CN106898452B - 可容易地接近的深度冷冻的nmr匀场装置 - Google Patents

可容易地接近的深度冷冻的nmr匀场装置 Download PDF

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Abstract

一种NMR装置中的磁体装置，具有用于生成均匀磁场的超导磁体线圈系统(C)且具有有液态氦以及内部He管(H)的He罐(H1)，其中超导磁体线圈系统以机械方式刚性地连接至He罐，具有内部辐射屏蔽管(S)的辐射屏蔽装置在一定距离处包围He罐以降低液态氦的蒸发率，由磁性材料构成的场成形装置(P)布置于内部He管与内部辐射屏蔽管之间的空间中以调整均匀磁场，场成形装置固定于内部He管与内部辐射屏蔽管之间的空间中以使场成形装置与He罐刚性机械接触同时不会触碰内部辐射屏蔽管。可将场成形装置安装至低温恒温器中以使它不会相对于超导线圈运动。不必将He罐打开以操作场成形装置并且避免了低温恒温器的拆除。

Description

可容易地接近的深度冷冻的NMR匀场装置
技术领域
本发明涉及一种NMR(核磁共振)设备中的磁体装置，所述磁体装置具有用于沿z-轴方向生成均匀磁场的超导磁体线圈系统，其中所述超导磁体线圈系统布置于具有内部He管的He罐中，内部He管在操作时盛装有用于冷却所述线圈的液态氦并且以机械方式刚性地连接至所述He罐，其中具有内部辐射屏蔽管的辐射屏蔽装置在一定距离处包围所述He罐，以便降低液态氦的蒸发率，并且由软磁性材料所构成的场成形装置布置于所述内部He管与所述内部辐射屏蔽管之间的空间中，以便调整所述均匀磁场(即匀场)。
在JP 3737636 B2中公开这样的装置。
背景技术
超导磁体系统的应用领域包括不同的应用区域，特别是磁共振方法。为了在这样的方法中获得良好的分辨率，样品体积中的磁场必须具有较高的均匀度。可通过场生成磁体线圈的几何布置使超导磁体的基本均匀性最优化。
经常地，在磁体线圈中设置其中未缠绕有金属丝的间隙(所谓的槽口结构)，以便改进磁场的均匀性。然而，结果是，失去了用于磁体绕组的宝贵的空间，这使磁体更昂贵并且增加杂散磁场。在根据US 6,617,853B2所述的装置中，由于设置充当磁体线圈中的某些槽口结构的作用的一个或多个软磁环，用于高分辨率频谱学的超导磁体构造得更紧凑。
可以以一系列球谐函数在样品体积中将根据US 6,617,853 B2所述的装置的磁场的z-分量展开：
其中，根据设计，系数Anm(其中m≠0)以及所有的系数Bnm消失。由于磁体装置中的制造公差，系数Anm以及Bnm与所计算的值不同。通常使用匀场线圈(均可用它们自己的电流使它们激励)来校正这些未消失的系数。在其中所述系数与它们所期望的值极为不同的情况下，可能是因为在某些匀场线圈中所需要的电流过高并且不能按照需要校正磁体装置的磁场。替代地，可能是因为，由于未为磁场设置匀场线圈，不能校正在以一系列球谐函数将磁场展开的过程中的有问题的系数。在这样的情况下，需要对磁体系统(其中必须替换磁体装置的部分)进行昂贵的修理。
设置由软磁性材料所构成的合适的场成形装置，以便改进磁场均匀性而不需要缠绕新的磁体线圈。
在DE 10 16 505 A1中描述了由金属片或箔所构成的不同类型的场成形装置。在JP 4384220 B2中具体规定了其中金属片或箔具有切割的矩形窗口的特殊情况。在DE 102012 220 126 A1中也公开了金属片中的不连续的孔。
特别地形成的场成形装置还可具有免除以上所描述的超导磁体线圈中的槽口结构的目的，以便使磁体更紧凑，例如如在DE 10 104 054 C1中所解释说明的。
在JP 3737636 B2中讨论了场成形装置的另一个重要的方面，在引言中引用了JP3737636 B2：软磁性材料的饱和磁化强度为依赖温度的。这种依赖性在高温(比如，例如室温)条件下是特别显著的。由于可变的饱和磁化强度，场成形装置的较小的温度变化则引起工作体积中的场的改变，这可能不利地影响NMR测量。
