专利名称:用于在绕组内部中产生均匀的磁场的带有终修正的连续卷绕的螺线管绕组以及相关的优 ...的制作方法
技术领域:
本发明涉及一种用于产生均勻的磁场的装置以及一种用于在试样空间(Probenraum)中的磁场的优化方法,该方法提供了用于制造这种装置的规范 (Spezifikation)。
背景技术:
在多种应用中(例如在磁共振X光线断层摄影术(Magnetresonanztomographie) 中)必须的是,利用均勻的磁场加载长形的(ISnglich)试样空间。在此,通常使用长形的螺线管绕组(Solenoidspule),围绕试样空间卷绕该螺线管绕组。然而,在这种绕组的内部中的磁场仅仅在这样的边界情况(Grenzfall)中为精确地均勻的,即,在该情况中绕组无限长。相反地,在实际的应用中在有限长的绕组中通过边缘效应损害均勻性。为了补偿该边缘效应使用修正绕组(Korrekturspule),其抵消完美的均勻性的不期望的偏差。不利地,该修正绕组需要附加的安装空间和附加的供电部(StromzufUhrimg), 这尤其地在低温保持器(Kryostaten)的狭窄的内空间中不总是供使用的。此外,仅仅当在磁组件的材料的制造时最精确地遵守修正绕组的事先计算的尺寸和位置时,才可实现期望的磁场的均勻性。可在亚微米范围中的精度要求有时超过加工公差。为了避免附加的供电部以及通过这种附加的供电部引起的加热,可独立操控的修正绕组有时实现为集成到螺线管绕组中的附加的修正线圈(Korrekturwindimg),该修正线圈总是引导与螺线管绕组一样的电流。不利的是,对于修正线圈的定位的精度要求比对于可独立操控的修正绕组的定位的精度要求更高。
发明内容
因此本发明的目的为,提供一种用于产生磁场的装置,在没有修正绕组或修正线圈的情况下,该装置也作为螺线圈绕组利用均勻的磁场加载试样空间,并且与带有根据现有技术的修正绕组或修正线圈的组件相比,可以更小的机械的精度要求制造该装置。根据本发明,该目的通过根据主权利要求的装置以及根据附加权利要求 (Nebenanspruch)的优化方法实现。分别从回引权利要求1和7的从属权利要求中得到其它有利的设计方案。在本发明的范围中,研发了一种用于在长形的试样空间中产生均勻的磁场的装置。该装置包括至少一个激励绕组以用于产生磁场。在此,均勻性在数学的思想中不视为是非特性(Ja-Nein-Eigenschaft),而视为逐渐的(graduell)概念,其体现了实际状态与该数学的物理学上不可实现的理想状态的保留的偏差。其可绝对地定义为在磁场的单位(Einheit)中在实际状态和理想状态之间的最大差别(“直至χ毫特的均勻性”)。但是,其也可相对地定义为(同样根据量的(betragsmaBig)或二次的)该偏差和磁场强度的商δβ/β(直至ιο_4的均勻性(Homogenitat))。根据本发明,连续地围绕试样空间卷绕激励绕组,并且至少在激励绕组的部分区域中激励绕组的线圈直径沿着试样空间的纵轴线连续地变化。认识到,当不存在附加的修正绕组或修正线圈时,利用激励绕组的这种类型的造型(i^rmgebimg)仍然可明显减小在非无线长的螺线管绕组中出现的且使场的均勻性恶化的边缘效应。由此,根据本发明,在激励绕组中自身已经结合了其磁场的不均勻性的部分的修正,通过激励绕组的有限的长度引起该不均勻性。由此,与使用传统的圆柱形的螺线管绕组相比,即使没有修正绕组或修正线圈,在试样空间的内部中的磁场分布也明显更均勻。在此重要的是,激励绕组的线圈直径沿着试样空间的纵轴线连续地变化。由于激励绕组的有限的长度,激励绕组的磁场是不均勻的。根据现有技术通过少数离散的修正绕组或修正线圈引起的对该不均勻性的修正通过线圈直径的连续的变化分布到整个激励绕组上。每个极小的(infinitesimal)线圈元件为修正贡献极小的份额。由此,在试样空间的内部中的磁场的需求的均勻性和激励绕组的准确的造型之间的关联是连续的。对于本领域技术人员提出这样的该目的,即,制造带有预定的总尺寸的装置,该装置在试样空间的预定的部分体积中(“感兴趣体积(Volume of Interest) ”,V0I)产生带有预定的场强度和均勻性的磁场。