EP0215832B1 - Aimant solenoidal a haute homogeneite de champ magnetique - Google Patents

Aimant solenoidal a haute homogeneite de champ magnetique Download PDF

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EP0215832B1 EP86901415A EP86901415A EP0215832B1 EP 0215832 B1 EP0215832 B1 EP 0215832B1 EP 86901415 A EP86901415 A EP 86901415A EP 86901415 A EP86901415 A EP 86901415A EP 0215832 B1 EP0215832 B1 EP 0215832B1
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General Electric CGR SA
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/20—Electromagnets; Actuators including electromagnets without armatures
    • H01F7/202—Electromagnets for high magnetic field strength

Definitions

  • the invention generally relates to a solenoidal magnet with high homogeneity of magnetic field, consisting of several coils spaced from each other; more particularly, it relates to a connection structure between the coils, making it possible to avoid the creation of components of stray fields.
  • NMR imaging installations require a large magnet capable of generating a uniform magnetic field in a determined region of space. Typically, it is necessary to generate a magnetic field of 0.15 to 0.5 teslas with a homogeneity of 1 to 10 parts per million (ppm) in a sphere of at least 40 cm in diameter.
  • the invention relates to a solenoid magnet with high homogeneity of magnetic field, consisting of a set of coils of the same inside and outside diameter of a coil with respect to the others, spaced apart from each other by distances chosen along of a common axis, said coils being connected in series, characterized in that each coil is connected to the neighboring coil by two groups of conductors symmetrical with respect to a plane passing through said axis and by the connection points of said neighboring coils, so that the current components in said groups of conductors, create ampere-turns in opposition, at any point in the space between said coils, such that the magnetic field components generated by these components and current cancel each other out.
  • each of the two aforementioned groups of conductors is embodied by one or more circular conductive rings, each group thus comprising the parts of rings situated on either side of the aforementioned plane.
  • This or (preferably) these rings are arranged substantially transversely to said axis while being slightly deformed to define, each, two substantially helical and opposite half-turns.
  • this or these rings are connected to the connection points of said coils on the one hand and / or between them on the other hand, by successively diametrically opposite junctions. In other words, if a single ring is used (case of a relatively small spacing between two adjacent coils), this is connected to the two connection points of the two adjacent coils at diametrically opposite points.
  • the first ring is connected to a coil end at a first connection point and to an adjacent ring at a second diametrically connection point opposite and so on until the connection of the last ring with the end of the other coil.
  • Bitter coils are well known for the production of strong magnetic fields.
  • the structure proposed by Bitter is a coil made up of metallic annular discs (generally made of copper or aluminum), split to form as many turns and connected to define a substantially helical winding with flat turns.
  • the stack of discs is maintained by a plurality of tie rods.
  • This structure is advantageous because it allows efficient cooling of the magnet, by making holes in the discs (and in the insulators separating these discs), these holes being arranged in the same configuration from one disc to another to materialize.
  • a set of channels parallel to the axis of the coil in which circulates a cooling fluid, for example deionized water, kerosene or oil.
  • the invention preferably applies to a magnet constructed from such Bitter coils insofar as, in particular, at least some of the above-mentioned tie rods can be used to produce the current return conductors, distributing this current over a surface substantially cylindrical and coaxial with the coils, as indicated above.
  • a solenoid magnet 11 with annular discs of Bitter known per se, consisting of seven coils 13a, 14a, 15a, 16, 13b, 14b, 15b aligned along the same main axis of symmetry z'z.
  • NMR imaging it is possible to obtain a magnetic field of required homogeneity in a sphere of interest of sufficient volume whose center 0 is coincident with that of the magnet, by choosing the lengths of the coils and the spacings between these coils.
  • the magnet is symmetrical with respect to a transverse plane passing through O.
  • a possible method of calculating the characteristics of the coils of the magnet and the spacings between these coils is indicated in document WO 86/03882 published on 03.07. 86, filed by the Applicant, and is not part of the invention presently described.
  • the term “Bitter coil” is understood to mean any coil meeting the definition recalled above.
  • the radially split discs constituting the turns are connected, for example welded, end to end and held in a tight stack by means of a plurality of tie rods 18a or 18b regularly distributed over a cylindrical surface of axis z ' z. All the coils are connected in series.
  • the current source not shown, is for example connected to the external end of the coil 13a.
  • the tie rods 18a are in several sections specific to each coil; they do not extend into the spaces defined between them.
  • the tie rods 18b extend over the entire length of the magnet and are therefore common to all the coils.
  • This plate is also in electrical contact with the tie rods 18b so that this arrangement defines a sort of squirrel cage connected in series as a whole with the coils of the magnet, the tie rods 18b being traversed by substantially equal fractions of the current. total crossing the coils.
  • the tie rods of the Bitter coils it is not essential to use the tie rods of the Bitter coils to compensate for the axial component of the current. If this compensation is sought, a simple cylindrical tubular casing external to the coils and coaxial can be used to ensure the return of current.
  • One can also use a "squirrel cage" defined from other conductive rods than the tie rods.
  • each group of conductors mentioned above consists of the halves of two circular conductive rings 28, 29 situated respectively by the same side of the plane P.
  • each ring 28 or 29 consists of several (for example two) concentric circular conductors 30 and 31 fixed by any suitable means to connecting pieces 35, 36, 37.
  • the ring 28 is fixed at the end 25 of the coil 15b by a metallic connecting piece 35.
  • the ring 29 is fixed to the end 26 of the coil 14b by a similar metallic connecting piece 36.
  • the rings 28 and 29 are connected to each other by a metallic connecting piece 37 diametrically opposite to the pieces 35 and 36.
  • Two tie rods 18a located in the plane P and belonging respectively to the two coils to be connected are used to fix the connecting pieces 35 and 36 at the ends of these coils (mounting holes 40).
  • one of the tie rods 18b provided with its spacer crosses the connecting piece 37 (hole 41).
  • the other tie rods 18b pass between the two concentric conductors 30 and 31 of each ring. These are of rectangular section and are fixed by screws and / or welded to the various connection pieces (see Figures 2 and 3).
  • the conductive rings 28 and 29 are arranged substantially transversely to the axis while being slightly deformed longitudinally to each define two approximately helical half-turns and opposite, symmetrical with respect to the plane P. Consequently, at the output of the coil 15b considered, the current is also shared in the two half-turns and the current components flowing in the two half-turns of the same ring create amperes- towers in opposition, this at any point in the space between coils. Substantially no axial magnetic field is therefore generated by the connection system between the coils. Furthermore, as mentioned previously, the axial current component, however small it may be, can be fairly precisely compensated by the current return tie rods.
  • the magnet coils are actually Bitter coils
  • the number of rings used in a given space between two coils will depend on the length of this space.

