DE3903275A1 - Supraleitender magnet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Feldspule, die ein zumindest annähernd gleichförmiges Magnetfeld im Raum einer zylindrischen Spule erzeugt, und insbesondere einen supraleitenden Magneten für eine mit kernmagnetischer Resonanz arbeitende Abbildungseinrichtung, die ein starkes Magnetfeld zur Verfügung stellt (nachstehend als "MRI- Gerät" bezeichnet, soweit zutreffend).

Ein supraleitender Magnet für ein MRI-Gerät umfaßt eine zylindrische Spule oder mehrere ringförmige Spulen mit etwa 1 m Durchmesser, um hierin einen zu untersuchenden menschlichen Körper aufzunehmen, sowie, falls erforderlich, eine magnetische Abschirmung, die aus einem magnetischen Material, beispielsweise Stahl, hergestellt ist, und die außerhalb der Spulen angeordnet ist und den Leckfluß der Spulen absorbiert. Um ein Tomogramm des menschlichen Körpers aufzunehmen ist es erforderlich, daß die Stärke des Magnetfeldes in den Spulen, in welche der menschliche Körper gelegt wird, mit einer Toleranz von 1 : 1 000 000 oder weniger gleichförmig ist. Um die Stärke des Magnetfelds und die Gleichförmigkeit der Stärke zu erreichen, wird bislang das folgende Verfahren verwendet: eine Spule für ein gleichförmiges Magnetfeld wird durch koaxiale Anordnung mehrerer ringförmiger Spulen erzeugt, so daß dann, wenn darin ein Strom fließt, das hierdurch erzeugte Magnetfeld eine äußerst gleichförmige Stärke aufweist.

Allerdings ist die derart hergestellte Spule für ein gleichförmiges Magnetfeld insoweit nachteilig, daß das durch diese erzeugte gleichförmige Magnetfeld austritt. Dies bedeutet, daß das austretende Magnetfeld dazu führt, daß elektronische Geräte um den Magneten herum fehlerhaft arbeiten, und das magnetische Feld eines ferromagnetischen Elements nahe dem MRI-Gerät stört, wodurch das gleichförmige Magnetfeld, negativ beeinflußt wird. Daher kann zwar die Spule für das gleichförmige Magnetfeld selbst das gleichförmige Magnetfeld erzeugen, wenn sie jedoch mit dem MRI-Gerät verwendet wird, ist die Gleichförmigkeit des Magnetfelds nicht so hoch wie erwartet.

Um die voranstehend beschriebene Schwierigkeit in Folge des magnetischen Leckfelds auszuschalten, wurde ein Verfahren verwendet, bei welchem eine magnetische Abschirmung außerhalb der Spule für das gleichförmige Magnetfeld bereitgestellt wird.

Die magnetische Abschirmung ist in Fig. 7 dargestellt. Die magnetische Abschirmung umfaßt einen aus einem magnetischen Material wie beispielsweise Stahl hergestellten Zylinder, und befindet sich außerhalb eines Kryostaten 20 A. Der Kryostat 20 A nimmt eine Hauptspule 3 A auf, welche supraleitende Spulen aufweist. Die magnetische Abschirmung wird als "Eigenabschirmung" bezeichnet. Die Eigenabschirmung absorbiert das austretende magnetische Feld der Hauptspule 3 A. Dieses Verfahren wird nicht nur auf einen supraleitenden Magneten angewendet, sondern auch auf einen MRI-Magneten, der leitende Spulen verwendet. Bei dem Verfahren tritt die folgende Schwierigkeit auf: da bei einem MRI-Gerät, welches eine hohe, gleichförmige Magnetfeldstärke zur Verfügung stellt, das austretende Magnetfeld stark ist, weist die aus Stahl hergestellte Eigenabschirmung ein beträchtlich großes Gewicht auf, so daß der Raum, in welchem das MRI-Gerät installiert ist, keine genügende mechanische Festigkeit aufweisen könnte.

Um die voranstehend beschriebene Schwierigkeit auszuschalten, welche bei der Verwendung einer Magnetfeldabschirmung aus ferromagnetischem Material für einen supraleitenden Magneten auftritt, wurde ein Verfahren eingesetzt, bei welchem, wie in Fig. 8 gezeigt ist, der magnetische Leckfluß durch eine supraleitende Spule kompensiert wird, die genauso aufgebaut ist wie die Hauptspule. In Fig. 8 bezeichnet die Bezugsziffer 3 B die Hauptspule und 2 B die supraleitende Spule, die in demselben Kryostaten 20 B wie die Hauptspule 3 B aufgenommen ist. Die supraleitende Spule 2 B wird als "aktive Abschirmung" bezeichnet.

