DE10127822A1 - Magnetresonanzgerät mit einem Grundfeldmagneten - Google Patents
Magnetresonanzgerät mit einem GrundfeldmagnetenInfo
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Abstract
Bei einem Magnetresonanzgerät, umfassend DOLLAR A - einen Grundfeldmagneten mit einer inneren, einer äußeren und wenigstens einer mittleren Einheit, die im Wesentlichen hohlzylinderförmig und elektrisch leitfähig ausgebildet sind und die derart ineinander angeordnet sind, dass die innere von der mittleren und die mittlere von der äußeren Einheit umhüllt sind, und DOLLAR A - ein Gradientenspulensystem, durch das wenigstens in Teilbereichen der äußeren Einheit Wirbelströme ausgelöst werden können, DOLLAR A sind hinsichtlich mechanischer Eigenschaften wenigstens die inneren Zylindermäntel der Einheiten derart aufeinander abgestimmt ausgebildet, dass die mittlere Einheit ein auf magnetischer Kopplung beruhendes Schwingungsübertragen von der äußeren auf die innere Einheit wirksam dämpft.
Description
Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanzgerät.
Die Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik zum Ge
winnen von Bildern eines Körperinneren eines Untersuchungsob
jekts. Dazu werden in einem Magnetresonanzgerät einem stati
schen Grundmagnetfeld, das von einem Grundfeldmagneten er
zeugt wird, schnell geschaltete Gradientenfelder überlagert,
die von einem Gradientenspulensystem erzeugt werden. Ferner
umfasst das Magnetresonanzgerät ein Hochfrequenzsystem, das
zum Auslösen von Magnetresonanzsignalen Hochfrequenzsignale
in das Untersuchungsobjekt einstrahlt und die erzeugten Mag
netresonanzsignale aufnimmt, auf deren Basis Magnetresonanz
bilder erstellt werden.
Ein supraleitender Grundfeldmagnet umfasst beispielsweise
einen im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Heliumbehälter, in
dem supraleitende Spulen angeordnet sind, die von dem sie
umgebenden flüssigen Helium gekühlt werden. Der Heliumbehäl
ter ist von einem hohlzylinderförmigen inneren Kälteschild
umschlossen, das wiederum von einem hohlzylinderförmigen äu
ßeren Kälteschild umschlossen ist. Die Kälteschilde bewirkt
dabei, dass möglichst wenig Wärmestrahlung bis zum Heliumbe
hälter vordringt. Dazu sind die Kälteschilde aus einem gut
wärmeleitenden Metall, beispielsweise Aluminium, ausgebildet.
Die Kälteschilde und/oder der Heliumbehälter werden dabei
durch eine Kryokühler, Kaltgas oder flüssigen Stickstoff auf
vorgebbaren Temperaturen gehalten. Das äußere Kälteschild ist
schließlich von einem im Wesentlichen hohlzylinderförmigen
Vakuumbehälter umschlossen. Die Behälter sind dabei in der
Regel aus unmagnetischem rostfreien Stahl ausgebildet. Der
Heliumbehälter ist mit dem inneren Kälteschild, die beiden
Kälteschilde sind untereinander und das äußere Kälteschild
ist mit dem Vakuumbehälter schlecht wärmeleitend auf einen
gegenseitigen Abstand von einigen Millimetern bis zu wenigen
Zentimetern verbunden.
In der zylinderförmigen Höhlung des Vakuumbehälters ist ein
hohlzylinderförmiges Gradientenspulensystem, beispielsweise
durch Verkeilen in der Höhlung, befestigt. Zum Erzeugen von
Gradientenfeldern sind in Gradientenspulen des Gradientenspu
lensystems entsprechende Ströme einzustellen. Dabei betragen
die Amplituden der erforderlichen Ströme bis zu mehreren 100 A.
Die Stromanstiegs- und -abfallraten betragen bis zu mehre
ren 100 kA/s. Auf diese sich zeitlich verändernden Ströme in
den Gradientenspulen wirken bei vorhandenem Grundmagnetfeld
in der Größenordnung von 1 T Lorentzkräfte, die zu Schwingun
gen des Gradientenspulensystems führen.
Beispielsweise aus der DE 195 31 216 A1 ist bekannt, dass
vorgenannte Schwingungen eine Vielzahl von negativen Eigen
schaften haben, beispielsweise akustische Geräusche, die vom
Gradientenspulensystem ausgehen, strukturelle Geräusche, die
vom Gradientenspulensystem ausgehen und über die Befestigun
gen auf das übrige Magnetresonanzgerät übertragen werden,
sowie Bildqualitätsstörungen, die durch exzessive Bewegung
des Gradientenspulensystems verursacht werden können. In der
DE 195 31 216 A1 ist daher vorgeschlagen, das Gradientenspu
lensystem im Bereich eines bei Betrieb zu erwartenden Schwin
gungsknoten zu befestigen, womit nachteilige Auswirkungen von
Schwingungen, die vom Gradientenspulensystem ausgehen, auf
das übrige Magnetresonanzgerät verhindert werden sollen.
