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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen offenen supraleitenden
Magneten, der zur Erzeugung eines gleichförmigen Magnetfeldes verwendet
wird, und insbesondere einen derartigen Magneten, der eine Abschirmung
zum Schutz des Bereichs um den Magneten herum vor magnetischen Streufeldern,
die von dem Magneten herrühren,
aufweist.
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Supraleitende
Magnete umfassen solche supraleitende Magnete, die Teil eines Magnetresonanz-Bildgebungs-(MRI,
Magnetic Resonance Imaging)Systems bilden, das in vielfältigen Anwendungen,
beispielsweise in der medizinischen Diagnostik, eingesetzt wird.
Bekannte supraleitende Magnete umfassen durch flüssiges Helium gekühlte und
mittels eines Kryokühlers
(Tieftemperaturkühlers)
gekühlte
supraleitende Magnete. Gewöhnlich
enthält die
supraleitende Spulenanordnung eine supraleitende Hauptspule, die
von einem ersten Wärmeschirm umgeben
ist, der von einer Vakuumummantelung umschlossen ist. Ein durch
einen Kryokühler
gekühlter
Magnet enthält
ferner vorzugsweise einen Kryokühler-Kaltkopf,
der an dem Vakuummantel außen befestigt
ist, eine erste Kältestufe
in termischem Kontakt mit dem Wärmeschirm
aufweist und eine zweite Kältestufe
in termischem Kontakt mit der supraleitenden Hauptspule enthält. Ein
durch flüssiges
Helium gekühlter
Magnet enthält
vorzugsweise ferner ein Flüssigheliumgefäß, das die
supraleitende Hauptspule umgibt, sowie einen zweiten Wärmeschirm,
der den ersten Wärmeschirm
umgibt, der das Flüssigheliumgefäß umgibt.
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Bekannte
supraleitende Magnetkonstruktionen umfassen geschlossene Magnete
sowie offene Magnete. Geschlossene Magnete weisen gewöhnlich eine
einzelne rohrförmige
supra leitende Spulenanordnung auf, die eine Bohrung aufweist. Die
supraleitende Spulenanordnung enthält verschiedene radial zueinander
ausgerichtete und in Längsrichtung voneinander
beabstandete supraleitende Hauptspulen, die jeweils einen großen identischen
elektrischen Strom in der gleichen Richtung führen. Die supraleitenden Hauptspulen
sind somit dazu gestaltet, innerhalb eines gewöhnlich kugelförmigen Bildgebungsvolumens,
das in der Bohrung des Magneten zentriert angeordnet ist, in der
das abzubildende Objekt platziert ist, ein Magnetfeld hoher Gleichförmigkeit
zu erzeugen. Eine einzelne rohrförmige
supraleitende Abschirmanordnung kann auch dazu verwendet werden,
zu verhindern, dass das hohe Magnetfeld, das durch die Hauptspulen
erzeugt wird und diese umgibt, ungünstig mit der Elektronikausrüstung in
der Umgebung des Magneten wechselwirkt. Eine derartige Abschirmanordnung
enthält
einige radial zueinander ausgerichtete und in Längsrichtung voneinander beabstandete
supraleitende Abschirmspulen, die elektrische Ströme im Wesentlichen
der gleichen Amperestärke,
jedoch in einer zu dem in den Hauptspulen geführten elektrischen Strom entgegengesetzten
Richtung führen
und radial außerhalb
der Hauptspulen positioniert sind.
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Offene
Magnete enthalten „C"-förmige Magnete,
die gewöhnlich
zwei im Abstand zueinander angeordnete supraleitende Spulenanordnungen
verwenden, wobei der Zwischenraum zwischen den Anordnungen das Bildgebungsvolumen
enthält
und einen Zugang durch medizinisches Personal für chirurgische oder sonstige
medizinische Prozeduren während
einer Magnetresonanzbildgebung ermöglicht, vgl. z. B. US-A-5 436
607. Der Patient kann in diesem Raum oder auch in der Bohrung der
torisch gestalteten Spulenanordnungen positioniert werden. Der offene
Raum hilft dem Patienten, ein Gefühl der Klaustrophobie zu überwinden,
das der Patient in einer geschlossenen Magnetkonstruktion erfahren
kann. Bekannte abgeschirmte und offene supraleitende Magnetkonstruktionen
umfassen diejenigen, in denen jede supraleitende Spulenanordnung
eine offene Bohrung aufweist und eine supraleitende Abschirmspule
enthält,
die in Längsrichtung
und radial außerhalb
der supraleitenden Hauptspule(n) angeordnet ist. Es wird eine große Menge
eines teuren Supraleiters in der Hauptspule benötigt, um die Magnetfeld abziehenden
Effekte der Abschirmspule zu überwinden.
