WO1989003580A1 - Bobine, aimant comprenant une telle bobine, dispositif d'imagerie par rmn comportant un tel aimant et procede de realisation d'un tel aimant - Google Patents

Bobine, aimant comprenant une telle bobine, dispositif d'imagerie par rmn comportant un tel aimant et procede de realisation d'un tel aimant Download PDF

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WO1989003580A1
WO1989003580A1 PCT/FR1988/000485 FR8800485W WO8903580A1 WO 1989003580 A1 WO1989003580 A1 WO 1989003580A1 FR 8800485 W FR8800485 W FR 8800485W WO 8903580 A1 WO8903580 A1 WO 8903580A1
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magnet
coil
coils
discs
cooling channel
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Inventor
Guy Aubert
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/20—Electromagnets; Actuators including electromagnets without armatures
    • H01F7/202—Electromagnets for high magnetic field strength

Definitions

  • COIL COIL
  • MAGNET COMPRISING SUCH A COIL NMR IMAGING DEVICE COMPRISING SUCH A MAGNET AND METHOD FOR PRODUCING SUCH A MAGNET.
  • the invention due to the collaboration of the National Field Service Intense of the CNRS (Director M. AUBERT), relates to a coil of Bitter type, a magnet comprising such coils as well as the nuclear magnetic resonance imaging device comprising a such a magnet.
  • the invention further relates to the method for producing such a magnet.
  • the invention relates more particularly to improvements of these types of magnets in order to increase the homogeneity of the magnetic fields generated and to simplify the manufacture of the magnet.
  • a Bitter coil was described for the first time by Francis BITTER in an article in "Review of Scientific Instruments” of December 1936. Each coil has metallic annular discs split to form turns and connected to define a substantially helical coil winding flat.
  • Bitters coils of known type include insulating materials inserted between the metal annular discs to avoid short circuits, as well as tie rods allowing the stack to be maintained. Holes parallel to the axis of the coil, arranged in the same configuration, from one disc to another, materialize a set of parallel channels. Fluid circulation in these channels allows efficient cooling of these magnets.
  • a Bitter magnet has at least one Bitter coil.
  • French Patent No. 84 19191 published under No. 2,574,980 describes a process which makes it possible to obtain a desired magnetic field homogeneity while minimizing the product P. M
  • - P is the electrical power to be supplied to the magnet
  • - M is the winding mass of the magnet.
  • Optimization is obtained by using several Bitter coils arranged along a common longitudinal axis z, symmetrically with respect to a transverse plane. It is possible, by carrying out a development of the fields obtained on the spherical harmonics, to determine the characteristics and the arrangements of the coils allowing corrections of inhomogeneity of magnetic field as thorough as is desired. These corrections can take account of constraints, such as for example gradients of axial and / or radial temperatures inside elements. Indeed, the global or local heating of the coils modifies the magnetic field generated by:
  • B ⁇ is the field expressed in tesla ⁇ n is a constant a is the internal radius of elements p is the density of the metal constituting the helical coil p is the resistivity of the metal of the coil constituting the helix and g is a geometric factor less than or equal to 1 determining the homogeneity of the field, g is equal to 1 for a single turn of zero section.
  • a is the internal radius of elements
  • p is the density of the metal constituting the helical coil
  • p is the resistivity of the metal of the coil constituting the helix
  • g is a geometric factor less than or equal to 1 determining the homogeneity of the field, g is equal to 1 for a single turn of zero section.
  • account is taken of the influence of the temperature on the characteristics of the magnet, that is to say that the stresses will be imposed on a magnet having reached its equilibrium temperature in operation.
  • magnets - generating the strongest possible field, for example greater than 10 teslas
  • the present invention relates to a method of manufacturing Bitter coils making it possible to increase the manufacturing precision of Bitter coils, in particular to approach the optimal model obtained by calculation. To do this, the holes passing through the turns of the coils have been eliminated. Advantageously, these holes are replaced by a cooling channel external and / or internal to the coil.
  • each coil forms a monolithic part.
  • the presence of the holes in the disc would not have allowed the use of the glue because it would have flowed inside the holes and would prevent the coil from cooling properly.
  • the glue limits the heat exchanges between the discs and the cooling fluid and on the other. part limits the flow rates of the fluid by partially plugging the holes.
  • the glue having flowed inside and outside the coil is advantageously removed by machining, for example by lathe.
  • the coil obtained has the precision of a mechanical part, this precision being much greater than that obtained with Bitter coils having tie rods to ensure rigidity. Machining was made possible by obtaining a coil in the form of a machinable monolithic part.
  • bonding allows a simpler realization than that of known type devices.
  • the invention relates to a coil, a magnet comprising such a coil, a nuclear magnetic resonance imaging device comprising such a magnet, a method of producing such a magnet, as described in the claims.
  • a coil a magnet comprising such a coil
  • a nuclear magnetic resonance imaging device comprising such a magnet
  • a method of producing such a magnet as described in the claims.
  • the invention will be better understood by means of the description below and the figures given as nonlimiting examples among which: - Figure 1 is a diagram of a first embodiment of a coil according to the present invention
  • - Figure 2 is a diagram of a second embodiment of a coil according to the present invention
  • - Figure 3 is a diagram of a third embodiment of a coil according to the present invention
  • FIG. 4 is a fourth embodiment of a coil according to the present invention
  • Figure 5 is a curve of a temperature profile of the coil illustrated in Figure 1
  • Figure G is a curve of a temperature profile of the coil illustrated in Figure 2
  • Figure 7 is a curve of a temperature profile of the coil illustrated in Figure 3
  • - Figure 8 is a diagram of a weld implemented in the device according to the present invention
  • FIG. 9 is a diagram of a device for making the coils according to the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram of a detail of embodiment of a coil according to the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram of a detail of embodiment of a coil according to the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram of a fifth embodiment of a coil according to the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram of a magnet according to the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram of an exemplary embodiment of a nuclear magnetic resonance imaging device according to the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram of a cooling device used in the device according to the present invention.
  • FIGS. 1 to 16 is a diagram of a cooling device used in the device according to the present invention.
  • the same references have been used to designate the same elements.
  • FIG 1 we can see a coil 1 according to the present invention having no cooling holes.
  • the coil 1 is a Bitter type coil comprising a plurality of slotted disks 3.
  • the discontinuity 5 of the discs 3 makes it possible to connect each disc to the next and to produce a substantially helical coil with a succession of discs.
  • the absence of cooling holes makes it possible to use the bonding to assemble with an insulating adhesive 4, the discs 3.
  • a cylindrical external cooling channel 2 has been arranged having the same z axis as the axis of the coil 1.
  • glue 4 allows the production of a machinable monolithic coil 1. Thus, it is possible by machining to remove the glue that would have flowed inside and outside the coil. Likewise, if it was desired to make holes inside the coil, which is not the case in the example illustrated in FIG. 1, these holes should be machined or remanufactured after gluing to eliminate the flow of glue 4.
  • the use of an external cooling channel 2 located on the periphery of the coil 1 makes it possible to free the center of the coil to have more space there for subjecting a body to the magnetic field. Thus, it is possible either to reduce the size of the coil 1, or to increase the space available.
  • the PM product is proportional to the fourth power of the inner radius of the coil.
  • FIG 2 we can see a coil 1 according to the present invention having an internal cooling channel 2.
  • the cooling channel 2 is closer to the zones where most of the heat is produced by the Joule effect. Indeed, the heat is released mainly on the internal part of the disc 3.
