带有超导性闭合的HTS匀场的磁组件制造技术

一种在MR设备中的磁组件，包括低温恒温器以及设置在其中的超导性的主场磁线圈系统以用于产生磁场，设有匀场装置以用于磁场在低温恒温器内部的空间上的均匀化和用于调整空间上的延伸，所述匀场装置具有至少一个超导性闭合的带有HTS层的匀场导体电路，其中，所述匀场导体电路关于z轴具有圈数0，并且所述HTS层形成在几何结构上能够展开到一平面上的面，使得在由所述HTS层形成的面中的两个任意的点之间的间距或短程线通过到一平面上的几何结构上的展开改变不多于10％，通过所述HTS层形成的面的几何结构上的展开的内和/或外轮廓描述了非凸形的曲线。由此实现了借助于电的匀场如在带有HTS使用线圈的高场磁体或HTS磁体的情况下在10K至80K的温度时来改进场均匀性。

【技术实现步骤摘要】
带有超导性闭合的HTS匀场的磁组件
本专利技术涉及在磁共振设备中的磁组件，该磁组件包括低温恒温器以及设置在其中的超导性的主场磁线圈系统，以用于在围绕处于z轴上的点z＝0设置的工作体积中沿z轴的方向产生磁场，其中，在所述低温恒温器内部设置有匀场装置以用于调整由所述主场磁线圈系统在所述工作体积中产生的空间分布和/或用于使所述磁场在空间上均匀化，所述匀场装置具有至少一个超导性闭合的带有HTS(＝高温超导体)层的匀场导体电路，其中，所述匀场导体电路关于z轴具有圈数0，并且所述HTS层形成在几何结构上能够如此展开到一个平面上的面，使得在由所述HTS层形成的面中的两个任意的点之间的间距或短程线通过到一个平面上的几何上的展开改变了不多于10％。
技术介绍
这种磁线圈组件由US8,965,468B2已知。超导体能够在实践上在没有欧姆损失的情况下运载电流。所述超导体尤其在需要高的电流强度的场合使用，由此也在磁线圈中使用。超导性磁体系统的使用领域包括不同的应用领域、尤其是包括磁共振方法。为了在这种方法中实现良好的分辨率，磁场必须在探测体积中具有高的均匀性。利用产生场的磁线圈的几何结构上的设置能够优化超导性磁体的基本均匀性。超导性的NMR(＝核磁共振)磁体通常由NbTi或Nb3Sn线材制成。由于由Nb3Sn的临界磁场导致的限制，在当前对于最大可达到的场强度存在大约23.5T的上限。这在NMR中相应于1000MHz的质子共振频率。为了在UHF(＝超高场)磁体中达到较高的场强度，必须采用替代的导体材料。就此而言在当前主要研究出的是使用HTS带式导体(例如ReBCO、BSCCO或铁磷族元素化物)。在此，UHF磁体通常不是完全由HTS材料制成。出于成本原因反而有利的是，HTS材料仅用于最内部的部段，并且以传统的“低温超导体”(LTS)技术(也就是说以NbTi和/或Nb3Sn)制造背景磁体。HTS带式导体还使用在运行温度>4.2K(液态的氦)的磁体系统中，在其中LTS线圈不会起作用。这尤其包括无制冷剂的磁体系统，所述非低温的磁体系统主动地由低温冷却器冷却到10–80K的温度上。磁场的z分量Bz能够围绕在z＝0处的磁中心在轴线上根据球函数来展开(在柱坐标中)：其中，是所配属的勒让德多项式。系数Anm和Bnm被称为(场)梯度。n为阶，m为勒让德多项式的次。带有m＝0的梯度为轴上梯度，带有m≠0的梯度为离轴梯度。如果所有系数Anm和Bnm对于0<n<＝k-1都消失，则称为k阶的均匀度。这种均匀度理论上利用磁组件的合适的设计来实现。但因为会出现不可避免的生产技术上的不准确性，所以磁组件的实际上的场分布情况与这种理想的形式有所偏差。为了补偿这种偏差，在用于共振谱学的磁体中设置有所谓的匀场。电的匀场线圈的场强度能够经由电流强度调整。超导性的匀场线圈通常地由NbTi导体卷制成，因此所述超导性的匀场线圈仅能在非常低的温度时和在相对深的磁场中得到使用，在所述磁场中所述超导性的匀场线圈不会失去其超导特性。反之，由传导性正常的材料(例如铜)卷制的匀场线圈在超导性磁体的冷的环境中由于其电阻而产生不期望的热。虽然由于所述匀场被动地通过其磁化影响超导性磁体的场分布，由磁性材料构成的匀场不产生热。然而其场强度不可调整，这相对于电的匀场构成大的缺点。