Wenn das magnetische Moment der aktiven Abschirmung 2 B den gleichen Absolutwert und die entgegengesetzte Richtung aufweist wie das der Hauptspule, dann kann im Idealfall das austretende magnetische Feld kompensiert werden (vgl. die japanische Patentanmeldung (OPI) Nr. 2 17 608/1985, die Bezeichnung "OPI" bezeichnet eine "ungeprüfte veröffentlichte Anmeldung"). Andererseits ist die magnetische Flußdichte des Raums mit dem gleichförmigen Magnetfeld, welche durch die aktive Abschirmung 2 B induziert wird, der Richtung der magnetischen Flußdichte des gleichförmigen Magnetfelds entgegengesetzt, welches durch die Hauptspule 3 B induziert wird, und daher ist die magnetische Flußdichte des gleichförmigen Magnetfelds, die sich aus diesen beiden magnetischen Flußdichten zusammensetzt, geringer als die des gleichförmigen Magnetfelds, das vorliegt, wenn nur die Hauptspule eingesetzt wird. Um die Verringerung der Magnetfelddichte auszugleichen ist es erforderlich, die Amperewindungszahl der Hauptspule 3 zu vergrößern, und daher erhöht sich die eingesetzte Menge supraleitenden Drahtes, nicht nur für die aktive Abschirmung 2 B, sondern auch für die Hauptspule 3 B.

Das voranstehend beschriebene Verfahren, bei welchem als magnetische Abschirmung die aktive Abschirmung, welche die supraleitende Spule aufweist, verwendet wird, ist in folgender Hinsicht vorteilhaft: das austretende Magnetfeld kann ohne Verwendung eines magnetischen Materials kompensiert werden, und daher wird der Raum mit dem gleichförmigen Magnetfeld des magnetischen Materials in der Nähe des MRI-Geräts kaum beeinflußt, und dies führt dazu, daß eine Magnetfeldanalyse, die zum Entwurf einer Spule für ein gleichförmiges Magnetfeld erforderlich ist, einfach erreicht werden kann. Daher kann mit diesem Verfahren wirksam ein Entwurf für einen supraleitenden Magneten für das MRI-Gerät durchgeführt werden, bei welchem der Raum für das Magnetfeld eine beträchtlich hohe Gleichförmigkeit aufweisen muß. Der voranstehend beschriebene supraleitende Magnet für ein MRI-Gerät, bei welchem das austretende Magnetfeld durch die gleiche supraleitende Spule wie die Spule für das gleichförmige Magnetfeld kompensiert wird, wird bezeichnet als "supraleitender Aktivabschirmungs-Magnet für ein MRI-Gerät". Das voranstehend beschriebene System ist insoweit vorteilhaft, daß auf Grund der Tatsache, daß kein magnetisches Material wie beispielsweise Stahl verwendet wird, das Gewicht gering ist und die Installierung des MRI-Geräts nicht durch die Belastungsgrenze des Fußbodens eingeschränkt wird. Es bestehen jedoch immer noch die folgenden Schwierigkeiten: verglichen mit den in Fig. 7 dargestellten supraleitenden Magneten des selbstabschirmenden Typs ist die Menge supraleitenden Drahtes, die zur Herstellung der supraleitenden Spule verwendet wird, groß. Da supraleitender Draht erheblich teurer ist als Stahl, sind die Herstellungskosten für die supraleitenden Magneten höher als bei dem supraleitenden Magneten des selbstabschirmenden Typs, obwohl der erstere eine geringere Größe aufweist als der letztere.

Falls dann, wenn ein supraleitendes MRI-Gerät in dem Raum installiert wird, das Gesamtgewicht des supraleitenden Magneten, das durch die Belastungsgrenze des Fußbodens des Raumes bestimmt wird, deswegen übermäßig groß ist, da die Eigenabschirmung als magnetische Abschirmung verwendet wird, muß dann die aktive Abschirmung verwendet werden. Allerdings muß in diesem Fall der supraleitende Magnet mit hohen Herstellungskosten eingesetzt werden, und daher muß das MRI-Gerät mit hohen Herstellungskosten verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem solchen Fall, in welchem ein supraleitender Magnet des selbstabschirmenden Typs mit geringeren Herstellungskosten eingesetzt werden kann, da das Gesamtgewicht eines supraleitenden Magneten durch die Belastungsgrenze des Fußbodens begrenzt wird, auf welchem ein MRI-Gerät installiert werden soll, einen supraleitenden Magneten mit niedrigstem Gesamtgewicht innerhalb der Gewichtsgrenze und mit niedrigsten Herstellungskosten zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Bereitstellung eines supraleitenden Magneten, der eine Hauptspule einschließlich symmetrisch zur Achse angeordneter supraleitender Spulen aufweist, eine aktive Abschirmung einschließlich supraleitender Spulen, die so angeordnet sind, daß die aktive Abschirmung koaxial zur Hauptspule liegt und diese umgibt, und eine Eigenabschirmung, die einen Zylinder aus magnetischem Material aufweist und so angeordnet ist, daß der Zylinder koaxial zur aktiven Abschirmung liegt und diese umgibt, wobei das magnetische Moment der aktiven Abschirmung einen geringeren Absolutwert aufweist als das magnetische Moment der Hauptspule und in entgegengesetzter Richtung liegt.