Berechnungen zeigen, dass für
einen Magneten mit 0,75 Tesla im Wesentlichen 2.300 Pfund eines Supraleiters
benötigt
werden, was einen kostspieligen Magneten ergibt, der im Allgemeinen
12.000 Pfund wiegt. Das bescheidene Gewicht macht diese Konstruktion
zu einer entwicklungsfähigen
Magnetkonstruktion.
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Es
ist ferner bekannt, in offenen Magnetkonstruktionen ein Polstück aus Eisen
in der Bohrung einer supraleitenden Spulenanordnung zu platzieren, die
keine supraleitende Abschirmspule aufweist, vgl. z. B. US-A-5 250
901. Das Polstück
aus Eisen erhöht die
Stärke
des Magnetfeldes und verbessert durch eine Formgestaltung der Oberfläche des
Polstücks die
Homogenität
des Magnetfeldes. Ein Eisenrückpfad
wird dazu verwendet, die beiden Polstücke aus Eisen miteinander zu
verbinden. Es ist zu beachten, dass das Polstück aus Eisen auch derart wirkt,
dass es den Magneten abschirmt. Jedoch wird eine große Eisenmenge
in dem Eisenpolstück
benötigt,
um eine Abschirmung bei starken Magneten zu erreichen. Berechnungen
zeigen, dass für
einen Magneten von 0,75 Tesla im Allgemeinen lediglich 200 Pfund
eines Supraleiters benötigt
werden, was einen Magneten mit einem Gewicht von über 70.000
Pfund ergibt, der zu schwer ist, um in medizinischen Einrichtungen, beispielsweise
Krankenhäu sern,
verwendet zu werden. Das Gewicht macht diese Konstruktion nicht
zu einer entwicklungsfähigen
Magnetkonstruktion.
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Was
benötigt
wird, ist eine abgeschirmte und offene supraleitende Magnetkonstruktion,
die ausreichend leicht ist, um in medizinischen Einrichtungen eingesetzt
zu werden, und die weniger kostenintensiv als bekannte Konstruktionen
ist.
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Der
offene supraleitende Magnet gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
eine erste Baugruppe oder Anordnung sowie eine zweite Baugruppe
oder Anordnung. Die erste Anordnung enthält eine im Wesentlichen ringförmige erste
supraleitende Hauptspule, eine im Wesentlichen ringförmige erste
supraleitende Abschirmspule und ein magnetisierbares und im Wesentlichen
zylindrisch gestaltetes erstes Polstück oder einen ersten Polschuh.
Die erste supraleitende Hauptspule weist eine im Wesentlichen in Längsrichtung
verlaufende erste Achse auf und führt einen ersten elektrischen
Hauptstrom in einer ersten Richtung. Die erste supraleitende Abschirmspule
ist zu der ersten Achse im Wesentlichen koaxial ausgerichtet und
in Längsrichtung
außerhalb
und entfernt von der ersten supraleitenden Hauptspule beabstandet.
Die erste supraleitende Abschirmspule überlappt die erste supraleitende
Hauptspule in Radialrichtung wenigstens zum Teil und führt einen
ersten elektrischen Abschirmstrom in einer Richtung, die zu der ersten
Richtung entgegengesetzt ist. Das erste Polstück ist zu der ersten Achse
im Wesentlichen koaxial ausgerichtet und im Abstand zu der ersten
supraleitenden Hauptspule und Abschirmspule angeordnet. Das erste
Polstück
weist einen ersten radial äußeren Abschnitt
auf, der die erste supraleitende Hauptspule wenigstens teilweise
radial überlappt,
und enthält
einen ersten in Längsrichtung
inneren Abschnitt, der eine im Wesentlichen ringförmige Gestalt
aufweist, der zu der ersten Achse im Wesentlichen koaxial ausgerichtet
ist, der radial näher
an dem ersten radial äußeren Abschnitt
als an der ersten Achse angeordnet ist und der in Längsrichtung
nach innen über
das in Längsrichtung äußere Ende
der ersten supraleitenden Hauptspule hinweg vorragt.
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Die
zweite Baugruppe oder Anordnung enthält eine im Wesentlichen kreisringförmig gestaltete zweite
supraleitende Hauptspule, eine im Wesentlichen kreisringförmig gestaltete
zweite supraleitende Abschirmspule und ein magnetisierbares und
im Wesentlichen zylindrisch geformtes zweites Polstück oder
einen zweiten Polschuh. Die zweite supraleitende Hauptspule ist
in Längsrichtung
von der ersten supraleitenden Hauptspule beabstandet angeordnet, weist
eine im Wesentlichen in Längsrichtung
verlaufende zweite Achse auf, die zu der ersten Achse im Wesentlichen
koaxial ausgerichtet ist, und leitet einen zweiten elektrischen
Hauptstrom in der vorerwähnten
ersten Richtung. Die zweite supraleitende Abschirmspule ist zu der
zweiten Achse im Wesentlichen koaxial ausgerichtet und in Längsrichtung
außerhalb
und entfernt von der zweiten supraleitenden Hauptspule beabstandet
angeordnet. Die zweite supraleitende Abschirmspule überlappt
die zweite supraleitende Hauptspule in Radialrichtung wenigstens teilweise
und führt
einen zweiten elektrischen Abschirmstrom in der vorerwähnten entgegengesetzten Richtung.
