezeichnete Gleichförmigkeit, einen geringeren Energieverbrauch und eine ausgezeichnete Zeitstabilität besitzt, er weist jedoch Nachteile auf durch große magnetische Streufelder und, als grundlegende Voraussetzung, den Bedarf an flüssigem Helium als Kühlmittel, das sehr teuer ist.

Der Magnetfeldgenerator, bei dem ein Permanentmagnetkreis eingesetzt wird, besitzt den Vorteil, daß er weniger elektrische Energie verbraucht und ein geringes magnetisches Streufeld besitzt. Er hat jedoch den Nachteil, daß es schwierig ist, eine gewünschte Magnetfeldstärke und eine räumliche Gleichförmigkeit des Magnetfeldes zu erzielen. Mit dem Ziel, diese Nachteile zu kompensieren, um den Permanentmagneten praktisch einzusetzen, wird der Magnet vergrößert. Dies bringt jedoch andere Probleme mit sich, indem das Gewicht des Systems vergrößert, die Kosten erhöht und der eingebaute Raum begrenzt wird.

Vor kurzem wurde ein Nd-Fe-B-System vielerorts untersucht als neues permanentmagnetisches Material, wie z. B. in der Japanischen Patentschrift 61-34242 offenbart. Der Magnet ist dadurch gekennzeichnet, daß er ein hohes Energieprodukt im Bereich von 30 bis 35 MGOe aufweist, daß die Materialien Nd und Fe billiger sind als Sm und Co, die für konventionelle Seltene Erden-Kobalt-Magneten verwendet werden. Deshalb wurde als ein Magnet, der die Probleme der Permanentmagnetkreise gemäß dem Stand der Technik lösen kann, der neue Magnet aus Nd-Fe-B umfassend untersucht, um in einen Magnetfeldgenerator integriert zu werden. Da der reversible Temperaturkoeffizient des Nd-Fe-B-Systemmagneten ungefähr -0,14%/deg ist, besteht ein Problem darin, daß der Magnet schlechter im Hinblick auf die Langzeitstabilität des magnetischen Feldes ist und da das praktikable Niveau des maximalen Energieprodukts in der Größe von 35 MGOe liegt, besteht ein anderes Problem darin, daß das Volumen des Magneten vergrößert ist.

In anbetracht der obengenannten Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Magnetfeldgenerators, bei dem ein Permanentmagnet eingesetzt wird, der ein starkes Magnetfeld bereitstellt, wobei der Generator nahezu keinen Einfluß auf den Anstieg und den Abfall auf ein Impulsmagnetfeld besitzt, das durch Magnetfeldablenkspulen erzeugt wird.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kompakten und leichten Magnetfeldgenerator mit Permanentmagneten zu schaffen, der ein magnetisches Feld mit ausreichender Feldstärke, ausgezeichneter räumlicher Gleichförmigkeit und Langzeitstabilität erzeugt.

Um diese Aufgaben und die oben erwähnten Vorteile zu erzielen, beschreibt die vorliegende Erfindung einen Magnetfeldgenerator aus Permanentmagneten und Polschuhen. Die Polschuhe sind magnetisch mit den Permanentmagneten verbunden und einander gegenüberliegend angeordnet, um zwischen ihnen ein Magnetfeld zu erzeugen und besitzen einen spezifischen Widerstand von 20 µOhm-cm oder mehr.

In der vorliegenden Erfindung ist der Einsatz eines Permanentmagneten aus gesinterter Legierung zu bevorzugen, die Eisen als Hauptkomponente, R (Seltene Erden, Yttrium eingeschlossen), Kobalt und Bor umfaßt und die eine stark magnetische eisenreiche Phase als Hauptphase und eine nichtmagnetische Laves-Phase besitzt und darüber hinaus ein maximales Energieprodukt von 38 MGOe oder mehr aufweist.

Die anderen Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus den folgenden Beschreibungen der bevorzugten Ausführungsformen hervor, die in Zusammenhang mit den entsprechenden Zeichnungen zu sehen sind, in denen zeigt:

Fig. 1A und 1B die Wellenform eines idealen Pulses für die Erzeugung eines geneigten Magnetfelds und eine Wellenform eines tatsächlichen Impulses für die Erzeugung des geneigten Magnetfeldes.