为了克服这一缺陷，有人提出将场成形装置容置于He罐中。由于场成形装置的较低的温度以及通过液态氦对它的冷却，形成用于稳定状态的理想的先决条件。然而，由于只能在测量工作体积中的场之后设置场成形装置的大小，所以在可将场成形装置安装于氦罐中之前，必须在第一磁体测试之后加热低温恒温器并且将所述低温恒温器完全地拆除。这样的操作耗费时间和金钱。
作为一种可能的解决方案，DE 10 2012 220 126 A1还提出将场成形装置冷却至液态氦的温度，以便改进场成形装置的磁性能。作为这种解决方案的一种替代方案，在DE10 2012 220 126 A1提出的是，将场成形装置容置于磁体装置的、处于室温条件下的区域中，所以，在操作状态中，容易从外部接近场成形装置的构件并且可修改场成形装置的构件而无需加热磁体线圈系统。
作为一种替代的解决方案，在于引言中所引用的JP 3737636 B2中，提出的是，将场成形装置胶接至包围He罐的氮罐的内部管。该内部管具有使室温内部管的辐射远离He罐的任务并且因此在下文中还被称为内部辐射屏蔽管。通过低温恒温器的合适的设计，在第一磁体测试之后仅仅需要加热低温恒温器并且不需要完全地将低温恒温器拆除。
然而，遗憾的是，这种表面上理想的解决方案具有JP 3737636 B2的作者已经明显地忽略的主要的缺点：即，当氮填充高度发生改变时，氮罐运动，并且具有所安装的场成形装置的内部管自然地也与它一起运动。然而，这种运动现在引起工作体积中的磁场均匀性的显著的变化，这在很多应用中是无法接受的。
发明内容
本发明的目的
相反地，本发明以以下目的为基础：用简单的技术措施显著地增加具有在引言中所限定的种类的场成形装置的超导磁体装置中的工作体积中的磁场均匀性而无需增加磁体装置的体积，其中——例如，为了改装的目的或者为了调节的目的——还能从外部容易地接近场成形装置而无需对低温恒温器的、特别地对He罐或磁体装置的复杂的拆除。
本发明的简要描述
通过在引言中所提到的种类的磁体装置以同等程度的非常简单的且有效的方式实现该目的，所述磁体装置的特征在于，场成形装置固定于内部He管与内部辐射屏蔽管之间的空间中，以使得它与He罐处于刚性机械接触同时不会触碰所述内部辐射屏蔽管。因此通过本发明避免了现有技术的以上所提到的缺点，因为场成形装置与氮罐机械地分离但是设置于He罐外部。
与现有技术相比，另外的优点：
由于超导磁体线圈系统同样刚性地连接至He罐，防止了场成形装置的、相对于超导磁体线圈系统的运动，其结果是，工作体积中的均匀性保持稳定。
场成形装置至He罐的良好的热接触并非绝对必要的，因为即使没有与He罐热接触它的温度也能由于内部He管与内部辐射屏蔽管的联合辐射而自我改变。在操作状态中，所述内部管都处于非常恒定的低温温度，其结果是，场成形装置的温度同样保持高度稳定。
这使得能够实现用于将场成形装置固定至He罐的很多不同的选择。本文中所使用的材料并不一定必须具有良好的导热性。只要保证至He罐的刚性机械连接，较差的热接触表面也是可允许的。
本发明的优选的实施例和改进
在大多数低温恒温器中，内部辐射屏蔽管以机械方式刚性地固定并且与液态氮罐热接触(即在可换热的意义上接触)。热接触给予内部辐射屏蔽管它的较低的温度。该较低的温度对于输入至He罐的较低的辐射是决定性的，通过这一点使He损失最小化。
在其它低温恒温器中，通过与低温冷冻机热接触使内部辐射屏蔽管达到它的操作温度。该温度可能比液态氮的温度更低，这另外地降低He损失。这样的低温恒温器还具有的优点是，它们不需要用于液态氮的空间，这使得能够设计更紧凑的低温恒温器。
在根据本发明所述的磁体装置中，包含由软磁性材料所构成的圆柱形主体的场成形装置也是有利的。这样的主体具有要被设置于内部He管与内部辐射屏蔽管之间的理想的形状。这样的主体的生产也是相对简单的。
