FR2574981A1 - Solenoid magnet with uniform magnetic field - Google Patents

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FR2574981A1
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Guy Aubert
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00Magnets
    • H01F7/06Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/20Electromagnets; Actuators including electromagnets without armatures
    • H01F7/202Electromagnets for high magnetic field strength

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Abstract

Resistive solenoid magnet with uniform field, in particular for NMR imaging. According to the invention, the magnet includes several juxtaposed coils 13, 14, 15, preferably Bitter coils and certain parameters such as the lengths of the coils bi - bi-1, the thickness of the turns of the coils and their outer diameter a2 are chosen to obtain the required uniformity of field and preferably to moreover optimise the Power-Mass product of the magnet.

Description

AIMANT SOLENOIDAL A CHAMP MAGNETIQUE HOMOGENE
L'invention, due à la collaboration du Service National des
Champs Intenses du CNRS (Directeur M. HAUBERT), se rapporte à un aimant solénordal pour produire un champ magnétique relativement intense avec une grande homogénéité dans une région prédéterminée de l'espace ; l'invention trouve son domaine - d'application privilégié dans une installation d'imagerie - par Rénonance Magnétique
Nucléaire (RMN) et concerne aussi, à titre d'application, une telle installation incluant cet aimant bobiné.
SOLENOIDAL MAGNET WITH HOMOGENEOUS MAGNETIC FIELD
The invention, due to the collaboration of the National Service of
CNRS Intensive Fields (Director M. HAUBERT), refers to a solenordal magnet to produce a relatively intense magnetic field with great homogeneity in a predetermined region of space; the invention finds its field - of privileged application in an imaging installation - by Magnetic Rénonance
Nuclear (NMR) and also concerns, as an application, such an installation including this wound magnet.

Une installation d'imagerie par RMN comprend entre autres - un aimant susceptible de créer un champ magnétique relativement intense (de l'ordre 0,15 à 1,5 teslas) et uniforme dans un volume d'examen suffisamment grand pour accueillir un patient ; ce champ magnétique est appelé champ de base; - un ensemble de bobines de gradients ageneé généralement sur un même mandrin cylindrique pour pouvoir engendrer des gradients de champ magnétique suivant des directions prédéterminées dans ledit volume d'examen, au cours de séquences successives - des moyens d'émission-réception radiofréquence pour exciter les spins des noyaux d'atomes pour lesquels les conditions de RMN se trouvent réunies. An NMR imaging facility includes, inter alia - a magnet capable of creating a relatively intense magnetic field (on the order of 0.15 to 1.5 tesla) and uniform in a test volume large enough to accommodate a patient; this magnetic field is called base field; a set of gradient coils arranged generally on the same cylindrical mandrel in order to be able to generate magnetic field gradients along predetermined directions in said examination volume, during successive sequences - radiofrequency transmission-reception means for exciting the spin of the atomic nuclei for which the NMR conditions are found.

L'aimant est traditionnellement un ensemble volumineux et coOteux. - On s'est jusqu'à présent principalement orienté vers deux technologies différentes, d'une part les aimants à bobines résistives, sans pièces polaires, et d'autre part les aimants à bobinages supraconducteurs. The magnet is traditionally a bulky and expensive set. - Until now, we have mainly focused on two different technologies, on the one hand the resistive coil magnets, without pole pieces, and on the other hand the magnets with superconducting coils.

Les aimants supraconducteurs posent de nombreux problèmes. Superconducting magnets pose many problems.

Dans ce système, il est primordial de réduire la quantité de fluide de refroidissement (de l'hélium liquide) en contact thermique avec les enroulements pour les maintenir supraconducteurs. Pour ce faire, la géométrie des bobines se rapproche d'un cylindre. On sait en effet qu'un solénoïde infiniment long engendre un champ uniforme dans son espace interne et qu'il est possible dthomogénélser le champ à l'intérieur d'un solénoïde de longueur finie, par exemple en modifiant la densité axiale de spires au voisinage de ses extrémités. In this system, it is essential to reduce the amount of cooling fluid (liquid helium) in thermal contact with the windings to keep them superconducting. To do this, the geometry of the coils is close to a cylinder. It is known that an infinitely long solenoid generates a uniform field in its internal space and that it is possible to homogenize the field inside a solenoid of finite length, for example by modifying the axial density of turns in the vicinity from its ends.

Cependant l'encombrement des différents systèmes cryogéniques (à azote liquide et à hélium liquide) est important et le volume utile à l'intérieur des bobines est considérablement réduit. Autrement dit, pour un accès donné, le diamètre (et donc la masse) des enroulements est important. En outre, il est impératif de pouvoir faire face à une défaillance du système de refroidissement. En effet, tout échauffement au-delà de quelques kelvins se traduit par la disparition du phénomène de supraconductivité, et le courant qui circulait sans chute de tension dans le bobinage supraconducteur, disparaît brusquement dès que ledit bobinage redevient résistif. Le champ magnétique disparaît aussi très rapidement et la variation de flux qui en résulte peut engendrer des phénomènes d'induction mettant la vie du patient en danger.Pour faire face à cette éventualité, on dispose un - cylindre conducteur (généralement en aluminium) entre les bobines et le patient pour que l'énergie dégagée par la variation du flux soit dissipée sous forme de courants de
Foucault dans ce cylindre. Outre le fait que cette enveloppe cylindrique réduit encore le volume utile, toutes choses égales par ailleurs, sa présence modifie considérablement le fonctionnement des bobines de gradients. L'établissement des gradients est en effet nretardé" à chaque séquence par le couplage entre les -bobines de gradients et cette enveloppe protectrice. Pour remédier à ce nouvel inconvénient, on est obligé de surdimensionner les alimentations des systèmes de gradients.
However, the size of the various cryogenic systems (liquid nitrogen and liquid helium) is large and the useful volume inside the coils is considerably reduced. In other words, for a given access, the diameter (and therefore the mass) of the windings is important. In addition, it is imperative to be able to cope with a failure of the cooling system. Indeed, any heating beyond a few Kelvin results in the disappearance of the phenomenon of superconductivity, and the current flowing without voltage drop in the superconducting winding, disappears suddenly as soon as said winding becomes resistive. The magnetic field also disappears very rapidly and the resulting variation in flux can lead to induction phenomena putting the patient's life in danger. To cope with this eventuality, a conductive cylinder (usually made of aluminum) is available between coils and the patient so that the energy released by the flow variation is dissipated as currents of
Foucault in this cylinder. In addition to the fact that this cylindrical envelope further reduces the useful volume, all things being equal, its presence considerably modifies the operation of the gradient coils. The establishment of the gradients is in fact nonnarded "at each sequence by the coupling between the -bobines of gradients and this protective envelope.To overcome this new disadvantage, it is necessary to oversize the feeds gradient systems.

Les aimants à bobines résistives les plus fréquemment utilisés comportent des jeux de bobines réparties par paires de part et d'autre d'un plan médian du volume d'examen. Ces bobines ont souvent des diamètres tels qu'elles se trouvent sensiblement réparties sur une sphère. Cette conception provient du fait qu'il est connu qu'un enroulement de spires convenablement bobinées à la surface d'une sphère produit un champ uniforme dans cette sphère. The most frequently used resistive coil magnets have sets of coils distributed in pairs on either side of a median plane of the examination volume. These coils often have diameters such that they are substantially distributed over a sphere. This design stems from the fact that it is known that a winding of coils properly wound on the surface of a sphere produces a uniform field in this sphere.

Comme un système matérialisant exactement ce concept serait inutilisable du fait que l'accès au volume interne de la sphère serait impossible, on a construit des systèmes comportant de tels jeux de bobines de diamètres différents, espacés le long d'un axe commun et s'inscrivant sensiblement sur une sphère, l'homogénélté exprimée en parties par million (ppm) étant obtenue dans un volume suffisant de la sphère en ajustant différents paramètres tels que les caractéristiques des bobines, leurs diamètres et leurs emplacements le long de l'axe. De tels aimants à champ homogène, en vue d'une autre application que l'imagerie RMN, ont été calculés par Garrett et les résultats de ces calculs ont été publiés dans un article de la revue "Journal of applied physics" en MAI 1967.Cependant, ces calculs visaient surtout à l'homogénéisation du champ magnétique, sans proposer une structure industriellement facile à fabriquer avec relativement peu de matière première pour une puissance électrique donnée, ou vice-versa.As a system embodying exactly this concept would be unusable because access to the internal volume of the sphere would be impossible, systems having such sets of coils of different diameters, spaced along a common axis and being substantially perceptible on a sphere, the homogenicity expressed in parts per million (ppm) is obtained in a sufficient volume of the sphere by adjusting various parameters such as the characteristics of the coils, their diameters and their locations along the axis. Such homogenous field magnets, for a purpose other than NMR imaging, were calculated by Garrett and the results of these calculations were published in an article in the Journal of Applied Physics in MAY 1967. However, these calculations were aimed mainly at the homogenization of the magnetic field, without proposing an industrially easy structure to manufacture with relatively little raw material for a given electric power, or vice versa.

L'invention propose en premier lieu un nouveau type d'aimant solénoldal à haute homogénélté de champ magnétique. The invention firstly proposes a new type of solenoldal magnet with high magnetic field homogeneity.

Dans cet esprit, l'invention concerne un aimant solénoldal, notamment pour des applications en RMN, du type comportant un agencement de bobines disposées le long d'un axe longitudinal commun, symétriquement par rapport à un plan transversal médian d'une zone d'intérêt où règne le champ magnétique, caractérisé en ce que toutes les bobines ont sensiblement le même diamètre intérieur et extérieur, forment un empilage continu, et sont connectées pour être traversées par le même courant, en ce que les spires de deux bobines adjacentes quelconques sont de sections différentes et en ce que ces sections, les longueurs des bobines et éventuellement leur diamètre extérieur sont déterminés pour donner audit champ une homogénéité prescrite dans ladite zone d'intérêt. In this spirit, the invention relates to a solenoidal magnet, particularly for NMR applications, of the type comprising an arrangement of coils arranged along a common longitudinal axis, symmetrically with respect to a median transverse plane of a zone of interest in which the magnetic field prevails, characterized in that all the coils have substantially the same inner and outer diameter, form a continuous stack, and are connected to be traversed by the same current, in that the turns of any two adjacent coils are of different sections and in that these sections, the lengths of the coils and possibly their outer diameter are determined to give said field homogeneity prescribed in said area of interest.

L'invention propose en outre un tel aimant solénoldal à haute homogénéité de champ magnétique présentant la qualité supplémentaire d'une réduction de son produit P.M, comparé aux systèmes d'aimants résistifs proposés à ce jour, M étant la masse de conducteur utilisé pour produire le champ magnétique et P étant la puissance électrique consommée. Parmi tous les choix possibles de sections de spires,de longueurs de bobines et de diamètre extérieur répondant aux exigences d'homogénéité du champ magnétique, l'invention concerne particulièrement ceux qui optimisent le produit
P.M.
The invention further provides such a solenoldal magnet with high magnetic field homogeneity having the additional quality of a reduction of its PM product, compared to the resistive magnet systems proposed to date, M being the conductor mass used to produce the magnetic field and P being the electrical power consumed. Of all the possible choices of coil sections, coil lengths and outer diameter meeting the requirements of homogeneity of the magnetic field, the invention particularly relates to those which optimize the product.
PM

En effet, aucun aimant à bobines réparties sur une sphère ou autre surface convexe de révolution ne peut être optimum du point de vue du produit P.M. Le fait de poser le problème de l'optimisation de ce produit a conduit à choisir une structure cylindrique et à rechercher parmi toutes les combinaisons possibles de longueurs de bobines et de densités de courant dans ces bobines, celles qui réalisaient à la fois l'homogénéité requise (typiquement 1 à 10 ppm dans une sphère de 50 cm de diamètre autour du centre de symétrie de l'aimant) et le produit P.M optimum. Indeed, no coil magnet distributed over a sphere or other convex surface of revolution can be optimum from the point of view of the PM product. The fact of posing the problem of the optimization of this product has led to the choice of a cylindrical structure and to search among all the possible combinations of coil lengths and current densities in these coils, those which achieved both the required homogeneity (typically 1 to 10 ppm in a sphere 50 cm in diameter around the center of symmetry of the coil). magnet) and the optimum PM product.

En outre, l'article de Garrett mentionné ci-dessus ne se préoccupe pas des conditions pratiques de réalisation des enroulements. En particulier, il est difficile de réaliser des bobines sans défaut dès qu'il devient nécessaire de superposer plusieurs couches de spires. De tels défauts se répercutent sur l'homogénéité du champ de sorte que les résultats pratiques sont souvent assez éloignés des calculs théoriques. I1 est donc souvent nécessaire de compenser expérimentalement ces défauts en ajustant des courants dans des enroulements de correction indépendants des bobinages. In addition, Garrett's article mentioned above is not concerned with practical conditions for making windings. In particular, it is difficult to produce reels without defects as soon as it becomes necessary to superpose several layers of turns. Such defects have repercussions on the homogeneity of the field so that the practical results are often rather far from the theoretical calculations. It is therefore often necessary to compensate for these defects experimentally by adjusting currents in correction windings independent of the windings.

Ces réglages sont laborieux et nécessitent des alimentations supplémentaires réglables indépendamment les unes des autres. De plus, la nécessité de refroidir l'aimant pour le maintenir à une température de fonctionnement voulue implique d'étudier en conséquence la géométrie et les dimensions des bobinages et éventuellement de leur associer des moyens de refroidissements.These settings are laborious and require additional power supplies adjustable independently of each other. In addition, the need to cool the magnet to maintain it at a desired operating temperature involves studying accordingly the geometry and the dimensions of the coils and possibly to associate them with cooling means.

L'invention a en outre pour but de proposer un aimant solénoldal du type défini ci-dessus et présentant les qualités supplémentaires suivantes: - un refroidissement efficace évitant toute dérive; - une structure de bobinage permettant d'éviter au maximum les défauts en vue d'éliminer ou au moins considérablement simplifier les corrections. The invention further aims to provide a solenoldal magnet of the type defined above and having the following additional qualities: - efficient cooling avoiding drift; a winding structure making it possible to avoid defects as much as possible in order to eliminate or at least considerably simplify the corrections.

Ces problèmes sont résolus par le fait que les bobines précitées sont des bobines de Bitter. These problems are solved by the fact that the aforementioned coils are Bitter coils.

On entend par bobine de Bitter, toute structure composée de disques annulaires métalliques (typiquement en cuivre ou en aluminium) définissant des spires, ces spires étant raccordées bout à bout pour matérialiser un solénoide, tandis que les disques sont empilés avec interposition d'isolant et que des trous sont pratiqués dans les disques pour définir des canaux, s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal de la bobine ainsi constituée, dans lesquels circule un fluide de refroidissement. Une structure correspondant à la définition qui précède a été décrite une première fois par F. Bitter dans un article de Review of Scientific
Instruments" de Déc. 1936.
Bitter coil means any structure composed of metal annular disks (typically copper or aluminum) defining turns, these turns being connected end to end to materialize a solenoid, while the disks are stacked with interposition of insulation and that holes are made in the discs to define channels, extending substantially parallel to the longitudinal axis of the coil thus formed, in which circulates a cooling fluid. A structure corresponding to the above definition was first described by F. Bitter in an article by Review of Scientific
Instruments of Dec. 1936.

En outre, le fait d'utiliser des bobines de Bitter ayant toutes le même diamètre intérieur et extérieur (ce qui correspond à une condition d'optimisation du produit P.M) simplifie considérablement la réalisation technologique de l'aimant compte tenu de la nature des moyens de refroidissement "à coeur" de ce type de bobine. In addition, the fact of using Bitter coils all having the same inside and outside diameter (which corresponds to a PM product optimization condition) considerably simplifies the technological realization of the magnet given the nature of the means. "heart" cooling of this type of coil.