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines Magnetfeldgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 bis 5 einen schematischen Querschnitt anderer Ausführungsformen des Magnetfeldgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 eine schematische Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des Magnetfeldgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 7A und 7B Querschnittsansichten der Verteilungen der Linien der Magnetfeldstärke mit und ohne Hilfsspulen.

Die bevorzugten Ausführungsformen eines Magnetfeldgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun bezugnehmend auf die Zeichnungen beschrieben.

Von den Polschuhen, die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, wird grundsätzlich erwartet, daß sie eine hohe Sättigungsmagnetisierung und weichmagnetisches Verhalten aufweisen, ebenso wie einen spezifischen Widerstand von 20 µOhm-cm oder mehr; die anderen Bedingungen sind aber frei wählbar. So dürfen z. B. nicht nur weichmagnetische Materialien, wie Permalloy, Siliziumstahl, amorphe magnetische Legierungen und Ferrite, sondern auch magnetisches Verbundmaterial verwendet werden. Die magnetischen Verbundmaterialien umfassen magnetische Pulver, wie Eisenpulver, und Bindematerial aus einem elektrischen Isoliermaterial, wie Gummi und Kunstharz. In der Praxis ist magnetisches Verbundmaterial zu bevorzugen, weil es leicht mit großem Widerstand hergestellt werden kann, in der Größenordnung von z. B. einigen 100 Ohm-cm.

Als Permanentmagnet kann ein Ferritmagnet, ein Alnico- Magnet, ein Magnet als System aus Seltenen Erden und Kobalt und ein R-Fe-B-System-Magnet eingesetzt werden (das "R" ist zumindest ein Element der Seltenen Erden, Yttrium eingeschlossen). Verglichen mit einem Magnet mit Spulen verbraucht der Permanentmagnet nur eine kleine Menge elektrischer Energie und besitzt ein kleines magnetisches Streufeld. Darüber hinaus wird beim Einsatz eines starken Magneten, wie ein Magnet in Form eines R-Fe-B-Systems, ein kompakter Magnetfeldgenerator aufgebaut. Für den Permanentmagneten des R-Fe-B-Systems ist der Einsatz eines Materials mit großem Maximalwert (BH)max. zu bevorzugen, das Nd in einem Abteil von 13 bis 16 Atomprozent, B in einem Anteil von 1 bis 8 Atomprozent und Fe für den restlichen Anteil umfaßt. Ein Teil des Nd kann durch andere Seltene Erden, wie z. B. Pr, Tb, und Dy ersetzt werden. Fe kann ersetzt werden durch die Kombination der Elemente, wie Co, Al und Ga. Als Ergebnis kann die Koerzitivkraft und die Temperatureigenschaft einer permanenten Magnetflußdichte verbessert werden, wodurch die Temperaturstabilität des magnetischen Feldes vergrößert wird.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben magnetische Kreise mit Magnetfeldablenkspulen untersucht, die Impulsmagnetfelder erzeugen mit kürzerer Anstiegszeit und Abfallzeit und haben herausgefunden, daß es sich auswirkt, um die Anstiegszeit und die Abfallzeit zu reduzieren, wenn der Wert des spezifischen Widerstandes der Polschuhe auf mehr als 20 µOhm-cm erhöht wird. Durch den Einsatz von Polschuhen mit einem derart großen spezifischen Widerstand kann die Anstiegs- und die Abfallzeit minimiert werden, kleiner als z. B. 2 ms, wodurch das S/N-Verhältnis einer Abbildung des MRI verbessert und der Energieverbrauch aufgrund von Wirbelstürmen reduziert wird.

