DE1614970A1

DE1614970A1 - Gradienten-Loeschspulen-Anordnung

Info

Publication number: DE1614970A1
Application number: DE19671614970
Authority: DE
Inventors: Weaver Harry A
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1966-05-11
Filing date: 1967-05-05
Publication date: 1971-06-16
Also published as: GB1164338A; US3577067A

Description

Patentarswaii
Dr. CLAUS REINLÄNDER PATENTANWALT

DIPL-ING. H. KLAUS BERNHARDT

8000 MÜNCHEN 23 · MAINZERSTR.5 V1 P126 D

VAEIAK" ASSOCIATES
Palo Alto , California V. St. v. Amerika

Gradienten-Löschspulen-Anordnung

Priorität: 11. Mai I966 - Vereinigte Staaten von Amerika Serial No. 549 355

Die Erfindung betrifft allgemein supraleitende Magnetanordnungen, und insbesondere verbesserte supraleitende, orthogonal Gradienten löschende Spulen, die Mittel enthalten, mit denen die Gradienten-Löschspulen im persistenten Modus arbeiten können, so dass die Gradienten-Löscheinstellungen, die einmal vorgenommen worden sind, unendlich lange beibehalten werden können, ohne dass zusätzliche Leistung benötigt wird« Solche supraleitenden Gradienten-Löschspulen, die im persistenten Modus arbeiten, sind besonders brauchbar

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zur Verbesserung der Feldgleichförmigkeit von supraleitenden Spulen für hohe Feldstärken, die dazu verwendet werden, das magnetische Polarisationsfeld für Spektrometer für gyromagnetische Resonanz zu liefern, wenn auch nicht auf diese Anwendung beschränkt.

Es sind bereite supraleitende Gradienten-Löschspulen in Verbindung mit supraleitenden Spulen verwendet worden, ura die Gleichförmigkeit des Magnetfeldes zu verbessern. Eine solche Anordnung ist in der älteren Anmeldung V3I 796 VIIIc/21g der Anmelderin beschrieben. Bei dieser bekannten Magnetanordnung waren gewisse Widerstandsnetzwerk e über die Enden der verschiedenen Gradientenspulen geschaltet, um die Grosse der jeweiligen Erregungsströme festzulegen. Das Problem bei dieser bekannten Anordnung lag darin, dass keine Mittel vorgesehen waren, um die verschiedenen Feldkorrekturspulensätze im persistenten Modus zu betreiben, d.h. eine vollständig supraleitend geschlossene Kreisschleife zu schaffen» in der einmal eingeleitete Ströme für unbegrenzte Zeitspannen unverändert schliessen. Die bekannten Feldkorrekturspulen konnten deshalb von der Stromversorgung nicht abgeschaltet werden, und in den Spulensätzen wurde weiterhin Leistung verbraucht. Weiterhin waren die Feldkorrekturen geringfügigen Fluktuationen unterworfen, die durch unvollkommene Filterung und Stromstösse aus der Stromversorgung eingeführt wurden.

Bei einer anderen bekannten supraleitenden Spule war die Spulenwicklung in einen Mittelteil und zwei Endsegmente unterteilt. Diese Wicklungssegmente wiesen supraleitende Nebenschlüsse auf, die über

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die Anschlüsse geschaltet waren, so dass die einzelnen Wicklungssegmente in geschlossene supraleitende Schleifen geschaltet werden konnten, mit denen restliche Gradientenkomponenten der Hauptspule ausgelöscht werden könnten. Eine solche Anordnung ist in einem Aufsatz "Application of the Garrett Method to Calculation of Coil Geometries for Generating Homogeneous Magnetic Fields in Superconducting Solenoids", Journal of Applied Physics, volume 54, number 11, November, I963» beschrieben.Bei dieser bekannten Anordnung wurden die Wicklungssegmente jedoch nicht orthogonal zueinander erregt, so dass eine Änderung des Stromes in einem Wicklungssegment, die verwendet wurde, um einen bestimmten restlichen Gradienten auszulöschen, eine Änderung in der Gesamtfeldstärke in der Mitte der Spule mit sich brachte und außerdem einen Magnetfeldgradienten erzeugte, der eine vorher optimale Einstellung eines weiteren Gradienten-Lösch-Wicklungssegmentes störte.

Erfindungsgemäss sind die Spulensätze orthogonal zueinander und zum Hauptfeld der Spule in der Mitte angeordnet. Es sind Einrichtungen vorgesehen, um die orthogonalen Feldkorrekturspulen oder -spulensätze zu erregen und die Spulensätze im persistenten Modus zu betreiben, so dass bei Betrieb im persistenten Modus sie keine Leistung von einer äusseren Stromversorgung ziehen und außerdem die Stabilität der Korrektur verbessert ist. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die im persistenten Modus arbeitenden, orthogonalen Feldkorrekturspulen nit dem Magneten gekoppelt,

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der das Feld erzeugt, das korrigiert wird, so dass die Persistenzmodusströme in den Feldkorrekturspulen sich in ihrer Stärke entsprechend Änderungen in der Stärke des korrigierten Feldes ändern. Auf diese Weise kann die Stärke des magnetischen Hauptfeldes gewobbelt werden, und die Feldkorrekturspulen ändern ihre Feldkorrekturkomponenten derart, dass die einmal eingestellte richtige Korrektur beibehalten wird.