Bei dem supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung wird ein Teil des austretenden Magnetfelds, welches durch die Hauptspule induziert wird, kompensiert durch die aktive Abschirmung, die supraleitende Spulen aufweist, und der Rest wird durch die Eigenabschirmung absorbiert, es werden also zwei unterschiedliche magnetische Abschirmungen eingesetzt. Genauer gesagt wird, unter der Bedingung, daß das Gewicht des supraleitenden Magneten innerhalb des Grenzwerts des Gesamtgewichts liegt, der durch die Belastungsgrenze des Fußbodens bestimmt wird, auf welchem das MRI-Gerät aufgebaut werden soll, die Absorption des austretenden Magnetfelds durch die magnetische Abschirmung des selbstabschirmenden Typs maximal gemacht, und das verbleibende austretende Magnetfeld wird durch die aktive Abschirmung kompensiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben.

Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht mit einer Darstellung eines Beispiels für einen supraleitenden Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht mit einer Darstellung eines konkreten Beispiels des supraleitenden Magneten gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine diagrammatische Darstellung der Magnetflußverteilung des in Fig. 2 dargestellten supraleitenden Magneten;

Fig. 4 eine diagrammatische Darstellung der Magnetflußverteilung eines supraleitenden Magneten des Typs mit aktiver Abschirmung;

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Spuleninnendurchmessers in Bezug auf das Spulengesamtvolumen;

Fig. 6 ebenfalls eine graphische Darstellung des Spuleninnendurchmessers mit einem Bereich mit 5 Gauss; und

Fig. 7 und 8: Schnittansichten von Beispielen konventioneller supraleitender Magnete.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine Eigenabschirmung, 2 eine aktive Abschirmung, 3 eine Hauptspule zum Induzieren eines gleichförmigen Magnetfelds, 20 eines Kryostaten, welcher die Hauptspule 3 und die aktive Abschirmung 2 aufnimmt, und 10 die Symmetrieachse.

Ein Teil des Magnetflusses des gleichförmigen Magnetfelds kann aus der Hauptspule 3 austreten, jedoch wird der Teil hauptsächlich durch die Eigenabschirmung 1 absorbiert. Andererseits erzeugt die aktive Abschirmung ein Magnetfeld, das dem Magnetfeld überlagert ist, welches durch die Hauptspule 3 induziert wird.

In diesem Fall veranlaßt das magnetische Moment der aktiven Abschirmung 2 einen Stromfluß in einer supraleitenden Spule, welche die ative Abschirmung bildet, so daß das magnetische Moment der aktiven Abschirmung 2 dem der Hauptspule 3 entgegengesetzt ist. Daher verringert das durch die aktive Abschirmung 2 erzeugte Magnetfeld das durch die Hauptspule 3 erzeugte Magnetfeld. Dies ist genauso wie im Falle des supraleitenden Magneten der aktiven Abschirmungsart, welcher in Bezug auf Fig. 8 beschrieben wird.

Beinahe das gesamte austretende Magnetfeld der Hauptspule wird durch die Eigenabschirmung 1 absorbiert, und entsprechend wird das austretende Magnetfeld der aktiven Abschirmung durch die Eigenabschirmung 1 absorbiert. Daher gelangt die Magnetflußmenge, welche die Differenz zwischen den Absolutwerten der magnetischen Leckfelder der Hauptspule 3 und der aktiven Abschirmung 2 darstellt, durch die Eigenabschirmung 1, die außerhalb der aktiven Abschirmung 2 vorgesehen ist.

Der Absolutwert des magnetischen Moments der aktiven Abschirmung kann gleich dem des magnetischen Moments der Hauptspule 3 gemacht werden. In diesem Fall ist die Beziehung zwischen diesen gleich der zwischen der Hauptspule 3 B und der aktiven Spulenabschirmung 2 B in Fig. 8, und daher ist es unnötig, die Eigenabschirmung 1 zu verwenden. Wenn kein Strom in der aktiven Abschirmung 2 fließt, ist diesem dem Fall äquivalent, in welchem die aktive Abschirmung 2 eliminiert ist, ähnlich wie im Falle von Fig. 7. Wie aus der voranstehenden Beschreibung deutlich wird, hängt die Magnetflußmenge, die durch die Eigenabschirmung 1 hindurch gelangt, vom magnetischen Moment der aktiven Abschirmung 2 ab, so daß die Querschnittsfläche, welche für die Eigenabschirmung 1 erforderlich ist, also deren Gewicht, vom magnetischen Moment der aktiven Abschirmung 2 abhängt.

Daher können die Abmessungen und das Gewicht der Eigenabschirmung 1 und daher das Gewicht des supraleitenden Magneten dadurch wie erforderlich gesteuert werden, daß das magnetische Moment der aktiven Abschirmung 2 eingestellt wird.