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Abstract

Structure de raccordement entre bobines de Bitter espacées, dans un aimant à champ homogène. Selon l'invention, l'aimant est constitué de plusieurs bobines de Bitter espacées les unes des autres et deux bobines voisines sont connectées par deux groupes de conducteurs (g1, g2) symétriques par rapport à un plan (P) et dans lesquels les composants de courant créent des ampères tours en opposition. Application à l'imagerie par RMN.

Description

  • L'invention a généralement pour objet un aimant solénoïdal à haute homogénéité de champ magnétique, constitué de plusieurs bobines espacées les unes des autres; elle a plus particulièrement pour objet une structure de raccordement entre les bobines, permettant d'éviter la création de composantes de champs parasites.
  • On sait que les installations d'imagerie par RMN nécessitent un aimant de grandes dimensions capable d'engendrer un champ magnétique uniforme dans une région déterminées de l'espace. Typiquement, il est nécessaire d'engendrer un champ magnétique de 0,15 à 0,5 teslas avec une homogénéité de 1 à 10 parties par million (ppm) dans une sphère de 40 cm de diamètre au moins.
  • Il est connu de réaliser un tel aimant à partir d'un ensemble de bobines espacées les unes des autres de distances choisies, le long d'un axe commun. Dans le document WO 86/03882, publié le 03.07.86, la Demanderesse décrit une méthode de calcul des caractéristiques d'un tel aimant constitué de bobines ayant toutes le même diamètre intérieur et extérieur et plus particulièrement constitué de bobines de type Bitter. Dans le calcul d'un tel aimant, on suppose qu'aucun courant en circulation dans les espaces entre bobines n'est susceptible de créer de champ magnétique. Or, les bobines sont reliées en série et des conducteurs de liaison traversent nécessairement ces espaces. L'invention concerne plus spécifiquement une structure de liaison entre bobines, agencée pour éviter la formation de composantes de champs parasites entre lesdites bobines.
  • Dans cet esprit, l'invention concerne un aimant solénoïdal à haute homogénéité de champ magnétique, constitué d'un ensemble de bobines de même diamètre intérieur et extérieur d'une bobine par rapport aux autres, espacées les unes des autres de distances choisies le long d'un axe commun, lesdites bobines étant connectées en série, caractérisé en ce que chaque bobine est connectée à la bobine voisine par deux groupes de conducteurs symétriques par rapport à un plan passant par ledit axe et par les points de connexion desdites bobines voisines, de façon que les composantes de courant dans lesdits groupes de conducteurs, créent des ampères-tours en opposition, en tout point de l'espace entre lesdites bobines, tel que les composantes de champ magnétique engendrées par ces composantes et courant s'annulent mutuellement.
  • Selon un mode de réalisation spécifique, chacun des deux groupes de conducteurs précités est matérialisé par un ou plusieurs anneaux conducteurs circulaires, chaque groupe comportant ainsi les parties d'anneaux situées de part et d'autre du plan précité. Ce ou (de préférence) ces anneaux sont agencés sensiblement transversalement audit axe tout en étant légèrement déformés pour définir, chacun, deux demi-spires sensiblement hélicoïdales et opposées. En outre, ce ou ces anneaux sont connectés aux points de connexion desdites bobines d'une part et/ou entre eux d'autre part, par des jonctions successivement diamétralement opposées. Autrement dit, si un seul anneau est utilisé (cas d'un espacement relativement faible entre deux bobines adjacentes), celui- ci est connecté aux deux poits de connexion des deux bobines adjacentes en des points diamétralement opposés. Si en revanche on utilise plusieurs anneaux, connectés bout à bout pour traverser l'espace entre deux bobines, alors le premier anneau est connecté à une extrémité de bobine en un premier point de connexion et à un anneau voisin en un second point de connexion diamétralement opposé et ainsi de suite jusqu'à la liaison du dernier anneau avec l'extrémité de l'autre bobine.