Im Sinne der vorliegenden Anmeldung soll unter "orthogonalen Spulen" verstanden werden, dass die erregten Spulen Gradienten-Lösch-Feld-Korrekturkomponenten erzeugen, die die Gesamtstärke des magnetischen Feldes im Bereich des zu korrigierenden Hauptfeldes nicht merklich ändern, noch einen merklichen Gradientenkomponenten erzeugen, der die vorher gefundene optimale Einstellung einer anderen Gradienten-Löschspule stört, die zur Korrektur des Feldes vorgesehen ist» Orthogonale Gradienten-Löschspulenanordnungen können dadurch erreicht werden, dass die Stromwege der verschiedenen getrennt erregbaren Spulen in gewissen vorgegebenen Mustern geformt werden, wie in der US-Patentschrift 3 199 021 und der älteren Anmeldung V 21 723 beschrieben ist, oder dass bestimmte Spulenmuster verwendet und verschiedene Kombinationen von Strömen durch die verschiedenen Spulen überlagert werden, wie in einer älteren US-Anmeldung beschrieben (s. Nr. 44.2 000 vom 23. März I965).

Durch die Erfindung soll eine Anordnung von supraleitenden, ortho-

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gonalen Magnetfeld-Gradienten-Löschspulen verfügbar gemacht werden, die im persistenten Modus arbeiten können.

Erfindungsgemäss wird eine orthogonale supraleitende Gradienten-Löschspule vorgesehen, die Mittel aufweist, mit denen eine geschlossene supraleitende Kreisschleife gebildet werden kann, so dass die Gradienten-Löschspule im persistenten Modus betrieben werden kann, um die Stabilität der Feldkorrekturkomponenten zu verbessern und dafür zu sorgen, dass der Energieverbrauch im Betrieb vernachlässigbar ist.

Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung wird die supraleitende Kreisschleife durch einen Schalter geschlossen, so dass die Spule mit einer gewissen Stromamplitude von einer äusseren Stromversorgung erregt und dann in dem persistenten Modus umgeschaltet werden kann, um die vorbestimmte Feldkorrektur aufrechtzuerhalten*

Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist die supraleitende Gradienten-Löschspule mit dem das zu korrigierende Feld erzeugenden Magneten gekoppelt, entweder mit Hilfe eines Gleichetrom-Feldtransformators, oder dadurch, dass sie ganz in der Nähe des zu korrigierenden Feldbereiches angeordnet wird, so dass der Strom in der Gradienten-Löschspule automatisch seine Grosse entsprechend Änderungen der Stärke de· Hauptfeldes des Magneten ändert,' um die einmal eingestellte Feldkorrektur aufrechtzuerhalten.

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Gemäss noch einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden die supraleitenden Gradienten-Löschspulen von Segmenten der supraleitenden Spule gebildet, die das Hauptfeld des Magneten erzeugt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 ein teilweise als Blockschaltbild dargestelltes Schaltbild eines supraleitenden Magneten mit Merkmalen der Erfindung;

Figa.2 A - D die Abhängigkeit der Magnetfeldstärke H vom Abstand d längs der Z-Achse des Magneten nach Fig. 1 mit Darstellung der Effekte von Z-Achsen-Gradienten-Lösehspulen gemäss Fig. 1;

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt in Verbindung mit einem Blockschaltbild eines Spektrometerβ für gyromagnetische Resonanz mit einem Magneten nach Fig.1;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Satzes orthogonaler Gradienten-Löschspulen für die Magnetanordnung nach Fig. 3;

Fig. 5 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erregung der Gradienten-Lö8chspulen nach Fig. 4$ und

Fig. 6 eine sohematische Aufsicht auf den Gleichstrom-Transformator-Teil, der in Fig. 1 mit der Linie 6-6 umschlossen ist.

In Fig. 1 ist in sohematischer Form ein Schaltbild eines supraleitenden Magneten mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Eine supraleitende Wicklung, die beispielsweise aus 36,6 km (120.000 Fuß) NbZr-Draht mit Kupferhülle bestehen kann, sind zu einer Spule 1

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gewickelt, die 30,5 cm (12 Zoll) lang ist und einen Innendurchmesser von 38 mm (1,5 Zoll) hat. Sie Spule 1 ist vorzugsweise so aufgebaut, dass an den Enden mehrere in Reihe geschaltete Wicklungen vorgesehen sind, um die Feldstärke in der Nähe der Enden zu erhöhen. Die Spule ist an verschiedenen Stellen über die ganze Lange der Spule angezapft, beispielsweise in Intervallen von 3»7 km (12000 Fuss) des Wickeldrahtes. Diese Anzapfungen sind aus einem Zryostaten 2, in den die Spule 1 eingetaucht ist, «it Zupferleitungen 3 an eine Bank vorwärts und rückwärts leitende Dioden 4 herausgeführt, wobei jeweils eine vorwärts und eine rückwärts leitende Diode über jedes angezapfte Segment der Spulenwicklung 1 geschaltet ist. Diese Dioden 4 schützen die Spule 1 und die Stromversorgung, falls die Spule löscht, (quench) und bildet den Gegenstand der älteren Anmeldung 733 405 VIIIc/21g der Anmelderin.