如果配备有根据本发明的教导,即,可连续地围绕试样空间卷绕激励绕组并且激励绕组的线圈直径应至少在激励绕组的部分区域中沿着试样空间的纵轴线连续地变化,则本领域技术人员可如此利用合适的优化方法定制(mai3 schneidern) 激励绕组的准确的造型,即,满足对其作为目的提出的预设方案(Vorgabe)。为此,多种的 (eine breite Palette)方法可供本领域技术人员使用。对于简单的标准情况,用于计算磁场分布的商业的软件可供使用。此外,备选地或以组合的方式对于激励绕组的形状可使用参数化的方式(Ansatz)。紧接着可利用标准软件优化自由的参数。磁场特性与激励绕组的准确的造型的连续的相关性允许应用用于数值(numerisch)范数拟以及参数优化的现代化技术。本发明也涉及尤其合适的参数优化方法,在该方法中优化磁场的一定的特性。在此,优化参数与激励绕组的形状联合。在优化方法的每个步骤中,数值地范数拟在试样空间中的由具体的值得出的磁场分布以用于评估一组用于优化参数的具体的值。利用目前已具有的工具,借助于数值的范数拟的优化显著地快于传统的基于物理地加工样板并测量各个所产生的磁场的优化。然而,优化的这种方式本身仅仅需要本领域技术人员进行合理次数的尝试,以实现磁场的这样的均勻性,即,该均勻性好于圆柱形螺线管绕组。在绕组形的状优化时磁场特性的有益的性能得益于这样的情况,S卩,通过修正分布到整个激励绕组上,与根据现有技术所使用的少数离散的修正绕组或修正线圈的误定位相比,尚未优化的线圈的定位更不强烈地作用于在试样空间中的磁场的均勻性。根据现有技术,在试样空间中的磁场分布如此敏感地与修正绕组或修正线圈的位置相关,即,不总是可物理地实现已经数值地发现的该位置的最优值(Optimum)。最优值为如此狭义的 (schmal),即,精度要求往往超过加工公差。根据发明者的当前的认识,该现有技术的缺点的原因为,修正的总的效果仅仅取决于很少的参数,即,取决于少数离散的修正绕组的位置和场强度或取决于修正线圈的位置。认识到,与在独立的修正绕组中相比更难控制在修正线圈中磁场的修正的效果,因为在修正线圈中不可独立地调整电流。这对此负责任,即,用于修正线圈的定位的要求比用于修正绕组的定位的要求更高。
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根据本发明,修正的效果现取决于每个极小的线圈元件的定位,从而修正可视为连续的尺寸。因此,线圈的单个的区域的误定位对磁场分布的作用如此小,即,使得在制造过程中尤其偶然的波动Gchwankung)相互平衡(herausmitteln)。在试样空间中的磁场的改进的均勻性也意味着,与在使用传统的螺线管绕组时相比,试样空间的部分体积(在其中满足由具体的应用情况预定的对均勻性的要求(“感兴趣体积”,VOI))更大。激励绕组或所有激励绕组的整体不必包围整个试样空间。当沿着试样空间的纵轴线在多个激励绕组之间有空隙或甚至单个激励绕组具有空隙时,也实现了根据本发明的效果。通过这种类型的空隙,在存在的(anliegend)磁场中可保持可接近试样空间以用于观察或操纵位于试样空间中的试样(Probe)。在本发明的尤其有利的设计方案中,在激励绕组或所有激励绕组的整体中,线圈直径沿着试样空间的纵轴线的至少10%、优选地至少20%且相当尤其优选地至少30%严格单调增加,并且线圈直径沿着试样空间的纵轴线的至少10%、优选地至少20%且相当尤其优选地至少30%严格单调减小。那么,用于由激励绕组引起的磁场的不均勻性的修正沿着纵轴线分布到如此大的区域上,即,单个线圈的轻微的误定位不使修正失败。在机械地卷绕绕组时,通常可达到的精度是足够的。直观地说这意味着以下方面原则上,在螺线管绕组中,场线更密集地位于绕组的中央,从而磁场强于在绕组的端部处的磁场。如果随着不断地接近绕组中央线圈直径增加, 以使得线圈直径尤其地在绕组的中央为最大值,则密集地存在的场线彼此分开地弯曲。