WO1986003881A1

WO1986003881A1 - Aimant solenoidal sans fer

Info

Publication number: WO1986003881A1
Application number: PCT/FR1985/000340
Authority: WO
Inventors: Guy Aubert
Original assignee: Thomson-Cgr
Priority date: 1984-12-14
Filing date: 1985-11-29
Publication date: 1986-07-03
Also published as: DE3574073D1; EP0203952B1; FR2574982B1; EP0203952A1; FR2574982A1; US4808956A

Abstract

Aimant de Bitter à homogénéïté de champ améliorée. Selon l'invention, on utilise les tirants (119) de l'empilement de disques (113) pour ramener le courant vers l'une des extrémités axiales de l'aimant sans créer de champ parasite. Application à l'imagerie par RMN.

Description

AIMANT SOLENOIDAL SANS FER

L'invention concerne un aimant solénoïdal, sans fer, comportant une ou plusieurs bobines dont la structure technologique est dérivée de celle d'une bobine de Bitter classique ; l'invention a plus particulièrement pour objet des perfectionnements permettant d'améliorer l'homogénéité du champ magnétique engendré par un tel type d'aimant.

Les bobines de Bitter sont bien connues pour la production de champs magnétiques intenses. En théorie, la structure proposée par Bitter est un bobinage constitué de disques annulaires métalliques, fendus pour former autant de spires et raccordés pour définir un enroulement sensiblement hélicoïdal à spires plates. L'empilement des 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 anneaux (et dans les isolants séparant ces disques), ces trous étant disposés suivant une même configuration d'un disque à l'autre pour matérialiser un ensemble de canaux parallèles à l'axe de la bobine, dans lesquels circulé un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau désionisée, du érozène ou de l'huile. L'invention propose de perfectionner un tel type d'aimant pour que le champ magnétique engendré dans une sphère d'intérêt de rayon prescrit, dont le centre est confondu avec le centre de symétrie de cet aimant soit d'une très bonne homogénéité. Un domaine d'application privilégié de l'invention est en effet celui de l'imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) où il est nécessaire de disposer d'un champ magnétique relativement élevé (0,15 à 1,5 teslas) avec une très grande homogénéité, de l'ordre de 1 à 10 parties par million (ppm). Avec une bobine de Bitter suffisamment longue, on peut obtenir une certaine homogénéité autour du centre de symétrie de cette bobine. Cette homogénéité sera plus facilement atteinte et avec une structure plus compacte soit en faisant varier l'épaisseur des disques le long de l'axe des bobines soit en alignant plusieurs bobines de Bitter le long d'un axe commun, les longueurs des bobines et leurs espacements étant choisis pour réaliser l'homogénéité requise. Ces solutions font l'objet d'autres demandes de brevet déposées par la Demanderesse. Les perfectionnements selon l'invention s'appliquent aussi bien- à μn aimant à bobine unique qu'à un aimant à plusieurs bobines alignées.

Il peut en effet subsister d'autres causes structurelles d'inhomogénéîté du champ magnétique engendré ou des causes de perturbation de ce champ magnétique. Parmi celles-ci, il faut particulièrement prendre en considération la façon dont le courant est appliqué à l'aimant. En effet, si on établit classiquement la liaison entre la source d'alimentation et l'aimant au moyen de deux conducteurs respectivement connectés aux extrémités axiales de l'aimant, des perturbations de champ engendrées par ces conducteurs peuvent dégrader l'homogénéité du champ dans la sphère d'intérêt. L'invention vise en premier lieu à résoudre ce problème.

Dans cet esprit, l'invention concerne donc un aimant bobiné comportant au moins une bobine de type Bitter, essentiellement constituée d'un enroulement sensiblement hélicoïdal matérialisé par un empilement, avec interposition d'isolant, de disques annulaires, comportant chacun une coupure matérialisant une spire, lesdites spires étant connectées les unes aux autres, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs conducteurs assurant le retour du courant vers l'une des extrémités axiales de l'aimant, conformé(s) et/ou disposé(s) pour répartir l'écoulement dudit courant longitudinalement sur une surface cylindrique coaxiale à ladite bobine.