  • Avec la structure décrite jusqu'à présent, on peut estimer, en première approximation, que les composantes de champ magnétique engendrées par ces composantes de courant s'annulent mutuellement. Il subsiste une composante longitudinale du courant dirigée selon l'axe commun des bobines, laquelle dépend notamment du pas d'hélice des conducteurs de liaison. Cette composante de courant est toujours faible (surout si on augmente le nombre d'anneaux connectés bout à bout) et crée peu de champ. Si les circonstances l'exigent, elle peut aussi être compensée en mettant à profit le retour de courant vers la source d'alimentation, c'est-à-dire en faisant passer ce courant de retour dans au moins chaque espace entre deux bobines, par au moins un conducteur de retour de courant conformé et/ou disposé pour répartir son écoulement sensiblement régulièrement et longitudinalement sur une surface cylindrique coaxiale audit axe.
  • Par ailleurs, les bobines de Bitter sont bien connues pour la production de champs magnétiques intenses. La structure proposée par Bitter est un bobinage constitué de disques annulaires métalliques (généralement en cuivre ou en aluminium), fendus pour former autant de spires et raccordés pour définir un enroulement sensiblement hélicoïdal à spires plates. L'empilement de disques est maintenu par une pluralité de tirants. Cette structure est avantageuse car elle permet un refroidissement efficace de l'aimant, en pratiquant des trous dans les disques (et dans les isolants séparant ces disques), ces trous étant disposés suivant une même configuration d'un disque à l'autre pour matérialiser un ensemble de canaux parallèles à l'axe de la bobine, dans lesquels circule un fluide de refoidissement, par exemple de l'eau désionisée, de kérozène ou de l'huile.
  • L'invention s'applique de préférence à un aimant construit à partir de telles bobines de Bitter dans la mesure où, notamment, certains au moins das tirants précités peuvent être utilisés pour réaliser les conducteurs de retour de courant, répartissant ce courant sur une surface sensiblement cylindrique et coaxiale aux bobines, comme indiqué ci-dessus.
  • L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre d'une mode de réalisation d'un aimant construit conformément à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:
    • la figure 1 est une vue générale en coupe représentant schématiquement un aimant constitué de plusieurs bobines de type Bitter, séparées les unes des autres de distances choisies et raccordées par des systèmes de conducteurs selon l'invention;
    • la figure 2 est une vue partielle en perspective d'un tel système de conducteurs;
    • la figure 3 est une vue de détail d'un point de jonction du système de conducteurs de la figure 2.
  • En se reportant aux dessins, on a représenté un aimant solénoïdal 11 à disques annulaires de Bitter, connus en soi, constitué de sept bobines 13a, 14a, 15a, 16, 13b, 14b, 15b alignées le long d'un même axe principal de symétrie z'z. Pour une application à l'imagerie par RMN, il est possible d'obtenir un champ magnétique d'homogénéïté requise dans une sphère d'intérêt de volume suffisant dont le centre 0 est confondu avec celui de l'aimant, en choissant les longueurs des bobines et les espacements entre ces bobines. De plus, l'aimant est symétrique par rapport à un plan transversal passatnt par O. Un mode de calcul possible des caractéristiques des bobines de l'aimant et des espacements entre ces bobines est indiqué dans le docmument WO 86/ 03882 publié le 03.07.86, déposée par la Demanderesse, et ne fait pas partie de l'invention présentement décrit.
  • On entend par bobine de Bitter, toute bobine répondant à la définition rappelée ci-dessus. A ce titre, les disques fendus radialement constituant les spires, sont connectés, par exemple soudés, bout à bout et maintenus en un empilage serré au moyen d'une pluralité de tirants 18a ou 18b régulièrement répartis sur une surface cylindrique d'axe z'z. Toutes les bobines sont reliées en série. La source de courant, non représentée, est par exemple connectée à l'extrémité externe de la bobine 13a. Les tirants 18a sont en plusieurs tronçons propres à chaque bobine; ils ne s'étendent pas dans les espaces définis entre celles-ci. Les tirants 18b s'étendent sur toute la longueur de l'aimant et sont donc communs à toutes les bobines. Ils sont utilisés d'une part pour maintenir des tubes rigides isolés 20, formant entretoises, permettant de fixer les distances entre les bobines (les longueurs des