因此，在高的磁场中或在较高的运行温度时，仅考虑使用由HTS构成的匀场作为可调整的匀场。例如在上面提及的UHF磁体中就是这样，其中，匀场优选地径向地设置在HTS线圈内部，因为否则的话匀场-场相对于内部受到强烈的遮蔽。另外的应用示例是具有如下运行温度的非低温的HTS磁体，在该运行温度下无法使用LTS。在正交的匀场系统中，每个匀场产生如下磁场，所述磁场在根据球函数的数学展开方面基本上具有仅一个唯一的梯度。在实践中，这对于每个匀场意味着，在工作体积中基于相应梯度的场变化通常地是基于每个其它的匀场的同样梯度的场变化的至少五倍大。超导性闭合的HTS匀场由现有技术已知，并且在几年之前在开头引用的US8,965,468B2中提出用于这种类型的磁组件。这种匀场的超导性闭合的电流通路分别沿着带有在中央的开口的矩形的经涂层的HTS薄膜的边缘延伸并且柱状地围绕待校正的体积卷起。通常，匀场电流通路的对于场均匀化相关的区段关于z轴基本上沿方位角方向围绕工作体积延伸；电流通路沿轴向的区段不产生轴向的场分量并且仅用于使在方位角的区段之间的电流通路闭合。目前在现有技术中使用的解决方案由于匀场导体电路的矩形的或凸形的走向而具有多个缺点：根据所提及的现有技术的由矩形的薄膜构成的匀场导体电路即各仅具有一个如下区段，其中电流沿正或负方位角方向流动。为了产生特定的场分布(所述场分布例如对应于较高次的轴上场梯度或对应于离轴梯度)，因此需要带有多个彼此独立的超导性闭合的导体电路的匀场。由此，实现用于产生一定的场分布的匀场通常是相当耗费的。匀场导体电路的矩形的几何结构使得互相感应的解耦极其困难或完全不可能。从而匀场导体电路例如可以以不同的强度与其它的匀场的各个导体电路耦合。因此，如果其它的匀场被充载，则匀场的电流和场分布可能以不期望的方式发生变化。此外，匀场的每个超导性闭合的电流通路需要单独的开关或加热器以用于引入电流。这在充载匀场时引起非常大的不期望的发热。
技术实现思路
与此相对地，本专利技术的任务是，对开头界定类型的有超导能力的磁线圈组件以尽可能简单的、通常可供使用的技术上的手段如下地进行修改，使得这种有超导能力的磁线圈组件的上述限制明显得到减轻或尽可能完全得到避免，并且借助于电的匀场(例如在带有HTS使用线圈的高场磁体或HTS磁体的情况下在10–80K的温度时)来实现对超导性磁体的场均匀性的改善或匹配。所述任务以高效且同样出乎意料地简单的方式以及易于获得的技术手段通过开头界定类型的有超导能力的磁线圈组件来解决，所述磁线圈组件的突出之处在于，通过所述HTS层形成的面的几何上的展开的内和/或外轮廓描述了非凸形的曲线。通过该非凸形的走向能够对按照本专利技术的组件的匀场导体电路如下地进行设计，使得所述匀场导体电路具有多个沿正和/或负方位角方向的区段。由此利用单个的超导性闭合的匀场导体电路可产生比利用根据现有技术的导体电路的情况明显复杂的场分布。尤其可以如下地设计不同的匀场导体电路，使得所述不同的匀场导体电路互相之间很大程度上感应地解耦。这具有如下优点，所述不同的匀场导体电路能够彼此独立地进行充载，而此时在其它的匀场导体电路中的电流不发生变化。按照本专利技术的组件的另一的优点在于，产生给定的场分布所需的超导闭合的导体电路数量明显更小。也就是说，由此也需要较少的超导开关，以便将电流充载到匀场中，由此在低温恒温器中的发热得到降低。按照本专利技术的磁线圈组件的第一种类的实施方式的突出之处在于，匀场导体电路在运行中产生磁场，所述磁场带有关于柱坐标系统围绕z轴的轴向分量以围绕z轴上的点z＝0的球函数为基础显示，除了绝对值≥0的0次的场梯度，该轴向分量基本上尤其关于所述球函数z2-r2/2、z3-3/2·zr2、或中的一个具有唯一的场梯度。利用根据这种种类的实施方式的带有匀场导体电路的正交的匀场装置，通过调整在相应的匀场中的电流，能够对主场磁线圈系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.