Устройство для создания магнитного поля с поперечным градиентом индукции

 

Использование: в аппаратуре для создания дополнительного магнитного поля с линейным градиентом индукции в магнитно-резонансных томографах. Сущность изобретения: устройство состоит из четырех электрических катушек, расположенных на цилиндрическом каркасе из диэлектрика попарно и симметрично плоскости, перпендикулярной оси цилиндрического каркаса. Катушки каждой пары намотаны согласно, а между собой пары катушек включены встречно. Каждая катушка состоит из трех электрически соединенных последовательно секций в виде двух дуговых участков, один из которых является общим для всей катушки, и соединяющих их общих прямолинейных участков, параллельных оси цилиндрического каркаса. Дуговые участки имеют центральный угол от 123 до 125^o и находятся от плоскости симметрии на расстояниях в пределах (0,10...0,15) R, (0,55. ..0,60) R и (0,80...0,85) R. Общий дуговой участок лежит на расстоянии (1,6. ..1,9) R от плоскости симметрии, где R - средний радиус дуг катушек. Соотношение числа ампер-витков в секциях равно 1 : 1 : 2 соответственно. 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к аппаратуре для создания дополнительного магнитного поля с линейным градиентом, используемого, например, в магнитно-резонансных (МР) томографах.

Для получения изображения исследуемого объекта в МР-томографах используются три взаимно перпендикулярных импульсных магнитных поля с линейным градиентом индукции. Рассматриваемое устройство предназначено для использования в МР-томографе с магнитной системой соленоидального типа и создает градиент магнитного поля в направлении, перпендикулярном ее оси. Для уменьшения геометрических искажений получаемого изображения такие устройства должны иметь область с высокой (порядка 1%) линейностью создаваемого градиента индукции во всей рабочей зоне магнитной системы, которая составляет около 40% от внутреннего диаметра.

Известно устройство для создания магнитного поля с поперечным линейным градиентом индукции [1] которое содержит четыре одинаковые седлообразные катушки. Каждая катушка состоит из двух дуговых участков с центральным углом 120^о, расположенных на расстояниях 0,38R и 2,57R от центра системы, и соединяющих их прямолинейных участков, где R радиус дуговых участков. Дуговые участки в таком устройстве расположены при соблюдении условия компенсации членом третьего порядка разложения в ряд Тейлора функции индукции магнитного поля. Диаметр области с высокой линейностью создаваемого градиента магнитного поля составляет около 20% от диаметра дуговых участков, что недостаточно для качественного исследования.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство [2] состоящее из четырех катушек, расположенных симметрично относительно центра системы. Каждая из катушек состоит из восьми секций, содержащих восемь прямолинейных участков и двенадцать дуговых участков с разными центральными углами и с частичным перекрытием дуговых участков. В этом устройстве область с нелинейностью градиента менее 1% близка к сфере с радиусом, равным 0,4 радиуса дуговых участков.

Описанное устройство для создания магнитного поля с поперечным градиентом индукции сложно по конструкции, так как содержит большое число прямолинейных участков и перекрывающих друг друга секций.

В изобретении решается задача упрощения конструкции устройства для создания магнитного поля с поперечным градиентом индукции за счет иного расположения секций катушек и числа ампер-витков в них.

Предлагается устройство для создания магнитного поля с поперечным градиентом индукции, состоящее из четырех электрических катушек, расположенных на цилиндрическом каркасе из диэлектрика попарно и симметрично плоскости, перпендикулярной оси цилиндрического каркаса. Катушки каждой пары намотаны согласно, а между собой пары катушек включены встречно. Каждая катушка состоит из трех электрически соединенных последовательно секций в виде двух дуговых участков, один из которых является общим для всей катушки, и соединяющих их общих прямолинейных участков, параллельных оси цилиндрического каркаса. Дуговые участки имеют центральный угол от 123 до 125^о и находятся от плоскости симметрии на расстояниях в пределах (0,10.0,15)R, (0,55.0,60)R и (0,80.0,85)R. Общий дуговой участок лежит на расстоянии (1,6.1,9)R от плоскости симметрии, где R средний радиус дуг катушек. Соотношение числа ампер-витков в секциях равно 1:1:2 cоответственно.