Es wird angenommen, daß die Stärke des gleichförmigen Magnetfelds 0,5 T beträgt. Wenn in diesem Fall der supraleitende Magnet so ausgebildet ist, daß das Magnetleckfeld nur durch die Eigenabschirmung absorbiert wird, die in Fig. 7 gezeigt ist, dann beträgt das Gewicht des supraleitenden Magneten etwa 9 Tonnen; und falls der supraleitende Magnet so ausgelegt ist, daß das magnetische Leckfeld nur durch die aktive Abschirmung absorbiert wird, wie in Fig. 8 dargestellt ist, dann beträgt das Gewicht etwa 3 Tonnen. Etwa 5 Tonnen stellen die Gewichtsgrenze für den supraleitenden Magneten dar, welche aus der Belastungsgrenze des Fußbodens eines gewöhnlichen Gebäudes berechnet wird. Daher sollte der supraleitende Magnet, der auf einem derartigen Fußboden installiert werden soll, folgende Bedingungen erfüllen:

(1) Er stellt die Stärke und Gleichförmigkeit des gleichförmigen Magnetfelds zur Verfügung.
(2) Die Stärke des magnetischen Leckfeldes ist geringer als ein vorbestimmter Grenzwert.
(3) Das Gewicht des supraleitenden Magneten beträgt nicht mehr als 5 Tonnen.
(4) Die Menge des verwendeten supraleitenden Drahtes wird minimalisiert.

Diese Bedingungen können wie nachstehend angegeben erfüllt werden: durch Anwendung der Erfindung wird zunächst die Anzahl der Windungen und werden die Abmessungen der Hauptspule 3 überschlägig bestimmt sowie die Lage und die Anordnung der aktiven Abschirmung und der Eigenabschirmung 1. Unter dieser Bedingung werden die folgenden Einstellungen ausgeführt. Die Dicke eines die Eigenabschirmung 1 bildenden Stahlmaterials wird so festgelegt, daß die Eigenabschirmung 1 maximale Abmessungen einnimmt, während die Bedingung (3) erfüllt ist; das magnetische Moment der aktiven Abschirmung 2 wird so festgelegt, daß die magnetische Flußdichte der Eigenabschirmung 1 die Bedingung (2) erfüllt; und die Abmessungen und die Windungszahl der supraleitenden Spulen, welche die Hauptspule 3 und die aktive Abschirmung 2 bilden, werden so eingestellt, daß die gleichförmigen Magnetfelder der Hauptspule 3 und der aktiven Abschirmung 2 die Bedingung (1) erfüllen. Diese Anpassungen werden wiederholt ausgeführt, bis die voranstehend angegebenen Bedingungen sämtlich erfüllt werden.

Je mehr die Abschirmung 1 das magnetische Leckfeld der Hauptspule absorbiert, desto größer ist das magnetische Moment der aktiven Abschirmung 2; dies bedeutet, daß die Windungszahl von deren supraleitenden Spulen verringert werden kann. Eine zur Minimalisierung der Herstellungskosten des supraleitenden Magneten unverzichtbare Bedingung besteht darin, daß die Absorption des magnetischen Leckfeldes durch die Eigenabschirmung maximalisiert wird innerhalb der Gewichtsgrenze des supraleitenden Magneten. Daher kann in dem Fall, in welchem es erforderlich ist, einen supraleitenden Magneten bereitzustellen, dessen Gewicht begrenzt ist, der supraleitende Magnet mit niedrigsten Kosten gemäß der Erfindung hergestellt werden.

Ein supraleitender Magnet mit hohem Magnetfeld sollte ein gleichförmigeres Magnetfeld aufweisen als ein supraleitender Magnet mit niedrigem Magnetfeld. Daher besteht die Hauptspule 3 vorzugsweise aus 3 Paaren supraleitender Spulen, wie in Fig. 1 dargetellt ist. Die aktive Abschirmung 2 ist in der Nähe der Eigenabschirmung 1 angeordnet, und in Folge der Bereitstellung der Eigenabschirmung kann das magnetische Moment der aktiven Abschirmung 2 geringer sein als bei dem in Fig. 8 dargestellten supraleitenden Magneten des Typs mit aktiver Abschirmung. Daher ist die Wirkung der aktiven Abschirmung auf das gleichförmige Magnetfeld gering. Aus diesem Grunde kann die aktive Abschirmung 2 aus einem Paar supraleitender Spulen bestehen, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Auf diese Weise ist der Aufbau der aktiven Abschirmung weniger durch die Bedingung der Gleichförmigkeit des Magnetfelds begrenzt.

Die Eigenabschirmung 1 kann eine geringere Dicke aufweisen als die von 1 A in Fig. 7. Daher kann gegebenenfalls die Konstruktion verwendet werden, bei welcher die Eigenabschirmung 1 A einen Teil des Kryostaten bildet, wie in Fig. 1 dargestellt ist. In diesem Fall ist der Abstand zwischen dem Kryostaten und der Eigenabschirmung ausgeschaltet, und daher ist der sich ergebende supraleitende Magnet kompakter.

Nachstehend wird ein konkretes Beispiel für den supraleitenden Magneten gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der supraleitende Magnet wird entsprechend den Ergebnissen von Berechnungen bereitgestellt, die mit einem Computer unter der Annahme durchgeführt werden, daß der Magnet eine Stärke des gleichförmigen Magnetfelds aufweist, die mit 0,5 T gewählt ist.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht zur Darstellung einer Anordnung des durch die Computeranalyse erhaltenen supraleitenden Magneten, welche unter der Annahme durchgeführt wird, daß das gleichförmige Magnetfeld durch tatsächliche Installationsbedingungen nicht geändert wird. Bei dem supraleitenden Magneten besteht die Hauptspule 3 D aus 3 Paaren supraleitender Spulen, und die aktive Abschirmung 2 D weist 2 Paare supraleitender Spulen auf. Die Eigenabschirmung 1 D umfaßt einen Zylinder 1 D 1 und Flansche 1 D 2, welche beide Enden des Zylinders 1 D 1 verbinden; dies bedeutet, daß die Eigenabschirmung eine mit Flanschen versehene Eigenabschirmung ist.