在磁共振设备中的磁组件，该磁组件包括低温恒温器(2)以及设置在其中的超导性的主场磁线圈系统(1)，该主场磁线圈系统用于在围绕处于z轴上的点z＝0设置的工作体积(4)中沿z轴的方向产生磁场，其中，在所述低温恒温器(2)内部设置有匀场装置(3)以用于调整由所述主场磁线圈系统(1)在所述工作体积(4)中产生的空间分布和/或用于使所述磁场在空间上均匀化，所述匀场装置具有至少一个超导闭合的带有HTS(＝高温超导体)层的匀场导体电路(5、5'、5”、5”'、5””、5””'、5”””)，其中，所述匀场导体电路(5、5'、5”、5”'、5””、5””'、5”””)关于z轴具有圈数0，并且所述HTS层形成几何上能够展开到一个平面上的面，使得在由所述HTS层形成的面中的两个任意的点之间的间距或短程线通过到一个平面上的几何展开改变不多于10％，其特征在于，通过所述HTS层形成的面的几何展开的内和/或外轮廓描述了非凸形的曲线。

【技术特征摘要】
2016.12.14 DE 102016225017.51.在磁共振设备中的磁组件，该磁组件包括低温恒温器(2)以及设置在其中的超导性的主场磁线圈系统(1)，该主场磁线圈系统用于在围绕处于z轴上的点z＝0设置的工作体积(4)中沿z轴的方向产生磁场，其中，在所述低温恒温器(2)内部设置有匀场装置(3)以用于调整由所述主场磁线圈系统(1)在所述工作体积(4)中产生的空间分布和/或用于使所述磁场在空间上均匀化，所述匀场装置具有至少一个超导闭合的带有HTS(＝高温超导体)层的匀场导体电路(5、5'、5”、5”'、5””、5””'、5”””)，其中，所述匀场导体电路(5、5'、5”、5”'、5””、5””'、5”””)关于z轴具有圈数0，并且所述HTS层形成几何上能够展开到一个平面上的面，使得在由所述HTS层形成的面中的两个任意的点之间的间距或短程线通过到一个平面上的几何展开改变不多于10％，其特征在于，通过所述HTS层形成的面的几何展开的内和/或外轮廓描述了非凸形的曲线。2.根据权利要求1所述的磁组件，其特征在于，匀场导体电路(5、5'、5”、5”'、5””、5””'、5”””)在运行中产生磁场，所述磁场关于围绕z轴的柱坐标系统具有轴向分量以围绕z＝0的球函数为基础显示，除了绝对值≥0的0次的场梯度，所述轴向分量基本上具有一个唯一的场梯度、尤其是具有关于球函数z2-r2/2、z3-3/2·zr2、或中的一个的场梯度。3.根据前述权利要求中任一项所述的磁组件，其特征在于，匀场导体电路(5、5'、5”””)分布通过两个空间部分，所述两个空间部分通过一个垂直于z轴的平面彼此分开，其中，在运行中由在这两个空间部分中延伸的导体区段产生的磁场在地点z＝0处在z轴上各具有带有相同的符号的z分量。4.根据前述权利要求中任一项所述的磁组件，其特征在于，匀场导体电路(5”)分布通过2n个空间部分，其中，n＝1、2、3、…，所述2n个空间部分通过垂直于z轴的2n-1个平面彼此分开，其中，在运行中由分别在两个彼此毗邻的空间部分中延伸的导体区段产生的磁场在地点z＝0处在z轴上各具有带有相反的符号的z分量。5.根据前述权利要求中任一项所述的磁组件，其特征在于，匀场导体电路(5”')分布通过四个空间部分，所述四个空间部分通过垂直于z轴的第一平面和包含z轴的第二平面彼此分开，其中，在运行中由分别在两个在所述第一平面处彼此毗邻的空间部分中延伸的导体区段产生的磁场在地点z＝0处在z轴上各具有带有相同的符号的z分量，并且其中，在运行中由分别在两个在所述第二平面处彼此毗邻的空间部分中延伸的导体区段产生的磁场在地点z＝0处在z轴上各具有带有相反的符号的z分量。6.根据前述权利要求中任一项所述的磁组件，其特征在于，匀场导体电路(5””)分布通过四个空间部分，所述四个空间部分通过垂直于z轴的第一平面和包含z轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·J·京特，R·绍韦克尔，
申请(专利权)人：布鲁克碧奥斯平股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH