DE69321082T2

DE69321082T2 - Kernspinresonanzapparat mit einem supraleitenden Magneten

Info

Publication number: DE69321082T2
Application number: DE69321082T
Authority: DE
Inventors: Gerardus Bernardus Jozef Nl-5656 Aa Eindhoven Mulder; Johannes Adrianus Nl-5656 Aa Eindhoven Overweg
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1992-12-11
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2013-12-04
Also published as: JP3447090B2; JPH075235A; EP0601648B1; DE69321082D1; US5426366A; EP0601648A1

Description

Kernspinresonanzapparat mit einem supraleitenden Magneten

Die Erfindung betrifft ein Kernresonanzgerät, mit einem Magnetsystem, das rotationssymmetrisch um eine zentrale Achse angeordnet ist und das ein supraleitendes inneres Spulensystem zum Erzeugen eines stationären Magnetfeldes in einem Meßraum innerhalb des Magnetsystems umfaßt und auch ein äußeres Spulensystem umfaßt, das koaxial zum inneren Spulensystem angeordnet ist und mit diesem elektrisch in Reihe geschaltet, um die Umgebung von dem von dem inneren Spulensystem erzeugten Magnetfeld abzuschirmen, welches Magnetsystem von einem supraleitenden Persistenzstromschalter überbrückt werden kann und einen supraleitenden Shunt umfaßt, der einen zwischen ersten und zweiten Anschlußpunkten liegenden Teil des Magnetsystems überbrückt.
Ein Gerät dieser Art ist aus EP-B-0 299 325 bekannt. In dem bekannten Gerät erstreckt sich der Shunt zwischen den Punkten, wo das innere Spulensystem mit dem äußeren Spulensystem verbunden ist. Der Shunt ermöglicht somit, daß verschiedene Ströme in dem inneren Spulensystem und dem äußeren Spulensystem fließen, so daß der Einfluß externer Magnetfeldänderungen auf das Magnetfeld im Zentrum der Meßzone kleiner ist. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß auf diese Weise eine ziemlich unvollständige Abschirmung gegenüber dem Einfluß externer Magnetfelder erreicht wird: In dem Meßraum wird ein homogenes externes Magnetfeld auf ungefähr 15% des ursprünglichen Wertes abgeschwächt. Abschirmung gegenüber nicht-homogenen externen Magnetfeldern ist sogar noch weniger vollständig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kernresonanzgerät der dargelegten Art zu verschaffen, in dem nahezu vollständige Abschirmung gegenüber dem Einfluß sowohl homogener als auch nicht-homogener externer Magnetfelder auf das Magnetfeld in zumindest dem zentralen Teil des Meßraum erreicht wird. Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Gerät dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Windung einer Spule, die Teil des inneren Spulensystems ist, zwischen zumindest einem der Anschlußpunkte und dem nächstgelegenen Ende des inneren Spulensystems liegt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Shunt sich nicht notwendigerweise zwischen den Enden des inneren Spulensystems erstrecken zu braucht. Indem die Anschlußpunkte so gewählt werden, daß sie in einem Abstand einiger Windungen von diesen Enden liegen, wird ein zusätzliche Freiheitsgrad eingebracht, der es ermöglicht, optimale Abschirmung zu erreichen.
Die veröffentlichte europäische Patentanmeldung Nr. 0 251 342 beschreibt ein mit einem Magnetsystem versehenes Kernresonanzgerät, das rotationssymmetrisch ist und ein supraleitendes inneres Spulensystem umfaßt und ein in Reihe geschaltetes äußeres Spulensystem zum Abschirmen der Umgebung gegenüber dem Magnetfeld des inneren Spulensystems. Bei diesem bekannten Magnetsystem wird das innere Spulensystem von Schutzwiderständen mit einem Widerstandswert vom 0,5 Ohm überbrückt, wobei diese Widerstände dissipative Elemente sind. Daher kann eine solche Struktur keine Lösung zum Verbessern der Abschirmeigenschaften eines supraleitenden Shunts liefern, wie sie die vorliegende Erfindung verschafft.
Es hat sich gezeigt, daß insbesondere der Einfluß homogener externer Magnetfelder am besten mit Hilfe eines Shunts abgeschirmt werden kann, der sich zwischen Anschlußpunkten erstreckt, die innerhalb des Magnetsystems symmetrisch liegen. Daher ist eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem ersten Ende des inneren Spulensystems und dem ersten Anschlußpunkt die gleiche Anzahl Windungen einer einen Teil des Magnetsystems bildenden Spule liegt wie zwischen einem zweiten Ende des inneren Spulensystems und dem zweiten Anschlußpunkt.
Interessante Ergebnisse werden erhalten, wenn der Shunt nur einen Teil des inneren Spulensystems überbrückt. Daher ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Geräts dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlußpunkt bzw. dem ersten und dem zweiten Ende des inneren Spulensystems zu Spulen des inneren Spulensystems gehören. Ausgezeichnete Abschirmung gegenüber homogenen externen Magnetfeldern wird somit erreicht, wenn die Orte der ersten und zweiten Anschlußpunkte so gewählt sind, daß die Gleichung
erfüllt ist, wobei der Index p sich auf den Teil des inneren Spulensystems bezieht, der als primäre Schaltung bezeichnet wird und der von dem Shunt überbrückt wird, und der Index s sich auf die übrigen Teile des inneren Spulensystems plus dem äußeren Spulensystem bezieht, zusammen als sekundäre Schaltung bezeichnet, wobei Kp und KS die Spulenkonstanten der primären Schaltung bzw. sekundären Schaltung, Lp und LS die Selbstinduktivität der primären bzw. der sekundären Schaltung, Mps die gegenseitige Induktivität zwischen diesen Schaltungen und Ap die Gesamtoberfläche aller Windungen in der primären Schaltung sind.
In vielen Kernresonanzgeräten umfaßt das innere Spulensystem eine Anzahl Spulenpaare, die relativ zu einer senkrecht zur zentralen Achse verlaufenden zentralen Ebene symmetrisch angeordnet sind. Es hat sich gezeigt, daß in solchen Fällen interessante Ergebnisse erhalten werden, wenn die ersten und zweiten Anschlußpunkte innerhalb der Spulen des äußeren Spulenpaares des inneren Spulensystems an einer solchen Stelle liegen, daß die Anzahl Windungen zwischen jedem der Anschlußpunkte und dem am weitesten nach außen liegenden Ende der betreffenden Spule ungefähr 25% der Anzahl Windungen der genannten Spule beträgt.
Die Anzahl Freiheitsgrade beim Entwurf des Magnetsystems, und damit die Anzahl von Möglichkeiten, die Abschirmung gegenüber externen Magnetfeldern weiter zu optimieren, kann weiter erhöht werden, wenn das Magnetsystem zumindest einen zweiten Shunt umfaßt, der einen zwischen dritten und vierten Anschlußpunkten liegenden Teil des Magnetsystems überbrückt. Eine erste Variante dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und vierten Anschlußpunkte am ersten bzw. zweiten Ende des inneren Spulensystems liegen. Eine zweite Variante, bei der ein hohes Maß an Symmetrie erreicht wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß gleiche Anzahlen Windungen von Spulen, die Teil des inneren Spulensystems sind, zwischen den ersten und dritten Anschlußpunkten und zwischen den zweiten und vierten Anschlußpunkten liegen. Eine dritte Variante, bei der Teile des inneren Spulensystems, die relativ zur Mitte symmetrisch liegen, von den Shunts überbrückt werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß gleiche Anzahlen Windungen von Spulen, die Teil des Magnetsystems sind, zwischen dem ersten Anschlußpunkt und dem ersten Ende des inneren Spulensystems und zwischen dem vierten Anschlußpunkt und dem zweiten Ende des inneren Spulensystems liegen und daß auch zwischen dem zweiten Anschlußpunkt und dem ersten Ende des inneren Spulensystems und zwischen dem dritten Anschlußpunkt und dem zweiten Ende des inneren Spulensystems gleiche Anzahlen Windungen von Spulen, die Teil des Magnetsystems sind, liegen.
Die Anzahl Freiheitsgrade kann weiter erhöht werden, wenn mehr als zwei Shunts vorgesehen sind. In einem Magnetsystem, in dem das innere Spulensystem aus einer Vielzahl in axialer Richtung hintereinander angeordneter Spulen besteht, wird jede Spule des inneren Spulensystems vorzugsweise von einem Shunt überbrückt und in einem Magnetsystem, in dem das äußere Spulensystem aus einer Vielzahl in axialer Richtung hintereinander angeordneter Spulen besteht, kann jede Spule des äußeren Spulensystems von einem Shunt überbrückt werden.
Allgemein gesagt unterliegt das von dem inneren Spulensystem erzeugte Magnetfeld einer bestimmten Drift, wobei in dem Shunt ein bestimmter Strom induziert werden kann. Um dafür zu sorgen, daß dieser Strom nach ein paar Stunden wieder verschwunden ist, ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstandswert der Größenordnung von 1 mΩ in der von jedem der Shunts und den zugehörigen Anschlußpunkten gebildeten Schaltung enthalten ist.
