NL8203756A - Magneetspoeleninrichting. - Google Patents

Description

ι ' ft • ‘ / - ,

Aanvraagster noemt als uitvinder:

Dr. Ii.J.M. van de Klundert te Enschede.

\

MAGNEETSPOELENINRICHTING

De uitvinding heeft betrekking op een magneetspoe-leninrichting voor het opwekken van een magneetveld met een bepaalde vorm, zoals een homogeen magneetveld voor kernmagnetische- resonantietechnieken, omvattende een gestel en een 5 aantal aan het gestel bevestigde hoofdspoelen.

Een dergelijke inrichting is bekend uit de Europese octrooiaanvrage 79200649.6. Deze bekende inrichting omvat vier spoelen, ofwel twee paren met verschillende gemiddelde diameter. Het spoelenpaar met de grootste diameter ligt tus- 10 sen het paar met de kleinste diameter. Deze magneetspoelin- richting wordt gebruikt om met behulp van kernmagnetische resonantie de inwendige structuur van een menselijk lichaam te bepalen. Deze techniek is op zichzelf bekend. Voor deze toepassing moet het opgewekte magneetveld aan strenge eisen 15 wat betreft uniformiteit en sterkte voldoen. De relatieve afwijkingen mogen in het meetgebied bijvoorbeeld niet meer -5 - ' dan 10 bedragen terwijl de sterkte van het veld m bepaalde toepassingsgevallen tot 2T (tesla) bedraagt. De bij deze veldsterkte in een dergelijke inrichting optredende 20 krachten liggen in de grootte orde van 40MN bij spoeldiame-ters van 1ra en een veld van 2T. Deze enorme krachten moeten door het gestel worden opgenomen. Bovendien moeten de spoelen hierbij onderling nauwkeurig coaxiaal blijven en mag de onderlinge afstand niet meer dan een berekende maat variëren.

25 wanneer hieraan niet wordt voldaan, kan de vereiste uniformiteit niet worden bereikt. Het is zeer moeilijk om bij de bekende magneetspoeleninrichting aan deze eisen te voldoen. Ook bij een andere bekende magneetspoeleninrichting, die uit een solenoïde met aan de beide einden compensatie-kopspoelen be-30 staat, is zeer moeilijk aan deze eisen te voldoen.

Het doel van de onderhavige uitvinding is een magneetspoeleninrichting van de in de aanhef omschreven soort te verschaffen, waarmee het op te wekken magneetveld met een 8203756 - 2 - é- » grote mate van nauwkeurigheid de gewenste vorm zal hebben.

Dit doel wordt bij een magneetspoelinrichting volgens de uitvinding bereikt doordat deze inrichting ten minste vier en bij voorkeur ten minste zeven hoofdspoelen omvat en 5 het gestel een cilinder van niet-ferromagnetisch materiaal omvat, in de omtrek waarvan de spoelen opnemende kanalen zijn uitgespaard. Door het relatief grote aantal hoofdspoelen is het mogelijk om deze aan te passen aan de, voor het bereiken van een grote stijfheid gunstige cilindervorm van het gestel. 10 Elke spoel heeft een aantal parameters die het op te wekken magneetveld bepalen. Deze parameters zijn de axiale ligging, de diameter, de dikte, de breedte en de stroomdichtheid van de spoel. Wanneer er volgens de uitvinding ten minste vier en bij voorkeur ten minste zeven hoofdspoelen worden toegepast, 15 kunnen een aantal van deze parameters voor elke spoel vrij worden gekozen, terwijl er dan nog voldoende parameters over blijven om de gewenste vorm van het magneetveld te verkrijgen. Door op de bovenomschreven wijze van elke spoel de gemiddelde diameter vrij te kiezen en dan met name zodanig dat 20 de nominale diameters in hoofdzaak gelijk zijn, dat wil zeggen, dat de gemiddelde diameters hoogstens met de helft van de dikte van de dikste spoel verschillen, kan het gestel deze constructief zeer gunstige vorm van een cilinder verkrijgen. De krachtweg tussen de magneetspoelen is bij deze vorm van 25 het gestel zo kort mogelijk en bovendien verlopen de krachten uitsluitend in axiale richting in de cilindermantel, zodat een voor de gewenste nauwkeurigheid zeer gunstige stijve constructie is bereikt.

In een verdere gunstige uitvoeringsvorm van de uit-30 vinding zijn de dikte en de breedte van elke hoofdspoel gelijk aan een geheel aantal malen de bij de toegepaste wikkel-wijze nominale radiale respectievelijk axiale afstand van twee in radiale respectievelijk axiale richting in contact verkerende wikkelingen van de geleider. Met deze keuze van de 35 dikte en de breedte van elke hoofdspoel wordt bereikt, dat de geleider zeer nauwkeurig in de spoel is gepositioneerd. De stroomverdeling over de doorsnede van de spoel zal dus uniform zijn, zodat de invloed van elke spoel op het magneetveld 8203756 £ '-k - 3 - zo goed mogelijk overeen komt met de berekende invloed.