Je größer der spezifische Widerstand der Polschuhe, desto mehr wird deren Effekt erwartet. Der spezifische Widerstand beträgt vorzugsweise 100 µOhm-cm oder mehr oder noch vorteilhafter 150 µOhm-cm oder mehr.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform des Magnetfeldgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Magnetfeldgenerator umfaßt den Permanentmagneten 1, die Polschuhe 2 und ein Joch 3 und erzeugt ein gleichförmig starkes Magnetfeld zwischen einem Raum, der zwischen diesen Komponenten gebildet wird.

Magnetfeldablenkskpulen 4 sind in der Nachbarschaft der magnetischen Pole angeordnet (nur Magnetfeldablenkspulen in X-Richtung sind in der Figur dargestellt). Impulsströme werden in den Spulen 4 angewendet, um ein geneigtes Magnetfeld zu erzeugen.

Die Anstiegs- und die Abfallzeit des magnetischen Feldes wurde im Hinblick auf unterschiedliche Polschuhmaterialien gemessen. Das Ergebnis ist in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1

In der Tabelle 1 kennzeichnet * einen Magnetpulverkern aus einem Verbundmaterial aus Fe-Pulver oder Fe-Legierungspulver und Epoxyharz.

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, kann t 1 und t 2 unter 2 ms gehalten werden, wenn der spezifische Widerstand der Polschuhe 20 µOhm-cm oder mehr beträgt, wodurch ein praktikabler Magnetfeldgenerator für ein MRI geschaffen wird. Darüber hinaus zeigt Tabelle 1, daß, wenn der spezifische Widerstand 150 µOhm-cm oder mehr beträgt, t 1 und t 2 unter 1 ms abgesenkt werden kann.

Für den Magnetfeldgenerator der vorliegenden Erfindung wird für das Material der Polschuhe nur gefordert, daß es einen spezifischen Widerstand von 20 µOhm-cm oder mehr besitzt und sein Aufbau ist nicht auf den in Fig. 2 dargestellten beschränkt.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen Darstellungen anderer Ausführungsformen des Magnetfeldgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung. In den Figuren bezeichnen die Bezugszeichen, die in Fig. 2 eingeführt wurden, dieselben Teile.

In Fig. 3 hat jeder Polschuh 2 a eine flache Plattenform, deren Eckenkanten abgeschnitten sind.

In Fig. 4 hat jeder Polschuh 2 b eine konkave Oberfläche und zwischen die konkaven Oberflächen der entsprechenden Polschuhe 2 b wird der Patient gelegt.

In Fig. 5 ist ein Jochpaar 30 in U-Form angeordnet und an einem Permanentmagneten 10 befestigt. Polschuhe 20 sind an den gegenüberliegenden Teilen des entsprechenden Joches 30 befestigt und ein Patient wird zwischen die Polschuhe 20 gelegt.

In den Fig. 3 bis 5 sind die Magnetfeldablenkspulen nicht dargestellt.

Es ist erkenntlich, daß die Magnetfeldgeneratoren, dargestellt in den Fig. 3 bis 5, ebenso die Effekte der vorliegenden Erfindung erzielen.

Wie oben beschrieben, sind gemäß der vorliegenden Erfindung Polschuhe speziell angefertigt, um die Anstiegszeit und die Abstiegszeit bei der Erzeugung eines pulsierenden Magnetfeldes zu reduzieren, wodurch das S/N-Verhältnis einer Abbildung in dem MRI verbessert wird.

In der Japanischen Patentanmeldung Nr. 61-48657 haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung einen Weg aufgezeigt, um einen Magneten zu erhalten, dessen Temperaturkoeffizient der permanenten Magnetflußdichte 0,07%/deg beträgt und dessen maximales Energieprodukt 35 MGOe oder mehr ausmacht. Die vorliegende Erfindung nutzt diesen Permanentmagneten für den Magnetfeldgenerator, um einen Permanentmagnet-Magnetfeldgenerator aufzubauen, der kompakt und von geringem Gewicht ist und der ein starkes Magnetfeld mit exzellenter räumlicher Gleichförmigkeit und Zeitstabilität ist.