Diese und andere Aspekte der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Kernresonanzgerät geeigneten Magnetsystems,
Fig. 2 ein Schaltbild eines bekannten Magnetsystems mit einem Shunt,
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild des Magnetsystems von Fig. 2,
Fig. 4 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines Magnetsystems, in dem die erfindungsgemäßen Maßnahmen angewendet worden sind und
Fig. 5 bis 8 Schaltbilder weiterer Ausführungsformen.
Das in Fig. 1 gezeigte Magnetsystem kann Teil eines Kernresonanzgeräts sein, wie beispielsweise in EP-A-138 270 beschrieben. Es umfaßt ein ungefähr zylindrisches elektromagnetisches inneres Spulensystem 1, das einen ebenfalls ungefähr zylindrischen Aufnahmeraum 3 umgibt, und von dem ein ungefähr kugelförmiger zentraler Teil, mit Strich-Punkt-Linien angegeben, als Meßraum 5 fungiert. In den Aufnahmeraum 3, der einen Durchmesser von beispielsweise 100 cm hat, kann ein Patient (nicht abgebildet) so eingebracht werden, daß ein Teil des Körpers des zu untersuchenden Patienten im Meßraum 5 liegt, der einen Durchmesser von beispielsweise ungefähr 45 cm hat. Das innere Spulensystem 1 dient dazu, ein nahezu homogenes, stationäres Magnetfeld in dem Meßraum 5 zu erzeugen. Das innere Spulensystem 1 ist konzentrisch von einem ungefähr zylindrischen äußeren Spulensystem 7 umgeben. Die beiden Spulensysteme 1, 7 und der Aufnahmeraum 3 sind relativ zu einer mit einer Strich-Punkt-Linie angedeuteten zentralen Achse 9 rotationssymmetrisch und häufig (aber nicht notwendigerweise) symmetrisch relativ zu einer zentralen Ebene, die senkrecht zur zentralen Achse steht und mit einer Strich-Punkt-Linie 11 angedeutet wird.
Das innere Spulensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform umfaßt ein Paar innere Spulen 13, ein Paar zentrale Spulen 15 und ein Paar äußere Spulen 17. Die genannten Spulenpaare 13, 15, 17 liegen symmetrisch relativ zur Symmetrieebene 11, d. h. die Spulen des gleichen Paares, die zu beiden Seiten der Symmetrieebene liegen, umfassen die gleichen Anzahlen Windungen und sind hinsichtlich Form und Verteilung der Windungen das Spiegelbild voneinander. Die Spulen 13, 15, 17 des inneren Spulensystem 1 sind auf einem ersten gemeinsamen Träger 19 vorgesehen. Das äußere Spulensystem 7 umfaßt ein Paar Spulen 23, die auch hinsichtlich der Symmetrieebene 11 symmetrisch sind. Die Spulen 23 des äußeren Spulensystems 7 sind auf einem zweiten gemeinsamen Träger 25 untergebracht.
Die beiden Spulensysteme 1, 7 sind in einem Dewar-Gefäß 27 untergebracht, das über einen Einlaß 29 mit einer geeigneten Kühlflüssigkeit gefüllt werden kann, beispielsweise mit flüssigem Helium. Die die Spulensysteme 1, 7 bildenden Spulen sind aus einem Material hergestellt, das bei der Temperatur der Kühlflüssigkeit supraleitend ist.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform einer elektrischen Schaltung, in der die Spulensysteme 1, 7 enthalten sind. Diese Schaltung ist aus EP-B-0 1 299 325 bekannt. Die Spulensysteme 1, 7 sind über eine supraleitende Verbindung 31, in der ein Persistenzstromschalter (PCS) 33 aufgenommen ist, der normalerweise auch supraleitend ist, in Reihe geschaltet. Die Spulensysteme 1, 7 sind auch mit einem Gleichstromversorgungsgerät 35 zum Versorgen der Spulensysteme mit elektrischer Energie verbunden. Hierzu wird der PCS 33 in einen nicht-supraleitenden Zustand gebracht (beispielsweise durch Erwärmen), woraufhin elektrischer Strom vom Stromversorgungsgerät 35 zu den supraleitenden Spulensystemen 1, 7 fließen kann. Wenn der Strom in den Spulensystemen 1, 7 einen zuvor bestimmten Wert erreicht, wird der PCS 33 wieder in den supraleitenden Zustand gebracht. Ein Persistenzstrom fließt dann fortwährend durch den von den Spulensystemen 1, 7, der Verbindung 31 und dem supraleitenden PCS 33 gebildeten geschlossenen Schaltkreis. Innerhalb und außerhalb des Aufnahmeraums 3 (siehe Fig. 1) erzeugt das innere Spulensystem 1 dann ein Magnetfeld, das im Meßraum 5 homogen ist. Das äußere Spulensystem 7 erzeugt