  • FIG. 3 one can see a coil 1 according to the present invention comprising an internal cooling channel 2 and an external cooling channel 2. This allows a particularly efficient cooling of the coil.
  • FIG. 4 we can see parts 6, for example insulating rods, helically mounted around the coil 1 and defining a channel 7 for the fluid. cooling .
  • parts 6, for example insulating rods helically mounted around the coil 1 and defining a channel 7 for the fluid. cooling .
  • the coolant is forced to take a longer path surrounding the coil 1 several times and thus allowing better cooling.
  • the profile of the channel 7 causes a turbulent flow preventing the formation of boundary layers detrimental to the proper cooling of the coil.
  • boundary layers is particularly troublesome for good cooling by fluids having poor thermal conduction.
  • FIG. 5 we can see a profile 10 of the temperatures T 9 as a function of the radius r 8 inside metal discs 3.
  • the temperature profile of FIG. 5 corresponds to the external cooling channel 2 as illustrated in Figure 1.
  • the temperature 9 decreases when the radius 8 increases to reach the minimum temperature on the edge of the discs 3.
  • FIG. 6 we can see a profile 10 of temperature T 9 as a function of the radius 8 of disc 3 of coil 1 according to the present invention illustrated in FIG. 2.
  • a profile 10 of temperature T 9 can be seen as a function of the radius r 8 of a coil 1 according to the present invention as illustrated in FIG. 3.
  • the coil 1 illustrated in FIG. 3 comprising a channel external cooling device and an internal cooling channel 2.
  • the minimum temperature is reached on the internal and external edge of the disc 3. From these minimums the temperature increases inside the discs 3 passing through a maximum.
  • the profile 10 of FIGS. 5, 6 and 7 corresponds to a disk 3. It is also possible to take into account a temperature gradient along the axis z which comes from the gradual heating of the cooling fluid as it circulates in the cooling channel 2.
  • the presence of the bead 32 prevents the production of a regular coil 1.
  • the bead 32 risks disturbing the homogeneity of the field created by the magnet according to the present invention and damaging the insulation between discs.
  • the device of Figure 9 overcomes the problem posed by the direct soldering of copper on copper. It is not industrially possible to machine, for example file, the bead 32. In fact, this machining should necessarily take place before the adhesive 4 is applied. The machining chips would risk perforating the adhesive 4 and therefore cause short-circuits completely disrupting the operation of the coil 1.
  • the device of FIG. 9 comprises two pressure rollers 36, for example two ball bearings fixed to the ends of two branches 37.
  • a control device for example a threaded steel rod fixed to one of the branches 37 and passing through a thread made in the other branch 37 makes it possible to adjust the distance between the two pressure rollers.
  • the weld 31 is flattened refills in part of the craters 33 at the ends of said weld, the remaining defects are eliminated by final machining on a lathe.
  • FIG. 10 the particularly advantageous bonding method used for producing coils according to the present invention is illustrated.
  • the adhesive 4 is composed in the example illustrated in FIG. 10 of two layers. Each layer has a length equal to that of a step of 111 °. Each layer is offset by half a step. Between the layers, a space 60 is left which will be filled with the adhesive at the time of the polymerization thereof.
  • Prinom B glue with a thickness of 0.1 mm is used, manufactured by the company ISOVOLTA and distributed by the company DEGLARGES.
  • This adhesive makes it possible to easily resist the tensions between turns encountered in the magnets used in NMR imaging. Such a magnet has for example 500 turns, the voltage between the first and the last turn being equal to 200 Volts.
  • this adhesive is in the form of a double-sided adhesive having excellent mechanical strength and allowing the machining of the windings 1 obtained by bonding. It should be noted that the use of this very abrasive adhesive requires frequent change of machining tools, unless using diamond tools. In Figure 11, we can see two embodiments of machining coils 1 according to the present invention. In the circle A the machining obtained is smooth.
  • a coil 1 according to the present invention comprising insulating rods 30.
  • the rod 30 serves as a spacer between the body of the coil 1 and for example the carcass of the magnet.
  • the rods 30 are for example glued, after machining the coil 1.
  • the surface of the coil 1 may rub while being scratched when mounted on the carcass of the magnet. This is particularly serious when using fiberglass carcass. These frictions cause streaks of copper which risk short-circuiting the turns making the magnet unfit to generate homogeneous magnetic fields.
  • Figure 13 is illustrated a method of mounting a magnet according to the present invention.
  • the carcass of the magnet according to the present invention consists of two half carcasses 61 with horizontal opening.
  • the first finished coil 1 is first deposited according to the present invention. Then a central guide tube 62 is advanced.
  • the tube 62 is made of fiberglass embedded, for example in an epoxy resin.
  • a spacer 64 or a plurality of shims is deposited.
  • in the spacer 64 are provided locations allowing the connection of the following coil 1 without disturbing the homogeneity of the magnetic field created by the coils. Such connections have been described in French Patent No. 85,04050 published under No. 2,579,362 and 85 07,151 published under No. 2,581,760.
  • the central tube 62 is advanced.
  • the second coil 1 is deposited in the lower half of the carcass 61.
  • the tube 62 continues to be advanced, the successive spacers 64 and the coils 1 are removed and the connections are made until a complete magnet is obtained.
  • the spacers 64 seal the cooling channels 2, not shown in FIG. 13.
  • the current return connections are made, for example by means of the copper cables 119 distributed over the periphery of the magnet so as not to create a disturbing magnetic field. Then - the magnet is closed by means of an upper half-carcass 61 and end plates 63 are assembled.
  • the carcass seals the magnet 1 and advantageously serves as walls for the cooling channels 2.
  • spacers 64 allows precise positioning of the winding 1 of the material embodiment of the optimized magnet obtained by the calculations.
  • FIG 14 we can see a nuclear magnetic resonance imaging device.
  • the installation is provided with a correction winding system (called "shims") known per se and not shown, essentially intended to compensate for the disruptive effects of the magnet's environment.
  • the magnet 11 responsible for developing the basic field is associated with a system of gradient coils 50, known per se, the gradient coils are arranged on a cylindrical tubular mandrel placed inside the internal space 12 of the magnet 11, coaxial to the z axis.
  • the gradient coil system is completed by a set of direct current power supplies (Gx, Gy, Gz) controlled according to a cycle of preprogrammed sequences in a computer 51 to supply the gradient coils so as to superimpose on the base field of the magnetic field gradients of predetermined intensities and orientations during said sequences.
  • Gx, Gy, Gz direct current power supplies
  • a system of radiofrequency antennas 55 is also housed inside the useful space 12 of the magnet 11. These antennas are part of radio frequency transmission / reception means, further comprising a radio frequency generator 56 controlled by the computer 51 to generate calibrated pulses of radio frequency signal during said sequences.
  • the NMR signals re-emitted by the subject under examination are picked up by the same antenna system and exploited by a computing unit of the computer 51, applying known algorithms to reconstruct an image.
  • This image is for example displayed on a cathode ray tube of a monitor 58.
  • the device also comprises a cooling circuit comprising tubes 14, a pump 17, a heat exchanger 16.
  • Reference 16a was used for the primary circuit of the exchanger and 16b for the secondary circuit of the heat exchanger 16.
  • the nuclear magnetic resonance imaging device comprises a regulation device as described in French Patent No. 84 19190 published under the No. 2,574,982.
  • Such a device comprises an auxiliary magnet 1-3 of small dimensions, a cooling fluid circulation circuit 14 in thermal contact with the magnets 11 and 13 and a direct current source 15, controlled, connected in series with the coils of the two magnets.