De totale dikte van de magneetspoelen kan beperkt blijven tot minder dan een tiende van de gemiddelde straal van de spoelen, zodat het ruimtebeslag van de inrichting re-5 latief gering is en de minimale werkhoogte een gunstige geringe waarde kan hebben.

Ook de verhouding tussen lengte en diameter van de inrichting kan beperkt blijven; bij een systeem van acht spoelen kan deze verhouding de gunstige waarde van ongeveer 10 3:2 hebben.

Het cilindervormige gestel volgens de uitvinding wordt bij voorkeur vervaardigd door dit centrifugaal te gieten. De cilinder zal hierdoor een homogene samenstelling verkrijgen, hetgeen wederom gunstig is voor het verkrijgen van 15 de gewenste nauwkeurigheid van het magneetveld.

De hierboven genoemde veldsterkte van 2T wordt bij voorkeur met supergeleidende spoelen opgewekt. De inrichting volgens de uitvinding heeft het bijkomende voordeel, dat deze bijzonder geschikt is voor een dergelijke toepassing. Het 20 cryogene vacuum-vat, waarin de supergeleidende spoelen opgesteld moeten zijn, heeft een uit produktie-technisch oogpunt gunstige, eenvoudige vorm. In een voorkeursuitvoeringsvorm maakt de cilinder deel uit van de wand van het cryogeen vat.

In een andere uitvoeringsvorm is de cilinder een 25 deel van een de koeling van de spoelen verzorgende warmtewisselaar.

Het is gebruikelijk om de afwijkingen in het uiteindelijk door supergeleidende spoelen opgewekte magneetveld, ten gevolge van de fabricagetolerantie, te compenseren met 30 hulpspoelen. Volgens de uitvinding wordt bij de magneetspoel-inrichting aan elke hoofdspoel twee paar, dicht nabij deze aangebrachte hulpspoelen toegevoegd. Doordat een relatief groot aantal kleine hoofdspoelen wordt toegepast zijn de fouten ook op kleine gebieden gelocaliseerd. Door het toepassen 35 van twee paar hulpspoelen bij elke hoofdspoel, kunnen de fouten ter plaatse, in dat kleine gebied worden gecompenseerd.

De hiervoor benodigde stroorasterkten zijn relatief laag.

De uitvinding wordt nader uiteen gezet aan de hand 8203756 te ·...

r - 4 - van de bijgevoegde tekeningen van uitvoeringsvoorbeelden.

Fig. 1 toont een sterk schematische doorsnede van een magneetspoeleninrichting volgens de uitvinding.

Fig. 2 toont een andere uitvoering van de magneet-5 spoeleninrichting volgens de uitvinding.

Fig. 3 is een aanzicht volgens pijl XII van fig. 2.

Fig. 4 en 5 zijn schematische grafieken ter verduidelijking van de werking van hulpspoelen.

De magneetspoeleninrichting 1 omvat een gestel 2 en 10 een aantal aan het gestel 2 bevestigde hoofdspoelen 3. De hoofdspoelen 3 worden verbonden met een elektrische stroombron, zodat in het inwendige van het gestel 2 een magneetveld met een bepaalde vorm wordt opgewekt. De magneetspoeleninrichting 1 is in het bijzonder bedoeld voor het opwekken van 15 een homogeen magneetveld, teneinde met behulp van op zichzelf bekende kernmagnetische resonantietechnieken de inwendige structuur van het lichaam van een patient 5 te kunnen bepalen. De patient 5 is hiertoe op een tafel 4 in het inwendige van het gestel 2 geplaatst. Behalve het met de getoonde in-20 richting op te wekken homogene constante magneetveld wordt bij deze toepassing nog een wisselend magneetveld opgewekt met behulp van een niet nader getoond extra spoelenstelsel.

Volgens de uitvinding omvat de inrichting 1 ten minste vier en in dit geval zeven hoofdspoelen 3. Doordat 25 elke-hoofdspoel 3 een aantal parameters heeft die de vorm van het op te wekken magneetveld beïnvloeden, is, door de toepassing van een relatief groot aantal hoofdspoelen een relatief groot aantal ontwerpmogelijkheden beschikbaar. De waarde van een aantal parameters is zodanig gekozen, dat een gunstige 30 constructie kan worden bereikt. Bij de getoonde magneetspoeleninrichting volgens de uitvinding zijn de diameters van alle hoofdspoelen gelijk gekozen, en zijn de diktes van de hoofdspoelen gelijk gekozen. Ook kan bijvoorbeeld nog de stroomsterkte in elke hoofdspoel gelijk gekozen worden, zodat 35met één voeding kan worden volstaan.

