DE69532689T2

DE69532689T2 - Supraleitendes Magnetsystem

Info

Publication number: DE69532689T2
Application number: DE69532689T
Authority: DE
Inventors: Bizhan Clifton Park Dorri; Evangelos Trifon Schenectady Laskaris; Michele Dollar Burnt Hills Ogle; Bu-Xin Florence Xu
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2015-06-27
Also published as: EP0940684A2; EP0940684B1; JPH08172010A; DE69532689D1; JP3835840B2; DE69513743T2; US5539366A; EP0694789A1; EP0940684A3; EP0694789B1; DE69513743D1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Magnete und insbesondere auf das Verringern der achssymmetrischen Magnetfeld-Inhomogenität in einem Magneten mit gegenüberliegenden Polstücken.
Magnete umfassen solche, die im Abstand angeordnete erste und zweite Polstücke mit im allgemeinen gegenüberliegenden ersten und zweiten Polflächen aufweisen, wie beispielsweise (aber nicht beschränkt auf) "C"-förmige Magnete. Einige Magnetanwendungen, wie beispielsweise die Magnetresonanz-Bildgebung (MRI) für medizinische Untersuchungen, verwenden supraleitende Magnete, um ein Magnetfeld hoher Stärke in einem bildgebenden Volumen zu erzeugen. Das bildgebende Volumen muss eine kleine Magnetfeld-Inhomogenität zur Bildgebung hoher Qualität haben. Eine bekannte Technik zum Verringern der Magnetfeld-Inhomogenität in dem bildgebenden Volumen beinhaltet die Verwendung von Pass- bzw. Schimringen, die an jeder Polfläche befestigt sind, um achssymmetrische Magnetfeld-Inhomogenität zu verringern, und die Verwendung von Passstücken bzw. Schims, die an den Passringen befestigt sind, um 3D (dreidimensionale) Magnetfeld-Inhomogenität zu verringern. Eine andere bekannte Technik zum Verringern von Inhomogenität ist die Verwendung geformten Polstücken, wie es in EP-A-0,262,880 und US-A-4,943,774 gezeigt ist. US-A-4 943 774 beschreibt eine supraleitende Magnetanordnung mit Merkmalen, die im Obergriff des vorliegenden Patentanspruches 1 zusammengefasst sind. Die beschriebenen Polstücke sind im allgemeinen ringförmig mit Querschnitten, die konvexe oder konkave Merkmale in Richtung auf die gegenüberliegenden Polstücke darstellen.
Es besteht ein Bedürfnis für einen Magneten mit einem Design, das Magnetfeld-Inhomogenität besser verringert, der, in MRI Anwendungen, die Bildgebungsqualität verbessert.
Die vorliegende Erfindung ist in den Ansprüchen beansprucht.
Der Magnet gemäß der Erfindung enthält im Abstand angeordnete erste und zweite Polstücke, die im allgemeinen gegenüberliegende erste und zweite Polflächen aufweisen. Die erste Polfläche hat eine Achse, die sich im allgemeinen in Richtung auf die zweite Polfläche erstreckt, und hat einen Oberflächenbereich, wobei Punkte auf dem Oberflächenbereich, die in einem gleichen radialen Abstand von der Achse angeordnet sind, auch in einem gemeinsamen axialen Abstand entlang der Achse angeordnet sind, und wobei ein Graph des axialen Abstandes entlang der Achse über dem radialen Abstand von der Achse für diese Punkte eine Kurve ist, die eine kontinuierliche Steigung mit wenigstens zwei Vorzeichen-Umkehrungen hat. Ein Paßstückteller ist mit der ersten Polfläche zusammenhängend angeordnet.
Mit der Erfindung sind mehrere Nutzen und Vorteile erzielbar. Mit dem Magneten gemäß der Erfindung wird eine konturierte Polfläche geschaffen, die ein glatteres Magnetfeld gestattet, um die achssymmetrische Magnetfeld-Inhomogenität besser zu verringern. Die bekannten Pass- bzw. Shimringe sorgten für eine grobe Shimwirkung, wobei eine Polfläche verwendet wurde, die einen Oberflächenbereich mit einer "Stufenfunktions"-Form hat, wenn die Polfläche im Schnitt von der Seite der Polfläche betrachtet wird. Der Magnet gemäß der Erfindung sorgt für ein glatteres Magnetfeld, wobei eine Polfläche mit einem Oberflächenbereich mit einer Form von einer Kurve verwendet wird, die eine kontinuierliche Steigungs hat, wenn man im Schnitt von der Seite der Polfläche blickt.
Die beigefügten Zeichnungen stellen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, wobei:
1 eine schematische Seitenansicht von einer Magneteinrichtung gemäß der Erfindung ist, wobei die Polstücke des Magneten und die thermische Abschirmung und der Vakuummantel, der die supraleitende Spule umgibt, im Schnitt gezeigt sind; und
2 eine vergrößerte schematische Seitenansicht von der Fläche der Polstücke des Magneten gemäß der Erfindung ist, wobei die Polstücke im Schnitt gezeigt sind und die Polstücke der Klarheit halber entfernt sind.
In den Figuren zeigt 1 ein Ausführungsbeispiel des Magneten 10 gemäß der Erfindung. Der Magnet 10 enthält im Abstand angeordnete erste und zweite Polstücke 12 und 14, die im allgemeinen gegenüberliegende erste und zweite Polflächen 16 und 18 aufweisen. Vorzugsweise enthält der Magnet 10 einen "C"-förmigen Kern 20 mit zwei Enden 22 und 24 und mit einem Mittelabschnitt 26, der im allgemeinen äquidistant von den zwei Enden 22 und 24 angeordnet ist. In einem Ausführungsbeispiel ist das erste Polstück 12 an dem einen 22 der zwei Enden 22 und 24 des Kerns 20 befestigt, und das zweite Polstück 14 ist an dem anderen 24 der zwei Enden 22 und 24 des Kerns 20 befestigt. In einigen Magnetdesigns sind die Polstücke metallurgisch an dem Kern befestigt, während in anderen Magnetdesigns die Polstücke durch lösbare Bolzen mit dem Kern verbunden sind. Üblicherweise sind der Kern 20 und die Polstücke 12 und 14 jeweils aus einem ferromagnetischen Material, wie beispielsweise Eisen, hergestellt.
In gewissen Magnetanwendungen, wie beispielsweise in der medizinischen MRI Bildgebung, ist eine hohe Magnetfeldstärke in dem bildgebenden Volumen 28 (in gestrichelten Linien gezeigt) erforderlich, das zwischen den zwei Polflächen 16 und 18 angeordnet ist. Üblicherweise wird dies durch Verwendung einer supraleitenden Spule, wie beispielsweise der in 1 gezeigten Kryokühler-gekühlten supraleitenden Spule 30, erreicht, die den Mittelabschnitt 26 des Kerns 20 umgibt. Eine thermische Abschirmung 32 ist im Abstand von der supraleitenden Spule 30 angeordnet und umgibt diese im allgemeinen, und ein Vakuummantel 34 ist im Abstand von der thermischen Abschirmung 32 angeordnet und umgibt diese. Ein Kryokühler-Kaltkopf 36 (wie beispielsweise derjenige von einem Gifford-McMahon Kryokühler) hat eine erste Stufe 38 in thermischem Kontakt mit der thermischen Abschirmung 32 und seine zweite Stufe 40 ist in thermischem Kontakt mit der supraleitenden Spule 30. Für eine supraleitende Niob-Zinn-Spule 30 würde die zweite Stufe 40 die supraleitende Spule 30 auf einer Temperatur von im allgemeinen 10 Kelvin halten, und die erste Stufe 38 würde die thermische Abschirmung 32 auf einer Temperatur von im allgemeinen 40 Kelvin halten. Zusätzliche supraleitende Spulen (in den Figuren nicht gezeigt) können notwendig sein, um eine hohe Magnetfeldstärke zu erreichen, ohne die kritische Stromdichte in dem Supraleiter zu überschreiten, die in den Spulen verwendet wird, wie es für den Fachmann bekannt ist.