ein Magnetfeld, das außerhalb des Aufnahmeraums 3 dem Magnetfeld des inneren Spulensystems 1 entgegengerichtet ist, so daß die beiden Magnetfelder einander außerhalb des Magnetsystems nahezu aufheben. Nachteilige Auswirkungen von Magnetfeldern auf in der Nähe des Magnetsystems angeordnete Instrumente werden so in bekannter Weise vermieden. Um auch die Auswirkungen externer Magnetfelder (beispielsweise durch Aufzüge oder vorbeifahrende Fahrzeuge verursacht) zu verringern, ist ein supraleitender Shunt 37 vorgesehen, der das innere Spulensystem 1 überbrückt. Der Shunt 37 ist zwischen einen ersten Anschlußpunkt 39 und einen zweiten Anschlußpunkt 41 geschaltet, wobei die Punkte an einem ersten bzw. einem zweiten Ende des inneren Spulensystems liegen. Wie in EP-B-0 299 325 beschrieben, ermöglicht der Shunt 37, daß verschiedene Ströme durch das innere und das äußere Spulensystem fließen, so daß innerhalb des inneren Spulensystems 1 ein kompensierendes Magnetfeld erzeugt werden kann, das den Auswirkungen eines externen Magnetfeldes in gewissem Maße entgegenwirkt.
Um die Auswirkung des Shunt 37 auf das Magnetfeld innerhalb des Aufnahmeraums 3 zu erläutern, stellt der linke Teil von Fig. 3 das elektrische Schaltbild von Fig. 2 nach Weglassen des Stromversorgungsgeräts 37 dar, wobei die Spulensysteme 1, 7 mehr im Detail gezeigt werden, während der rechte Teil ein Ersatzschaltbild zeigt, das das elektrische Äquivalent des linken Schaltbildes ist, wie mit dem Symbol 43 angegeben wird. Das linke Schaltbild von Fig. 3 zeigt die Spulen 13, 15, 17 des inneren Spulensystems 1 und die Spulen 23 des äußeren Spulensystems 7. Weil der PCS 33 sich im supraleitenden Zustand befindet, überbrückt der Shunt 37 nicht nur die Spulen 13, 15, 17 des inneren Spulensystems 1, sondern auch (über die Verbindung 31 und den PCS 33) die Spulen 23 des äußeren Spulensystems 7. Der Teil des inneren Spulensystems I (in diesem Fall die Gesamtheit der Spulen 13, 15, 17), der von dem Shunt 37 direkt überbrückt wird, bildet somit zusammen mit dem Shunt eine erste geschlossene supraleitende Schleife 45 und soll im weiteren als primäre Schaltung bezeichnet werden. In gleichartiger Weise bildet das äußere Spulensystem 7 zusammen mit einem Teil des möglicherweise nicht direkt von dem Shunt 37 überbrückten inneren Spulensystems 1 einen Teil einer zweiten geschlossenen supraleitenden Schleife 47. Letztere soll im weiteren als sekundäre Schaltung bezeichnet werden. Die Schaltungsanordnung umfaßt somit zwei geschlossene supraleitende Schleifen 45 und 47, die eine primäre Schaltung bzw. eine sekundäre Schaltung bilden und die als gesonderte Schaltungen betrachtet werden können. Daher werden sie in dem rechten Schaltbild von Fig. 3 als solche gezeigt. In jeder dieser supraleitenden Schleifen bleibt der magnetische Fluß definitionsgemäß konstant. Folglich führt eine Änderung eines externen Magnetfeldes, die auch eine Änderung des von jeder der Schleifen 45, 47 umschlossenen magnetischen Flusses bewirkt, zu einer Änderung des in den Schleifen zirkulierenden Stroms, wobei diese Änderung eine entgegengesetzte Flußänderung in den Schleifen bewirkt, so daß die Netto-Änderung des von den Schleifen umschlossenen Flusses gleich null ist.
Im folgenden sollen die sich auf die primäre Schaltung (die erste Schleife 45 in Fig. 3) beziehenden Größen mit einem Index p und die sich auf die sekundäre Schaltung (die zweite Schleife 47) beziehenden Größen mit einem Index s bezeichnet werden. Die primäre und die sekundäre Schaltung werden dann durch die folgenden Parameter definiert:
Lp: die Selbstinduktivität der primären Schaltung (positiv)
Ls; die Selbstinduktivität der sekundären Schaltung (positiv)
Mps: die gegenseitige Induktivität zwischen der primären und der sekundären Schaltung (negativ aufgrund der Tatsache, daß die Wickelrichtung des äußeren Spulensystems 7 der des inneren Spulensystems 1 entgegengesetzt ist)
Kp: die Spulenkonstante der primären Schaltung, d. h. die Anzahl Tesla, die im Zentrum des Meßraums 5 von einem Strom von 1 Ampere in der primären Schaltung erzeugt werden (positiv)
Ks: die Spulenkonstante der sekundären Schaltung (negativ)
