DE10127822B4

DE10127822B4 - Magnetresonanzgerät mit einem Grundfeldmagneten

Info

Publication number: DE10127822B4
Application number: DE10127822A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Ries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: US6707302B2; US20030006773A1; DE10127822A1

Abstract

Magnetresonanzgerät, umfassend
– einen Grundfeldmagneten (100) mit einer inneren, einer äußeren und wenigstens einer mittleren Einheit (110, 140, 130), die 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 (110, 130, 140) umhüllt sind, und
– ein Gradientenspulensystem (200), durch das wenigstens in Teilbereichen (146) der äußeren Einheit (140) Wirbelströme ausgelöst werden können,
wobei der innere Zylindermantel (136) einer der Einheiten (130) eine Eigenfrequenz (f₀) aufweist, die gegenüber den Eigenfrequenzen (f₀) der inneren Zylindermäntel (116, 146) der anderen Einheiten (110, 140) eine deutliche Verstimmung aufweist, so dass die mittlere Einheit (130) ein auf magnetischer Kopplung beruhendes Schwingungsübertragen von der äußeren auf die innere Einheit (140, 110) wirksam dämpft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanzgerät.
Die Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik zum Gewinnen von Bildern eines Körperinneren eines Untersuchungsobjekts. Dazu werden in einem Magnetresonanzgerät einem statischen Grundmagnetfeld, das von einem Grundfeldmagneten erzeugt 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 Magnetresonanzsignale aufnimmt, auf deren Basis Magnetresonanzbilder 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 Heliumbehälter ist von einem hohlzylinderförmigen inneren Kälteschild umschlossen, das wiederum von einem hohlzylinderförmigen äußeren Kälteschild umschlossen ist. Die Kälteschilde bewirkt dabei, dass möglichst wenig Wärmestrahlung bis zum Heliumbehälter vordringt. Dazu sind die Kälteschilde aus einem gut wärmeleitenden Metall, beispielsweise Aluminium, ausgebildet. Die Kälteschilde und/oder der Heliumbehälter werden dabei durch einen Kryokühler, Kaltgas oder flüssigen Stickstoff auf vorgebbaren Temperaturen gehalten. Der 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 der 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 Gradientenspulensystems entsprechende Ströme einzustellen. Dabei betragen die Amplituden der erforderlichen Ströme bis zu mehreren 100 A. Die Stromanstiegs- und -abfallraten betragen bis zu mehreren 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 Schwingungen des Gradientenspulensystems führen.
Beispielsweise aus der DE 195 31 216 A1 ist bekannt, dass vorgenannte Schwingungen eine Vielzahl von negativen Eigenschaften haben, beispielsweise akustische Geräusche, die vom Gradientenspulensystem ausgehen, strukturelle Geräusche, die vom Gradientenspulensystem ausgehen und über die Befestigungen 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 Gradientenspulensystem im Bereich eines bei Betrieb zu erwartenden Schwingungsknotens 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 Vakuumbehälter 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 schwächen und in ihrem zeitlichen Verlauf verzerren, was zur Be einträchtigung der Qualität von Magnetresonanzbildern führt. Ferner bewirken die in den leitfähigen Strukturen des Grundfeldmagneten induzierten Wirbelströme eine an sich unerwünschte Erwärmung des Grundfeldmagneten. Durch einen Einsatz eines aktiv geschirmten Gradientenspulensystems werden vorgenannte nachteilige Auswirkungen reduziert.
Aus der DE 39 24 579 A1 ist ein Magnetresonanzgerät bekannt, das einen Grundfeldmagneten mit einer inneren, einer äußeren und wenigstens einer mittleren Einheit aufweist. Die Einheiten sind im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet, so dass die innere von der mittleren und die mittlere von der äußeren Einheit umhüllt sind. Sie sind elektrisch leitfähig ausgebildet. Sie scheinen aus voneinander verschiedenen Materialien zu bestehen. Das aus der DE 39 24 579 A1 bekannte Magnetresonanzgerät weist weiterhin ein Gradientenmagnetsystem auf, durch das zumindest in Teilbereichen der äußeren Einheit Wirbelströme ausgelöst werden können. Zum Unterdrücken derartiger Wirbelströme wird bei der DE 39 24 579 A1 vorgeschlagen, den inneren Zylindermantel der mittleren Einheit aus einem supraleitenden Material herzustellen.
Aus der DE 39 00 725 A1 ist ein ähnliches Magnetresonanzgerät bekannt.
