CN114258497A - 用于具有永久磁体布置结构的mr设备的温度调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于NMR磁体系统的温度调节系统，其包括具有中央气隙(2)的用于在中央气隙(2)内部的测量体积中产生均匀静磁场的永久磁体布置结构(1)、用于发射HF脉冲和从测量样品(0)接收HF信号的NMR样品头(3)、包括在NMR样品头中的频率检测和用于改变静磁场的幅度的HO线圈的NMR频锁以及在中央气隙中的用于进一步均匀化测量体积中的磁场的匀场系统(4)，其中，第一隔离腔室(5)热屏蔽地包围永久磁体布置结构，并且第一隔离腔室包括用于调节第一隔离腔室的温度T1的机构(6)，匀场系统、HO线圈以及NMR样品头设置在第一隔离腔室外部的中央气隙中，并且至少一个导热体(7)设置在一方面的匀场系统和HO线圈和另一方面的永久磁体布置结构之间。由此显著提高了该布置结构的场稳定性和无漂移性。

Description

用于具有永久磁体布置结构的MR设备的温度调节系统

技术领域

本发明涉及NMR(核磁共振)磁体系统的温度调节，其包括具有中央气隙的用于在中央气隙内部的测量体积中产生均匀静磁场的永久磁体布置结构、用于发射HF(高频)脉冲并从测量样品接收HF信号的NMR样品头、包括在NMR样品头中的频率检测和用于改变静磁场的幅度的H0线圈的NMR频锁、以及在中央气隙中的用于进一步均匀化在测量体积中的磁场的匀场系统。

这种可进行温度调节的NMR磁体系统例如从US 2011/0137589A1(＝参考文献[1])已知。

背景技术

概括来说，本发明涉及尤其是用于台式NMR设备的永久磁体系统的温度调节。

在永久磁体中，产生的磁场取决于所使用永久磁体材料的铁磁特性。这些特性又与温度有很大关系。以铁硼钕磁体为例，矫顽磁场强度的温度系数约为-0.6％/K，剩磁的温度系数约为0.1％/K。因此，尤其是在将永久磁体布置结构用于具有亚赫兹线宽的高分辨率NMR时，非常精确地对永久磁体布置结构进行热调节是很重要的。在此有必要在足够长的时间内保持温度(T)稳定，优选将温度波动最小化至1/1000K，以避免B0场的漂移或波动，B0场的漂移或波动可能导致在积累光谱以提高信噪比(S/N)时共振线变宽或在磁场强度在采集时期内发生变化时线型失真。同时应在磁体温度尽可能低的情况下、优选在室温范围中(标准为298K)确保测量条件，以便在不对样品进行温度调节的情况下实现NMR测量。如果磁体温度进一步降低，则产生的B0场可最大化并且磁体的热激发弛豫会减慢。理想的是，B0场应至少为1.5T、优选为1.9T或更高。

一些目前市售的可用设备没有可变的测量样品温度，而是在磁体的工作温度下对测量样品进行测量。如果插入非常热/冷的测量样品，则这会通过在磁体系统中产生的温度梯度而导致有害的B0均匀性变化。此外，测量时间延长了在测量样品中达到热平衡所需的时间，在没有主动温度调节的情况下，这比例如借助温度调节气流的情况要长得多。

根据一些出版物，代替测量样品，将真空隔离的流通池插入台式设备并在磁体外部设定和调节测量样品温度。由于测量样品体积的减少，这会导致S/N的显著损失。作为替代方案，使用未热隔离的流通池。则在此接受：在测量区域和出口中的测量样品温度可能与在入口中的温度有显著差异。例如在溶液析出时，例如当溶液在磁体温度范围内过饱和时，这可导致严重的问题。

具体现有技术

磁体温度调节：

US 8,461,841 B2(＝参考文献[2])描述了一种具有永久磁体的NMR装置，所述永久磁体通过孔借助温度调节流体达到希望的温度。使用温度传感器监控磁体温度并相应地调整流体的流量和温度。但使用该装置无法实现mK范围内的精确温度调节。

US 6,489,873 B1(＝参考文献[3])公开了一种用于基于磁轭的开式永久磁体系统的温度调节系统，其中，永久磁体布置结构通过多个热电式热泵装置与C形磁轭热接触地装配。至少一个温度传感器与电子控制电路连接。在该装置中也无法实现mK范围内的精确温度控制，因为其没有封闭的腔室。

US 6,566,880 B1和WO 2000/016117 A1(＝参考文献[4])描述了一种磁共振断层扫描仪，其配备有安装在磁轭上的永久磁体组件。该断层扫描仪还包括梯度线圈。每个永久磁体组件与一个具有良好导热性并且设置在永久磁体组件和梯度线圈之间的板处于热接触。此外，存在具有温度传感器的温度调节，这些温度传感器与所述板连接并且操控热电式热泵装置。这仍然是一个开式系统，温度调节装置旨在限制通过梯度电路输入的热量。

GB 2512328 A(＝参考文献[5])描述了一种具有永久磁体的NMR系统，该系统配备有温度传感器并且通过加热板直接为磁体供热。各传感器安装在磁体的不同位置上并将信息发送到控制器，该控制器进而操控加热板。