Ap: die gesamte Fluß aufnehmende Oberfläche aller Windungen in der primären Schaltung (positiv)
As: die gesamte Fluß aufnehmende Oberfläche aller Windungen in der sekundären Schaltung (negativ angesichts der entgegengesetzten Wickelrichtung des äußeren Spulensystems 7).
Es sei bemerkt, daß die Werte der obigen Parameter vom Ort der ersten und der zweiten Anschlußpunkte 39 und 41 abhängen. Wenn im Gegensatz zu den Fig. 2 und 3 diese Punkte nicht an den Enden des inneren Spulensystems 1 liegen, könnten alle diese Parameter andere Werte haben. Angenommen wird, daß eine homogene externe Magnetfeldänderung auftritt, deren Komponente entlang der zentralen Achse 9 gleich ΔBe ist. Dies entspricht einer Flußänderung ΔBeAp in der primären Schaltung und einer Flußänderung ΔBeAs in der sekundären Schaltung. Um diese induzierten Flußänderungen zu kompensieren, treten in der primären und der sekundären Schaltung Stromänderungen ΔIp bzw. ΔIs auf. Die Bedingung, daß der Fluß in den Schleifen 45 und 47 konstant bleiben soll, führt zu den Gleichungen:
ApΔBe + LpΔIp + MpsΔIs = 0
AsΔBe + LsΔIs + MpsΔIp = 0
Daraus folgt, daß die in der primären und der sekundären Schaltung induzierten Stromänderungen gleich
sind. Die Feldänderung im Zentrum des Meßraums 5 wird dann:
ΔB = ΔBe +KpΔIp +KSΔIs
Der Abschirmfaktor s kann jetzt als ΔB/ΔBe definiert werden. Aus den obigen Formeln folgt:
Diese Formel ist genau. In der Praxis wird die Kombination aus inneren und äußeren Spulensystemen 1 und 7 so angepaßt, daß sie zusammen kein oder nahezu kein externes magnetisches Dipolfeld erzeugen. Um dies zu erreichen, werden die Spulensysteme so entworfen, daß die folgende Näherung gilt: -Ap/ As 1. Daher kann die Formel für s vereinfacht werden, wenn angenommen wird, daß As gleich -Ap ist:
Darin ist C ein Kompensationsfaktor, der das Verhältnis eines kompensierenden Feldes Bc zu dem externen Feld Be: C = Bc/Be angibt. Der Abschirmfaktor s = 1-C kann sowohl positiv als auch negativ sein. Je niedriger der absolute Wert von s, desto besser wird die Abschirmung sein. Bei vollkommener Abschirmung ist s gleich 0. Ein Wert zwischen -0,05 und 0,05 für s bedeutet beispielsweise, daß die Feldänderung im Zentrum des Meßraums 5 höchstens 5% einer externen Feldänderung beträgt. Ein solcher Wert hat sich in der Praxis als akzeptabel erwiesen. In diesem Fall muß daher die Bedingung
0,95 < C < 1,05 erfüllt sein.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Werte mit der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Konstruktion nicht leicht erhalten werden können. Für ein mit einem Shunt nach Fig. 2 versehenes bestehendes Magnetsystem hat sich gezeigt, daß es beispielsweise durch die folgenden Werte gekennzeichnet wird:
Lp = 55,5 H Kp = 5,22 · 10&supmin;³ T/A
LS = 36,4 H Ks = -2,57 · 10&supmin;³ T/A
Mps = -21,3 H AP = 8200 m²
Dies führt zu einem Wert von -0,873 für C, dieser Wert ist deutlich zu niedrig.
Fig. 4 zeigt Fig. 3 entsprechende Schaltbilder für eine Ausführungsform eines Magnetsystems, in dem die erfindungsgemäßen Maßnahmen angewendet worden sind. Gleiche Teile haben gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 3. Die ersten und zweiten Anschlußpunkte 39 und 41, zwischen denen sich der Shunt 37 erstreckt, liegen in der vorliegenden Ausführungsform innerhalb der Spulen 17 des äußeren Spulenpaares des inneren Spulensystems 1. Daher ist jede Spule 17 in einen Teil 17a, der zu der ersten Schleife 49 (und damit zur primären Schaltung) gehört und einen zu der zweiten Schleife 51 (und damit zur sekundären Schaltung) gehörenden Teil 17b unterteilt. Es hat sich gezeigt, daß der Ort der Anschlußpunkte 39, 41 innerhalb der Spulen 17 so gewählt werden kann, daß für ein Magnetsystem, das im übrigen gleich dem oben beschriebenen ist, die folgenden Werte erhalten werden:
Lp = 29,51 H Kp = 4,38 · 10&supmin;³ T/A
Ls = 31,81 H KS = -1,72 · 10&supmin;³ T/A
Mps = -5,99 H Ap = 5874 m²
Mit diesen Werten ist C = 1,00. Es hat sich gezeigt, daß, um die genannten Werte zu erreichen, der Ort der Anschlußpunkte innerhalb der Spulen 17 so gewählt werden sollte, daß die Anzahl Windungen zwischen jedem der Anschlußpunkte und dem am weitesten außen gelegenen Ende der betreffenden Spule ungefähr 25% der Gesamtzahl Windungen der betreffenden Spule ist. Die Teile 17b umfassen daher ungefähr 25% der Anzahl Windungen der Spulen 17.