由此使磁场均勻化。激励绕组可设计成自由支撑的;激励绕组卷绕在承载件上不是必须的。例如,在应用原子物理时可需要的是,辐射源和探测器之间存在尽可能少的质量分配 (Massenbelegung);这防止了,在粒子撞击到探测器上之前吸收过多的粒子。然而,有利地, 激励绕组卷绕在空心的承载件上;这既简化了制造也简化了操作。在本发明的尤其有利的设计方案中,绕组卷绕在空心的承载件上,承载件的表面为这样的表面的一部分,即,该表面相对于试样空间的纵轴线对称。这意味着,承载件的形状沿着试样空间的纵轴线连续地变化。承载件由至少一个部分件(TeilstUck)组成,但是也可由多个部分件组成。最后提及的设计方案允许,例如横向地接近试样空间的内部。尤其地,该表面可为围绕试样空间的纵轴线的旋转体。那么,承载体为旋转对称的,并且因此可通过机械的材料加工简单地且以高的精度制造承载体。紧接着,由于旋转对称的原因,可尤其简单地机械地将激励绕组卷绕到承载体上。在本发明的尤其有利的设计方案中,为了进一步改进场的均勻性,承载体的直径沿着试样空间的纵轴线的至少10%、优选地至少20%且相当尤其优选地至少30%严格单调增加,并且承载体直径沿着试样空间的纵轴线的至少10%、优选地至少20%且相当尤其优选地至少30%严格单调减小。在本发明的另一有利的设计方案中,用于产生磁场的器件(Mittel)包括至少一个可独立地操控的修正绕组。只要激励绕组卷绕在承载体上,该修正绕组尤其地布置在该承载体上。由此,在试样空间中的磁场的均勻性进一步提高。那么尤其地有利地,当修正绕组用于均勻性的粗略修正而激励绕组的造型用于微调时,修正绕组和激励绕组的造型相互补充。如以上描述的那样,修正绕组对磁场分布的作用敏感地与修正绕组的位置和电流强度相关。如果只应用修正绕组,则这是不利的。但是,如果激励绕组的造型作为调整螺栓供使用,则刚好可将该情况转换(ummtozen)为有利的使用高的但难以控制的修正绕组的渗透率(Durchgriff),以用于将在试样空间中的磁场分布与完美的均勻性之间的大的偏差引入这样的区域中,即,在该区域中可通过较弱地作用的但可更精确地控制的激励绕组的造型的变化处理该偏差以用于继续优化。通过修正绕组的预修正不带有这样的风险,即,通过修正绕组的轻微的误定位使均勻性恶化而非改进。根据应用,用于修正绕组的定位的公差可相对于现有技术提高直至1000的因数。物理上通过以下方式引起激励绕组和修正绕组的这种合作的优点,即,引导给定的电流的区域对在试样空间中的给定的点处的磁场的贡献始终与该区域和该点之间的间距相关,并且该间距可连续地变化。这恰恰发生在激励绕组的根据本发明的造型中。在此, 与通过一个或仅仅少数的离散的修正绕组的电流变化相比,在激励绕组中线圈直径的局部的变化通常明显更弱地起作用。有利地,激励绕组具有至少两层重叠地卷绕的线圈。由此,有利地,增加对于电磁的通量来说决定性的线圈(其可安置在给定的绕组长度上)总数量。在本发明的尤其有利的设计方案中,装置具有这样的供电部,即,其能够为所有激励绕组的整体供电。这引起,代替(an Stelle)多个用于附加的修正绕组的线路,仅仅必须将两条电的线路引导到该装置中。在多种应用中(例如,在应用在低温恒温器中的装置时),电的线路的最大数量受到限制。在给定的线路数量时,利用根据本发明的装置实现比现有技术更好的在试样空间中场的均勻性。例如,可使用唯一的激励绕组,其连续地卷绕到在带有根据本发明的造型的承载件上。在本发明的范围中,也发展了一种用于优化一个或多个预定的磁场的特性的方法,由在长形的试样空间中的装置产生该磁场。例如,磁场的预定的特性可为均与性,但是例如也可为方向分量的绝对的或相对的强度。该方法所基于的是,装置包括至少一个连续地围绕试样空间卷绕的激励绕组,并且预定一组自由的优化参数,在试样空间中的磁场与这些参数相关。此外,可预定附加条件。这些附加条件例如可为装置的总尺寸、激励绕组的尺寸和线路横截面、力求的场强度、 力求的均勻性以及在其中期望该场强度和均勻性的区域(感兴趣体积,V0I)的尺寸和形状。