Eine Haupt-Stromversorgung 5» die stromkontrolliert oder geregelt ist, liefert den Erregungsstrom von 0 bis 25 Ampere über Leitungen 6 an die Spule 1. Drei zusätzliche Stromversorgungen 7,8 und 9, die stromgeregelt sind, liefern - 1 Ampere Strom bei 3 ToIt an die jeweilige Last. Die End-Stroaversorgungen 7 und 9 sind jeweils über die End-Wicklungssegmente der Spule 1 geschaltet. Jedes End-Wicklungssegment besteht beispielsweise aus 10 % der Gesamtzahl der Wicklungen der Spule 1. Die Mitten-Stromversorgung 8 liegt über dem Mittelteil der Wicklungssegmente, die etwa 80 fo der Gesamtzahl der Wicklungen der Spule 1 umfassen. Die Stromversorgungen 7, 8 und 9 haben

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eine nahezu unendliche Ausgangsimpedanz, und jede besteht aus einem Operationsverstärker, dem eine Tonfrequenz-Studioverstärker-Ausgangsstufe folgt, deren Kondensatoren entfernt sind, um eine Gleichstromverstärkung zu erhalten. Der Ausgangsstrom der Stromversorgungen 7, 8 und 9 wird an die beiden Endsegmente und das Mittelsegment der Wicklung geliefert, und wird durch Eingangssignale gesteuert, die von den zugehörigen Potentiometernetzwerken 11, 12 und 13 an die Stromversorgungen 7, 8 und 9 geliefert werden.

Die beiden End-Stromversorgungs-Eingänge sind mit einer Welle 14 gekuppelt, die die Abgriffe von zwei Potentiometern 15 und 16 antreibt, die über den Anschlüssen von mit geerdeter Mittelanzapfung versehenen Batterien 17 und 18 liegen. Beim Drehen der Welle 14 liefern die jeweiligen Abgriffe der Potentiometer 15 und 16 gleiche und einander entgegengesetzte Eingangssignale an die Stromversorgungen 7 und 9 über Leitungen 19 bzw.21. Auf diese Weise wird einem Endsegment der Spule Plusstrom zugeführt, und ein gleioher Minusstrom dem anderen Endsegment der Spule. Diese Plus- und Minus-Ströme werden dem Hauptspulenstrom von der Hauptstromversorgung 5 überlagert, um lineare orthogonale Oradientenkomponenten zu erzeugen, die einer gewissen restlichen linearen Gradientenkonponente des magnetischen Hauptfeldes der Spule 1 überlagert werden, um gewisse Restgradienten in noch näher zu beschreibender Weise zu löschen. Variable Widerstände 22 und 2j5 liegen in den Leitungen 19 und 21, um eine Feineinstellung der relativen Amplituden der Ausgangsströme der Endstromversorgungen 7 und 9 zu ermöglichen.

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In ähnlicher Weise verbindet eine zweite gemeinsame Welle 24 die Potentiometernetzwerke 11, 12. und 13 der Stromversorgungen 7» 8 und 9, so dass diese gekuppelt sind , um eine weitere orthogonale Gradientenkontrolle zu ermöglichen. In diesem Falle sind die Endsegment-Stromversorgungs-Eingangspotentiometer 25 und 26 über die jeweiligen mit geerdeter Mittelanzapfung versehenen Batterien 17

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und 18 geschaltet, aass beim Drehen der Welle die jeweiligen Abgriffe Eingangssignale gleichen Torzeichens abnehmen, d.h. beide plus oder minus, so dass beide End-Stromversorgungen gleiche Plusoder Minus-Ausgangsströme liefern. Diese zweiten EingangsSignale werden den End-Stromvereorgungen J und 9 über Leitungen 27 und 28 zugeführt, wobei jede Leitung einen veränderlichen Widerstand 29 und 31 aufweist, um eine relative Feineinstellung der Amplituden der Eingangssignale zu ermöglichen. Die Mitten-Stromversorgung θ ist jedoch ebenfalls mit der Welle 24 gekuppelt, und das zugehörige Eingangspotentiometer 52 liegt über der zugehörigen, mit geerdeter Mittelanzapfung versehenen Batterie 33 in der Weise, dass das hier abgenommene Eingangssignal entgegengesetztes Vorzeichen zu dem hat, das ron den Endpotentiometern 25 und 26 abgegriffen worden ist* Das Eingangssignal der Mitten-Stromversorgung, das vom Potentiometer abgenommen wird, wird über Leitung 54 und einen variablen Wideretand 55 der Mitten-Stromversorgung 8 zugeführt* Der Wideretand 35 erlaubt ee, die Amplitude des Singangeeignale der Mitten-Stromversorgung relativ zu der der Signale zu den End-S tromvereorgungen ? uitd 9 einzustellen. .„■'-■■

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Die Ausgangsstromkomponenten, die durch Verdrehung der Welle 24 erzeugt werden, werden über die vorher eingestellten Ströme in der Spule 1 überlagert, die von der Hauptstromversorgung 5 und den Endstromversorgungen J und 9 geliefert werden. Eine Verdrehung der Welle 24 sorgt also dafür, dass die Endwioklungssegmente-Stromkomponenten sich jeweils in gleicher Weise ändern,während die Stromkomponente, die der Mitten-Wicklungssektion zugeführt wird, sich in entgegengesetztem Sinne ändert. Es ergibt sich dadurch,eine einstellbare, nicht lineare, orthogonale, axiale Gradientenkomponente, die der restlichen nicht linearen Achsen-Gradientenkomponente des magnetischen Hauptfeldes überlagert wird, wenn eine solche vorhanden ist, um diese auszulöschen, so dass das Hagnetfeld der Spule 1 gleichförmiger wird.