Eine weitere Verbesserung kann erreicht werden, indem mehr als ein Shunt angebracht wird. Allgemein gesagt, führt das Anbringen von N-1 Shunts zur Bildung von N unabhängigen supraleitenden Schleifen, von denen jede den umschlossenen magnetischen Fluß konstant hält. Der Meßraum 5 ist in diesem Fall von verschiedenen Konturen mit konstantem Fluß umgeben, so daß das Feld im Meßraum auch mehr oder weniger konstant bleibt. Zu erwarten ist, daß die Abschirmung gegen Einflüsse von externen Magnetfeldern umso besser ist, je größer die Anzahl Shunts (d. h. die Anzahl Freiheitsgrade des Magnetsystems) ist. Das kompensierende Feld Bc wird dann innerhalb des Meßraums 5 homogener. Es ist auch zu erwarten, daß ein externer Feldgradient in Richtung der zentralen Achse 9 dann bis zu einem gewissen Maße abgeschirmt wird.
Die Berechnung des Abschirmungseffektes ist im Prinzip gleich der anhand der Fig. 2 und 4 beschriebenen Berechnung, aber allgemeiner. Wenn N-1 Shunts vorgesehen sind, müssen erst die N unabhängigen Schleifen identifiziert und ihre Matrix M gegenseitiger Induktivitäten berechnet werden. Jedes Element Mij in dieser Matrix repräsentiert die gegenseitige Induktivität zwischen den Schleifen i und j, und Mii ist eine Selbstinduktivität. Die Ströme in den N Schleifen werden durch einen Vektor I beschrieben und die gegenseitigen Induktivitäten mit einer virtuellen Spule 0, durch die ein Strom I&sub0; fließt und die das externe Magnetfeld Bc repräsentiert, durch einen Vektor M&sub0;. Das Aufrechterhalten von Fluß wird dann in Matrixschreibweise ausgedrückt durch:
MΔI + ΔI&sub0;M&sub0; = 0
Dieses lineare Gleichungssystem muß gelöst werden, um die Stromänderungen ΔI und damit die Magnetfeldverteilung zu finden. Einige mögliche Ausführungsbeispiele für Magnetsysteme mit mehr als einem Shunt werden schematisch in Fig. 5 bis 8 gezeigt, in denen Teilen der vorhergehenden Figuren entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen haben.
Fig. 5 zeigt ein Magnetsystem, das einen zweiten Shunt 53 umfaßt, der einen Teil des Magnetsystem überbrückt, der zwischen einem dritten Anschlußpunkt 55 und einem vierten Anschlußpunkt 57 liegt. Die dritten und vierten Anschlußpunkte 55 und 57 in der vorliegenden Ausführungsform liegen am ersten Ende bzw. zweiten Ende des inneren Spulensystems 1. Zwischen dem ersten Anschlußpunkt 39 und dem dritten Anschlußpunkt 55 befindet sich eine der Spulen 17, die Teil des äußeren Spulenpaares des inneren Spulensystems 1 ist, und die andere Spule dieses Paares liegt zwischen dem zweiten Anschlußpunkt 41 und dem vierten Anschlußpunkt 57. Weil beide Spulen 17 die gleiche Anzahl Windungen umfassen, ist die Anzahl Windungen zwischen dem ersten und dem dritten Anschlußpunkt die gleiche wie die zwischen dem zweiten und dem vierten Anschlußpunkt. Daher ist die Konstruktion symmetrisch.
Fig. 6 zeigt ein Magnetsystem mit drei Shunts, d. h. einem ersten Shunt 37, der sich zwischen ersten und zweiten Anschlußpunkten 39 und 41 erstreckt, einen zweiten Shunt 53 zwischen dritten und vierten Anschlußpunkten 55 und 57 sowie einen dritten Shunt 59 zwischen fünften und sechsten Anschlußpunkten 61 und 63. Wie leicht aus der Figur ersichtlich, ist die Konstruktion dieser Ausführungsform wieder symmetrisch.
Fig. 7 zeigt ein Magnetsystem, in dem jede Spule 13, 15, 17 des inneren Spulensystems 1 von einem Shunt überbrückt wird. Die Shunts der Spulen 13, 15 und 17 werden mit den Bezugszeichen 65, 67 bzw. 69 angedeutet. Die Anschlußpunkte, ohne Bezugszeichen, liegen an den Enden der betreffenden Spule. Auch wird ein Shunt 71 gezeigt, der eine der Spulen 23 (die linke Spule in Fig. 7) des äußeren Spulensystems 7 überbrückt. Die andere Spule 23 wird dann automatisch von der Reihenschaltung der Shunts 65, 67, 69, 71 und dem PCS 33 überbrückt, so daß ein separater Shunt 73 (mit einer gestrichelten Linie angedeutet) für diese Spule die Anzahl Schleifen nicht vergrößern würde. Wenn der Shunt 73 vorgesehen ist, kann offensichtlich einer der anderen Shunts weggelassen werden, wobei noch immer alle Spulen des Magnetsystems überbrückt werden. Auf Wunsch kann natürlich nur ein Teil der Spulen des Magnetsystems mit Shunts überbrückt werden, beispielsweise nur die Spulen 13, 15, 17 des inneren Spulensystems 1 oder nur die Spulen 23 des äußeren Spulensystems 7.