圆柱形主体中的非旋转对称的(non-cylindrical symmetrical)切口具有为工作体积中的磁场的匀场操作(shim)提供很大的灵活性的优点。这些切口可为或者可不为通孔。通孔更容易生产；然而，非通孔为场成形装置的设计给予更多灵活性。
以上所描述的根据本发明所述的场成形装置必须被布置成使得它的、相对于超导磁体线圈系统的位置总是被良好地限定并且在操作状态中及时保持恒定。存在实现该条件的很多方式。
一种可能性是使用支撑管，通过所述支撑管设置场成形装置的至少某些部分。通常，这些部分组成具有或不具有切口的一个或多个圆柱体。优选地，它们很好地机械地连接至所述支撑管。在竖直系统的情况下，固有的重量可为该机械连接部。在具有切口的圆柱体的情况下，其取向也是重要的。互锁连接部可为这个问题的解决方案。替代地，还可将支撑管焊接或胶接至所述一个或多个圆柱体。例如，支撑管可以旋拧到He罐的底部。用在场成形装置的每一侧上的支撑管的解决方案也是可能的。
另一种可能性是通过夹持机构将场成形装置的至少某些部分连接至内部He管。通过该解决方案可省略支撑管。通过合适的设计，若需要，则可进一步将场成形装置的这些部分移除。
在本发明的其它实施例中，可将场成形装置的至少某些部分胶接至内部He管的外表面。这种解决方案具有的优点是，场成形装置的这些部分相对于磁体线圈系统机械地稳定地设置。然而，必须确保的是，所使用的粘合剂适合于低温应用。
在根据本发明所述的磁体装置的另一个有利的实施例中，场成形装置包含布置于载体管上的、由软磁性材料所构成的箔。如同以上所描述的支撑管，所述载体管机械地连接至He罐。可单独地设计由软磁性材料所构成的每个箔，这与用一个或多个圆柱体的解决方案相比在设计方面给予更大的范围。
特别地有利地，本发明可与磁体线圈系统一同使用，所述磁体线圈系统包含用高温超导材料所缠绕的至少一个线圈。在具有高温超导体(特别地带状导体)的磁体的情况下，较差的均匀性是主要问题。造成该问题的一个原因是，这些导体中的超导层通常为几毫米宽，因此使超导电流不均匀地分布。与用传统的低温超导体(其中载流细丝通常具有百分之几毫米的直径)相比，这导致工作体积中的更大的潜在的场不均匀性。除此之外，用来改进均匀性的电致动低温匀场线圈比高温超导体径向地更加远离磁体轴线定位。当用电流操作它们时，在高温超导体中引起遮蔽工作体积中的匀场线圈的磁场的电流。低温匀场线圈因此常常不能够补偿工作体积中的磁场不均匀性并且必须寻求替代的解决方案。
其中磁体线圈系统具有主动屏蔽装置的一个实施例也是优选的。该主动屏蔽装置减小磁体装置的杂散磁场，所以能在实验室里获得用于其它应用的更多的空间。
根据本发明所述的磁体装置的这样的实施例也是有利的，在该实施例中，场成形装置为完全地磁饱和的并且仅仅轴向地(沿z轴方向)使场成形装置磁化。在这种情况下，对由场成形装置所产生的场的计算是特别容易的且精确的。
根据本发明所述的磁体装置的这样的实施例也是有利的，在该实施例中，已经使场成形装置的部分经受表面处理，特别地已经使这些部分激励。该表面处理形成最佳的防腐蚀保护，其特别地对于由软铁所构成的部分是不可缺少的。
根据本发明所述的磁体装置的一个特别优选的实施例的特征在于，场成形装置包括由磁性材料所构成的多个元件。这为使场成形装置最优化提供更多的自由度。
一种用于生产根据本发明所述的、以上所描述的种类的磁体装置的方法也落入本发明的范围内，所述方法的特征在于，通过电火花腐蚀将非旋转对称的切口中的至少某些移除。用电火花腐蚀可实现较高的机械精确度。
替代地，在所述方法的另一个变形中，可以提供的是，通过蚀刻物质将非旋转对称的切口中的至少某些移除。可通过适当地覆盖场成形装置的、不需要随后的精整加工的区域在酸槽中通过刻蚀工艺以简单的方式将材料移除。必须改变刻蚀时间，以使得将正确的厚度的材料移除。
