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Dokumentenidentifikation DE4020112C2 11.06.1992
Titel Magnetwicklung mit Lagensprungkompensation
Anmelder Bruker Analytische Meßtechnik GmbH, 7512 Rheinstetten, DE
Erfinder Müller, Wolfgang H.-G. Dipl-Phys. Dr.habil., 7500 Karlsruhe, DE
Vertreter Kohler, R., Dipl.-Phys.; Rüdel, D., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing., Pat.-Anwälte, 7000 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 23.06.1990
DE-Aktenzeichen 4020112
Offenlegungstag 09.01.1992
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 11.06.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.06.1992
IPC-Hauptklasse H01F 7/20
IPC-Nebenklasse G01R 33/38   H01F 41/06   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Magnetwicklung in Luftspulenanordnung mit aus Leiterelementen aufgebauten Windungen, die eine Magnetfeldachse umschließen und in mindestens zwei Lagen mit mindestens einem Lagensprung gewickelt sind.

Eine solche Magnetwicklung ist beispielsweise aus der Veröffentlichung "SOLENOID MAGNET DESIGN, The Magnetic and Mechanical Aspects of Resistive and Superconducting Systems" von D. Bruce Montgomery, 1980, Robert E. Krieger Publishing Company, Huntington, New York bekannt.

Für viele Anwendungen werden hoch homogene Magnetfelder benötigt, die mit Hilfe von axialsymmetrischen, insbesondere rotationssymmetrischen Spulenanordnungen erzeugt werden können. Zur Erzeugung solcher Felder sind Schleifen oder Ringe erforderlich, die in der Praxis aus Drähten gewickelt werden müssen, deren Durchmesser im Verhältnis zum Wickelradius, insbesondere bei Spulen aus normalleitendem Kupferdraht, relativ groß sein kann. Die reale Wicklung erfordert einen Übergang von einer Wicklungslage zur anderen, wodurch ein beachtlicher Wickelfehler entsteht. In einem Winkelbereich um die Spulenachse, in dem der Übergang von einer Lage zur anderen stattfindet, ist in der jeweils radial innersten Windung im Mittel pro zwei Lagen nur ein Leiterelement angeordnet, dem im übrigen Winkelbereich außerhalb des Lagensprunges zwei Leiterelemente, nämlich in jeder Lage eines, gegenüberstehen. Dadurch entsteht im Bereich des Lagensprungs ein lokaler Defekt des von der Spule erzeugten Magnetfeldes.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Magnetwicklung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, bei der der durch den Lagensprung verursachte Magnetfeldfehler zumindest teilweise kompensiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem Winkelbereich um die Magnetfeldachse, der einen Lagensprung umfaßt, der radiale Abstand zumindest der radial innersten Windung der jeweiligen Lage von der Magnetfeldachse geringer ist als im übrigen Winkelbereich.

Durch die "Verdünnung" der mittleren Anzahl der Leiterelemente zwischen zwei Lagen im Bereich des Lagensprungs auf jeweils nur im Mittel ein halbes Leiterelement pro Lage in der radial innersten Windung wird im Winkelbereich des Lagensprungs von der stromdurchflossenen Spule ein geringerer Beitrag zum Magnetfeld im Inneren der Spule geliefert als von den Bereichen außerhalb des Lagensprungs. Zwar kann dieser Feldeinbruch bei doppellagigen Windungspaketen, die in einem Gegenschneckenwicklungsverfahren, dem sogenannten "Pancake"-Verfahren, nach dem eingangs zitierten Stand der Technik hergestellt werden, teilweise dadurch kompensiert werden, daß im Bereich der Leitungszu- und -abführung, die üblicherweise an der Spulenaußenseite angeordnet ist, über den Winkelbereich des Lagensprungs in beiden Lagen jeweils im Mittel ein halbes zusätzliches Leiterelement pro Lage radial außen an der Wicklung angeordnet ist. Dieses zusätzliche Leiterelement kompensiert jedoch aufgrund seiner größeren radialen Entfernung vom Spuleninneren den Verlust durch das Fehlen des Leiterelements in der radial innersten Windung nicht vollständig. Durch die erfindungsgemäße Verlegung der Innenbegrenzung der Spule im Bereich des Lagensprungs in Richtung auf das Feldzentrum der Spule kann jedoch die verbleibende, noch beträchtliche Feldschwächung größtenteils und im günstigsten Fall sogar vollständig kompensiert werden, indem der aufgrund der "Verdünnung" der Leiterdichte im Lagensprungbereich hervorgerufene zu geringe Feldanteil durch einen erhöhten Feldbeitrag aufgrund eines geringeren radialen Abstandes des "verdünnten" Leiterbereichs von der Feldachse ausgeglichen wird.