根据本发明,首先从用于优化参数的给定的值中获得在试样空间中的磁场分布。 紧接着,获得性能函数(GUtefimktion)的值以用于获得的磁场分布,该性能函数与待优化的磁场的特性相关。在本发明的尤其有利的设计方案中,性能函数与在试样空间中的磁场的均勻性的范数(Norm)相关。根据性能函数并且从用于优化参数的给定的值中获得优化参数的新的值, 这些新的值可能满足预定的附加条件。就此而言,“根据”表示,可评估在参数范围 (Parameterraum)中的性能函数,以使得可通过其走向(Verlauf)得出结论。使用新获得的优化参数的值重复以上提及的步骤,直至达到预定的中断条件。作为中断条件的为,例如达到用于性能函数的值的预定的阈值,或达到重复(迭代)的以及该条件中的任意组合的预定的数量。之后,最终得到的优化参数的值可用作用于制造装置的规范。已认识到,在执行该方法时待优化的特性(例如在尤其有利的设计方案中为磁场的均勻性)可在比执行根据现有技术的优化方法更大的试样空间的部分体积中涉及 (eingehen)性能函数并且因此符合用于优化参数的优化的值的确定。由此也可如此优化装置,即,相对于待优化的性能在相同的质量时该装置具有更小的结构尺寸,或相对于待优化的性能在相同的结构尺寸时具有带有给定的质量的更大的可用的体积(感兴趣体积, V0I)。根据现有技术的优化方法基于围绕在试样空间中给定的点的局部的磁场的级数展开(Reihenentwicklimg)。通过将该级数展开的一定的阶的误差置为等于零并且在此产生的直流系统脱开,确定装置的自由的参数(修正绕组的位置和电流)。通过以下方式限制试样空间的部分体积(在其中利用该根据现有技术的方法可实现磁场的均勻性),即,级数展开仅仅在围绕给定的点的限制的部分体积中具有有效性,并且随着该点的增加的间距快速地变得不精确。根据本发明的优化方法不再依赖于(anweisen)在优化参数和试样空间中的磁场之间的关系的近似的解析的表达式。因此,优化方法不再碍于这样的问题,即,这种解析的表达式为仅仅在试样空间的非常窄的部分体积中的有效的近似。原则上,为了从已有的优化参数的值和性能函数的值中获得优化参数的新的值,可应用每种数值的优化方法。已证实为尤其有利的是,使用最速下降法 (Abstiegsverfahren)和在此尤其地使用梯度法。这种方法连续地在性能函数的负的梯度的方向上前进(voranschreiten)并且得到用于优化参数的这样的值,即,在其中性能函数呈现至少一个局部的最小值。同样也可使用附加的步长控制,例如“Armi jo步长搜索 (Armijo' s step size rule),,。在本发明的尤其有利的设计方案中,如此选择优化参数,即,在至少一个激励绕组的沿着试样空间的纵轴线变化的线圈直径方面进行优化。之后,在优化结束时获得的走向可例如用作范数型(Vorlage),以用于机械地加工承载件,激励绕组机械地卷绕在承载件上。有利地,通过样条(Spline)逼近(approximieren)线圈直径的走向或通过另一参数化的方式描述线圈直径的走向。由此,通过离散的自由的优化参数组表达寻求的优化的函数走向,对于优化算法可更容易地处理该组。由于与全局地说明的多项式相比逐段地定义样条,样条具有的优点为,对于多个函数来说可实现明显更好地逼近。因此,利用更高阶的样条也可范数仿(nactibilden)带有仅仅少数的极值的复杂的函数。在通过更高的级 (Grade)的全局的插值多项式逼近复杂的函数时,逼近函数不期望地强烈振荡。也可使用贝塞尔曲线(Bezier-Kurven)作为逼近函数。在本发明的尤其有利的设计方案中,选择至少一个附加的修正绕组的位置和/或尺寸作为其它优化参数。那么有利地,在试样空间中的磁场的均勻性的优化一方面分配到修正绕组的位置和/或尺寸上,并且另一方面分配到激励绕组的造型上。例如,利用修正绕组可引起,可以激励绕组的造型与螺线管形状的更小的偏差得到预定的均勻性。由于在与螺线管形状的偏差中期待附加的结构体积,由此可改进可利用给定的结构体积得到的均勻性。在此,附加地得到这样的协作的效果,即,造型的优化减小了在试样空间中的磁场