US 8,030,927 B2(＝参考文献[6])描述了一种具有永久磁体的断层扫描装置，其中，设有用于保持磁体内部中的温度稳定性的磁体温度控制器。磁体温度控制装置包括管道和温控器，所述管道具有在其中循环的液体或在其中循环的气体并且所述温控器与管道串联连接，以便调节液体或气体的温度。与参考文献[3]至[5]相比，在此基于流体循环可进行更精确的温度调节。但没有考虑梯度线圈或匀场线圈的输入。

热隔离：

US 7,297,907 B2(＝参考文献[7])描述了一种用于对NMR永久磁体进行主动热隔离的方法，所述永久磁体相对于位于磁体孔内部的样品位于封套(“热隔离的虚拟封套”)中。使用所谓的“主动屏蔽”，在其中温度调节液体在两个待热分离的构件之间被引导通过。此外公开了磁体组件也可包括被动隔离层。但所描述的匀场线圈可包括主动的匀场元件，这些匀场元件可直接围绕磁体定位。因此，这种布置结构的目的不是限制通过H0线圈和/或匀场线圈中的电流输入磁体材料中的热量。虽然没有明确说明温度值，但可认为在这种结构中测量样品和磁体之间的大温差应被热分离。然而并不致力于对磁体的精确温度调节。

从US 2013/0207657 A1(＝参考文献[8])中已知另一种磁体配置。但该文献没有公开在测量样品和极靴之间或在极靴和磁体材料之间设置可温度调节的屏障或隔离部。

具有温度控制的匀场：

使用多个匀场线圈对磁场进行电子匀场，这些匀场线圈在通电时在测量体积中产生不同的场梯度。

US 9,285,441 B1(＝参考文献[9])描述了一种用于NMR应用的磁场校正系统。尤其是涉及电子匀场，以便在视场中实现均匀的磁场。尽管该文献解决磁体系统和匀场系统中的温度变化问题、尤其是磁场漂移，但根据参考文献[9]，这不是通过温度调节系统、而是通过纯调整通过匀场线圈的电流来解决的。

US 2011/0037467 A1(＝参考文献[10])描述了在MR成像中类似的问题解决方案。当匀场材料中的温度变化时，静磁场的均匀性会发生变化。因此提出在匀场上的温度传感器，该温度传感器将信息发送到控制器，该控制器由此确定不均匀性。在此也没有设置用于匀场的温度调节系统。

使用热泵和热交换器进行温度控制：

US 2018/0038924 A1(＝参考文献[11])公开了一种用于高温测量的NMR系统。为此，样品头配备有朝向磁体的热隔离部。该隔离部或热屏障包括例如由热管或热泵(珀尔帖元件)组成的热汇以及呈壁形式的热隔离部。此外，可对永久磁体的极靴进行温度调节，以防止磁体中的温度梯度。还示出一种用于对测量样品进行温度调节的气流(VT气流)。

US 2016/0077176 A1(＝参考文献[12])描述了一种NMR样品头盒，其包括由非磁体材料制成的第一可移除连接体。该连接体可逆地与热交换器连接，以便将连接体基本上保持在预定的温度。但主题并不是磁体温度调节。

开头引用的参考文献[1]描述了具有开头提到的特征的同类型的布置结构和用于产生均匀磁场的方法。参考文献[1]公开了仅对磁体直接进行温度调节。并没有说明对于尤其是在磁体和/或极靴和匀场系统之间的中间位置进行间接温度调节。参考文献[1]中描述的用于磁体温度调节的装置(根据框图)仅与磁体本身连接，而不与匀场系统或极靴连接。也没有设置磁体系统的热封装。文献中没有详细讨论热耦合和机械耦合的问题。

发明内容

与此相对，本发明所基于的任务是使用尽可能简单的技术手段改进用于开头所述类型的NMR磁体系统的温度调节系统，以避免已知的同类型的布置结构的上述缺点。通过本发明改进的NMR装置尤其是应提供下述可能性：

1.设定可变的测量样品温度，

2.在短时间内产生大的匀场电流变化，而不使磁体系统长时间漂移，

3.能够在H0线圈中引起电流的快速变化并允许锁定范围的大的最大幅度，而磁体系统不会以缓慢的漂移和变化的场梯度对此做出反应，

4.与根据现有技术的设备相比实现提高的场稳定性，尤其是在更换测量样品时，

5.调节永久磁体的温度，使得能在磁体中实现恒定的温度或必要时稳定的温度梯度，尤其是独立于基于匀场电流或在测量腔室区域内、即在永久磁体内侧上的热量输入，这对于在测量腔室中的场稳定性至关重要，但也会受到外部影响、如室温或设备上的太阳辐射。

对本发明的简要描述：

这一——在详细考虑时要求相对高且复杂的——任务通过本发明以出人意料地简单而有效的方式通过如下方式解决，即在开头定义类型的用于NMR磁体系统的温度调节系统中，第一隔离腔室热屏蔽地包围永久磁体布置结构，所述第一隔离腔室包括一个或多个用于调节所述第一隔离腔室的温度T1的机构，匀场系统、H0线圈和NMR样品头在第一隔离腔室外部设置在中央气隙中并且至少一个导热体设置在一方面的匀场系统和H0线圈与另一方面的永久磁体布置结构之间。