Eine solche niedersymmetrische, lokalisierte Störung des Magnetfelds ist z. B. durch Shim-Spulen kaum ausgleichbar. Durch die Erfindung wird vielmehr einem lokalen Fehler durch lokale Gegenmaßnahmen besonders effektiv entgegengewirkt.

Besonders groß ist der durch den Lagensprung entstehende Feldfehler dann, wenn der Durchmesser der Leiterelemente im Verhältnis zum Spulendurchmesser nicht vernachlässigbar klein ist, insbesondere mindestens 1/1000 oder gar mindestens 1/100 des Wickelradius&min; der Magnetwicklung beträgt. Entsprechend groß ist die Verbesserung der Homogenität des Magnetfeldes durch die erfindungsgemäße Modifikation der Magnetwicklung. Dieser Effekt ist um so größer, je größer die Anzahl der Windungen pro Lage ist, insbesondere, wenn die Windungszahl pro Lage größer ist als 10, da der kompensierende Feldbeitrag von dem zusätzlichen Leiterelement im Bereich der Leitungszu- und -abführung dann aufgrund der größeren radialen Entfernung vom Feldzentrum entsprechend schwach ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Leiterelemente von einem Kupferdraht mit rechteckigem, insbesondere quadratischem Querschnitt mit einer Kantenlänge von 10-12 mm, insbesondere 11,6 mm, und mit einer den Querschnitt senkrecht durchsetzenden Bohrung gebildet. Der Innendurchmesser der Magnetwicklung bei dieser Ausführungsform beträgt 800-1000 mm, insbesondere 900 mm. Diese Abmaße sind typisch für resistive Tomographiemagnete mit fluidgekühlten Leiterelementen.

Bei einer Ausführungsform weist die Magnetwicklung einen achsensymmetrischen Aufbau bezüglich der Magnetfeldachse auf, wobei jedoch in einem Winkelbereich um die Magnetfeldachse, der einen Lagensprung umfaßt, von der Achsensymmetrie abgewichen wird. Zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes ist der achsensymmetrische Aufbau der Magnetwicklung eine Mindestbedingung an die Geometrie der Spulenanordnung.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Magnetwicklung im wesentlichen einen rotationssymmetrischen Aufbau auf. Die überwiegende Mehrzahl der Spulen zur Erzeugung homogener Magnetfelder sind nämlich rotationssymmetrische Ringspulen, die durch die erfindungsgemäße Modifikation Magnetfelder von besonders hoher räumlicher Homogenität erzeugen können.

Insbesondere bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der die Magnetwicklung eine n-fache Helmholtz-Anordnung bildet, konnen extrem homogene Magnetfelder erzeugt werden, bei denen die Magnetfeldterme bis zur 2n-ten Ordnung zu Null werden. Wählt man dagegen die Parameter dergestalt, daß im Feldzentrum die Terme höherer Ordnung nicht exakt zu Null werden, sondern die Helmholtz-Bedingung jeweils nur näherungsweise erfüllt ist, so daß eine geringe Restwelligkeit zugelassen wird, kann das Homogenitätsvolumen in seiner Form verändert werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Magnetwicklung aus jeweils 2-lagigen Gegenschneckenwicklungen gemäß der "Pancake"-Technik aufgebaut. Dadurch sind die radialen Windungsübergänge und axialen Lagensprünge in einem räumlich eng begrenzten Bereich lokalisiert, in dem sich auch die Anschlußstücke der jeweiligen Lagen am Spulenäußeren befinden.

Besonders vorteilhaft ist eine solche Anordnung für innengekühlte Spulen mit hohlen Leiterelementen, da die kältesten Teile der Leiterelemente an der Stelle des Kühlmittelzuflusses gerade die heißesten Teile der Leiterelemente an der Stelle des Kühlmittelabflusses kühlen. Dadurch wird eine gleichmäßigere Temperaturverteilung über den gesamten Wicklungsbereich erreicht. Bei zu großen Temperaturgradienten würden, bedingt durch die lokal unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Spulenmaterials, im Betrieb geometrische Verformungen der Spule auftreten, die die Form des Magnetfeldes, insbesondere seine räumliche Homogenität negativ beeinflussen würden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die vom Lagensprung hervorgerufene Störung auf einen Winkelbereich um die Magnetfeldachse zwischen 10° und 30°, insbesondere 25°, begrenzt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Winkelbereich um den Lagensprung der radiale Abstand zumindest der radial innersten Windung der jeweiligen Lage von der Magnetfeldachse in der Mitte des Winkelbereiches um den halben Durchmesser der Leiterelemente geringer als außerhalb des Winkelbereichs. Bereits mit dieser einfachen Korrektur gegenüber der üblichen symmetrischen Wicklungsausführung kann eine Verringerung des Feldfehlers durch den Lagensprung um eine Zehnerpotenz erreicht werden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Magnetwicklung Teil einer Spulenanordnung für die NMR-Tomographie ist. Gerade in diesem Anwendungsbereich wird eine besonders hohe Homogenität des Magnetfeldes in der Größenordnung von 10-4 bis 10-5 gefordert, wobei sich die Homogenität über relativ große Volumina erstrecken soll und die Bauform der felderzeugenden Spule möglichst kompakt, also mit möglichst geringem Innendurchmesser ausgeführt sein soll. Daher wirkt sich bei der NMR-Tomographie die Feldstörung aufgrund eines Lagensprunges, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Modifikation der Magnetwicklung weitgehend behoben wird, besonders gravierend aus.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform besteht die Magnetwicklung aus mindestens zwei kreiszylindrischen, koaxialen Feldspulen. Außerdem ist die Magnetwicklung von einem ferromagnetischen Zylindermantel umgeben, dessen Einfluß auf die Homogenität des Magnetfeldes, das von der Spulenanordnung in einem von ihr definierten, zur Aufnahme eines zu untersuchenden Körpers geeigneten und zugänglichen Innenraumes erzeugt wird, durch die Dimensionierung der Feldspulen kompensiert wird. Diese Anordnung ermöglicht die Abschirmung äußerer Störfelder. Insbesondere aber wird das von dem Elektromagneten erzeugte Magnetfeld sowie die bei der Tomographie zu erzeugenden HF-Felder auf den vom Zylindermantel umschlossenen Bereich beschränkt. Dadurch werden die sonst üblicherweise sich nach außen ausbreitenden Streufelder, die insbesondere in der Nähe befindliche elektronische Geräte in ihrer Funktion stark beeinträchtigen können und auch eine Gefahr für Personen mit Herzschrittmachern darstellen, durch eine Flußrückführung weitgehend vermieden.

Die Erfindungsaufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer mindestens zweilagigen Magnetwicklung mit mindestens einem Lagensprung, insbesondere einer Magnetwicklung mit den oben beschriebenen Merkmalen, bei dem zumindest die jeweils radial innerste Windung der eine Magnetfeldachse umschließenden Magnetwicklung in einem Winkelbereich um die Magnetfeldachse, die einen Lagensprung umfaßt, mit einem geringeren radialen Abstand von der Magnetfeldachse gewickelt wird als im übrigen Winkelbereich.

Bei einem bevorzugten Verfahren wird zum Wickeln eine Wickelschablone verwendet, die in einem Winkelbereich um die Magnetfeldachse, der einen Lagensprung zwischen zwei Lagen der Wicklung umfaßt, eine radiale Ausnehmung an ihrem Umfang aufweist, die sich in axialer Richtung über den Bereich derjenigen Lagen erstreckt, zwischen welchen der Lagensprung auftritt.

Besonders einfach ist ein Verfahren, bei dem zum Wickeln eine zylinderförmige Wickelschablone verwendet wird, deren kreisförmiger Querschnitt auf der ganzen axialen Länge der Wickelschablone eine segmentförmige Ausnehmung aufweist, wobei im Bereich der segmentförmigen Ausnehmung jeweils die Lagensprünge der Magnetwicklung gewickelt werden. Die gebräuchlichsten Magnetspulen zur Erzeugung von homogenen Magnetfeldern sind, wie oben bereits erwähnt, Zylinderspulen. Eine erfindungsgemäß modifizierte Zylinderspule läßt sich nach dem oben beschriebenen Verfahren besonders einfach herstellen.

