带有超导性闭合的HTS匀场的磁组件的制作方法

本发明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％。

背景技术：

这种磁线圈组件由US 8,965,468 B2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US 8,965,468 B2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。

技术实现要素：

与此相对地，本发明的任务是，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发明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。

按照本发明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。

按照本发明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的每个场梯度单独进行补偿，而其它的场梯度没有明显发生改变。产生关于所述球函数的场梯度的匀场通常允许使磁体的在开始不均匀的场分布充分地均匀化。

按照本发明的磁线圈组件的第二种类的实施方式的突出之处在于，匀场导体电路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。以这种方式在空间中延伸的匀场导体电路例如允许产生关于球函数z²-r²/2的场梯度。

按照本发明的磁线圈组件的第三种类的实施方式的突出之处在于，匀场导体电路分布通过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。以这种方式在空间中延伸的匀场导体电路允许产生关于奇次的球函数、尤其是关于函数z、z³-3/2·zr²或z⁵-5r²z³+15/8·r⁴z的轴上场梯度。此外能够将这种匀场导体电路如下设计，使其很大程度上彼此感应地解耦。

按照本发明的磁线圈组件的第四种类的实施方式的突出之处在于，匀场导体电路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。以这种方式，在空间中延伸的匀场导体电路允许产生关于球函数或的离轴场梯度。

按照本发明的磁线圈组件的第五种类的实施方式的突出之处在于，匀场导体电路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。以这种方式，在空间中延伸的匀场导体电路允许产生关于球函数或的离轴场梯度。

按照本发明的磁线圈组件的第六种类的实施方式的突出之处在于，匀场导体电路分布通过八个空间部分，所述八个空间部分通过垂直于z轴的第一平面和包含z轴并且彼此垂直的第二和第三平面彼此分开，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或第三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。以这种方式，在空间中延伸的匀场导体电路允许产生关于球函数或的离轴场梯度。

按照在上述六个种类的各个实施方式能够择一地、但部分地还补充性地或混合地来实现。

相当特别优选的还有按照本发明的磁线圈组件的另一种类的实施方式，其中，匀场导体电路在围绕z轴的柱体上的投影中包括多于两个沿方位角方向延伸的导体区段，所述导体区段通过沿其它方向延伸的连接区段彼此电连接。带有这种几何结构的匀场导体电路在柱对称的主场磁线圈系统中、例如在螺线管磁体中出于对称和空间原因是特别合适的。沿方位角方向的导体区段对于主场磁线圈系统的均匀化来说是重要的，因为所述导体区段产生沿z轴的方向的场分量。

按照本发明的磁线圈组件的另外的有利的实施方式的突出之处在于，匀场导体电路由HTS带式导体或由HTS涂层的薄膜制成，其中，所述HTS材料由ReBCO(稀土金属(Re)结合钡铜氧化物(BCO))、尤其YBCO或GdBCO、或BSCCO构成。能够特别简单地由带式导体或薄膜切出、冲裁、激光切割、蚀刻或以类似方式制成超导闭合的、HTS涂层的匀场导体电路。所提及的HTS材料特别良好地适用于按照本发明的磁组件的导体并且可以相应的形式来制造。

特别优选的还有本发明的如下实施方式，其中，匀场装置具有至少两个超导性闭合的匀场导体电路，所述匀场导体电路很大程度上彼此感应地解耦，尤其以如下的方式，使得其中，L1和L2为这两个匀场导体电路的固有感应率并且L12为这两个匀场导体电路的相互感应率。感应地解耦的匀场导体电路能够彼此独立地充载，而在其它的匀场导体电路中的电流不会被动地变化。

本发明的另外的优选的实施方式的突出之处在于，匀场导体电路在在围绕z轴的柱体上的投影中与自身重叠或交叉，尤其是所述匀场导体电路在多于一个层中柱形地围绕所述工作体积卷起和/或可展开的HTS层围绕z轴的环绕方向具有至少一个变化。多层的匀场导体电路在设计时提供更多自由度并且允许产生较复杂的场分布。此外，多个层能够用于提高导体电路的效率(每电流强度的场强度)。HTS层围绕z轴的环绕方向的变化能够在一定情况中使一个匀场导体电路与其它的匀场导体电路的感应的解耦变得容易或甚至才刚刚实现所述解耦。

