DE3829175A1

DE3829175A1 - Spule zur erzeugung eines homogenen magnetfeldes

Info

Publication number: DE3829175A1
Application number: DE3829175A
Authority: DE
Inventors: Michiru Fujita
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1987-08-29
Filing date: 1988-08-28
Publication date: 1989-03-16
Anticipated expiration: 2008-08-29
Also published as: JPS6458247A; US4890082A; DE3829175C2; JPH0554977B2; GB2209223B; GB2209223A; GB8820216D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes im Innenraum einer hohlen zylindrischen Spule, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Magneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes für ein Computertomogramm-Abbildinstrument (im folgenden als MRI bezeichnet) für die magnetische Kernresonanz.

Üblicherweise besteht eine Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes, verwendet bei einem MRI-Magneten aus einer Vielzahl von zylindrischen Spulen oder Ringspulen mit einem Innendurchmesser von annähernd 1 Meter, um ein Objekt, wie einen menschlichen Körper innerhalb der Spule unterzubringen. Damit man ein ausgezeichnetes Tomogramm erhält, welches zur Diagnose des Zustands eines menschlichen Körpers ausreicht, ist es erforderlich, daß man die Homogenität der Magnetfeldstärke im einen menschlichen Körper aufnehmenden Bildraum auf einem Niveau von 1×10^-6 hält. Um der notwendigen Stärke und Homogenität des Magnetfeldes Genüge zu tun, wird bzw. wurde ein Verfahren zum Aufbau einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes angegeben, bei dem Ringspulen koaxial angeordnet sind und in ihren Positionen und elektrischen Stromwerten so gewählt sind, daß die Homogenität des Magnetfeldes seinen besten Zustand erreicht. Wenn jedoch der Fluß des homogenen Magnetfeldes, erzeugt durch eine Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes mit einer solchen Konstruktion zum Außenraum hin leckt, so kann dies zu Fehlfunktionen bei elektronischen Vorrichtungen führen, die dicht zum Magnetfeld hin angeordnet sind, und daß auf den Leckfluß zurückzuführende Magnetfeld magnetisiert ferromagnetisch Substanzen nahe dem MRI und kann zu Verformungen des Magnetfeldes führen, so daß der homogene Magnetfeldraum nachteilig beeinflußt wird. Wenn die Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes alleine verwendet wird, wenn das Magnetfeld mit hoher Homogenität erzeugt wird, so ergibt sich, daß das erwartete homogene Magnetfeld nicht in der Umgebung erhalten werden kann, in der das MRI verwendet wird. Um daher die Ausbreitung von Leckflüssen zur Außenseite hin zu verhindern, wird häufig eine magnetische Abschirmung oder ein magnetischer Schild vorgesehen, um die Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes abzudecken. Das Verfahren zur Absorption von Leckflüssen unter Verwendung einer ferromagnetischen Substanz zeigt jedoch ein Problem insofern, als die Stärke der Leckflüsse höher wird mit höherer Stärke eines homogenen Magnetfeldes, und zwar insbesondere im Falle der Verwendung eines supraleitenden MRI's, wobei das Gewicht des Magnetsubstanzabschirmmaterials viel zu groß ist und das Gewicht die zulässige Deckenbelastung dort übersteigen kann, wo ein MRI anzuordnen ist. Daher wurde insbesondere zur Verminderung des Leckflusses in dem supraleitenden MRI das Verfahren zur Auslöschung des Magnetfeldes infolge von Leckflüssen unter Verwendung einer superleitenden Spule verwendet.

Dieses Verfahren verwendet keine magnetische Substanz und bietet kaum die Effekte, die sie durch die magnetischen Substanzen hervorgerufen werden, die nahe einem MRI angeordnet sind am homogenen Magnetfeldraum, so daß es leicht ist, eine Magnetfeldanalyse auszuführen, und zwar benötigt zur Konstruktion einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes. Das bedeutet, daß die Magnetfelderzeugungsspule, ausgerüstet mit einer zweiten supraleitenden Spule zum Auslöschen der Leckflüsse eine sehr effektive Spule für ein supraleitendes MRI ist, welches speziell erforderlich ist, um einen hochhomogenen Magnetfeldraum zu bilden. Dieses Verfahren gibt an, daß eine supraleitende Spule dazu dient, das Magnetfeld auszulöschen, welches aus einem homogenen Magnetfeld herausleckt, und zwar erzeugt durch eine Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes, verwendet als ein supraleitender MRI-Magnet. Im folgenden wird darauf Bezug genommen als ein supraleitender MRI-Magnet der aktiven Abschirmbauart (im folgenden einfach als die aktive Abschirmbauart bezeichnet).

Die aktive Abschirmbauart muß die folgenden beiden Erfordernisse erfüllen.

(1) Bildung eines homogenen Magnetfeldes mit einer gegebenen Homogenität innerhalb eines gegebenen Raums; und
(2) Absenkung des nach außen leckenden Magnetflusses für einen gegebenen Bereich von einem MRI, um gleich oder kleiner zu sein als ein gegebener Wert.

Ein homogenes Magnetfeld mit einer hohen Homogenität mit nur wenigen PPM's-Niveau- oder Pegelvariation ist, wie oben beschrieben, erforderlich. Die Magnetfeldstärke infolge des Leckflusses muß so klein wie 5 G (0,5 mT) oder weniger in dem Raum sein, der mit einem vorbestimmten Abstand gegenüber einem MRI angeordnet ist, und zwar im Vergleich mit der gleichförmigen Raummagnetfeldstärke von ungefähr 1 T. Die beiden tatsächlichen Erfordernisse müssen ferner unter Berücksichtigung der beiden obengenannten Bedingungen in Betracht gezogen werden.

(2) Um die Nähe oder Ängstlichkeit bei einem Patienten, der in ein MRI zum Zwecke seiner Untersuchung kommt, so weit wie möglich zu vermindern, muß die Länge einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes so kurz wie möglich sein.
(4) Der Durchmesser einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes muß so klein als möglich sein infolge einiger Einschränkungen wie der Größe eines Raums und der Höhe seiner Decke, und zwar dann, wenn ein MRI in einem nicht dafür vorgesehenen Raum angeordnet werden soll.

Um eine höhere Homogenität zu erreichen und die Magnetfeldstärke infolge Leckflusses weiter einzuschränken, müssen auch die beiden folgenden Erfordernisse bei der Konstruktion und Herstellung der Spule berücksichtigt werden.

(5) Die Konstruktionen und Bedingungseinstellungen müssen derart sein, daß eine Magnetfeldanalyse wesentlich ist zur Konstruktion einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes.
(6) Die Konstruktionen müssen derart vorgesehen sein, daß die Spule mit einer Genauigkeit hergestellt wird, die benötigt wird, um ein homogenes Magnetfeld sicherzustellen.

Die Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes selbst muß groß genug sein, um einen gegebenen homogenen Raum sicherzustellen. Da ein MRI etwas beschränkt in seiner Größe ist, um in einem bestimmten Raum eines Zimmers untergebracht zu werden, ergibt sich, daß je kleiner die Vorrichtung ist, umso universeller und weniger teuerer die Anwendung sich herausstellt. Je kleiner die Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes ist, umso mehr ist dies vorzusehen, um einen großen homogenen Raum sicherzustellen. Jedoch muß eine minimale externe Außendurchmessergröße einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes vorgesehen sein, von beispielsweise 1 Meter oder dgl., da der menschliche Körper in die Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes einbringbar sein muß, wobei eine Vielzahl von Spulen, wie beispielsweise eine Hochfrequenzspule und eine sogenannte "grade" oder Markierungsspule außerhalb des menschlichen Körpers angeordnet sind, und insbesondere im Falle eines supraleitenden Magneten muß die Spule in einem Cryostat untergebracht sein, was zulässigen Raum für die thermische Isolation erforderlich macht. Andererseits ist die Größe des homogenen Magnetfeldraumes relevant hinsichtlich der Größe eines menschlichen Körpers. Üblicherweise wird eine Kugel oder Sphäre mit ungefähr 40 cm als homogener Magnetfeldraum gefordert. Ferner ist im Falle eines supraleitenden Magneten das erzeugte Magnetfeld 0,5 T bis 2 T, was zehnmal so groß ist wie ungefähr 0,1 T beim normalleitenden Magneten, so daß die erforderliche Homogenität mehrere PPM's beträgt, was eine Ziffer höher liegt als das für den normalen Magneten erforderliche.

Die Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes, vorgesehen in der Weise, daß der größere homogene Raum mit höherer Homogenität gebildet wird, kann durch Erhöhung der Anzahl der die Spule bildenden Spulenringe aufgebaut werden. Wenn jedoch die Konstruktion verwendet wird, wo die Homogenität entsprechend der erhöhten Anzahl von Spulenringen sichergestellt wird, so wird die Axiallänge erhöht, so daß der Patient, wie oben erwähnt, mehr Umschließung fühlt und auch die Herstellung eines MRI-Magneten wegen der erhöhten Anzahl von Spulenringen mehr kostet. Darüber hinaus muß bei Erhöhung der Axiallänge die Ampere-Windungszahl erhöht werden, um die gleiche Magnetfeldstärke wie zuvor sicherzustellen. Da die Erhöhung der Spulenringe eine Erhöhung des Materialverbrauchs und auch der Kapazität einer Gleichstromleistungsquelle mit sich bringt, ergeben sich insgesamt ein erhöhtes Gewicht und erhöhte Kosten. Es ist daher nicht besser, die Anzahl der Spulenringe unmäßig zu erhöhen, selbst wenn dies eine überlegene Homogenität zur Folge hat.

Der Magnet der aktiven Schirm- oder Schildbauart wurde bereits in der japanischen Offenlegungschrift No. 60-98 344 mit dem Titel "Nuklearmagnetresonanzvorrichtung", der US-PS 45 87 504 mit dem Titel "Magnetanordnung zur Verwendung in einer NMR-Vorrichtung" und in der japanischen Offenlegungsschrift No. 60-2 17 608 mit dem Titel "Homogene Magnetfeldspule" beschrieben. Diese Veröffentlichungen beschreiben jedoch nicht das Konstruktionsoptimum für eine Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes von einem umfassenden Blick aus gesehen, wie dies oben getan wurde.

Wie erwähnt, wurden verschiedene Vorschläge hinsichtlich eines supraleitenden MRI-Magneten der aktiven Schildbauart gemacht, keiner der Vorschläge ist aber von optimalem Aufbau, gesehen von einem umfassenden Gesichtspunkt aus. Wenn daher in der Praxis eine Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes konstruierend hergestellt wird, so wird diese Spule größer und teuerer sein als dies von einer optimalen Konstruktion verlangt werden kann. Ferner hat die aktive Schildbauart einen Nachteil insofern, als der Patient ein größeres Maß an Engigkeit empfinden kann, da die Gesamtaxiallänge der Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes wegen der Außenseitenspule weiter vergrößert ist.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Spule vorzusehen, um ein homogenes Magnetfeld zu erzeugen, wie für ein supraleitendes Computertomogramm-Abbildinstrument (MRI) der aktiven Schildbauart, wobei eine höhere Homogenität eines Magnetfeldes in einem größeren Raum vorgesehen wird, die Stärke des magnetischen Leckfeldes an einem gegebenen Abstand gegenüber einem MRI-Magneten reduziert wird und eine kleinere Axiallänge vorhanden ist, um den größten Faktor der Dichtigkeit oder Nähe gegenüber einem Patienten zu vermindern.

Um diesen Zweck zu erreichen, sieht die Erfindung eine Spule vor zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes, und zwar unter Verwendung von folgendem: eine erste Spuleneinheit mit mindestens einer Spule bezüglich einer gemeinsamen Symmetrieachse und einer Symmetrieebene, angeordnet senkrecht zur Symmetrieachse, und eine zweite Spuleneinheit mit mindestens einer Spule, symmetrisch bezüglich der Symmetrieachse und der Symmetrieebene, wobei ein minimaler Innendurchmesser der die zweite Spuleneinheit bildenden Spule größer ist als ein maximaler Außendurchmesser der die erste Spuleneinheit bildende Spule und wobei ferner folgendes vorgesehen ist:

Die erste Spuleneinheit besteht aus drei Paaren von Spulen; die zweite Spuleneinheit besteht aus zwei Paaren von Spulen; das magnetische Moment der ersten Spuleneinheit ist identisch in seiner Größe und umgekehrt in seiner Richtung zu demjenigen der zweiten Spuleneinheit; und
die erste Spuleneinheit reduziert auf Null die Koeffizienten von Ausdrücken des zweiten bis zehnten Grades der Taylor-Reihe(n), entwickelt bezüglich Axialkoordinatenvariablen der Verteilung der Magnetfelder an der Symmetrieachse, erzeugt durch die erste Spuleneinheit und die zweite Spuleneinheit.

Die Axiallänge der zweiten Spuleneinheit kann im wesentlichen gleich derjenigen der ersten Spuleneinheit sein.

Die axiale Außenlänge der zweiten Spuleneinheit kann kleiner sein als die der ersten Spuleneinheit.

Drei Paare von Spulen, die die erste Spuleneinheit bilden, können die gleichen Innendurchmesser besitzen und zwei Paare von Spulen, die die zweite Spuleneinheit bilden, können die gleichen Innendurchmesser aufweisen.

Die zweite Spuleneinheit kann auf Null die Koeffizienten von Ausdrücken oder Termen des zweiten bis sechsten Grades der Taylor-Reihen reduzieren, und zwar entwickelt oder expandiert bezüglich der Axialkoordinatenvariablen der Verteilung der Magnetfelder auf der Symmetrieachse, erzeugt allein durch die zweite Spuleneinheit, wobei die axiale Außenlänge der zweiten Spuleneinheit kleiner sein kann als die der ersten Spuleneinheit und die drei Paare von Spulen, welche die erste Spuleneinheit bilden, können die gleichen Innendurchmesser besitzen und die zwei Paare von Spulen, welche die zweite Spuleneinheit bilden, können ebenfalls die gleichen Innendurchmesser aufweisen.

Die zweite Spuleneinheit darf nicht auf Null reduzieren die Koeffizienten der Ausdrücke des zweiten bis sechsten Grades der Taylor-Reihe, entwickelt bezüglich der Axialkoordinatenvariablen der Verteilung der Magnetfelder auf der Symmetrieachse, erzeugt allein durch die zweite Spuleneinheit, wobei die Axialaußenlänge der zweiten Spuleneinheit kleiner sein kann als die der ersten Spuleneinheit, und wobei ferner drei Paare von Spulen die erste Spuleneinheit bilden, die gleichen Innendurchmesser aufweisen können und wobei die zwei Paare von Spulen, die die zweite Spuleneinheit bilden, ebenfalls die gleichen Innendurchmesser besitzen können.

Die erste Spuleneinheit kann elektrisch in Serie mit der zweiten Spuleneinheit geschaltet sein.

Die drei Paare von Spulen, die die erste Spuleneinheit bilden und die zwei Paare von Spulen, die die zweite Spuleneinheit bilden, können jeweils elektrisch in Serie geschaltet sein.

Die drei Paare von Spulen, welche die erste Spuleneinheit bilden und die zwei Paare von Spulen, welche die zweite Spuleneinheit bilden, können jeweils elektrisch parallel geschaltet sein.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht, die die Konstruktion eines Ausführungsbeispiels einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes gemäß der Erfindung darstellt;

Fig. 2 eine Teilschnittansicht des Aufbaus eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes; und

Fig. 3 eine charakteristische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Axiallänge L₂ einer zweiten Spule, einer Axiallänge L₁ und einer Summe der Ampere-Windungen beider Spulen darstellt.

Im folgenden sei die Erfindung auf der Grundlage der Ausführungsbeispiele erläutert.

Fig. 1 ist ein Teilschnitt zur Erläuterung eines Aufbaus einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes gemäß der Erfindung. Eine erste Spuleneinheit 1 weist Spulen 11, 12 und 13 auf. Eine zweite Spuleneinheit 2 umfaßt Spulen 21 und 22. Die Spulen 11, 12 und 13 sind jeweils auf einen Kern oder Spulenkörper 3 gewickelt und die Spulen 21 und 22 sind jeweils auf einen Kern oder Spulenkörper 4 gewickelt. Fig. 1 zeigt nur einen oberen rechten halben Abschnitt einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds. Die Spulen 11, 12, 13, 21 und 22 haben eine Drehsymmetrieachse 5. Auch die Spulenkörper 3 und 4 sind Zylinder mit Drehsymmetrieachse 5. Ferner sind diese Spulen und Zylinder symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene 6, so daß nicht gezeigte symmetrische Spulen und Spulenkörper auf der linken Seite der Symmetrieebene 6 in der gleichen Weise wie die in Fig. 1 gezeigten Spulen und Spulenkörper angeordnet sind. Das heißt, in Fig. 1 sind nur die Hälften von Paaren der gezeigten Spulen dargestellt.

Die Spulen 11, 12 und 13 bilden die erste Spuleneinheit 1 und die Spulen 21 und 22 bilden die zweite Spuleneinheit 2 und sie können elektrisch jeweils in Serie oder parallel geschaltet sein, oder aber sie können auch mit gesonderten Leistungsquellen in Verbindung stehen. Wenn die Spulen 11, 12 und 13 und die Spulen 21 und 22 elektrisch in Serie oder parallel geschaltet sind, so kann die erste Spuleneinheit 1 elektrisch mit der zweiten Spuleneinheit 2 in Serie verbunden sein.

Ein elektrischer Strom fließt durch alle Spulen, welche die erste Spuleneinheit 1 bilden, was diejenige auf der linken Seite der nicht-gezeigten Symmetrieachse umfaßt, und zwar erfolgt der Stromfluß in einer Richtung. In gleicher Weise fließt ein elektrischer Strom durch sämtliche die zweite Spuleneinheit 2 bildenden Spulen in der entgegengesetzten Richtung zu der Richtung des Stromflusses der Spuleneinheit 1. Ferner sind die Spulen symmetrisch bezüglich der Drehsymmetrieachse 5 und auch der Symmetrieebene 6 vorgesehen. Das bedeutet, daß die durch diese Spulen erzeugten Magnetfelder symmetrisch bezüglich der Symmetrieachse 5 und der Symmetrieebene 6 sind.

Die Axiallänge einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes wird bestimmt durch einen größeren Wert der beiden Axiallängen der ersten Spuleneinheit 1 und der zweiten Spuleneinheit 2. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Axiallängen beider Spuleneinheiten im wesentlichen gleich miteinander sind. Das heißt, der Abstand zwischen der Symmetrieebene 6 und der äußeren Seitenebene der Spule 11 wird als Axiallänge L₁ der ersten Spuleneinheit 1 angenommen und der Abstand zwischen der Symmetrieebene 6 und der Außenseitenebene der Spule 21 wird als die Axiallänge L₂ der zweiten Spuleneinheit 2 angenommen. In Fig. 1 sind diese Werte L₁ und L₂ im wesentlichen die gleichen bezüglich einander. Die erste Spuleneinheit 1 und die zweite Spuleneinheit 2 haben das identische magnetische Moment im Bereich möglicher Genauigkeit, gegeben durch numerische Berechnungen bei deren Konstruktion. Das magnetische Moment kann leicht unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden.

Berücksichtigt man eine kreisförmige Spule, bestehend aus einem Leiter, dessen Querschnitt recht klein ist, so wird das magnetische Moment dieser Spule durch ein Produkt, repräsentiert aus einer vom Leiter umschlossenen Kreisfläche und einem durch den Leiter fließenden Strom. Es gilt folgendes:

m =si (1)

Dabei ist

m : magnetisches Moment dieser Spule
s : Kreisfläche, umschlossen durch diesen Spulenleiter (angenommen wird ein Radius eines Kreises mit r, so daß s =π · r ² gegeben ist)
i = der durch den Leiter fließende Strom.

Nimmt man das magnetische Moment der ersten Spuleneinheit 1 mit M₁ an, so erhält man M₁ durch Kumulation der Gleichung (1) für jeden supraleitenden Draht bezüglich der diese erste Spuleneinheit 1 bildenden Spule. Das heißt, es gilt:

Dabei ist

μ₀: Permeabilität im Vakuum (4×10⁷)
C₁: Anzahl der Paare von Spulen, welche die erste Spuleneinheit 1 bilden (das bedeutet in diesem Ausführungsbeispiel 3)
N₁: Anzahl der Windungen der N-ten Spule
rNj : Radiusposition des supraleitenden Drahtes
I₁: Stromwert des supraleitenden Drahtes der ersten Spuleneinheit.

Das magnetische Moment M₂ kann dadurch erhalten werden, daß man den Index von 1 auf 2 in der oben genannten Gleichung abändert. Die Stromrichtung ist entgegengesetzt zu der in der Spuleneinheit 1. Wenn somit das magnetische Moment der ersten Spuleneinheit 1 positiv gehalten wird, so wird das der zweiten Spuleneinheit 2 negativ gehalten. Die Beziehung des magnetischen Moments zwischen beiden Spuleneinheiten wird so vorgesehen, daß es die folgende Gleichung unter Verwendung von M₁ und M₂ genügt.

M₁+M₂=0 (3)

Die Magnetflußdichte B _ir des Magnetfeldes erzeugt an der Stelle ziemlich weitweg von diesen Spuleneinheiten durch die erste Spuleneinheit 1 wird annähernd durch die folgende Gleichung repräsentiert:

Dabei ist:

r : Abstand von der Mitte der Spule
a _1e: Äquivalenzradius der ersten Spuleneinheit
K₃, K₅: Koeffizient eines Ausdruckes jeden Grades in der Reihenentwicklung (unabhängig vom Äquivalentradius a _1e)

Wie man aus dieser Gleichung erkennt, wird dann, wenn das Magnetfeld durch eine Spule erzeugt wird, die Stärke des aus der Spule herausleckenden Magnetflusses in umgekehrter Proportion zur dritten Potenz eines Abstandes von der Mitte der Spule reduziert. Im Falle eines supraleitenden MRI-Magneten mit ungefähr 1 m Durchmesser und 1 T Magnetflußdichte, erzeugt an der Mitte, wird nicht erwartet, das Leckmagnetfeld auf ein Niveau zu dämpfen, daß es nicht einen Raum beeinflußt, der mit mehreren Metern Abstand vom MRI-Instrument oder der Vorrichtung des MRI mit Ausnahme seines Magneten angeordnet ist. Das bedeutet, daß es notwendig ist, eine zweite Spuleneinheit der aktiven Schirm- oder Schildbauart vorzusehen.

Wie bei der ersten Spuleneinheit 1 wird die Magnetflußdichte B _2r der zweiten Spuleneinheit durch die folgende Gleichung repräsentiert:

Die durch diese beiden Spuleneinheiten erzeugten Magnetfelder werden durch eine Summe der oben genannten Gleichungen (4) und (5) repräsentiert, was die folgende Gleichung ergibt:

Die Gleichung (6) wird durch Einsetzen der Gleichung (3) in diese Gleichung, wie folgt verändert:

Das heißt, wenn das magnetische Moment der ersten Spuleneinheit 1 den gleichen Wert hat wie und richtungsmäßig entgegengesetzt ist zur zweiten Spuleneinheit, so wird die Magnetfeldstärke infolge Leckflusses vermindert, und zwar wird die Komponente reduziert umgekehrt proportional zu einer dritten Potenz eines Abstands von der Mitte der Spule Null und die Komponente, reduziert in umgekehrter Proportion zur fünften Potenz des Abstandes, verbleibt als Hauptsubstanz. Somit wird, wenn der Abstand gegenüber der Spulenmitte ansteigt, das magnetische Leckfeld abrupt reduziert. Nimmt man beispielsweise den Radius der ersten Spuleneinheit 1 mit 0,5 m an, den Radius der zweiten Spuleneinheit 2 mit 0,7 m und die Magnetflußdichte eines homogenen Magnetfeldes in der Mitte der Spule, erzeugt durch diese beiden Spuleneinheiten, mit 1 T, so beträgt die Magnetflußdichte des magnetischen Leckfeldes, angeordnet mit einem 3-m-Abstand gegenüber der Mitte der Spule ungefähr 1,3 G und der deutliche Reduktionseffekt wird realisiert. Wenn ein homogenes Magnetfeld von 1 T in der Mitte der Spule durch die erste Spuleneinheit allein erzeugt wird, so beträgt die Magnetflußdichte des magnetischen Leckfeldes an einem 3-m-Abstand gegenüber der Spulenmitte ungefähr 50 G, weil das größer ist als der zulässige Wert der Leckmagnetfeldstärke, d. h. 5 G.

Wenn, wie oben beschrieben, die magnetischen Momente der beiden Spuleneinheiten den gleichen Wert besitzen und in entgegengesetzter Richtung zueinander verlaufen, so kann die Stärke des magnetischen Leckfeldes gelöscht werden. Das magnetische Moment kann leicht dadurch berechnet werden, daß man die Zahl und Größe der jede Spuleneinheit bildenden Spulen derart einstellt, daß im Prozeß der Konstruktion einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes die Berechnung erfolgt, daß der Bedingung Genüge getan wird, daß das magnetische Moment einer Spuleneinheit identisch zum magnetischen Moment der anderen Spuleneinheit ist. Somit wird eine effiziente Konstruktionsberechnung ermöglicht.

Fig. 2 zeigt eine Konstruktion einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes mit einer zweiten Spuleneinheit 2, bestehend aus zwei Paaren von Spulen und zum Halten optimaler Homogenität durch sich selbst. Die optimale Konstruktion ist durch die Lage und die Ampere-Windungszahl der zwei Paare von Spulen bestimmt. Wie Fig. 1 ist auch Fig. 2 ein Teilschnitt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist eine zweite Spuleneinheit 2 Spulen 21 A und 22 A auf. Die Außenspule 21 A ist außerhalb der äußersten Spule 11 A der ersten Spuleneinheit einschließlich Spulen 11 A, 12 A und 13 A angeordnet. Das bedeutet, daß die Axiallänge L₂ der zweiten Spuleneinheit 2 A größer ist als die Axiallänge L₁ der ersten Spuleneinheit 1 A, so daß die Axiallänge L der Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes durch L₂ definiert ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die Spule 21 dichter zur Symmetrieebene 6 aus der optimalen Zustandsposition gemäß Fig. 2 heraus positioniert, d. h. der Position der Spule 21 A. Somit genügt die zweite in Fig. 1 gezeigte Spuleneinheit 2 für sich selbst nicht der Optimalbedingung der Homogenität. Die Optimalbedingung gestattet die Reduktion der Koeffizienten der Ausdrücke bis zur sechsten Ordnung in der Taylor'schen Reihe(n), vorgesehen durch Entwicklung der Magnetfeldstärkenverteilung auf der Symmetrieachse 5 auf Null. Da aber die Spule 21 außerhalb der Optimalbedingungsposition angeordnet ist, besitzen die Koeffizienten der Ausdrücke der zweiten, vierten und sechsten Ordnung Werte mit Ausnahme von Null in dem durch die zweite Spuleneinheit 2 erzeugten Magnetfeld. Da jedoch die zweite Spuleneinheit 2 wesentlich näher an der Optimalbedingungsposition angeordnet ist, was noch beschrieben wird, haben die Koeffizienten der Ausdrücke dieser Ordnung nicht so große Werte, die Null sein sollten, wenn die Spuleneinheit 2 an der Optimalbedingungsposition angeordnet ist.

