DE69930487T2

DE69930487T2 - Aufhängungseinheit für einen supraleitenden Magnet

Info

Publication number: DE69930487T2
Application number: DE69930487T
Authority: DE
Inventors: Xianrui Florence Huang; Gregory Farin Florence Hayworth; Jr. John Florence Scaturro
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: EP1016815A3; EP1016815A2; JP4587136B2; JP2000357822A; EP1016815B1; US6011454A; DE69930487D1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Aufhängungssystem für eine supraleitende Magnetanordnung für eine Magnetresonanz-Bildgebungseinrichtung (hierin nachstehend als "MRI" bezeichnet) und insbesondere die Aufhängung für eine Magnetanordnung in offener Architektur.
Wie es allgemein bekannt ist, kann ein supraleitender Magnet erzeugt werden, indem dieser in einer extrem kalten Umgebung untergebracht wird, indem er beispielsweise in einem Kryostaten oder flüssiges Helium oder andere tiefe Temperaturen erzeugenden Kryokühlmittel enthaltenden Druckbehälter untergebracht wird. Die extreme Kälte stellt sicher, dass die Magnetspulen so supraleitend sind, dass die Spulen in dem persistenten Modus betrieben werden können, das heißt, dass, wenn zu Beginn eine Energiequelle mit der Spule für eine relativ kurze Zeitdauer verbunden wird, um einen Stromfluss durch die Spulen einzuleiten, und dann ein supraleitender Schalter geschlossen wird, der Strom weiter fließt, um dadurch den Spulenstrom und ein Magnetfeld aufrecht zu erhalten. Supraleitende Magnete finden auf dem Gebiet der MRI breite Anwendung.
Hinsichtlich der Reduzierung der Magnetwärmebelastung und um die kontinuierliche Nachfüllung des siedenden flüssigen Heliums überflüssig zu machen, sind erhebliche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen unternommen worden. Obwohl die Anwendung von flüssigem Helium zum Erzeugen von Tieftemperaturen bereits im großen Umfang eingesetzt wurde und für den MRI-Betrieb genügt, hat sich die Bereitstellung einer stabilen Versorgung mit flüssigem Helium für MRI-Anlagen weltweit als schwierig und teuer erwiesen. Dieses hat dazu geführt, dass eine erhebliche Anstrengung hinsichtlich supraleitender Materialien und Magnetstrukturen unternommen wurde, in welchen das Helium rückkondensiert und wieder verwendet wird. Dieses führt zu der Notwendigkeit einer guten Wärmeisolation zwischen dem Kryostaten und der Umgebungstemperatur.
FR 2 410 211 offenbart ein Aufhängungssystem zum Befestigen eines Tieftemperaturdruckbehälters und eines dazwischen eingefügten Strahlungsschildes innerhalb eines Vakuumbehälters. Das Unterstützungselement des Aufhängungssystems hat eine kegelstumpfförmige Form.
Ein weiteres bei den meisten MRI-Anlagen anzutreffendes Problem besteht darin, dass sie in zylindrischen Strukturen eingeschlossene Solenoidmagnete mit einer zentralen Bohrungsöffnung für einen Patientenzugang verwenden. In einer derartigen Anordnung ist der Patient jedoch praktisch in der warmen Bohrung eingeschlossen, was bei einigen Patienten Klaustrophobie induzieren kann. Die Erwünschtheit eines Aufbaus in offener Architektur, in welcher der Patient im Wesentlichen nicht vollständig eingeschlossen ist, ist seit langem erkannt. Leider bringt ein Aufbau in offener Architektur eine Reihe von technischen Problemen und Herausforderungen mit sich. Ein Problem besteht in der Schaffung einer geeigneten Unterstützungsstruktur, welche wesentlich weniger Raum als herkömmliche Unterstützungsstrukturen belegt, und welche trotzdem die Magnetanordnung unter den erheblichen elektromagnetischen und thermischen Kräften unterstützt, die während des Betriebs anzutreffen sind.