Bei einem weiteren Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäß modifizierten Magnetwicklung wird nach dem Wickeln einer normalen axialsymmetrischen Magnetwicklung an mindestens der jeweils innersten Windung der eine Magnetfeldachse umschließenden Magnetwicklung in einem Winkelbereich um die Magnetfeldachse, welche einen Lagensprung umfaßt, ein zusätzliches Leiterstück elektrisch leitend angebracht. Damit wird auch eine nachträgliche erfindungsgemäße Modifikation herkömmlicher Magnetspulen möglich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln und für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen:

Fig. 1a eine Draufsicht auf einen Teilbereich der unteren Lage einer "Pancake"-Spule in Richtung der Magnetfeldachse,

Fig. 1b eine teilweise Draufsicht auf die obere Lage einer "Pancake"-Wicklung,

Fig. 1c Draufsichten auf Axialschnitte A bis G durch die "Pancake"-Anordnung von Fig. 1a und 1b;

Fig. 1d Draufsichten auf Axialschnitte A bis G mit radial nach innen verschobenem Spulenrand;

Fig. 2 eine experimentell bestimmte Magnetfeldkurve über dem Umfangswinkel Φ um die Feldachse bei einem Meßradius von 400 mm;

Fig. 3 das Ergebnis einer Modellrechnung für die Magnetfeldverteilung um die Feldachse, und

Fig. 4 einen Vergleich zwischen dem theoretischen Feldverlauf bei einer herkömmlich gewickelten Magnetfeldspule und dem theoretischen Feldverlauf bei einer erfindungsgemäß modifizierten Magnetwicklung bei einem Meßradius von 180 mm.

Bei mehrlagigen Magnetwicklungen tritt an den Stellen, wo der Spulendraht oder allgemein die Leiterelemente, aus denen die Magnetspulen gewickelt werden, von einer Lage in die nächste Lage übergeht, jeweils ein Lagensprung auf. Falls der Leiterdurchmesser vernachlässigbar klein gegen den Spulendurchmesser ist, kann der durch den Lagensprung verursachte Defekt in der Homogenität des von der Spule erzeugten Magnetfeldes ebenfalls vernachlässigt werden. In vielen Fällen, in denen hochhomogene Magnetfelder benötigt werden, müssen die Magnetspulen jedoch aus relativ dicken Leiterelementen gewickelt werden.

In Fig. 1 ist als Beispiel ein doppellagiges Windungspaket in der sogenannten "Pancake"-Wicklungstechnik gezeigt, wie es z. B. in der eingangs zitierten Publikation von Montgomery beschrieben ist. Fig. 1a zeigt einen Ausschnitt einer Draufsicht in Feldachsenrichtung auf die untere der beiden Lagen, während Fig. 1b einen entsprechenden Ausschnitt der darüberliegenden Lage ebenfalls in axialer Draufsicht darstellt. Ein von außen zugeführter Leiter ist in der unteren Lage (Fig. 1a) radial gesehen von außen nach innen um die Spulenachse gewickelt und steigt im Bereich des Lagensprungs mit seiner radial innersten Windung in die darüber liegende Lage (Fig. 1b) auf, wo er von innen nach außen gewickelt ist und nach der dritten Windung schließlich vom Spulenäußeren weggeführt ist. Der Lagensprung vollzieht sich in einem Übergangsbereich von ca. 25° um die Spulenachse, wobei in einem Abstiegsbereich, der sich jeweils über einen Umfangswinkel α=7,5° erstreckt, die drei Windungen einer jeden Lage um eine Windungshöhe, also die Strecke eines Leitungsdurchmessers von ihrer ursprünglichen Position radial nach innen geführt sind. Dieser Abstiegsbereich der unteren Lage ist in Fig. 1a rechts von der Leiterzuführung dargestellt, während ein entsprechender Aufstiegsbereich der oberen Lage in Fig. 1b links von der Leiterabführung verläuft. Symmetrisch zwischen den beiden Ab- bzw. Aufstiegsbereichen liegt der Verschränkungsbereich, der sich über einen Winkel β=10° erstreckt, wo das radial innerste Leiterelement von der unteren Lage kurz vor dem Schnitt C nach oben abknickt und kurz hinter dem Schnitt E die Axialebene der oberen Lage erreicht hat und in dieser Ebene weitergeführt ist. Der Winkelbereich, in dem der Lagensprung einen Feldfehler verursacht, erstreckt sich also auf insgesamt 25°, wobei der Hauptbeitrag zum Wickelfehler vom Verschränkungsbereich (β=10°) hervorgerufen wird.

In Fig. 1c sind verschiedene Schnittansichten der übereinander liegenden beiden Windungen gezeigt. Beim Schnitt A liegen die jeweils 3 Windungen der oberen und unteren Lage axial gesehen übereinander und radial gesehen bündig am inneren Spulenrand an. Beim Schnitt B erkennt man, daß die in den Schnittbildern von 1c jeweils rechts dargestellten Windungen der oberen Lage von der inneren Begrenzung der Spule einen radialen Abstand nach außen aufweisen, während die links dargestellten Windungen der unteren Lage am Spuleninnenrand bündig anliegen. Kurz hinter dem Ende des linken Aufstiegsbereiches, der sich über den Winkel α erstreckt, zeigt der Schnitt C, daß die drei Windungen der oberen Lage genau um einen Leiterdurchmesser radial nach außen versetzt sind, während die innerste Windung der unteren Lage noch bündig am Innenrand der Spule anliegt, aber in axialer Richtung von der unteren in Richtung auf die obere Lage aufgestiegen ist. Beim Schnitt D in der Mitte des Verschränkungsbereiches ist die radial innerste Windung in ihrer axialen Position genau zwischen beiden Lagen angelangt, während beim Schnitt E der Anstiegsbereich über den Winkel β bereits fast durchlaufen ist und die innerste Windung die Axialebene der oberen Lage nahezu erreicht hat. Die radial äußerste Windung der oberen Lage ist beim Schnitt D bereits nach außen weggeführt, während nunmehr eine zusätzliche äußerste Windung der unteren Lage durch die Leitungszuführung hinzugekommen ist. Beim Schnitt F hat die innerste Windung den Lagensprung vollzogen und liegt voll in der Axialebene der oberen Lage; der Abstiegsbereich für die untere Lage ist ungefähr zur Hälfte durchlaufen und die drei Windungen der unteren Lage haben sich radial um etwa einen halben Leitungsdurchmesser der inneren Spulenbegrenzung genähert. Bei Schnitt G schließlich liegen die beiden Lagen wieder symmetrisch übereinander und mit ihren innersten Windungen bündig an der Innenbegrenzung der Spule an.

In Fig. 1d sind verschiedene Schnittzeichnungen der übereinander liegenden Windungen gezeigt, wobei erfindungsgemäß die Leiterelemente im Lagensprungbereich radial nach innen versetzt sind. Im Verschränkungsbereich (Schnitt D) beträgt die radiale Verschiebung etwa eine halbe Wicklungsdicke, während im Aufstiegsbereich (Schnitt B) und Abstiegsbereich (Schnitt F) eine kleinere radiale Verschiebung ersichtlich ist.

Der Beitrag der innersten Windungen der beiden Lagen zum Magnetfeld ist innerhalb des Ab- bzw. Aufstiegsbereiches (Winkel α) und des Verschränkungsbereiches (Winkel β) jeweils geringer als im übrigen Winkelbereich, da, wie aus Fig. 1c deutlich ersichtlich, in diesem Bereich im Mittel jeweils weniger als zwei Leiterelemente im Bereich der innersten Windungen zum Feld beitragen. Im Verschränkungsbereich, dem eigentlichen Kernbereich des Lagensprungs, wird der Feldbeitrag der beiden Lagen an der Stelle ihrer innersten Windungen lediglich von einem einzigen Leiterelement geliefert. Zwar wird in diesem Bereich gleichzeitig an der Spulenaußenseite ein zusätzliches Leiterelement jenseits der äußersten Windung aufgrund der radialen Versetzung der Windungen wirksam. Dieses trägt jedoch aufgrund seines größeren radialen Abstandes weniger zum Magnetfeld bei als es ein Leiterelement auf der Position der innersten Wicklungen am Spuleninnenrand tun würde. Daher ergibt sich insgesamt im Bereich des Lagensprungs eine lokale Schwächung des von der Spule erzeugten Magnetfeldes.

Die Erfindung ermöglicht es nun, dieser Magnetfeldschwächung entgegenzuwirken und sie im günstigsten Fall vollständig zu kompensieren. Dazu wird im Winkelbereich des Lagensprungs die innerste Windung näher an der Magnetfeldachse positioniert, also radial um eine gewisse Strecke zur Spulenmitte hin verschoben gewickelt. Der radiale Abstand zwischen benachbarten Windungen wird als Windungsabstand bezeichnet. Dieser Windungsabstand entspricht bei einer Wicklung mit einem Draht gerade der Drahtdicke. Wird die Spule aus mehreren Drähten parallel gewickelt, so ist der Windungsabstand ein ganzzahliges Vielfaches der Drahtdicke. Im Beispiel von Fig. 1 ist der radial nach innen verschobene neue Spuleninnenrand gestrichelt gezeichnet und hat beim Schnitt D den Abstand d/2 eines halben Leiterelementdurchmessers vom ursprünglichen Spuleninnenrand. Bei einer rotationssymmetrisch gewickelten Spule könnte der neue Spuleninnenrand im einfachsten Fall einer Bogensehne folgen, die sich vom links dargestellten Beginn des Verschränkungsbereiches der oberen Lage bis zum Ende des rechts dargestellten Verschränkungsbereiches der unteren Lage erstreckt.