Das zweite Polstück
oder der zweite Polschuh ist in Längsrichtung im Abstand und
ohne einen magnetisierbaren festen Pfad zu dem ersten Polschuh angeordnet.
Das zweite Polstück
ist zu der zweiten Achse im Wesentlichen koaxial ausgerichtet und
im Abstand zu der zweiten supraleitenden Haupt- und Abschirmspule
angeordnet. Das zweite Polstück
weist einen zweiten radial äußeren Abschnitt
auf, der wenigstens teilweise die zweite supraleitende Hauptspule
in Radialrichtung überlappt, und
umfasst einen zweiten in Längsrichtung
inneren Abschnitt, der eine im Wesentlichen ringförmige Gestalt
aufweist, der zu der zweiten Achse im Wesentlichen koaxial ausgerichtet
ist, der radial näher
an dem zweiten radial äußeren Abschnitt
als an der zweiten Achse positioniert ist und der in Längsrichtung
nach innen an dem in Längsrichtung äußeren Ende
der zweiten supraleitenden Hauptspule vorbei vorragt. In einer beispielhaften
Konstruktion bestehen die Polstücke
im Wesentlichen aus Eisen.
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Aus
der Erfindung ergeben sich mehrere Nutzen und Vorteile. Das Polstück vergrößert die Stärke des
Magnetfeldes, so dass weniger Supraleiter in der Hauptspule benötigt wird.
Der radial äußere Abschnitt
des Polstücks
sorgt für
einen teilweisen Magnetrückfluss
für die
Hauptspule, was die in dem Polstück
erforderliche Eisenmenge reduziert und was die Menge des in der
Hauptspule benötigten
Supraleiters verringert. Der radial äußere Abschnitt des Polstücks entkoppelt
ferner die Abschirmspule von der Hauptspule magnetisch, so dass
die Magnetflusslinien von der Abschirmspule durch den radial äußeren Abschnitt
des Polstücks
aufgefangen werden und die Magnetflusslinien von der Hauptspule nicht
erreichen. Somit muss die Eisenmasse des Polstücks nicht erhöht werden,
und auch die Menge des Supraleiters in der Hauptspule muss nicht
vergrößert werden,
um die feldabziehenden Effekte der Magnetflusslinien von der Abschirmspule
zu kompensieren, weil diese durch die Gegenwart des radial äußeren Abschnitts
des Polstücks
blockiert werden. Computersimulationen zeigen, dass ein Magnet von
0,75 Tesla gemäß der vorliegenden
Erfindung im Allgemeinen 750 Pfund eines Supraleiters verwendet,
was einen Magneten ergibt, der im Wesentlichen 15.000 Pfund wiegt
(der ausreichend leicht ist, um in einer medizinischen Einrichtung
eingebaut zu werden) und der lediglich die Hälfte von dem, was ein nutzbarer äquivalenter
herkömmlicher
Magnet kosten würde, oder
weniger kostet.
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Ausführungsformen
der Erfindung sind nun zu Beispielszwecken mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
schematisierte Frontansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform
des offenen supraleitenden Magnetes gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische Draufsicht auf den Magneten nach 1,
betrachtet von oben;
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3 eine
schematisierte Querschnittsansicht des Magnetes nach 1 und 2,
geschnitten längs
der Linien 3-3 nach 2,
wobei ein Kryokühler-Kühlkopf hinzugefügt ist;
und
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4 eine
detaillierte schematisierte Ansicht eines Teils des in 3 veranschaulichten
Magnetes ohne das flüssige
kryogene Medium.
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Bezugnehmend
nun auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen durchwegs ähnliche oder
gleiche Elemente repräsentieren,
veranschaulichen 1–4 eine bevorzugte
Ausführungsform des
offenen supraleitenden Magnetes 10 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Vorzugsweise ist der Magnet 10 ein Magnet mit einer Stärke von
0,5 Tesla oder mehr. Der Magnet 10 enthält eine erste Baugruppe oder
Anordnung 12. Die erste Anordnung oder Baugruppe 12 enthält eine
im Wesentlichen ringförmig gestaltete
erste supraleitende Hauptspule 14, die eine im Wesentlichen
in Längsrichtung
verlaufende erste Achse 16 aufweist, ein in Längsrichtung
inneres Ende 18 aufweist und ein in Längsrichtung äußeres Ende 20 aufweist.
