FI98411C - Parannettu virtalähde - Google Patents

Description

- 98411

Parannettu virtalähde - FÖrbättrad strömkälla

Keksinnön kohteena on teholähde, jolla voidaan syöttää virtaa resistiiviseen magneettikuvauslaitteen magneettiin 5 siten, että saavutettava magneettikentän stabiilisuus on paras mahdollinen. Tällaisen magneettivirtalähteen magneetin käämijohtimella on resistanssi RM ja induktanssi LM ja impedanssi ZM.

10 Magneettikuvaus on yleisesti käytetty diagnostinen kuvausmenetelmä, joka antaa muihin modaliteetteihin (röntgen, ultraääni) nähden ylivoimaisia tuloksia. Ainoa haittapuoli on laitteiston korkea hinta, tyypillisesti 5-20 miljoonaa markkaa. Näin ollen on tärkeätä keksiä menetelmiä, joilla 15 hintaa saadaan alas.

Yleisin magneettityyppi on suprajohtava magneetti, jolla saadaan korkeimmat kentänvoimakkuudet, 0.5..2 Teslaa, mutta jotka ovat kalleimpia valmistaa ja käyttää. Toiseksi ylei-20 simpiä ovat kestomagneetit, joissa kentän voimakkuus on tyypillisesti 0.2-0.3 Teslaa. Sähkömagneetit ovat vähiten käytettyjä, koska tavoiteltaessa korkeita kentänvoimakkuuksia kasvaa tarvittava sähköteho kohtuuttoman suureksi.

25 Matalammissa kentänvoimakkuuksissa (0.1-0.2T) sähkömagneetti * on edullisin ratkaisu, mutta sen käyttöä on rajoittanut : magneettikuvauksessa vaadittava suuri magneettikentän sta- . biilisuus, minkä saavuttaminen resistiivisellä teknologialla • · on ollut hyvin hankalaa. Sähkömagneetti voi olla rakenteel- • · 30 taan joko ilmasydäminen tai se voi olla varustettu rauta- • « sydämellä.

• · t *

Jotta magneettikuvauslaitteella saavutettava kuvan laatu :·· olisi virheetön, on päämagneettikentän muutosten oltava koko V · 35 kuvauksen ajan (1-10 min) pienempiä kuin 0.5-0.1 ppm. Hyvän magneettikentän stabiilisuuden saavuttaminen edellyttää sekä 98411 2 magneettiin syötettävän virran tarkkaa säätämistä että ulkoisten häiriökenttien vaimentamista.

Kentän voimakkuus riippuu suoraan magneetissa kulkevan 5 virran suuruudesta. Magneetin johtimien lämpötila saattaa muuttua useita kymmeniä asteita, mikä edellyttää virtalähteeltä laajaa antojännitealuetta. Kentän voimakkuuteen vaikuttavat magneetin dimensiot, jotka saattavat muuttua magneetin lämpötilan funktiona. Magneetin dimensioista 10 johtuvat muutokset on kompensoitava joko lämpötilamittauksen avulla tehtävän ennusteen pohjalta tai suoraan kenttävoimak-kuuden mittaukseen perustuen.

Virran mittaaminen ja säätäminen vaaditulla 0.5-0.1 ppm 15 tarkkuudella on vaativaa, mutta mahdollista esimerkiksi mittaamalla kuorman kanssa sarjaan kytketyn, huolellisesti toteutetun tarkkuusvastuksen yli muodostuvaa jännitettä.

Toinen tapa on käyttää eräänlaista kehittynyttä virtamuun-tajaratkaisua, jollainen on esitetty esimerkiksi amerikka-20 laisessa patentissa 4,616,174.

Summautuessaan päämagneettikenttään aiheuttavat taajuusalueella 0.01-150 Hz olevat ulkoiset magneettikentät virheitä magneettikuvaan. Suprajohtavan magneetin induktanssi pyrkii 25 ylläpitämään magneetin vuota ja näin vaimentaa ulkoisia häiriöitä. Resistiivisen magneetin käämin päiden oikosulke-misella saavutetaan vastaava toiminto. Tämä on tehokasta ainoastaan taajuuksilla, jotka ovat suurempia kuin magneetin oma aikavakio L/R. Tyypillisellä MRI-magneetilla induktanssi 30 L on luokkaa 1 Henry ja resistanssi R luokkaa 1 ohmi, jolloin aikavakioksi saadaan yksi sekunti. Kestomagneetilla ei vastaavaa toimintoa voida toteuttaa.

Oman lisävaatimuksensa magneetin virtalähteelle aiheuttavat 35 kuvauksen aikana magneettikenttään summattavat, ajallisesti muuttuvat nk. gradienttikentät, jotka indusoivat jännite-piikkejä magneetin virtapiiriin. Nämä jännitteet saattavat 11 98411 3 olla suuruudeltaan useiden volttien luokkaa ja niiden taa-juussisältö on alueella 1-2000 Hz. Jos magneetin virtalähteen impedanssi on korkea näillä taajuuksilla, tulee sen lähtöasteen dynamiikan olla niin laaja että se ei joudu 5 epälineaariselle alueelle pulssien aikana. Matalaimpedans-sinen virtalähde aiheuttaa magneettiin jännitepulssia vastaavan virtapulssin, joka vaimenee pois aikavakiolla L/(R+Rout), missä L on magneetin induktanssi, R on magneetin resistanssi ja Rout on virtalähteen lähtöresistanssi.

1 0

Muita virtalähteeltä vaadittavia ominaisuuksia ovat hyvä hyötysuhde, jolloin ei tarvita vesijäähdytystä sekä pieni sähkömagneettisen häiriösäteilyn määrä. Toivottavaa olisi myös, että virtalähteen verkosta ottama virta olisi puhdas-15 ta, eli että virtalähteen verkko-osa sisältäisi nk. tehoker-roinkorjauksen.

Tässä patentissa esitetään virtalähde, joka optimaalisella tavalla täyttää kaikki edellä esitetyt resistiivisen MRI 20 magneetin virtalähteelle asetetut vaatimukset. Keksintö perustuu siihen, että virtalähteen lähtöimpedanssi räätälöidään halutun kaltaiseksi kahta erillistä takaisinkytkentää hyväksikäyttäen. Keksinnön tunnusmerkit on esitetty oheisessa patenttivaatimuksessa 1. Epäitsenäisissä patenttivaati-25 muksissa on esitetty keksinnön edullisia sovellutusmuotoja.

··· · Tällaisen virtalähteen toimintaa on havainnollistettu kuvas-sa 1 . Vahvistin A syöttää magneettia M virralla IM siten, että magneetin yli syntyy jännite VM. Magneetin impedanssi 30 koostuu suuresta induktanssista LM sekä käämi johtimen resis-• j·, tanssista RM. Vahvistin saa takaisinkytkentätiedon sekä . t · · jännitteestä VM että virrasta IM. Molemmilla takaisinkytken-täsignaaleilla on vastaavasti omat taajuudesta riippuvat painokertoimensa AFV ja Api. Refj on haluttu virran asetusar-35 vo. CT on virta-anturi, jolla mitataan virtaa IM.

98411 4

Esitetyllä järjestelyllä voidaan toteuttaa vahvistin, jonka lähtöimpedanssi on kuvan 2 mukainen. Käyrä !zmagj kuvaa magneetin impedanssin itseisarvoa. Impedanssi on matalilla taajuuksilla resistiivinen ja muuttuu nurkkataajuuden fmag 5 yläpuolella induktiiviseksi kasvaen lineaarisesti taajuuden mukana. Käyrä i 2outI kuvaa tavoiteltua virtalähteen lähtöim-pedanssin itseisarvoa. Erittäin matalilla taajuuksilla (alle fj vahvistin toimii jäykkänä virtalähteenä, jonka impedanssi n on luokkaa 10 kertaa suurempi kuin magneetin resistanssi 10 muutos, jotta haluttu 0.1 ppm luokkaa oleva virtasäätö toteutuu.

Taajuudesta fv ylöspäin vahvistin pyrkii efektiivisesti oikosulkemaan magneetin navat eli toimii pieni-impedanssise-15 na jännitelähteenä. Näin saadaan magneetin omaa induktanssia käytettyä ulkoisten häiriöiden vaimennukseen. Jotta vaimennus olisi tehokasta, tulee olla JZoutJ < jzmagJ. Koska magneetin impedanssi kasvaa taajuuden mukana, ei lähtöimpedans-sin tarvitse välttämättä olla kuvan mukaisesti vakio, vaan 20 se voi kasvaa, kunhan se pysyy selvästi magneetin impedanssia pienempänä. Jotta magneetin vaimennus saadaan hyödynnettyä täysin koko taajuusalueella, on valittava fv < fmag. Käytännössä saattaa olla tarpeen valita fv jonkin verran suuremmaksi, jotta systeemin asettumisajät säilyvät koh-25 tuullisina.