Das Aufhängungssystem eines MRI-Magneten hat die Magnetmasse zu halten, während sie gleichzeitig eine angemes sene Steifigkeit mit minimalem Leitungswärmeaustritt schafft. Zusätzlich zu der Masse und deren dynamischen Belastung muss eine MRI-Aufhängung in offener Architektur eine große elektromagnetische (EM)-Nettokraft in jeder Hälfte des Magneten in der axialen Richtung sowie eine mögliche quer gerichtete EM-Kraft aufgrund einer Fehlausrichtung unterstützen. Die Steifigkeitsanforderung in allen Richtungen ist in einer derartigen Anordnung ebenfalls anspruchsvoller, um die Feldstabilität unter Schwingung aufrecht zu erhalten. Ferner sollten alle strukturellen Anforderungen ohne signifikante Steigerung des Leitungswärmeaustrittes durch das Aufhängungssystem erfüllt werden. Eine gute Wärmeflussunterbrechung in der Aufhängung ist erforderlich, um die 4K-Wärmelast in der Kühlkapazität des Magneten unterzubringen, insbesondere wenn eine Heliumrückkondensation vorgesehen ist, da sich der mechanische Kryokühler in einem Rückkondensationssystem häufig an oder nahe an seinem Kühlvermögen befindet. Ferner muss das System so ausgelegt sein, dass es die Differenz der thermisch unterschiedlichen Expansion und Kontraktion zwischen dem Heliumbehälter aus Aluminium und dem Aufhängungssystem ohne komplizierte und umfangreiche Bearbeitung aufnimmt.
Alle sich überschneidenden und widersprechenden Anforderungen müssen für eine praktikable und zufrieden stellende MRI-Supraleitermagnetstruktur erfüllt sein.
Somit besteht hier ein spezieller Bedarf für eine supraleitende Magnetstruktur und eine Unterstützungsanordnung, welche die vorstehend erwähnten Probleme überwindet, während sie gleichzeitig eine gute mechanische Unterstützung bereitstellt, um den starken magnetischen Kräften zusammen mit einer guten Wärmeisolierung und Trennung zu widerstehen.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird in einem zur Magnetresonanz-Bildgebung geeigneten und einen Kühlmitteldruckbehälter konzentrisch innerhalb eines Vakuumbehälters und einem zwischen den Behältern angeordneten und sich entlang deren Achse erstreckenden Wärmestrahlungsschild enthaltenden supraleitenden Magnet ein Aufhängungssystem zur Positionierung und Aufrechterhaltung der Abstandsbeziehung zwischen dem Kältemitteldruckbehälter bereitgestellt, wobei der Wärmestrahlungsschild und der Vakuumbehälter aufweisen: eine erste Unterstützungsanordnung, die sich zwischen dem Kältemitteldruckbehälter und dem Strahlungsschild erstreckt; und eine zweite Unterstützungsanordnung, die sich zwischen dem Strahlungsschild und dem Vakuumbehälter erstreckt;
wobei sich jede von den Unterstützungsanordnungen in einem Winkel zu der und um die Achse herum erstreckt, die eine kegelstumpfförmige Oberfläche, deren Enden mit dem großen Durchmesser unmittelbar an dem Kältemittelbehälter liegen, definiert; und
ein mit dem Strahlungsschild zusammenhängender Wiedereintrittsabschnitt, der das Ende mit dem kleineren Durchmesser der ersten Unterstützungsanordnung und das Ende mit dem größeren Durchmesser der zweiten Unterstützungsanordnung so verbindet, dass sich der Wiedereintrittsabschnitt zu der Achse unter Erzeugung eines verlängerten Wärmepfades zurückfaltet.
Die Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine vereinfachte, teilweise aufgeschnittene, Seitenansicht einer supraleitenden Magnetanordnung in offener Architektur, die die Erfindung verkörpert, darstellt.
2 eine vergrößerte vereinfachte perspektivische Ansicht der einteiligen Unterstützungsstruktur von 1 ist, welche nicht maßstäblich ist, um die Erfindung besser dazustellen.
3 ein Querschnitt mit Details der Unterstützungsstruktur der 1 und 2 ist.
4 ein Querschnitt einer modifizierten Version von 3 ist.