本发明主要涉及实现对永久磁体系统的尽可能“灵敏”的、精确度为几mK的温度调节。

根据本发明，该目标尤其是通过一种NMR磁体系统实现，其中，永久磁体设置在内部和外部封闭的系统中。磁体完全被等温壁包围并且因此通过主动屏蔽保持不受来自不同侧面的热量输入的影响。永久磁体具有横截面至少部分为矩形、多面体、椭圆形或圆形的内轮廓，在该内轮廓中设置有所述匀场系统、H0线圈和NMR测量头。

用于调节温度T1的机构设置在第一隔离腔室的壁上，以使热量基于辐射、在气体中的导热以及可能的在腔室中的对流以低通系统形式的惯性向磁体传递。该机构优选通过加热箔来实现，该加热箔大面积地装配在外壁的表面上。作为替代方案，所述壁构造为良好的热导体并且仅在局部被加载热量，该热量通过壁扩散。

内壁的材料、即第一隔离腔室的邻接磁体布置结构的内轮廓的面优选由可良好导热的材料制成和/或邻接导热体。理想的是，所述面的至少一部分包括所述导热体。这有利于热量在第一隔离腔室的内部空间中均匀分布并且允许通过气隙外部的源/汇来实现热调节。如果在局部输入热量，例如通过匀场线圈或H0线圈中的耗散输入，则这尤为有利。

导热体具有对磁体进行热屏蔽并且通过导热体的温度T2对内壁和磁体布置结构的内轮廓进行主动温度调节的功能。

磁体温度是间接调节的，因为磁体与壁应只有几个低导热性接触点(即磁体相对于壳体的固定点)。磁体温度优选在15℃和35℃之间。

磁体本身的平均温度被设定到温度TM，适用的是：如果T1≠T2，则T1<TM<T2或T1>TM>T2并且如果T1＝T2，则TM＝T1＝T2。TM优选在精度上可设定到0.1K、尤其是0.01K、特别优选0.001K。包围MR光谱仪的空间的温度TR在运行中位于最低温度TRmin和最高温度TRmax之间，即TRmin≤TR≤TRmax并且对于磁体温度TM适用的是：TRmin≤TM≤TRmax。

与磁体被主动加热到高于室温TR的温度、如40℃的现有技术相比，本发明可允许在室温下测量测量样品而无需额外的样品温度调节。由此，在插入测量样品之后的平衡时间大大缩短并且可显著更快地进行NMR测量。

另一优点在于：NMR光谱仪在安装后(即接通后)温度调节更快并且不再漂移，因为磁体材料的热传导很低。已证实很有利的是：由此磁体的目标温度可保持尽可能接近关闭的测量设备的存储温度。

本发明与已知设备之间的重要区别在于导热体的温度T2的调节，该温度由磁体的内轮廓“观察到”。此外，新颖的是，在样品温度调节腔室和匀场系统之间设置热隔离部。从上面引用的文献可知，在根据现有技术的设备中，隔离部安置在测量样品和样品温度调节腔室的内壁之间，但尤其是在发射/接收线圈内部。

本发明的优选实施方式和扩展方案：

根据本发明的温度调节系统的一种实施方式是特别优选的，其中用于调节导热体的温度T2的一个或多个机构设置在第一隔离腔室外部。中央气隙相应于磁体的孔，在所述孔的中央设有具有测量腔室和RF(射频)线圈的样品头。在径向外部设有具有集成的H0线圈的匀场系统，该匀场系统与永久磁体布置结构相邻设置。通过匀场系统和H0线圈的电流产生的热量被导热系统带走并通过热交换器释放到环境中。温度调节装置将导热体的温度调节到温度T2。由此确保，如果T2>T1，则向永久磁体方向的热量输入保持恒定，或者如果T1>T2，则从永久磁体的热量吸收保持恒定。优选T2＝T1，从而腔室内部并且尤其是磁体内部没有温度变化。在此情况下，TM＝T1＝T2并且没有热量从磁体系统传递到第一隔离腔室。这是特别有利的，因为磁体的初始(例如机械或铁磁)匀场可独立于温度调节和磁体内部可能的温度梯度进行。

该实施方式的有利扩展方案规定，包围永久磁体布置结构的第一隔离腔室具有壁，该壁包括至少两个可热区分的面，所述面分别具有至少一个用于确定该面的表面温度T1i的传感器并具有相互独立的热调节。

同样有利的是本发明的如下实施方式，其中，用于调节第一隔离腔室的温度T1或导热体的温度T2的机构中的至少一个机构是热电元件并且具有热交换器。热电元件、如帕尔贴元件能实现特别精确地设定温度T1/T2。尤其是，所述热电元件允许同样地冷却和加热，这允许高效且非常快速的调节并提供也从系统中吸收更大热流的可能性。

