DD220416A1

DD220416A1 - Gradientenspulenanordnung fuer die epr-zeugmatografie

Info

Publication number: DD220416A1
Application number: DD25884883A
Authority: DD
Inventors: Thomas Herrling; Harald Schneider
Original assignee: Adw Der Ddr Zentrum Fuer Wisse
Priority date: 1983-12-29
Filing date: 1983-12-29
Publication date: 1985-03-27
Also published as: JPS60158342A; DE3445448A1

Abstract

DIE ERFINDUNG BEZIEHT SICH AUF DIE MESSUNG DER RAEUMLICHEN VERTEILUNG VON ELEKTRONENPARAMAGNETISCHEN ZENTREN. ZIEL DER ERFINDUNG IST ES, DIE RAEUMLICHE AUFLOESUNG IN DER EPR-ZEUGMATOGRAPHIE UM EIN VIELFACHES ZU ERHOEHEN, UM AUFLOESUNGEN IN Z-RICHTUNG VON MINDESTENS 10 UM ZU ERREICHEN. DER ERFINDUNG LIEGT DIE AUFGABE ZUGRUNDE, DIE KUEHLUNG DER GRADIENTENSPULEN SO ZU VERBESSERN, DASS DIE ABFUEHRUNG DER WAERME, DIE BEI DER ERZEUGUNG EINES VIELFACH STAERKEREN MAGNETFELDGRADIENTEN ALS BISHER ENTSTEHT, DER WERTE BIS ZU 0,15T/CM ANNEHMEN KANN, GEWAEHRLEISTET IST. ERFINDUNGSGEMAESS WIRD DAS DADURCH ERREICHT, DASS JEDE GRADIENTENSPULE AUS ZWEI ELEKTRISCH IN REIHE GESCHLATETEN EINZELSPULEN BESTEHT, DIE IN SICH GEGENUEBERLIEGENDEN GEHAEUSEWAENDEN EINES SPULENGEHAEUSES SO ANGEORDNET SIND, DASS ZWISCHEN DEN EINZELSPULEN EIN FREIER RAUM ALS KUEHLKANAL VERBLEIBT. ANWENDUNGSGEBIET IST INSBESONDERE DIE EPR-ZEUGMATOGRAPHIE MIT MODULIERTEM GRADIENTEN.

Description

Gradientenspulenanordnung für die EPR-Zeugmatographie

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Gradientenspulenanordnung für. die Messung der räumlichen Verteilung von elektronen-paramagnetischen (EPR)-Zentren· Sie ist vor allem für die Erzeugung von modulierten Magnetfeld-Gradienten geeignet, kann aber auch für die Erzeugung'stationärer Magnetfeld-Gradienten verwendet werden, ^!

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Erzeugung von Magnetfeldgradienten über einer zu untersuchenden Probe in Richtung des statischen Magnetfeldes B kann am günstigsten mit einer Helmholtzanordnung erfolgen, die einen relativ konstanten Gradientenverlauf über der Probe ermöglicht /7/· ι Die Helmholtzanordnung besteht aus zwei Spulen, die entlang derselben Spulenachse angeordnet sind· Entsprechend den geometrischen Verhältnissen des Spulenabstandes A , des Spulenradius r_m , der Spulenbreite D und der Spulenhöhe H ergibt sich ein entsprechender Bereich mit konstantem Magnetfeldgradienten um den Mittelpunkt der Spulenanordnung·

Der minimale Abstand .A zwischen den Spulen wird νοώ den Abmessungen des Meßkopfes bestimmt, in dem sich die zu untersuchende Probe befindet. Beim Einsatz der SPR-Zeugmato-

graphie im X-Band ( i = 9,5 GHz) beträgt die Breite des am meisten verwendeten Standardresonators (H₁₀₂ - Mode) ca. 26 mm. Darüber,hinaus steht im allgemeinen nur ein nutzbarer Polschuhabstand des Elektromagneten von ca. 50 mm zur Verfügung.