Zunächst enthält gemäß 1 und 2 eine supraleitende Magnetanordnung in offener Architektur ein Paar getrennter solenoidförmiger oder zylindrisch geformter Vakuumbehälter oder Gehäuse 12 oder 14 von supraleitenden Magneten 6 und 8, die durch eine Unterstützungsstruktur 16 getrennt sind. Die von den Vakuumbehältern 12 und 14 und den Abstandsposten 16 gebildete Gesamtstruktur schafft erhebliche Öffnungen oder einen offenen Raum zwischen den Vakuumbehältern, welcher einen Einschluss des in dem offenen Raum oder Bildgebungsbereich 11 um die Achse 32 der supraleitenden Magnete 6 und 8 positionierten Patienten vermeidet. Mehrere insgesamt als 24 dargestellte Hauptmagnetspulen innerhalb des Tieftemperaturdruckbehälters 2 stellen ein starkes Magnetfeld in dem Bildgebungsbereich 11 nach der Kühlung der Mag netanordnung auf supraleitende Temperaturen (durch – nicht dargestellte – herkömmliche Heliumkühleinrichtungen) und Initiierung der supraleitenden Magnetstromflusses bereit. Der Rückkondensator 15 kondensiert Heliumgas, das sich aus dem Sieden des Heliums bei der Kühlung der supraleitenden Magnete 6 und 8 auf supraleitenden Temperaturen ergibt, zurück. Das rückkondensierte flüssige Helium fließt gemäß Darstellung durch den Pfeil 17 in einer im Fachgebiet bekannten Weise zu dem supraleitenden Magneten zurück.
Die durch die supraleitenden Magnete 6 und 8 erzeugten starken Magnetkräfte führen zu starken elektromagnetischen Kräften in der axialen Richtung auf die Magnetkomponenten innerhalb jedes supraleitenden Magneten und auch in einer radialen Richtung aufgrund einer Fehlausrichtung in dem Magneten. Es ist wichtig, dass das Magnetunterstützungssystem, dass eine Verbindung zwischen dem Tieftemperaturdruckbehälter 22, dem Wärmestrahlungsschild 30 und dem Vakuumbehälter 12 eine Verbindung herstellt, einen großen Wärmewiderstand zwischen dem Tieftemperaturbehälter 22 und der wesentlich wärmeren (bis zu über 300°K) Außenatmosphäre außerhalb der supraleitenden Magnetanordnung aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass kohlefaserverstärkter Verbundstoff (hierin nachstehend als "CFRP" bezeichnet) die gewünschten mechanischen Eigenschaften aufgrund seiner hohen Festigkeit und hohen Steifigkeit sowohl in der Axial- und Quer- oder Radialrichtungen bereitstellt. Um eine angemessene Wärmeisolation und Widerstand zum Vermeiden einer unerwünschten Wärmeleitung in dem eingeschränkten radialen Raum innerhalb des Vakuumbehälters 12 bereitzustellen, enthält eine allgemein konisch geformte CFRP-Unterstützungsanordnung 40 drei Abschnitte. Ein erster im Wesentlichen kegelstumpfförmiger oder konischer Abschnitt 42 erstreckt sich zwischen dem Tieftemperaturdruckbehälter 22 und dem Wärmestrahlungsschild 30, ein zweiter überlappender, im Wesentlichen kegelstumpfförmiger oder konischer Abschnitt 44 verbindet den Wärmeschild 30 und den Vakuumbehälter 12 und ein dritter oder Wiedereintrittsabschnitt 46 stellt eine Verbindung zwischen dem konischen Abschnitten 42 und 44 her. Der Wiedereintrittsabschnitt 46 ist im Wesentlichen zylindrisch und um die Achse 32 herum konzentrisch.
Die Abschnitte 42, 44 und 46 der CFRP-Unterstützungsanordnung 40 sind so gewickelt und zusammengebaut, dass sie eine einteilige Einheit oder ein Element auszubilden, wie es am besten in 2 dargestellt ist. Der dazwischen liegende zylindrische Wiedereintrittszylinder 46 verlängert den Wärmepfad der Unterstützungsanordnung 40 und verwendet dasselbe CFRP-Material zur Anpassung an die Wärmeschrumpfung der Aufhängungskoni 42 und 44. Die CFRP-Unterstützungsanordnung 40 erzeugt demzufolge nicht nur eine große Stärke sowohl in den axialen, als auch radialen Richtungen, sondern erzeugt auch einen verlängerten, im Wesentlichen Z-förmigen Wärmepfad, welcher eine nicht akzeptable Wärmeleitung vermeidet, welche ansonsten auf dem relativ kurzen Abstand zwischen dem Tieftemperaturdruckbehälter 22 und dem Vakuumbehälter 12 innerhalb der Grenzen der supraleitenden Magnete 6 und 8 in offener Architektur auftreten.
Details des Aufbaus der CFRP-Unterstützungsanordnung 40 zusammen mit dem Verfahren der Anbringung an den zu unterstützenden Elementen sind in 3 und 4 dargestellt.
Gemäß 3 sind die konischen Elemente 42 und 44 und der axiale Wiedereintrittszylinder 44 aus CFRP gewickelt und gemäß Darstellung miteinander verbunden. Die Befesti gung des kegelstumpfförmigen Abschnittes oder Elementes 42 an dem Tieftemperaturdruckbehälter 22 beinhaltet ein CFRP-Verstärkungselement 50 und eine Vorspannung des CFRP-Elementes 52, welches einen Schraubenmechanismus 54 enthält, um die korrekte Vorspannung zur Anpassung an die Abkühlschrumpfung des Tieftemperaturdruckbehälters 22 zu erzeugen, um die thermische Beanspruchung in der CFRP-Unterstützungsanordnung 40 zu Verringern. Der Aluminium-Tieftemperaturdruckbehälter 22 zeigt eine wesentlich größere Abkühlschrumpfung während der Abkühlung von Raumtemperatur auf Tieftemperaturen als es das die Unterstützungsanordnung 40 bildende CFRP-Material zeigt. Um die geeignete mechanische Schnittstelle sowohl bei Raum- als auch Tieftemperaturen bereitzustellen, und um den Einfluss von Wärmeschrumpfungsdifferenzen zu minimieren, wird eine sich ausdehnende Schnittstelle geschaffen.
Das CFRP-Verstärkungselement 50 ist kleiner als die Übergangsstelle am Tieftemperaturdruckbehälter 22 bei Raumtemperatur ausgeführt, was zu einem radialen Spalt zwischen dem Verstärkungselement 50 und dem Druckbehälter 22 führt. Der Durchmesser des Verstärkungselementes 50 ist kleiner als die Übergangsstelle des Tieftemperaturdruckbehälters 22 bei Raumtemperatur, aber größer wenn sie bei supraleitenden Temperaturen, wie zum Beispiel 4,2 K unterschiedlich schrumpfen. Der Schraubenmechanismus 44 wird dazu genutzt, den Spalt während der Montage durch Erweiterung – des Durchmessers des Verstärkungselementes – zu schließen. Während der Abkühlung des Tieftemperaturdruckbehälters 22 wird die Vorspannung in dem Verstärkungselement 50 aufgrund der unterschiedlichen Wärmezusammenziehung der zwei Materialien aufgehoben. Demzufolge wird die in das CFRP induzierte Wärmespannung aufgrund der unterschiedlichen Wärmezusammenzie hung verringert. Ein rostfreier Stahlring 60 wird von einem Segment 61 aus rostfreiem Stahl überlappt, um eine Stufe auf den CFRP-Element 44 aufzunehmen. Diese Verbindungsstelle stellt eine Schweißoberfläche 60 für die Befestigung der Unterstützungsanordnung 40 an Vakuumbehälter 12 bereit.
4 stellt eine leichte Modifikation der CFRP-Unterstützungsanordnung 40 dar. Gemäß 4 beinhaltet die Unterstützungsanordnung 41 die Hinzufügung eines segmentierten dünnen Aluminiumbleches 58, wie zum Beispiel AL 1100, das mit dem axialen Zylinder 46 verbunden ist, um eine mechanische und thermische Verbindung zwischen der Aufhängungssystemunterstützungsanordnung 40 und dem Wärmestrahlungsschild 40 bereitzustellen, und um den Wärmeabschirmungs- oder Wärmeflussunterbrechungseffekt zu verbessern.