  • the magnet has a structure allowing efficient heat exchange between the windings of the resistive coil or coils constituting it and the cooling fluid. It is the same for the magnet 13 which is arranged to receive the same cooling fluid so as to be always substantially at the same temperature as the main magnet. It should be noted in this connection that the internal resistance of the auxiliary magnet is very low compared to that of the main magnet so that its contribution to the heating of the fluid flowing in the circuit 14 is practically negligible.
  • the coils of the two magnets 11 and 13 are made of the same conductive material, in particular copper or aluminum.
  • the circuit 14 further includes a circulation pump 17 and a heat exchanger 16 of which.
  • the secondary circuit 16b is crossed by said cooling fluid and the primary circuit 16a of which is supplied, for example, by circulating cold water.
  • the circuit 14 is designed so that all of the cooling fluid passes through the auxiliary magnet 13, but it is possible, by an appropriate bypass, to circulate only a part of this fluid in the magnet 13 provided that the temperature of the latter is always substantially equal to that of the magnet 11, at all times.
  • the circuit 14 is arranged so that the fluid entering the magnet 13 comes directly from the main magnet 11, without passing through the exchanger 16.
  • the coils of the magnets 11 and 13 are, at all times, crossed by the same current delivered by the current source 15.
  • the magnet 13 has the function of creating a witness magnetic field representative of the field of the main magnet in at least a limited volume of its internal space where are placed means for measuring said control field, for controlling a control chain 19 for the current delivered by the direct current source 15.
  • these field measurement means comprise an NMR probe 20, for controlling the chain control 19, said probe being placed in said restricted volume.
  • the auxiliary magnet 13 is constructed so that the control field is of sufficient homogeneity in the restricted volume where the probe is placed.
  • the homogeneity of the control field in the surrounding volume of the probe must be from 1 to 10 ppm, that is to say of the same order of magnitude as the homogeneity of the basic field in the useful volume of l main magnet.
  • the magnets 11 and 13 each have a longitudinal axis of symmetry, respectively Oz and O'z ', O and O' being the centers of symmetry of these magnets.
  • the axis O'z 'of the auxiliary magnet 13 is substantially placed in a median transverse plane (containing the point O) of the main magnet 11 so as to cut the axis Oz at point O, the magnet 13 of course remaining outside the magnet 11. This arrangement is that which offers the weakest parasitic coupling between the two magnets and which therefore disturbs the homogeneity of the two fields the least.
  • Figures 15 and 16 one can see two embodiments of the magnet 11 cooling device according to the present invention.
  • a magnet 11 can be seen comprising a primary coolant circuit, a secondary circuit, the primary circuit yielding thermal energy to the secondary circuit by means of an exchanger 16.
  • a pump 17 circulates the primary coolant.
  • the magnet 11 according to the present invention has a very wide field of application. Depending on the application, technical characteristics of the magnet, the economic constraints will be totally different. It is important to adapt the cooling to the type of magnet, to the economic constraints encountered.
  • magnets capable of generating very strong magnetic fields often greater than 10 teslas. Such magnets support very strong electric currents and their lifespan is often limited to, for example, 1000 hours of operation.
  • deionized water As the cooling fluid.
  • This fluid has the advantage of having a very high specific heat, a low viscosity and a high resistivity.
  • deionized water has drawbacks, such as the difficulty of preparing deionized water, and its aggressiveness with respect to copper.
  • corrosion of copper by deionized water will not be sensitive during life, in any case limited to 1000 hours of the magnet 11.
  • kerosene or oil will advantageously be used as cooling fluid.
  • These fluids are neutral vis-à-vis the copper advantageously constituting the coils, of a long conservation and an easy implementation. They have the disadvantage of low specific heat and high viscosity.
  • These drawbacks are acceptable in NMR imaging, insofar as the magnetic fields liable to generate are weaker than in scientific research, typically 0.1 tesla, and large fluid flows or devices, such as those, have been provided. illustrated in Figure 4 to increase the cooling efficiency.
  • the latent phase transition heat for cooling magnets.
  • the latent heat of phase transition corresponds for example to the transition from the liquid state to the gaseous state of the cooling fluid.
  • the use of a fluid comprising the two phases, for example liquid and gaseous, throughout the cooling circuits makes it possible to avoid the appearance of temperature gradients along the axis z of the magnet 11.
  • the energy absorbed by the mass unit is much higher, which makes it possible to limit the flow rate of the cooling fluid.
  • Many insulating fluids are suitable for this type of cooling.
  • a cooling fluid is used, the boiling temperature of which, at the pressure of use of the primary cooling circuit, is capable of being supported without drawback by a patient placed inside the magnet 11.
  • the freon 11 which is composed of CC F has a boiling temperature of the order of 30 ° C at a pressure of 1, 3 bar.
  • an exemplary embodiment of the magnet 11 cooling device can be seen using a heat pump for extracting the calories from the magnet.
  • the heat pump comprises, in the primary circuit a compressor 170, a regulator 171.
  • the use of heat pumps makes it possible to reduce the amount of water circulating in the exchanger 16.
  • the cooling circuit ⁇ magnet 11 constitutes, at least part of the regulator 171.
  • the invention mainly applies to the production of coils 1 of Bitter, of magnet 11 of Bitter.
  • the invention is particularly applicable to obtaining strong and / or uniform magnetic fields, for scientific, medical research or for nuclear magnetic resonance imaging.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

L'invention a principalement pour objet une bobine, un aimant comprenant une telle bobine, un dispositif d'imagerie par RMN comportant un tel aimant et procédé de réalisation d'un tel aimant. L'invention concerne les bobines de Bitter sans trous ce qui permet de réaliser lesdites bobines par collage. Une telle bobine est une pièce monolithique usinable. L'usinage permet l'obtention d'une grande précision de réalisation nécessaire à l'obtention de champs magnétiques homogènes. L'invention s'applique principalement à la réalisation des bobines (1) de Bitter, d'aimant (11) de Bitter. L'invention s'applique notamment à l'obtention de champs magnétiques forts et/ou uniformes, pour la recherche scientifique, médicale ou pour l'imagerie par résonance magnétique nucléaire.

Description

BOBINE, AIMANT COMPRENANT UNE TELLE BOBINE, DISPOSITIF D'IMAGERIE PAR RMN COMPORTANT UN TEL AIMANT ET PROCEDE DE REALISATION D'UN TEL AIMANT.
L'invention, due à la collaboration du Service National de Champ Intense du CNRS (Directeur M . AUBERT) , concerne une bobine de type de Bitter, un aimant comportant de telles bobines ainsi que le dispositif d'imagerie par résonance magnétique nucléaire comportant un tel aimant . L'invention concerne en outre le procédé de réalisation d'un tel aimant . L'invention concerne plus particulièrement des perfectionnements de ces types d'aimants en vue d'accroître l'homogénéité de champs magnétiques engendrés et de simplifier la fabrication de l'aimant.
Une bobine de Bitter a été décrite pour la première fois par Francis BITTER dans un article de "Review of Scientific Instruments" de Décembre 1936. Chaque bobine comporte des disques annulaires métalliques fendus pour former des spires et raccordés pour définir un enroulement sensiblement hélicoïdal à spires plates . Les bobines de Bitter de type connu comportent des matériaux isolants intercalés entre les disques annulaires métalliques pour éviter les courts-circuits , ainsi que des tirants permettant le maintien de l'empilement . Des trous parallèles à l'axe de la bobine disposés suivant une même configuration, d'un disque à l'autre , matérialisent un ensemble de canaux parallèles . Une circulation de fluide dans ces canaux permet un refroidissement efficace de ces aimants .