在按照本发明的磁组件的另外的有利的实施方式中，所述匀场装置包括多个关于z轴径向地彼此相叠设置的并且在轴向和方位角地相同延伸的超导性闭合的匀场导体电路。如此设置的匀场导体电路的单元比单个的匀场导体电路更高效，也就是说所述单元产生每电流强度的较大的场强度。

在实践中，按照本发明的线圈组件的如下实施方式也证实可行，其中，匀场导体电路具有超导性的开关。在超导性开关打开的情况下，电流可以引入到匀场导体电路中，所述电流在开关闭合之后持久地在超导性闭合的匀场导体电路中流动。

具有大的实践上的优点的还有如下实施方式，其突出之处在于，所述超导性的主场磁线圈系统包括由HTS导体构成的线圈并且所述主场磁线圈系统和所述匀场装置通过低温冷却器冷却到在10K与80K之间的温度上。这比对于使用LTS材料所需的运行温度高了4K，减少了所需的冷却功率。在10K与80K之间的运行温度能够通过有效的低温冷却器实现。在此温度范围中，HTS的使用对于超导性的匀场而言是不可避免的。

在按照本发明的磁组件的另外的优选的实施方式中，匀场导体电路关于z轴至少部分径向地在超导性的主场磁线圈系统内部延伸。径向地在主场磁线圈系统内部的超导性的HTS匀场更高效并且明显较少地被主场磁线圈系统屏蔽。在这种区域中磁场非常强的情况下，只能由HTS构成主动的超导性的匀场，因为LTS的电流运载能力不足。例如在带有HTS使用线圈的UHF磁体系统中就是这样。

最后落到本发明的范围内的还有带有在上面描述的按照本发明的类型的磁线圈组件的磁共振谱仪。

附图说明

本发明在附图中示出并且按照实施例进一步描述。其中：

图1示出在磁共振设备中的按照本发明的磁组件的示意图；

图2a示出用于产生关于球函数z²-r²/2的轴上场梯度的匀场导体电路的示意图；

图2b示出用于产生关于球函数z²-r²/2的轴上场梯度的匀场导体电路的示意图；

图3示出用于产生关于球函数z³-3/2·zr²的轴上场梯度的匀场导体电路的示意图；

图4a示出用于产生关于球函数的离轴场梯度的匀场导体电路的示意图；

图4b以立体图示出根据图4a的组件；

图5a示出用于产生关于球函数的离轴场梯度的匀场导体电路的示意图；

图5b以立体图示出根据图5a的组件；

图6示出用于产生关于球函数的离轴场梯度的匀场导体电路的示意图；

图7a示出用于产生关于球函数z²-r²/2的轴上场梯度的匀场导体电路的示意图；

图7b示出根据图7b的在中间折叠之后的组件；以及

图8示出带有超导开关和电流引入线路的匀场导体电路的示意图。

具体实施方式

在图1中示意性地示出在磁共振设备中的按照本发明的磁组件的实施方案。主场磁线圈系统1设置在低温恒温器2中并且在围绕处于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。径向地在主场磁线圈系统1内部设置有匀场装置3，以用于由主场磁线圈系统1在工作体积4中产生的磁场的空间上的均匀化和/或用于调整空间上的走向。匀场装置3具有至少一个超导性闭合的匀场导体电路，所述匀场导体电路关于z轴具有圈数0。匀场导体电路的HTS层形成几何上可展开的面，所述面的内和/或外轮廓描述了非凸形的曲线。

为了在按照本发明的磁组件中制造超导性闭合的匀场导体电路，例如可以由HTS涂层的薄膜切出闭合的电流通路。

为了产生一定的场梯度，按照本发明的组件的匀场导体电路还可以在多个层中围绕工作体积4卷制。图2a和2b示意性地示出匀场导体电路5、5'的示例，如果所述匀场导体电路在两个层中柱状地围绕工作体积4卷起并且运载电流，则所述匀场导体电路产生关于球函数z²-r²/2的场梯度。

图3作为示例示出由带有四个方位角地延伸的区段的导体电路5”构成的匀场，如果所述匀场柱状地围绕工作体积4卷起并且运载电流，则所述匀场在工作体积4中主要产生带有关于球函数z³-3/2·zr²的轴上场梯度的磁场。在此使用唯一的超导性闭合的电流通路、例如以HTS薄膜即可，而对于根据现有技术的类似的匀场而言，为了生成类似的场分布，需要至少两个矩形的超导性闭合的导体电路。