Claims

Aufhängungssystem (40) für einen supraleitenden Magneten (10), der zur Magnetresonanz-Bildgebung geeignet ist, und einen ringförmigen Kühlmitteldruckbehälter (22) konzentrisch innerhalb eines ringförmigen Vakuumbehälters (12) und einen zwischen den Behältern (22, 12) angeordneten und sich entlang deren Achse erstreckenden Wärmeschutzschild (30) enthält, wobei das Aufhängungssystem (40) zur Positionierung und Aufrechterhaltung der Abstandsbeziehung zwischen dem Kältemitteldruckbehälter (22), dem Wärmestrahlungsschild (30) und dem Vakuumbehälter (12) angepasst ist, wobei das Aufhängungssystem (40) aufweist: eine erste Unterstützungsanordnung (42), die sich zwischen dem Kältemitteldruckbehälter (22) und dem Strahlungsschild (30) erstreckt; und eine zweite Unterstützungsanordnung (44), die sich zwischen dem Strahlungsschild (30) und dem Vakuumbehälter (12) erstreckt; wobei jede von den Unterstützungsanordnungen (42, 44) sich in einem Winkel zu der und um die Achse (32) herum unter Definition einer kegelstumpfförmigen Oberfläche mit ihren Enden mit dem großen Durchmesser zu dem Kältemittelbehälter (22) hin am nächsten liegend erstreckt; und einen mit dem Strahlungsschild (30) zusammenhängenden Wiedereintrittsabschnitt (46), der das Ende mit dem kleineren Durchmesser der ersten Unterstützungsanordnung (42) und das Ende mit dem größeren Durchmesser der zweiten Unterstützungsanordnung (44) so verbindet, dass sich der Wiedereintrittsabschnitt (46) zu der Achse (32) unter Bereitstellung eines verlängerten Wärmepfades zurückfaltet.
Supraleitermagnet-Aufhängungssystem nach Anspruch 1, wobei der Wiedereintrittsabschnitt (46) konzentrisch zu der Achse (32) ist und die Unterstützungsanordnungen (42, 44) die Enden des Wiedereintrittsabschnittes (46) in einer im Wesentlichen Z-förmigen Konfiguration so überlappen und daran befestigt sind, dass der Wärmepfad des Aufhängungssystems (40) in der radialen Richtung von der Achse (32) aus größer als der radiale Abstand zwischen dem Druckbehälter (22) und dem Vakuumbehälter (12) ist.
Supraleitermagnet-Aufhängungssystem nach Anspruch 2, wobei die Unterstützungsanordnungen (42, 44) ein kohlefaserverstärkter Verbundstoff sind.
Supraleitermagnet-Aufhängungssystem nach Anspruch 3, wobei ein segmentiertes dünnes Aluminiumblech (58) mit dem kohlefaserverstärkten Verbundstoff verbunden ist.
Supraleitermagnet-Aufhängungssystem nach Anspruch 4, wobei das Aluminiumblech (58) Segmente aus Aluminium enthält, die voneinander beabstandet sind.
Supraleitermagnet-Aufhängungssystem nach Anspruch 2, wobei die Unterstützungsanordnungen (42, 44) und der Wiedereintrittsabschnitt (46) miteinander zu einer einzigen Einheit (40) verbunden sind, die sich zwischen dem Druckbehälter (22) und dem Vakuumbehälter (12) erstreckt und den Wärmestrahlungsschild (30) zwischen dessen Enden unterstützt.
Supraleitermagnet-Aufhängungssystem nach Anspruch 6, wobei eine zur Verschweißung mit dem Vakuumbehälter (12) geeignete Verbindungsstelle an dem Innenende der zweiten Unterstützungsanordnung (44) vorgesehen ist und gegenüberliegende rostfreie Stahlringe (60, 61) enthält, um das innere Ende der zweiten Unterstützungsanordnung (44) einzuschließen.
Supraleitermagnet-Aufhängungssystem nach Anspruch 7, wobei an dem inneren Ende der ersten Unterstützungsanordnung (42) ein Verbindungsstellenelement (52, 54) aus einem vorgespannten kohlefaserverstärkten Verbundstoff vorgesehen ist, um die Wärmespannung zwischen der ersten Unterstützungsanordnung (42) und dem Druckbehälter (22) zu minimieren.
Supraleitermagnet-Aufhängungssystem nach Anspruch 8, wobei der Druckbehälter (22) Aluminium ist.
Supraleitermagnet-Aufhängungssystem nach Anspruch 2, wobei das Ende mit dem größeren Durchmesser der zweiten Unterstützungsanordnung (44) angrenzend an und innerhalb des Endes mit dem kleineren Durchmesser der ersten Unterstützungsanordnung (42) positioniert ist.