Auch aus der DE 42 09 137 A1 ist ein ähnliches Magnetresonanzgerät bekannt. Bei diesem Magnetresonanzgerät besteht der innere Zylindermantel der mittleren Einheit jedoch alternierend aus Bereich hohen elektrischen Widerstands und hoher Wärmeleitfähigkeit.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Magnetresonanzgerät zu schaffen, bei dem unter anderem an sich unerwünschte Wirbelstromeffekte besser beherrscht werden.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß Anspruch 1 sind bei einem 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 Teilbereichen der äußeren Einheit Wirbelströme ausgelöst werden können,

Bei eingangs beschriebenen Grundfeldmagneten gemäß dem Stand der Technik werden die Gradientenfelder zwar insbesondere durch den Vakuumbehälter gegen den Heliumbehälter gut abgeschirmt, aber die durch die Gradientenfelder im Vakuumbehälter hervorgerufenen Wirbelströme gehen mit Feldern einher, die ihrerseits Wirbelströme im äußeren Kälteschild hervorrufen. 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 Kopplung bis zum Heliumbehälter fortsetzt.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass vorausgehend beschriebenes Schwingungsübertragen durch magnetische Kopplung vom Vakuumbehälter in Richtung zum Heliumbehälter besonders stark ausgeprägt ist, wenn eine für die inneren Zylindermäntel des Heliumbehälters, der Kälteschilde und des Vakuumbehälters gleiche Eigenschwingungsform für die einzelnen Zylindermäntel Eigenfrequenzen aufweist, die in etwa gleich sind. Bezüglich der gleichen Eigenschwingungsform wirken dabei die inneren Zylindermäntel hinsichtlich einem Schwingungsübertragen durch die magnetische Kopplung vergleichbar einer Reihenschaltung von Filtern mit nahezu gleichen Durchlassbereichen. Dies ist bei dem eingangs beschriebenen Grundfeldmagneten gemäß dem Stand der Technik mit Behältern und Schilden aus Stahl und/oder Aluminium der Fall.
Dagegen ist gemäß der Erfindung wenigstens ein innerer Zylindermantel von einem der Behälter und Schilde derart ausgebildet, dass er gegenüber den Zylindermänteln der übrigen Behälter und Schilde für eine gleiche Eigenschwingungsform der Behälter und Schilde eine verstimmte Eigenfrequenz aufweist. Damit wirken die Zylindermäntel vergleichbar einer Reihenschaltung 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 Heliumbehälters 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 Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 einen Längsschnitt durch ein Magnetresonanzgerät,
2 einen Querschnitt durch das Magnetresonanzgerät,
3 bis 8 Eigenschwingungsformen eines Zylindermantels,
9 Verläufe einer Schwingungsamplitude von Komponenten eines Grundfeldmagneten über der Frequenz,
10 zur 9 zugehörige Verläufe von Wirbelstromverlusten über der Frequenz,
11 zu Vergleichszwecken Verläufe einer Schwingungsamplitude von Komponenten eines Grundfeldmagneten des Standes der Technik,
12 zu Vergleichszwecken zur 11 zugehörige Verläufe von Wirbelstromverlusten,
13 einen gewellten Zylindermantel,
14 einen Zylindermantel mit einem vieleckförmigen Querschnitt,
15 Verläufe von Schwingungsamplituden bei einem Grundfeldmagneten mit einem Zylindermantel entsprechend der 13 oder 14,
16 zur 15 zugehörige Verläufe von Wirbelstromverlusten,
17 einen mit Streifen belegten Zylindermantel und
18 einen Kälteschild mit einem geschlitzten inneren Zylindermantel.
Die 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Längsschnitt durch ein Magnetresonanzgerät. Dabei umfasst 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 Magnetresonanzgeräts, wie ein Hochfrequenzantennensystem, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Der Grundfeldmagnet 100 ist als ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiger supraleitender Grundfeldmagnet ausgebildet. Der Grundfeldmagnet 100 umfasst einen im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Heliumbehälter 110, in dem auf einem Wicklungsträger 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 hohlzylinderförmigen 20-K-Kälteschild 120 umschlossen, das wiederum von einem hohlzylinderförmigen 80-K-Kälteschild 130 umschlossen ist. Die Kälteschilde 120 und 130 bewirken dabei, dass möglichst wenig Wärmestrahlung von außen bis zum Heliumbehälter 110 vordringt und sind aus einem gut wärmeleitenden Metall ausgeführt. Durch Kryokühler, Kaltgas oder flüssigen Stickstoff werden der 20-K-Kälteschild 120 auf einer Temperatur von 20 K und der 80-K-Kälteschild 130 auf einer Temperatur von 80 K gehalten. Der 80-K-Kälteschild 130 ist schließlich von einem im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Vakuumbehälter 140 umschlossen. Dabei sind der Heliumbehälter 110 mit dem 20-K-Kälteschild 120, die beiden Kälteschilde 120 und 130 untereinander und der 80-K-Kälteschild 130 mit dem Vakuumbehälter 140 schlecht wärmeleitend und auf gegenseitigen Abstand von einigen Millimetern bis wenigen Zentimetern, beispielsweise über dünne Glasfaserstäbe, verbunden. Die Behälter 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 Vakuumbehälters 140 ist das im Wesentlichen hohlzylinderförmige Gradientenspulensystem beispielsweise durch ein Verkeilen in der Höhlung angeordnet. Durch entsprechende Ströme in Gradientenspulen des Gradientenspulensystems 200 werden die Gradientenfelder erzeugt.
Die 2 zeigt einen Querschnitt durch die Mitte des in der 1 dargestellten Magnetresonanzgeräts. Dabei sind die Komponenten des Magnetresonanzgeräts entsprechend der 1 bezeichnet.
Für die Behälter 110 und 140 und Kälteschilde 120 und 130 sind folgende Materialien gewählt: Der Vakuumbehälter 140 ist aus rostfreiem Stahl, der 80-K-Kälteschild 130 ist aus Kupfer oder Messing, der 20-K-Kälteschild 120 ist aus Aluminium und der Heliumbehälter 110 ist aus rostfreiem Stahl ausgeführt. Vorgenannte Auswahl von Materialien bewirkt, dass für wenigstens 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 Zylindermantel 136 des 80-K-Kälteschildes 130 aufgrund seiner Ausbildung aus Kupfer oder Messing gegenüber vorgenannter Eigenfrequenz eine deutlich verstimmte Eigenfrequenz aufweist. Da durch ist das Schwingungsübertragen aufgrund der zum Anspruch 1 beschriebenen magnetischen Kopplung, die 1 durch bogenartige Pfeile angedeutet ist, in Richtung des Heliumbehälters 110 gehemmt. Dies wird im folgenden näher erläutert.
Die 3 bis 5 zeigen Eigenschwingungsformen eines der inneren Zylindermäntel 116, 126, 136 oder 146, die insbesondere von transversalen Gradientenspulen des Gradientenspulensystems 200 anregbar sind. Dabei zeigt die 3 in einer Seitenansicht eine erste Eigenschwingungsform 330 des Zylindermantels 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 4 eine zweite Eigenschwingungsform 340 eines der inneren Zylindermäntel 116, 126, 136 oder 146, die sich von der ersten Eigenschwingungsform 330 der 3 lediglich dadurch unterscheidet, dass sie eine Wellenform größerer Wellenlänge aufweist, die den inneren Zylindermantel 116, 126, 136 oder 146 gemäß einer Biegeschwingung verformt. Den 3 und 4 zugeordnet veranschaulicht die 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 Eigenschwingungsform 330 und 340 schwingend bewegt, ohne dabei in sich verformt zu werden.
Die 6 bis 8 zeigen Eigenschwingungsformen eines der inneren Zylindermäntel 116, 126, 136 oder 146, die insbesondere von einer longitudinalen Gradientenspule des Gradientenspulensystems 200 anregbar sind. Dabei zeigt die 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 unterschiedlichen 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 7 eine vierte Eigenschwingungsform 370 eines der inneren Zylindermäntel 116, 126, 136 oder 146, die sich von der Eigenschwingungsform 360 der 6 lediglich dadurch unterscheidet, dass sie eine Wellenform größerer Wellenlänge aufweist. Den 6 und 7 zugeordnet veranschaulicht die 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 Eigenschwingungsform 360 oder 370, die in den 6 und 7 dargestellt sind, lässt sich dabei nach folgender Formel vereinfacht 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", van 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 p = 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 p = 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 p = 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 p = 7700 kg/m³ eine Eigenfrequenz f₀ = 1662 Hz.