Un aimant, de Bitter comporte au moins une bobine de Bitter .
De nombreuses améliorations ont été apportées aux aimants de Bitter . Dans le Brevet français n° 84 19193 publié sous le n° 2 574 982 est décrit un aimant de Bitter dans lequel le retour du courant est assuré par les tirants assurant la rigidité du montage. Ainsi on répartit l'écoulement du courant longitudinalement sur une surface cylindre coaxialement à la bobine ce qui permet de diminuer les champs parasites engendrés par les conducteurs d'amenée de courant.
Le Brevet français n° 84 19191 publié sous le n° 2 574 980 décrit un procédé permettant d'obtenir une homogénéité de champ magnétique désirée tout en minimisant le produit P . M où : - P est la puissance électrique à fournir à l'aimant et - M la masse de bobinage de l'aimant. L'optimisation est obtenue en utilisant plusieurs bobines de Bitter disposées le long d'un axe longitudinal z commun , symétriquement par rapport à un plan transversal. Il est possible, en effectuant un développement des champs obtenus sur les harmoniques sphériques de déterminer les caractéristiques et les dispositions des bobines permettant des corrections d'inhomogénéité de champ magnétique aussi poussées qu'on ne le désire . Ces corrections peuvent tenir compte des contraintes, comme par exemple des gradients de températures axiales et/ou radiales à l'intérieur d'éléments . En effet, l'échauffement, global ou local des bobines modifie le champ magnétique généré par :
- une modification géométrique due aux dilatations de la bobine ; - les variations de résistivité avec la température du métal constituant le bobinage, et par suite variation du courant électrique dans les diverses parties de la bobine . Un calcul avantageusement exécuté sur ordinateur permet de déterminer les bobines idéales et leurs dispositions relatives compte tenu des contraintes choisies . Pour un aimant déterminé par la méthode proposée le produit PM est donné par la formule :
PM = (411 B0 / μQ) 2 a4p p/g≈
où : B~ est le champ
Figure imgf000004_0001
exprimé en tesla μn est une constante a est le rayon intérieur d'éléments p est la masse volumique du métal constituant l'enroulement en hélice p est la résistivité du métal de l'enroulement constituant l'hélice et g est un facteur géométrique inférieur ou égal à 1 déterminant l'homogénéité du champ, g est égal à 1 pour une spire unique de section nulle. Selon les contraintes imposées, il est possible de déterminer avec précision la construction de celui-ci. Avantageusement, on tient compte de l'influence de la température sur les caractéristiques de l'aimant c'est-à-dire que les contraintes seront imposées à un aimant ayant atteint sa température d'équilibre en fonctionnement.
Les contraintes imposées varieront avec les domaines d'application de l'aimant. Par exemple, dans les conditions économiques actuelles il sera, la plupart du temps avantageux d'utiliser du cuivre pour réaliser les bobines. En imagerie par RMN on aura besoin, par exemple :
- d'un champ magnétique compris entre 0, 1 et 1 tesla,
- d'un rayon intérieur permettant d'y faire pénétrer un patient ainsi que tout l'équipement magnétique nécessaire à l'intérieur de l'aimant - d'une grande homogénéité du champ magnétique engendré imposant des geométries pour lesquelles le facteur g est petit par rapport à 1.
Par contre, en recherche scientifique, on aura besoin d'aimants : - engendrant le champ le plus fort possible, par exemple supérieur à 10 teslas,
- d'un rayon intérieur faible suffisant pour loger l'échantillon à soumettre au champ magnétique , d'une bonne homogénéité du champ magnétique généré . L'optimisation permet de déterminer la géométrie exacte que doivent prendre les bobines pour obtenir le champ magnétique désiré. Toutefois, la précision de réalisation de bobines de type Bitter est limitée. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication des bobines de Bitter permettant d'accroître la précision de fabrication des bobines de Bitter, notamment pour s'approcher du modèle optimal obtenu par calcul. Pour ce faire, on a supprimé les trous traversant les spires des bobines . Avantageusement, ces trous sont remplacés par un canal de refroidissement externe et/ou interne à la bobine .
L'absence des trous permet de coller le disque à l'aide d'une colle isolante de façon à ce que chaque bobine forme une pièce monolithique. La présence des trous dans le disque n'aurait pas permis l'utilisation de la colle car celle-ci aurait coulé à l'intérieur des trous et empêcherait le bon refroidissement de la bobine. En effet, d'une part la colle limite les échanges de chaleur entre les disques et le fluide de refroidissement et d'autre . part limite les débits du fluide en bouchant partiellement les trous. La colle ayant coulé à l'intérieur et à l'extérieur de la bobine est avantageusement enlevée par un usinage, par exemple au tour. Ainsi, la bobine obtenue présente la précision d'une pièce mécanique, cette précision étant bien supérieure à celle obtenue avec les bobines de Bitter comportant des tirants pour assurer la rigidité. L'usinage a été rendu possible par l'obtention d'un bobinage sous forme de pièce monolithique usinable. De plus, le collage permet une réalisation plus simple que celle des dispositifs de type connu .
L'invention concerne une bobine, un aimant comportant une telle bobine, un dispositif d'imagerie par résonance magnétique nucléaire comportant un tel aimant, un procédé de réalisation d'un tel aimant, tel que décrit dans les revendications . L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures données comme des exemples non limitatifs parmi lesquelles : - la figure 1 est un schéma d'un premier exemple de réalisation d'une bobine selon la présente invention ;
- la figure 2 est un schéma d'un deuxième exemple de réalisation d'une bobine selon la présente invention ; - la figure 3 est un schéma d'un troisième exemple de réalisation d'une bobine selon la présente invention ;
- la figure 4 est un quatrième exemple de réalisation d'une bobine selon la présente invention ; la figure 5 est une courbe d'un profil de température de la bobine illustrée sur la figure 1 ; la figure G est une courbe d'un profil de température de la bobine illustrée sur la figure 2 ; la figure 7 est une courbe d'un profil de température de la bobine illustrée sur la figure 3 ; - la figure 8 est un schéma d'une soudure mise en oeuvre dans le dispositif selon la présente invention ;
- la figure 9 est un schéma d'un dispositif permettant de réaliser les bobines selon la présente invention ; la figure 10 est un schéma d'un détail de réalisation de bobine selon la présente invention ; la figure 11 est un schéma d'un détail de réalisation de bobine selon la présente invention ;
- la figure 12 est un schéma d'un cinquième exemple de réalisation de bobine selon la présente invention ;
- la figure 13 est un schéma d'un aimant selon la présente invention ;
- la figure 14 est un schéma d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'imagerie par résonance magnétique nucléaire selon la présente invention ;
- la figure 15 est un schéma d'un dispositif de refroidissement mis en oeuvre dans le dispositif selon la présente invention ;
- la figure 16 est un schéma d'un dispositif de refroidissement mis en oeuvre dans le dispositif selon la présente invention . Sur les figures 1 à 16 on a utilisé les mêmes références pour désigner les mêmes éléments .