本发明的其它有利实施方式的特征在于，所述第一隔离腔室的壁同时设计成用于相对于外部空间磁屏蔽磁场的屏蔽布置结构，即由一个或多个铁磁材料制成并且优选包括在第一隔离腔室的外侧上的被动热隔离部。此外所述壁在此也可同时构成HF屏蔽。

同样有利的是根据本发明的温度调节系统的如下实施方式，其特征在于，所述导热体包括均匀化体和导热装置。均匀化体例如由可良好导热的材料(Cu)制成并且用于将热量尽可能均匀地分布在其整个面上，从而使温度梯度最小化。

在这种实施方式的优选扩展方案中，所述导热装置包括至少一个热管。热管或热管道比纯热导体更有效地传递热量。

在另一种优选扩展方案中，所述均匀化体由散热器/3D热扩散器、即非圆柱形热管组成，其比纯热导体更有效地传递热量并且因此可以较低的总高度实现相当的均匀化。

替代或附加地，在其它扩展方案中，所述均匀化体可与匀场系统和H0线圈热连接。这能实现：从磁体的气隙中消除匀场/H0电流的耗散并且有助于在没有用于设定测量样品温度的装置的情况下实现测量空间的尽可能恒定的温度。

如下的扩展方案也是优选的，其中，所述均匀化体的至少一部分设置在匀场系统和永久磁体布置结构之间。

均匀化体之所以尤其设置在匀场系统和永久磁体系统之间是为了使温度T2均匀分布在相邻磁体上。

其它扩展方案的特征在于，用于调节中央气隙中的温度T2的机构包括加热器和/或用于测量温度T2的温度传感器和/或热电元件，并且与匀场系统和/或导热系统热连接。

本发明的一类实施方式的特征在于，所述第一隔离腔室被第二隔离腔室包围，所述第二隔离腔室处于温度T3并且借助所述第二隔离腔室将第二隔离腔室内部的温度T3相对于第二隔离腔室外部的环境温度TR隔离。

隔离腔室的这种级联导致：第一腔室的壁上的温度T1和/或导热系统的温度T2的调节的温度稳定性比中间空间中的温度T3的稳定性高至少一个数量级。

在此尤其是T3稳定在优于±1K、优选优于±0.1K上，并且T1和T2稳定在优于±0.1K、优选优于±0.01K的精度上、理想的是稳定在±0.001K上。

在此适用的是：TRmin≤T3≤TRmax。

此外优选适用的是T1＞T3，因为在这种情况下温度T1可通过相对于热汇加热到T3来调节，并且不需要热电元件来实现第一隔离腔室的壁的恒定温度T1。

在这类实施方式的优选扩展方案中，存在第二隔离腔室的温度调节装置，该温度调节装置将第二隔离腔室内部的温度T3朝第二隔离腔室外部的环境温度TR调节。

优选地，第一温度调节系统的内壁的温度T1和/或导热系统的温度T2小于或大于中间空间中的温度T3，尤其是该温差至少为2K。因此，可朝尽可能恒定的背景非常精确地调节温度T1和T2并确保第一隔离腔室和导热系统相对于第二隔离腔室的恒定热流。

特别优选T3<T1的实施方式。在此情况下，T1的温度调节可仅借助加热元件实现，不必用热电元件来实现，因为永远不必进行冷却。

如果使用热电元件来调节温度T2，则热交换器可将热量对温度T3或对室温下的环境空气进行交换。对T3进行调节的配置基于级联增加了调节精度，对室温进行调节的配置很难与室温和可能的热辐射(如由于阳光)无关地实现温度T2的特别稳定的调节，但允许大的热流有效地耗散，而不会由此产生加热第一隔离腔室的一个或多个壁以及尤其是第二隔离腔室内部的大温度梯度的风险。

特别有利的是本发明的一类实施方式，其中，所述样品头具有一个或多个用于设定在测量体积中的测量样品的温度TS的机构，所述温度可独立于包围永久磁体布置结构的壁的温度T1/T2设定。该气流用于测量样品的温度调节，这导致除了匀场线圈之外，在NMR磁体系统的气隙中还存在另外的温度输入，其必须被导热系统带走。

优选地，借助经温度调节的样品温度调节气流(VT气流)在-40至+150℃的范围内设定测量样品的温度TS。当更换测量样品温度时，输入磁共振系统中的热量会发生非常大的变化，因为磁体基于磁体材料的差的热传导性而具有大的惯性，所以这可导致磁场强度非常缓慢的变化、但尤其是磁场均匀性的变化。类似的情况也可出现在设定电气匀场的过程中，但不出现在静态(匀场)状态中。因此，为了有效地运行，尽可能有效地将这个热源/热汇与磁体解耦是特别重要的，这在优选实施方式中通过温度T2的主动调节以及导热系统和均匀化体的组合来实现。

这类实施方式的如下扩展方案是有利的，其中，在匀场系统和NMR样品头的至少一个HF线圈之间设置隔离系统，优选地，温度调节到温度TF的吹扫气流(吹扫气)流过NMR样品头、匀场系统或H0线圈。

优选地，样品温度调节气流(VT气流)和至少一部分吹扫气流在离开光谱仪之前混合。

作为替代方案，该隔离系统可设计为杜瓦瓶、即抽真空。

此外，配备有根据本发明的温度调节系统的磁共振光谱仪的特征可在于，温度T3的绝对时间稳定性至少在温度传感器的位置上处于T3＝<T3>±1K、优选±0.1K的范围内。

所述至少一个温度T1i的绝对时间稳定性至少在相应温度传感器的位置上处于T1i＝<T1i>±0.1K、优选±0.01K、理想的是±0.001K的范围内。

温度T2的绝对时间稳定性至少在至少一个温度传感器的位置上处于T1＝<T2>±0.1K、优选±0.01K、理想的是±0.001K的范围内。

在包围磁体布置结构的面上的两个温度T1i和T1j之间的相对差异小于1K、优选小于0.1K并且在理想情况下小于0.01K。

NMR样品头如通常那样包括测量样品腔室，该测量样品腔室在运行中容纳测量样品并且可选地可由具有低热导率的材料(如玻璃、石英、特氟隆、......)制成。样品头包括第一发射/接收线圈，该第一发射/接收线圈包围测量样品腔室或被测量样品腔室包围。优选地，测量头还包括用于在第一发射/接收线圈上调谐不同谐振频率的网络。

此外，样品头可选地包括第二发射/接收线圈，在第二发射/接收线圈上可调谐另外的测量核、如锁定频率。在另一种实施方式中，测量头包括另外的测量样品，其具有由第二或第三发射/接收线圈检测的并用作该锁定的参考信号的物质。

永久磁体材料通常例如是铁硼钕、钴钐等并且可选地还另外包括铁磁材料、如铁、钴铁等。

通常，在磁体上设置有极靴，这些极靴在测量头侧安装在磁体上。

磁体系统和等温壁包括“用于调节温度的机构”、如加热器、具有热汇(热交换器)的热电元件或类似机构。

本发明的其它优点由说明书和附图得出。上面已经描述并且下面仍待说明的特征根据本发明也可分别单独本身使用或多个以任意组合使用。所显示和描述的实施方式不能理解为穷尽性叙述，而是相反地具有用于描述本发明的示例性特征。

附图说明

在附图中示出并参考实施例详细阐述本发明。附图如下：

图1示出根据本发明的温度调节系统的第一种实施方式的示意性垂直剖面图，该温度调节系统具有第一隔离腔室、温度调节器和导热体；

图2示出根据本发明进行温度调节的永久磁体布置结构，其具有附加的T2调节、热隔离部和封闭的气隙；

图3示出本发明的一种实施方式，其具有第二隔离腔室、封闭的气隙和附加的T3调节；

图4示出具有两个隔离腔室、开放的气隙、T1、T2和T3调节并且具有朝环境温度对导热体进行的温度调节的实施方式；

图5示出NMR样品头的根据本发明的实施方式的示意性垂直剖面图，该样品头具有热隔离系统和经温度调节的吹扫气流和经温度调节的用于对样品进行温度调节的VT气流；

图6示出样品头的横截面图，该样品头具有匀场系统、导热体以及均匀化体；并且

图7示出根据现有技术的温度调节系统的示意性垂直剖面图。

具体实施方式

附图的图1至6分别以不同细节的示意图示出根据本发明的温度调节系统的优选实施方式，而图7示出根据现有技术的常规布置结构。

这种的用于NMR磁体系统的温度调节系统包括：具有中央气隙2的用于在中央气隙2内部的测量体积中产生均匀静磁场的永久磁体布置结构1；用于通过HF线圈13发射HF脉冲和从测量样品0接收HF信号的NMR样品头3；包括在NMR样品头3中的频率检测和用于改变所述静磁场的幅度的H0线圈的NMR频锁；以及在中央气隙2中的用于进一步均匀化在测量体积中的磁场的匀场系统4。

出于位置原因并且为了清楚起见，在本专利附图的所有附图中没有专门示出H0线圈并且因此其也不具有自身的附图标记。H0线圈在示意性垂直剖面图中在空间上(对于观察者而言)分别与示意性示出的匀场系统4重合。

在根据现有技术的这种布置结构中，可直接或间接对永久磁体布置结构进行温度调节，但由于没有热分离，匀场系统和H0线圈的废热总是直接或间接地传递到磁体中。

本发明改进了这些本身已知的布置结构并且通过以下对本发明重要的元素来扩展它们：

根据本发明的温度调节系统的特征在于，第一隔离腔室5热屏蔽地包围永久磁体布置结构1，第一隔离腔室5包括一个或多个用于调节第一隔离腔室5的温度T1的机构6，匀场系统4、H0线圈以及NMR样品头3设置在第一隔离腔室5外部的中央气隙2中，并且至少一个导热体7设置在一方面的匀场系统4和H0线圈和另一方面的永久磁体布置结构1之间。

