DE69500685T2 - Verbesserungen an/oder bezüglich Elektromagneten - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft supraleitende Elektromagnete und insbesondere Magnete zur Verwendung in Systemen zur Magnetresonanz-Bilddarstellung (MRI).
• Um die sehr geringen Temperaturen aufrechtzuerhalten, die für supraleitende Elektromagnete notwendig sind, d.h. etwa 4º K, werden die Wicklungen des Magneten in flüssiges Helium getaucht, das in einem Kryostatbehälter enthalten ist. Eine wirksame Isolierung des Behälters ist sehr wichtig, um einen "Wärmeanstieg" und den daraus folgenden Verlust von wertvollem Helium zu verhindern, welches dazu neigt, mit einer Rate abzukochen, die von der Wirksamkeit der Isolierung abhängt.
• Um eine gute Isolierung bereitzustellen, ist es bekannt, den Behälter in einer evakuierten Kammer anzuordnen, die dazu dient, Verluste aufgrund von Konvektion zu minimieren, sowie zusätzlich dazu, eine Wärmeabschirmung innerhalb der Kammer bereitzustellen, die dazu dient, Verluste aufgrund von Strahlung zu minimieren. Die Konstruktion der Kammer und ihres zugeordneten Wärmeschildes beeinträchtigt die Gesamtabmessung des Magneten sowie dessen thermischen Wirkungsgrad. Außerdem besteht die Neigung, daß durch die zur Unterbringung des Wärmeschildes notwendigen Innenabmessungen des Magneten die Anforderungen an die aktive magnetische Abschirmung sowie die mit deren Vorsehen verbundenen Kosten beeinflußt werden.
• Ein Beispiel ist in der UK-Patentanmeldung GB 2207764A gezeigt, bei der ein supraleitender Elektromagnet zur NMR-Bilddarstellung, der eine supraleitende Spule zur Erzeugung eines hochgleichmäßigen statischen Magnetfeldes enthält, innerhalb eines Innenbehälters aufgenommen ist, der die Spule auf einer Tiefsttemperatur hält. Der Innenbehälter wird umgeben und isoliert von einem Vakuumbehälter. Es ist ein Wärmeschild vorgesehen, um das Eindringen von Wärme in den Innenbehälter zu vermindern; es ist zwischen dem Innenbehälter und dem Vakuumbehälter angeordnet.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eines supraleitenden Eleketromagneten zu schaffen, welche das Vorsehen einer guten Wärmeisolierung und einer wirksamen - Magnetabschirmung kostengünstig ermöglicht.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein supraleitender Elektromagnet einen ringförmigen inneren Heliumbehälter, in welchem die Wicklungen eines ringförmigen Magneten enthalten sind, eine äußere ringförmige Vakuumkammer, innerhalb welcher der innere Behälter enthalten ist, und ein allgemein ringförmiges hohles Wärmeschild, das so angeordnet ist, daß es den inneren Behälter umschließt und im Abstand zwischen dem Behälter und der Kammer angeordnet ist, so daß die Längsachsen des Schildes und des Magneten im wesentlichen zusammenfallen, wobei eine Außenwand des Schildes wenigstens teilweise durch allgemein zylindrische, voneinander beabstandete innere und äußere Wärmeabschirmungen gebildet ist, die zusammen eine doppelwandige Abschirmung bilden, wobei die Innenwand des Schildes durch eine Wärmeabschirmung gebildet ist, die eine einzige zylindrische Wand aufweist, die konzentrisch zur Längsachse des Magneten ist, wobei die äußere der Wärmeabschirmungen, welche die Außenwand bildet, mittels eines Paares allgemein ringförmiger Endkappen mit der Innenwand verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wärmeabschirmung axial von dem Paar Endkappen beabstandet ist.
• Durch die Anordnung, bei der die zylindrische Außenwand des Schildes der einzige Teil des Schildes ist, der eine doppelwandige Abschirmung enthält, kann eine Wärmeabschirmung wirksam aufrechterhalten werden, während es möglich ist, den Gesamtdurchmesser des Elektromagneten zu vermindern. Alternativ kann entweder die Trennung zwischen der Magnetisierungsspule und der Abschirmspule des Magneten erhöht werden, wodurch die Kosten für das Vorsehen einer wirksamen aktiven magnetischen Abschirmung vermindert werden können, wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird, oder der Durchmesser der Öffnung für den Patienten kann erhöht werden, wodurch der Zugang zum Patienten und der Komfort erhöht wird, oder Kombinationen von allen dreien.
• Die innere der beiden zylindrischen Abschirmungen kann an jedem ihrer Enden mit einer Lippe versehen sein, die so angeordnet ist, daß sie sich im allgemeinen senkrecht zu deren Längsachse erstreckt, um effektiv die beiden Enden des zylindrischen Raumes zwischen den Abschirmungen zu blockieren, wodurch ein Wärmeanstieg weiter vermindert wird.
• Die beiden Abschirmungen können wärmeleitende Materialien enthalten und leitend mit einer Kühlvorrichtung verbunden sein.
• Die beiden Abschirmungen können als eine einzige Einheit hergestellt und zusammengefügt sein.
• Der Raum zwischen dem Schild und der Kammer kann wenigstens teilweise mit einem isolierenden Material gefüllt sein.
• Das Schild kann an einer Wand der Kammer mittels langgestreckter Trägerteile befestigt sein.
• Es wird nun lediglich beispielhaft eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen:
• - Figur 1 eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Teils einer Anordnung eines supraleitenden Magneten; und
• - Figur 2 eine vergrößerte geschnittene Seitenansicht, in welcher ein Teil der in Figur 1 gezeigten Anordnung ausführlicher gezeigt ist.