Die Spulenbreite D je Gradientenspule sollte deshalb eine Breite von 10 mm nicht überschreiten· Aus /7/ ergeben sich unter diesen Bedingungen für den Innenradius r. =10 mm und den Außenradius r_o a 30 mm, um einen konstanten Magnetfeldgradienten von ca· 0,15 T/cm zu erreichen, der räumliche Auflösungen ermöglicht, die besser als 10 /Um sind für a By₂ = 0,1 mT (4 B_1y,₂ ^s Linienbreite). Damit ergibt sich ein Spulenquerschnitt D χ H » 10 χ 20 mm Bei der vorgegebenen Anordnung und dem notwendigen Spulenquerschnitt ergeben sich für die Erzeugung von Magnetfeldgradienten zwischen 0,1 T/cm und 0,15 T/cm Stromdichten

2 2

von 30A/mm ... 40A/mm . Dabei fallen je Spule bis zu 500 W in Wärme umgesetzte Verlustleistung an.

Die Wärme muß umgehend von,den Spulen abgeführt werden, um deren Zerstörung zu vermeiden. ,

Bei der Verwendung der Spulenanordnung für das Zeugmatographieverfahren mit moduliertem Gradienten /5,6/ treten neben der Spulenerwärmung noch starke Vibrationskräfte zwischen den beiden Gradientenspulen auf (LenzseheRegel). Der Spulenaufbau ist deshalb so stabil und kompakt wie möglich zu gestalten. Dabei sind größere metallische Flächen nicht zulässig, da sie das modulierte Gradientenfeld (f_ffl - 10 ... 200 Hz.) dämpfen würden (Wirbelstromdämpfung).

Spulenanordnungen, die diese speziellen Anforderungen erfüllen, sind bisher nicht bekannt geworden· Bekannt sind ungekühlte Gradiöntenspulen, die mit Gleichstrom betrieben werden /1/. Diese haben den Nachteil, daß sie wegen der fehlenden Kühlung nur mit relativ geringen Strömen (ca. 10A) betrieben werden können, um unzulässige Erwärmungen zu vermeiden. Es wird ein Magnetfeldgradient in y-Richtung G = 5,4 mT/cm erreicht.

«y .' . . * .

Zur Vermeidung der Überhitzung wird eine weitere bekannte Anordnung für die Zeugmatographie mit stationärem Gradienten mit gepulstem Gleichstrom betrieben /4/. Diese Anordnung hat gegenüber der Anordnung mit konstanter Gleichstromamplitude mehrere Nachteile· _tSo sind Gradientenspulen mit geringer Zeitkonstante notwendig, d.h. es sind kleine Induktivitäten und hohe Ströme erforderlich. Weiterhin ist die Ansteuerung komplizierter und die Stabilität des Gradientenfeldes bezüglich des Zeitverhaltens und der Amplitude ist geringer. Außerdem ist diese Anordnung nicht für modulierte Gradientenfelder geeignet.

;.i.

Es ist auch eine Anordnung mit Ölgekühlten Anti-Helmholtz-Gradientenspulen zur Erzeugung eines Feldgradienten in z-Richtung bekannt /3/. Mit dieser Anordnung kann aber ⁱ trotz der Kühlung nur ein Gradient G « 6 mT/cm erzielt werden. '

Alle genannten Anordnungen haben den Nachteil, daß mit ihnen nur geringe räumliche Auflösungen von ca. 300 /um für 4B₁M s 0,1 mT erreicht werden, da auch mit den bisher verwendeten Kühlungen nur Magnetfeldgradienten bis 6 mT/cm erzeugt werden konnten.

Es sind Anordnungen zur Magnetspulenkühlung bekannt, die Aluminiumkühlscheiben haben, in die Kupferrohre eingegossen sind, / z. B. EPR-Spektrometer des Zentrums für wissenschaftlichen Gerätebau der AdW der DDR /. Für Gradientenspulen sind jedoch metallische Kühlscheiben wegen der Wirbelstromdämpfung nicht verwendbar. Außerdem würden aufgrund der kleinen Abmessungen der Gradientenspule nur geringe Rohrquerschnitte (ca. 1 mm Durchmesser) in Frage kommen, die nicht die ausreichende Kühlleistung bringen , und §ich unter Umständen schnell zusetzen würden.