Weil das Gradientenspulensystem von leitfähigen Strukturen
des Grundfeldmagneten, beispielsweise dem stählernen Vakuum
behälter und dem äußeren Kälteschild aus Aluminium umgeben
ist, werden durch die geschalteten Gradientenfelder in den
leitfähigen Strukturen Wirbelströme induziert. Die mit den
Wirbelströmen einhergehenden Felder sind unerwünscht, weil
sie die Gradientenfelder ohne gegensteuernde Maßnahmen schwä
chen und in ihrem zeitlichen Verlauf verzerren, was zur Beeinträchtigung
der Qualität von Magnetresonanzbildern führt.
Ferner bewirken die in den leitfähigen Strukturen des Grund
feldmagneten induzierten Wirbelströme eine an sich uner
wünschte Erwärmung des Grundfeldmagneten. Durch einen Einsatz
eines aktiv geschirmten Gradientenspulensystems werden vorge
nannte nachteilige Auswirkungen reduziert.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Magnetre
sonanzgerät zu schaffen, bei dem unter anderem an sich uner
wünschte Wirbelstromeffekte besser beherrscht werden.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen be
schrieben.
Gemäß Anspruch 1 sind bei einem Magnetresonanzgerät, umfas
send
- - einen Grundfeldmagneten mit einer inneren, einer äußeren und wenigstens einer mittleren Einheit, die im Wesentlichen hohlzylinderförmig und elektrisch leitfähig ausgebildet sind und die derart ineinander angeordnet sind, dass die innere von der mittleren und die mittlere von der äußeren Einheit umhüllt sind, und
- - ein Gradientenspulensystem, durch das wenigstens in Teilbe reichen der äußeren Einheit Wirbelströme ausgelöst werden können,
hinsichtlich mechanischer Eigenschaften wenigstens die inne
ren Zylindermäntel der Einheiten derart aufeinander abge
stimmt ausgebildet, dass die mittlere Einheit ein auf magne
tischer Kopplung beruhendes Schwingungsübertragen von der
äußeren auf die innere Einheit wirksam dämpft.
Bei eingangs beschriebenen Grundfeldmagneten gemäß dem Stand
der Technik werden die Gradientenfelder zwar insbesondere
durch den Vakuumbehälter, gegen den Heliumbehälter, gut abge
schirmt, aber die durch die Gradientenfelder im Vakuumbehäl
ter hervorgerufenen Wirbelströme gehen mit Feldern einher,
die ihrerseits Wirbelströme im äußeren Kälteschild hervorru
fen. Aufgrund des starken Grundmagnetfeldes führt dies zu
einem schwingenden Bewegen des äußeren Kälteschildes, wobei
durch das Bewegen weitere Wirbelströme erzeugt werden. Die
Felder der im äußeren Kälteschild auftretenden Wirbelströme
rufen wiederum Wirbelströme im inneren Kälteschild hervor
usw., wobei sich vorausgehend beschriebene magnetische Kopp
lung bis zum Heliumbehälter fortsetzt.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass vorausgehend
beschriebenes Schwingungsübertragen durch magnetische Kopp
lung vom Vakuumbehälter in Richtung zum Heliumbehälter beson
ders stark ausgeprägt ist, wenn eine für die inneren Zylin
dermäntel des Heliumbehälters, der Kälteschilde und des Vaku
umbehälters gleiche Eigenschwingungsform für die einzelnen
Zylindermäntel Eigenfrequenzen aufweist, die in etwa gleich
sind. Bezüglich der gleichen Eigenschwingungsform wirken da
bei die inneren Zylindermäntel hinsichtlich einem Schwin
gungsübertragen durch die magnetische Kopplung vergleichbar
einer Reihenschaltung von Filtern mit nahezu gleichen Durch
lassbereichen. Dies ist bei dem eingangs beschriebenen Grund
feldmagneten gemäß dem Stand der Technik mit Behältern und
Schildern aus Stahl und/oder Aluminium der Fall.
Dagegen ist gemäß der Erfindung wenigstens ein innerer Zylin
dermantel von einem der Behälter und Schilde derart ausgebil
det, dass er gegenüber den Zylindermänteln der übrigen Behäl
ter und Schilde für eine gleiche Eigenschwingungsform der
Behälter und Schilde eine verstimmte Eigenfrequenz aufweist.