L'invention concerne aussi toute installation d'imagerie par
RMN incorporant l'aimant décrit ci-dessus et en particulier toute installation de ce genre dans laquelle le système de bobines de gradients est agencé à l'extérieur des bobines de l'aimant.
The invention also relates to any imaging installation by
NMR incorporating the magnet described above and in particular any such installation in which the gradient coil system is arranged outside the coils of the magnet.

L'invention apparaitra plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un aimant bobiné conforme a son principe, du processus de calcul des caractéristiques structurelles de cet aimant et d'une installation d'imagerie par RMN incorporant un tel aimant, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un aimant bobiné conforme à l'invention; - la figure 2 illustre la décomposition vectorielle d'un champ magnétique créé par un système de courants à symétrie de révolution autour d'un axe Oz avec un plan de symétrie perpendiculaire à Oz en O ; et - la figure 3 illustre schématiquement une installation d'imagerie par RMN incorporant l'aimant de la figure 1. The invention will appear more clearly in the light of the following description of a wound magnet conforming to its principle, the process of calculating the structural characteristics of this magnet and an NMR imaging installation incorporating such a magnet, given only by way of example, and with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 shows schematically a wound magnet according to the invention; FIG. 2 illustrates the vector decomposition of a magnetic field created by a rotationally symmetrical current system around an axis Oz with a plane of symmetry perpendicular to Oz at O; and FIG. 3 schematically illustrates an NMR imaging installation incorporating the magnet of FIG. 1.

Un aimant solénoidal selon l'invention, tel que représenté, se compose de plusieurs bobines, qui sont dans l'exemple décrit des bobines de Bitter selon la définition qui précède, disposées le long d'un axe longitudinal commun Oz symétriquement par rapport à un plan transversal median PO d'une zone d'intérêt Il où règne le champ magnétique, cette zone d'intérêt étant celle où prend place le patient dans le cas de l'application à une installation d'imagerie par RMN. Les bobines forment un empilage continu le long de l'axe
Oz de sorte que la longueur et la position dè la ième bobine à partir du centre de symétrie O sont entièrement définies par la distance bi définissant la distance par rapport à O de son extrémité axiale la plus éloignée du centre de symétrie 0.En raison de la symétrie par rapport au plan transversal médian Pg, le nombre n de bobines est obligatoirement impair, ce qui signifie que l'aimant comporte une bobine de Bitter centrale soit n = 2q - 1.
A solenoidal magnet according to the invention, as shown, consists of several coils, which are in the example described Bitter coils according to the above definition, arranged along a common longitudinal axis Oz symmetrically with respect to a transversal plane median PO of an area of interest II where the magnetic field prevails, this area of interest being the one where the patient takes place in the case of the application to an NMR imaging installation. The coils form a continuous stack along the axis
Oz so that the length and position of the ith coil from the center of symmetry O are entirely defined by the distance b i defining the distance from O of its axial end furthest from the center of symmetry 0. Due to the symmetry with respect to the median transverse plane Pg, the number n of coils is necessarily odd, which means that the magnet comprises a central Bitter coil that is n = 2q - 1.

L'exemple représenté est celui où n = 7, soit q = 4 avec trois paires de bobines 13a-13b, 14a-14b, lSa-15b, symétriques par rapport au plan Po et une bobine centrale 16. Selon une caractéristique importante de l'invention, on choisit toutes les bobines avec le même rayon intérieur al et le même rayon extérieur a2. Ceci présente deux avantages essentiels. C'est d'une part la configuration qui permet d'optimiser le produit P.M et c'est, d'autre part, celle qui permet de simplifier au maximum la réalisation technologique de l'aimant, notamment pour ce qui concerne (s'agissant de bobines de Bitter) la structure du circuit de circulation de fluide de- refroidissement au travers des bobines, les canaux de refroidissement définis par les troues des disques de Bitter se prolongeant d'une bobine à l'autre.D'autre part, toutes les bobines sont traversées par le même courant ; elles sont connectées en série. En outre, les spires de deux bobines adjacentes quelconques
(par exemple 16 et 13a, 14a et 15a) sont de sections (c'est-à-dire
ici : d'épaisseurs) différentes, mais les spires de deux bobines
symétriques sont de même section.
The example represented is that where n = 7, ie q = 4 with three pairs of coils 13a-13b, 14a-14b, 1Sa-15b, symmetrical with respect to the plane Po and a central coil 16. According to an important characteristic of the In the invention, all coils are selected with the same inner radius a1 and the same outer radius a2. This has two essential advantages. It is on the one hand the configuration which makes it possible to optimize the product PM and it is, on the other hand, that which makes it possible to simplify as much as possible the technological realization of the magnet, in particular with regard to acting as Bitter coils) the structure of the cooling fluid circulation circuit through the coils, the cooling channels defined by the holes of the Bitter disks extending from one coil to the other. On the other hand, all the coils are crossed by the same current; they are connected in series. In addition, the turns of any two adjacent coils
(eg 16 and 13a, 14a and 15a) are of sections (i.e.
here: of different thicknesses) but the turns of two coils
symmetrical are of the same section.

On va maintenant montrer comment déterminer certains
paramètres: bi, a2, la section des spires des différentes bobines
après en avoir fixé certains autres:
al,n, M ou P pour obtenir un champ magnétique d'uniformité requise (1 à 10 ppm) dans un volume suffisant de la zone d'intérêt Il autour
du centre de symétrie 0. Si l'on considère la figure 2, on sait que le -champ créé en un point M par un système de courants à symétrie de révolution autour de l'axe Oz avec un plan de symétrie Po perpendiculaire à Oz en 0, peut s'exprimer par ses composantes longitudinale Hz et radiale Hp de la façon suivante:

Figure img00070001
We will now show how to determine some
parameters: bi, a2, the section of the turns of the different coils
after fixing some others:
al, n, M or P to obtain a magnetic field of uniformity required (1 to 10 ppm) in a sufficient volume of the area of interest II around
of center of symmetry 0. If we consider FIG. 2, we know that the field created at a point M by a system of currents with symmetry of revolution around the axis Oz with a plane of symmetry Po perpendicular to Oz in 0, can be expressed by its longitudinal components Hz and radial Hp as follows:
Figure img00070001

Figure img00070002

est le polynome de Legendre d'ordre 2p
Figure img00070003

polynome de Legendre associé du même ordre. D'autre part, r est la distance OM et & l'angle entre OM et Oz.Ce développement est valable à l'intérieur d'une sphère de rayons rmax, où rmax est la distance à O du point le plus proche de O où il passe effectivement du courant (autrement dit rmax = al dans l'exemple décrit) et ro est une longueur de référence quelconque, par exemple le rayon de la sphère d'intérêt dans laquelle on cherche à obtenir un champ homogène.
Figure img00070002

is the Legendre polynomial of order 2p
Figure img00070003

associated Legendre polynomial of the same order. On the other hand, r is the distance OM and the angle between OM and Oz.This development is valid inside a sphere of rmax rmax, where rmax is the distance to O from the point closest to O where it actually passes current (in other words rmax = al in the example described) and ro is any reference length, for example the radius of the sphere of interest in which one seeks to obtain a homogeneous field.

Les coefficients H2p ont la dimension d'un champ et caractérisent l'homogénéité de l'aimant. Homogénéiser le champ à un certain ordre 2po revient donc à annuler tous les coefficients H2, H4... H2po. On dit alors que le champ est homogène jusqu'à l'ordre 2po, c'est-à-dire:
Hz#Ho
Hf 0
L'inhomogénéité résiduelle dépend pour l'essentiel des valeurs des termes d'ordre supérieur à 2p0. Par conséquent, plus on réussit à annuler de termes H2p, plus l'homogénéité du champ est grande. On démontre que pour un aimant à n bobines, il n'existe pas de solution annulant les H2, H4... H2po si pO n.
The H2p coefficients have the size of a field and characterize the homogeneity of the magnet. To homogenize the field to a certain order 2po is thus to cancel all the coefficients H2, H4 ... H2po. We then say that the field is homogeneous up to the order 2po, that is to say:
Ho Hz #
Hf 0
The residual inhomogeneity essentially depends on the values of the terms of order greater than 2p0. Therefore, the more we succeed in canceling H2p terms, the greater the homogeneity of the field is large. We prove that for a magnet with n coils, there is no solution canceling the H2, H4 ... H2po if pO n.

C'est pourquoi pour les applications à Imagerie par RMN, un aimant à six ou sept bobines de Bitter pourra être calculé pour délivrer un champ d'homogénéité requise. Therefore for NMR Imaging applications, a six or seven Bitter coil magnet can be calculated to provide a required homogeneity field.

Pour le calcul des caractéristiques de l'aimant, il faut exprimer H0 et les H2p en fonction des paramètres structurels de l'aimant, c'est-à-dire les bi, al et a2 en prenant en considération l'expression particulière de la densité de courant tournant autour de 0z qui, pour une bobine de Bitter est de la forme
ji a1 # où Ç est la distance d'un point considéré d'un disque de Bitter à l'axe Oz et ji la densité de courant maximum (sur le cylindrique de rayon al). Dans ces conditions. on a:

Figure img00080001
For the calculation of the characteristics of the magnet, H0 and H2p must be expressed as a function of the structural parameters of the magnet, that is to say the bi, al and a2 taking into account the particular expression of the magnet. current density revolving around 0z which for a Bitter coil is of the form
ji a1 # where Ç is the distance from a considered point of a Bitter disk to the Oz axis and ji the maximum current density (on the cylindrical radius α). In these conditions. we have:
Figure img00080001

Figure img00090001

le polynôme de Legendre en x d'ordre 2p-1 (x: variable muette).
Figure img00090001

the Legendre polynomial in x of order 2p-1 (x: dummy variable).

D'autre part, la masse de conducteur M s'exprime:

Figure img00090002

où m est la masse volumique du matériau tandis que la puissance
Figure img00090003
On the other hand, the mass of driver M is expressed:
Figure img00090002

where m is the density of the material while the power
Figure img00090003

<tb> dissipée <SEP> par <SEP> l'aimant <SEP> est:
<tb> <SEP> P <SEP> = <SEP> a, <SEP> lot <SEP> 4 tAcy
<tb> avec bo = o où < o 0 est la résistivité du conducteur utilisé.
<tb> dissipated <SEP> by <SEP> the magnet <SEP> is:
<tb><SEP> P <SEP> = <SEP> a, <SEP> batch <SEP> 4 tAcy
<tb> with bo = o where <0 0 is the resistivity of the conductor used.

Toutes ces expressions sont données en unités du système international, c'est-à-dire que les longueurs sont exprimées en mètre, la densité de courant ii en ampère par mètre carré et Ho en ampère par mètre. Le champ d'induction magnétique BO s'exprime en Tesla avec Bg = 0 0 et 0 = 4 7 7
Selon l'invention, on fixe certains paramètres qui sont dictés par les besoins de l'utilisateur. On choisit par exemple: al en rapport avec l'accès souhaité
Ho en rapport avec le champ d'induction magnétique souhaité n: le nombre de bobines de Bitter 2po l'ordre d'homogénélté souhaité.
All these expressions are given in units of the international system, that is to say, the lengths are expressed in meters, the current density ii in ampere per square meter and Ho in ampere per meter. The magnetic induction field BO is expressed in Tesla with Bg = 0 0 and 0 = 4 7 7
According to the invention, certain parameters are fixed which are dictated by the needs of the user. For example, we choose: al in relation to the desired access
Ho in relation to the desired magnetic induction field n: the number of Bitter coils 2po in the desired homogenous order.

On choisit en outre la masse M (où la puissance P). We also choose the mass M (where the power P).

On peut alors déterminer les autres paramètres représentatifs de l'aimant recherché (à savoir bi, ji, a2) en recherchant le minimum d'une fonction de ces variables, en l'occurence la puissance P (où la masse M, respectivement) avec les contraintes suivantes: - valeurs de Ho, M, al,n

Figure img00090004
We can then determine the other parameters representative of the desired magnet (namely bi, ji, a2) by looking for the minimum of a function of these variables, in this case the power P (where the mass M, respectively) with the following constraints: - values of Ho, M, al, n
Figure img00090004

Les valeurs des variables donnant le minimum de la fonction P tout en respectant ces contraintes déterminent les caractéristiques dimensionnelles bi de l'aimant optimum recherché et les épaisseurs des spires à prévoir dans les différentes bobines, déduites des ji, puisque les bobines sont connectées en série. Le problème de minimisation d'une fonction non linéaire de plusieurs variables avec contraintes est classique et parfaitement résolu par calculs itératifs au moyen d'un ordinateur.Des programmes appelés "routines" capables de mener à bien de tels processus de minimisation sont disponibles dans la plupart des "librairies" associées à un centre de calcul scientifique. On peut utiliser par exemple la "routine" EO4UAF de la librairie "Numérical Algorithms Group" d'origine britannique. The values of the variables giving the minimum of the function P while respecting these constraints determine the dimensional characteristics bi of the desired optimum magnet and the thicknesses of the turns to be provided in the different coils, deduced from the ji, since the coils are connected in series . The problem of minimizing a non-linear function of several variables with constraints is classical and perfectly solved by iterative calculations by means of a computer. Programs called "routines" capable of carrying out such minimization processes are available in the most "libraries" associated with a scientific computing center. One can use for example the "routine" EO4UAF of the library "Numerical Algorithms Group" of British origin.

La programmation des expressions analytiques exprimées cidessus, de Hg, H2p, M et P, en vue de la mise en oeuvre de la "routine", est à la portée de l'homme du métier. The programming of the analytical expressions expressed above, Hg, H2p, M and P, in order to implement the "routine", is within the abilities of those skilled in the art.

Un calcul supplémentaire de vérification consistant à calculer ensuite les H2p non nuls (p ) po) avec les valeurs des paramètres déterminées par le calcul précédemment décrit permet de connaître l'homogénéité théorique de l'aimant dans toute sphère de rayon inférieur à al. An additional verification calculation consisting of then calculating the nonpull H2p (p) po) with the values of the parameters determined by the calculation previously described makes it possible to know the theoretical homogeneity of the magnet in any sphere of radius less than al.

Le processus de calcul d'optimisation peut en outre faire l'objet de plusieurs variantes. On peut en effet minimiser d'autres fonctions que la puissance P ou la masse M, comme par exemple le premier H2p non nul, c'est-à-dire H2(po + 1) ou toute autre fonction des H2p non nuls. On peut enfin minimiser une fonction représentative de la puissance P et d'un ou plusieurs H2p non nuls (p > PO)
La figure 3 illustre schématiquement une installation d'imagerie par RMN incorporant un aimant 12 à bobines de Bitter conforme à la description qui précède.
The optimization calculation process may furthermore be subject to several variants. It is indeed possible to minimize other functions than the power P or the mass M, such as, for example, the first non-zero H2p, that is to say H2 (po + 1) or any other function of the non-zero H2p. We can finally minimize a function representative of the power P and of one or more non-zero H2p (p> PO)
Figure 3 schematically illustrates an NMR imaging installation incorporating a Bitter coil magnet 12 according to the foregoing description.

L'aimant comporte les six bobines de Bitter 13a-13b, 14a-14b, 15a-15b et la bobine centrale 16 mentionnées ci-dessus et connectées en série. Les bobines sont traversés par du fluide d'un circuit de circulation de fluide de refroidissement 25 comportant en outre une pompe 26 et le circuit secondaire 27b d'un échangeur 27 le circuit primaire 27a de cet échangeur étant traversé par un autre fluide plus froid. Les bobines de Bitter sont traversées par un courant continu délivré par une alimentation électrique 29. The magnet comprises the six Bitter coils 13a-13b, 14a-14b, 15a-15b and the central coil 16 mentioned above and connected in series. The coils are traversed by fluid of a cooling fluid circulation circuit 25 further comprising a pump 26 and the secondary circuit 27b of an exchanger 27 the primary circuit 27a of this exchanger being traversed by another colder fluid. The Bitter coils are traversed by a direct current delivered by a power supply 29.

L'installation comporte aussi un système de bobinages de correction (appelés "shims") connu en soi et non représenté, essentiellement destiné à compenser les effets perturbateurs de l'environnement sur l'aimant. L'installation est complètée par un système de bobines de gradients 30, connu en soi, par un système d'antennes radiofréquence 31 logé à l'intérieur de la zone d'intérêt 11 de l'aimant, par un générateur radiofréquence 32 et par un ordinateur 33. Les bobines de gradients sont connectées à un ensemble d'alimentations en courant continu Gx, Gy et Gz lesquelles sont commandées par un cycle de séquences programmé dans l'ordinateur 33 pour alimenter les bobines de gradients de façon à superposer au champ de base engendré par l'aimant des gradients de champ magnétique d'intensités et d'orientations différentes prédéterminées au cours desdites séquences.On sait que ces gradients permettent, entre autres, de sélectionner le plan de coupe dont on désire reconstruire l'image. Le générateur radiofréquence 32, relié au système d'antennes 31, est aussi piloté par l'ordinateur 33 pour engendrer des impulsions calibrées de signal radiofréquence pendant lesdites séquences. Les signaux de RMN réémis par le sujet en cours d'examen sont captés par le même système d'antennes et exploités par une unité de calcul de l'ordinateur 33, appliquant des algorithmes connus pour reconstituer une image. Cette image est par exemple affichée sur un tube cathodique d'un récepteur de télévision 35.Selon la technique antérieure, les bobines de gradients, agencées sur un mandrin cylindrique, étaient placées à l'intérieur de la zone d'intérêt 1 1 ce qui obligeait les constructeurs à dimensionner l'aimant en conséquence (choix de l'accès minimum al) pour qu'il subsiste une place suffisante pour accueillir le patient. The installation also comprises a system of correction coils (known as "shims") known per se and not shown, essentially intended to compensate for the disturbing effects of the environment on the magnet. The installation is completed by a system of gradient coils 30, known per se, by a radiofrequency antenna system 31 housed inside the zone of interest 11 of the magnet, by a radiofrequency generator 32 and by a computer 33. The gradient coils are connected to a set of DC power supplies Gx, Gy and Gz which are controlled by a cycle of sequences programmed in the computer 33 to feed the gradient coils so as to superimpose the field base generated by the magnet magnetic field gradients of different intensities and orientations predetermined during said sequences.On known that these gradients allow, among other things, to select the cutting plane whose image is to be reconstructed. The radiofrequency generator 32, connected to the antenna system 31, is also controlled by the computer 33 to generate calibrated pulses of radiofrequency signal during said sequences. The NMR signals re-transmitted by the subject under examination are picked up by the same antenna system and operated by a computing unit of the computer 33, applying known algorithms to reconstitute an image. This image is for example displayed on a cathode ray tube of a television receiver 35. According to the prior art, the gradient coils, arranged on a cylindrical mandrel, were placed inside the zone of interest 1 1 which forced the builders to size the magnet accordingly (choice of the minimum access al) so that there is sufficient room to accommodate the patient.

L'optimisation du produit P.M aboutit à une réduction tellement importante des dimensions de l'aimant (en particulier si on utilise des bobines de Bitter) qu'il devient possible de placer le système de bobines de gradients 30 à l'extérieur de l'aimant 12, comme cela apparait sur la figure 3. Le couplage entre les bobines de gradients et les bobines de Bitter de l'aimant est en outre extrèmement faible en raison de la structure "feuilletée" des bobines de Bitter, perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'aimant.Il est à noter que le fait de placer le système de bobines de gradients 30 à l'extérieur de l'aimant 12 permet de calculer celui4i en choisissant un paramètre al plus faible, ce qui aboutit, toutes choses égales par ailleurs, à un produit P.M plus faible, c'est-à-dire à une réduction supplémentaire de la masse (et donc de l'encombrement) de l'aimant 12.The optimization of the PM product results in such a large reduction in the dimensions of the magnet (especially if using Bitter coils) that it becomes possible to place the gradient coil system 30 outside the magnet 12, as shown in Figure 3. The coupling between the gradient coils and Bitter coils of the magnet is further extremely low due to the structure "laminated" Bitter coils, perpendicular to the axis It should be noted that placing the gradient coil system 30 outside the magnet 12 makes it possible to calculate that by choosing a lower parameter al, which results, all things being equal. moreover, to a lower PM product, that is to say to a further reduction of the mass (and therefore of the bulk) of the magnet 12.

D'autre part, il est à noter que les bobines de Bitter telles qu'elles ont été effectivement fabriquées jusqu présent étaient surtout destinées à créer des champs magnétiques intenses, pour des applications où l'homogénéité du champ importait moins. Dans cet esprit, la structure proposée par Bitter ne pouvait être considérée par l'homme du métier, comme un moyen permettant d'obtenir facilement un champ homogène. On the other hand, it should be noted that Bitter coils as actually manufactured up to now were mainly intended to create intense magnetic fields, for applications where the homogeneity of the field was less important. In this spirit, the structure proposed by Bitter could not be considered by those skilled in the art as a means of easily obtaining a homogeneous field.

En particulier, le mode de raccordement des spires le plus connu (utilisant un contact par pression des faces planes des disques adjacents grâce à une découpe de l'isolant) a été reconnu comme l'une des causes d'inhomogénéité intrinsèque des aimants de Bitter construits jusqu'à présent, cette particularité structurelle n'étant pas prise en compte dans les équations. C'est pourquoi il est souhaitable de modifier cette structure généralement utilisée, par exemple en réalisant des embrèvements aux extrémités des découpes radiales des anneaux et en soudant ces extrémités. On pourra aussi utiliser avantageusement les tirants d'assemblage des disques constituant une bobine de Bitter pour ramener le courant vers une extrémité axiale de la bobine. Tous ces perfectionnements qui font l'objet d'autres demandes de brevet déposées par la
Demanderesse permettent d'améliorer les qualités intrinsèques de la structure de Bitter du point de vue de l'homogénéité du champ produit.
In particular, the best-known method of connecting the turns (using pressure contact of the flat faces of the adjacent discs by cutting the insulation) has been recognized as one of the causes of intrinsic inhomogeneity of the Bitter magnets. constructed so far, this structural feature not being taken into account in the equations. This is why it is desirable to modify this generally used structure, for example by making recesses at the ends of the radial cuts of the rings and welding these ends. It is also possible to advantageously use the connecting rods of the disks constituting a Bitter coil to reduce the current towards an axial end of the coil. All these improvements which are the subject of other patent applications filed by the
Applicants make it possible to improve the intrinsic qualities of the Bitter structure from the point of view of the homogeneity of the field produced.

Claims (6)

REVENDICAnONSREVENDICAnONS 1. Aimant solénoldal, notamment pour des applications en 1. Solenoidal magnet, especially for applications in RMN, du type comportant un agencement de bobines disposées le long d'un axe longitudinal commun et symétriquement par rapport à un plan transversal (Po) médian d'une zone d'intérêt (11) où règne le champ magnétique, caractérisé en ce que toutes les bobines (13a13b, 14a-14b, 15a-15b, 16) ont sensiblement le même diamètre intérieur et extérieur, forment un empilage continu, et sont connectées pour être traversées par le même courant, en ce que les spires de deux bobines adjacentes quelconques sont de sections différentes et en ce que ces sections, les longueurs des bobines et éventuellement leur diamètre extérieur sont déterminés pour donner audit champ une homogénéité prescrite dans ladite zone d'intérêt.NMR, of the type comprising an arrangement of coils disposed along a common longitudinal axis and symmetrically with respect to a median transverse plane (Po) of an area of interest (11) in which the magnetic field prevails, characterized in that all the coils (13a13b, 14a-14b, 15a-15b, 16) have substantially the same inner and outer diameter, form a continuous stack, and are connected to be traversed by the same current, in that the turns of two adjacent coils Any of these are of different cross sections and in that these sections, the lengths of the coils and possibly their outside diameter are determined to give said field a homogeneity prescribed in said area of interest. 2. Aimant solénoidal selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites sections, lesdites longueurs et ledit diamètre extérieur sont déterminés pour obtenir un produit Puissance-Masse optimisée. Solenoid magnet according to claim 1, characterized in that said sections, said lengths and said outside diameter are determined to obtain an optimized power-mass product. 3. Aimant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites bobines sont des bobines à spires en forme de disques annulaires, du type bobine de Bitter. 3. Magnet according to claim 1 or 2, characterized in that said coils are coil-shaped windings of annular discs, Bitter coil type. 4. Installation d'imagerie par RMN comportant notamment un aimant solénoidal (12) pour créer un champ de base et un système de bobines de gradients (30), ledit aimant étant constitué d'un agencement de bobines disposées le long d'un axe longitudinal commun (Oz) et symétriquement par rapport à un plan transversal médian d'une zone d'intérêt (11) où règne le champ magnétique, caractérisé en ce que lesdites bobines (13a-13b, 14a-14b, 15A-15b, 16) ont sensiblement le même diamètre intérieur et extérieur et sont connectées pour être traversées par le même - courant, en ce que les spires de deux bobines adjacentes quelconques sont de sections différentes et en ce que ces sections, les longueurs des bobines et éventuellement leur diamètre extérieur sont déterminés pour donner audit champ uné homogénéité prescrite dans ladite zone d'intérêt et en ce que ledit système de bobines de gradients (30) est agencé- à l'extérieur desdites bobines dudit aimant (12).  An NMR imaging apparatus including a solenoidal magnet (12) for creating a base field and a gradient coil system (30), said magnet consisting of an arrangement of coils disposed along an axis longitudinal axis (Oz) and symmetrically with respect to a median transverse plane of an area of interest (11) where the magnetic field prevails, characterized in that said coils (13a-13b, 14a-14b, 15A-15b, 16 ) have substantially the same inner and outer diameter and are connected to be traversed by the same - current, in that the turns of any two adjacent coils are of different sections and in that these sections, the lengths of the coils and possibly their diameter are determined to give said field homogeneity prescribed in said area of interest and in that said gradient coil system (30) is arranged outside said coils of said magnet ( 12). 5. lnstallation selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites bobines dudit aimant (12) sont des bobines à spires en forme de disques annulaires, du type bobine de Bitter.  5. The installation as claimed in claim 4, characterized in that said coils of said magnet (12) are annular-coil-shaped coil windings of the Bitter coil type. 6. Installation selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que lesdites sections, lesdites longueurs et ledit diamètre extérieur sont déterminés pour obtenir un produit Puissance-Masse optimisé  6. Installation according to claim 4 or 5, characterized in that said sections, said lengths and said outer diameter are determined to obtain an optimized power-mass product.
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