本发明的第一种特别简单的实施方式在图1中示意性示出。

由于磁体和极靴材料的导热性通常相对差，在点状温度调节的情况下，可在磁体材料中出现温度梯度，这对NMR测量产生负面影响。出于同样的原因，人们希望避免对流。因此，根据本发明，放弃在磁体上的、如在现有技术中描述的加热器和帕尔贴元件。取而代之的是，通过包围磁体的介质(通常是流体/气体/隔离体)追求均匀的热辐射和热传导。因此，在一种优选实施方式中，放弃对磁体温度的调节，相反，完全且均匀地对环境进行温度调节。尤其是也对气隙中的壁进行温度调节。

为了初始调整温度，可将另外的温度调节机构直接安置在磁体和/或极靴上，但在MR光谱仪接通之后的启动阶段之后再次停用这些另外的温度调节机构。这种附加的温度调节元件有利于显著缩短用于初始对磁体进行温度调节的时间。

图2示出根据本发明的系统的一种优选实施方式，其中，第一隔离腔室1附加地被被动热隔离部9向外部包围。朝向样品头区域，即在磁体的内轮廓内部设有至少一个匀场系统4和具有至少一个导热体7的导热系统。导热体7与用于调节导热体7的温度T2的机构8热连接，该机构可以是加热器或具有对环境的热交换器的热电元件。T2与T1一样被设定到15℃到35℃之间的温度。被动隔离部也可安装在朝向磁体系统的一侧上或导热体7的一侧或两侧上并且用于增加磁体温度的惯性并限制热量流向环境。

导热体7可包括由可良好导热的材料(如Cu、Al、Al₂O₃、...)制成的均匀化体10和/或设计为具有热管形式的导热装置17，在该热管中存在流体，该流体根据温度在热管内部蒸发或冷凝并且因此可带走热量。导热体7设置在匀场系统4和磁体之间，从而其在永久磁体布置结构1和匀场系统之间形成热屏蔽并且因此构成第一隔离腔室的在永久磁体的内轮廓内部的部分。

在一种优选实施方式中，具有NMR样品头3的中央气隙2向外部封闭。在此并不涉及气密封闭，而是向外部的开口被设计为，使得确保环境和气隙之间的最小空气交换。因此，当插入NMR样品管时，与壳体的间隙优选限制在1/10mm。

因此，尤其是如果由匀场系统和H0线圈中的电流产生的耗散通过导热体排出，在气隙2中产生接近T2的温度，该温度接近温度T1、优选与温度T1相同。这是有利的，因为由此测量样品温度在运行中接近于室温并且在插入测量样品之后达到恒定测量样品温度的时间尽可能短。

匀场系统4包括多个(在附图中未详细示出的)匀场线圈并且优选热耦合到导热系统。此外，这种具有封闭测量头的实施方式可有利地借助于锁定样品运行，因此所述锁定样品还包括第二发射/接收线圈，该第二发射/接收线圈包围所述锁定样品和/或可在所述锁定样品中生成HF信号并从所述锁定样品接收HF信号，以及所述锁定样品还包括至少一个另外的(也未示出的)H0线圈，该H0线圈热耦合到导热系统上并且通过变化的电流调节到所述锁定样品中的频率变化。H0线圈的通电会导致热量输入到磁体区域中，因此对匀场系统4的热屏蔽在此被证明是特别有利的。通过调节匀场线圈中的电流而引起的这种加热例如导致匀场算法的收敛性差。对H0线圈中的电流的调节可导致磁体因在磁体材料中产生的热梯度而“匀场”。在替代实施方式中，匀场系统和/或H0线圈不与导热体耦合。通过电耗散产生的热量例如可不受调节地通过其它导热体从气隙排出并且例如借助热交换器释放到室温。

图3示出图2的实施方式的一种扩展方案。在此还附加地存在第二隔离腔室11，该第二隔离腔室包围第一隔离腔室5。此外，在该示例中作为用于调节温度T2的机构8示出具有相对于第二隔离腔室11内部的空气的热交换器的热电元件。第二隔离腔室11借助温度调节装置12被调节到温度T3，优选在此也借助热电元件和对室温的热交换器进行调节。

第二隔离腔室11确保磁体的环境可用作热汇，而与空间内的实际温度如何无关。由此，可总是通过加热来达到磁体周围的等温线，而不必冷却磁体。这对于温度T1的调节肯定总是足够的，因为除了匀场系统、H0线圈和可能存在的可变测量样品温度之外，没有热量输入第一隔离盒并且这些热源尽可能在整个范围上耦合到导热体并且因此仅涉及温度T2的调节。

在壁两侧上具有热交换器的帕尔贴(热电元件)用于将第二隔离腔室11的温度调节到T3。这也还满足了另一重要目的：第二隔离腔室负责初步减少空间温度的波动，从而能够将等温壁和匀场系统4/H0线圈的温度精确调节到温度T1和T2，而不对光谱仪的环境温度提出很高的要求。为了能够以尽可能少的功率达到温度T3，有意义的是，提供足够尺寸的被动热隔离部作为第二隔离腔室的壁。

此外，在这些实施方式中，可设置具有对第二隔离腔室11的热交换器的帕尔贴以用于产生温度T2。例如，如果例如热交换器的温差和尺寸不足以具有足够的热升程来冷却匀场系统4和/或H0线圈和/或通过可变的测量样品温度引起的热量输入，则这是有利的。