··» ·

Keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista, että sen ulostuloimpedanssi on matalilla taajuuksilla (f < fmag) suuri, nousten arvoon joka on suurempi kuin 106 kertaa mag- · 30 neetin resistanssi RM, ja korkeilla taajuuksilla ulostuloim- • · *..! pedanssi on pieni, tyypillisesti pienempi tai samaa luokkaa i : : • kuin Rm.

Edellä mainittua jännitetakaisinkytkentää vastaava tominto 35 voidaan tietyin rajoituksin toteuttaa myös pelkkää virtamit-tausta käyttäen. Magneetin impedanssi näyttää suurilla taajuuksilla induktiiviselta, eli ZM = juLM + RM, missä RM on 5 '90411 merkityksetön, kun taajuus on riittävän iso. Induktanssin jännitteen ja virran suhteelle pätee U = L dl/dt, missä U on induktanssin L yli oleva jännite, I on induktanssin läpi kulkeva virta ja t on aika. Magneetin virrasta on siis mah-5 dollista derivoimalla laskea sen jännite, jos induktanssi tunnetaan.

Mikäli magneetti on rakenteeltaan rautasydäminen, riippuu sen induktanssi raudan permeabiliteetista, mikä puolestaan 10 riippuu raudassa kulkevasta vuosta. Magneettivuo saattaa muuttua esimerkiksi ulkoisten häiriöiden vaikutuksesta, joten induktanssia ei voida olettaa vakioksi. Ilmasydämisen magneetin tapauksessa virran derivaatan käyttö on antaa periaatteessa oikeita tuloksia, mutta käytännön toteutukses-15 sa derivoivat piirit eivät ole toivottavia.

Seuraavassa esitetään esimerkin omaisesti keksinnön mukainen magneettikuvauslaitteen magneetin virtalähde.

20 Kuvassa 3 on esitetty laitteen lohkokaavio. Laitteisto koostuu magneetin vahvistimesta AM, gradienttivahvistimista Ax, AY ja Az sekä näille yhteisestä verkkolaitteesta REG. Lisäksi laitteistoon kuuluu virta-anturi CT sekä optionaalinen mag-neettikenttäanturi MFT. AM syöttää virtaa magneettiin M joka 25 koostuu induktanssista LM ja johdinresistanssista RM. Vastaani | vasti Ax, Ay ja Az syöttävät virtaa X, Y ja Z -suuntien gra- ·*·.. dienttikäämeihin.

• · • · • ·

Magneetin virran syöttämiseen käytettävä vahvistin AM on • · ··,·. 30 hakkurityyppinen toisin kuin tavanomaisissa magneettikuvaus- *..I laitteen virtalähteissä, joissa käytetään lineaarista pää- f · · * teastetta. Tällainen ratkaisu on esitetty esimerkiksi paten tissa EP 0 481 353 A2. Hakkurivahvistimen käyttö ei ole välttämätöntä edellä esitettyjen kahden takaisinkytkennän ja 35 lähtöimpedanssin optimoinnin kannalta, mutta se tarjoaa muita merkittäviä etuja, joita käsitellään seuraavassa.

98411 6

Kuten edellä esitettiin, saattaa magneetin johtimen lämpötila muuttua yli 30 astetta käytön aikana. Tämä merkitsee alumiinista johdinta käytettäessä 12 prosentin muutosta resistanssissa ja siten myös magneetin jännitteessä. Jos 5 magneetin jännite on 200 volttia, vaaditaan pääteasteelta käytännössä vähintään 30 voltin dynamiikkaa. Lineaarista pääteastetta käytettäessä joudutaan säätämään väli jännitettä VDC, j°tta pääteasteen tehohäviö ei muodostuisi kohtuuttomaksi. Hakkurivahvistimen käyttö sen sijaan mahdollistaa 10 kiinteän väli jännitteen käytön.

Kiinteä välijännite VDC mahdollistaa gradienttivirtojen synnyttämiseen käytettävien vahvistimien Ax, AY ja Az kytkemisen samaan väli jännitteeseen magneetin virtalähteen AM kanssa.

15 Gradientteihin käytettävä teho on suurimmillaankin vain kolmannes magneetin tehosta, joten ne eivät merkittävästi kasvata verkkolaitteen tehoa ja hintaa.

Verkkolaite REG voi yksinkertaisimmillaan koostua pelkästä 20 muuntajasta ja tasasuuntaussillasta. Verkkojännitteen vaihteluiden vaikutusta välijännitteeseen VDC voidaan tasata tyristoreihin perustuvan ohjattavan sillan avulla. Toivottavin ratkaisu on esimerkiksi IGBT transistoreihin perustuva tehokerroinkorjäin, joka samalla toimii esiregulaattorina.

25 Erityisesti mutkikkaan tehokerroinkorjaimen tapauksessa · yhteisen verkko-osan tuomat kustannussäästöt ovat merkittä- viä.

• · • · • ·

Esitetyssä ratkaisussa magneetin virtalähde AM ja gradient- • · j·.·. 30 tivirtalähteet Ax, AY ja Az voivat olla rakenteeltaan ident- *·.· tisiä, mikä on merkittävä etu valmistuksen kannalta. Lisäksi • « « ' • t · vahvistimien samanlaisuus helpottaa hakkurikellojen synkronointia, mikä on tarpeen hitaista erotaajuuksista syntyvien häiriöiden välttämiseksi. Vahvistimien pakkaaminen samaan 35 kaappiin yksinkertaistaa systeemin maadoittamista ja häiriösuojausta .

- 98411 7

Vaikka vahvistimet ovat rakenteeltaan identtisiä, tarvitaan eri käytöissä erilaisia takaisinkytkentöjä. Gradienttivah-vistimet Αχ, Αγ ja Az toimivat jänniteohjattuina virtalähteinä ja niiden toiminta perustuu suhteellisen tarkkaan 5 (luokkaa 0.1%) virta-takaisinkytkentään. Magneetin virtalähde Am sen sijaan käyttää kahta takaisinkytkentää, kuten edellä on esitetty. Tasavirralla ja merkittävästi taajuutta fj matalammilla taajuuksilla vahvistin toimii suuri-impe-danssisena virtalähteenä, joka saa takaisinkytkentätiedon 10 erittäin tarkasta virta-anturista CT. Virta-anturina voi toimia esimerkiksi huolellisesti toteutettu sarjavastus tai jokin kehittynyt virtamuuntaja -ratkaisu. Taajuuden fv yläpuolella vahvistin toimii jännitelähteenä, joka saa takaisinky tkentätiedon magneetin jännitteestä.

15

Tarkka virtamittaus voidaan korvata magneettikenttämittauksella, missä tieto kentän voimakkuudesta saadaan kenttäantu-rilta MFT. Toinen mahdollisuus on käyttää magneettikenttä-mittausta ikään kuin hitaaseen asetusarvon korjaamiseen 20 edellä kuvatun virtamittauksen tukena.

Kuvassa 4 on esitetty simulaattoria varten kehitetty kytkentä, joka toiminnallisesti vastaa edellä esitettyä magneetin virtalähdettä. Piirikaaviossa magneettia kuvataan induk-25 tanssilla 1 ja vastuksella 2. Operaatiovahvistin 3 ja virta-: ^ generaattori 4 vastaavat kuvassa 1 esiintynyttä vahvistinta A. Vastukset 6,7 ja kondensaattori 5 toteuttavat kuvan 1 mukaisen jännitetakaisinkytkennän AFV ja vahvistimet 8,9 • · toteuttavat ympäryskomponentteineen virtatakaisinkytkennän • « }·.*. 30 afi · • · • ·· • · · * Kuvassa 5 on esitetty edellä mainitun piirin antoimpedanssin itseisarvo 1 ja vaihekäyrät 2 taajuuden funktiona. Impedanssi on mitattu solmupisteestä 10, kun magneettia simuloivat 35 komponentit 1,2 on korvattu mittaukseen käytetyllä virta- generaattorilla. Magneetin ominaistaajuus on kuvan 4 kytken-..... nässä 1 Hz. Kuvasta 5 nähdään, että virtalähteen lähtöimpe- 98411 8 danssi on yli 1 Hz taajuuksilla luokka 2 ohmia, mikä vastaa tyypillisen MRI magneetin resistanssia. Matalilla taajuuksilla vahvistimen lähtöimpedanssi on yli 106 ohmia, mikä oli edellytys tarkalle reguloinnille. Impedanssin vaihe 2 säilyy 5 koko taajuusalueella alle 180 asteessa, eli systeemi on stabiili. Esimerkkimme siis osoittaa, että keksinnän mukainen takaisinkytketty vahvistin on mahdollista toteuttaa käytännöllisillä komponenttiarvoilla.

10 Magneettikuvauksesta on olemassa sovellutuksia, joissa päämagneettikenttää halutaan muuttaa kuvauksen aikana. Eräs tällainen sovellutus on esimerkiksi Overhauser-ilmiöön perustuvien kontrastiaineiden käyttö, jota on tarkemmin esitetty amerikkalaisessa patentissa 5,144,238. Päämagneet- 15 tikentän voimakkuutta voidaan muuttaa esimerkiksi ohjaamalla magneetin virtaa. Tällöin tarvitaan magneetin ohjaamiseen nopeaa virtalähdettä, jonka lähtöjännitealue on hyvin laaja, koska induktanssin virran nopeaan muuttamiseen tarvitaan suurta, nopeasti muuttuvaa jännitettä.

20 Tällöin on edellä esitettyä vahvistinjärjestelyä modifioitava siten, että virtatakaisinkytkentää nopeutetaan hetkellisesti muuttamalla sen sisäistä kytkentää. Tällainen vahvistin näyttää siis hyvin korkeaa lähtöimpedanssia suurille 25 taajuuksille asti ja asettuu nopeasti uuteen virta-arvoon.

· Kun virta on asettunut, esimerkiksi tietyn ajan kuluttua, :voidaan takaisinkytkentä palauttaa ennalleen. Näin menetel-Ien voidaan virran arvoa muuttaa nopeasti ilman, että vah- • * vistimen muista ominaisuuksista joudutaan tinkimään.

3o • · · f · * « · ·

Claims (10)

1. 98411
2. 1. Magneettivirtalähde, jonka magneetin käämi johtimella on resistanssi RM ja induktanssi LM ja impedanssi ZM, tunnettu siitä, että matalilla taajuuksilla 10-6 Hz ... 0.1 Hz virtalähteen ulostuloimpedanssi (Rout) on suurempi kuin 103 RM, sopivimmin suurempi kuin 105 RM ja korkeilla taajuuksilla 10-3 Hz ... 100 Hz ulostuloimpedanssi (Rout) cm pienempi kuin 10 ZM.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen magneettivirtalähde, tunnettu siitä, että siinä käytetään sekä jännite- että virtatakaisinkytkentää.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen magneettivirtalähde, tunnettu siitä, että siinä käytetään pelkästään virtamit-tausta.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen magneettivirtalähde, tunnettu siitä, että virtaa syöttävä elin (A) on jaettu kahteen rinnakkaiseen osaan, joista toinen käyttää virtatakai- : sinkytkentää ja toinen jännitetakaisinkytkentää. : 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen magneettivirtalähde, t u n - n e t t u siitä, että virtaa syöttävä elin (A) on toteutettu • · #·;·. hakkuriperiaatteella. • · · , 6. Patenttivaatimuksen 8 mukainen magneettivirtalähde, • i · ···· tunnettu siitä, että jännitetakaisinkytkentää käyttävä • · · *.· * osa on toteutettu lineaaripiireillä. • · · • · · • · ·
6. 7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen magneettivirtalähde, tunnettu siitä, että takaisinkytkentäpiiri on ulkoapäin ohjattavissa siten, että korkeiden taajuuksien alarajaa voidaan hetkellisesti nostaa. 98411
7. 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen magneettivirtalähde, tunnettu siitä, että sitä voidaan ohjata antamaan vuorotellen kahta tai useampaa virta-arvoa.
8. 9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen magneettivirtalähde, tunnettu siitä, että sen antovirtaa korjataan magneettikent-täanturin informaation mukaan.
9. 10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen magneettivirtalähde, tunnettu siitä, että matalilla taajuuksilla Rout *
10. 103 Rm. • · · • · · • · • · II· • · I • · • I · · • · · « I · 1 • · · • · · 98411 1 1