Cette façon de "ramener le courant" parallèlement à l'axe de l'aimant et tout autour de celui-ci ne crée aucune perturbation de champ dans l'espace interne de l'aimant. En outre, grâce à l'agencement défini ci-dessus, les amenées de courant se trouvent à la même extrémité axiale de l'aimant. Les fils d'alimentation peuvent donc être facilement agencés parallèlement par paires pour éviter de créer toute perturbation. On utilise de préférence des câbles à structure coaxiale. La concrétisation du concept énoncé ci- dessus peut se traduire par un unique conducteur tubulaire entourant la bobine et connecté à l'une des extrémités axiales de celle-ci pour ramener le courant. Cet agencement a en outre l'avantage de former une sorte de cage de Faraday qui, dans le cas de l'application à l'imagerie par RMN, protège les antennes radiofréquence des perturbations extérieures. On peut aussi réaliser une approximation de cette enveloppe tubulaire en réalisant le retour du courant au moyen de plusieurs tiges longitudinales régulièrement réparties sur ladite surface cylindrique, ces tiges étant connectées en parallèle entre elles et en série dans leur ensemble avec ladite bobine de façon à être parcourues par des fractions sensiblement égales du courant total qui traverse ladite bobine. Dans ce second mode de réalisation possible, ces tiges sont de préférence les tirants (ou certains d'entre eux) dont la fonction première est de maintenir l'empilement de disques de la bobine de Bitter. -

D'autre part, selon un mode de réalisation actuellement très répandu de l'aimant de Bitter, le raccordement de deux spires adjacentes est simplement obtenu en conformant chaque disque d'isolant, intercalé entre les deux anneaux conducteurs, de façon qu'il comporte une découpe en forme de secteur et en serrant l'empilement de disques conducteurs et de disques isolants entre deux plateaux d'extrémité, au moyen des tirants mentionnés ci- dessus. Le contact électrique entre deux spires adjacentes est ainsi établi au travers de la découpe correspondante sous l'effet du serrage, la construction de l'aimant en étant grandement facilité. Cependant, le fait de se poser le problème d'obtenir un champ très uniforme à partir de bobine(s) de Bitter conduit à reconnaître dans cet agencement une autre cause de perturbation du champ magnétique. En effet, la variation de densité de courant à chaque tour dans le secteur de contact est une autre cause d'inhomogénéîté. Dans cet esprit, l'invention concerne aussi un aimant selon la définition qui précède, caractérisé en ce que chaque extrémité de spire comporte un embrèvement et que deux spires adjacentes sont connectées bout à bout par soudure de tels embrèvements de formes complémentaires. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en perspective d'une bobine de Bitter classique ;

- la figure 2 est une vue de détail de deux spires adjacentes illustrant l'une des modifications de la bobine de Bitter ;

- la figure 3 est une vue schématique en demi-coupe longitudinale d'un aimant conforme à l'invention, et. - la figure est une vue partielle de l'aimant de la figure 3 suivant la coupe IV-IV de celle-cà

La figure 1 représente schématiquement une perspective éclatée d'un aimant de Bitter 11 classique essentiellement utilisé pour produire un champ magnétique intense à l'intérieur du trou central 12 défini par un empilement de disques annulaires conducteurs 13 (typiquement en cuivre ou en aluminium) comportant chacun une coupure 14, ici une fente radiale, transformant chaque disque 13 en une spire. Le champ magnétique engendré est orienté suivant l'axe zz'. De minces disques isolants 15 semblables aux disques 13 sont intercalés entre ceux-ci pour isoler les spires. Au lieu d'une fine coupure, ils comportent chacun une large découpe 17 en forme de secteur, pour permettre le raccordement des spires par le simple serrage de l'empilement entre deux plateaux d'extrémité tels que 18, au moyen d'une pluralité de tirants 19 régulièrement répartis sur une surface cylindrique coaxiale à l'axe zz'. Les disques conducteurs 13 et les disques isolants 15 sont percés de trous 20 pratiqués suivant la même configuration d'un disque à l'autre, de façon à définir une pluralité de canaux parallèles à l'axe zz', dans lesquels circule un fluide de refroidissement. La concentration de trous 20 est plus importante vers le centre du disque car, dans une bobine de Bitter, la densité de courant en un point d'une spire plate est inversement proportionnelle à la distance du point considéré à l'axe zz¹. L'échauffement est donc plus important au coeur de la

- masse de conducteurs, d'où la nécessité d'augmenter le nombre de canaux de fluide de refroidissement au voisinage du trou 12.