Man erkennt, dass die Eigenfrequenzen f₀ der inneren Zylindermäntel 146, 126 und 116 des Vakuumbehälters 140, des 20-K-Kälteschildes 120 sowie des Heliumbehälters 110 nahe beieinander liegen und die Eigenfrequenz f₀ beim 80-K-Kälteschild 130 dahingegen eine deutliche Verstimmung aufweist. Ursächlich für den Frequenzabstand von mehr als 400 Hz zwischen der Eigenfrequenz f₀ des Zylindermantels 136 beim 80-K-Kälteschild 130 von den Eigenfrequenzen f₀ beim 20-K-Kälteschild und bei den Behältern 110 und 140 ist dabei, dass das Verhältnis 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 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 Abhängigkeit von der Frequenz f bei einer Anregung der ersten Eigenschwingungsform 330 entsprechend 3. Ausgelöst vom Gradientenspulensystem 200 werden im Zylindermantel 146 des Vakuumbehälters 140 Wirbelströme hervorgerufen, die den Vakuumbehälter 140 im starken Grundmagnetfeld in Schwingungen versetzen, 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 angeregten ersten Eigenschwingungsform 330 ein Maximum auf. Durch die magnetische Kopplung findet ein Übertragen der Schwingung des Vakuumbehälters 140 auf der 80-K-Kälteschild 130 statt. Der Verlauf 436 der Schwingungsamplitude A des Zylindermantels 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 Eigenschwingungsform 330 ein Maximum auf. Dabei ist die Eigenfrequenz beim 80-K-Kälteschild 130 aufgrund dessen Ausführung aus Kupfer oder Messing ähnlich wie bei der dritten und vierten Eigenschwingungsform 360 und 370 auch für die erste Eigenschwingungsform 330 gegenüber den in etwa gleichen Eigenfrequenzen bei den Behältern 110 und 120 und beim 20-K-Kälteschild 120 deutlich beabstandet. Ein weiteres Übertragen der Schwingung des 80-K-Kälteschildes 130 auf den 20-K-Kälteschild 120 und weiter auf den Heliumbehälter 110 ist damit aufgrund der Wirkung des Zylindermantels 136 des 80-K-Kälteschildes 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 entsprechend kleine Amplituden auf. Dabei ist der Verlauf 426 für den 20-K-Kälteschild 120 mit einer dünnen durchgezogenen Linie und der Verlauf 416 für den Heliumbehälter 110 mit einer dicken durchgezogenen Linie dargestellt.
Zugehörig zur 9 zeigt die 10 zu den Verläufen 416, 426, 436, 446 zugehörige Verläufe 516, 526, 536 und 546 der Wirbelstromverluste P_eddy im Heliumbehälter 110, im 20-K-Kälteschild 120, im 80-K-Kälteschild 130 und im Vakuumbehälter 140. Dabei sind die Verläufe 516 bis 546 gleich entsprechenden Verläufen 416 bis 446 in der 9 dargestellt. Man erkennt, dass die Wirbelstromverluste P_eddy im Heliumbehälter 110 frequenzunabhängig in etwa gleich Null sind. Dadurch wer den Verluste im Heliumbehälter 110, in den supraleitenden Spulen 113 und im Helium verhindert, wodurch infolge der geringen wirbelstrombedingten Erwärmung des Heliumbehälters 110 eine geringe Abdampfrate des flüssigen Heliums erzielt wird.
Entsprechend den 9 und 10 zeigen die 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 P_eddy über der Frequenz f bei einem Grundfeldmagneten des Standes der Technik, bei dem gegenüber dem den 9 und 10 zugrundeliegenden Grundfeldmagneten 100 der 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 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 11 und 12 mit den 9 und 10 deutlich zu erkennen.
Im Folgenden werden Ausbildungen wenigstens eines der Zylindermäntel 116, 126, 136 und 146 beschrieben, die eine vergleichbare Wirkung wie die vorausgehend beschriebene Ausführung des 80-K-Kälteschildes 130 aus Kupfer oder Messing aufweisen.
Die 13 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einen inneren Zylindermantel 156 mit einer wellenförmigen Formgebung. Dadurch wird gegenüber den nichtgewellten Zylindermänteln 116, 126, 136 und 146 das Kraft-Dehnungs-Verhalten für Umfangskräfte im gewellten Zylindermantel 156 flacher, was einen verkleinerten effektiven Elastizitätsmodul E bedeutet 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 gewellten inneren Zylindermantel 156 eines 80-K-Kälteschildes (R = 0,465 m) aus Aluminium (ρ = 2700 kg/m³) ergibt sich aufgrund der Wellung ein verringerter Elastizitätsmodul von beispielsweise E = 20 GN/m², so dass sich eine Eigenfrequenz f₀ = 932 Hz ergibt. Hinsichtlich des Hemmens einer Schwingungsübertragung ist es dabei für einen supraleitenden Grundfeldmagneten insbesondere von Vorteil, wenn jeweils ein nichtgewellter mit einem gewellten Zylindermantel wechselt.