Der tatsächliche Feldfehler wurde experimentell an einer einzelnen Feldspule gemessen, die aus 6 doppellagigen "Pancake"- Spulen bestand und ohne die erfindungsgemäße Modifikation hergestellt wurde. Die Spule wies einen Innendurchmesser von 900 mm auf, war mit innen hohlen Kupferdrähten von quadratischem Querschnitt mit der Kantenlänge d=11,6 mm gewickelt und erzeugte ein Magnetfeld von etwa 800 G. Das Ergebnis der Messung des Feldeinbruchs durch den Lagensprung ist in Fig. 2 gezeigt, wo über dem Umfangswinkel Φ die in Gauss gemessene Feldänderung ΔB in einem radialen Abstand von 400 mm von der Spulenachse dargestellt ist. Ganz deutlich ist ein lokaler Feldeinbruch in der Größenordnung von etwa 20 G zwischen den Winkelpositionen Φ=170 und Φ=260° zu erkennen.

In Fig. 3 ist das Ergebnis einer Modellrechnung wiedergegeben, bei der mit Hilfe des Biot-Savart-Gesetzes die Feldverteilung des realen Wicklungsverlaufes simuliert wurde. Die Rechnung zeigt eine relativ gute quantitative Übereinstimmung mit dem experimentell bestimmten Feldfehler.

In Fig. 4 schließlich ist im Vergleich ein theoretisch berechneter Feldverlauf bei einem radialen Abstand von 180 mm vom Feldzentrum für eine symmetrisch gewickelte Spule (1) und für eine erfindungsgemäß modifizierte Spule (2) mit im Bereich des Lagensprungs in Richtung des Feldzentrums versetztem Spuleninnenrand dargestellt. Der Lagenübergang, der sich in Fig. 4 im Bereich einer Winkelposition Φ=225° befindet, führt bei der herkömmlichen Spule zu einem Feldfehler von ca. 1,5 G und bei der erfindungsgemäßen Spule lediglich zu einem Fehler von ca. 0,3 G, also lediglich einem Fünftel gegenüber dem Feldfehler einer symmetrisch gewickelten Spule.

Bei der oben beschriebenen Spule mit einem Innendurchmesser von 900 mm beträgt die Fertigungstoleranz für die Genauigkeit der radialen Positionierung der Leiterelemente etwa 0,5 mm. Die erfindungsgemäße Verschiebung der radial innersten Windung im Bereich des Lagensprungs beträgt einen halben Lagendurchmesser, also d/2 ≈ 6 mm, so daß die geometrische Modifikation mehr als eine Zehnerpotenz über der Fertigungstoleranz liegt und daher technisch leicht durchzuführen ist.

Bei einem von vier Feldspulen erzeugten Gesamtfeld von etwa 3 kG bedeutet eine Homogenität von 10-4, wie sie z. B. in der NMR-Tomographie gefordert wird, daß höchstens Feldfehler in der Größenordnung 0,3 G zugelassen sind. In diesem Bereich bewegt sich in der Tat der lokale Feldeinbruch aufgrund des Lagensprungs bei der erfindungsgemäß modifizierten Spule, während die lokale Feldinhomogenität bei einer herkömmlich gewickelten Spule, wie oben gezeigt, in der Größenordnung 1,5 G liegt, also deutlich zu groß ist.

Der vom Lagensprung verursachte Feldfehler ist um so größer, je größer der Durchmesser der Leiterelemente im Verhältnis zum Wickelradius der Magnetwicklung ist. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Leiterelemente mehr als 1/50 des Spuleninnendurchmessers. Außerdem steigt der Fehlerbeitrag durch den Lagensprung mit der Anzahl der Windungen pro Lage, da bei höherer Windungszahl der radiale Abstand der äußersten Windung vom Feldzentrum zunimmt. Dadurch wird der kompensierende Effekt des zusätzlichen Leiterelementes an der Spulenaußenseite im Bereich des Lagensprungs entsprechend schwächer. Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel waren 17 Windungen pro Lage radial aufeinander gewickelt.

Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung bildet die Magnetwicklung eine n-fache Helmholtz-Anordnung, mit der Magnetfeldterme bis zur 2n-ten Ordnung zu Null gemacht werden können. In Kombination mit der erfindungsgemäßen Modifikation kann damit ein extrem homogenes Magnetfeld erzeugt werden.

Die Erfindung kann auch auf Magnetspulen angewendet werden, die keinen rotationssymmetrischen, sondern lediglich einen achsensymmetrischen Aufbau bezüglich der Magnetfeldachse aufweisen, wie z. B. Spulen mit quadratischem, 5- oder 6-eckigem Querschnitt usw. In diesem Fall hat die radial innerste Windung der jeweiligen Lage im Bereich des Lagensprungs erfindungsgemäß einen geringeren radialen Abstand von der Spulenachse als die entsprechende Querschnittskontur an dieser Stelle.

Unter "Luftspulenanordnung" wird auch eine Magnetwicklung verstanden, die von einem ferromagnetischen Zylindermantel umgeben ist, der der Flußrückführung dient. Der Begriff "Luftspule" wird also im Gegensatz zum Begriff "Polschuhmagnet" verwendet. Bei letzerem wäre die erfindungsgemäße Modifikation nicht sinnvoll, da das Magnetfeld und die Feldhomogenität eines solchen Polschuhmagneten allein von der Form der Polschuhe bestimmt wird. Die Geometrie der Spulenwicklung um den Kern spielt in diesem Falle keine Rolle.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet die erfindungsgemäß modifizierte Magnetwicklung mindestens zwei kreiszylindrische, koaxiale Feldspulen, wobei die Magnetwicklung von einem ferromagnetischen Zylindermantel umgeben ist, dessen Einfluß auf die Homogenität des Magnetfeldes, das von der Spulenanordnung in einem von ihr definierten, zur Aufnahme eines zu untersuchenden Körpers geeigneten und zugänglichen Innenraumes erzeugt wird, durch die Dimensionierung der Feld- und Korrekturspule kompensiert ist. Eine solche Magnetwicklung eignet sich besonders als Teil einer Spulenanordnung für die NMR-Tomographie, wo ein Patient zum Zwecke der Untersuchung ganz oder teilweise in das Magnetfeld eingebracht wird. Die Eisenabschirmung muß also eine entsprechend große Öffnung aufweisen, so daß es sich bei der Anordnung nicht um einen Polschuhmagneten, sondern in dem oben definierten Sinn um eine "Luftspulenanordnung" handelt.

Die erfindungsgemäße Magnetwicklung kann auf unterschiedliche Arten hergestellt werden: Zum einen kann mindestens die jeweils radial innerste Windung der Magnetwicklung im Winkelbereich des Lagensprungs mit einem geringeren radialen Abstand von der Spulenachse gewickelt werden als im übrigen Winkelbereich. Dies läßt sich am günstigsten dadurch bewerkstelligen, daß zum Wickeln eine Wickelschablone verwendet wird, die im Bereich des Lagensprungs jeweils eine radiale Ausnehmung an ihrem radialen Umfang aufweist, die sich in axialer Richtung über den Bereich derjenigen Lagen erstreckt, zwischen welchen der Lagensprung auftritt.

Bei einem weiteren Verfahren schließlich kann eine bereits gewickelte herkömmliche Spule erfindungsgemäß dadurch modifiziert werden, daß an der jeweils radial innersten Windung im Winkelbereich des Lagensprungs ein zusätzliches Leiterstück elektrisch leitend angebracht wird. Dies kann beispielsweise durch Anlöten oder Anschweißen des zusätzlichen Leiterstücks erfolgen.

Die Erfindung kann auch in entsprechender Weise bei einer Wickeltechnik angewandt werden, bei der eine "Pancake"-Spule aus zwei in radialer Richtung parallel gewickelten Leitern besteht, die elektrisch hintereinander, bezüglich des Kühlkreislaufes jedoch parallel geschaltet sind. Eine solche Parallelwicklung ist in der eingangs zitierten Veröffentlichung von D. B. Montgomery auf Seite 56, Abb. 3.10b beschrieben. Werden zwei Leiter in radialer Richtung parallel gewickelt, so beträgt der Windungsabstand das doppelte der Leiterdicke. Entsprechend werden im Bereich des Lagensprungs die Windungen näherungsweise um eine Drahtdicke nach innen versetzt.