In Fig. 2 hat die erste Spuleneinheit 1 A jede Spule etwas außerhalb des Optimalzustandes angeordnet, und zwar für sich selbst. Eine der Gründe ist der folgende. Selbst, wenn die zweite Spuleneinheit 2 A an der Optimalbedingungsposition angeordnet ist, weist die Stärkenverteilung auf der Symmetrieachse eines Magnetfeldes, hervorgerufen durch die zweite Spuleneinheit 2 A, die Koeffizienten von Ausdrücken höher als der achten Ordnung auf, die nicht auf Null reduziert werden können. Diese Komponenten höherer Ordnung dienen zur Verformung eines homogenen Magnetfeldes. Andererseits kann die drei Paare von Spulen aufweisende erste Spuleneinheit 1 A die Koeffizienten von Ausdrücken bis zur zehnten Ordnung auf Null reduzieren, so daß die Größe und die Ampere-Windungen eingestellt werden, um die Koeffizienten von Ausdrücken der zweiten bis zehnten Ordnung auf Null in der Stärkenverteilung des durch die zweite Spuleneinheit 2 A erzeugten Magnetfeldes zu reduzieren. Demgemäß sind die Spulen 11 A, 12 A und 13 A der ersten Spuleneinheit außerhalb der Optimalbedingungsposition angeordnet, und zwar definiert für eine einzige Spuleneinheit einschließlich drei Paaren von Spulen, um so sämtliche Koeffizienten von Ausdrücken höherer Ordnung der Stärkeverteilung eines Magnetfeldes, erzeugt durch die zweite Spuleneinheit 2 A auf Null zu reduzieren.

Ferner ist in der Spulenkonfiguration gemäß Fig. 1 die zweite Spuleneinheit 2 auch außerhalb der optimalen Bedingungsposition, definiert für eine einzige Spuleneinheit angeordnet, so daß sämtliche Koeffizienten von Ausdrücken der Taylor-Reihe, vorgesehen bezüglich der zweiten Spuleneinheit 2 auf Null bis zur zehnten Ordnung reduziert werden, und zwar durch die erste Spuleneinheit 1. Infolgedessen ist zu verstehen, daß die erste Spuleneinheit 1 weiter nach außen gegenüber der optimalen Bedingungsposition, definiert für eine einzige Spuleneinheit, angeordnet ist als im in Fig. 2 gezeigten Falle.

Wie die zweite Spuleneinheit an der Optimalbedingungsposition angeordnet werden kann und die Axiallänge L₂ der zweiten Spuleneinheit mit der Axiallänge L₁ der ersten Spuleneinheit zusammenfallend vorgesehen werden kann, wird wie folgt erreicht. Zuerst wird die zweite Spuleneinheit 2 allein an der Optimalbedingungsposition angeordnet und sodann wird die erste Spuleneinheit 1 eingestellt, um die Koeffizienten der Ausdrücke des zweiten bis zehnten Grades der Taylor-Reihe zu reduzieren, und zwar bezüglich der Magnetfelder, erzeugt durch diese ersten und zweiten Spuleneinheiten 1 und 2. Unter dieser Bedingung besitzt wie die in Fig. 2 gezeigte Konstruktion die Axiallänge L′₂ der zweiten Spuleneinheit 2 einen größeren Wert als die Axiallänge L′₁ der ersten Spuleneinheit. Als nächstes wird die Axiallänge L′₂ auf einen etwas kleineren Wert als die Axiallänge L′₁ eingestellt und der Optimalzustand wird gefunden, wobei wiederum die Länge der ersten Spuleneinheit derart berechnet wird, daß der Zustand gefunden wird, bei dem die Koeffizienten der Ausdrücke zweiten bis zehnten Grades bezüglich des Magnetfeldes, welches die zweite Spule abdeckt, auf Null reduziert werden. Als ein Resultat ist die Differenz zwischen den Axiallängen L′₁ und L′₂ kleiner als die zuvor berechnete Differenz. Durch Wiederholung einer solchen Berechnung zweimal oder dreimal findet man den Zustand, bei dem die Axiallänge L₁ und L₂ im wesentlichen miteinander zusammenfallen, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Da die Differenz zwischen diesen Axiallängen L₁ und L₂ nicht so sehr mit der Homogenität eines Magnetfeldes in Verbindung steht, wird eine hohe Genauigkeitskoinzidenz nicht benötigt. Ferner stellt das Resultat der Berechnung fest, daß die Axiallänge L₁ kleiner ist, wenn die Axiallänge L₂ einen Wert kleiner als die Axiallänge L₁ besitzt. Das bedeutet, daß es besser ist, die Axiallänge L₂ auf einen kleineren Wert als die Axiallänge L₁ einzustellen, um die Axiallänge L einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes zu minimieren.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der optimalen Axiallänge L₂ der zweiten Spuleneinheit und der optimalen Axiallänge der ersten Spuleneinheit L₁ und zwischen L₂ und einer Summe von Absolutwerten von Ampere-Windungen der ersten und zweiten Spuleneinheiten zur Erzeugung einer gegebenen gleichförmigen Magnetfeldstärke. In Fig. 3 wird L₂ geändert, während der Optimalzustand der Spuleneinheit einschließlich zwei Paaren von Spulen aufrechterhalten wird, d. h. wenn auf Null reduziert werden, die Koeffizienten der Ausdrücke zweiter, vierter und sechster Ordnung bezüglich der Verteilung der Magnetfeldstärke auf der Symmetrieachse, erzeugt durch die zweite Einheit, so ändert sich die optimale Axiallänge L₁ der ersten Spuleneinheit, nämlich die Axiallänge zur Verminderung auf Null der Koeffizienten der Ausdrücke bis zum zehnten Grad bezüglich der Stärkeverteilung der Magnetfelder, erzeugt durch die ersten und zweiten Spuleneinheiten, entsprechend L₂. Die Summe der Ampere-Windungen ändert sich auch mit L₂. Die in Fig. 2 gezeigte Spulenkonstruktion bedeutet L₂=688 mm in Fig. 3. Mit der Abnahme von L₂ nimmt L₁, wie in Fig. 3 gezeigt, ab. Die Variation von L₁ ist jedoch klein und L₁ und L₂ fallen miteinander zusammen, wenn L₁ etwas kleiner ist als 660 mm. Mit weiterer Abnahme von L₂ wird L₁ größer als L₂. Die in Fig. 1 gezeigte Spulenkonstruktion bedeutet das Beispiel, wo die zweite Spuleneinheit den optimalen Zustand nicht durch sich selbst erreicht und L₁=L₂=660 mm geboten werden.