Denkbar wäre auch eine Anordnung zur Magnetspulenkühlung, bei der in.die Spule Kühlrohre mit'eingewickelt werden.

Da diese Rohre einen ähnlichen Durchmesser wie die in der vorher genannten Anordnung haben müßten, ergeben sich die gleichen Nachteile. ' ' ^!

Pur die Magnetspulenkühlung sind auch Rohrspulen\denkbar, " die gleichzeitig den. Strom' leiten und die Kühlflüssigkeit führen. Die hierfür verwendeten Rohre müßten mindestens den Durchmesser der vorgenannten Anordnungen haben. Bei vorgegebener Querschnittsfläche der Spulen könnte diese dann aber nur aus wenigen Windungen bestehen, so daß Ströme von weit mehr als 100 A erforderlich wären. Bei einem Durchmesser der Rohre von 3 mm, wie er für einen ausreichenden Durchfluß sinnvoll wäre, müßten Ströme von ca, 400 A verwendet ν werden. Infolge dieser hohen Ströme würden sich für die Ansteuerung, besonders des modulierten Gradienten große Schwie-. rigkeiten ergeben, um zu einigermaßen stabilen Gradienten- -

feldern zu kommen. Diese werden auch durch Übergangswider- '. stände an den Klemmen negativ beeinflußt.

/1/ K. Ohno , J. Magn. Reson. 49, 56 (1982) /2/ M. Klosa, J. Köscielmak, Elektronika 3 (XXII) 1981 /3/ M.J,R. Hoch, J. Phys. L, solid state Phys.

14 (1981)

/4/ W. Karthe, E. Wehrsdorfer Patent 201 387 /57 0?h. Herr ling et al

V J. Magn. Reson. 4? (1982) S. 203-211

/6/ Th. Herrling, U. Ewert

- Wirtschaftspatent Hr. 200 9365

/7/ W. Berger, H.J. Butterweck

Archiv für Elektrotechnik XIII Heft 4 1956 _: / S. 216*222

V ^N Ziel der Erfindung

[ Ziel der Erfindung ist es,, die räumliche Auflösung in der EPR-Zeugmatographie um ein Vielfaches zu erhöhen, um Auflösungen in z-Richtung von mindestens 10 /um für - 0,1 mT zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung der Gradientenspulen so zu verbessern, daß die Abführung der Wärme, die bei der Erzeugung eines vielfach stärkeren Magnetfeldgradienten als bisher entsteht, der Werte bis zu ' 0,15 T/cm annehmen kann, gewährleistet ist, wobei außerdem die Wirbelstromdämpfung gering sein soll und mechanische Schwingungen der Spule bei Anwendung des Verfahrens mit moduliertem lagnetfeldgradienten vermieden werden,

"Erfindungsgemäß wird das bei einer Gradientenspulenanordnung für die EPR-Zeugmatographie, bei der je eine der den Magnetfeldgradienten erzeugenden Gradientenspulen zwischen dem Meßresonator und einem polschuh so angeordnet ist, daß über dem Meßresonator und damit über der zu untersuchenden ^f

Probe ein Magnetfeldgradient in z-Richtung, d.h. in Richtung des statischen Magnetfeldes B ,entsteht, dadurch er-....reicht, daß jede Gradientenspule ^uS zwei elektrisch in Reihe geschalteten Einzelspulen besteht, die in sich gegenüberliegenden ν Gehäusewänden eines Spulengehäuses so angeordnet sind, daß zwischen den Einzelspulen ein freier Raum als Kühlkanal verbleibt, der in radialer Richtung einerseits durch das Spulengehäuse und andererseits durch eine Zentrierbuchse begrenzt ist, und daß dieser Kühlkanal über Anschlüsse im Spulengehäuse mit; einer Kühlmittelversorgung verbunden ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Einzelspulen in dem Bereich, in dem sie im Spulengehäuse angeordnet sind, selbst als Gehäusewand ausgebildet. Zu diesem Zweck sind die Einzelspulen scheibenförmige einlagige Spulen, die aus Kupferband gewickelt sind, wobei die Breite des Bandmaterial die Breite der Einzelspule darstellt, die Dicke des Bandmaterials geringer als dessen Breite ist und die Höhe des Spulen-'querschnittes um ein Vielfaches größer als dessen.Breite ist, und daß die einzelnen Windungen versetzt zueinander gewickelt sind, so daß eine gerippte Spulenoberfläche vorhanden ist.