8相对于在修正绕组的位置和/或尺寸中的小的变化的敏感性。因此,一方面通过优化算法该位置和尺寸的优化自身在操作方面更为简单;另一方面获得的最优值对在材料的实现中的不精确性为稳定的。根据在其中仅仅应用修正绕组的现有技术,最优值为如此不稳定的, 即,在机械的加工公差的范围内部分地不再可实现用于修正绕组的定位的精度要求。性能函数可为用于在试样空间的部分体积中的磁场的均勻性的范数上的积分的量度(mass),其中,范数可为相对的均勻性ΔΒ/Β或也可为在磁场的单位中的绝对的均勻性。例如,可通过以下方式近似该积分,即,性能函数包括在试样空间中的离散的量的点上的磁场的局部的(相对的或绝对的)均勻性的例如加权的范数的总和。该离散的量的点例如可布置在网格(Gitternetz)中。例如,可选择均勻性的欧几里得范数或同样最大范数作为范数。
该方法可尤其地用于制造根据本发明的装置。可使用根据本发明的装置以及这样的装置,S卩,根据本发明优化了该装置的磁场, 以用于在粒子加速器中连续地极化固态目标。对于该应用必须同时地满足不同的且对于磁场设计来说矛盾的对磁场的强度和均勻性、磁体的尺寸以及供电部的尽可能少的数量的要求。同样磁共振X线断层摄影术可获益于根据本发明的装置以及这样的装置,即,根据本发明优化了该装置的磁场。
下面根据附图进一步解释本发明的对象,而不由此限制本发明的对象。其中图1显示了穿过带有单件式的承载件(部分图a)和带有两件式的承载件(部分图b)的根据本发明的装置的实施形式的横截面,图2显示了穿过根据本发明的装置的另一实施形式的横截面。
具体实施例方式图Ia显示了穿过根据本发明的装置的实施形式的横截面。包围长形的试样空间2 的承载件1相对于该试样空间的纵轴线对称,并且承载件1的直径在该纵轴线的中央具有局部的最大值。由此,在激磁绕组(Feldspule)中线圈直径沿着试样空间的纵轴线的50% 严格单调地增加,并且其沿着试样空间的纵轴线的50%严格单调地减小。在此未绘出激励绕组的线圈,线圈连续地卷绕在承载件上。在承载件1上布置有校正绕组3a和北以用于预修正在试样空间中的磁场。图Ib显示了穿过根据本发明的另一实施形式的横截面。在此,承载件1由两个部件Ia和Ib组成。在该部件Ia和Ib中的每一个上分别卷绕有激励绕组。在部件Ia和Ib 之间存在空隙(孔),即使在装置的运行期间也可通过该空隙横向地接近试样空间2的内部。在卷绕在部件Ia和Ib上的激励绕组的总长度上,线圈直径沿着试样空间的纵轴线的几乎一半严格单调地增加,并且其沿着试样空间的纵轴线的几乎一半严格单调地减小。两个绕组以电的方式相继地联结。由此,装置具有这样的供电部,即,其能够为所有激励绕组的整体供电。图2显示了穿过根据本发明的装置的另一实施形式的横截面。除了局部的最大值外,包围长形的试样空间2的承载体1的直径还具有两个局部的最小值。修正绕组3a和北布置在承载件上的该最小量的附近。在试样空间2中绘出了带有最佳磁场均匀性的部分体积(Teilvolumen) 2a。尤其地,在磁共振检查(Magnetresonanzuntersuchung)时,该部分体积可用作“感兴趣体积”(VOI)。
权利要求
1.一种用于在长形的试样空间中产生均勻的磁场的装置,所述装置包括至少一个激励绕组以用于产生磁场,其特征在于,连续地围绕所述试样空间卷绕所述激励绕组,并且至少在所述激励绕组的部分区域中所述激励绕组的线圈直径沿着试样空间的纵轴线连续地变化。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,在所述激励绕组或在所有激励绕组的整体中,所述线圈直径沿着所述试样空间的纵轴线的至少10%严格单调增加,以及沿着所述试样空间的纵轴线的至少10%严格单调减小。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的装置,其特征在于,所述激励绕组卷绕在空心的承载件上,所述承载件的表面为这样的表面的一部分,即,所述表面相对于试样空间的纵轴线对称。