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform für einen ersten Shunt 75, der sich zwischen einem ersten Anschlußpunkt 77 und einem zweiten Anschlußpunkt 79 erstreckt, und einen zweiten Shunt 81, der sich zwischen einem dritten Anschlußpunkt 83 und einem vierten Anschlußpunkt 85 erstreckt. Der erste Anschlußpunkt 77 liegt innerhalb einer der äußeren Spulen 17 (die am weitesten links liegende Spule in Fig. 8) des inneren Spulensystems 1, und der vierte Anschlußpunkt 85 befindet sich an einer entsprechenden Stelle in der anderen äußeren Spule 17. Die ersten und vierten Anschlußpunkte 77, 85 unterteilen somit die äußeren Spulen 17 in gleicher Weise in Teile 17a und 17b, so daß sich zwischen jedem dieser Anschlußpunkte und dem nächstgelegenen Ende des inneren Spulensystems 1 gleiche Anzahlen Windungen dieses Spulensystems befinden. In gleichartiger Weise unterteilen zweite und dritte Anschlußpunkte 79 und 83 jeweils eine der Spulen 13 des inneren Spulenpaares des inneren Spulensystems 1 in zwei Teile 13a und 13b, so daß sich auch zwischen jedem dieser Anschlußpunkte und dem nächstgelegenen Ende des inneren Spulensystems gleiche Anzahlen Windungen dieses Spulensystems befinden. Die Orte der Anschlußpunkte 77, 79, 83 und 85 können so gewählt werden, daß das kompensierende Feld Bc nicht nur in dem zentralen Teil des Meßraums 5, sondern auch im Rest des Meßraums geeignete Abschirmung bietet.
Es hat sich gezeigt, daß die beschriebenen Magnetsysteme und die offensichtlichen Varianten davon es möglich machen, jede gewünschte Abschirmung gegenüber dem Einfluß externer Magnetfelder zu erreichen. Natürlich können die beschriebenen Konstruktionen auch für Magnetsysteme verwendet werden, in denen die inneren und/oder äußeren Spulensysteme in anderer Weise konstruiert sind, beispielsweise so, daß sie andere Anzahlen Spulen enthalten. Eine Anzahl dieser Konstruktionen wird bis zu einem gewissen Maße auch Gradienten der externen Felder in Richtung der zentralen Achse 9 abschirmen. Dies ist beispielsweise für die in Fig. 7 und 8 gezeigten Konstruktionen der Fall, bei denen eine inhomogene externe Feldänderung Ströme in den Shunts induziert, die links und rechts von der Symmetrieebene 11 nicht gleich sind.
Eine Eigenschaft von Magnetsystemen mit supraleitenden Spulen ist, daß das erzeugte Magnetfeld für eine sehr lange Zeitdauer aufrechterhalten wird, ohne daß externe Energie zugeführt wird, aber daß nach einiger Zeit eine gewisse Drift auftritt. In der Praxis hat ein Magnetsystem eine Zeitkonstante von beispielsweise zumindest 3,6 · 10¹&sup0; s, um dafür zu sorgen, daß das Abfallen des Magnetfeldes 0,1 ppm pro Stunde nicht überschreitet. Die Drift des Magnetfeldes induziert einen Strom in den von den Spulensystemen und dem Shunt (den Shunts) gebildeten Schleifen, wobei der Strom selbst wieder ein schwaches Magnetfeld erzeugt. Daher kann es wünschenswert sein, in der von dem Shunt und den Anschlußpunkten gebildeten Schaltung einen kleinen Widerstandswert einzubringen, so daß der induzierte Strom verhältnismäßig schnell abnimmt. Es hat sich gezeigt, daß eine Zeitkonstante von ungefähr 10&sup5; s oder weniger für diese Schaltung zufriedenstellende Ergebnisse liefert. Der Strom in der Abschirmschaltung nimmt dann viel schneller ab als der in dem Magnetsystem selbst. Selbst im stationären Zustand (nach einigen Tagen) erzeugt der in der Abschirmschaltung akkumulierte Strom ein Magnetfeld, das so schwach ist, daß es keine negativen Auswirkungen auf die Meßergebnisse hat. Der genannte Widerstandswert kann durch geeignete Wahl des zur Herstellung der die Anschlußpunkte bildenden Lötverbindungen verwendeten Materials in einfacher Weise eingebaut werden. Es hat sich gezeigt, daß ein Widerstandswert in der Größenordnung von 1 mΩ zufriedenstellende Ergebnisse liefert. Eine alternative Lösung, um den akkumulierten Strom abnehmen zu lassen, ist, den Shunt von Zeit zu Zeit zu erwärmen, so daß er kurzzeitig den normal leitenden Zustand annimmt.