Die erste supraleitende Hauptspule 14 führt einen ersten elektrischen
Hauptstrom in einer ersten Richtung. Die erste Richtung ist als
die entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn verlaufende
Umfangsrichtung um die erste Achse 16 definiert, wobei
eine geringe Komponente der Stromrichtung in Längsrichtung vernachlässigt wird.
Es ist zu beachten, dass zusätzliche
erste supraleitende Hauptspulen erforderlich sein können, um
in dem Bildgebungsvolumen des Magnetes eine hohe Magnetfeldstärke zu erreichen,
ohne die kritische Stromdichte des in den supraleitenden Spulen eingesetzten
Supraleiters zu überschreiten,
wie dies für
einen Fachmann allgemein bekannt ist. Ein bevorzugter Supraleiter
für die
erste supraleitende Hauptspule 14 ist durch Niobtitan gebildet.
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Die
erste Anordnung 12 enthält
ferner eine im Wesentlichen ringförmig gestaltete erste supraleitende
Abschirmspule 22, die zu der ersten Achse 16 im
Wesentlichen koaxial ausgerichtet ist. Die erste supraleitende Abschirmspule 22 ist
in Längsrichtung außerhalb
und entfernt von der ersten supraleitenden Hauptspule 14 beabstandet
angeordnet und überlappt
wenigstens teilweise radial die erste supraleitende Hauptspule 14.
Für die
Zwecke der Beschreibung der Erfindung bedeutet die Aussage, dass
eine erste Magnetkomponente eine zweite Magnetkomponente „wenigstens
teilweise radial überlappt", dass die beiden
Komponenten miteinander zusammenstoßen würden, wenn sie bei Beseitigung
jeglicher dazwischen angeordneter Magnetkomponenten in einer zu
der Längsachse
parallelen Richtung aufeinander zu bewegt würden. Es ist zu beachten, dass
eine erste Komponente eine zweite Komponente nur dann vollständig radial überlappen
kann, wenn die erste Komponente eine radiale Dicke aufweist, die
gleich oder größer ist
als die radiale Dicke der zweiten Komponente. Die erste supraleitende
Abschirmspule 22 leitet einen ersten elektrischen Abschirmstrom
in einer zu der vorstehend definierten ersten Richtung entgegengesetzten
Richtung. Ein bevorzugter Supraleiter für die erste supraleitende Abschirmspule 22 ist
durch Niobtitan gebildet.
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Die
erste Anordnung 12 enthält
zusätzlich ein
magnetisierbares und im Wesentlichen zylindrisch geformtes erstes
Polstück
oder einen Polschuh 24, das bzw. der zu der ersten Achse 16 im
Wesentlichen koaxial ausgerichtet und im Abstand zu der ersten supraleitenden
Hauptspule und der ersten supraleitenden Abschirmspule 14 bzw. 22 angeordnet ist.
Das erste Polstück 24 weist
einen ersten radial äußeren Abschnitt 26 auf,
der wenigstens teilweise die erste supraleitende Hauptspule 14 radial überlappt.
Das erste Polstück 24 weist
ferner einen ersten in Längsrichtung
inneren Abschnitt 28 auf, der eine im Wesentlichen kreisringförmige Gestalt
aufweist und zu der ersten Achse 16 im Wesentlichen koaxial ausgerichtet
ist. Der erste in Längsrichtung
innere Abschnitt 28 ist in Radialrichtung näher an dem
ersten radial äußeren Abschnitt 26 als
an der ersten Achse 16 angeordnet, wobei der erste in Längsrichtung
innere Abschnitt 28 in Längsrichtung nach innen über das
in Längsrichtung äußere Ende 20 der
ersten supraleitenden Hauptspule 14 hinweg vorragt. Vorzugsweise
umfasst das erste Polstück 24 im Wesentlichen
ein ferromagnetisches Material. In einer bevorzugten Ausgestaltung
besteht das erste Polstück 24 im
Wesentlichen aus Eisen.
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Der
offene supraleitende Magnet 10 enthält ferner eine zweite Anordnung
oder Baugruppe 30. Die zweite Anordnung oder Baugruppe 30 enthält eine
im Wesentlichen ringförmig
gestaltete zweite supraleitende Hauptspule 32, die von
der ersten supraleitenden Hauptspule 14 in Längsrichtung
beabstandet angeordnet ist. Die zweite supraleitende Hauptspule 32 weist
eine im Wesentlichen in Längsrichtung
verlaufende zweite Achse 34 auf, die zu der ersten Achse 16 im
Wesentlichen koaxial ausgerichtet ist. Die zweite supraleitende
Hauptspule 32 weist ferner ein in Längsrichtung inneres Ende 36 und
ein in Längsrichtung äußeres Ende 38 auf.