优选地，第一隔离腔室5由可良好导热的材料制成。这具有下述优点，即从外部到磁体的热辐射是尽可能均匀的，从而在磁体上不会产生温度梯度。

第二隔离腔室11优选包括用于在第二隔离腔室11内部使空气循环的机构19(如风扇或涡轮机)。这能实现基本上均匀的温度分布并且可确保通过热交换器的气流。

在一种替代实施方式中，如图4所示，用于调节温度T2的机构8也可朝外部温度进行调节。此外，图4示出开放的样品腔室，从而在该实施方式中也可进行样品温度调节。为清楚起见，相应的样品头连同对测量样品进行温度调节所需的机构未在图4中示出，而是在图5中单独示出。

如果用于朝外部温度调节温度T2的机构和NMR样品头3直至顶部构造为独立的腔室，则优点是在高热负荷下后者不会到达第二隔离腔室11并且因此用于调节第二隔离腔室11的温度T3的温度调节装置的机构12(帕尔贴)可设计得更小。这尤其是适用于除了匀场系统4/H0线圈的耗散之外还通过样品温度调节带来大量热负荷的情况。匀场系统4的热调节可再次分两级进行，在此还使用小的附加的加热器。当热量朝室温耗散时，可通过使用热电元件的级联系统来提高T2调节的稳定性。

图5a和5b示出通过VT气流16调节样品温度的两种实施方式中的样品腔室的示意性局部纵向剖面图的一部分，该样品腔室具有匀场系统4和导热体7。

为了可选地调节测量样品的温度TS(TS在-40到+150℃的范围内)，需要另一热隔离系统14，其将测量样品温度调节的空间与匀场系统4分隔开。所述另一热隔离系统由导热性差的材料(如真空、气凝胶、泡沫、玻璃、塑料......)制成并且可选地包含经温度调节的吹扫气流15(吹扫气)形式的第二气流，其温度TF优选介于15℃和35℃之间。

在两种所示实施方式中，附加地设有用于样品温度调节的中心管，该中心管圆柱形地围绕通常细长的样品管。这种中心管的优点是：除了构成VT气流的通道外，其也可在测量样品破损或流通池/测量样品泄漏的情况下用于收集逸出的液体和碎玻璃，以便使它们更容易被移除。

热隔离系统14设置在HF线圈13和匀场系统4之间。

图5a示出一种实施方式，其中，中心管由导热性差的材料制成并且在吹扫气体和VT气体之间进行隔离。在此用于吹扫气体/流体流的区域位于中心管和热隔离部之间，因为由此可最小化通过热隔离部的温度梯度。但为了改善测量样品内部的温度梯度，可更加有意义的是，使吹扫气流在热隔离部外部、例如在热隔离部和匀场系统之间通过，如图5b所示。也可想到，实现两种配置的组合并使用温度接近TS或介于TS和TF之间的第三气流。

图5a示出一种实施方式，其中，可以直接通过温度调节气体设定测量样品的温度。在图5b中温度调节间接地实现。这对于形成气密封闭的样品腔室尤为有用，该气密封闭的样品腔室例如用于有毒测量样品以避免在测量样品破裂的情况下的污染。

理想的是，吹扫气流的温度TF大约等于温度T2，以使输入导热体的热量尽可能低。

最后，图6a-c示出具有匀场系统4的NMR样品头3的实施方式的不同横截面，其中导热体7分别包括均匀化体10和导热装置17：

图6a示出包括两个均匀化体10和两个用于将热量传递向外部的导传装置17的导热体7。板状的均匀化体10的任务是将平面中产生的热量传导到导热装置17。由于路程相对短，因此可减少这些体的材料厚度。

在图6b中，导热装置17分别包括两个热管，由此可显著提高垂直于截面的方向上的热传导。

图6c示意性示出例如具有同心结构的半轴磁体的几何结构。在此导热体并不单独地由均匀化体10和导热装置17组成，但仍可在其上焊接热管或使用空心圆柱形的热管，以便改善在垂直于附图平面的方向上的热传递。

导热体7优选与均匀化体10热连接。所述均匀化体尤其是由具有高导热性的材料制成，以便在均匀化体10的整个外轮廓上(朝向磁体定向)设定尽可能均匀的温度T2。

导热装置17与热交换器连接并且用于将热量传入或传出均匀化体10。导热装置17优选由具有高导热率的材料制成或构造为热管道(热管)。

优选地，匀场系统和/或H0线圈直接热耦合到导热体7、尤其是均匀化体10上。由此可确保在运行中通过电流产生的耗散可有效地从中央气隙排出。

与现有技术的已知设备的重要区别在于温度T2的调节，该温度由磁体的内轮廓“观察到”。此外，新颖的是，在样品温度调节腔室和匀场系统之间设置热隔离部。从上面引用的文献可知，在现有技术中隔离部总是安置在测量样品和样品温度调节腔室的内壁之间，但尤其是在发射/接收线圈内部。