In gewissen Magnetanwendungen, die beispielsweise bei der medizinischen MRI Bildgebung, ist eine kleine Magnetfeld-Inhomogenität (und auch die zuvor erläuterte hohe Magnetfeldstärke) in dem bildgebenden Volumen 28 erforderlich, das zwischen den zwei Polflächen 16 und 18 angeordnet ist. Es gibt eine achssymmetrische Magnetfeld-Inhomogenität, die aufgrund der Existenz der Polstücke 12 und 14 selbst eingeführt wird. Der Magnet 10 ist so gestaltet, dass er diese achssymmetrische Magnetfeld-Inhomogenität verringert. Die erste Polfläche 16 hat eine Achse 42, die sich im allgemeinen in Richtung auf die zweite Polfläche 18 erstreckt. Vorzugsweise ist die zweite Polfläche 18 im allgemeinen identisch mit der ersten Polfläche 16, wobei die zweite Polfläche 18 eine Achse 44 hat, die sich im allgemeinen in Richtung auf die erste Polfläche 16 erstreckt, und die Achse 44 der zweiten Polfläche 18 ist im allgemeinen koaxial mit der Achse 42 der ersten Polfläche 16 ausgerichtet.
Es wird nun auf 2 bezug genommen, die die Konfiguration der Polstücke mit mehr Einzelheiten zeigt, wonach der Magnet 52 im Abstand angeordnete erste und zweite Polstücke 54 und 56 aufweist, die im allgemeinen gegenüber liegende Polflächen 58 und 60 aufweisen. Die erste Polfläche 58 hat eine Achse 62, die sich im allgemeinen in Richtung auf die zweite Polfläche 60 erstreckt. Die erste Polfläche 58 hat einen Oberflächenbereich 64, wobei Punkte auf dem Oberflächenbereich 64, die in einem identischen radialen (d.h. senkrechten) Abstand von der Achse 62 angeordnet sind, auch auf einer gemeinsamen axialen Strecke entlang der Achse 62 angeordnet sind, und wobei ein Graph der axialen Strecke entlang der Achse 62 über dem radialen Abstand von der Achse 62 für diese Punkte eine Kurve 66 ist, die eine stetige bzw. kontinuierliche Steigung mit wenigstens zwei (und vorzugsweise wenigstens fünf) Vorzeichenumkehrungen hat. Dieser Graph kann als die Kurve 66 in 5 gesehen werden, wobei die Achse 62 und eine Radius-(d.h. senkrechte) Linie 67 (als eine gestrichelte Linie gezeigt), die von der Achse 62 ausgeht, die Achsen von dem Graphen bilden. Für einen vorgewählten radialen (d.h. senkrechten) Ort von der Achse 62 wird er axiale Ort entlangder Achse 62 für jeden derartigen Punkt auf dem Oberflächenbereich 64 ermittelt, um so die achssymmetrische magnetische Feldinhomogenität zu minimieren, die durch die Polstücke 54 und 56 selbste berwirkt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Konturen des Oberflächenbereiches 64 unter Verwendung üblicher Bearbeitungstechniken der numerischen Steuerung hergestellt werden können.
Es ist ersichtlich, dass der Magnet konturierte Oberflächenbereiche 64 hat, die für ein glatteres Magnetfeld sorgen, um die achssymmetrische Magnetfeld-Inhomogenität besser zu verringern im Vergleich zu bekannten Passringtechniken, wie es für den Fachmann verständlich ist.
Die Anmelder haben ein Ausführungsbeispiel des Magneten designed (aber noch nicht gebaut), wobei die Prinzipien der vorliegenden Erfindung, wie sie vorstehend erläutert sind, zusammen mit üblicher Magnetfeldanalyse, wie für den Fachmann bekannt ist, verwendet wurden. Der Magnet wurde für ein 0,3 Tesla Bildgebungsvolumen 28 mit der Form einer Kugel mit einem Durchmesser von 10 cm designed. Die achssymmetrische Magnetfeld-Inhomogenität von Spitze-zu-Spitze wurde von einem berechneten Wert von mehr als 10.000 Teile pro Million (ppm) auf einen berechneten Wert von 8 ppm verringert. Es wird angenommen, dass übliche Passringtechniken den Wert auf vernünftige Weise nicht auf einen berechneten Wert von unter 100 ppm senken könnten.
Der Magnet 52 kann trotzdem noch mit einer 3D (dreidimensionale) Magnetfeld-Inhomogenität gelassen werden aufgrund seiner "C"-Form und aufgrund der Lage seiner supraleitenden Spule 30, die unter Verwendung von Passstücktellern und Passtücken (Shims) korrigiert werden kann. Üblicherweise sind die Passringteller aus einem nicht-ferromagnetischen Material (wie beispielsweise Fiberglas) hergestellt, und die Passstücke sind aus einem ferromagnetischen Material, wie beispielsweise Eisen hergestellt. Gemäss 1 enthält der Magnet auch einen im allgemeinen kreisförmigen Passstückteller 68, der mit der Achse 42 im allgemeinen koaxial ausgerichtet ist, an der ersten Polfläche 16 befestigt ist und Passstücke 70 aufweist. Der Magnet 10 enthält ferner einen im allgemeinen ringförmigen Passstückteller 72, der mit der Achse 42 im allgemeinen koaxial ausgerichtet ist, radial aussen im Abstand von dem kreisförmigen Passringteller 68 angeordnet ist, an der ersten Polfläche 16 befestigt ist und Passstücke 70 aufweist. Der ringförmige Passstückteller 72 ist axial näher an der zweiten Polfläche 18 angeordnet als der kreisförmige Passstückteller 68. Diese Zwei-Teller-Anordnung berücksichtigt, dass von dem Oberflächenbereich der ersten Polfläche 16 ihr radial äußerster Abschnitt sich axial näher zur zweiten Polfläche 18 erstreckt, als es ihr radial innerster Abschnitt tut, für eine richtige Formung des Bildgebungsvolumens 28. Die Zwei-Teller-Anordnung gestattet deshalb, dass die Passstücke 70 der zwei Teller 68 und 72 näher an dem Oberflächenbereich angeordnet werden können für eine bessere Anpassung als sie unter Verwendung eines einzelnen Passstücktellers möglich sein würde, wie es für den Fachmann deutlich wird.
Vorzugsweise hat jedes der Passstücke 70 der kreisförmigen und ringförmigen Passstückteller 68 und 72 des Magneten 10 die Form von im allgemeinen einem Trapez, wenn man auf die erste Polfläche 16 schaut. Jedes Trapez hat eine kürzere Grundlinie, eine längere Grundlinie, erste und zweite Seiten und einen geometrischen Mittelpunkt. Die kürzere Grundlinie ist radial näher an der Achse 42 angeordnet als die längere Grundlinie. Die ersten und zweiten Seiten sind entlang Radiuslinie im allgemeinen ausgerichtet. In einem Ausführungsbeispiel sind die Passstücke 70 des kreisförmigen Passstücktellers 68 so angeordnet, dass die geometrischen Mittelpunkte von ihren Trapezen auf den Umfängen von imaginären Kreisen angeordnet sind, die mit der Achse 42 im allgemeinen koaxial ausgerichtet sind, und die Passstücke 70 des ringförmigen Passstücktellers 72 sind so angeordnet, dass die geometrischen Mittelpunkte ihrer Trapeze auf dem Umfang von einem imaginären Kreis angeordnet sind, der mit der Achse 42 im allgemeinen koaxial ausgerichtet ist. Die Kombination der Form und Anordnung der Passstücke 70 sorgt für eine bes sere Überdeckung als diejenige, die von zuvor bekannten Passstück-Techniken geliefert wird.
Es wurden die zuvor beschriebenen Prinzipien der Erfindung und übliche Magnetfeldanalyse verwendet, um die Dicke von einem kreisförmigen Passstück auf dem kreisförmigen Passstückteller 68 und die Dicken und Orte der trapezförmigen Passstücke auf den Umfängen der imaginären Kreise auf den kreisförmigen und ringförmigen Passstücktellern 68 und 72 zu bestimmen, wie es innerhalb des Fachwissens des Fachmannes liegt. Die 3D (dreidimensionale) Magnetfeld-Inhomogenität von Spitze-zu-Spitze wurde von einem berechneten Wert von über 3.000 Teile pro Million (ppm) auf einen berechneten Wert von 23 ppm gesenkt. Es wird angenommen, dass übliche Anpasstechniken diesen Wert nicht erreichen könnten.

Claims

Supraleitende Magneteinrichtung (52), die zur Verwendung bei der Magnetresonanz-Bildgebung geeignet ist, enthaltend: im Abstand angeordnete erste und zweite Polstücke (54, 56) mit im allgemeinen gegenüber liegenden Polflächen (58, 60), wobei die erste Polfläche eine Achse (62), die auf die zweite Polfläche gerichtet ist, und einen Flächenbereich (64) hat, wobei Punkte, die auf dem Flächenbereich an einem identischen radialen Abstand von der Achse angeordnet sind, auch in einem gemeinsamen axialen Abstand entlang der Achse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Graph des axialen Abstands entlang der Achse über dem radialen Abstand von der Achse für die Punkte eine Kurve (66) mit einer kontinuierlichen Steigung mit wenigstens zwei Vorzeichenumkehrungen ist, und daß ein Paßstückteller (68) an der ersten Polfläche (58) befestigt ist, wobei der Paßstückteller (68) kreisförmig und mit der Achse koaxial ausgerichtet ist.
Magneteinrichtung nach Anspruch 1, wobei auch ein im allgemeinen kreisförmiger Paßstückteller (72) vorgesehen ist, der mit der Achse im allgemeinen koaxial ausgerichtet ist, radial außen im Abstand von dem kreisförmigen Paßstückteller angeordnet ist, an der ersten Polfläche befestigt ist und Paßstücke (70) aufweist, und . wobei der kreisförmige Paßstückteller (72) in axialer Richtung näher an der zweiten Polfläche (18) angeordnet ist als der kreisförmige Paßstückteller (68).
Magneteinrichtung nach Anspruch 2, wobei jedes der Paßstücke aus der Sicht des ersten Polstückes (16) eine Trapezform hat, wobei das Trapez eine kürzere Basis, eine längere Basis und erste und zweite Seiten hat, wobei die kürzere Basis radial näher an der Achse als die längere Basis angeordnet ist, wobei die erste Seite im allgemeinen entlang einer Radiuslinie ausgerichtet ist, die von der Achse zur ersten Seite gezogen ist, und wobei die zweite Seite im allgemeinen entlang einer Radiuslinie ausgerichtet ist, die von der Achse zu der zweiten Seite gezogen ist.
Magneteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kurve wenigstens fünf Vorzeichenumkehrungen hat.
Magneteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ferner ein "C"-förmiger Kern (20) mit zwei Enden (22, 24) vorgesehen ist und wobei das erste Polstück (12) an dem einen (22) der zwei Enden des Kerns befestigt ist, die zweite Polfläche (18) identisch zu der ersten Polfläche (16) ist, die zweite Polfläche eine Achse hat, die sich in Richtung auf die erste Polfläche erstreckt, die Achse von der zweiten Polfläche im allgemeinen koaxial mit der Achse (42) der ersten Polfläche ausgerichtet ist und das zweite Polstück (14) an dem anderen (24) der zwei Enden des Kerns befestigt ist.
Magneteinrichtung nach Anspruch 5, wobei der Kern einen Mittelabschnitt (26) hat, der äquidistant von den zwei Enden (22, 24) angeordnet ist, und auch eine Kryokühler-gekühlte supraleitende Spule (30) aufweist, die den Mittelabschnitt von dem Kern umgibt.
Magneteinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Kern (20) ferromagnetisch ist.
Magneteinrichtung nach Anspruch 7, soweit abhängig von Anspruch 6, wobei die supraleitende Spule eine supraleitende Spule aus Niob-Zinn ist.
Magneteinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein Kryokühler in thermischer Relation zu der supraleitenden Spule vorgesehen ist, um die Spule supraleitend zu machen.
Magneteinrichtung nach Anspruch 11, wobei der Kryokühler für eine Temperatur von etwa 10K° für die supraleitende Spule sorgt.
Magneteinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Knokühler zwei Stufen (38, 40) aufweist, eine thermische Abschirmung (32), die im Abstand von der supraleitenden Spule angeordnet ist und diese umgibt, thermisch mit der ersten Stufe des Kryokühlers verbunden ist, um die thermische Abschirmung bei etwa 40K° zu halten, wobei die zweite Stufe (40) zwischen der thermischen Abschirmung (32) und der supralei