Sur la figure 1, on peut voir une bobine 1 selon la présente invention ne comportant pas de trous de refroidissement. La bobine 1 est une bobine de type Bitter comportant une pluralité de disques 3 fendus . La discontinuité 5 des disques 3 permet de raccorder chaque disque au suivant et de réaliser une bobine sensiblement hélicoïdale avec une succession de disques . L'absence de trous de refroidissement permet d'utiliser le collage pour assembler avec une colle isolante 4, les disques 3. Toutefois, il est nécessaire d'assurer le refroidissement de la bobine 1. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1 on a amménagé un canal de refroidissement extérieur 2 cylindrique ayant le même axe z que l'axe de la bobine 1.
L'utilisation de la colle 4 permet la réalisation d'une bobine 1 monolithique usinable. Ainsi, il est possible par usinage d'éliminer la colle qui aurait coulé à l'intérieur comme à l'extérieur de la bobine. De même, si on désirait réaliser des trous à l'intérieur de la bobine, ce qui n'est pas le cas dans l'exemple illustré sur la figure 1, ces trous devraient être usinés ou réusinés après le collage pour éliminer les coulées de colle 4. L'utilisation d'un canal 2 de refroidissement extérieur situé sur la périphérie de la bobine 1 permet de libérer le centre de la bobine pour y disposer de plus de place pour soumettre un corps au champ magnétique . Ainsi, il est possible soit de réduire la taille de la bobine 1, soit d'augmenter la place disponible. Par exemple, dans les applications d'imagerie par résonance magnétique nucléaire il est nécessaire de loger à l'intérieur de la bobine 1 le patient, une antenne radiofréque ce, des bobines susceptibles de générer des gradients de champ magnétique, et d'éventuelles bobines de correction. Il faut rappeler que comme il a été indiqué plus haut le produit PM est proportionnel à la quatrième puissance du rayon intérieur de la bobine .
Sur la figure 2 , on peut voir une bobine 1 selon la présente invention comportant un canal 2 dé refroidissement intérieur . Dans cette disposition le canal 2 de refroidissement est plus proche des zones ou est produite la plus grande partie de la chaleur par effet Joule . En effet, la chaleur se dégage principalement sur la partie interne du disque 3.
Sur la figure 3, on peut voir une bobine 1 selon la présente invention comportant un canal de refroidissement interne 2 et un canal de refroidissement externe 2. Ceci permet un refroidissement particulièrement efficace de la bobine .
Divers moyens peuvent être utilisés pour augmenter l'efficacité du refroidissement des bobines 1. Sur la figure 4, on peut voir des pièces 6, par exemple des baguettes isolantes, montées en hélice autour de la bobine 1 et définissant un canal 7 pour le fluide de refroidissement . Ainsi le fluide de refroidissement est obligé d'emprunter un chemin plus long entourant plusieurs fois la bobine 1 et permettant ainsi un meilleur refroidissement.
Avantageusement, le profil du canal 7 entraîne un écoulement turbulent empêchant la formation de couches limites nuisibles au bon refroidissement de la bobine .
La formation de couches limites est particulièrement gênante pour le bon refroidissement par des fluides présentant une mauvaise conduction thermique .
Sur la figure 5, on peut voir un profil 10 des températures T 9 en fonction du rayon r 8 à l'intérieur de disques métalliques 3. Le profil de températures de la figure 5 correspond au canal 2 de refroidissement extérieur tel qu'illustré sur la figure 1 . La température 9 diminue quand le rayon 8 augmente pour atteindre la température minimale sur le bord des disques 3.
Pour obtenir un champ homogène il est impératif, lors de l'optimisation de tenir compte des dilatations qui se produiront, en fonctionnement, à l'intérieur de la bobine 1 selon la présente invention ainsi que de variations de résistivité dans les diverses parties de disques de la bobine 1. La détermination des températures est effectuée de façon connue par un calcul utilisant l'équation de la chaleur " en tenant compte des états de surface des conductions thermiques , de chaleur massique et de débit du fluide de refroidissement.
Sur la figure 6 on peut voir un profil 10 de température T 9 en fonction du rayon 8 de disque 3 de bobine 1 selon la présente invention illustré sur la figure 2.
Dans le cas de profil 10 de la figure 6, la température minimale est atteinte sur le bord interne de disque 3 et augmente par la suite pour atteindre la température maximale sur le bord externe . Sur la figure 7, on peut voir un profil 10 de température T 9 en fonction du rayon r 8 d'une bobine 1 selon la présente invention telle qu'illustrée sur la figure 3. La bobine 1 illustrée sur la figure 3 comportant un canal périphérique extérieur de refroidissement ainsi qu'un canal 2 de refroidissement intérieur. La température minimale est atteinte sur le bord interne et externe de disque 3. A partir de ces minimums la température augmente à l'intérieur des disques 3 en passant par un maximum.
Le profil 10 des figures 5, 6 et 7 correspond à un disque 3. On peut également tenir compte d'un gradient de température selon l'axe z qui provient du réchauffement progressif du fluide de refroidissement au fur et à mesure de sa circulation dans le canal de refroidissement 2.
Dans le premier exemple de réalisation des bobines de Bitter la continuité électrique était assurée par un contact mécanique entre les disques 3. Les aimants de Bitter plus perfectionnés ont été réalisés en soudant des disques ou des parties de disques métalliques . Un procédé de soudure avec dépôt électrolytique d'indium était décrit dans le Brevet français n° 85 02971 publié sous le n° 2 578 057. Sur la figure 8, on peut voir un exemple de réalisation d'une soudure directe du cuivre sur le cuivre . La soudure directe au cuivre de deux disques 3 ou de deux portions de disques 3 provoque la formation d'un bourrelet 32 sur une des faces du disque et des cratères d'amorce et de fin de la soudure 33 sur le côté. Le bourrelet 32 provient du retrait du cuivre chauffé pendant la soudure .
La présence du bourrelet 32 empêche la réalisation d'une bobine 1 régulière. Ainsi, le bourrelet 32 risque de perturber l'homogénéité du champ créé par l'aimant selon la présente invention et de détériorer l'isolant entre disques.
De plus, au niveau de la soudure 31 il est possible d'obtenir une déformation d'angle , entre l'axe circulaire 34 du disque s'il était parfaitement circulaire et l'axe 35 d'une partie de disque.
Le dispositif de la figure 9 permet de remédier au problème posé par la soudure directe du cuivre sur le cuivre. Il n'est pas possible industriellement d'usiner, par exemple de limer, le bourrelet 32. En effet, cet usinage devrait nécessairement se passer avant la pose de la colle 4. Les copeaux d'usinage risqueraient de perforer la colle 4 et donc de provoquer des courts -circuits perturbant complètement le fonctionnement de la bobine 1.
Par contre , il s'est avéré possible d'aplanir le bourrelet 32 en appliquant dessus un galet presseur.
Le dispositif de la figure 9 comporte deux galets presseurs 36, par exemple deux roulements à billes fixés aux extrémités de deux branches 37. Un dispositif de commande par exemple une tige d'acier filetée fixée à l'une des branches 37 et passant dans un filetage réalisé dans l'autre branche 37 permet de régler la distance entre les deux galets presseurs . Ainsi, il est possible en plus de l'aplanissement du bourrelet 32 de la soudure 31, en appuyant plus fort sur une partie de ce bourrelet de corriger la no -concordance des axes 34 et 35. De plus, une fois aplanie la soudure 31 remplit de nouveau en partie les cratères 33 aux extrémités de ladite soudure , les défauts subsistant sont éliminés par l'usinage final au tour.