本发明的上述所有实施方式的特征——至少大部分——也可相互组合。

参考文献列表：

为评估专利性而考虑的出版物

[1]US 2011/0137589 A1

[2]US 8,461,841 B2

[3]US 6,489,873 B1

[4]US 6,566,880 B1和WO 2000/016117 A1

[5]GB 2512328 A

[6]US 8,030,927 B2

[7]US 7,297,907 B2

[8]US 2013/0207657 A1

[9]US 9,285,441 B1

[10]US 2011/0037467 A1

[11]US 2018/0038924 A1

[12]US 2016/0077176 A1

附图标记列表：

0 测量样品

1 永久磁体布置结构

2 中央气隙

3 NMR样品头

4 匀场系统

5 第一隔离腔室

6 用于调节温度T1的机构

7 导热体

8 用于调节温度T2的机构

9 被动热隔离部

10 均匀化体

11 第二隔离腔室

12 温度调节装置

13 HF线圈

14 热隔离系统

15 经温度调节的吹扫气流

16 经温度调节的VT气流

17 导热装置

18 用于测量T1的温度传感器

18' 用于测量T2的温度传感器

18” 用于测量T3的温度传感器

19 用于使空气循环的机构

Claims (14)

1.用于NMR磁体系统的温度调节系统，包括：

具有中央气隙(2)的用于在中央气隙(2)内部的测量体积中产生均匀静磁场的永久磁体布置结构(1)；

用于发射HF脉冲和从测量样品(0)接收HF信号的NMR样品头(3)；

用于改变所述静磁场的幅度的H0线圈；以及

在中央气隙(2)中的用于进一步均匀化在所述测量体积中的磁场的匀场系统(4)，

其特征在于，第一隔离腔室(5)热屏蔽地包围永久磁体布置结构(1)，

第一隔离腔室(5)包括一个或多个用于调节第一隔离腔室(5)的温度T1的机构(6)，匀场系统(4)、H0线圈以及NMR样品头(3)在第一隔热缘室(5)外部设置在中央气隙(2)中，并且

至少一个导热体(7)设置在一方面的匀场系统(4)和H0线圈与另一方面的永久磁体布置结构(1)之间。

2.根据权利要求1所述的温度调节系统，其特征在于，一个或多个用于调节导热体(7)的温度T2的机构(8)设置在第一隔离腔室(5)外部。

3.根据权利要求2所述的温度调节系统，其特征在于，包围永久磁体布置结构(1)的第一隔离腔室(5)具有壁，该壁包括至少两个热分离的面，这些面分别具有至少一个用于确定所述壁的表面温度T1i的传感器并具有相互独立的热调节，所述至少两个热分离的面之一围绕包围所述测量体积的中央气隙(2)并将匀场系统(4)、H0线圈和NMR样品头(3)与永久磁体布置结构(1)主动地热分离。

4.根据前述权利要求中任一项所述的温度调节系统，其特征在于，用于调节第一隔离腔室(5)的温度T1或导热体(7)的温度T2的机构(6或8)中的至少一个机构是热电元件并且具有热交换器，该热交换器确保在运行期间第一隔离腔室(5)的壁之间的热流。

5.根据前述权利要求中任一项所述的温度调节系统，其特征在于，第一隔离腔室(5)的壁设计成用于相对于外部空间磁屏蔽磁场的屏蔽布置结构并且优选包括在第一隔离腔室(5)外侧上的被动热隔离部(9)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的温度调节系统，其特征在于，所述导热体(7)包括均匀化体(10)和导热装置。

7.根据权利要求6所述的温度调节系统，其特征在于，所述导热装置包括至少一个热管。

8.根据权利要求6或7所述的温度调节系统，其特征在于，均匀化体(10)与匀场系统(4)和H0线圈热连接。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的温度调节系统，其特征在于，均匀化体(10)的至少一部分设置在匀场系统(4)和永久磁体布置结构(1)之间。

10.根据权利要求2和必要时根据权利要求3至9中任一项所述的温度调节系统，其特征在于，用于调节中央气隙(2)中的温度T2的机构(8)包括加热器和/或用于测量温度T2的温度计并且与匀场系统(4)和/或导热系统热连接。

11.根据前述权利要求中任一项所述的温度调节系统，其特征在于，第一隔离腔室(5)被第二隔离腔室(11)包围，所述第二隔离腔室处于温度T3并且借助所述第二隔离腔室将第二隔离腔室(11)内部的温度T3相对于第二隔离腔室(11)外部的环境温度TR隔离。

12.根据权利要求11所述的温度调节系统，其特征在于，在第二隔离腔室(11)的外壁上存在温度调节装置(12)，该温度调节装置将第二隔离腔室(11)内部的温度T3向第二隔离腔室(11)外部的环境温度TR调节。

13.根据前述权利要求中任一项所述的温度调节系统，其特征在于，样品头(3)具有用于设定在所述测量体积中的测量样品(0)的温度TS的机构，所述温度TS能够独立于包围永久磁体布置结构(1)的壁的温度进行设定。

14.根据权利要求13所述的温度调节系统，其特征在于，在匀场系统(4)和NMR样品头(3)的至少一个HF线圈(13)之间设置隔离系统(14)，优选地，温度调节到温度TF的吹扫气流(15)流过NMR样品头(3)、匀场系统(4)或H0线圈。

Images