Die Hauptspule 3 D weist einen Innendurchmesser von 500 mm auf, die aktive Abschirmung 2 einen Innendurchmesser von 750 mm, und der Zylinder 1 D 1 der Eigenabschirmung 1 D einen Innendurchmesser von 810 mm. Die axiale Länge der Eigenabschirmung 1 D, also die Länge in Richtung der Achse, beträgt 1710 mm, und die Hauptspule 3 D und die aktive Abschirmung 2 D sind zwischen den Flanschen 1 D 2 der Eigenabschirmung 1 D angeordnet. Daher ist die Gesamtlänge des supraleitenden Magneten gleich der Länge der Eigenabschirmung 1 D. Das Verhältnis der magnetischen Momente der Hauptspule und der aktiven Abschirmung beträgt 0,7. Der Zylinder 1 D 1 der Eigenabschirmung 1 D weist eine Dicke von 30 mm auf, und der Innendurchmesser der Flansche 1 D 2 ist 400 mm. Diese Abmessungen wurden unter der Bedingung berechnet, daß die Hauptspule 3 D und die aktive Abschirmung 2 D so weit wie möglich die gleiche axiale Länge aufweisen.

Wie durch die strichpunktierte Linie in Fig. 2 angedeutet ist, weist der Raum des gleichförmigen Magnetfelds 4 die Form einer Kugel auf, deren Zentrum dem Zentrum der Symmetrieachse entspricht. Die Gleichförmigkeit des gleichförmigen Magnetfelds ist definiert als die Gleichförmigkeit des magnetischen Feldes in der Kugel. Der Radius der Kugel ist allgemein 350 mm.

Fig. 3 zeigt die Magnetflußverteilung, die durch den gemäß Fig. 2 aufgebauten supraleitenden Magneten induziert wird. In Fig. 3 ist die vertikale Achse die Symmetrieachse 10, also die z-Achse, und die Horizontalachse ist die radiale Achse, also die r-Achse 11, und der Ausgangspunkt (in der unteren linken Ecke), welcher den Schnittpunkt der z-Achse 10 und der r-Achse 11 darstellt, ist das Zentrum des Raumes des gleichförmigen Magnetfelds. In Fig. 2 erstreckt sich die Symmetrieachse 10 horizontal auf der Figur, und daher fällt Fig. 2 mit Fig. 3 zusammen, wenn sie im Gegenuhrzeigersinn um 90° gedreht wird.

Fig. 3 zeigt die obere Hälfte des koaxialen zylindrischen Koordinatensystems, und daher die obere Hälfte des supraleitenden Magneten. Dies bedeutet, daß Fig. 3 ebenfalls eine Schnittansicht ist, welche obere Abschnitte der Ringspulen dreier Paare zeigt, welche die Hauptspule 3 D bilden, sowie obere Abschnitte der Ringspulen zweier Paare, welche die aktive Abschirmung 2 D bilden, und die obere Hälfte der Eigenabschirmung 1 D.

Die Magnetflußlinien 6 D stellen den Verlauf des Magnetflusses dar und sind so gezeichnet, daß die Richtung einer Tangente an eine der Magnetflußlinien mit der Richtung der Magnetflußdichte am Berührungspunkt zusammenfällt, und deren Dichte in einem gegebenen Punkt proportional dem Produkt der Magnetflußdichte und des dortigen Radius ist. Da die Dichte der Magnetflußlinien 6 D nicht direkt proportional der Magnetflußdichte ist, ist es unmöglich, aus Fig. 3 die Verteilung der Absolutwerte der Magnetflußdichten abzulesen, welche die Magnetfeldstärke darstellen. Grob gesagt läßt sich jedoch überlegen, daß in Folge der Tatsache, daß die Radien der Magnetflußlinien weniger variieren, abgesehen von denen nahe der z-Achse 10, deren Dichte in einem gegebenen Punkt im wesentlichen proportional dem Absolutwert der Magnetflußdichte an diesem Ort ist. Daher läßt sich aus Fig. 3 ablesen, daß die Magnetflußdichte lokal um die Ringspulen höher ist, welche die Hauptspule 3 D und die aktive Abschirmung 2 D bilden.