Wie in Fig. 3 gezeigt, wird, wenn die Axiallänge L₂ kleiner gemacht wird, die Summe der Absolutwerte der Ampere-Windungen der ersten und zweiten Spuleneinheiten vergrößert. Es ist somit besser, die Axiallänge L₂ nicht zu viel von einem wirtschaftlichen Gesichtspunkt aus gesehen zu verkleinern, da ein supraleitender Draht mehr erforderlich ist, wenn L₂ zu klein ist. Von einem allgemeinen Gesichtspunkt aus ist es am besten, die erste Spuleneinheit im wesentlichen mit der zweiten Spuleneinheit bezüglich der Axiallänge zusammenfallend zu machen.

Selbst wenn die zweite Spuleneinheit für sich nicht den optimalen Zustand an Homogenität erreicht, unterstützt die erste Spuleneinheit bei der Sicherstellung der optimalen Homogenität. Auf Diese Weise ist die Anzahl der Paare von Spulen, welche die erste Spuleneinheit bilden, ein wichtiger Faktor für die Befriedigung des Erfordernisses der Homogenität für die Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes. Der homogene Raum, erforderlich für die Unterbringung eines menschlichen Körpers ist eine Sphäre mit einem Durchmesser von 40 cm. Der Außendurchmesser der Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes besitzt einen minimalen zulässigen Wert von 1 m oder dergleichen und die erforderliche Homogenität ist bei der PPM-Einheit nivelliert. Infolgedessen ist die Homogenität erreicht durch eine aus zwei Paaren von Spulen gebildete erste Spuleneinheit höchstens mehrere zehner PPM. Somit sollte die Zahl von Spulenpaaren, welche die Spuleneinheit bilden, mehr als zwei sein, d. h. drei, wobei hier eine Homogenität mit mehreren PPM's geboten wird, wodurch der gegebene Optimalzustand erreicht wird. Vier Paare von Spulen dienen zur Verbesserung der Homogenität. Im Hinblick auf die Genauigkeit der Herstellung ist es schwer und nicht notwendig, die vier Paare von Spulen zu realisieren. Die Vierpaar-Konstruktion ist hinsichtlich der Qualität exzessiv. Zusammenfassend ergibt sich, daß der supraleitende MRI-Magnet der aktiven Schirmbauart, dessen Ziel ein menschlicher Körper ist, drei Paare von Spulen für den Aufbau der ersten Spuleneinheit, d. h. sechs Spulen, aufweisen.

Die Konstruktion der zweiten Spuleneinheit kann freier ausgewählt werden als die der ersten Spuleneinheit. Es ist möglich, die zweite Spuleneinheit mit einer Spule aufzubauen und diese recht dicht zur Symmetrieebene anzuordnen. Selbst bei dieser Konstruktion können die Koeffizienten von Ausdrücken bis zur zehnten Ordnung auf Null reduziert werden durch die ordnungsgemäße Anordnung der drei Paare von Spulen, die die erste Spuleneinheit bilden. In diesem Falle werden die nicht notwendigen Magnetfeldkomponenten der zweiten Spuleneinheit, ausgelöscht durch Verteilung einer großen Ampere-Windung an die Spulen, angeordnet nahe der Symmetrieebene 6, ausgewählt unter den Spulen der ersten Spuleneinheit. Somit löscht jede Spuleneinheit in starker Weise jedes Magnetfeld aus, das einen Nachteil hinsichtlich der effektiven Ausnutzung der Ampere-Windungen bringen kann. Demgemäß tritt ein gewisser Nachteil insofern auf, als eine größere Ampere-Windung erforderlich ist, um eine gegebene Stärke eines homogenen Magnetfeldes sicherzustellen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es möglich, die Ampere-Windung weit zu verteilen, um so eine Spule mit der Axiallänge der ersten Spuleneinheit in Übereinstimmung zu bringen. Es ist jedoch schwer, eine supraleitende Leitung zu befestigen, die weit auf den Spulenkörper entlang der Axiallänge gewickelt ist und somit ist dies in der Praxis kein effektives Verfahren.

Selbst wenn die zweite Spuleneinheit aus zwei Spulen (einem Paar) zusammengesetzt ist, tritt das im Falle einer Spule vorgesehene Problem auf. Zusammenfassend kann man, wie in Fig. 1 gezeigt, sagen, daß im allgemeinen die beste Konstruktion darin besteht, daß die zweite Spuleneinheit aus vier Spulen aufgebaut ist, d. h. zwei Paaren. Wie oben beschrieben, wenn die zweite Spuleneinheit aus zwei Paaren aufgebaut ist, ist es möglich, die Axiallänge und Ampere-Windungsverteilung im wesentlichen optimal zu machen und man kann somit die optimale Größe und Ampere-Windungsverteilung der ersten Spuleneinheit akzeptieren. Ferner wird die Größe der Ampere-Windung zweckmäßig zur Sicherstellung einer gegebenen homogenen Magnetfeldstärke. Wenn die Spule zur Erzeugung einer homogenen Magnetfeldkonstruktion, verwendet in einem supraleitenden MRI-Magneten der aktiven Schirmbauart verwendet wird, so ist die optimale Konstruktion die Kombination von drei Paaren von Spulen zur Bildung einer ersten Spuleneinheit, angeordnet innerhalb und zwei Paaren von Spulen zur Bildung einer zweiten Spuleneinheit, angeordnet außerhalb. Darüber hinaus legt der allgemeine optimale Zustand einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes die Größen und Ampere-Windungen beider Spuleneinheiten fest, um die Axiallänge der zweiten Spuleneinheit der Axiallänge der ersten Spuleneinheit anzupassen.

Die Radiallängen der entsprechenden diese Spuleneinheiten bildenden Spulen sollten so nah wie möglich zueinander liegen, da diese Spuleneinheiten in einem dafür gemeinsamen Cryotoron (Kältebehälter) angeordnet sind. Die Differenz der Radien zwischen der ersten Spuleneinheit und der zweiten Spuleneinheit dient jedoch zur Löschung externer Magnetfelder. Zudem wird dann, wenn die Differenz kleiner gemacht wird, der Löscheffekt an den Magnetfeldern größer und somit ist eine große Ampere-Windung erforderlich, um eine homogene Magnetfeldstärke sicherzustellen. Infolgedessen ist es vorteilhaft, den Radius der zweiten Spuleneinheit so weit wie möglich in dem zulässigen Bereich der Spule zu vergrößern, um ein homogenes Magnetfeld zu erzeugen. Das bedeutet, daß der Radius der zweiten Spuleneinheit richtig ausgewählt werden muß. Ferner ist es vorzuziehen, daß jede Spule, die jede Spuleneinheit bildet, den gleichen Radius bei jeder Spuleneinheit besitzt.