按照本发明的组件还包括用于产生离轴梯度的HTS匀场、例如在图4a–6中示出的那样。只是由于HTS层的几何结构上的展开的非凸形的走向(图4a、5a和6)就可以分别利用唯一的超导性闭合的导体电路5”'、5””或5””'实现这种匀场。当所述导体电路5”'，在图4a和4b中可以看到一个导体电路5”'，该导体电路用于当它在两个层中柱状地围绕工作体积4卷起并且运载电流时产生关于球函数的场梯度。，图5a和5b示出一个导体电路5””，该导体电路用于当它柱状地围绕工作体积4卷起并且运载电流时产生关于球函数的场梯度。图4b和5b示出相应的图4a和5a的匀场导体电路的立体图。在图6中的匀场导体电路5””'在两个层中柱状地围绕z轴设置并且如果所述匀场导体电路5””'运载电流，则产生关于球函数的场梯度。

图7a和7b示出按照本发明的组件的匀场导体电路5”””，所述匀场导体电路在围绕z轴的柱体上的投影中与自身重叠。在图7a中示出导体电路5”””到一个平面上的完全的几何展开，并且图7b如下地示出在中间沿方位角方向折回的或弯回的导体电路5”””，如其围绕z轴卷绕到柱体上那样。以这种方式，在本示例中利用唯一的对称的导体电路实现带有关于球函数z²-r²/2的场梯度的匀场。

这两个在图2a和2b中示出的超导性闭合的导体电路5和5'例如还可以共同地用作产生关于球函数z²-r²/2的场梯度的匀场。这种匀场出于对称原因不产生关于奇次的球函数的外来梯度，并且这两个导体电路5；5'中的每个单个地通过其形状在很大程度上从用于产生关于奇次的球函数的轴上场梯度的匀场感应地解耦。

作为实施例可以考察用于匀场导体电路5的围绕工作体积3在35mm的恒定的半径上的下列几何结构：导体电路5的这两个短的方位角地延伸的导体区段具有分别为±10mm的z坐标，并且围绕工作体积卷绕两次的、长的方位角地延伸的导体区段具有-36mm的z坐标。此外，导体电路5的宽度为4mm。在z轴上在地点z＝0处在电流为100A时，计算直到第8次的轴上场梯度：

除了均匀的场值A00之外，匀场主要产生关于球函数z的梯度A10和关于球函数z²-r²/2的梯度A20。离轴梯度由于匀场的柱对称而没有产生。

这种匀场能够由50mm宽的HTS涂层的薄膜制成。如果还有更宽的HTS涂层的薄膜可供使用，则长的方位角地延伸的导体区段还能够进一步远离z＝0地来选取，以便减少奇次的梯度。此外，以这种方式还可以减小与其它的匀场的感应的耦合。如果长的导体区段、例如位于z＝-42mm处而不是z＝-36mm处，则与z匀场的耦合系数从0.30减小到0.18。在此假定为z匀场的是具有矩形展开的单层导体电路，所述导体电路的方位角的导体区段在半径35mm上在z＝±30mm处延伸。

接着，考虑由两个导体电路5、5'构成的匀场，所述匀场出于对称原因不产生奇次的梯度。几何结构如下：导体电路5、5'的两个短的方位角地延伸的导体区段具有分别±10mm的z坐标，并且长的方位角地延伸的导体区段具有-36mm或+36mm的z坐标。导体电路5、5'的宽度又为4mm。在电流为100A时，匀场产生直到第8次的下列场梯度：

图8作为示例示意性地示出按照本发明的带有超导性的开关6的组件的匀场导体电路5””。为了将匀场导体电路5””以电流充载，可以打开超导性的开关6，其方式是，使所述开关例如通过加热变成正常导电的。电流于是能够经由引入线路7引入到导体电路5””中。在超导性的开关(6)闭合之后，电流持久地在超导性闭合的匀场导体电路5””中流动，并且经由引入线路7的电流引入可以被切断。

附图标记列表

1主场磁线圈系统

2低温恒温器

3匀场装置

4工作体积

5、5'、5”、5”'、5””、5””'、5”””带有HTS层的匀场导体电路

6超导性的开关

7电流引入线路