Известные устройства для создания магнитного поля с поперечным градиентом индукции, имеющие достаточно большую область с высокой линейностью создаваемого градиента индукции магнитного поля, сложны по конструкции. За счет иного расположения секций катушек упрощена конструкция предлагаемого устройства при сохранении размеров области с высокой линейностью создаваемого градиента магнитной индукции.

На чертеже схематично изображено предлагаемое устройство.

Устройство содержит цилиндрический каркас 1 диаметром 2R, выполненный из диэлектрика, на котором намотаны четыре электрические катушки. Катушки расположены симметрично относительно плоскости, перпендикулярной оси цилиндрического каркаса, и образуют пары 2,3 и 4,5. Каждая пара катушек намотана согласно, а между собой пары катушек 2,3 и 4,5 включены встречно. Каждая из катушкек состоит из трех секций, электрически соединенных последовательно, и содержит три отдельных 6, 7, 8 и один общий 9 дуговые участки с одинаковым центральным углом β и общие прямолинейные участки 10, параллельные оси цилиндрического каркаса.

Рассмотрим устройство, состоящее из трех секций с соотношением ампер-витков в них 1: 1: 2. Расположив в плоскостях XZ и YZ на заданном радиусе, равном, например, 40% радиуса катушек, несколько точек наблюдения, можно рассчитать значения индукции магнитного поля и погрешности создаваемого градиента индукции. Далее необходимо произвести оптимизацию параметров устройства (положения секций катушек, центрального угла дуговых участков) таким образом, чтобы минимизировать наибольшее из значений погрешности создаваемого градиента. В результате такого расчета получены варианты значений параметров устройства (см. таблицу). Положения секций катушек даны в долях радиуса дуговых участков.

Из расчетов следует, что устройство для создания магнитного поля с поперечным градиентом индукции имеет радиус сферы с высокой линейностью градиента не менее 0,4R. При этом оно значительно проще по конструкции в сравнении с прототипом.

В макете устройства цилиндрический каркас имеет диаметр 670 мм. Секции катушек расположены от плоскости симметрии на расстояниях 45, 193 и 280 мм, а общий дуговой участок на расстоянии 592 мм. Первая и вторая секции содержат по два витка, третья четыре витка провода диаметром 2 мм. При пропускании через катушки тока 45,4 А в центральной части устройства создается магнитное поле с линейным градиентом индукции 2мТ/м. Область с отклонения от линейности менее 1% близка к сфере радиусом около 145 мм, что составляет 45% радиуса дуговых участков.

При использовании устройства для создания магнитного поля с поперечным градиентом индукции в МР-томографе упрощается его конструкция вследствие того, что в каждой катушке число дуговых участков сокращено до четырех при одном значении центрального угла, а прямолинейных участков до двух. Размеры области с высокой линейностью создаваемого градиента магнитной индукции такие же, как у прототипа.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ С ПОПЕРЕЧНЫМ ГРАДИЕНТОМ ИНДУКЦИИ, состоящее из четырех электрических катушек, расположенных на цилиндрическом каркасе из диэлектрика попарно и симметрично плоскости, перпендикулярной оси цилиндрического каркаса, в котором катушки каждой пары намотаны согласно, между собой пары катушек включены встречно, причем каждая катушка состоит из одной или нескольких электрически соединенных последовательно секций в виде двух дуговых участков и соединяющих общих прямолинейных участков, параллельных оси цилиндрического каркаса, отличающееся тем, что дуговые участки катушек имеют центральный угол 123 - 125^o, каждая катушка состоит из трех секций, дуговые участки которых находятся от плоскости симметрии на расстояниях в пределах (0,10 - 0,15)R, (0,55 - 0,60)R и (0,80 - 0,85)R, а общий дуговой участок - на расстоянии (1,60 - 1,90)R, где R - средний радиус дуговых участков, и отношение числа ампервитков в них 1 : 1 : 2 соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2