• In Figur 1 ist eine Anordnung eines supraleitenden Magneten zur Verwendung in einem MRI-System dargestellt, die eine Magnetwicklung 1 enthält, die von einem Formstück 2 gehalten ist. Die Wicklung wird im Betrieb erregt, um ein vorbestimmtes Magnetfeld im Bereich einer zylindrischen Bohrung 3 zu erzeugen, wobei die gezeigte Anordnung symmetrisch zu einer Mittellinie 4 ist, welche der Längsachse der Magnetanordnung entspricht. Um teilweise die Wirkung von Magnetfeldern zu beseitigen, die nach der Erregung der Wicklung 1 in den die Magnetanordnung umgebenden Bereichen erzeugt werden, ist eine Abschirmwicklung 5 vorgesehen, die von einem Formteil 6 getragen wird, wobei die Abschirmwicklung erregt wird, um ein Magnetfeld entgegengesetzt zu dem Feld zu erzeugen, das erzeugt wird, wenn die Wicklung 1 erregt wird.
• Die Wicklungen 1 und 5 sind in einem allgemein ringförmigen Behälter 7 enthalten, wobei ein Raum 8 zwischen den Wicklungen 1 und 5 und dem Behälter 7 mit flüssigem Helium gefüllt ist. Der Behälter 7 ist in einer allgemein ringförmigen Kammer 9 enthalten, wobei ein Raum 10 zwischen dem Behälter 7 und der Kammer 9 evakuiert ist, um Wärmeverluste durch Konvektion zu vermindern.
• Um Wärmeverluste durch Strahlung zu minimieren, ist ein allgemein ringförmiges Schild 11 vorgesehen, das eine zylindrische Innenwand 12, eine zylindrische Außenwand 13 und ringförmige Endkappen 14 aufweist, von denen in den Zeichnungen nur eine gezeigt ist und die dazu dienen, den Raum zwischen den Wänden 12 und 13 an jedem von deren Enden zu verschließen.
• Um Strahlungsverluste zu vermindern, ist die zylindrische Außenwand 13 als doppelte Wand ausgeführt, die eine innere zylindrische Wärmeabschirmung 13a sowie eine äußere zylindrische Wärmeabschirmung 13b enthält, die konzentrisch zur Längsachse 4 des Magneten sind.
• Um zu verhindern, daß Strahlungswärme in einen Raum zwischen den Behältern 14 und 7 durch Reflexion an der inneren Abschirmung 13a bzw. der äußeren Abschirmung 13b eintritt, sind Lippenabschnitte 16 an jedem Ende der inneren Abschirmung 13a vorgesehen, wobei in den Zeichnungen nur einer dargestellt ist. Die Konstruktion von einem der Lippenabschnitte 16 kann deutlicher in Figur 2 gesehen werden, in welcher dieselben Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet werden.
• Um die Isolierung noch weiter zu verbessern, sind die Abschirmungen 13a und 13b leitend mit einer Kühlvorrichtung 17 über leitende Verbindungen 18 verbunden, die in den Figuren schematisch mittels unterbrochener Linien dargestellt sind.
• Wie am besten in der schematischen Figur 2 zu sehen ist, sind der Behälter 7, das Schild 11, das von den Teilen 12, 13a, 13b, 14 gebildet ist, und die Kammer 9 voneinander beabstandet, so daß kein Wärmeanstieg durch Leitung erfolgt. Diese voneinander beabstandete Anordnung wird wenigstens teilweise mittels Trägerstangen 19 und 20 erzielt, die aus möglicherweise nichtrostenden Stahlstangen bzw. Fiberglasstangen bestehen (wobei nur jeweils eine dargestellt ist). Die Stangen 19 und 20 sind an einem ihrer Enden an einem verstärkten Trägervorsprung 21 verankert, der in eine Wand 21a der Kammer 9 eingesetzt ist. Die Stange 19 ist so angeordnet, daß sie das Schild 11 mittels eines Verankerungsblocks 23 trägt, der mit der äußeren Abschirmung 13a verbunden ist, die einen Teil des Schildes 11 bildet.
• Die Stange 20 ist so angeordnet, daß sie durch Öffnungen 24 in den Schildern 13a, 13b hindurchtritt und mit einem Verankerungsblock 25 verbunden ist, der am Behälter 7 befestigt ist.
• Wie schematisch in Figur 2 dargestellt ist, sind zur Verminderung des Wärmeanstiegs über die Stangen 19 und 20 Wärme- Nebenschlußstreifen 26 vorgesehen, die dazu dienen, die Stangen thermisch mit den gekühlten Abschirmungen 13a und 13b zu verbinden.
• Ein wichtiges Konstruktionsmerkmal der Anordnung besteht darin, daß die innere Abschirmung 13a an der äußeren Abschirmung 13b befestigt ist, wodurch die zylindrische Wand 13, welche diese beiden Teile enthält, zu einer einzigen Einheit zusammengefügt werden kann.
• Zur Vereinfachung ist in den Zeichnungen nur ein Teil der Anordnung dargestellt, der nur zwei Trägerstangen 19 und 20 enthält. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß mehrere solcher Stangen verwendet werden, um eine radiale Aufhängung an jedem Ende der Magnetanordnung bereitzustellen.
• An den gezeigten Anordnungen können zahlreiche Veränderungen ausgeführt werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen; beispielsweise können zusätzliche isolierende Träger- und Abstandsblöcke in geeigneter Weise zwischen den verschiedenen Teilen der Anordnung vorgesehen werden, um die notwendige Anordnung im Abstand voneinander zufriedenstellend aufrechtzuerhalten.
• Um minimale Wärmeverluste bereitzustellen, werden solche Abstandsblöcke üblicherweise aus einem isolierenden Material hergestellt, und sie können zusätzlich so geformt sein, daß sie die Berührstellen zwischen den Blöcken und den Bereichen, die sie berühren, minimiert sind.
• Zusätzlich kann eine Isolierung in evakuierten Räumen verwendet werden, beispielsweise zwischen dem Schild 11 und der Kammer 9.
• Durch die Verwendung eines Wärmeschildes, von dem nur die zylindrische Außenwand als kompakte doppelwandige Einheit hergestellt wird, kann der Gesamtdurchmesser des Magneten vermindert und/oder der Abstand zwischen den Wicklungen 1 und 5 erhöht werden. Das letztgenannte Merkmal erleichtert die Herstellung einer Abschirmwicklung, die weniger Windungen hat, wodurch sich erhebliche Kosteneinsparungen ergeben können. Zusätzlich oder alternativ ist die Bereitstellung einer MRI-Vorrichtung mit einer größeren Bohrung erleichtert, woraus sich ein verbesserter Zugang zum Patienten sowie ein größerer Komfort ergibt und außerdem der Abstand zwischen den Hüllen der Anordnung des äußeren Schildes im Vergleich zu bisher bekannten Systemen vermindert werden kann.
• Weitere Vorteile ergeben sich aus der vereinfachten Konstruktionstechnik, die zu erheblichen Kosteneinsparungen ohne eine merkliche Verschlechterung der Leistung oder einer Erhöhung der Betriebskosten führt.