Der Betrieb der Gradienten-Löschkontrollen 14 und 24 ist leichter in Verbindung mit Fign. 2 A - D verständlich. Es soll angenommen W werden, dass das magnetische Hauptfeld H , das vom Strom von der Hauptetromversorgung 5, öler durch die Spule 1 flieset, erzeugt wird, die durch die durchgezogene Linie 41 in Fig. 2A dargestellte Form hat. Dieses Feld H hat einen linearen Gradienten lings der Achse der Spule 1, der Z-Achse. Das erwünschte Feld hat die Form, die durch die unterbrochene Linie 42 in Fig. 2a dargestellt ist, d.h. ein gleichförmiges Feld konstanter Stärke von einem Ende der Spule 1 bis zu» anderen. Dieser lineare Gradient wird mit der Schaltung nach Fig· 1 dadurch ausgelösoht, dass die Welle 14 so gedreht wird, dass eine Verstärkung des Felde· H am Ende geringer Stärke

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erzeugt wird, und das Feld H am stärken Ende geschwächt wird, wie durch die unterbrochene Linie 43 in Fig. 2B dargestellt ist. Es ergibt sich <lamit ein gleichförmiges Feld, wie durch die durchgezogene Linie 44 in Fig. 2B dargestellt ist. Es ist zu beachten, dass diese Korrektur durchgeführt wird, ohne dass die gesamte Magnetfeldstärke in der Mitte der Spule geändert wird. Das ist sehr wichtig, weil die Gleichförmigkeit des Feldes typischerweise zur gyromagnetisehen Resonanz überwacht oder verwendet wird* Wenn die gesamte Feldstärke H im Bereich der Resonanzpro.be geändert wird, die in

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der Mitte der Spule angeordnet ist, würde das Resonanzsignal verloren gehen, wenn angenommen wird, dass die Probe von einer üblichen Quelle mit fester Frequenz erregt wird, die auf die Larmor-Frequenz im Feld abgestimmt ist, ehe die Gradientenkorrektur durchgeführt wurde. Wenn stattdessen angenommen wird, dass das ursprüngliche magnetische Gesamtfeld H einen nicht linearen Gradienten aufweist, wie er durch die durchgezogene Linie 45 in Fig. 2C dargestellt ist, wird die Welle 24 gedreht. Dadurch wird eine Gradienten-Korrekturkomponente eingeführt, wie sie durch die unterbrochen· Linien46 und 47 in Fig.2D dargestellt ist. In diesem Falle überlagern die End-Stromversorgungen 7 und 9 Feldkorrekturkomponenten 46, die, wenn sie nicht in anderer Weise kompensiert würden, eine Änderung der Gesamtfeldstärke H in der Mitte der Spule mit sich bringen wurden. Diese Änderung wird jedoch dadurch vermieden, dass die Mitten-Stromversorgung 8 einen Strom entgegengesetzter Richtung liefert und damit ein Feld 47, das im Mittelbereich der Spule die unerwünschte Feldänderung

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aufhebt, die durch die End-Wicklungssegmente hervorgerufen ist, so dasβ insgesamt ein gleichförmiges Gesamtfeld 48 geliefert wird. In der Praxis sind die unerwünschten restlichen Hauptmagnetfeldgradienten der durch die Linien 41 und 45 in Fign« 2A und 2C dargestellten Art üblicherweise gemischt. Die Kontrollen 14 und 24 sind jedoch unabhängig einstellbar oder orthogonal, d.h. eine optimale Einstellung einer Kontrolle 14 stört die vorher optimal gewählte Einstellung der anderen Kontrolle 24 nicht) um diese unerwünschten Axial- W gradienten zu entfernen, und die Korrekturen werden durchgeführt, ohne dass die magnetische Gesamtfeldstärke in der Mitte der Spule 1 geändert wird.

Tiefpassfilternetzwerke aus in Reihe geschalteten Widerständen 49 von 0.5£2 und Parallelkondenaatoren 51 von beispielsweise 2,2 Mikrofairad ■ sind über die Ausgangsklemmen der Stromversorgungen 7, 6 und 9 geschaltet, um eine Schwingung des Ausgangestrones der Stromversorgungen 7, 8 und 9 zu verhindern. In gleicher Weise enthält die Hauptfe Stromversorgung 5 ein nioht dargestelltes Tiefpassfilter, das aus dem gleichen Grunde über die Ausgangsklemmen geschaltet ist.