Die in Längsrichtung
inneren Enden 18 und 36 der ersten und der zweiten
supraleitenden Hauptspule 14 und 32 liegen in
Längsrichtung
näher aneinander
als die in Längsrichtung äußeren Enden 20 und 38 der
ersten und der zweiten supraleitenden Hauptspule 14 und 32. Die
zweite supraleitende Hauptspule 32 führt einen zweiten elektrischen
Hauptstrom in der vorerwähnten ersten
Richtung. Es ist zu beachten, dass zusätzliche zweite supraleitende
Hauptspulen benötigt
sein können,
um beliebige zusätzliche
erste supraleitende Hauptspulen, die in der ersten Anordnung enthalten sind,
auszugleichen, wie dies für
einen Fachmann allgemein bekannt ist. Ein bevorzugter Supraleiter
für die
zweite supraleitende Hauptspule 32 ist durch Niobtitan
gebildet.
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Die
zweite Anordnung 30 enthält ferner eine im Wesentlichen
kreisringförmig
gestaltete zweite supraleitende Abschirmspule 40, die zu
der zweiten Achse 34 im Wesentlichen koaxial ausgerichtet
ist. Die zweite supraleitende Ab schirmspule 40 ist in Längsrichtung
nach außen
und entfernt von der zweiten supraleitenden Hauptspule 32 beabstandet
angeordnet und überlappt
in Radialrichtung die zweite supraleitende Hauptspule 32 wenigstens
zum Teil. Die zweite supraleitende Abschirmspule 40 führt einen zweiten
elektrischen Abschirmstrom in der vorstehend definierten entgegengesetzten
Richtung. Ein bevorzugter Supraleiter für die zweite supraleitende Abschirmspule 40 ist
durch Niobtitan gebildet.
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Die
zweite Anordnung 30 enthält zusätzlich ein magnetisierbares
und im Wesentlichen zylindrisch geformtes zweites Polstück oder
einen zweiten Polschuh 42, das bzw. der in Längsrichtung
von dem ersten Polstück 24 beabstandet
ist und keinen magnetisierbaren festen Pfad zu dem ersten Polstück 24 aufweist.
Das zweite Polstück 42 ist
zu der zweiten Achse 34 im Wesentlichen koaxial ausgerichtet
und zu der zweiten supraleitenden Haupt- und Abschirmspule 32 und 40 im
Abstand angeordnet. Das zweite Polstück 42 weist einen
zweiten radial äußeren Abschnitt 44 auf,
der die zweite supraleitende Hauptspule 32 wenigstens teilweise
radial überlappt. Das
zweite Polstück 42 weist
ferner einen zweiten in Längsrichtung
inneren Abschnitt 46 auf, der eine im Wesentlichen kreisringförmige Gestalt
aufweist und der zu der zweiten Achse 34 im Wesentlichen
koaxial ausgerichtet ist. Der zweite in Längsrichtung innere Abschnitt 46 ist
in Radialrichtung an dem zweiten radial äußeren Abschnitt 44 näher als
an der zweiten Achse 34 angeordnet, wobei der zweite in
Längsrichtung
innere Abschnitt 46 in Längsrichtung nach innen an dem
in Längsrichtung äußeren Ende 38 der
zweiten supraleitenden Hauptspule 32 vorbei vorragt. Vorzugsweise
umfasst das zweite Polstück 42 im Wesentlichen
ein ferromagnetisches Material. In einer bevorzugten Kon struktion
besteht das zweite Polstück 42 im
Wesentlichen aus Eisen.
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In
einer beispielhaften Konstruktion enthält der offene supraleitende
Magnet 10 lediglich ein einzelnes Träger- oder Halterungselement 48,
das die erste und die zweite Anordnung 12 und 30 miteinander
verbindet, wobei das Halterungselement 48 durch ein nicht
magnetisierbares Trägerelement
gebildet ist, das vorzugsweise im Wesentlichen aus einem nicht magnetischen
korrosionsbeständigen Stahl
besteht. Vorzugsweise weisen das Trägerelement 48 und
die erste sowie die zweite Anordnung 12 und 30 gemeinsam
eine im Wesentlichen „C"-förmige Gestalt
auf, wenn sie in einem Querschnitt betrachtet werden, der durch
eine Schnittebene erzeugt wird, in dem die erste Achse 16 vollständig in
der Schnittebene liegt und in dem die Schnittebene das Trägerelement 48 im
Wesentlichen halbiert. Es ist zu beachten, dass der vorstehend definierte
Querschnitt der in 3 veranschaulichte Querschnitt
ist, wobei die „C"-förmige Gestalt
durch eine Drehung der 3 um 90 Grad gegen den Uhrzeigersinn
ersichtlich ist.