Damit wirken die Zylindermäntel vergleichbar einer Reihen
schaltung von Filtern unterschiedlicher Durchlassbereiche, so
dass der entsprechend ausgebildete Zylindermantel als ein
magnetomechanisches Sperrfilter wirkt, das eine Weitergabe
von Schwingungen und Verlusten wirksam dämpft. Dadurch sind
die Wirbelströme im Heliumbehälter minimiert, wodurch infolge
der geringen wirbelstrombedingten Erwärmung des Heliumbehäl
ters eine geringe Abdampfrate des flüssigen Heliums erzielt
wird. Dementsprechend sind Zeitintervalle zum Nachfüllen des
flüssigen Heliums in wirtschaftlich vorteilhafter Weise lang.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung
ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungs
beispielen, der Erfindung anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Magnetresonanzgerät,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das Magnetresonanzgerät,
Fig. 3 bis 8 Eigenschwingungsformen eines Zylindermantels,
Fig. 9 Verläufe einer Schwingungsamplitude von Komponenten
eines Grundfeldmagneten über der Frequenz,
Fig. 10 zur Fig. 9 zugehörige Verläufe von Wirbelstromver
lusten über der Frequenz,
Fig. 11 zu Vergleichszwecken Verläufe einer Schwingungsamp
litude von Komponenten eines Grundfeldmagneten des Standes
der Technik,
Fig. 12 zu Vergleichszwecken zur Fig. 11 zugehörige Verläu
fe von Wirbelstromverlusten,
Fig. 13 einen gewellten Zylindermantel,
Fig. 14 einen Zylindermantel mit einem vieleckförmigen Quer
schnitt,
Fig. 15 Verläufe von Schwingungsamplituden bei einem Grund
feldmagneten mit einem Zylindermantel entsprechend der Fig.
13 oder 14,
Fig. 16 zur Fig. 15 zugehörige Verläufe von Wirbelstromver
lusten,
Fig. 17 einen mit Streifen belegten Zylindermantel und
Fig. 18 ein Kälteschild mit einem geschlitzten inneren Zy
lindermantel.
Die Fig. 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
einen Längsschnitt durch ein Magnetresonanzgerät. Dabei um
fasst das Magnetresonanzgerät einen Grundfeldmagneten 100 und
ein Gradientenspulensystem 200. Mit dem Grundfeldmagneten 100
wird wenigstens innerhalb eines Abbildungsvolumens 250 des
Magnetresonanzgeräts ein möglichst homogenes statisches
Grundmagnetfeld erzeugt. Innerhalb des Abbildungsvolumens 250
werden dem Grundmagnetfeld schnell geschaltete magnetische
Gradientenfelder überlagert, die vom Gradientenspulensystem
200 erzeugt werden. Weitere Komponenten des Magnetresonanzge
räts, wie ein Hochfrequenzantennensystem, sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Der Grundfeldmagnet 100 ist als ein im Wesentlichen hohlzy
linderförmiger supraleitender Grundfeldmagnet ausgebildet.
Der Grundfeldmagnet 100 umfasst einen im Wesentlichen hohlzy
linderförmigen Heliumbehälter 110, in dem auf einem Wick
lungsträger 112 supraleitende Solenoidspulen 113 angeordnet
sind, die von dem sie umgebenden flüssigen Helium auf 4,2 K
gekühlt werden. Der Heliumbehälter 110 ist von einem hohlzy
linderförmigen 20-K-Kälteschild 120 umschlossen, das wiederum
von einem hohlzylinderförmigen 80-K-Kälteschild 130 umschlos
sen ist. Die Kälteschilde 120 und 130 bewirken dabei, dass
möglichst wenig Wärmestrahlung von außen bis zum Heliumbehäl
ter 110 vordringt und sind aus einem gut wärmeleitenden Me
tall ausgeführt. Durch Kryokühler, Kaltgas oder flüssigen
Stickstoff werden das 20-K-Kälteschild 120 auf einer Tempera
tur von 20 K und das 80-K-Kälteschild 130 auf einer Tempera
tur von 80 K gehalten. Das 80-K-Kälteschild 130 ist schließ
lich von einem im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Vakuumbe
hälter 140 umschlossen. Dabei sind der Heliumbehälter 110 mit
dem 20-K-Kälteschild 120, die beiden Kälteschilde 120 und 130
untereinander und das 80-K-Kälteschild 130 mit dem Vakuumbe
hälter 140 schlecht wärmeleitend und auf gegenseitigen Ab
stand von einigen Millimetern bis wenigen Zentimetern, bei
spielsweise über dünne Glasfaserstäbe, verbunden. Die Behäl
ter 110 und 140 und Kälteschilde 120 und 130 bestehen dabei
aus jeweils einem inneren Zylindermantel 116, 146, 126 und
136 und einem äußeren Zylindermantel 117, 147, 127 und 137,
die jeweils über zwei lochscheibenartige Stirnflächen 118 und
119, 148 und 149, 128 und 129 sowie 138 und 139 miteinander
verbunden sind. In der zylinderförmigen Höhlung des Vakuumbe
hälters 140 ist das im Wesentlichen hohlzylinderförmige Gra
dientenspulensystem beispielsweise durch ein Verkeilen in der
Höhlung angeordnet. Durch entsprechende Ströme in Gradienten
spulen des Gradientenspulensystems 250 werden die Gradienten
felder erzeugt.
Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Mitte des in
der Fig. 1 dargestellten Magnetresonanzgeräts. Dabei sind
die Komponenten des Magnetresonanzgeräts entsprechend der
Fig. 1 bezeichnet.
Für die Behälter 110 und 140 und Kälteschilde 120 und 130
sind folgende Materialien gewählt: Der Vakuumbehälter 140 ist
aus rostfreiem Stahl, das 80-K-Kälteschild 130 ist aus Kupfer
oder Messing, das 20-K-Kälteschild 120 ist aus Aluminium und
der Heliumbehälter 110 ist aus rostfreiem Stahl ausgeführt.
Vorgenannte Auswahl von Materialien bewirkt, dass für wenigs
tens eine für die Behälter 110 und 140 und Kälteschilde 120
und 130 gleiche Eigenschwingungsform die Eigenfrequenzen der
inneren Zylindermäntel 146, 126 und 116 des Vakuumbehälters
140, des 20-K-Kälteschildes 120 und des Heliumbehälters 110
aus rostfreiem Stahl bzw. Aluminium zwar eine vergleichbare
Eigenfrequenz aufweisen, dahingegen aber der innere Zylinder
mantel 136 des 80-K-Kälteschildes 130 aufgrund seiner Ausbil
dung aus Kupfer oder Messing gegenüber vorgenannter Eigenfre
quenz eine deutlich verstimmte Eigenfrequenz aufweist. Dadurch
ist das Schwingungsübertragen aufgrund der zum Anspruch
1 beschriebenen magnetischen Kopplung, die Fig. 1 durch bo
genartige Pfeile angedeutet ist, in Richtung des Heliumbehäl
ters 110 gehemmt. Dies wird im folgenden näher erläutert.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen Eigenschwingungsformen eines der
inneren Zylindermäntel 116, 126, 136 oder 146, die insbeson
dere von transversalen Gradientenspulen des Gradientenspulen
systems 200 anregbar sind. Dabei zeigt die Fig. 3 in einer
Seitenansicht eine erste Eigenschwingungsform 330 des Zylin
dermantels 116, 126, 136 oder 146 mit einer wellenartigen
Verformung in axialer Richtung, wobei sich ein Querschnitt
des Zylindermantels 116, 126, 136 oder 146 zwar außerhalb von
Knoten der Eigenschwingungsform 330 schwingend bewegt, aber
in sich nicht verformt wird. Des Weiteren zeigt die Fig. 4
eine zweite Eigenschwingungsform 340 eines der inneren Zylin
dermäntel 116, 126, 136 oder 146, die sich von der ersten
Eigenschwingungsform 330 der Fig. 3 lediglich dadurch unter
scheidet, dass sie eine Wellenform größerer Wellenlänge auf
weist, die den inneren Zylindermantel 116, 126, 136 oder 146
gemäß einer Biegeschwingung verformt. Den Fig. 3 und 4
zugeordnet veranschaulicht die Fig. 5 bei Betrachtung des
inneren Zylindermantels 116, 126, 136 oder 146 in axialer
Richtung, wie sich der Querschnitt des Zylindermantels 116,
126, 136 oder 146 bei der ersten und zweiten Eigenschwin
gungsform 330 und 340 schwingend bewegt, ohne dabei in sich
verformt zu werden.
Die Fig. 6 bis 8 zeigen Eigenschwingungsformen eines der
inneren Zylindermäntel 116, 126, 136 oder 146, die insbeson
dere von einer longitudinalen Gradientenspule des Gradienten
spulensystems 200 anregbar sind. Dabei zeigt die Fig. 6 eine
dritte Eigenschwingungsform 360 des Zylindermantels 116, 126,
136 oder 146 mit einer wellenartigen Verformung in axialer
Richtung, wobei die wellenartige Verformung durch ein an un
terschiedlichen Stellen in axialer Richtung unterschiedliches
Verformen des Querschnitts hervorgerufen wird. Dies bewirkt
mechanische Stauchungen und Dehnungen des Zylindermantels
116, 126, 136 oder 146 in Umfangsrichtung und entsprechende
tangentiale elastische Rückstellkräfte. Des Weiteren zeigt
Fig. 7 eine vierte Eigenschwingungsform 370 eines der inne
ren Zylindermäntel 116, 126, 136 oder 146, die sich von der
Eigenschwingungsform 360 der Fig. 6 lediglich dadurch unter
scheidet, dass sie eine Wellenform größerer Wellenlänge auf
weist. Den Fig. 6 und 7 zugeordnet veranschaulicht die
Fig. 8 bei Betrachtung des Zylindermantels 116, 126, 136
oder 146 in axialer Richtung, wie sich der Querschnitt des
Zylindermantels 116, 126, 136 oder 146 bei der dritten und
vierten Eigenschwingungsform 360 und 370 verformt.
Die Eigenfrequenz eines der inneren Zylindermäntel 116, 126,
136 oder 146 ist dabei sowohl von der Geometrie als auch vom
Material des Zylindermantels 116, 126, 136 oder 146 abhängig.
Die Eigenfrequenz f0 für die dritte oder vierte Eigenschwin
gungsform 360 oder 370, die in den Fig. 6 und 7 darge
stellt sind, lässt sich dabei nach folgender Formel verein
facht berechnen:
Dabei ist der effektive Elastizitätsmodul des Zylindermantels
116, 126, 136 oder 146 mit E, dessen Dichte mit ρ und dessen
Radius mit R bezeichnet. Vorgenannte Formel ist dabei aus dem
Buch von R. D. Blevins "Formulas for Natural Frequency and
Mode Shapes", von Nostrand-Verlag, New York, 1973, Seite 304,
Tabelle 12-2, für die radiale Eigenschwingungsform Nr. 3,
abgeleitet.
Beim Vakuumbehälter aus rostfreiem Stahl ergibt sich
mit R = 0,44 m, E = 170 GN/m2 und ρ = 7700 kg/m3
eine Eigenfrequenz f0 = 1700 Hz.
Beim 80-K-Kälteschild aus Kupfer ergibt sich
mit R = 0,465 m, E = 120 GN/m2 und ρ = 8900 kg/m3
eine Eigenfrequenz f0 = 1257 Hz.
Beim 20-K-Kälteschild aus Aluminium ergibt sich
mit R = 0,475 m, E = 79 GN/m2 und ρ = 2700 kg/m3
eine Eigenfrequenz f0 = 1812 Hz.
Beim Heliumbehälter aus rostfreiem Stahl ergibt sich
mit R = 0,5 m, E = 210 GN/m2 und ρ = 7700 kg/m3
eine Eigenfrequenz f0 = 1662 Hz.
Man erkennt, dass die Eigenfrequenzen f0 der inneren Zylin
dermäntel 146, 126 und 116 des Vakuumbehälters 140, des 20-K-
Kälteschildes 120 sowie des Heliumbehälters 110 nahe beiein
ander liegen und die Eigenfrequenz f0 beim 80-K-Kälteschild
130 dahingegen eine deutliche Verstimmung aufweist. Ursäch
lich für den Frequenzabstand von mehr als 400 Hz zwischen der
Eigenfrequenz f0 des Zylindermantels 136 beim 80-K-Kälte
schild 130 von den Eigenfrequenzen f0 beim 20-K-Kälteschild
und bei den Behältern 110 und 140 ist dabei, dass das Ver
hältnis von Elastizitätsmodul E zu Dichte ρ beim aus Kupfer
oder Messing ausgebildeten 80-K-Kälteschild 130 sich deutlich
von entsprechenden Verhältnissen der Behälter 110 und 140 aus
rostfreiem Stahl und des 20-K-Kälteschildes 120 aus Aluminium
unterscheidet.
Im Folgenden werden die Auswirkungen vorgenannter Verstimmung
auf die Schwingungsübertragung und die Wirbelstromverluste im
Grundfeldmagneten 100 näher betrachtet. Dazu zeigt die Fig.