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置,其特征在于,用于产生磁场的器件包括至少一个可独立操控的修正绕组。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置,其特征在于,所述激励绕组具有线圈的至少两个重叠地卷绕的层。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置,其特征在于,所述装置具有供电部,所述供电部能够为所有激励绕组的整体供电。
7.一种用于优化磁场的一个或多个预定的特性的方法,由装置在长形的试样空间中产生所述磁场,其中,所述装置包括至少一个连续地围绕所述试样空间卷绕的激励绕组,在预设一组优化参数的情况下,其中,在所述试样空间中的磁场与该优化参数相关,以及可选地在预设一组附加条件的情况下,所述方法带有以下步骤 从用于所述优化参数的给定的值中获得在试样空间中的磁场分布;眷获得与待优化的一个或多个特性相关的性能函数的值以用于所述磁场分布; 从用于所述优化参数的给定的值中并且根据所述性能函数获得所述优化参数的新的值,所述新的值可能满足预定的附加条件;眷在使用所述优化参数的新的值的情况下重复以上提及的步骤,直至达到预定的中断条件。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述性能函数与在所述试样空间中的磁场的均勻性的范数相关。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的方法,其特征在于,选择达到用于性能函数的值的预定的阈值作为中断条件。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法,其特征在于,选择达到预定的迭代的数量作为中断条件。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法,其特征在于,如此选择所述优化参数, 即,在至少一个激励绕组的沿着所述试样空间的纵轴线变化的线圈直径方面进行优化。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,通过样条逼近所述线圈直径的走向或通过参数化的方式描述所述线圈直径的走向。
13.根据权利要求11至12中任一项所述的方法,其特征在于,选择至少一个附加的修正绕组的位置和/或尺寸作为其它优化参数。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的方法,其特征在于,所述性能函数包括在所述试样空间中的离散量的点上的磁场的局部的相对的均勻性的范数的总和。
15.根据权利要求14所述的方法,其特征在于,选择所述均勻性的欧几里得范数。
16.根据权利要求14至15中任一项所述的方法,其特征在于,选择所述均勻性的最大范数。
全文摘要
本发明涉及一种用于产生均匀的磁场的装置以及一种用于在试样空间中的磁场的优化方法,该方法提供了用于制造这种装置的规范。该装置包括至少一个激励绕组以用于产生磁场,并且其特征在于,连续地围绕试样空间卷绕激励绕组的线圈,并且至少在激励绕组的部分区域中激励绕组的线圈直径沿着试样空间的纵轴线连续地变化。在此,由激励绕组的有限的长度引起的磁场的不均匀性的修正分布到整个激励绕组上。由此,与利用根据现有技术用于修正非均匀性而使用的修正绕组相比,可更简单地且更精确地实现该装置。代替至今为止的磁场的级数展开,用于优化磁场的方法使用与基于优化参数范数拟磁场相结合的性能函数。与级数展开相比,这可应用在更大的体积中。
文档编号G01R33/387GK102265172SQ200980150154
公开日2011年11月30日 申请日期2009年11月30日 优先权日2008年12月5日
发明者A·拉卡内利, R·克劳泽 申请人:于利奇研究中心有限公司, 波恩莱茵弗里德里希·威廉大学