система электрических катушек для создания градиентного магнитного поля

Формула изобретения

СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАТУШЕК ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГРАДИЕНТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ, состоящая из двух параллельных пластин, на поверхностях которых аксиально расположены электрически соединенные последовательно катушки с противоположным направлением намотки, имеющие по две концентрично расположенные последовательно электрически соединенные секции, отличающаяся тем, что, с целью расширения области с высокой линейностью создаваемого градиента магнитного поля за счет минимизации членов разложения в ряд Тейлора осевой составляющей индукции магнитного поля по седьмой порядок включительно, диаметры секций равны 1,46 и 0,52 расстояния между электрическими катушками, а отношение числа витков в секциях большего и меньшего диаметров равно 10.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к аппаратуре для создания дополнительного магнитного поля с линейным градиентом, используемого, например, в магниторезонансной томографии.

В магниторезонансных томографах для создания основного магнитного поля в последнее время используются электромагниты и постоянные магниты с полюсными наконечниками. В таких томографах для формирования изображения используются системы плоских катушек, создающих магнитное поле с линейным градиентом. Эти катушки выполняются обычно на пластинах из электроизоляционного материала и располагаются непосредственно на полюсных наконечниках основного магнита. Системы, генерирующие градиентное магнитное поле должны иметь высокую линейность создаваемого градиента (порядка 1% в рабочей области) для уменьшения геометрических искажений получаемого изображения.

Известна система катушек для создания магнитного поля с линейным градиентом в магните с полюсными наконечниками, состоящая из двух параллельных пластин, на которых уложены проводники электрических катушек в виде нескольких прямоугольников, ширина которых равномерно увеличивается. Однако нелинейность градиента магнитного поля в такой системе велика и составляет 10% в области размером 70% от расстояния между пластинами.

Известна также система плоских катушек для создания магнитного поля с линейным градиентом, в которой расположение витков определено из условия компенсации члена третьего порядка разложения функции индукции магнитного поля в ряд Тейлора. Область с высокой линейностью градиента этой системы составляет около 40% от расстояния между пластинами и также недостаточна.

Наиболее близкой по технической сущности и принятой авторами в качестве прототипа является система катушек для получения полей поляризации с линейным градиентом с целью формирования изображений посредством ядерного магнитного резонанса. Катушки этой системы расположены в двух параллельных плоскостях и состоят из двух концентрических секций, имеющих отношение витков близкое к 8,66 и расположенных на пересечении плоскостей и круглых конусов с вершиной в центре системы. В этой системе минимизированы члены ряда Тейлора третьего и пятого порядков и отклонение от линейности создаваемого такой системой градиента менее 1% в рабочей зоне, составляющей примерно 62% от расстояния между плоскостями.

Недостатком описанной системы является небольшая область магнитного поля с градиентом высокой линейности из-за неполного использования при расчете числа варьируемых параметров электрических катушек.

Целью изобретения является расширение области с высокой линейностью создаваемого градиента магнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что в системе плоских катушек для создания магнитного поля, состоящей из двух параллельных пластин, на поверхностях которых аксиально расположены электрически соединенные последовательно катушки с противоположным направлением намотки, имеющие по две концентрично расположенные и электрически соединенные последовательно секции, минимизация членов разложения в ряд Тейлора осевой составляющей индукции магнитного поля по седьмой порядок включительно достигается при диаметрах секций 1,46 и 0,52 расстояния между пластинами и отношении числа витков в секциях большего диаметра к числу витков в секциях меньшего диаметра равном 10.

Авторы не обнаружили в известных технических решениях отличительных признаков заявленной совокупности применяемой с целью расширения области с высокой линейностью создаваемого градиента и, поэтому, считают что данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже схематично изображена система электрических катушек.

Система электрических катушек для создания магнитного поля с линейным градиентом состоит из двух параллельных пластин 1 и 2 из электроизоляционного материала. На пластинах выполнены электрические катушки, состоящие из двух концентрических секций 3, 4 и 5, 6. Отношение числа витков в секциях 3 и 4, а также 5 и 6 равно 10. Витки секций уложены в соответствующие пазы пластин или могут быть изготовлены другими способами. Направление намотки электрических катушек - противоположное. Пластины расположены так, что катушки имеют общую ось. Катушки и секции в них электрически соединены между собой последовательно. Направление создаваемого такой системой катушек градиента магнитного поля перпендикулярно плоскостям пластин.

Для определения размеров и соотношения числа витков секций может использоваться следующий метод. Проведем ось Z перпендикулярно плоскостям, в которых находятся катушки с центром О в геометрическом центре системы катушек. Обозначим расстояние между плоскостями L = 2Z_o. Тогда для кругового витка с током I и радиусом R расположенного на плоскости, осевая составляющая индукции магнитного поля в точке Z на оси системы определяется выражением (Н. Андерсон, Применение токовых шимм для коррекции магнитных полей, ПНИ, т. 32, N 3, 1961 г. )

B_z=

(1) где = 4 10^-7.

Для системы из двух круговых витков с противоположным направлением токов, расположенных на параллельных плоскостях выражение (1) раскладывается в ряд Тейлора, в котором присутствуют только члены нечетного порядка

B_z(R)= 2[G₁Z+G₃Z³+. . . +G_nZⁿ]

(2) где G_n= - коэффициент n-го члена ряда.

n = 1, 3, 5, . . . .

Отсюда видно, что линейный характер градиента определяется первым членом разложения, а все последующие члены ряда искажают линейный закон изменения индукции. Таким образом, задача получения линейного градиента магнитного поля сводится к минимизации коэффициентов третьего и выше порядков.

Система катушек, состоящих из двух секций с разным числом витков имеет три независимых параметра - радиус наружной секции R₁, радиус внутренней секции R₂ и отношение числа витков в секциях К. Подбором этих параметров можно скомпенсировать три коэффициента ряда (2) - третьего, пятого и седьмого порядков. Значения параметров могут быть получены путем решения системы из трех нелинейных уравнений

+K = 0

n = 3, 5, 7.

В результате решения получены значения R₁ = 1,46001Z_o, R₂ = 0,53751Z_o и К = = 9,63149. Практическое выполнение такой системы катушек затруднено, так как отношение числа витков секций не является целым. Установив отношение числа витков в секциях равным 10 и решив систему неравенств



n = 3, 5, 7, где - малая величина, получим новое значение радиуса R_z = 0,52Z_o. Это соответствует расположению концентрических секций катушек на пересечении плоскостей катушек и круговых конусов с вершиной в центре системы и с полууглами к вершине близкими к 55,6^о и 28,3^о.

Если использовать две пластины из электроизоляционного материала, например, гетинакса и выполнить на них плоские катушки, содержащие концентрические секции с отношением числа витков 10, намотанные, например, медным проводом диаметром 2 мм и расположить их на расстоянии 600 мм, то при пропускании тока 87А между пластинами создается магнитное поле с градиентом 5 мТм.

В таблице приведены для сравнения параметры прототипа и предлагаемой системы катушек.

Из таблицы следует, что область с высокой линейностью градиента магнитного поля в предлагаемой системе катушек увеличена более чем на 10% . Кроме того, преимуществами предлагаемой системы являются целое отношение числа витков в секциях, уменьшение потребляемого тока на 46% . При этом потребляемая мощность составляет 36% от аналогичного показателя прототипа. (56) Патент Франции N 2571496, кл. G 01 N 24/06, 1986.