Die zweite Spuleneinheit muß nicht das optimale homogene Magnetfeld erzeugen und liegt in einem weit zulässigen Bereich der Konstruktion der Größe. Es ist somit leicht, die Spulen miteinander in ihrem Radius zusammenfallend zu machen. Insbesondere ist die Bildung ähnlicher Innendurchmesser vorteilhaft hinsichtlich Größengenauigkeit und mechanischer Festigkeit, da die Spulen auf dem gleichen Spulenkörper vorgesehen sind.

Die erste Spuleneinheit muß die Homogenität sicherstellen, und zwar auf Grund der Größe der die Spuleneinheit bildenden Spulen und der Verteilung der Ampere-Windungen, da sie als eine Spule dienen muß zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes.

Der Schlüsselpunkt ist somit die Sicherstellung des zulässigen Bereichs der Radiusgröße. Fünf Variable können variiert werden, um die Koeffizienten der Ausdrücke bis zur zehnten Ordnung der Magnetfeldstärkenverteilung auf Null zu reduzieren. In Fig. 1 ist es möglich, die Ampere-Windungen der Spulen 11 und 12 als Variable anzunehmen, und zwar bezüglich der Verhältnisse zur Ampere-Windungszahl der Spulen 11, 12 und 13 als Variable. Somit sind die Innendurchmesser der entsprechenden Spulen, welche die erste Spuleneinheit bilden, in ähnlicher Weise eingestellt durch Berechnung des Optimalzustandes mit diesen fünf Varianten, angenommen als Unbekannte.

Darüber hinaus ist es möglich, die Koeffizienten der Ausdrücke wegzulassen, bis zum zehnten Grade mit der Ampere-Windung und Axialposition jeder Spule, welche die erste Spuleneinheit bildet, angenommen als Variable. In Wirklichkeit ist die Ampere-Windung jeder Spule ein Produkt des durch eine supraleitende Leitung fließenden Stroms und der Anzahl der Windungen, die eine ganze Zahl sein muß. Wenn ferner Windungen der Axialrichtung und der Radialen (Richtung) zugeordnet werden, wird eine supraleitende Leitung in rechteckigem Querschnitt derart angeordnet, daß ein Produkt aus der Anzahl beider Windungen in der Radialrichtung und in der Axialrichtung identisch zur Anzahl der Windungen der Spule ist und sodann wird der supraleitende Draht, aufgewickelt in Axialrichtung, in Radialrichtung aufgehäuft. Es ist somit unvermeidbar, daß die Zahl der Windungen einer Spule ein ganzes Vielfaches der Anzahl der in Axialrichtung zugewiesenen Wicklungen ist. Diese Einschränkung in Beziehung stehend mit der Zahl der Windungen jeder Spule ist ein Hindernis zur Anwendung der Optimalbedingung der ersten Spuleneinheit, erhalten durch das oben erwähnte Verfahren bei einer tatsächlichen, ein homogenes Magnetfeld erzeugenden Spule ohne jede Änderung.

Nachdem die Anzahl der Wicklungen für jede Spule eingestellt ist, um näher an den Optimalzustand heranzukommen, und zwar erhalten aus der Ampere-Wicklung jeder Spule, angenommen als eine kontinuierliche Größe und für die Anlage an jede Spule, werden die Axialposition der fünf Paare von Spulen in der ersten Spuleneinheit und der zweiten Spuleneinheit als Variable eingestellt und sodann wird der Zustand für die Reduzierung der Koeffizienten von Ausdrücken bis zur zehnten Ordnung auf Null neu gesucht. In diesem Falle muß die Anzahl der Unbekannten erforderlich zur Reduzierung der Koeffizienten von Ausdrücken bis zur zehnten Ordnung auf Null fünf sein, wie oben beschrieben. Die Tatsache, daß die Anzahl von Paaren von Spulen, enthalten in einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes identisch zur oben festgestellten Zahl ist, ist der Effekt, der dann geboten wird, wenn die zweite Spuleneinheit durch zwei Paare von Spulen konstruiert wird.

Die Optimalbedingungssuche wird durch numerische Rechnung unter Verendung eines Computers ausgeführt. Die verwendete Rechnungsgenauigkeit zu dieser Zeit umfaßt effektive Ziffern von 15, präsentiert als ein Ergebnis der Verwendung von was man eine Doppelpräzisionsrealzahl nennt, was eine Realzahl mit 16 Bytes ausdrückt, was normalerweise für eine Hochpräzisionsberechnung verwendet wird. Somit kann eine hinreichende Rechengenauigkeit bei der Suche nach dem Optimalzustand für die Sicherstellung einer Genauigkeit auf dem 1×10^-6-Niveau sichergestellt werden.

Die Suche nach dem Optimalzustand oder Optimalbedingung für die Reduzierung der Koeffizienten der Ausdrücke bis zur zehnten Ordnung der Taylor'schen-Reihe, entwickelt bezüglich der Stärkeverteilung eines Magnetfeldes auf der Symmetrieachse, werden algebraische Mittel zur Lösung nicht-linearer Simultangleichungen verwendet. Die Koeffizienten dieser Simultangleichungen können als eine Form der Stärke eines Magnetfeldes erhalten werden, erzeugt auf der Symmetrieachse durch jede Spule oder Differentialkoeffizienten bezüglich der Koordinatenfunktion, vorgesehen in Richtung der Symmetrieachse dieser Stärke. Der Berechnungsausdruck der Magnetfeldstärke ist ein Ausdruck für die Dichte des Magnetflusses, erzeugt auf der Drehachse durch eine kreisförmige Spule. Da dieser Ausdruck eine einfache algebraische Gleichung ist, ist es leicht, die Berechnung der Koeffizienten der oben genannten nicht-linearen Simultangleichungen auszuführen unter Verwendung eines üblichen Allgemeinzweckcomputers eines sogenannten "general purpose"-Computers. Da die nicht-linearen Simultangleichungen ferner fünf Unbekannte enthalten, ist es möglich, die Lösungen mit gegebener Genauigkeit zu erhalten, und zwar unter Verwendung des Verfahrens der wiederholten Berechnung, wie beispielsweise des Newton-Raphson-Verfahrens mit Ausnahme, daß für ein praktisches Problem richtige Anfangswerte festgelegt werden müssen, damit diese Lösungen nicht divergieren.