entretoises déterminant les espacements voulus entre bobines) et d'autre part pour ramener le courant vers la source de courant, c'est-à-dire vers l'extrémité externe de la bobine 13a. Un plateau de répartition de courant 21, situé à l'extrémité externe de la bobine 13b, assure une répartition sensiblement uniforme de l'écoulement du courant de retour entre les tirants 18b lesquels sont régulièrement répartis, comme mentionné ci-dessus, sur une surface cylindrique d'axe z'z. Un autre plateau de répartition 22, isolé de la bobine 13a, est placé àl'extrémité de l'aimant la plus proche de la source de courant. Ce plateau est aussi en contact électrique avec les tirants 18b de sorte que cet agencement définit une sorte de cage d'écureuil connectée en série dans son ensemble avec les bobines de l'aimant, les tirants 18b étant parcourus par des fractions sensiblement égales du courant total qui traverse les bobines. Bien entendu, il n'est pas indispensable d'utiliser les tirants des bobines de Bitter pour assurer la compensation de la composante axiale du courant. Si cette compensation est recherchée, on peut utiliser une simple enveloppe tubulaire cylindrique extérieure aux bobines et coaxiale, pour assurer le retour de courant. On peut aussi utiliser une "cage d'écureuil" définie à partir d'autres tiges conductrices que les tirants.
  • La liaison électrique entre deux bobines voisines quelconques est assurée par deux groupes 91, g2 de conducteurs symétriques par rapport à un plan P passant par l'axe Z'Z et les extrémités 25, 26 des bobines adjacentes (voir figure 2). Une telle structure de raccordement est seulement illustrée entre les bobines 15b et 14b de la figure 1. Dans l'exemple spécifiquement décrit, chaque groupe de conducteurs précité est constitué par les moitiés de deux anneaux conducteurs circulaires 28, 29 situées respectivement d'un même côté du plan P. De plus, chaque anneau 28 ou 29 se compose de plusieurs (par exemple deux) conducteurs circulaires concentriques 30 et 31 fixés par tout moyen convenable à des pièces de raccordement 35, 36, 37. L'anneau 28 est fixé à l'extrémité 25 de la bobine 15b par une pièce métallique de raccordement 35. L'anneau 29 est fixé à l'extrémité 26 de la bobine 14b par une pièce métallique de raccordement 36, semblable. Les anneaux 28 et 29 sont connectés entre eux par une pièce métallique de raccordement 37 diamétralement opposée aux pièces 35 et 36. Deux tirants 18a situés dans le plan P et appartenant respectivement aux deux bobines à relier sont mis à profit pour fixer les pièces de raccordement 35 et 36 aux extrémités de ces bobines (trous de montage 40). Par ailleurs, l'un des tirants 18b muni de son entretoise traverse la pièce de raccordement 37 (trou 41). Les autres tirants 18b passent entre les deux conducteurs concentriques 30 et 31 de chaque anneau. Ceux-ci sont à section rectangulaire et sont fixés par vis et/ou soudées aux différentes pièces de raccordement (voir figures 2 et 3). Comme le montrent les figures 1 et 2, lorsqu'un tel agencement est en place entre deux bobines, les anneaux conducteurs 28 et 29 sont disposés sensiblement transversalement à l'axe tout en étant légèrement déformés longitudinalement pour définir chacun deux demi-spires approximativement hélicoïdales et opposées, symétriques par rapport au plan P. Par conséquent, à la sortie de la bobine 15b considérée, le courant se partage également dans les deux demispires et les composantes de courant circulant dans les deux demispires d'un même anneau créent des ampère-tours en opposition, ceci en tout point de l'espace entre les bobines. Sensiblement aucun champ magnétique axial n'est donc engendré par le système de liaison entre les bobines. Par ailleurs, comme mentionné précédemment, la composante axiale de courant, si faible soit elle, peut être assez précisément compensée par les tirants de retour de courant.
  • Dans le cas où les bobines de l'aimant sont effectivement des bobines de Bitter, il peut être avantageux de réaliser les anneaux conducteurs 28, 29 à partir des mêmes disques annulaires de Bitter utilisés pour la fabrication des bobines, non fendus et raccordés bout à bout en des points diamétralement opposés. Par ailleurs, le nombre d'anneaux utilisés dans un espace donné entre deux bobines sera fonction de la longueur de cet espace.