Die Magnetflußlinien in dem Raum 4 des gleichförmigen Magnetfelds, welche durch den mit der strichpunktierten Linie angedeuteten Kreis festgelegt sind, in der unteren linken Ecke von Fig. 3, liegen parallel zur z-Achse 10. Dies bedeutet, daß die Magnetflußverteilung in dem Raum 4 gleichförmig ist. Wie deutlich aus Fig. 3 hervorgeht, sind die Magnetflußlinien, welche den Raum 4 des gleichförmigen Magnetfelds durchqueren, und die Magnetflußlinien 6 D, welche auf die rechte Seite der Hauptspule 3 D gelegt sind, in eine Gruppe magnetischer Flußlinien aufgeteilt, die durch die Eigenabschirmung 1 D absorbiert werden, und in eine Gruppe von Magnetflußlinien, welche sich in der Gegenrichtung zwischen der Hauptspule 3 D und der aktiven Abschirmung 2 D erstrecken. In dem in Fig. 7 dargestellten Fall des supraleitenden Magneten der selbstabschirmenden Art werden beinahe sämtliche Magnetflußlinien durch die Eigenabschirmung 1 A absorbiert, und im Falle des in Fig. 8 dargestellten supraleitenden Magneten der Art mit aktiver Abschirmung erstrecken sich beinahe sämtliche Magnetflußlinien 6 E, wie aus Fig. 4 (nachstehend noch genauer erläutert) hervorgeht, in den Raum zwischen der Hauptspule 3 E und der aktiven Abschirmung 2 E. Im Falle der Fig. 2 und 3 werden sowohl die aktive Abschirmung 2 D und die Eigenabschirmung 1 D bereitgestellt, und daher zeigen die Magnetflußlinien auf der rechten Seite der Hauptspule 3 D eine Magnetflußverteilung derart, daß sie aufgeteilt sind in eine Gruppe von Magnetflußlinien, welche sich in den Raum zwischen der Hauptspule 3 D und der aktiven Abschirmung 2 D erstrecken, und in eine Gruppe von Magnetflußlinien, welche sich zur Eigenabschirmung 1 D erstrecken, wie voranstehend beschrieben wurde.

Fig. 3 macht deutlich, daß das Leck von Magnetflußlinien außerhalb der Eigenabschirmung 1 D erheblich geringer ist; der Magnetfluß, dessen Stärke der magnetomotorischen Kraft entspricht, welche in der Eigenabschirmung 1 D durch den hierdurch gelangenden Magnetfluß induziert wird, kann herauslecken. Dieser Leckfluß verringert seine Stärke, während er sich von dem supraleitenden Magneten entfernt.

In Fig. 3 bezeichnet die Bezugsziffer 7 D eine 5 Gauss- Linie, bei welcher die Magnetflußdichte des Leckflusses den Wert von 5 Gauss annimmt. Der durch die 5-Gauss-Linie 7 D festgelegte Bereich beträgt 2,06 m in der Radialabmessung R₅ und 3,81 m in der axialen Erstreckung Z₅. Das Recheck, dessen Seiten doppelt so große Abmessungen haben, weist eine Fläche S₅ von 31 m² auf. Die Fläche S₅ wird als "5-Gauss-Bereich" bezeichnet, welche einen Anhaltspunkt zur Anzeige der Ausbreitung des Leckflusses gibt. Der Wert von 31 m² kann nicht ohne die Bereitstellung einer magnetischen Abschirmung erhalten werden, beispielsweise die Eigenabschirmung oder die aktive Abschirmung. Das Innere der 5-Gauss-Linie 7 D wird als gefährliche Zone für einen herzkranken Patienten angesehen, der einen Schrittmacher trägt. Andererseits kann beispielsweise ein Computer oder ein anderes Gerät außerhalb der 5-Gauss-Linie 7 D angeordnet werden, frei von der Wirkung des Leckflusses. Zusätzlich wird, selbst wenn eine ferromagnetische Substanz außerhalb der Linie 7 D angeordnet ist, diese nicht wesentlich die Gleichförmigkeit des Magnetfelds beeinflussen.

In dem Fall, in welchem die Magnetfeldkomponente in dem Raum 4 des gleichförmigen Magnetfelds, welche durch den gemäß Fig. 2 aufgebauten supraleitenden Magneten erzeugt wird, in eine Reihe von Legendre-Funktionen entwickelt wird, werden die Koeffizienten der Terme der jeweiligen Ordnung in der nachstehenden Tabelle angegeben als deren Verhältnisse zur Komponente des gleichförmigen Magnetfelds der Ordnung "0". In der Tabelle sind die Daten für eine Ordnung höher als "12" nicht aufgeführt, und die Werte der Komponenten der Ordnungen ungleich denen der Ordnung "12" sind auf die nächste ganze Zahl aufgerundet.

Tabelle (Einheit: ppm)

In der Tabelle bezeichnen die Referenzwerte B 3, B 2 und B 1 die durch die Hauptspule 1, die aktive Abschirmung 2 beziehungsweise die Eigenabschirmung 1 induzierten Magnetfelder, und B das aus diesen Magnetfeldern in dem tatsächlichen Raum des gleichförmigen Magnetfelds zusammengesetzte Magnetfeld. Weiterhin bezeichnen in der Tabelle die Daten in Klammern die Magnetflußdichten der Komponenten des gleichförmigen Magnetfelds in Einheiten von Gauss, also die Magnetfeldstärken der Ordnung "0". Die für die Ordnungen von "2" bis "12" angegebenen Daten sind die Verhältnisse in ppm (10^-6) zu den 5000 Gauss, welche die Komponente des gleichförmigen Magnetfelds des zusammengesetzten Magnetfelds B angeben.