Wie oben beschrieben, kann die Erfindung die Homogenität in einem gegebenen homogenen Raum sicherstellen durch Konstruktion einer ersten Spuleneinheit mit einer internen Spule mittels dreier Paare von Spulen in einer Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes, verwendet in einem supraleitenden MRI der aktiven Schirmbauart, und das nach außen gegenüber dem homogenen Raum herausleckende Magnetfeld kann ausgelöscht werden durch Einstellung des magnetischen Moments einer zweiten Spuleneinheit in Proportion zu einem Produkt des durch die Spule fließenden Stromes und der Fläche eines durch die Spule eingeschlossenen Kreises, was in der Größe gleich sein muß und entgegengesetzt in Richtung zu dem (magnetischen Moment) der ersten Spuleneinheit. Ferner ist die Anzahl der die zweite Spuleneinheit bildenden Spulen zwei Paare und die Axiallänge der zweiten Spuleneinheit wird so gemacht, daß sie im wesentlichen zusammenfällt mit der der ersten Spuleneinheit unter der Bedingung der Annäherung des Optimalzustands oder der Optimalbedingung, so daß die Axiallänge der Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes minimiert werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, daß man dadurch, daß der Innendurchmesser jeder Spule, die die erste und zweite Spuleneinheit bildet, gleich jeder Spuleneinheit macht, jede Spule auf den gleichen Spulenkern jeder Spuleneinheit zu wickeln, und somit kann der Spulenkörper oder Spulenkern hergestellt und verwendet werden mit hoher Größenpräzision, wodurch eine festgebaute Spule hergestellt wird.

Da ferner eine Summe von Paaren der Spulen die erste Spuleneinheit und die zweite Spuleneinheit bilden 5 ist, wird die Anzahl der Windungen jeder Spule an der Endstufe der Suchberechnung nach dem optimalen Zustand oder optimalen Bedingung eingestellt, um der Einschränkungsbedingung in jeder Spule zu genügen und die Konstruktion im Schnitt jeder Spule wird definiert im Hinblick auf die Abschnitts- oder Schnittdimension eines Supraleiters und eines eingesetzten isolierten Films oder einer isolierten Schicht, wobei es daraufhin möglich ist, nach dem endgültigen optimalen Zustand zu suchen, um die fünf Koeffizienten von gradzahligen Ausdrücken des zweiten bis zehnten Grades auf Null zu reduzieren, wobei die Axialpositionen der Spulen als Unbekannte angenommen werden.

Abwandlungen der Erfindung liegen im Rahmen fachmännischen Könnens.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Eine Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes besitzt eine erste Spuleneinheit aus drei Paaren von Spulen, die alle eine gemeinsame Mittelachse aufweisen und die symmetrisch sind zur Mitte der Mittelachse, und eine zweite Spuleneinheit bestehend aus zwei Paaren von Spulen vorgesehen außerhalb von und axial zur ersten Spuleneinheit und symmetrisch bezüglich der Mitte der Mittelachse. Das magnetische Moment der ersten Spuleneinheit ist in seiner Größe identisch zu und in seiner Richtung entgegengesetzt zu der zweiten Spuleneinheit, so daß das auf Leckfluß zurückzuführende Magnetfeld im wesentlichen ausgelöscht wird. Da jede die erste Spuleneinheit bildende Spule selektiv in der richtigen Position angeordnet wird und die Amperewindungsgröße jeder Spule ausgewählt werden kann, ist es möglich die Koeffizienten der Ausdrücke bis zur zehnten Ordnung bezüglich der Stärkeverteilung der Magnetfelder auf der Mittelachse erzeugt durch die ersten und zweiten Spuleneinheiten auf Null zu reduzieren, was eine Erhöhung der Homogenität eines Magnetfeldes zur Folge hat.

Claims

1. Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes mit einer ersten Spuleneinheit mit mindestens einer Spule, die symmetrisch zu einer gemeinsamen Symmetrieachse liegt und einer Symmetrieebene, angeordnet senkrecht zur Symmetrieachse, und mit einer zweiten Spuleneinheit mit mindestens einer Spule, symmetrisch bezüglich der Symmetrieachse und zur Symmetrieebene, wobei ein minimaler Innendurchmesser der die zweite Spuleneinheit bildenden Spule größer ist als ein maximaler Außendurchmesser der die erste Spuleneinheit bildenden Spule, dadurch gekennzeichnet, daß:
die erste Spuleneinheit aus drei Paaren von Spulen aufgebaut ist;
die zweite Spuleneinheit aus zwei Paaren von Spulen aufgebaut ist;
das magnetische Moment der ersten Spuleneinheit in der Größe identisch ist zu und umgekehrt in der Richtung ist zu den entsprechenden Größen der zweiten Spuleneinheit, und
daß die erste Spuleneinheit im wesentlichen auf Null reduziert die Koeffizienten von Ausdrücken der zweiten bis zehnten Ordnung von Taylor's-Reihen, entwickelt bezüglich Axialkoordinatenvariablen der Verteilung von Magnetfeldern auf der Symmetrieachse erzeugt durch die erste Spuleneinheit und die zweite Spuleneinheit.

2. Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Axiallänge der zweiten Spuleneinheit im wesentlichen gleich der der ersten Spuleneinheit ist.

3. Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale externe oder Außenlänge der zweiten Spuleneinheit kleiner ist als die der ersten Spuleneinheit.

4. Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Paare von Spulen die erste Spuleneinheit bilden und die gleichen Innendurchmesser besitzen, und daß zwei Paare von Spulen die zweite Spuleneinheit bilden und die gleichen Innendurchmesser besitzen.

5. Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spuleneinheit auf Null reduziert die Koeffizienten von Ausdrücken der zweiten bis sechsten Ordnung von Taylor's-Reihen entwickelt bezüglich der Axialkoordinatenvariablen der Verteilung der Magnetfelder auf der Symmetrieachse, erzeugt allein durch die zweite Spuleneinheit.

6. Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale externe oder äußere Länge der zweiten Spuleneinheit kleiner ist als die der ersten Spuleneinheit.

7. Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei Paare von Spulen die erste Spuleneinheit bilden und die gleichen Innendurchmesser besitzen und daß zwei Paare von Spulen die zweite Spuleneinheit bilden und die gleichen Innendurchmesser besitzen.

8. Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spuleneinheit nicht auf Null reduziert die Koeffizienten von Ausdrücken des zweiten bis sechsten Grades der Taylor-Reihe, entwickelt bezüglich der Axialkoordinatenvariablen der Verteilung von Magnetfeldern auf der Symmetrieachse, erzeugt allein durch die zweite Spuleneinheit.

9. Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Außenlänge der zweiten Spuleneinheit kleiner ist als die der ersten Spuleneinheit.

10. Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei Paare von Spulen, welche die erste Spuleneinheit bilden, die gleichen Innendurchmesser besitzen und daß zwei Paare von Spulen, die die zweite Spuleneinheit bilden, die gleichen Innendurchmesser aufweisen.

11. Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spuleneinheit elektrisch mit der zweiten Spuleneinheit in Serie geschaltet ist.

12. Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spuleneinheit bildenden drei Paare von Spulen und die die zweite Spuleneinheit bildenden zwei Paare von Spulen jeweils elektrisch in Serie geschaltet sind.

13. Spule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spuleneinheit bildenden drei Paare von Spulen und die die zweite Spuleneinheit bildenden zwei Paare von Spulen jeweils elektrisch parallel geschaltet sind.