9 für den vorausgehend beschriebenen Grundfeldmagneten 100
mit dem 80-K-Kälteschild 130 aus Kupfer Verläufe 416, 426,
436 und 446 einer axial gerichteten Schwingungsamplitude A
der inneren Zylindermäntel 116, 126, 136 und 146 in Abhängig
keit von der Frequenz f bei einer Anregung der ersten Eigen
schwingungsform 330 entsprechend Fig. 3. Ausgelöst vom Gra
dientenspulensystem 200 werden im Zylindermantel 146 des Va
kuumbehälters 140 Wirbelströme hervorgerufen, die den Vakuum
behälter 140 im starken Grundmagnetfeld in Schwingungen ver
setzen, wodurch weitere Wirbelströme induziert werden. Der
Verlauf 446 der Schwingungsamplitude A des Vakuumbehälters
140 über der Frequenz f ist dabei mit einer punktierten Linie
dargestellt und weist im Bereich der Eigenfrequenz der ange
regten ersten Eigenschwingungsform 330 ein Maximum auf. Durch
die magnetische Kopplung findet ein Übertragen der Schwingung
des Vakuumbehälters 140 auf das 80-K-Kälteschild 130 statt.
Der Verlauf 436 der Schwingungsamplitude A des Zylinderman
tels 136 des 80-K-Kälteschildes 130 über der Frequenz f ist
dabei mit einer gestrichelten Linie dargestellt und weist im
Bereich der Eigenfrequenz der angeregten ersten Eigenschwin
gungsform 330 ein Maximum auf. Dabei ist die Eigenfrequenz
beim 80-K-Kälteschild 130 aufgrund dessen Ausführung aus Kup
fer oder Messing ähnlich wie bei der dritten und vierten Ei
genschwingungsform 360 und 370 auch für die erste Eigen
schwingungsform 330 gegenüber den in etwa gleichen Eigenfre
quenzen bei den Behältern 110 und 120 und beim 20-K-Kälte
schild 120 deutlich beabstandet. Ein weiteres Übertragen der
Schwingung des 80-K-Kälteschildes 130 auf das 20-K-Kälte
schild 120 und weiter auf den Heliumbehälter 110 ist damit
aufgrund der Wirkung des Zylindermantels 136 des 80-K-Kälte
schildes 130 als magnetomechanisches Sperrfilter gehemmt.
Entsprechende Verläufe 426 und 416 der Schwingungsamplitude A
des Zylindermantels 126 des 20-K-Kälteschildes 120 und des
Zylindermantels 116 des Heliumbehälters 110 weisen entspre
chend kleine Amplituden auf. Dabei ist der Verlauf 426 für
das 20-K-Kälteschild 120 mit einer dünnen durchgezogenen Li
nie und der Verlauf 416 für den Heliumbehälter 110 mit einer
dicken durchgezogenen Linie dargestellt.
Zugehörig zur Fig. 9 zeigt die Fig. 10 zu den Verläufen
416, 426, 436, 446 zugehörige Verläufe 516, 526, 536 und 546
der Wirbelstromverluste Peddy im Heliumbehälter 110, im 20-K-
Kälteschild 120, im 80-K-Kälteschild 130 und im Vakuumbehäl
ter 140. Dabei sind die Verläufe 516 bis 546 gleich entspre
chenden Verläufen 416 bis 446 in der Fig. 9 dargestellt. Man
erkennt, dass die Wirbelstromverluste Peddy im Heliumbehälter
110 frequenzunabhängig in etwa gleich Null sind. Dadurch werden
Verluste im Heliumbehälter 110, in den supraleitenden
Spulen 113 und im Helium verhindert, wodurch infolge der ge
ringen wirbelstrombedingten Erwärmung des Heliumbehälters 110
eine geringe Abdampfrate des flüssigen Heliums erzielt wird.
Entsprechend den Fig. 9 und 10 zeigen die Fig. 11 und
13 zu Vergleichszwecken Verläufe 616, 626, 636 und 646 einer
Schwingungsamplitude A über der Frequenz f und zugehörige
Verläufe 716, 726, 7367 und 746 von Wirbelstromverlusten Peddy
über der Frequenz f bei einem Grundfeldmagneten des Standes
der Technik, bei dem gegenüber dem den Fig. 9 und 10
zugrundeliegenden Grundfeldmagneten 100 das 80-K-Kälteschild
nicht aus Kupfer sondern aus Aluminium ausgebildet ist. Dabei
sind die Verläufe 616 bis 746 gleich entsprechenden Verläufen
416 bis 546 in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Des Weiteren
wird zunächst ebenfalls zu Vergleichszwecken für die dritte
und vierte Eigenschwingungsform 360 und 370 des aus Aluminium
ausgebildeten 80-K-Kälteschildes die Eigenfrequenz f0 dessen
inneren Zylindermantels ermittelt. Mit R = 0,465 m, E = 78 GN/m2
und ρ = 2700 kg/m3 ergibt sich eine Eigenfrequenz f0 =
1840 Hz, die in etwa gleich der Eigenfrequenzen f0 beim 20-K-
Kälteschild 120 aus Aluminium und bei den Behältern 110 und
140 aus rostfreiem Stahl ist. Dementsprechend findet beim
Grundfeldmagneten gemäß dem Stand der Technik mit Behältern
aus rostfreiem Stahl und Kälteschilden aus Aluminium kein
Hemmen des Schwingungsübertragens infolge der magnetischen
Kopplung statt, so dass sowohl der Heliumbehälter als auch
das 20-K-Kälteschild mit deutlicher Amplitude schwingen und
so im Heliumbehälter deutliche Wirbelstromverluste auftreten.
Dies ist insbesondere bei einem Vergleich der Fig. 11 und
12 mit den Fig. 9 und 10 deutlich zu erkennen.
Im Folgenden werden Ausbildungen wenigstens eines der Zylin
dermäntel 116, 126, 136 und 146 beschrieben, die eine ver
gleichbare Wirkung wie die vorausgehend beschriebene Ausfüh
rung des 80-K-Kälteschildes 130 aus Kupfer oder Messing auf
weisen.
Die Fig. 13 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
einen inneren Zylindermantel 156 mit einer wellenförmigen
Formgebung. Dadurch wird gegenüber den nichtgewellten Zylin
dermänteln 116, 126, 136 und 146 das Kraft-Dehnungs-Verhalten
für Umfangskräfte im gewellten Zylindermantel 156 flacher,
was einen verkleinerten effektiven Elastizitätsmodul E bedeu
tet und damit die Eigenfrequenz f0 wirksam erniedrigt. Dazu
sind Formgebungen mit Wellenamplituden von kleiner etwa 0,5 cm
und Wellenlängen von 5 bis 50 cm ausreichend. Für den ge
wellten inneren Zylindermantel 156 eines 80-K-Kälteschildes
(R = 0,465 m) aus Aluminium (ρ = 2700 kg/m3) ergibt sich auf
grund der Wellung ein verringerter Elastizitätsmodul von bei
spielsweise E = 20 GN/m2, so dass sich eine Eigenfrequenz f0
= 932 Hz ergibt. Hinsichtlich des Hemmens einer Schwingungs
übertragung ist es dabei für einen supraleitenden Grundfeld
magneten insbesondere von Vorteil, wenn jeweils ein nichtge
wellter mit einem gewellten Zylindermantel wechselt.
Die Fig. 14 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung einen inneren Zylindermantel 166 mit einem vieleck
förmigen Querschnitt. Dadurch werden ähnliche Effekte er
zielt, wie vorausgehend bei der Fig. 13 beschrieben.
Entsprechend den Fig. 9 und 10 zeigen die Fig. 15 und
16 Verläufe 816, 826, 836 und 846 einer Schwingungsamplitude
A über der Frequenz f und zugehörige Verläufe 916, 926, 936
und 946 von Wirbelstromverlusten Peddy über der Frequenz f bei
einem Grundfeldmagneten, der gegenüber dem den Fig. 9 und
10 zugrundeliegenden Grundfeldmagneten 100 kein 80-K-Kälte
schild 130 aus Kupfer, sondern ein entsprechend den Fig.
13 oder 14 ausgebildetes 80-K-Kälteschild aus Aluminium mit
dem inneren Zylindermantel 156 oder 166 aufweist. Dabei sind
die Verläufe 816 bis 946 gleich entsprechenden Verläufen 416
bis 546 in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Bei einem Ver
gleich der Fig. 15 und 16 mit den Fig. 9 und 10 erkennt
man, dass hinsichtlich des Hemmens der Schwingungsübertragung
in Richtung des Heliumbehälters 110 und hinsichtlich einem
Reduzieren von Wirbelstromverlusten im Heliumbehälter 110 das
80-K-Kälteschild mit dem inneren Zylindermantel 156 oder 166
aus Aluminium und das 80-K-Kälteschild 130 mit dem ungewell
ten inneren Zylindermantel 136 aus Kupfer oder Messing im
Wesentlichen wirkungsgleich sind.
Die Fig. 17 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung einen inneren Zylindermantel 176, der mit Streifen
179 schwerer Masse belegt ist. Durch dieses Erhöhen der Mas
senträgheit, indem der Zylindermantel 176 durch das Belegen
mit den Streifen 179 beschwert wird, wird ein kleines Ver
hältnis von Elastizitätsmodul E zu Dichte ρ und damit eine
kleine Eigenfrequenz f0 erzielt. Es wird darauf hingewiesen,
dass durch das Belegen mit Streifen großer Masse, die vonein
ander durch Schlitze beabstandet sind, der Elastizitätsmodul
E möglichst unverändert gehalten werden soll und lediglich
die Dichte ρ gesteigert werden soll. Dementsprechend kann
ausschließlich durch eine dickere Wandstärke eines der inne
ren Zylindermäntel 116, 126, 136 und 146 keine Erniedrigung
der Eigenfrequenz f0 erzielt werden, da mit einer dickeren
Wandstärke auch die mechanische Steifheit, die sich im Elas
tizitätsmodul E wiederspiegelt, zunimmt. In einer Ausfüh
rungsform werden beispielsweise 5 bis 30 cm breite Streifen
179 aus Aluminium, Stahl oder Blei in longitudinaler Richtung
an den inneren Zylindermantel 176 durch Verlöten, Verschwei
ßen, Nieten oder Ähnliches befestigt.
Die Fig. 18 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung ein Kälteschild 180, dessen innerer Zylindermantel
186 in axialer Richtung geschlitzt ausgebildet ist. Dabei ist
das hohlzylinderförmige Kälteschild 180 mit teilweise aufge
schnittener Stirnfläche und aufgeschnittenem äußerem Zylin
dermantel dargestellt. Der Zylindermantel 186 besteht somit
aus wenigstens 3 bis hinauf zu etwa 30 einzelnen Segmenten,
die in Umfangsrichtung voneinander getrennt sind. Dabei sind
die Segmente mit den Stirnflächen gut wärmeleitend verbunden.
Die erniedrigte Eigenfrequenz f0 des so ausgebildeten Zylin
dermantels 186 rührt dabei vom Unterbrechen mechanischer Um
fangsspannungen bei radialer Bewegung und somit erniedrigter
Rückstellkräfte her.
Claims (9)
1. Magnetresonanzgerät, umfassend
einen Grundfeldmagneten mit einer inneren, einer äußeren und wenigstens einer mittleren Einheit, die im Wesentlichen hohlzylinderförmig und elektrisch leitfähig ausgebildet sind und die derart ineinander angeordnet sind, dass die innere von der mittleren und die mittlere von der äußeren Einheit umhüllt sind, und
ein Gradientenspulensystem, durch das wenigstens in Teilbe reichen der äußeren Einheit Wirbelströme ausgelöst werden können,
wobei hinsichtlich mechanischer Eigenschaften wenigstens die inneren Zylindermäntel der Einheiten derart aufeinander abgestimmt ausgebildet sind, dass die mittlere Einheit ein auf magnetischer Kopplung beruhendes Schwingungsübertragen von der äußeren auf die innere Einheit wirksam dämpft.
einen Grundfeldmagneten mit einer inneren, einer äußeren und wenigstens einer mittleren Einheit, die im Wesentlichen hohlzylinderförmig und elektrisch leitfähig ausgebildet sind und die derart ineinander angeordnet sind, dass die innere von der mittleren und die mittlere von der äußeren Einheit umhüllt sind, und
ein Gradientenspulensystem, durch das wenigstens in Teilbe reichen der äußeren Einheit Wirbelströme ausgelöst werden können,
wobei hinsichtlich mechanischer Eigenschaften wenigstens die inneren Zylindermäntel der Einheiten derart aufeinander abgestimmt ausgebildet sind, dass die mittlere Einheit ein auf magnetischer Kopplung beruhendes Schwingungsübertragen von der äußeren auf die innere Einheit wirksam dämpft.
2. Magnetresonanzgerät nach Anspruch 1, wobei der innere
Zylindermantel der mittleren Einheit in axialer Richtung mit
wenigstens drei Schlitzen ausgebildet ist.
3. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
wobei wenigstens einer der Zylindermäntel in Umfangsrich
tung gewellt ausgebildet ist.
4. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei wenigstens einer der Zylindermäntel mit einem vie
leckförmigen Querschnitt ausgebildet ist.
5. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei wenigstens einer der Zylindermäntel mit in axialer
Richtung länglich ausgebildeten Streifen eines Materials be
legt ist.
6. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei einer der Zylindermäntel aus einem ersten Material
und eine weiterer aus einem zweiten Material ausgebildet
sind, und ein je Material gebildeter Quotient aus Elastizi
tätsmodul zu Dichte für die beiden Materialen unterschiedlich
ist.
7. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
wobei wenigstens eines der Materialien ein unmagnetisches
elektrisch gut leitfähiges Material ist.
8. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
wobei das erste Material rostfreien unmagnetischen Stahl
oder Aluminium und das zweite Material Kupfer oder Messing
umfasst.
9. Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei die innere Einheit ein Heliumbehälter, die mittlere
Einheit ein Kälteschild und die äußere Einheit ein Vakuumbe
hälter eines supraleitenden Grundfeldmagneten sind.
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