L'aimant des figures 2 à •> est dérivé de la structure classique décrite en référence à la figure 1. Les éléments de structure analogues sont repérés par les mêmes références numériques

I Q augmentées de 100. La bobine de Bitter 111 comporte donc un trou central 112, des disques conducteurs 113 et des disques isolants 115. Les disques 113 et 115 comportent la même configuration de trous 120 et l'empilement des disques 113 et 115 est serré par des tirants

119 entre deux plateaux d'extrémité annulaires 118a, 118b. Lés trous ι r 120 pratiqués dans les disques 113 et 115 sont en concordance pour définir une pluralité de canaux longitudinaux 121, parallèles à l'axe zz'. Dans l'exemple de la figure 3, les proportions générales de la bobine ont été adaptées pour une application à l'imagerie par RMN. Le diamètre externe et surtout le diamètre interne des disques sont

2_Q augmentés pour dégager un volume suffisant pour pouvoir accueillir un être humain allongé.

Selon l'une des modifications de la structure classique décrite ci-dessus, les spires adjacentes ne sont plus connectées par contact des faces des disques au voisinage des coupures mais par soudures

25 des extrémités de spire. Les extrémités de chaque spire comportent à cet effet des embrèvements de formes complémentaires 122, 123 et deux spires adjacentes (voir figure 2) sont reliées bout à bout par soudure de deux embrèvements de formes complémentaires. Sur la figure 2 un disque isolant 115 est représenté entre les deux spires

30 adjacentes raccordées bout à bout. Dans la pratique, le disque isolant est par exemple découpé dans un mince film diélectrique mais on peut envisager de le supprimer si les disques conducteurs sont en aluminium et que l'isolant est réalisé par une anodisation de ces disques. Dans le cas de l'utilisation de disques isolants découpés dans un matériau diélectrique, ceux-ci sont coupés radialement et raccordés bout à bout au fur et à mesure des soudures des spires.

Par ailleurs, selon une caractéristique importante de l'invention, l'aimant comporte un ou plusieurs conducteurs assurant le retour du courant vers l'une des extrémités axiales de l'aimant, conformé(s) et/ou disposé(s) pour répartir l'écoulement dudit courant longitudinalement sur une surface cylindrique coaxiale à la ou les bobines constituant l'aimant. La configuration qui, en théorie, répond le mieux à cette définition est une enveloppe tubulaire 0 cylindrique, extérieure à la bobine, coaxiale à celle-ci et connectée par l'une de ses extrémités axiales à l'un des plateaux d'extrémité, par exemple le plateau 118b. On montre que l'écoulement de courant dans cette enveloppe tubulaire ne crée pas de champ magnétique perturbateur dans le trou central 112. La surface cylindrique

, ₅ coaxiale précitée est dans ce cas celle de l'enveloppe tubulaire elle- même. Cependant, cette enveloppe tubulaire peut être remplacée par un nombre suffisant de tiges longitudinales, régulièrement réparties sur une surface cylindrique fictive 12Ψ, ces tiges étant connectées entre elles de façon à définir une sorte de cage

_2Q d'écureuil et cette cage étant connectée en série, dans son ensemble, avec ladite bobine. Ainsi, ces tiges sont parcourues par des fractions sensiblement égales du courant total qui traverse la ou les bobines. Dans le mode de réalisation des figues 2 à 4, on utilise les tirants 119 en tant que tiges de retour de courant. Ces tirants

2 sont isolés des disques conducteurs 113 et il suffit que les tirants soient connectés au plateau d'extrémité 118b si la bobine 111 est unique ou au plateau correspondant de la bobine la plus proche de l'extrémité axiale de l'aimant à laquelle aucun câble d'amenée de courant n'est connecté. Dans ce cas, le plateau 118b assure la

30 répartition du courant entre les tirants. En revanche, si on considère la première extrémité axiale citée à laquelle sont connectés les câbles d'amenée de courant (c'est-à-dire l'extrémité matérialisée par le plateau d'extrémité 118a si la bobine 111 est unique ou si c'est la bobine la plus proche de ladite première extrémité) les tirants 119 traversent le plateau 118a en étant isolés de celui-ci tandis que ce plateau 118a comporte autant de bornes de raccordement 125 que de tirants, disposées respectivement au voisinage de chacun d'eux pour permettre l'alimentation électrique de l'aimant à partir d'un ensemble de paires de fils conducteurs. Dans chaque paire, les fils conducteurs sont agencés parallèlement l'un à l'autre pour ne pas produire de champ parasite et dans l'exemple décrit, chaque paire de fils conducteurs en question forme un câble 126 à structure coaxiale. Ainsi, tout champ magnétique perturbateur (qui aurait pu être créé par une "boucle" incluant l'aimant et ses fils de raccordement si ceux-ci avaient été respectivement reliés aux extrémités axiales de l'aimant) se trouve éliminé au voisinage de l'aimant. Le fait d'utiliser les tirants (ou l'enveloppe tubulaire) pour ramener le courant vers une extrémité axiale de l'aimant à l'avantage supplémentaire de compenser la composante axiale du courant qui circule dans la bobine de Bitter, due au pas d'hélice de l'enroulement. Cette composante est faible et ne crée aucun champ suivant l'axe zz'. Elle modifie peu le module du champ mais seulement son orientation. La compensation de cette composante longitudinale de courant par les courants qui circulent dans les tirants ramène donc l'orientation du champ magnétique suivant l'axe zz'.