De inrichting 1 omvat als gestel 2 een cilinder in de omtrek waarvan kanalen 7 zijn uitgespaard, die de hoofdspoelen 3 opnemen. De hoofdspoelen 3 kunnen direkt in de ka 8203756 - 5 - nalen 7 van de cilinder 2 worden gewikkeld, zodat na het impregneren van de gewikkelde spoelen een constructief zeer stijf geheel ontstaat.

De nog slechts zeer geringe afwijkingen van de ge-5 wenste vorm van het magneetveld kunnen op, op zichzelf bekende wijze gecompenseerd worden met om de hoofdspoelen aangebrachte hulpspoelen 6.

Door de met de uitvinding bereikte grote ontwerpvrijheid kan op zeer gunstige wijze een magneetspoeleninrich-10 ting volgens de uitvinding worden vervaardigd, die gebruik maakt van supergeleiding. Een dergelijke inrichting 10 wordt schematisch in fig. 2 en 3 getoond. Het gestel heeft bij deze inrichting 10 eveneens de vorm van een cilinder 11 met in de omtrek daarvan aangebrachte kanalen 19 waarin de hoofdspoelen 15 12 zijn gewikkeld.

De cilinder 11 wordt centrifugaal gegoten, zodat de structuur van het materiaal homogeen is. Lasnaden zouden namelijk onregelmatigheden in het op te wekken magneetveld kunnen veroorzaken.

20 De cilinder 11 vormt te zamen met een om de buiten omtrek aangebrachte afsluitplaat 13 en een dikke thermisch isolerende laag 14, bestaande uit stralingsschermen en super-isolatie in vacuum, een cryogeen vat, In dit vat wordt via een schematisch aangegeven toevoerleiding 22 een geschikte 25 vloeistof zoals vloeibaar helium toegevoerd en via een niet getekende, analoog uitgevoerde afvoerleiding afgevoerd. Bij een andere uitvoeringsvorm kan cilinder 11 als wand van een warmtewisselaar, waardoor gasvormig of supercritisch helium stroomt, worden gebruikt. Een belangrijk voordeel van de uit-30 vinding in verband met de toepassing van supergeleiding is, dat de hoofdspoelen 12 relatief klein zijn, waardoor per spoel één lengte supergeleidend draad gebruikt kan worden. Daartoe zijn in de spoelen zelf geen geleiderlassen aanwezig. Dit is gunstig omdat lassen in supergeleidend draad geen su-35 pergeleidende eigenschappen hebben.

Een ander voordeel is, dat door de grote ontwerpvrijheid voor alle spoelen dezelfde soort geleider kan worden gebruikt. Hierdoor kan van één geschikte supergeleidende ge 8203756 7 * - 6 - leider met constante doorsnede een grote hoeveelheid worden gemaakt, waardoor de kosten beperkt blijven.

Een verder voordeel in verband met de toepassing van supergeleiding is, dat bij een magneetspoeleninrichting 5 volgens de uitvinding de verhouding van de maximale veldsterkte in. de spoelen ten opzichte van de in het centraal gelegen meetgebied gewenste veldsterkte laag is. Dit is gunstig omdat boven een bepaalde veldsterkte die afneemt met toenemende gevoerde stroom het supergeleidende materiaal zijn 10 supergeleidende eigenschappen verliest. Wanneer de genoemde verhouding laag is, kan dus een hoge gewenste veldsterkte worden opgewekt of met minder supergeleidend materiaal worden volstaan. Bovendien blijven de optredende krachten in dat geval laag.

15 Volgens een aspect van de uitvinding worden dicht nabij elke hoofdspoel 12 twee paar bij voorkeur tegengesteld gewikkelde hulpspoelen 15, 16 aangebracht. Deze hulpspoelen dienen voor het compenseren van de veldfouten zoals die veroorzaakt worden door afwijkingen die de vervaardigde spoelen 20 vertonen ten opzichte van de berekeningen. Door deze afwijkingen zal het door de hoofdspoelen 12 opgewekte magneetveld niet exact de gewenste vorm hebben. Doordat de spoelen 12 ten gevolge van de uitvinding kleine dikte- en breedte-afmetingen hebben, zijn de fouten in een klein gebied gelocali-25 seerd. Hierdoor is het op gunstige wijze mogelijk de fouten ter plaatse van elke hoofdspoel met behulp van de hulpspoelen 15, 16 te compenseren. De door afwijkingen in de hoofdspoelen veroorzaakte veldfouten zijn schematisch in fig. 4 en 5 getoond. De vertikale lijn in fig. 5 geeft het centrale vlak 30 van de betreffende spoel weer, terwijl de rechte horizontale lijn de ideale veldvorm van de inrichting weergeeft. De gebogen lijn geeft de werkelijke vorm schematisch weer. De in fig. 4 getoonde vervorming treedt op door afwijkingen in de nominale diameter, de dikte en de breedte van de spoel. Deze 35 fouten worden gecompenseerd met het spoelenpaar 15, dat in hetzelfde axiale vlak als de betreffende hoofdspoel 12 is aangebracht, en welke tegengesteld gewikkeld zijn. De stromen door deze spoelen wekken een in richting tegengesteld, in 8203756 ·/ - 7 - absolute waarden nagenoeg gelijk magnetisch moment op.

Een veldafwijking in de vorm van fig. 5 treedt op ten gevolge van een fout in de axiale ligging van de betreffende hoofdspoel. Deze fout wordt gecompenseerd met het spoe-5 lenpaar 16 dat aan weerszijden van de betreffende hoofdspoel 12 is aangebracht. De koppeling van de spoelenparen 15, 16 met de hoofdspoel is verwaarloosbaar. Uitgaande van een redelijke beginnauwkeurigheid maakt de compensatie met de spoelenparen 15, 16 een integraal correctiesysteem zoals schema-10 tisch aangeduid met 6 in fig. 1 overbodig.

Behalve op de wijze zoals getoond in fig. 2 kunnen de hulpspoelen ook diagonaalsgewijze ten opzichte van de doorsnede van de hoofdspoel worden aangebracht. Deze variant wordt in fig. 3 getoond. De paren hulpspoelen 17 en 18 zijn 15 aangebracht in afzonderlijke kanalen 20 die aan weerszijden van de kanalen 19 voor de hoofdspoelen 12 zijn aangebracht.

Op de bod,em van het betreffende kanaal 20 wordt telkens één spoel 17/ 18 aangebracht, waarna het kanaal 20 verder grotendeels met eën vulstuk 21 wordt opgevuld. Op een diameter die 20 nabij de buitendiameter van de hoofdspoel 12 ligt, worden vervolgens de andere twee hulpspoelen 17, 18 gevormd. De spoelen van de paren 17 en 18 zijn wederom tegengesteld gewikkeld. Het zal duidelijk zijn, dat ten opzichte van de opstelling van fig. 2 de stromen in de hulpspoelen ontbonden 25 moeten worden, teneinde een overeenkomstige correctiewerking te verkrijgen.

In fig. 3 is verder nog getoond, dat de aansluiting 23 van de spoelen door een toevoerkanaal 22 voor de cryogene vloeistof is geleid. Het spreekt vanzelf dat ook andere 30 constructies kunnen worden toegepast.

Het cilindrische gestel van de inrichting volgens de uitvinding behoeft niet uit één stuk te bestaan. Het kan ook worden gevormd door twee of meer, met elkaar verbonden delen, die afzonderlijk zijn bewikkeld.

t 8203756

Claims (10)

1. Magneetspoeleninrichting voor het opwekken van een magneetveld met een bepaalde vorm, zoals een homogeen magneetveld voor kernmagnetische resonantietechnieken, omvattende een gestel en een aantal aan het gestel bevestigde 5 hoofdspoelen, met het kenmerk, dat de inrichting ten minste vier hoofdspoelen omvat en dat het gestel een cilinder van niet-ferromagnetisch materiaal omvat, in de omtrek waarvan de spoelen opnemende kanalen zijn uitgespaard.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het k e n -10 i e r k, dat deze ten minste zeven hoofdspoelen omvat.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de kanalen in hoofdzaak dezelfde nominale diameter hebben.

4. Inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, met het 15 k e n m e r k, dat de dikte en de breedte van elke hoofdspoel gelijk zijn aan een geheel aantal malen de bij de toegepaste wikkelwijze nominale radiale respectievelijk axiale afstand van twee in radiale respectievelijk axiale richting in contact verkerende wikkelingen van de geleider.

5. Inrichting volgens één van de voorgaande conclu sies, met het kenmerk, dat de cilinder centrifugaal gegoten is.

6. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de cilinder van roestvast 25 staal is.

7. Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat aan elke hoofdspoel twee paar, dicht nabij deze aangebrachte hulpspoelen is toegevoegd.

8. Inrichting volgens één van de voorgaande conclu sies, met het kenmerk, dat de geleiders supergeleiders zijn en de inrichting een ten minste de spoelen omsluitend cryogeen vat omvat.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het k e n -35 merk, dat de cilinder deel uitmaakt van de wand van het cryogeen vat. 8203756 - 9 ~ ✓ Λ .......... ' *............... .......

10. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de cilinder een deel is van een de koeling van de spoelen verzorgende warmtewisselaar. t' 8203756