Sur la figure 10, est illustré le procédé de collage particulièrement avantageux mis en oeuvre pour la réalisation de bobines selon la présente invention . Dans l'exemple illustré sur la figure 10 seuls deux disques 3 ont été représentés . Dans cet exemple, on a utilisé des portions de disques 3 soudées et correspondant à 111° . Cette valeur correspond approximativement à un tiers de tour mais empêche la superposition systématique des soudures 31. La colle 4 est composée dans l'exemple illustré sur la figure 10 de deux couches . Chaque couche comporte une longueur égale à celle d'un pas de 111° . Chaque couche est décalée d'un demi pas . Entre les couches , on laisse un espace 60 qui sera rempli par la colle au moment de la polymérisation de celle-ci. Avantageusement, on utilise la colle Prinom B d'une épaisseur de 0, 1 mm fabriquée par la Société ISOVOLTA et distribuée par la Société DEGLARGES .
Le décalage d'un demi pas des interstices 60 permet d'avoir à coup sûr une bonne isolation après polymérisation. Cette colle permet de résister sans problème aux tensions entre spires rencontrées dans les aimants utilisés en imagerie par RMN. Un tel aimant a par exemple 500 spires, la tension entre la première et la dernière spire étant égale à 200 Volts . De plus, cette colle se présente sous la forme d'un adhésif double face possédant une excellente tenue mécanique et permettant l'usinage des bobinages 1 obtenus par collage . Il est à signaler que l'utilisation de cette colle, très abrasive, impose un changement fréquent d'outils d'usinage, à moins d'utiliser des outils diamant. Sur la figure 11, on peut voir deux exemples de réalisation d'usinage de bobines 1 selon la présente invention . Dans le cercle A l'usinage obtenu est lisse . Cet usinage est facile à obtenir et les calculs d'optimisation sont facilités par l'adoption d'une surface simple . Dans le cercle B on peut voir des cannelures 80 facilitant le refroidissement en empêchant la formation d'une couche limite statique de fluide à la surface de la bobine 1. Il est bien entendu que contrairement à l'illustration de la figure 11 un seul type d'usinage sera utilisé sur la surface de la bobine 1. Toutefois , 11 est possible d'utiliser un usinage cannelé sur la surface délimitant un canal de refroidissement 2 non représenté sur la figure 11 et un usinage lisse sur une surface non refroidie .
Sur la figure 12 on peut voir une bobine 1 selon la présente invention comportant des baguettes 30 isolantes . La baguette 30 sert d'espaceur entre le corps de la bobine 1 et par exemple la carcasse de l'aimant.
Les baguettes 30 sont par exemple collées , après usinage de la bobine 1. En l'absence de baguettes 30, la surface de la bobine 1 risque en frottant d'être rayée au montage sur la carcasse de l'aimant. Cela est particulièrement grave dans le cas d'utilisation de carcasse en fibre de verre . Ces frottements provoquent des traînées de cuivre qui risquent de court- circuiter les spires rendant l'aimant impropre à générer des champs magnétiques homogènes . Sur la figure 13, est illustré un procédé de montage d'un aimant selon la présente invention . Avantageusement, la carcasse de l'aimant selon la présente invention se compose de deux demies carcasses 61 à ouverture horizontale .
Dans la demie - carcasse inférieure on dépose tout d'abord la première bobine terminée 1 selon la présente invention . Ensuite on avance un tube de guidage central 62. Avantageusement, le tube 62 est réalisé en fibre de verre noyé par exemple dans une résine époxy . Ensuite on dépose un espaceur 64 ou une pluralité de cales . Avantageusement, dans l'espaceur 64 sont ménagés des emplacements permettant la connexion de la bobine 1 suivante sans pour autant perturber l'homogénéité du champ magnétique créé par les bobines . De telles connexions ont été décrites dans le Brevet français n° 85 04050 publié sous le n° 2 579 362 et 85 07151 publié sous le n° 2 581 760. Le tube central 62 est avancé.
On dépose dans la moitié inférieure de la carcasse 61 la seconde bobine 1.
On effectue les connexions entre la première et la seconde bobine 1.
On continue les avancées du tube 62 , les déposes des espaceurs successifs 64 et des bobines 1 et les connexions jusqu'à l'obtention d'un aimant complet.
Avantageusement, les espaceurs 64 assurent l'étanchéité des canaux de refroidissement 2, non représentés sur la figure 13.
Sur la figure 13 le tube central 62 est présenté dans sa position terminale.
Une fois les bobines et les espaceurs montés, on effectue les connexions du retour de courant, par exemple par l'intermédiaire des câbles en cuivre 119 répartis sur la périphérie de l'aimant de façon à ne pas créer un champ magnétique perturbateur. Ensuite on - ferme l'aimant par l'intermédiaire d'une demie carcasse 61 supérieure et l'on assemble des flasques 63 d'extrémité.
Il est bien entendu qu'on effectue tous les traitements métallurgiques nécessaires notamment au niveau des connexions comme par exemple le dépôt de couches contre la diffusion en nickel ou le dépôt de couches d'or évitant toute corrosion.
La carcasse une fois montée assure l'étanchéité de l'aimant 1 et sert avantageusement de parois aux canaux 2 de re roidissement .
L'utilisation d'espaceurs 64 permet un positionnement précis de bobinage 1 de la réalisation matérielle de l'aimant optimisé obtenu par les calculs .
Sur la figure 14, on peut voir un dispositif d'imagerie par résonance magnétique nucléaire. L'installation est pourvue d'un système de bobinages de correction (appelés "shims" ) connu en soi et non représenté , essentiellement destiné à compenser les effets perturbateurs de l'environnement de l'aimant. L'aimant 11 chargé d'élaborer le champ de base est associé à un système de bobines de gradients 50, connu en soi, les bobines de gradients sont agencées sur un mandrin tubulaire cylindrique placé à l'intérieur de l'espace interne 12 de l'aimant 11 , coaxialement à l'axe z . Le système de bobines de gradients est complété par un ensemble d'alimentations en courant continu (Gx, Gy, Gz) commandées suivant un cycle de séquences préprogrammées dans un ordinateur 51 pour alimenter les bobines de gradients de façon à superposer au champ de base des gradients de champ magnétique d'intensités et d'orientations 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 . Un système d'antennes radiofréquence 55 est également logé à l'intérieur de l'espace utile 12 de l'aimant 11. Ces antennes font partie de moyens d'émission-réception radio- réquence, comportant en outre un générateur radio-fréquence 56 piloté par l'ordinateur 51 pour engendrer des impulsions calibrées de signal radio-fréquence 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 51, appliquant des algorithmes connus pour reconstituer une image . Cette image est par exemple affichée sur un tube cathodique d'un moniteur 58. Le dispositif comporte en outre un circuit de refroidissement comportant des tubes 14, une pompe 17, un échangeur de chaleur 16. On a utilisé la référence 16a pour le circuit primaire de l'échangeur et 16b pour le circuit secondaire de l'échangeur de chaleur 16. Avantageusement, le dispositif d'imagerie par résonance magnétique nucléaire comporte un dispositif de régulation tel que décrit dans le Brevet français n° 84 19190 publié sous le n° 2 574 982. Un tel dispositif comporte un aimant auxiliaire 1-3 de petites dimensions , un circuit de circulation de fluide de refroidissement 14 en contact thermique avec les aimants 11 et 13 et une source de courant continu 15, asservie , connectée en série avec les bobines des deux aimants .