Die 14 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen inneren Zylindermantel 166 mit einem vieleckförmigen Querschnitt. Dadurch werden ähnliche Effekte erzielt, wie vorausgehend bei der 13 beschrieben.
Entsprechend den 9 und 10 zeigen die 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 P_eddy über der Frequenz f bei einem Grundfeldmagneten, der gegenüber dem den 9 und 10 zugrundeliegenden Grundfeldmagneten 100 kein 80-K-Kälteschild 130 aus Kupfer, sondern ein entsprechend den 13 oder 14 ausgebildeter 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 9 und 10 dargestellt. Bei einem Vergleich der 15 und 16 mit den 9 und 10 erkennt man, dass hinsichtlich des Hemmens der Schwingungsübertragung in Richtung des Heliumbehälters 110 und hinsichtlich eines Reduzierens von Wirbelstromverlusten im Heliumbehälter 110 der 80-K-Kälteschild mit dem inneren Zylindermantel 156 oder 166 aus Aluminium und der 80-K-Kälteschild 130 mit dem ungewellten inneren Zylindermantel 136 aus Kupfer oder Messing im Wesentlichen wirkungsgleich sind.
Die 17 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen inneren Zylindermantel 176, der mit Streifen 179 schwerer Masse belegt ist. Durch dieses Erhöhen der Massenträgheit, indem der Zylindermantel 176 durch das Belegen mit den Streifen 179 beschwert wird, wird ein kleines Verhältnis 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 voneinander 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 inneren 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 Elastizitätsmodul E widerspiegelt, zunimmt. In einer Ausführungsform werden beispielsweise 5 bis 30 cm breite Streifen 179 aus Aluminium, Stahl oder Blei in longitudinaler Richtung an den inneren Zylindermantel 176 durch Verlöten, Verschweißen, Nieten oder Ähnliches befestigt.
Die 18 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Kälteschild 180, dessen innerer Zylindermantel 186 in axialer Richtung geschlitzt ausgebildet ist. Dabei ist der hohlzylinderförmige Kälteschild 180 mit teilweise aufgeschnittener Stirnfläche und aufgeschnittenem äußerem Zylindermantel 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 Zylindermantels 186 rührt dabei vom Unterbrechen mechanischer Umfangsspannungen bei radialer Bewegung und somit erniedrigter Rückstellkräfte her.

Claims

Magnetresonanzgerät, umfassend – einen Grundfeldmagneten (100) mit einer inneren, einer äußeren und wenigstens einer mittleren Einheit (110, 140, 130), die 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 (110, 130, 140) umhüllt sind, und – ein Gradientenspulensystem (200), durch das wenigstens in Teilbereichen (146) der äußeren Einheit (140) Wirbelströme ausgelöst werden können, wobei der innere Zylindermantel (136) einer der Einheiten (130) eine Eigenfrequenz (f₀) aufweist, die gegenüber den Eigenfrequenzen (f₀) der inneren Zylindermäntel (116, 146) der anderen Einheiten (110, 140) eine deutliche Verstimmung aufweist, so dass die mittlere Einheit (130) ein auf magnetischer Kopplung beruhendes Schwingungsübertragen von der äußeren auf die innere Einheit (140, 110) wirksam dämpft.
Magnetresonanzgerät nach Anspruch 1, wobei der innere Zylindermantel (186) der mittleren Einheit (180) in axialer Richtung mit wenigstens drei Schlitzen ausgebildet ist.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei wenigstens einer der Zylindermäntel (156) in Umfangsrichtung gewellt ausgebildet ist.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens einer der Zylindermäntel (166) mit einem vieleckförmigen Querschnitt ausgebildet ist.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei wenigstens einer der Zylindermäntel (176) mit in axialer Richtung länglich ausgebildeten Streifen (179) eines Materials belegt ist.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei einer der Zylindermäntel (116, ..., 186) aus einem ersten Material und eine weiterer (116, ..., 186) aus einem zweiten Material ausgebildet sind, und ein je Material gebildeter Quotient aus Elastizitätsmodul (E) zu Dichte (ρ) für die beiden Materialen unterschiedlich ist.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei wenigstens eines der Materialien ein unmagnetisches elektrisch gut leitfähiges Material ist.
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.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die innere Einheit (110) ein Heliumbehälter, die mittlere Einheit (130) einen Kälteschild und die äußere Einheit (140) ein Vakuumbehälter eines supraleitenden Grundfeldmagneten (100) sind.