Wenn auch die End- und Mitten-Sektionen der Spule 1 in Verbindung mit getrennten Stromversorgungen 7, 8 und 9 verwendet werden, um gewisse restliche Axialgradienten zu löschen, sind noch weitere axiale und querliegende restliche Gradienten vorhanden, die zweckmässigerweise eliminiert werden. Dementsprechend sind mehrere andere orthogonale Gradienten-Lösohspulen vorgesehen, die vorzugsweise gewisse vorgesohriebene orthogonale körperliche Formen haben, um eine optimale unabhängige Einstellung jeder Spule ohne gegenseitige Störung zu er-

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möglichen. Diese Spulen sind; ixt dear Nähe des Zfintralbexeiiciiee der Spule angeordnet, um, die„ Glebhförmigkeit: des; Feldes H zu verbessern. Ein solcher Satz Spule» kann die in Fig. 4 dargestellten Formen haben, und kann so angeordnet sein, dass er den Mitteibereich des Hauptfeldes--H-- umfasst, wie in Fig. J dargestellt ist. Solch ein Satz orthogonaler Spulenformen bildet den Gegenstand dear älteren; Anmeldung VjO 475 VHXc/21 g der Anmelderin. Biese zusätzlichen orthogonalen Gradienten-Löschspulen bestehen jeweils aus vielen Vindungen eines supraleitenden Drahtes, und werden gemäss einer Ausführungsforat der Erfindung dadurch erregt, dass sie mit dem Hauptfeld H des Magneten 1 über einen einstellbareu Gleichetroatransformator 55 8^e*~ koppelt sind, der näher in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben wird* Stattdessen können sie innerhalb der Hauptspule 1 angeordnet sein, wobei sie den zu korrigierenden Feldbereich dicht umschllessen, und in dieβen Falle ist kein Gleichstromtransforffiator erforderlieh und die Enden jeder Spule sind jeweils lediglich mit einer supraleitenden Verbindung miteinander verbunden.

Der Transformator 55 wird über eine supraleitende Primärwicklung 54 •rregt, die mit der supraleitenden Hauptspulenwieklung 1 in Reihe geschaltet ist. Die supraleitenden Sekundärwicklungen 55, von denen der Einfachheit halber nur zwei dargestellt sind, liegen jeweils über den zugehörigen Anschlüssen einzelner der Übrigen Quer«· und Aiial-Gradienten-LÖBchspulen 56, um geschlossene supraleitende Kreisschleifen zu bilden, die in den Kryostaten 2 eingetaucht sind. Der Stroe durch -jede der Gradienten-Löschspulen 56 1st einzeln einstellbar, und da«it ist

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die Feldgradientett-Koxrekturkomponente: einstellbar: (vergl. Fig. 6), indem dex zugehörige Anker, auf den die Sekundärwicklung 55 gewickelt ist, gedreht wird* Ein Verdrehen des Ankers 5T erhöht oder verringert den magnetischen Fluss durch die Primärwicklung 54» der im Eisenkern. 58 des Transformators 55 erzeugt wird und mit der zugehörigen Sekundärwicklung 55 verkettet ist. Die verschiedenen Anker 57 werden mit nicht dargestellten mechanischen Wellen verdreht, bis die verschiedenen Feldkorrekturkomponenten optimal eingestellt sind»

Mit einem Gleichstromtransformator erregte ffradienten-Lösciispulen 56 ergeben einen Betriebsvorteil, verglichen mit Gradienten-Löschspulen in Form von End- und Mitten-Sektionswicklungen der Spule, weil sie mit dem Hauptfeld der Spule 1 gekoppelt sind. Wenn also das Hauptfeld gewobbelt wird, indem der Strom , der von der Hauptstromversorgung 5 geliefert wird, geändert wird, werden die jeweiligen Ströme in den Gradienten-Löschspulen und damit die Feldkorrekturkomponenten proportional gewobbelt, so dass die einmal eingestellte, richtige Feldkorrektur beibehalten wird. Im Gegensatz dazu erfordern die anderen Gradientenspulen, die einen Teil der Spulenwicklung bilden, dass die End- und Mitten-Stromversorgungen 7 bis 9 neu eingestellt werden, um die richtige Korrektur aufrechtzuerhalten, wenn die Hauptfeldetärke auf einen neuen Wert geändert wird. Die Gradienten-Löschspulen 56 weisen noch «inen weiteren Vorteil insoweit auf, als keine getrennt· Stromversorgung erforderlich ist.

Für den Fall, dass die Enden jedes orthogonalen Spulensaties 56 mit einer lupraleitenden Verbindung verbunden sind, und diese lediglieh

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in der Spulenwicklung 1- βο angeordnet sind, dass sie den mittleren Bereich der Hauptspule umfassen, der zu korrigieren ist» stellen sich die Ströme in jedem der Spulensätze automatisch so ein, dass kleinste Bestgradienten im zu korrigierenden Hauptfeld ausgelöscht werden. Diese Korrekturen sind ebenfalls selbstjustierend bei einer Wobbelung der Eauptfeidstärke, so dass automatisch ein gleichförmiges Feld innerhalb der Spulensätze 56 beibehalten wird. Hit anderen Worten, die Spulensätse 56 wirken als sekundäre Gleiohstromtransformatorwicklungen, die mit dem zu korrigierenden Primärfeld gekoppelt sind. Jeder Spulensatz 56 koppelt orthogonal mit der zugehörigen Hauptfeldgradientenkomponente, wenn eine solche vorhanden ist, die korrigiert werden soll.