En outre, la structure de raccordement illustrée à la figure 3 peut être utilisée pour le passage du courant entre les bobines si l'aimant en comporte plus d'une. Dans ce cas, tous les plateaux d'extrémité des bobines (excepté celui qui est situé à l'autre extrémité axiale de l'aimant) sont semblables au plateau i l 8a et deux bobines voisines sont connectées par autant de câbles coaxiaux ~ qu'il, y a de tirants.

L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. En outre, il est à noter que si l'on a défini certains éléments de structure (une enveloppe tubulaire, des tiges ou des tirants) comme assurant "le retour" du courant, c'était pour mieux mettre en évidence la fonction nouvelle de ces éléments de structure mais qu'il est bien évident que l'agencement décrit ci- dessus est protégé dans les revendications qui suivent indépendamment du sens conventionnel du courant qui circule dans la ou les bobines et les éléments de structure précités. L'invention couvre aussi tous les équivalents techniques des moyens mis en jeu si ceux-ci le sont dans le cadre des revendications qui suivent.

Claims

REVENDICATIONS

1. Aimant solénoîdal comportant au moins une bobine de type Bitter, essentiellement constituée d'un enroulement sensiblement hélicoïdal matérialisé par un empilement, avec interposition d'isolant, de disques conducteurs (113) comportant chacun une coupure matérialisant une spire, lesdites spires étant connectées les unes aux autres, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs conducteurs (119) assurant le retour du courant vers l'une des extrémités axiales de l'aimant, conformé(s) et/ou disposé(s) pour répartir l'écoulement dudit courant longitudinalement sur une surface cylindrique (124) coaxiale à ladite bobine (111).

2. Aimant solénoîdal selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un unique conducteur tubulaire entourant ladite bobine, connecté en série par rapport à celle-ci.

3. Aimant solénoîdal selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs tiges longitudinales (119) régulièrement réparties sur ladite surface cylindrique (124) et en ce que ces tiges sont connectées entre elles de façon à définir une sorte de cage d'écureuil, cette cage étant connectée en série, dans son ensemble, avec ladite bobine, de façon que lesdites tiges soient parcourues par des fractions sensiblement égales du courant total qui traverse ladite bobine.

4. Aimant selon la revendication 3, du type dans lequel ledit empilement de disques (113) est maintenu au moyen de tirants isolés, caractérisé en ce que lesdites tiges longitudinales sont constituées par au moins certains desdits tirants (119).

5. Aimant selon la revendication 3 ou 4, du type dans lequel ledit empilement de la ou chaque bobine est serré entre deux plateaux d'extrémité conducteurs, caractérisé en ce que les tiges longitudinales voisines du plateau d'extrémité (118b) situées à l'autre extrémité axiale dudit aimant sont électriquement connectées à ce plateau pour assurer la répartition du courant entre lesdites tiges longitudinales (119).

6. Aimant selon la revendication 5, caractérisé en ce que des tiges longitudinales précitées traversent le plateau d'extrémité (118a) situé à la première extrémité axiale citée de l'aimant tout en étant électriquement isolées de celui-ci et en ce que ce plateau d'extrémité comporte autant de bornes de raccordement (125) que de telles tiges (119) situées respectivement au voisinage de chacune d'elles pour permettre l'alimentation électrique dudit aimant à partir d'un nombre égal de paires de fils conducteurs parallèles.

7. Aimant selon la revendication 6, caractérisé en ce que^' chaque paire de fils conducteurs est un câble (126) à structure coaxiale.

8. Aimant selon la revendication 6 ou 7, comportant plusieurs bobines alignées le long d'un axe commun, caractérisé en ce que deux bobines voisines sont connectées par autant de câbles coaxiaux qu'il y a de tiges précitées.

^• 9. Aimant bobiné selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque extrémité de spire comporte un embrèvement et que deux spires adjacentes sont reliées bout à bout par soudure de tels embrèvements (122, 123) de formes complémentaires.

10. Aimant bobiné selon l'une des revendictions précédentes, caractérisé en ce que lesdits disques conducteurs (113) sont en aluminium et que l'isolant précité est réalisé par une anodisation de ces anneaux.