Dans tous les cas , l'aimant il a une structure permettant un échange thermique efficace entre les enroulements de la ou des bobines résistives le constituant et le fluide de refroidissement. Il en est de même de l'aimant 13 qui est agencé pour recevoir le même fluide de refroidissement de façon à être toujours sensiblement à la même température que l'aimant principal. Il est à noter à ce propos que la résistance interne de l'aimant auxiliaire est très faible par rapport à celle de l'aimant principal de sorte que sa contribution à l'échauffement du fluide circulant dans le circuit 14 soit pratiquement négligeable . En outre, les bobines des deux aimants 11 et 13 sont réalisées dans le même matériau conducteur, notamment le cuivre ou l'aluminium.
Le circuit 14 comporte en outre une pompe de circulation 17 et un échangeur 16 dont . le circuit secondaire 16b est traversé par ledit fluide de refroidissement et dont le circuit primaire 16a est alimenté, par exemple, par de l'eau froide en circulation . Dans l'exemple représenté, le circuit 14 est conçu pour que la totalité du fluide de refroidissement traverse l'aimant auxiliaire 13 , mais il est envisageable, par une dérivation appropriée, de ne faire circuler qu'une partie de ce fluide dans l'aimant 13 pour autant que la température de ce dernier soit toujours sensiblement égale à celle de l'aimant 11, à tout moment. Dans cet esprit, il est particulièrement important que le circuit 14 soit agencé de telle sorte que le fluide entrant dans l'aimant 13 provienne directement de l'aimant principal 11, sans passer par l'échangeur 16. Par ailleurs, comme mentionné précédemment, les bobines des aimants 11 et 13 sont, à tout moment, traversées par le même courant délivré par la source de courant 15. L'aimant 13 a pour fonction de créer un champ magnétique témoin représentatif du champ de l'aimant principal dans au moins un volume restreint de son espace interne où sont placés des moyens de mesure dudit champ témoin , pour piloter une chaîne d'asservissement 19 du courant délivré par la source de courant continu 15. Selon un mode de réalisation préféré , ces moyens de mesure de champ comportent une sonde de RMN 20, pour piloter la chaîne d'asservissement 19 , ladite sonde étant placée dans ledit volume restreint . Pour obtenir un signal de RMN exploitable, l'aimant auxiliaire 13 est construit pour que le champ témoin soit d'homogénéité suffisante dans le volume restreint où se trouve placée la sonde . En pratique, l'homogénéité du champ témoin dans le volume environnant de la sonde doit être de 1 à 10 ppm, c'est-à-dire du même ordre de grandeur que l'homogénéité du champ de base dans le volume utile de l'aimant principal.
Les aimants 11 et 13 admettent chacun un axe longitudinal de symétrie, respectivement Oz et O'z' , O et O' étant les centres de symétrie de ces aimants . Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'axe O'z' de l'aimant auxiliaire 13 est sensiblement placé dans un plan transversal médian (contenant le point O) de l'aimant principal 11 de façon à couper l'axe Oz au point O, l'aimant 13 restant bien entendu extérieur à l'aimant 11. Cet agencement est celui qui offre le couplage parasite le plus faible possible entre les deux aimants et qui perturbe donc le moins l'homogénéité des deux champs . Sur les figures 15 et 16 , on peut voir deux exemples de réalisation du dispositif de refroidissement de l'aimant 11 selon la présente invention .
Sur la figure 15, on peut voir un aimant 11 comportant un circuit primaire de fluide de refroidissement, un circuit secondaire, le circuit primaire cédant l'énergie thermique au circuit secondaire grâce à un échangeur 16. Avantageusement, une pompe 17 assure la circulation du fluide de refroidissement primaire .
L'aimant 11 selon la présente invention a un très large domaine d'application . Selon l'application les caractéristiques techniques de l'aimant, les contraintes économiques seront totalement différentes . Il est important d'adapter le refroidissement au type d'aimant, aux contraintes économiques rencontrées . En recherche scientifique , on utilise des aimants susceptibles de générer des champs magnétiques très forts, souvent supérieurs à 10 teslas . De tels aimants supportent des courants électriques très forts et leur durée de vie est souvent limitée à, par exemple, 1 000 heures de fonctionnement. Pour de telles applications, il est souvent avantageux d'utiliser comme fluide de refroidissement de l'eau désionisée . Ce fluide présente l'avantage d'avoir une très grande chaleur massique, une faible viscosité et une grande résistivité. L'eau désionisée présente par contre des inconvénients, comme par exemple, la difficulté de préparation de l'eau désionisée, et son agressivité vis-à-vis du cuivre . Toutefois, la corrosion du cuivre par l'eau désionisée ne sera pas sensible durant la vie, de toute façon limitée à 1 000 heures de l'aimant 11. En recherche scientifique, il est fréquent d'augmenter le débit du fluide de refroidissement en utilisant des pressions relativement hautes comme par exemple 30 bars .
En imagerie médicale par RMN, on utilisera avantageusement comme fluide de refroidissement du kérosène ou de l'huile. Ces fluides sont neutres vis-à-vis du cuivre constituant avantageusement les bobines , d'une longue conservation et d'une mise en oeuvre facile . Ils présentent l'inconvénient d'une faible chaleur massique et d'une viscosité importante. Ces inconvénients sont acceptables en imagerie par RMN, dans la mesure où les champs magnétiques susceptible de générer sont moins forts qu'en recherche scientifique, typiquement 0, 1 tesla, et que on a prévu des débits de fluide important ou des dispositifs , comme ceux illustrés sur la figure 4 permettant d'augmenter l'efficacité du refroidissement.
Dans le Brevet français n° 87 09817 • déposé le 10 Juillet 1987 et non encore publié, on décrit l'utilisation de la chaleur latente de transition de phase pour le refroidissement d'aimants . La chaleur latente de transition de phase correspond par exemple au passage de l'état liquide à l'état gazeux du fluide de refroidissement . L'utilisation d'un fluide comportant les deux phases , par exemples liquides et gazeuses , tout au long des circuits de refroidissement permet d'éviter une apparition des gradients de température selon l'axe z de l'aimant 11 . De plus, l'énergie absorbée par l'unité de masse est bien supérieure, ce qui permet, de limiter le débit du fluide de refroidissement . De nombreux fluides isolants conviennent pour ce type de refroidissement . Avantageusement, on utilise un fluide de refroidissement dont la température d'ébullition, à la pression d'utilisation du circuit primaire de refroidissement est susceptible d'être supportée sans inconvénient par un patient placé à l'intérieur de l'aimant 11. Par exemple, le fréon 11 qui est composé de CC F a une température d'ébullition de l'ordre de 30°C à une pression de 1 , 3 bar .
Sur la figure 16, on peut voir un exemple de réalisation du dispositif de refroidissement de l'aimant 11 mettant en oeuvre une pompe à chaleur pour l'extraction des calories de l'aimant . La pompe à chaleur comporte, dans le circuit primaire un compresseur 170, un détendeur 171. L'utilisation des pompes à chaleur permet de diminuer la quantité d'eau circulant dans l'échangeur 16. Avantageusement, le circuit de refroidissement ^nterne à l'aimant 11 constitue , au moins une partie du détendeur 171.
L'invention s'applique principalement à la réalisation des bobines 1 de Bitter, d'aimant 11 de Bitter. L'invention s'applique notamment à l'obtention de champs magnétiques forts et/ou uniformes, pour la recherche scientifique , médicale ou pour l'imagerie par résonance magnétique nucléaire .