Wenn einmal das magnetische Hauptfeld mit den verschiedenen orthogonalen Gradienten-Löschepulen korrigiert ist, kann das Magnetsystem in einen persistenten Modus umgeschaltet werden, so dass das korrigierte Gesamtfeld H unbegrenzt beibehalten wird. Supraleitende Drähte 59, 61 und 62 sind über die Enden der beiden Endsektionen und die Mittensektion der Hauptspulenwicklungen geschaltet. Persistenzschalter 63, 64 und 65 sind in die supraleitenden Drähte 59, 61 und 62 geschaltet. Die Persistenzschalter bestehen jeweils aus einem thermisch isolierenden elektrischen Element 66, durch das die supraleitenden Drähte '5'9, 61 und 62 hindurch treten. Ein Widerstands-Heizelement 67 ist ebenfalls in das dielektrische Element 66 eingebettet. An die Heizelemente 67 wird über Leitungen 68 Strom geliefert, der von einer Stromversorgung 69 nach Teilung und Abgriff von einem Spannungsteilernetzwerk 71-

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geliefert wird. Eine Reihe gekuppelter einpoliger Umschalter 72 sind in die Leitungen 6 und 3 eingeschaltet, die die jeweiligen Stromversorgungen 5, 7t 8 und 9 mit der Spule verbinden, und in die Leitungen 68, die zu den Heizelementen 67 der Persistenzschalter 63, 64 und 63 führen. Ein Schalter 60 liegt ebenfalls zwischen der Fersi8tenzsohalter-Stromvereorgung 69 und dem Spannungsteiler 71·

In der Zeit, in der die supraleitende Spule 1 von den Stromversorgungen 5t 7» 8 und 9 erregt wird, sind die Schalter 60, 72 und 72 alle geschlossen. Sie Heizelemente 67 werden dann erregt, so dass die supraleitenden Drähte 59, 61 und 62 auf eine Temperatur etwas oberhalb der kritischen Supraleitungs-Temperatur erwärmt werden, so dass sie nicht supraleitend erscheinen und damit den Strom nicht an der supraleitenden Hauptspulenwioklung 1 vorbeileiten. Wenn einmal der korrigierte Feldzustand im Hauptfeld der Zylinderepule erreioht worden ist, wie bereits beschrieben wurde, wird der Schalter 60 geöffnet. Die Fersistenzschalter 65, 64 und 65 werden damit aberregt, so dass das flüssige Helium im Kryoetaten 2 schnell, d.h. innerhalb von 1 bis 2 Sekunden, die supraleitenden Nebenschlussdrähte 59, 61 und 62 in den supraleitenden Zustand abkühlen kann. Der von den Stromversorgungen 5, 7, 8 und 9 gelieferte Magnetstrom wird dann auf Stärke Null herabgesetzt, und wenn das erreioht ist, wandert der Magnetstrom von den Kreisteilen, die die verschiedenen Magnetetromversorgungen 5t 7t 8 und 9 enthielten, in die supraleitenden Nebenschlusekreisschleifenteile über. Auf diese Weise werden

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die einmal eingestellten Ströme in den verschiedenen Sektionen der Spulenwioklung 1 persistent für unbestimmte Zeit gemacht, so dass die einmal eingestellten korrigierten Feldbedingungen beibehalten werden, ohne dass zusätzliche Leistung in das Magnetsystem.geliefert zu werden braucht. Die Schalter 72 und 72 werden dann geöffnet, um den Magneten von den Strömversorgungen zu trennen» Im persistenten Modus hat das Feld eine grössere Stabilität, weil es jetzt gegen mögliche Stromfluktuationen und Stromstösse isoliert ist, die

/ in den Stromversorgungen entstehen können.

In Fig. 3 ist ein Spektrometer für gyromagnetische Resonanz dargestellt, in dem das Magnetsystem nach/Fig* 1 verwendet wird. Sie supraleitende Spule 1 ist in den Kryostaten 2 eingetaucht. Das zun Löschen sekundärer Gradienten benutzte Spulensystem 56 ist koaxial zur Hauptspule 1 und ausserhalb desselben»angeordnet. Der Kryostat 2 enthält ein Dewargefäs8 75 mit flüssigem Stickstoff, das ein Dewargefäss mit flüssigem Helium umgibt, in das die supraleitende Spule 1 eingetaucht ist. Ein drittes Dewargefäss 77 ist zentral innerhalb der Dewar* gefässe für flüssiges Helium und flüssigen Stickstoff angeordnet und gegen Atmosphäre offen. Das dritte DewargefäBS 77 enthält eine Probe 7β für gyromagnetische Resonanz, die untersucht werden soll. Die Probe 78 ist in einer gläsernen Phiole 79 enthalten*