Da wie voranstehend beschrieben die Hauptspule 3 aus drei Ringspulen besteht, können theoretisch die Komponenten der 5 Ordnungen von "2" bis "10" auf 0 gesetzt werden. Da weiterhin der supraleitende Magnet so ausgelegt ist, daß sein Aufbau in Bezug auf die Horizontalebene senkrecht zur z-Achse symmetrisch ist, werden die Komponenten der ungradzahligen Ordnung nicht erzeugt. In dem Beispiel wurde bewiesen, daß die Magnetfeldkomponenten bis hinauf zur Ordnung von "10" auf 0 gesetzt werden, wie theoretisch behauptet wird, es kann jedoch manchmal passieren, daß abhängig von der Anordnung der aktiven Abschirmung 2 D oder der Eigenabschirmung 1 D die beste Bedingung zur Eliminierung der Magnetfeldkomponenten bis hinauf zur Ordnung von "10" durch Einstellung der Amperewindung oder der Lage jeder der Ringspulen der Hauptspule 3 D nicht erhalten werden kann, und die Einstellung kann in Folge anderer Faktoren undurchführbar sein: Zusätzlich ist unter unterschiedlichen Bedingungen der 5-Gauss- Bereich S₅ manchmal so groß, daß der supraleitende Magnet im Gebrauch unpraktisch ist. Bei dem voranstehend beschriebenen konkreten Beispiel weist die Eigenabschirmung 1 D die Flansche 1 D 2 auf. Um den Aufbau der Eigenabschirmung 1 D zu vereinfachen und so die Herstellungskosten zu verringern, können die Flansche 1 D 2 weggelassen werden. Es wurde allerdings aufgrund von Berechnungen festgestellt, daß der supraleitende Magnet, dessen Eigenabschirmung keine Flansche aufweist, einen erheblich größeren 5-Gauss- Bereich aufweist als der supraleitende Magnet, dessen Eigenabschirmung mit den Flanschen versehen ist, und er ist unpraktisch im Gebrauch. Die unter Bezug auf die Fig. 2 und 3 beschriebene Ausführungsform stellt einen der supraleitenden Magneten dar, welche die besten Berechnungsergebnisse unter verschiedenen Bedingungen gezeigt haben.

Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die Magnetflußverteilung des in Fig. 8 dargestellten supraleitenden Magneten der Art mit aktiver Abschirmung sowie dessen 5-Gauss-Linie zeigt, und zwar zum Vergleich mit Fig. 3. Im Falle der Fig. 4 ist die Magnetflußverteilung derart, daß sich sämtliche Magnetflußlinien 6 E auf der rechten Seite der Hauptspule 3 E zwischen die Hauptspule 3 E und die aktive Abschirmung 2 E erstrecken. Die 5-Gauss-Linie 7 E weist radiale Abmessungen R₅ von 1,92 m auf, axiale Abmessungen Z₅ von 2,71 m, und einen 5-Gauss-Bereich von 21² m. Die Werte der Komponenten der jeweiligen Ordnungen in diesem Fall sind in der folgenden Tabelle aufgeführt, welche der voranstehend beschriebenen Tabelle entspricht.

Tabelle (Einheit: ppm)

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehungen zwischen Verhältnissen ρ von Innendurchmessern zeigt, welche die Verhältnisse der Innendurchmesser der Hauptspule zu Innendurchmessern aktiver Abschirmungen sind, sowie Gesamtspulenvolumina, welche die Gesamtvolumina der supraleitenden Spulen darstellen, welche die Hauptspulen und die aktiven Abschirmungen bilden. In Fig. 5 repräsentiert die Horizontalachse die Verhältnisse innerer Durchmesser, und die vertikale Achse die Spulengesamtvolumina, mit den Verhältnissen K der magnetischen Momente der Hauptspulen und der aktiven Abschirmungen als Parameter.

Bei dem unter Bezug auf Fig. 2 und 3 beschriebenen Beispiel ist das Verhältnis ρ der Innendurchmesser 1,5. In Fig. 5 sind die Verhältnisse K magnetischer Momente für die Innendurchmesserverhältnisse zwischen 1,25 (kleiner als 1,5) und 1,75 (größer als 1,5) gezeigt. Wie aus der graphischen Darstellung hervorgeht, verringert sich das Spulengesamtvolumen, wenn das Innendurchmesserverhältnis ρ steigt, und das Spulengesamtvolumen Vc nimmt mit dem Verhältnis der magnetischen Momente ab. Beispielsweise ist das Spulengesamtvolumen mit einem Verhältnis magnetischer Momente von 0,7 um etwa 10% geringer als das mit einem Verhältnis magnetischer Momente von 0,8.