Claims

REVENDICATIONS
1. Bobine (1) de Bitter comportant une pluralité de disques (3) annulaires métalliques fendus pour former les spires et connectés pour constituer un enroulement sensiblement hélicoïdal d'axe z à spires plates comportant au moins un canal de refroidissement susceptible de guider un fluide, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins un canal de refroidissement (2) cylindrique de même axe z que l'enroulement hélicoïdal.
2. Bobine (1) selon la revendication 1, caractérisée 0 par le fait que les disques (3) ou parties de disques sont assemblés bout à bout par soudure du cuivre .
3. Bobine (1) selon la revendication 1 ou 2, " caractérisée par le fait que la surface externe des spires forme la paroi interne du canal de refroidissement (2) , une paroi parallèle à la surface externe des spires, de diamètre supérieur formant la paroi externe du canal de refroidissement (2) .
4. Bobine selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée par le fait que la surface interne des spires forme la paroi interne du canal de refroidissement (2) , une paroi parallèle à la surface interne des spires de diamètre inférieur formant la paroi interne du canal de refroidissement (2) .
5. Bobine (1) selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisée par le fait que les disques (3) métallique sont collés à l'aide d'une colle isolante (4) .
^5 6. Bobine (1) selon la revendication 5, caractérisée par le fait que la colle (4) est une colle polymérisable .
7. Bobine (1) selon la revendication 6 , caractérisée par le fait que avant la polymérisation la colle (4) forme deux disques non jointifs avec une zone de recouvrement par chaque disque de l'intervalle (60)* du disque associé.
8. Bobine (1 ) selon la revendication 5, 6 ou 7, caractérisée par le fait que la colle (4) est du Prinom B .
9. Bobine (1) selon la revendication 1 , 2 , 3, 4 , 5 , 6 , 7 ou
8, caractérisée par le fait qu'elle a une forme cylindrique quasi parfaite obtenue par usinage .
10. Bobine (1) selon la revendication 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 ou
8, caractérisée par le fait que les surface destinées à recevoir le fluide de refroidissement comporte des stries (80) susceptibles d'empêcher la formation d'une couche limite de fluide de refroidissement.
11. Aimant caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une bobine selon l'une quelconque des revendications précédentes .
12. Aimant selon la revendication 11, caractérisé par le fait que toutes les bobines (13a-13b, 14a-14b, 15a-15b) ont sensiblement le même diamètre intérieur et extérieur et sont connectées pour être traversées par le même courant et en ce que les longueurs des bobines, les distances qui les séparent axialement et leur diamètre extérieur sont déterminés pour donner audit champ une homogénéité dans ladite zone d'intérêt avec un produit Puissance-Masse optimisé .
13. Aimant selon la revendication 11 ou 12, caractérisé par le fait qu'il comporte un tube central (62) sur lequel sont enfilées les bobines (1) .
14. Aimant selon la revendication 13 , caractérisé par le fait qu'entre deux bobines (l) ^est enfilé sur le tube central
(62) un espaceur (64) cylindrique ou une pluralité de cales permettant le positionnement précis des bobines (1) les unes par rapport aux autres .
15. Aimant selon la revendication 14, caractérisé par le fait que les espaceurs (64) comportent un passage permettant de faire passer un conducteur électrique pour la connexion en série des bobines (1) .
16. Aimant selon la revendication 11 , 12 , 13 ou 14, caractérisé par le fait qu'il comporte une carcasse composée de deux éléments (61) susceptibles d'être assemblés le long d'un plan contenant l'axe z.
17. Aimant selon la revendication 11,12,13,14 ou 15, caractérisé par le fait que la paroi de la carcasse constitue la paroi externe du canal (2) de refroidissement des bobines.
18. Aimant selon la revendication 10,11,12,13,14,15,16 ou 17, caractérisé par le fait que la géométrie du canal de refroidissement (2) impose au fluide de refroidissement un écoulement turbulent.
19. Aimant selon la revendication 10,11,12,13,14,15,16,17 ou 18, caractérisé par le fait qu'il comporte dans le canal de refroidissement (2) une pièce (6) en forme d'hélice obligeant le fluide de refroidissement à augmenter le chemin parcouru dans le canal de refroidissement (2).
20. Aimant selon la revendication
10,11,12,13,14,15,16,17,18 ou 19, caractérisé par le fait que la carcasse et le t be central (62) sont réalisés en matériaux plastiques comportant des fibres.
21. Aimant selon la revendication 11,12,13,14,15,16,17,18,19 ou 20, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un conducteur (119) assurant le retour du courant vers l'une des extrémités axiales de l'aimant, confσrmés(s) et/ou disposé(s) pour répartir l'écoulement du courant longitudinalement sur une surface cylindrique coaxiale aux bobines (1) de l'aimant.
22. Aimant selon la revendication 21, caractérisé par le fait que les conducteurs (119) assurant le retour du courant sont en cuivre ou en aluminium.
23. Dispositif d'imagerie par résonance magnétique nucléaire, caractérisé par le fait qu'il comporte un aimant selon la revendication 10,11,12,13,14,15,16,17,18 ou 19.
24. Dispositif d'imagerie selon la revendication 23, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un aimant auxiliaire (13) thermiquement couplé audit circuit de circulation de fluide de refroidissement et électriquement alimenté par lesdits moyens d'alimentation électrique , ledit aimant auxiliaire étant de faibles dimensions comparativement audit aimant principal pour créer un champ témoin représentatif du champ principal dans un volume restreint, l'aimant auxiliaire (13) comportant au moins une bobine selon la revendication
1 , 2 , 3, 4, 5, 6, 7 , 8, 9 ou 10, en ce qu'il comporte en outre des moyens de mesure (20) du champ témoin placés dans ledit volume restreint et une chaîne d'asservissement desdits moyens d'alimentation, pilotée par lesdits moyens de mesure du champ témoin .
25. Procédé de fabrication d'un aimant, caractérisé par le fait qu'il comprend une étape de collage avec une colle (4) isolante de disques (3) ou partie de disques constituant un bobinage (1) en hélice .
26. Procédé selon la revendication 25 , caractérisé par le fait qu'il comprend une étape de soudure bout à bout de disques (3) ou partie de disques (3) constituant un bobinage (1) en hélice .
27. Procédé selon la revendication 26, caractérisé par le fait que la soudure est une soudure du cuivre sur du cuivre .
28. Procédé selon la revendication 26 , caractérisé par le fait que la soudure est une soudure à l'indum.
29. Procédé selon la revendication 25 , 26 , 27 ou 28, caractérisé par le fait qu'il comporte une étape d'usinage au tour des bobinages (1) sur leur surface interne et/ou externe .
30. Procédé selon la revendication 29 , caractérisé en ce que l'usinage permet d'obtenir une surface cylindrique lisse .
31. Procédé selon la revendication 29 ou 3 , caractérisé par le fait que l'usinage permet d'obtenir une surface cannelée susceptible d'empêcher la formation d'une couche limite immobile de fluide de refroidissement .
32. Procédé selon la revendication 25 , 26 , 27 , 28, 30 ou 31, caractérisé par le fait qu'il comprend alternativement les étapes de :
- montage de bobinages (1 ) sur un tube central (62) , - montage d'espaceurs (64) sur le tube central.
33. Procédé selon la revendication 32 , caractérisé par le fait que les dimensions des tubes et des espaceurs (64) permettent d'optimiser le produit P. M où P est la puissance électrique à fournir à l'aimant (11) , M est la masse de conducteur de l'aimant (11) , pour une homogénéité de champ magnétique exigée.
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