Ein Permanentmagnet aus einem Selten-Erden-Eisen-System beinhaltet eine starke Fe-reiche Phase als Hauptphase, die ein tetragonales System eines Nd₂Fe₁₄B-Typs darstellt. Zusätzlich zu der Hauptphase kommen andere konstitutionelle Phasen, wie eine nichtmagnetische R-reiche Phase eines kubischen Systems, R-Komponenten, wie Nd₉₇Fe oder ND₉₅Fe₅ eingeschlossen, und 90 Gew.-% oder mehr der nichtmagnetischen R-reichen Phase bildend und eine nichtmagnetische B-reiche Phase eines tetragonalen Systems, wie Nd₁Fe₄B₄, genauso wie Oxide. Andere R-Komponenten können auf dieselbe Art genutzt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können die strukturellen Phasen weiterhin eine nichtmagnetische Laves-Phase enthalten.

Wenn nur Cu hinzugefügt wird, bewirkt das eine Erhöhung der Curietemperatur, bringt aber den Nachteil mit sich, daß die Koerzitivkraft verringert wird. Dies rührt daher, daß eine Laves-Phase erzeugt wird, die magnetisch ist. Es ist verständlich, daß diese Laves-Phase, die eine magnetische Phase ist, einen Kernbildungsort einer umgekehrt magnetischen Domäne bildet, die die Koerzitivkraft herabsetzt. Die vorliegende Erfindung entmagnetisiert die Laves-Phase, um die Koerzitivkraft zu verstärken. Deshalb verbessert die vorliegende Erfindung die magnetische Eigenschaft, während sie den Effekt eines Co-Zusatzes weitgehendst für die Erhöhung der Curie-Temperatur nutzt. Der Permanentmagnet aus einem Selten-Erden-Eisen-System mit einer derartig guten Koerzitivkraft besitzt eine gute Temperaturcharakteristik in den magnetischen Eigenschaften. Es wird bevorzugt, die nichtmagnetische Laves-Phase in einer Größenordnung von 2 bis 10 Volumenprozent einzusetzen. Ist der Anteil zu groß, wird das Verhältnis zu einer Hauptphase, die den Magnetismus erzeugt, verkleinert und Br wird herabgesetzt. Wenn andererseits die Menge zu klein ist, wird die Co-Menge, die hinzugefügt wird, reduziert, so daß der Effekt der Erhöhung der Curie-Temperatur nicht erzielt werden kann.

Eine andere R-reiche Phase, B-reiche Phase usw. sind nicht unbedingt notwendig. Jedoch besitzt die R-reiche Phase einen Schmelzpunkt, der niedriger ist als der der Hauptphase und entfernt Defekte und Fremdkörper von einer Grenzschicht der Hauptphase zum Zeitpunkt des Sinterns ebenso wie der Reduzierung der entsprechenden Generationsbereiche der umgekehrt magnetischen Domänen für eine Verbesserung der Koerzitivkraft. Wenn jedoch die Menge hiervon zu groß ist, wird das Verhältnis zu der Hauptphase reduziert, um die magnetischen Eigenschaften zu reduzieren, so daß die R-reiche Phase ungefähr 5 Vol.-% oder weniger, vorzugsweise 2,5 bis 5 Vol.-% ausmacht.

Um die nichtmagnetische Laves-Phase zu erzeugen, wird eine vorher bestimmte Menge Al und/oder Ga zu einer Mischung von z. B. einem spezifischen R-B-Co-Fe-System hinzugefügt. Basierend auf X-Achsen-Beugungen für die Fälle, daß kein Co hinzugefügt wird, daß nur Co hinzugefügt wird und daß sowohl Co als auch Al hinzugefügt wird, wird für alle Fälle festgestellt, daß die Hauptsache eine Fe-reiche Phase ist. Wenn Co hinzugefügt wird, erscheinen Spitzen, die die Existenz unterschiedlicher Phasen anzeigen in der Nachbarschaft der Beugungswinkel 2 Theta′ zwischen 34° und 40°. Nach der Identifizierung der Spitzen durch EPMA und TEM wurde herausgefunden, daß die Spitzen (220) und (311) von Nd(Fe, Co)₂ kubischen Laves-Phasen des MgCu₂-Typs entsprechen. Da das Verhältnis von Fe und Co der Laves-Phase ungefähr 1 : 1 beträgt, liegt die Curie-Temperatur bei ungefähr 100°C und der Magnetismus wird bei Raumtemperatur erreicht. Da die Koerzitivkraft eines Permanentmagneten eines Selten-Erden-Eisen-Systems bestimmt wird durch die Kernbildung einer umgekehrt magnetischen Domäne wird klar, daß die magnetische Laves-Phase als Kernbildungsbereich für umgekehrt magnetische Domänen agiert.