Claims

1. Kernresonanzgerät, mit einem Magnetsystem, das rotationssymmetrisch um eine zentrale Achse (9) angeordnet ist und das ein supraleitendes inneres Spulensystem (1) zum Erzeugen eines stationären Magnetfeldes in einem Meßraum (5) innerhalb des Magnetsystems umfaßt und auch ein äußeres Spulensystem (7) umfaßt, das koaxial zum inneren Spulensystem angeordnet ist und mit diesem elektrisch in Reihe geschaltet, um die Umgebung von dem von dem inneren Spulensystem erzeugten Magnetfeld abzuschirmen, welches Magnetsystem von einem supraleitenden Persistenzstromschalter (33) überbrückt werden kann und einen supraleitenden Shunt (37) umfaßt, der einen zwischen ersten und zweiten Anschlußpunkten (39, 41) liegenden Teil des Magnetsystems überbrückt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Windung einer Spule (17), die Teil des inneren Spulensystems ist, zwischen zumindest einem der Anschlußpunkte (39, 41) und dem nächstgelegenen Ende des inneren Spulensystems (1) liegt.

2. Kernresonanzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem ersten Ende des inneren Spulensystems (1) und dem ersten Anschlußpunkt (39) die gleiche Anzahl Windungen einer einen Teil des Magnetsystems bildenden Spule (17) liegt wie zwischen einem zweiten Ende des inneren Spulensystems und dem zweiten Anschlußpunkt (41).

3. Kernresonanzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Orte der ersten und zweiten Anschlußpunkte (39, 41) so gewählt sind, daß die Gleichung

erfüllt ist, wobei der Index p sich auf den Teil des inneren Spulensystems (1) bezieht, der als primäre Schaltung bezeichnet wird und der von dem Shunt (37) überbrückt wird, und der Index s sich auf die übrigen Teile des inneren Spulensystems plus dem äußeren Spulensystem (7) bezieht, zusammen als sekundäre Schaltung bezeichnet, wobei Kp und Ks die Spulenkonstanten der primären Schaltung bzw. sekundären Schaltung, Lp und Ls die Selbstinduktivität der primären bzw. der sekundären Schaltung, Mps die gegenseitige Induktivität zwischen diesen Schaltungen und Ap die Gesamtoberfläche aller Windungen in der primären Schaltung sind.

4. Kernresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem das innere Spulensystem (1) eine Anzahl Spulenpaare (13, 15, 17) umfaßt, die relativ zu einer senkrecht zur zentralen Achse (9) verlaufenden zentralen Ebene (11) symmetrisch angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Anschlußpunkte (39, 41) innerhalb der Spulen (17) des äußeren Spulenpaares des inneren Spulensystems (1) an einer solchen Stelle liegen, daß die Anzahl Windungen zwischen jedem der Anschlußpunkte und dem am weitesten nach außen liegenden Ende der betreffenden Spule ungefähr 25% der Anzahl Windungen der genannten Spule beträgt.

5. Kernresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem zumindest einen zweiten Shunt (53) umfaßt, der einen zwischen dritten und vierten Anschlußpunkten (55, 57) liegenden Teil des Magnetsystems überbrückt.

6. Kernresonanzgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und vierten Anschlußpunkte (55, 57) am ersten bzw. zweiten Ende des inneren Spulensystems (1) liegen.

7. Kernresonanzgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß gleiche Anzahlen Windungen von Spulen (17), die Teil des inneren Spulensystems (1) sind, zwischen den ersten (39) und dritten Anschlußpunkten (55) und zwischen den zweiten (41) und vierten Anschlußpunkten (57) liegen.

8. Kernresonanzgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß gleiche Anzahlen Windungen von Spulen (17), die Teil des Magnetsystems sind, zwischen dem ersten Anschlußpunkt (77) und dem ersten Ende des inneren Spulensystems (1) und zwischen dem vierten Anschlußpunkt (85) und dem zweiten Ende des inneren Spulensystems liegen und daß auch zwischen dem zweiten Anschlußpunkt (79) und dem ersten Ende des inneren Spulensystems und zwischen dem dritten Anschlußpunkt (83) und dem zweiten Ende des inneren Spulensystems gleiche Anzahlen Windungen von Spulen (13, 15, 17), die Teil des Magnetsystems sind, liegen.

9. Kernresonanzgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Shunts (37, 53, 59) vorgesehen sind.

10. Kernresonanzgerät nach Anspruch 9, in dem das innere Spulensystem (1) aus einer Vielzahl in axialer Richtung hintereinander angeordneter Spulen (13, 15, 17) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule (13, 15, 17) des inneren Spulensystems (1) von einem Shunt (65, 67, 69) überbrückt wird.

11. Kernresonanzgerät nach Anspruch 9 oder 10, in dem das äußere Spulensystem (7) aus einer Vielzahl in axialer Richtung hintereinander angeordneter Spulen (23) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule (23) des äußeren Spulensystems (7) von einem Shunt (71, 73) überbrückt wird.

12. Kernresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstandswert der Größenordnung von 1 mΩ in der von jedem der Shunts (37, 53, 59) und den zugehörigen Anschlußpunkten (39, 41; 55, 57; 61, 63) gebildeten Schaltung enthalten ist.