通过方法的这样一种变形提供另一种替代方案，在该变形中，通过电解作用将非圆周地对称的切口中的至少某些移除。其中，如在方法的上述变形中，使用电解槽代替酸槽。
最后，在方法的另一种变形中，还可通过研磨或铣削将非旋转对称的切口中的至少某些移除。研磨和铣削为每一位严谨的工程师所掌握的古老的方法。此外，不需要专用的与设备相关的仪器来执行这些工艺。
在根据本发明所述的磁体装置的、具有呈通过场成形装置的通孔的形式的非旋转对称的切口的实施例中，还可用激光束切割所述孔。激光方法的一个显著的优点是非常高的机械精度，这使得能够非常精确地生产更复杂的指定的形状。
可根据说明书以及附图理解本发明的另外的优点。同样，根据本发明，以上所陈述的特征以及进一步所解释说明的特征在每一种情况下可以以它们自身的能力单独地应用或者以任何组合共同地应用。所示出和描述的实施例不应当被理解为结论性的列举，相反地，它们具有用于示例说明本发明的示例性特征。
附图说明
在附图中示出本发明并且参考示例性实施例更详细地解释说明本发明。在附图中：
图1示出通过根据本发明所述的磁体装置的径向的一半的竖直剖视示意图，其中场成形装置通过支撑管固定至氦罐的底部；
图2示出支撑管与场成形装置；
图3示出通过根据本发明所述的磁体装置的径向的一半的竖直剖视示意图，其中场成形装置通过夹持机构固定至内部He管；
图4示出通过根据本发明所述的磁体装置的径向的一半的竖直剖视示意图，其中场成形装置包含安放于固定至氦罐的底部的载体管上的箔；
图5示出通过根据本发明所述的磁体装置的径向的一半的竖直剖视示意图，所述磁体装置具有He罐、辐射屏蔽罐以及具有液态氮的罐；
图6示出通过根据本发明所述的磁体装置的径向的一半的竖直剖视示意图，所述磁体装置具有He罐以及辐射屏蔽罐，用低温冷冻机使所述辐射屏蔽罐达到它的操作温度；
图7示出具有通孔的场成形装置；以及
图8示出具有非通孔的场成形装置。
具体实施方式
图1示出通过根据本发明所述的磁体装置的径向的一半的竖直剖视示意图，其中场成形装置P通过支撑管P0固定至氦罐的底部。超导磁体线圈系统C以机械方式刚性地连接至He罐H1的底部。例如，支撑管P0可被用螺钉拧紧或被胶接至He罐的底部。然而，螺纹连接是更有利的，因为它可被再一次释放。场成形装置P可被焊接或胶接至支撑管P0。卡销式连接器也是可能的。替代地，可将场成形装置P夹持于两个支撑管之间。
在图2中示出在组装之前的支撑管P0和场成形装置P。在此示例中，场成形装置P为具有切口A的圆柱体。
图3示出通过根据本发明所述的磁体装置的径向的一半的竖直剖视示意图，其中场成形装置P通过夹持机构P1固定至内部He管H。在此种布置方式中不需要支撑管。夹持机构P1可由与场成形装置P相同的或不同的材料构成。当选择相同的材料时，场成形装置P以及夹持机构P1可由单一的工件构成。然而，在场成形装置P的设计方面必须考虑夹持机构P1对工作体积中的磁场均匀性的影响。
图4示出通过根据本发明所述的磁体装置的径向的一半的竖直剖视示意图，其中场成形装置P包含安放于固定至氦罐的底部的载体管P0上的箔。还可以以叠置的方式将多个箔布置于载体管上，优选地用适合于低温的胶条实现。所述箔可采取不同的形式。例如，它们可具有图案不同的孔。它们可覆盖载体管的整个圆周或者仅仅一部分。优选地，载体管包括用于附接软磁箔的槽。这确保了软磁箔在插入载体管时保持不受损害。
图5示出通过根据本发明所述的磁体装置的径向的一半的竖直剖视示意图，所述磁体装置具有超导磁体线圈系统C、He罐H1、辐射屏蔽罐S2以及具有液态氮的罐S1。在这种情况下，内部辐射屏蔽管S并非辐射屏蔽罐S2的部分但是以导热方式连接至氮罐S1。具有内部管R的室温罐R1包围氮罐S1。在操作时，真空存在于所述罐之间的空间中。还示出了超导磁体线圈系统C的对称轴线z以及围绕平面z＝0的工作体积AV。