Andererseits wenn Co und Al hinzugefügt werden, treten Spitzen für 2 Theta′ bei 34 und 40° auf, d. h. verschoben zu niedrigeren Winkelseiten. Diese Tatsache deutet darauf hin, daß die Gitterkonstanten einer Nd(Fe, Co)₂-Phase erweitert werden. Die Gitterkonstante wird nämlich von 7,3 Angström auf 7,42 Angström vergrößert. Der Atomradius eines Al-Atoms beträgt 1,43 Anström, der größer ist als der von Fe (1,26 Angström) und Co (1,25 Angström). Es ist daher bekannt, daß Al-Atome in der Laves-Phase auftreten.

Da das Al-Atom nichtmagnetisch ist, wird Nd(Fe, Co, Al)₂ nichtmagnetisch sein und da die nichtmagnetische Laves-Phase nie Kernbildungsbereich von umgekehrt magnetischen Domänen sein wird, kann die Koerzitivkraft verstärkt werden.

Die Zusammensetzung eines Permanentmagneten gemäß der vorliegenden Erfindung kann genau festgelegt werden. Es ist jedoch zu bevorzugen, eine Mischungszusammensetzung von R ungefähr 10 bis 40 Gew.-%, B ungefähr 0,1 bis 8 Gew.-%, Co ungefähr 1 bis 23 Gew.-% und Fe für den verbleibenden Rest zu nutzen. Selbst innerhalb des obengenannten Mischungsbereichs fällt es nicht in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung, wenn die nichtmagnetische Laves-Phase nicht enthalten ist.

Die Koerzitivkraft ist zu klein, wenn die R-Komponenten in einem Anteil von weniger als 10 Gew.-% aufgenommen werden und Br wird reduziert, wobei (BH)max. verkleinert wird, wenn der Anteil 40 Gew.-% oder mehr beträgt. Der Anteil von R ist vorzugsweise deshalb 25 bis 35 Gew.-%. Unter den Seltenen Erden sind Nd und Pr geeignet, um ein hohes (BH)max. zu erhalten. Es wird deshalb bevorzugt, mindestens eines der beiden Elemente Nd und Pr, vorzugsweise Nd als die R-Komponente, aufzunehmen. Das Verhältnis dieser beiden Elemente, z. B. Nd und Pr, ist vorzugsweise 70 Gew.-% oder mehr.

Falls B weniger als 0,1 Gew.-% ausmacht, wird iHc verkleinert und falls B mehr als 8 Gew.-% ausmacht, wird Br verkleinert. Der Anteil von B beeinflußt bemerkenswert die magnetischen Eigenschaften, speziell Br, so daß der Anteil vorzugsweise 0,8 bis 0,95 Gew.-% beträgt und noch vorteilhafter 0,8 bis 0,9 Gew.-%. Wenn der Anteil von B groß ist, wird die nichtmagnetische B-reiche Phase vermehrt, wodurch der Anteil der Hauptphase reduziert wird und die magnetischen Eigenschaften verschlechtert werden. Ein Teil von B kann durch C, N, Si, P, Ge usw. ersetzt werden, um die Sintereigenschaften zu verbessern. Jedoch beträgt der Anteil, der ersetzt werden kann, bis zu 80 Gew.-% des Anteils von B.