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Vorzugsweise
bildet die zweite Anordnung 30 im Wesentlichen ein Spiegelbild
der ersten Anordnung 12 in Bezug auf eine (in 3 in
Form einer gestrichelten Linie hochkant stehend ersichtlichen) Ebene 50,
die in Längsrichtung
zwischen der ersten und der zweiten Anordnung 12 und 30 im
gleichen Abstand zu diesen angeordnet und im Wesentlichen senkrecht
zu der ersten Achse 16 ausgerichtet ist. Wenn der Magnet 10 als
ein MR-(Magnetresonanz-)Bildgebungsmagnet eingesetzt wird, enthält der Magnet 10 ein
Magnetresonanz-Bildgebungsvolumen 52 (in
den 1–3 durch
gestrichelte Linien veranschaulicht), das im Wesentlichen in Längsrich tung
gleichmäßig beabstandet
zwischen der ersten und der zweiten Anordnung 12 und 30 angeordnet
ist. Es wird bevorzugt, dass das Bildgebungsvolumen durch ein im
Wesentlichen kugelförmiges
Bildgebungsvolumen mit einem Mittelpunkt 54 gebildet ist,
der im Wesentlichen auf der ersten Achse 16 liegt. In den 1 und 2 ist
ein Patient 55 in einer Bildaufnahmeposition veranschaulicht.
Auf eine für
den Fachmann bekannte Weise können
der Magnet 10 und der Patient 55 aus ihren Stellungen
heraus, wie sie in den 1 und 2 veranschaulicht
sind, um 90 Grad im Uhrzeigersinn gedreht werden, wobei der Patient
auf einem Patiententisch geeignet gestützt ist.
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Es
ist zu beachten, dass die supraleitenden Spulen 14, 22, 32 und 40 vorzugsweise
durch eine Flüssigheliumkühlung (oder
eine Kühlung
mit sonstigem kryogenen Medium), durch eine Kryokühler-Kühlung oder
durch eine Kombination von diesen auf eine Temperatur unterhalb
ihrer kritischen Temperatur gekühlt
sind, um eine Supraleitung zu erreichen und aufrecht zu erhalten.
In einer ersten Kühlauswahl,
wie sie in der ersten Anordnung 12 veranschaulicht ist,
enthält
der Magnet 10 ferner einen ersten Kryogenbehälter oder
Tieftemperatur-Kältemittelbehälter 56,
der die erste supraleitende Haupt- und Abschirmspule 14 und 22 umgibt,
wobei das erste Polstück 24 außerhalb
des ersten Tieftemperatur-Kältemittelbehälters oder
-gefäßes 56 und
im Abstand zu diesem angeordnet ist. Der erste Tieftemperatur-Kältemittelbehälter 56 enthält ein flüssiges kryogenes
Medium 58, wie beispielsweise flüssiges Helium. Vorzugsweise
besteht der erste Tieftemperatur-Kältemittelbehälter 56 im
Wesentlichen aus Aluminium oder nicht magnetischem nicht rostendem Stahl.
Hier enthält
der Magnet 10 weiterhin mehrere Platten 60, 62, 64, 66 und 68,
die gemeinsam mit dem ersten Polstück 24 ein erstes Vakuumgehäuse oder
eine erste Vakuumumhüllung 70 bilden,
das bzw. die den ersten Tieftemperatur-Kältemittelbehälter 56 umgibt
und von diesem beabstandet angeordnet ist. Vorzugsweise bestehen
die Platten 60, 62, 64, 66 und 68 im
Wesentlichen aus nicht magnetischem nicht rostendem Stahl.
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In
einer zweiten Kühlauswahl,
wie sie in der zweiten Anordnung 30 veranschaulicht ist,
enthält der
Magnet 10 ferner einen Kryokühler-Kühlkopf 72, der ein
Gehäuse 74 aufweist,
das an dem zweiten Vakuumgehäuse 76 befestigt
ist und eine Kältestufe 78 aufweist,
die mit der zweiten supraleitenden Haupt- und Abschirmspule 32 und 40 in
festem Wärmeleitungskontakt
steht. Weitere (in den Figuren nicht veranschaulichte) Kühloptionen
umfassen diejenige, bei der jede Anordnung ihr eigenes Tieftemperatur-Kühlmittelgefäß aufweist,
wobei das flüssige kryogene
Medium in einem Tieftemperatur-Kühlmittelgefäß mit dem
flüssigen
kryogenen Medium in dem anderen Tieftemperatur-Kühlmittelgefäß über eine von dem Trägerelement
gesonderte Verbindungsleitung in Strömungsverbindung steht. Alternativ
kann in der Verbindungsleitung ein fester Wärmeleitungsweg angeordnet sein,
der dem Kryokühler-Kühlkopf an
dem zweiten Vakuumgehäuse
ermöglicht,
auch die supraleitende Haupt- und Abschirmspule in dem ersten Vakuumgehäuse zu kühlen.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform,
wie sie in 3 zu sehen ist, ist der erste
radial äußere Abschnitt 26 durch
einen radial äußersten
Abschnitt 80 des ersten Polstücks 24 gebildet, während der erste
in Längsrichtung
innere Abschnitt 28 durch einen in Längsrichtung innersten Abschnitt 82 des
ersten Polstücks 24 gebildet
ist. Vorzugsweise ist die erste supraleitende Abschirmspule 22 in Längsrichtung
nach außen
entfernt von dem ersten Polstück 24 beabstandet
angeordnet. Es wird bevorzugt, dass die erste supraleitende Abschirmspule 22 den
radial äußersten
Abschnitt 80 des ersten Polstücks 24 in Radialrichtung
teilweise überlappt
und die erste supraleitende Hauptspule 14 in Radialrichtung
im Wesentlichen vollständig überlappt.