Claims (7)

1. Supraleitender Elektromagnet mit einem ringförmigen inneren Heliumbehälter (7), in welchem die Wicklungen (1, 5) eines ringförmigen Magneten enthalten sind, einer äußeren. ringförmigen Vakuumkammer (9), innerhalb welcher der innere Behälter (7) enthalten ist, und einem allgemein ringförmigen hohlen Wärmeschild (11), das so angeordnet ist, daß es den inneren Behälter (7) umschließt und im Abstand zwischen dem Behälter (7) und der Kammer (9) angeordnet ist, so daß die Längsachsen des Schildes (11) und des Magneten im wesentlichen zusammenfallen, wobei eine Außenwand (13) des Schildes wenigstens teilweise durch allgemein zylindrische, voneinander beabstandete innere und äußere Wärmeabschirmungen (13a, 13b) gebildet ist, die zusammen eine doppelwandige Abschirmung bilden, wobei die Innenwand (12) des Schildes (11) durch eine Wärmeabschirmung gebildet ist, die eine einzige zylindrische Wand (12) aufweist, die konzentrisch zur Längsachse des Magneten ist, wobei die äußere (13b) der Wärmeabschirmungen, welche die Außenwand (13) bildet, mittels eines Paares allgemein ringförmiger Endkappen (14) mit der Innenwand (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wärmeabschirmung (13a) axial von dem Paar Endkappen (14) beabstandet ist.

2. Elektromagnet nach Anspruch 1, bei dem die innere Wärmeabschirmung (13a) an jedem ihrer Enden mit einer Lippe (16) versehen ist, die so angeordnet ist, daß sie sich im wesentlichen senkrecht zu deren Längsachse erstreckt, um effektiv die beiden Enden eines zylindrischen Raumes zwischen den Abschirmungen (13a, 13b) zu blockieren.

3. Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die beiden Abschirmungen (13a, 13b) wärmeleitende Materialien enthalten und leitend mit einer Kühlvorrichtung (17) verbunden sind.

4. Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die beiden Abschirmungen (13a, 13b) zu einer einzigen Einheit zusammengefügt sind.

5. Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Raum zwischen dem Schild (11) und der Kammer (9) wenigstens teilweise mit einem isolierenden Material gefüllt ist.

6. Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schild (11) an einer Wand der Kammer (9) mittels eines langgestreckten Trägerteils (19, 20) befestigt ist.

7. Vorrichtung zur Magnetresonanz-Bilddarstellung mit einem Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche.