EP0221920A1 - Aimant solenoidal a haute homogeneite de champ magnetique. - Google Patents

Aimant solenoidal a haute homogeneite de champ magnetique.

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EP0221920A1 EP86902431A EP86902431A EP0221920A1 EP 0221920 A1 EP0221920 A1 EP 0221920A1 EP 86902431 A EP86902431 A EP 86902431A EP 86902431 A EP86902431 A EP 86902431A EP 0221920 A1 EP0221920 A1 EP 0221920A1
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coil
tie rods
magnet
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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 due to the collaboration of the National Service of the Intensive Fields of the CNRS (Director M. AUBERT) generally relates to a solenoid 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 0 cm in diameter at least.
  • the invention relates to a solenoid magnet with high magnetic field homogeneity comprising several coils of the same internal and external diameter spaced along a common longitudinal axis, characterized in that said coils are connected in series by first conductors willing parallel to said axis and extending respectively in the spaces between said coils, in that second conductors are arranged longitudinally in the vicinity of said first conductors and in that these second conductors are connected to third conductors shaped and / or arranged lengthwise of each coil to distribute a current flow substantially uniformly over a cylindrical surface coaxial with said axis, said second and third conductors being interconnected and connected as a whole in series with said coils to ensure the return of current to an axial end of said magnet .
  • the coils constituting the magnet described above are preferably Bitter coils.
  • Bitter coils are well known for the production of strong magnetic fields.
  • the structure proposed by Bitter is a winding made up of metallic annular discs (generally copper or aluminum), split to form as many turns and connected to define a substantially hecoidal 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, erozene or oil.
  • a cooling fluid for example deionized water, erozene or oil.
  • the invention preferably applies to a magnet constructed from such Bitter coils insofar as, in particular, at least some of the aforementioned tie rods can be used to produce the aforementioned third conductors, distributing the return current over a surface substantially cylindrical and coaxial with the coils, in the sections of the magnet occupied by the latter.
  • the ends of the tie rods can be electrically connected by placing at each axial end of each coil, an open ring, that is to say comprising a radial slot through which the connection point between said first corresponding conductor and said coil is established.
  • the crown is of course isolated from the coil and a pair of aforementioned second conductors is arranged on either side of said first conductor, each second conductor being connected to one end of said crown.
  • FIG. 2 is a section II-II of Figure 1.
  • a solenoid magnet li Bitter annular disks known per se ', consisting of a plurality of coils aligned along of the same main axis of symmetry z'z. More specifically, the two coils 14 and 15 are shown closest to an axial end of the magnet opposite to that where the means for connection to a DC power source are arranged, not shown.
  • 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 18 regularly distributed over a cylindrical surface of axis z'z . All the coils are connected in series.
  • the tie rods 18 are specific to each reel; they do not extend into the spaces defined therebetween, they are of course electrically isolated from the Bitter discs which they maintain.
  • the tie rods or some of them are also used to bring the current back to the current source, that is to say towards the axial end of the magnet which is not shown.
  • a current distribution plate 19 (not split) is located at the outer end of the coil 15 and welded to the last turn thereof to ensure a substantially uniform distribution of the flow of return current between the tie rods, which are in electrical contact with said distribution plate.
  • the tie rods of each coil are connected to each other at the two ends of this coil so as to define a sort of squirrel cage. The interconnection of the tie rods will be described later.
  • the tie rods are traversed by substantially equal fractions of the return current. They thus compensate for the small axial component of current due to the pitch of the helix of the winding defined by the Bitter discs, in the corresponding coil.
  • 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 flowing in this coil.
  • the coils are connected in series by first conductors such as 20 extending respectively in the spaces between neighboring coils while second conductors 21, participating in the return of the current, are arranged longitudinally in the vicinity of said first conductors, to surround them at least partially.
  • first conductors such as 20 extending respectively in the spaces between neighboring coils while second conductors 21, participating in the return of the current, are arranged longitudinally in the vicinity of said first conductors, to surround them at least partially.
  • each conductor 20, 21 has a rectangular section and two conductors 21, isolated from the conductor 20, are joined along two parallel faces of the latter. The entire current flowing through the coils therefore flows in each conductor 20 while the reverse current flowing in the opposite direction is shared more or less equally in the two conductors 21.
  • the connection structure between two coils which has just been described does not create stray field in the space between the two coils considered.
  • third conductors interconnected between the second conductors these third conductors being nothing other than, in the example described, the groups of tie rods 18 associated with the different coils or at least part of these tie rods regularly spaced from each other.
  • the second conductors 21 and the tie rods 18 are connected in series as a whole with the coils themselves in series, by means of the distribution plate 19.
  • the connections between said second conductors and the groups of tie rods are provided by necks.
  • ⁇ open rings 22 arranged at the axial ends of the coils and with which the tie rods 18 on the one hand and the ends of the conductors 21 on the other hand are interconnected.
  • each ring isolated from the coil at the end of which it is fixed using tie rods, comprises a slot 23 in which is located the connection point between the first conductor 20 and the end of the corresponding coil while the ends 24 of the crown materialized by the slot 23, are connected to the ends of the two corresponding conductors 21.
  • the tie rods of each coil pass through the corresponding crowns 22 (a crown and the plate 1 with regard to the coil 15) and are tightened by means of nuts between said crowns, which ensures correct electrical contact between these crowns and these tie rods.
  • each coil has an odd number of half-turns so that, on either side of the same coil, the arrangements of conductors 20, 21 are opposite with respect to the z'z axis.
  • the tie rods 18 are more or less "distant" from the connection points of the conductors 21 to the ring 22 and this distance depends on the position of the tie rod considered relative to the slot 23. This could result in differences in intensity between the currents flowing in the tie rods, due to the more or less long portion of crown 22 placed in series with each of them. This imbalance is avoided if the coil has an integer number of half-turns because, in this case, the tie rods most "distant" from the conductors 21 at an axial end of a coil are the closest to the conductors 21 homologous to the another axial end of this same coil.
  • the resistances distributed between the tie rods by the presence of the crowns are substantially equal so that the return current is shared substantially regularly between the tie rods in each coil and is divided substantially into two equal fractions in the conductors 21 in each space between two neighboring coils.

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Abstract

Structure de raccordement entre bobines espacées, dans un aimant homogène. Selon l'invention, le courant entre deux bobines (14, 15) voisines espacées, est transmis dans un sens, par un conducteur longitudinal (20) et dans l'autre sens par deux conducteurs longitudinaux (21) disposés de part et d'autre du premier conducteur (20) cité. Application à l'imagerie par RMN.

Description

AIMANT SOLENOIDAL A HAUTE HOMOGENEITE DE CHAMP MAGNETIQUE
L'invention, due à la collaboration du Service National des Champs Intenses du CNRS (Directeur M. AUBERT) a généralement pour objet un aimant solénoîdal 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 déterminée de l'espace. Typ quement, 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 0 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 une autre demande de brevet, la Demande¬ resse décrit une méthode de calcul des caractéristiques d'un tel aimant constitué de bobines ayant toutes le même diamètre inté¬ rieur 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 suscep¬ tible 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 compo¬ santes de champs parasites entre lesdites bobines.
Dans cet esprit, l'invention concerne un aimant solénoîdal à haute homogénéité de champ magnétique comportant plusieurs bobines de même diamètre intérieur et extérieur espacées le long d'un axe longitudinal commun, caractérisé en ce que lesdites bobines sont connectées en série par des premiers conducteurs disposés parallèlement audit axe et s'étendant respectivement dans les espaces entre lesdites bobines, en ce que des seconds conducteurs sont disposés longitudinalement au voisinage desdits premiers conducteurs et en ce que ces seconds conducteurs sont connectés à des troisièmes conducteurs conformés et/ou disposés sur la longueur de chaque bobine pour répartir un écoulement de courant sensi¬ blement uniformément sur une surface cylindrique coaxiale audit axe, lesdits seconds et troisièmes conducteurs étant interconnectés et reliés dans leur ensemble en série avec lesdites bobines pour assurer le retour du courant vers une extrémité axiale dudit aimant.
Les bobines constituant l'aimant décrit ci-dessus sont de préférence des bobines de Bitter. 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 hécoîdal 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 lequel circule un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau désio- nisée, du érozène 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 des tirants précités peuvent être utilisés pour réaliser les troisièmes conducteurs précités, répartissant le courant de retour sur une surface sensiblement cylindrique et coaxiale aux bobines, dans les tronçons de l'aimant occupés par ces dernières. Dans ce mode de réalisation, on peut connecter électriquement les extrémités des tirants en plaçant à chaque extrémité axiale de chaque bobine, une couronne ouverte, c'est-à-dire comportant une fente radiale au travers de laquelle est établi le point de connexion entre ledit premier conducteur correspondant et ladite bobine. La couronne est bien entendu isolée de la bobine et une paire de seconds conducteurs précités est agencée de part et d'autre dudit premier conducteur, chaque second conducteur étant connecté a une extrémité de ladite couronne. Avec une telle structure, la répar¬ tition du retour de courant dans les tirants des différentes bobines est sensiblement équilibrée lorsque chaque bobine comporte un nombre impair de demi-tours. L'invention apparaîtra plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation actuellement préféré d'un aimant conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'une partie d'un aimant conforme au principe de l'invention, illustrant plus particulièrement une structure de raccordement entre deux bobines voisines ; et
- la figure 2 est une coupe II— II de la figure 1. En se reportant aux dessins, on a représenté une partie d'un aimant solénoîdal li a disques annulaires de Bitter, connus en soi', constitué de plusieurs bobines alignées le long d'un même axe principal de symétrie z'z. Plus précisément, on a représenté les deux bobines 14 et 15 les plus proches d'une extrémité axiale de l'aimant opposée à celle où sont agencés les moyens de connexion à une source d'alimentation en courant continu, non représentée. Ainsi, pour une application à l'imagerie par RMN, il est possible d'obtenir un champ magnétique d'homogénéité requise dans une sphère d'inté¬ rêt de volume suffisant dont le centre est confondu avec celui de l'aimant, à partir d'un jeu de sept bobines par exemple, en choisis¬ sant les longueurs de ces bobines et les espacements entre ces bobines. Un mode de calcul possible des caractéristiques des bobines de l'aimant et des espacements entre ces bobines est indiqué dans une autre demande de brevet français N° 84- 19191 déposée par la Demanderesse et ce mode de calcul ne fait pas partie de l'invention présentement décrite.
On entend par bobine de Bitter toute bobine répondant à la définition rappelée ci-dessus. A ce titre, les disques fendus radia- lement constituant les spires sont connectés, par exemple soudés, bout à bout et maintenus en un empilage serré au moyen d'une pluralité de tirants 18 régulièrement répartis sur une surface cylindrique d'axe z'z. Toutes les bobines sont reliées en série. Les tirants 18 sont propres à chaque bobine ; ils ne s'étendent pas dans les espaces définis entre celles-ci, ils sont bien entendu électri¬ quement isolés des disques de Bitter qu'ils maintiennent. Les tirants ou certains d'entre-eux sont en outre utilisés pour ramener le courant vers la source de courant, c'est-à-dire vers l'extrémité axiale de l'aimant qui n'est pas représentée. Pour cela, un plateau de répartition de courant 19 (non fendu) est situé à l'extrémité externe de la bobine 15 et soudé à la dernière spire de celle-ci pour assurer une répartition sensiblement uniforme de l'écoulement du courant de retour entre les tirants, lesquels sont en contact électrique avec ledit plateau de répartition. Les tirants de chaque bobine sont connectés entre-eux aux deux extrémités de cette bobine de façon à définir une sorte de cage d'écureuil. L'interconnexion des tirants sera décrite plus loin. Sur les tronçons de l'aimant occupés par les bobines, les tirants sont parcourus par des fractions sensiblement égales du courant de retour. Ils assurent ainsi la compensation de la faible composante axiale de courant due au pas d'hélice de l'enrou¬ lement défini par les disques de Bitter, dans la bobine correspon¬ dante. 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 qui circule dans cette bobine. On peut utiliser une simple enveloppe tubulaire cylindrique extérieure aux bobines et coaxiale, pour assurer le retour de courant sensiblement unifor¬ mément sur une surface cylindrique d'axe z'z dans chaque tronçon de l'aimant occupé par une bobine. On peut aussi utiliser une "cage d'écureuil" définie à partir d'autres tiges conductrices que les tirants.
Selon une caractéristique importante de l'invention, les bobines sont connectées en série par des premiers conducteurs tels que 20 s'étendant respectivement dans les espaces entre bobines voisines tandis que des seconds conducteurs 21, participant au retour du courant, sont disposés longitudinalement au voisinage desdits premiers conducteurs, pour les entourer au moins partiellement. Dans l'exemple décrit, chaque conducteur 20, 21 a une section rectangulaire et deux conducteurs 21, isolés du conducteur 20, sont accolés le long de deux faces parallèles de celui-ci. La totalité du courant traversant les bobines circule donc dans chaque conducteur 20 tandis que le courant de retour circulant en sens inverse se partage sensiblement également dans les deux conducteurs 21. La structure de raccordement entre deux bobines, qui vient d'être décrite ne crée pas de champ parasite dans l'espace entre les deux bobines considérées. Par ailleurs, la continuité du circuit de retour de courant est assurée par des troisièmes conducteurs intercon¬ nectés entre les seconds conducteurs, ces troisièmes conducteurs n'étant rien d'autre que, dans l'exemple décrit, les groupes de tirants 18 associés aux différentes bobines ou au moins une partie de ces tirants régulièrement espacés les uns des autres. Les seconds conducteurs 21 et les tirants 18 sont connectés en série dans leur ensemble avec les bobines elles-mêmes en série, par l'intermédiaire du plateau de répartition 19. Les liaisons entre lesdits seconds conducteurs et les groupes de tirants sont assurées par des cou¬ ronnes ouvertes 22 disposées aux extrémités axiales des bobines et avec lesquelles les tirants 18 d'une part et les extrémités des conducteurs 21 d'autre part sont interconnectés. Plus précisément, chaque couronne, isolée de la bobine à l'extrémité de laquelle elle est fixée à l'aide des tirants, comporte une fente 23 dans laquelle se situe le point de liaison entre le premier conducteur 20 et l'extré¬ mité de la bobine correspondante tandis que les extrémités 24 de la couronne matérialisées par la fente 23, sont connectées aux extré¬ mités des deux conducteurs 21 correspondants. En outre, les tirants de chaque bobine traversent les couronnes 22 correspondantes (une couronne et le plateau 1 en ce qui concerne la bobine 15) et sont serrés au moyen d'écrous entre lesdites couronnes, ce qui assure un contact électrique correct entre ces couronnes et ces tirants. Selon une autre caractéristique importante de l'invention, chaque bobine comporte un nombre impair de demi-tours de sorte que, de part et d'autre d'une même bobine, les agencements de conducteurs 20, 21 soient opposés par rapport à l'axe z'z. En effet, si l'on se réfère par exemple à la figure 2, on constate que les tirants 18 sont plus ou moins "éloignés" des points de connexions des conducteurs 21 à la couronne 22 et cet eloignement dépend de la position du tirant considéré par rapport à la fente 23. Il pourrait en résulter des différences d'intensité entre les courants circulant dans les tirants, en raison de la portion plus ou moins longue de couronne 22 mise en série avec chacun d'eux. Ce déséquilibre est évité si la bobine comporte un nombre entier de demi-tours car, dans ce cas, les tirants les plus "éloignés" des conducteurs 21 à une extrémité axiale d'une bobine sont les plus rapprochés des conducteurs 21 homologues à l'autre extrémité axiale de cette même bobine. Par conséquent, les résistances réparties entre les tirants par la pré¬ sence des couronnes sont sensiblement égales de sorte que le courant de retour se partage sensiblement régulièrement entre les tirants dans chaque bobine et se partage sensiblement en deux fractions égales dans les conducteurs 21 dans chaque espace entre deux bobines voisines.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Aimant solénoîdal à haute homogénéité de champ magné¬ tique comportant plusieurs bobines (14, 15) de même diamètre intérieur et extérieur, espacées le long d'un axe longitudinal commun (z'z), caractérisé en ce que lesdites bobines sont connectées en série par des premiers conducteurs (20) disposés parallèlement audit axe et s'étendant respectivement dans les espaces entre lesdites bobines, en ce que des seconds conducteurs (21) sont disposés longitudihalement au voisinage desdits premiers conduc¬ teurs et en ce que ces seconds conducteurs sont connectés à des troisièmes conducteurs (18) conformés et/ou disposés sur la longueur de chaque bobine pour répartir un écoulement de courant sensi¬ blement uniformément sur une surface cylindrique coaxiale audit axe, lesdits seconds et troisièmes conducteurs étant interconnectés et reliés dans leur ensemble (19) en série avec lesdites bobines pour assurer le retour du courant vers une extrémité axiale dudit aimant.
2. Aimant solénoîdal selon la revendication 1, du type dans lequel les bobines précitées sont des bobines de Bitter, caractérisé en ce que, lesdits disques de chaque bobine étant maintenus de façon connue en soi, par des tirants (18) isolés de celle-ci et régulièrement répartis sur une surface cylindrique coaxiale, les troisièmes conduc¬ teurs précités sont constitués par au moins certains desdits tirants espacés régulièrement les uns des autres.
3. Aimant solénoîdal selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend, dans chaque espace entre deux bobines voisines, un premier conducteur (20) précité et deux seconds conduc¬ teurs (21) précités accolés symétriquement le long dudit premier conducteur.
4. Aimant selon l'ensemble des revendications 2 et 3, caracté¬ risé en ce qu'au voisinage de chaque bobine, lesdits seconds conduc- teurs (21) sont reliés aux extrémités d'une couronne ouverte (22), en ce que le point de connexion entre ledit premier conducteur et la bobine correspondante est placé dans l'ouverture de ladite couronne et en ce que chaque couronne, isolée de la bobine à l'extrémité de laquelle elle est montée, est connectée aux tirants (18) constituant les troisièmes conducteurs précités.
5. Aimant solénoîdal selon l'une des revendications précé¬ dentes, caractérisé en ce que chaque bobine comporte un nombre impair de demi-tours.
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