Wünschenswerterweise ragt
der in Längsrichtung
innerste Abschnitt 82 des ersten Polstücks 84 in Längsrichtung
nach innen an dem in Längsrichtung
inneren Ende 18 der ersten supraleitenden Hauptspule 14 vorbei
vor. Vorzugsweise ist die erste supraleitende Hauptspule 14 in
Längsrichtung
näher an
dem radial äußersten
Abschnitt 80 des ersten Polstücks 24 angeordnet
als die erste supraleitende Abschirmspule 22. In einer
bevorzugten Ausgestaltung ist der Magnet 10 nach 3 ein
Magnet mit einer Stärke
von im Wesentlichen 0,75 Tesla.
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Es
sollte erwähnt
werden, dass ein Fachmann unter Verwendung von auf herkömmlichen
Magnetfeldanalysetechniken basierenden Computersimulationen und
unter Verwendung der Lehre der vorliegenden Erfindung einen abgeschirmten
und offenen Magneten mit einer gewünschten Magnetfeldstärke, einem
gewünschten
Niveau der Magnetfeldinhomogenität
und einem gewünschten
Abschirmgrad (d. h. einer gewünschten
Position des 5-Gauß-Streufeldes
von dem Mittelpunkt des Bildgebungsvolumens des offenen supraleitenden
Magnetes) gestalten kann. Wie in 3 veranschaulicht,
ist zu beachten, dass eine derartige Analyse zeigt, dass eine koaxial
ausgerichtete Eisenscheibe aus dem in Längsrichtung äußeren Bereich 84 des
ersten Polstücks 24 entfernt
werden kann, ohne das Verhalten des Magnetes 10 zu beeinträchtigen,
wie dies für
einen Fachmann ohne weiteres verständlich ist. Wie oben erwähnt, erhöht das Polstück die Stärke des Magnetfeldes,
so dass weniger Supraleiter in der Hauptspule erforderlich ist.
Der radial äußerste Abschnitt
des Polstücks
schafft einen teilweisen magnetischen Rückfluss für die Hauptspule, was den Bedarf an
Eisen in dem Polstück
reduziert und wodurch auch die Menge des in der Hauptspule benötigten Supraleiters
verringert ist. Der radial äußerste Abschnitt
des Polstücks
entkoppelt ferner magnetisch die Abschirmspule von der Hauptspule,
so dass die Magnetflusslinien von der Abschirmspule durch den radial äußersten
Abschnitt des Polstücks
aufgefangen werden und die Magnetflusslinien von der Hauptspule
nicht erreichen. Somit muss die Eisenmasse des Polstücks nicht
erhöht
werden, und die Menge des Supraleiters in den Hauptspulen muss auch
nicht erhöht
werden, um die Feld abziehenden Effekte der von der Abschirmspule
herrührenden
Magnetfeldlinien zu kompensieren, weil diese durch den vorhandenen
radial äußeren Abschnitt
des Polstücks blockiert
werden. Computersimulationen zeigen, dass ein Magnet von 0,75 Tesla
gemäß der vorliegenden
Erfindung im Wesentlichen 750 Pfund eines Supraleiters verwendet,
was einen Magneten ergibt, der im Wesentlichen 15.000 Pfund wiegt
(der ausreichend leicht ist, um in einer medizinischen Einrichtung
eingebaut zu werden) und der lediglich die Hälfte von dem, was ein nutzbarer äquivalenter
herkömmlicher
Magnet kosten würde,
oder sogar weniger kostet.
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Gewöhnlich sind
ein oder mehrere Wärmeschirme
zu der supraleitenden Hauptspule und der supraleitenden Abschirmspule
im Abstand angeordnet und umgeben diese. Bei einer Kryogenmittelkühlung sind
derartige Wärmeschirme
außerhalb
des Tieftemperatur-Kältemittelgefäßes angeordnet.
Es ist zu beachten, dass der Magnet 10 darüber hinaus
bedarfsweise Wärmeabstandshalter
und Spulenformen enthält,
wie sie für einen
Fachmann allgemein bekannt sind, um die Magnetkomponenten genau
im Abstand zu halten und zu stützen.