Claims (8)

1. Aimant solénoïdal à haute homogénéïté de champ magnétique, constitué d'un ensemble de bobines (13a, 13b, 14a, 14b, 15a, 15b, 16) de même diamètre intérieur et extérieur d'une bobine par rapport aux autres, espacées les unes des autres de distances choisies le long d'un axe commun (z'z), lesdits bobines étant connectées en série, caractérisé en ce que chaque bobine est connectée à la bobine voisine par deux groupes de conducteurs (91, g2) symétriques par rapport à un plan (P) passant par ledit axe (z'z) et par les points de connexion desdites bobines voisines, de façon que les composantes de courant dans lesdits groupes de conducteurs (91, g2) créent des ampère-tours en opposition, en tout point de l'espace entre lesdites bobines, tel que les composantes de champ magnetique engendrées par ces composantes de courant s'annulent mutuellement.
2. Aimant solénoïdal selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des deux groupes , (g1, g2) de conducteurs précités est matérialisé par un ou plusieurs anneaux conducteurs circulaires (28, 29) agencés sensiblement transversalement audit axe (z'z) tout en étant légèrement déformés pour définir, chacun, deux demi-spires opposées sensiblement hélicoïdales et en ce que ce ou ces anneaux sont connectés aux points de connexion des desdites bobines d'une part et/ou entre eux d'autre part, par des jonctions (35, 36, 37) successivement diamétralement opposés, chaque groupe (gi, g2) comportant ainsi les parties d'anneau situées d'un même côté dudit plan (P).
3. Aimant solénoïdal selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par au moins un conducteur de retour de courant conformé et/ou disposé pour répartir l'écoulement dudit retour de courant sensiblement régulièrement sur une surface cylindrique coaxiale audit axe (z'z) dans au moins chaque espace entre deux bobines.
4. Aimant solénoïdal selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs tiges longitudinales (18b) régulièrement réparties sur ladite surface cylindrique et en ce que ces tiges (18b) sont connectées entre elles de façon à définir une sorte de cage d'écureuil, cette cage étant connectée en série dans son ensemble avec lesdites bobines de façon que lesdites tiges (18b) soient parcourues par des fractions sensiblement égales du courant total qui traverse lesdites bobines.
5. Aimant solénoïdal selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites bobines sont des bobines de type Bitter constituées par des empilements, avec interposition d'isolant, de disques annulaires conducteurs comportant chacun une coupure matérialisant une spire et comportant en outre des tirants (18a) maintenant les empilements de disques, et en ce que lesdites tiges (18b) sont constituées par des tirants communs à toutes les bobines.
6. Aimant solénoïdal selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits tirants (18b) constituant lesdites tiges, sont entorés de tubes rigides (20) isolés formant entretoise, dans les espaces précités entre bobines voisines, les longueurs de ces entretoises déterminant les espacements voulus entre bobines.
7. Aimant solénoïdal selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que chaque anneau conducteur précité (28, 29) se compose de plusieurs conducteurs circulaires concentriques (30, 31).
8. Aimant solénoïdal selon les revendications 5 et 7, caractérisé en ce que les anneaux conducteurs précités raccordant deux bobines voisines sont constitués par des disques annulaires de Bitter non fendus semblables aux disques desdites bobines.
EP86901415A 1985-03-19 1986-02-21 Aimant solenoidal a haute homogeneite de champ magnetique Expired - Lifetime EP0215832B1 (fr)

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