Das Element Co trägt zur Erhöhung der Curie-Temperatur bei und wirkt verbessernd auf die Temperaturcharakteristika der magnetischen Eigenschaften. Ein wirksamer Anteil von Co, der hinzugefügt wird, liegt bei 1 bis 23 Gew.-%. Um eine wirksame Anhebung der Curie-Temperatur zu erreichen, sollte Co bis zu einem gewissen Maße hinzugefügt werden, aber im Hinblick auf die magnetischen Eigenschaften sollte es nicht 23 Gew.-% überschreiten, um die Koerzitivkraft und (BH)max. nicht herabzusetzen. Das Element Co sollte soweit als möglich hinzugefügt werden, bis zu einem Maße, wo es nicht die magnetischen Eigenschaften verschlechtert. Der Anteil Co, der hinzugefügt wird, beträgt vorzugsweise 5% oder mehr und noch vorteilhafter 13 Gew.-% oder mehr.

Um die nichtmagnetische Laves-Phase herzustellen, wird z. B. Al und/oder Ga, wie vorher erwähnt, hinzugefügt. Al und Ga erniedrigen die Curie-Temperatur der Laves-Phase und verändern dieselbe in eine nichtmagnetische Phase bei Raumtemperatur und verbessern die Koerzitivkraft. Zusätze davon im Bereich von 1 bis 5 Gew.-% sind wirksam. Andere als Al und/oder Ga, Re, Os, Ag, Ir, Pt, Au, Ti, V, cu, Nb, Zn, Cr, Mn, Mo, Ru, Rh, Pd, Ta, W, usw. können hinzugefügt werden, aber ihre Gesamtmenge darf 5 Gew.-% nicht übersteigen. Unter Berücksichtigung der magnetischen Eigenschaften sind die wirksamsten Zusätze Al und/oder Ga.

Auf diese Weise hergestellte Permanentmagneten besitzen ein maximales Energieprodukt von 37 MGOe oder mehr und ihre Temperatureigenschaften sind -0,07%/deg, was dem halben Wert eines Magneten nach dem Stand der Technik entspricht. Aus diesem Grund ist der Magnetfeldgenerator besonders kompakt und stabilisiert, wenn ein Permanentmagnet darin vorgesehen ist.

Der Magnetfeldgenerator, dargestellt in Fig. 6, beinhaltet Permanentmagneten 51, elektrische Spulen 52, Polschuhe 53 und ein Joch 54 und erzeugt ein starkes gleichförmiges Magnetfeld in einem Raum zwischen den Komponenten. In Fig. 6 sind die Magnetfeldablenkspulen nicht dargestellt.

Tabelle 2 zeigt eine Vergleichsliste, in der (1) ein Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird als Permanentmagnet eines Magnetfeldgenerators, (2) zusätzlich zu dem Magnet gemäß der vorliegenden Erfindung elektrische Spulen zur Homogenisierung des Magnetfelds an dem Generator eingesetzt werden und (3) nur der konventionelle Nd-Fe-B-Magnet für den Generator benutzt wird. In allen Fällen wurde das Gewicht des Permanentmagneten, die Gleichförmigkeit des magnetischen Feldes und der Temperaturkoeffizient des räumlichen magnetischen Feldes, das notwendig war, um eine magnetische Feldstärke von 0,2 T in einem Raum von 550 mm zu erzeugen, untersucht.

Tabelle 2

Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, stellt die vorliegende Erfindung einen kompakten und leichten Magnetfeldgenerator zur Verfügung, der ausgezeichnete Temperatureigenschaften und Gleichförmigkeit besitzt. Für Polschuhe, die gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden, ist grundlegend erforderlich, daß sie eine hohe Sättigungsmagnetisierung aufweisen und weichmagnetisch sind und einen spezifischen Widerstand von 20 µOhm-cm oder mehr, vorzugsweise 150 µOhm-cm oder mehr besitzen, während die anderen Bedingungen frei gewählt werden können. So können z. B. nicht nur weiche Materialien, wie z. B. Permalloy, Siliziumstahl, amorphe magnetische Legierungen und Ferrit, sondern auch magnetische Verbundmaterialien eingesetzt werden, die magnetisches Pulver, wie Eisenpulver, und ein Bindematerial aus einem elektrischen Isolierstoff, wie Gummi und Kunstharz, umfassen. Genauer sind magnetische Verbundmaterialien zu bevorzugen, weil sie leicht mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von z. B. einigen Hundert Ohm-cm hergestellt werden können. Durch den Einsatz von Materialien mit einem derart hohen spezifischen Widerstand kann die Anstiegszeit und die Abfallzeit eines pulsierenden Magnetfeldes, das durch magnetische Ablenkspulen erzeugt wird, reduziert wird, auf z. B. 2 ms oder weniger, so daß das S/N-Verhältnis einer Abbildung im MRI verbessert werden kann und der Energieverbrauch aufgrund von Wirbelströmen reduziert werden kann.