Das Spulengesamtvolumen Vc repräsentiert die Menge verwendeten supraleitenden Drahtes. Daher kann die Menge supraleitenden Drahtes, welcher teuer ist, durch Verringerung des Spulengesamtvolumens Vc verringert werden. Fig. 5 wurde durch Berechnung mit einer Stromdichte des supraleitenden Drahtes erhalten, die unabhängig von dem Verhältnis K der magnetischen Momente ungeändert gelassen wurde. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß in der Praxis die maximale Magnetflußdichte am Ort des supraleitenden Drahtes ansteigt, wenn sich das Verhältnis K der magnetischen Momente dem Wert 1,0 nähert, und der supraleitende Draht weist die Eigenschaft auf, daß der kritische supraleitende Strom desto kleiner wird, je größer die maximale Magnetflußdichte wird. Daher ist es in einem Fall, in welchem die maximale Magnetflußdichte wie voranstehend beschrieben hoch ist, erforderlich, die Stromdichte des supraleitenden Drahtes zu verringern. Beispielsweise kann die Stromdichte in dem Falle der Fig. 5, in welchem das Verhältnis der magnetischen Momente 0,7 beträgt, einen Faktor 1,3 mal so groß gemacht werden wie im Falle der Fig. 4, in welchem nur die aktive Abschirmung verwendet wird und das Verhältnis der magnetischen Momente 1,0 beträgt. Daher kann bei der Erfindung unter Verwendung der Eigenabschirmung zusätzlich zur aktiven Abschirmung das Spulengesamtvolumen Vc erheblich weiter verringert werden als im Falle der Fig. 5. Beispielsweise in dem Fall, in welchem ρ in Fig. 5 gleich 1,5 ist, beträgt das Spulengesamtvolumen mit dem Verhältnis von 0,7 der magnetischen Momente 68% des Spulengesamtvolumens mit dem Verhältnis der magnetischen Momente von 1,0; der Prozentsatz beträgt jedoch 52%, wenn der voranstehend beschriebene Unterschied in der Stromdichte berücksichtigt wird.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung, welche die Innendurchmesserverhältnisse ρ mit 5-Gauss-Bereichen S₅ zeigt. In Fig. 6 stellt die Horizontalachse, ähnlich wie in Fig. 5, die Innendurchmesserverhältnisse ρ dar, und die vertikale Achse die 5-Gauss-Bereiche, mit den Verhältnissen K magnetischer Momente als Parameter. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, vergrößert sich der 5-Gauss-Bereich S₅, wenn das Verhältnis K der magnetischen Momente abnimmt. Daher ist bei einem erfindungsgemäßen supraleitenden Magneten, bei welchem das Verhältnis K der magnetischen Momente auf weniger als 1,0 gesetzt wird und die Eigenabschirmung vorgesehen ist, der 5-Gauss-Bereich S₅ größer als bei dem supraleitenden Magneten der Art mit aktiver Abschirmung. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß dieser Nachteil bedeutet, daß die Eigenabschirmung so entworfen werden muß, daß der 5-Gauss-Bereich kleiner ist als tatsächlich erforderlich, da eine Verbesserung erzielt werden kann durch Erhöhen der Dicke des ferromagnetischen Materials, welches die Eigenabschirmung bildet, um so die Magnetfelddichte in der Eigenabschirmung zu verringern; dies stellt daher keinen theoretischen Nachteil der Erfindung dar.

Wie voranstehend beschrieben wurde, werden bei den erfindungsgemäßen supraleitenden Magneten die Eigenabschirmung und die aktive Abschirmung in Kombination eingesetzt, und da das Gewicht des supraleitenden Magneten dadurch geändert werden kann, daß der Prozentsatz der Absorption eingestellt oder das Magnetleckfeld der Hauptspule ausgeschaltet wird, und da die Kosten eines supraleitenden Magneten von der verendeten Menge teuren supraleitenden Drahts abhängen, wird die Menge des durch die Eigenabschirmung absorbierten Leckflusses vergrößert, während die Gewichtsgrenze des supraleitenden Magneten unbeeinflußt bleibt, und der verbleibende Leckfluß wird durch die aktive Abschirmung ausgeschaltet. Daher weist der erfindungsgemäße supraleitende Magnet eine kleine Menge supraleitenden Drahtes bei ungeänderter Gewichtsgrenze auf, und daher minimale Herstellungskosten.

Claims (6)

1. Supraleitender Magnet zur Erzeugung eines gleichförmigen Magnetfelds, gekennzeichnet durch eine Hauptspule, die erste supraleitende Spulen umfaßt, eine aktive Abschirmung, welche zweite supraleitende Spulen umfaßt und auf solche Weise angeordnet ist, daß sie die Hauptspule koaxial umgibt, und eine Eigenabschirmung, welche magnetisches Material aufweist und so angeordnet ist, daß sie die aktive Abschirmung koaxial umgibt, wobei das magnetische Moment der aktiven Abschirmung einen geringeren Absolutwert aufweist als das magnetische Moment der Hauptspule und diesem entgegengerichtet ist.

2. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten supraleitenden Spulen symmetrisch zur Achse ausgerichtet sind.

3. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenabschirmung zylinderförmig ist.

4. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Magnet weiterhin eine Kryostaten zur Aufnahme der ersten und zweiten supraleitenden Spulen aufweist.

5. Supraleitender Magnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Kryostaten die Eigenabschirmung umfaßt.

6. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptspule 3 Paare von Rinspulen aufweist.