Anspruch[de]
  1. 1. Magnetwicklung, vorzugsweise in Luftspulenanordnung mit aus Leiterelementen aufgebauten Windungen, die eine Magnetfeldachse umschließen und in mindestens zwei Lagen mit mindestens einem Lagensprung gewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Winkelbereich um die Magnetfeldachse, der einen Lagensprung umfaßt, der radiale Abstand zumindest der radial innersten Windung der jeweiligen Lage von der Magnetfeldachse geringer ist als im übrigen Winkelbereich.
  2. 2. Magnetwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Windungen pro Lage wesentlich größer als 2 ist.
  3. 3. Magnetwicklung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Windungen pro Lage größer als 10 ist.
  4. 4. Magnetwicklung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Leiterelemente mindestens 1/1000 des Wickelradius der Magnetwicklung beträgt.
  5. 5. Magnetwicklung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Leiterelemente mindestens 1/100 des Wickelradius der Magnetwicklung beträgt.
  6. 6. Magnetwicklung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterelemente von einem Kupferdraht mit rechteckigem Querschnitt, einschließlich eines quadratischen Querschnitts, mit einer Kantenlänge von 10-12 mm und mit einer den Querschnitt senkrecht durchsetzenden Bohrung gebildet werden und daß der Innendurchmesser der Magnetwicklung 800-1000 mm beträgt.
  7. 7. Magnetwicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwicklung lediglich in einem Winkelbereich um die Magnetfeldachse, der einen Lagensprung umfaßt, einen Aufbau aufweist, der von einer Achsensymmetrie bezüglich der Magnetfeldachse abweicht.
  8. 8. Magnetwicklung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwicklung einen im wesentlichen rotationssymmetrischen Aufbau aufweist.
  9. 9. Magnetwicklung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwicklung eine n-fache Helmholtz-Anordnung bildet.
  10. 10. Magnetwicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwicklung aus jeweils 2-lagigen Gegenschneckenwicklungen gemäß der "Pancake"- Technik aufgebaut ist.
  11. 11. Magnetwicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Lagensprung umfassende Winkelbereich um die Magnetfeldachse zwischen 10° und 30° beträgt.
  12. 12. Magnetwicklung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Lagensprung umfassende Winkelbereich um die Magnetfeldachse etwa 25° beträgt.
  13. 13. Magnetwicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Winkelbereich um den Lagensprung der radiale Abstand zumindest der radial innersten Windung der jeweiligen Lage von der Magnetfeldachse in der Mitte des Winkelbereichs um etwa die halbe radiale Ausdehnung der Leiterelemente oder ein Vielfaches davon geringer ist als außerhalb des Winkelbereichs.
  14. 14. Magnetwicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwicklung Teil einer Spulenanordnung für die NMR-Tomographie ist.
  15. 15. Magnetwicklung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetwicklung mindestens zwei kreiszylindrische, koaxiale Feldspulen bildet und von einem ferromagnetischen Zylindermantel umgeben ist, dessen Einfluß auf die Homogenität des Magnetfeldes, das von der Spulenanordnung in einem von ihr definierten, zur Aufnahme eines zu untersuchenden Körpers geeigneten und zugänglichen Innenraumes erzeugt wird, durch die Dimensionierung der Feldspulen kompensiert ist.
  16. 16. Verfahren zur Herstellung einer mindestens zweilagigen Magnetwicklung mit mindestens einem Lagensprung, insbesondere einer Magnetwicklung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die jeweils radial innerste Windung der eine Magnetfeldachse umschließenden Magnetwicklung in einem Winkelbereich um die Magnetfeldachse, der einen Lagensprung umfaßt, mit einem geringeren radialen Abstand von der Magnetfeldachse gewickelt wird als im übrigen Winkelbereich.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum Wickeln eine Wickelschablone verwendet wird, die in einem Winkelbereich um die Magnetfeldachse, der einen Lagensprung zwischen zwei Lagen der Wicklung umfaßt, eine radiale Ausnehmung an ihrem Umfang aufweist, die sich in axialer Richtung über den Bereich derjenigen Lagen erstreckt, zwischen welchen der Lagensprung auftritt.
  18. 18. Verfahren zur Herstellung einer mindestens zweilagigen Magnetwicklung mit mindestens einem Lagensprung, insbesondere einer Magnetwicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Wickeln einer axialsymmetrischen Magnetwicklung an mindestens der jeweils radial innersten Windung der eine Magnetfeldachse umschließenden Magnetwicklung in einem Winkelbereich um die Magnetfeldachse, der einen Lagensprung umfaßt, ein zusätzliches Leiterstück elektrisch leitend angebracht wird.






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