In den Ausführungen der vorliegenden Erfindung beträgt die Anstiegszeit und die Abfallzeit entsprechend 1 ms, wenn der Magnetpulverkern Verbundmaterialien aus Eisenpulver oder Eisenlegierungspulver und Epoxyharz umfaßt und einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10³ µOhm-cm besitzt, und dieses Material für die Polschuhe eingesetzt wird.

Die Fig. 7A und 7B zeigen die Verteilungen der Linien der Magnetfeldstärke für zwei Fälle, bei einem mit unterstützenden elektrischen Spulen 52 und bei dem anderen ohne die Spulen 52.

Durch die Anordnung einer oder mehrerer elektrischer Spulen für die Homogenisierung des magnetischen Feldes in der Nachbarschaft eines Permanentmagneten kann die Gleichförmigkeit des Magnetfeldes in einem festgelegten Raumbereich weiter verbessert werden. Mit anderen Worten, kann das Gewicht des Permanentmagneten, das für dieselbe Gleichförmigkeit des Magnetfeldes notwendig ist, weiter reduziert werden.

Wie oben beschrieben, ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Zusammensetzung eines Permanentmagneten charakterisiert, und es werden Spulen hinzugefügt, wenn notwendig, um einen Magnetfeldgenerator zu schaffen, der ein starkes Magnetfeld mit einer ausgezeichneten räumlichen Gleichförmigkeit und Stabilität erzeugt.

Claims

1. Magnetfeldgenerator mit einem Permanentmagneten und Polschuhen, die magnetisch leitend mit dem Permanentmagneten verbunden sind und die einander gegenüberliegend angeordnet sind, um im Zwischenraum zwischen den Polschuhen ein magnetisches Feld zu erzeugen und die einen spezifischen Widerstand von 20 µOhm-cm oder mehr besitzen.

2. Magnetfeldgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe ein magnetisches Verbundmaterial aus magnetischem Pulver und elektrisch isolierendem Bindematerial umfassen.

3. Magnetfeldgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet eine gesinterte Legierung umfaßt, die Eisen als Hauptkomponente, ein Element der Seltenen Erden, Yttrium eingeschlossen, Kobalt und Bor einschließt, wobei der Permanentmagnet als sein Hauptteil eine starkmagnetische Fe-reiche Phase eines tetragonalen Systems, ebenso wie eine nichtmagnetische Laves-Phase einschließt und ein maximales Energieprodukt von 38 MGOe oder mehr aufweist.

4. Magnetfeldgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet R in 10 bis 40 Gew.-%, in 0,1 bis 8 Gew.-%, Co in 1 bis 23 Gew.-%, Al und/oder Ga in 0,1 bis 5 Gew.-% und Fe im wesentlichen für den verbleibenden Teil enthält.

5. Magnetfeldgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mehr als eine elektrische Spule umfaßt, die in der Nachbarschaft des Permanentmagneten zur Homogenisierung des Magnetfeldes angeordnet ist.

6. Magnetfeldgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe eine hohe Sättigungsmagnetisierung besitzen und weichmagnetisch sind.

7. Magnetfeldgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe aus zumindest einem der Materialien Permalloy, Siliziumstahl, amorphe magnetische Legierung oder Ferrit hergestellt sind.

8. Magnetfeldgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe aus einem magnetischen Verbundmaterial hergestellt sind, das ein magnetisches Pulver und ein Bindematerial aus einem elektrischen Isolierstoff umfaßt.