图6示出通过根据本发明所述的磁体装置的径向的一半的竖直剖视示意图，所述磁体装置具有超导磁体线圈系统C、He罐H1以及辐射屏蔽罐S2，用低温冷冻机CC使所述辐射屏蔽罐S2达到它的操作温度。辐射屏蔽罐S2热连接至内部辐射屏蔽管S。如在以上附图中，还示出具有内部管R的室温罐R1、对称轴线z以及围绕平面z＝0的工作体积AV。
在图7中示出具有通孔A的场成形装置P。通孔A在形式和尺寸方面被确定成使得工作体积中的磁场为尽可能均匀的。
最后，图8示出具有非通孔A的场成形装置P。例如可通过刻蚀工艺或通过电火花腐蚀产生这些非通孔A。
附图标记
C 磁体线圈系统
H 内部He管
H1 He罐
S 内部辐射屏蔽管
S1 具有液态氮的罐
S2 辐射屏蔽罐
P 场成形装置
P0 支撑管/载体管
P1 夹持机构
A 切口
AV 工作体积
R 室温内部管
R1 室温罐
CC 低温冷冻机

Claims (10)

1.一种核磁共振设备中的磁体装置，所述磁体装置具有用于沿z-轴方向生成均匀磁场的超导磁体线圈系统(C)，其中所述超导磁体线圈系统(C)布置于具有内部He管(H)的He罐(H1)中，所述内部He管以机械方式刚性地连接至所述He罐(H1)并且在操作时盛装有用于冷却所述超导磁体线圈系统(C)的线圈的液态氦，其中具有内部辐射屏蔽管(S)的辐射屏蔽装置在一定距离处包围所述He罐(H1)，以便降低液态氦的蒸发率，并且由磁性材料所构成的场成形装置(P)布置于所述内部He管(H)与所述内部辐射屏蔽管(S)之间的空间中，以便调整所述均匀磁场，
其特征在于，
所述场成形装置(P)固定于所述内部He管(H)与所述内部辐射屏蔽管(S)之间的空间中，以使得所述场成形装置(P)与所述He罐(H1)刚性机械接触、同时又不会触碰所述内部辐射屏蔽管(S)。
2.根据权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，所述内部辐射屏蔽管(S)以机械方式刚性地固定至具有液态氮的罐(S1)并且与所述具有液态氮的罐(S1)热接触。
3.根据权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，设置有低温冷冻机(CC)，所述低温冷冻机通过热接触能使所述内部辐射屏蔽管(S)达到它的操作温度。
4.根据权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，所述场成形装置(P)包含由软磁性材料所构成的圆柱形主体。
5.根据权利要求4所述的磁体装置，其特征在于，所述场成形装置(P)的圆柱形主体具有非旋转对称的切口(A)。
6.根据权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，所述场成形装置(P)的至少一些部分通过支撑管(P0)定位。
7.根据权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，所述场成形装置(P)的至少一些部分通过夹持机构(P1)连接至所述内部He管(H)。
8.根据权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，所述场成形装置(P)的至少一些部分被胶接至所述内部He管(H)的外表面。
9.根据权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，所述场成形装置(P)包含布置于载体管(P0)上的、由软磁性材料所构成的至少一个箔。
10.根据权利要求1所述的磁体装置，其特征在于，所述超导磁体线圈系统(C)包含用高温超导材料所缠绕的至少一个线圈。
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