In einer bevorzugten Konstruktion, wie sie in 4 veranschaulicht
ist, enthält
der Magnet 10 ferner einen ersten Wärmeschirm 86, einen
inneren Halterungs- oder Trägerzylinder 88 sowie
einen äußeren Träger- oder
Halterungszylinder 90. Der erste Wärmeschirm 86 ist zwischen
dem ersten Tieftemperatur-Kältemittelbehälter 56 und
dem ersten Vakuumgehäuse 70 und
im Abstand zu diesen angeordnet. Der innere Trägerzylinder 88 ist
zu der ersten Achse 16 im Wesentlichen koaxial ausgerichtet,
in Längsrichtung
außerhalb
des ersten Polstücks 24 angeordnet,
weist ein erstes Ende, das an dem ersten Vakuumgehäuse 70 gesichert ist,
und ein zweites Ende auf, das an dem ersten Wärmeschirm 86 befestigt
ist. Der äußere Trägerzylinder 90 ist
zu der ersten Achse 16 im Wesentlichen koaxial ausgerichtet,
in Längsrichtung
außerhalb
des ersten Polstücks 24 angeordnet,
weist ein erstes Ende, das an dem ersten Wärmeschirm 86 gesichert
ist, und ein zweites Ende auf, das an dem ersten Tieftemperatur-Kältemittelbehälter 56 befestigt
ist. Vorzugsweise erstreckt sich der innere Trägerzylinder 88 in
Längsrichtung über eine
Strecke hinweg, die im Wesentlichen gleich der Strecke ist, über die
sich der erste Wärmeschirm 86 in
Längsrichtung
nach außen von
dem ersten Polstück 24 erstreckt,
während
sich der äußere Trägerzylinder 90 in
Längsrichtung über eine
Strecke hinweg erstreckt, die im Wesentlichen gleich der Strecke
ist, über
die sich der erste Tieftemperatur-Kältemittelbehälter 56 in
Längsrichtung
von dem ersten Polstück 24 nach
außen
erstreckt. In einer bevorzugten Konstruktion besteht der erste Wärmeschirm 86 im
Wesentlichen aus Aluminium, während
der innere und der äußere Trägerzylinder 88 und 90 im
Wesentlichen aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, beispielsweise
einem Verbundwerkstoff mit Kohlefaser oder Glasfaser, bestehen. Vorzugsweise
wird die oben beschriebene Sicherung der Enden der nicht metallischen
Trägerzylinder
dadurch bewerkstelligt, dass ein gerundeter Rand in den Enden der
Trägerzylinder
ausgebildet wird und Metallringe verwendet werden, um die Ränder aufzunehmen,
wobei einige dieser Ringe auf eine geeignete Weise, und wie von
einem Fachmann ohne weiteres zu erkennen, an dem metallischen Vakuumgehäuse, dem
metallischen Wärmeschirm
oder dem metallischen Tieftemperatur-Kältemittelbehälter befestigt
sein können.
Es ist zu beachten, dass der innere und der äußere Trägerzylinder 88 und 90 unter Spannung
stehen und ein Obersystem zur mechanischen Abstützung der Magnetkomponenten
in dem ersten Vakuumgehäuse 70 gegen
die magnetischen Kräfte,
die durch den Magneten 10 erzeugt werden, bilden, wie dies
für einen
Fachmann ohne weiteres verständlich
ist. Die erste supraleitende Abschirmspule 22 weist ein Überband 92 aus
Aluminium (mit einer dazwischen liegenden Faserglasisolation) auf, das
an dem ersten Tieftemperatur-Kältemittelbehälter 56 anliegt
und auf einem Faserglas-Spulenformkörper 94 gewickelt
ist, der durch einzelne Aluminiumklammern 96 (von denen
lediglich eine einzelne veranschaulicht ist) gehaltert ist, die
an dem ersten Tieftemperatur-Kältemittelbehälter 56 befestigt
sind. Diskrete diagonale Streben 98 aus Aluminium (von denen
lediglich eine einzelne veranschaulicht ist) versteifen den ersten
Tieftemperatur-Kühlmittelbehälter 56 im
Inneren. Die erste supraleitende Hauptspule 14 weist ein
Aluminiumüberband 100 (mit
einer dazwischen liegenden Faserglasisolation) auf und ist über einem
Faserglas-Spulenformkörper 102 gewickelt,
der an dem ersten Tieftemperatur-Kältemittelbehälter 56 befestigt
ist und der einen Flansch 104 mit Strömungskanälen 106 für Helium
aufweist. Zwischen der ersten supraleitenden Hauptspule 14 und
dem ersten Tieftemperatur- Kältemittelbehälter 56 ist
eine dazwischen liegende Faserglasisolation vorgesehen. Diskrete
Aluminiumklammern 108 (von denen lediglich eine einzelne
veranschaulicht ist) und ein Stützring 110 umgeben
das Überband 100,
wie dies in 4 veranschaulicht ist.