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Die Spule 1 liefert ein. kräftiges, gleichförmiges, unidirektionales Hagnetfeld H von beispielsweise 54kG, das längs der Z-Achse durch das Probenvolumen gerichtet ist* Eine Senderspule 81, die koaxial mit der X-Achse ausgefluchtet ist, wird mit Hochfrequenzenergie von einem Sender 82 erregt. Der Sender liefert eine Auegangespannung bei der Larmor-Frequenz von beispielsweise 220 HHz, der gyromagnetischen Körper (Protonen) in der Probe 78, um deren gyromagnetische Resonanz anzuregen. Eine Empfängerspule 83, die koaxial mit der X-Achse ausgefluohtet ist, nimmt das Resonanzsignal auf, das von der Probe 7θ abgegeben wird, und liefert dieses Resonanzsignal an einen Empfänger 84, indem es verstärkt, gleichgerichtet und einem Schreiber 85 zugeführt wird.

Sie Stärke des Hagnetfeldes H wird dadurch gewobbelt, dass eine gleichförmige Gleichfeldkomponente H längs der Z-Achse dem Hauptfeld der Spule 1 tiberlagert wird. Sie Wobbelfeldkomponente wird mit einer kleinen, nicht dargestellten Spule erzeugt, die um die Sonde innerhalb der Hauptspule gewickelt ist. Sie Wobbeispule wird mit Strom von einem Wobbelgenerator 86 erregt. Sas Feld H wird durch die verschiedenen Reeonanzlinien der Probe 78 gewobbelt, um am Ausgang ein Resonanzspektrum zu erhalten. Das Spektralsignal wird im Sohreiber 85 in Abhängigkeit vom Wobbelfeldsignal aufgezeichnet, ,um das aufgezeichnete Resonanzspektrum der Prob* 78 zu erhalten.

In fif· 5 ist eine andere Ausführungifora der erfindungegemaseen Gradienten-Lösohspulenschaltung dargestellt. Bei dieser Ausführung*- BAD ORIGINAL '

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formwird die zweite Gruppe supraleitender Gradienten-Löschspulen 56 nacheinander von einer Stromversorgung erregt und dann werden die Spulen nacheinander in den persistenten Modus ge schältet« Genauer gesagt, die supraleitenden Gradienten-Löschspulen 56, wie sie oben beschrieben sind, sind jede an einen Satz Schalteranschlüsse 91 eines zweipoligen Schalters 92 nit mehreren Schaltstellungen angeschlossen, um nacheinander die verschiedenen Gradienten-Löschspulen 56 mit der Stromversorgung 8 zu verbinden. Die Stromversorgung 8 ist wie in Verbindung mit Fig. 1 bereits beschrieben. Sie supraleitenden Drähte 93 liegen über den Anschlüssen jeder der supraleitenden Gradienten-Löschspulen 56. Bereits beschriebene Persistenzschalter 63 liegen in den supraleitenden Nebenschlussdrahten 93 der Kreise. Im Betrieb wird jede der Gradienten-Löschspulen 56 nacheinander über Schalter 92 mit der Stromversorgung 8 verbunden. Die Schalter $0 und 72 » die den Strom zum Persistenzschalter-Heizelement 67 kontrollieren, sind geschlossen. Die angewählte Spule 56 wird dann mit der Stromversorgung θ auf den richtigen Stromwert erregt, um einen gewissen der Restgradienten des Hauptfeldes von der Spule 1 zu korrigieren· Wenn die richtige Feldkorrektur erreicht ist, wird der betreffende Persistenzschalter 63 aberregt, indem der Heizstromachalter 72 geöffnet wird. Nachdem der Nebenschlussdraht 93 auf den supraleitenden Zustand abgekühlt ist, wird der Strom von der Stromversorgung 8 auf Null herab-' gesetzt und diese dann mit Schalter 92 abgeschaltet. Auf diese Veise wird die eingestellte Feldkorrektur für diese Gradienten-Löschspule unbegrenzt aufrechterhalten, ohne dass zusätzliche Leistung in die Gradienten-Lösohspule 56 geliefert wird. Dieser Vorgang wird für die

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anderen Spulen 56 wiederholt, bis alle Spulen 56 richtig erregt sind und im persistenten Modus arbeiten.

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Claims

PATENTANWALT

DfPL-ING. H. KLAWS BERNHARDT

8000 MQNCHEN 23 . -WA-IiNZEHSTR. 5 71 P126: D

tt 1614070

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1» Crradienten^Bösonspulen'-Anaretntuig^ zum !löschen von restlichen Magnetfeldgradienten in einem Magnetfeld* dadurch gekennzeichnet» dass eine Anzahl Windungen eines Supraleiters, in eine solche 3?arm gewickelt und derart erregbar sind,dass sie eine» Sat« orthogonaler,; supraleitender Gradienten-lQVsehspulen bilden, die in der Nähe eine« Bereiches eines Magnetfeldes angeordnet sind, in dem gewisse restliche Feldgradienten gelöscht werden SoHeH₁. eine supraleitende Verbindung über die Enden der Spulen geschaltet isvt _r um den supraleitenden Kreis über diese Enden au sehliessen, so dass ein geschlossener supraleitender Kreis gebildet wird» damit die supraleitende Gradienten-Löschspule im persistenten Modus feetrieben werden kann, um die Stabilität zu verbessern und den Energieverbrauch zu verringern.

2« Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daea die supraleitende Verbindung einen supraleitenden Schalter enthält, so des« die Spule von einer externen Stromversorgung auf einen bestimmten StroDiwert in der Spule erregt werden kann, während dtr Schalter nicht im supraleitenden Zustand ist, und die Spul·

mit dem Schalter in den persistenten Modus geschaltet werden kann, wenn der Schalter im supraleitenden Zustand arbeitet.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter ein Heizelement enthält, mit dem wahlweise wenigstens ein Teil der supraleitenden Verbindung auf eine Temperatur über der kritischen Übergangstemperatur normal-supraleitend erhitzt werden kann, so dass, wenn das Heizelement ausreichend erregt ist, die supraleitende Spule von einer externen Stromversorgung auf einen gewünschten Stromwert erregt werden kann, der durch Aberregung des Heizelementes, wodurch ermöglicht wird, dass der geheizte Teil des Supraleiters in den gekühlten, supraleitenden Zustand zurückkehren kann, im persistenten Modus beibehalten werden kann.

4· Anordnung nach Anspruch 1,2 oder 5 ^mit einer supraleitenden Spule, mit der ein magnetisches Hauptfeld erzeugt wird, das gewisse restliche Magnetfeldgradientenkomponenten aufweist, die durch die Gradienten-Löschspulen-Anordnung ausgelöscht werden sollen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradienten-Löschspulen-Anordnung aus wenigstens einem Segment der Wicklung der das Hauptfeld produzierenden Zylinderspule gebildet wird.

5. Anordnung nach einem d»r Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch, einen Gleichstromwandler mit einer Primärwicklung, die mit einem Strom erregt wird, der proportional ist dem in den Wicklungen

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einer das Hagnetfeld erzeugenden Spule, und ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Supraleiter, der die Enden der Gradienten-Löschspulen verbindet, zu einer Sekundärwicklung dieses Gleichstromtransformator^gewickelt ist, so dass die Gradien- - ten-Lösch-Feldkomponente, die von der Gradienten-Löschspule erzeugt wird, eine Grosse hat, die sich proportional zum Strom in der Hagnetfeldspule ändert, so dass die einmal eingestellten Gradienten-Löscheffekte beibehalten werden, wenn die Feldstärke des magnetischen Hauptfeldes gewobbelt wird.

6. Anordnung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch eine Einrichtung, mit der die magnetische Kopplung zwischen der Primär- und Sekundärwicklung des Transformators geändert wird, um die Amplitude der Grädienten-Lösch-Feldkomponente einzujustieren, die von der Gradienten-Löschspule erzeugt wird»

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Wicklung der das Hagnetfeld erzeugenden Spule in zwei in Reihe geschaltete Bndwicklungssegmente aufgespalten ist, von denen jede aus einer Vielzahl Windungen eines Supraleiters besteht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Supraleiter über die Enden von jedem der Wicklungssegment· geschaltet ist, so dass jedes der Wicklungssegmente zu einem Teil einer supraleitenden orthogonalen Gradienten-Löschspule geformt wird·

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8. Anordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Spule ein mittleres Wicklung«segment aufweist, das zwischen die beiden Endsegmente mit diesen in Heihe geschaltet ist, und das mehr Windungen der Spule enthält als eines der "beiden Endsegmente, ein Supraleiter über die Enden des zentralen WiclclungsSegmentes geschaltet ist, um das zentrale Wicklungssegment zusammen mit den

_ Endsegmenten in gewissen Stromverhältnissen zu erregen, um ein

gewisses, orthogonale gradientenlöschendes Feld im Zentralbereich der Spule zu schaffen, und ein Schalter in den Supraleiter geschaltet ist, der über die Enden des zentralen Wicklungssegmentes geschaltet ist, so dass das zentrale Wicklungssegment von einer Stromversorgung so erregt werden kann, dass gewisse orthogonale Hagnetfeld-Gradientenkomponenten erzeugt werden können, und dann mit dem Schalter in einen persistenten Modus geschaltet werden kann, um die einmal eingestellten orthogonalen Gradienten-Löschkomponenten beizubehalten.

9· Anordnung nach Anspruch 7 oder Θ, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kryostat die Spule enthält, um diese in den supraleitenden Zustand abzukühlen, eine Stoffprobe für gyromagnetische Resonanz in den von Gradienten befreiten Teil des Magnetfeldes eingetaucht ist, eine Erregungseinrichtung und ein Detektor zur Feststellung gyromagnetischer Resonanz der Probe vorgesehen sind, und Erregungseinrichtungen für die Gradienten-Lösch-Spulensegmante der Spulenwicklung.

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10. Anordnung naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein· Spule aus einem Satz orthogonaler Gradienten-Löachflpulen eine orthogonale Stromweggeometri· aufweist, und dass der geschlossene supraleitende Kreis innerball) der Spule angeordnet ist, die den zu lcorrigierenden Feldbereich umfasst, so dass die richtige Stromstärke automatisch durch die orthogonale Spulenge oae trie flieset, um gewisse restlich· Magnetfeldkomponenten im zu korrigierenden Bereich auszulösohen.

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