' Die Anschlußstutzen für das Kühlmittel sind tangential am

Spulengehäuse angeordnet. , Im Kühlkanal können zwischen den beiden Einzelspulen rechteckige Metallstäbe in vertikaler Richtung (y-Richtung) angeordnet sein, die mit den Einzelspulen fest verbunden , sind. Diese Metallstäbe gewährleisten die weitestgehende Parallelität zwischen den Einzelspulen und eine hohe mechanische Stabilität, des Spulensystems · Die beiden Spulengehäuse sind mit vier Positionierstäben verbunden, die^N die Verschiebung der Spulen in z-Richtung gestatten und die beiden Spulen gleichzeitig in x- und y-Richtung fixieren. Die Zentrierbuchse der Spule kann eine durchgehende Bohrung haben, die eine visuelle Positionierung der Gradientenspulen bezüglich der HF-Modulationsspulen des Meßresonators erlaubt.

Infolge des prinzipiell neuen Aufbaus der Gradientenspulenanordnung und des dadurch erzielten Kühlkanals ist eine ausreichende Kühlung der Spulen auch bei einem Vielfachen der Feldstärke der bisher angewendeten Magnetfeldgradienten und der damit auftretenden wesentlich höheren Verlustleistung möglich, wodurch die angestrebte um ein Vielfaches bessere räumliche Auflösung erreicht wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Pig. j1 eine perspektivische Ansicht der

Spulenanordnung teilweise geschnitten,

Fig. 2a, b .

und 3 verschiedene Schnitte durch eine

Einzelspule,

i - '

Die Anordnung besteht aus den beiden Gradientenspulen 1, die einen Magnetfeldgradienten in z-Richtung des statischen Magnetfeldes B_Q erzeugen. Zwischen beiden Gradientenspulen befindet sich der Meßkopf 8 (z.B. H₁₀₂-Resonator), in dem sich die zu untersuchende Probe befindet. Die beiden Gra-

dientenspulen 1 sind über vier Positionierstäbe 9 miteinander verbunden, die eine axiale Verschiebung der Spulen in z-Richtung ermöglichen, die Lage der Spulen in x- und y-Richtung fixieren und damit die Parallelität und Koaxialität beider Spulen weitestgehend garantieren. Jede Gradientenspule 1 besteht aus zwei Einzelspulen 2, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und die beide ein gleich gerichtetes PeId erzeugen. Zwischen beiden Einzelspulen 2 befindet sich der Kühlkanal 3, der sehr schmal (1 ... 2 mm) sein kann. Die Kühlflüssigkeit gelangt durch den unteren Anschlußstutzen 6 in die Gradientenspulen 1 und fließt an der Innenseite der Einzelspulen 2 zum oberen Anschlußstutzen Bei den Einzelspulen 2 handelt es sich um scheibenförmige einlagige Spulen, die aus Kupferband gewickelt sind und die Breite des Bandmaterials ist gleich der Breite der Einzelspule (Fig. 2). Dabei ist die Dicke des Bandmaterials wesentlich geringer als dessen Breite und die Höhe des Spulenpakets ist wiederum viel größer als die Spulenbreite D. Auf diese Weis,e können innerhalb des vorgegebenen Spulenquerschnitts viele Windungen realisiert werden, die es ermöglichen, mit Strömen von max. 40 A für einen Magnetfeldgradienten G « 0,15 T/cm auszukommen. Diese Ströme sind technisch gut realisierbar. Da die Einzelspulen sehr schmal sein können und nur aus einer Lage bestehen, ist eine schnelle Wärmeleitung und Abgabe in axialer Richtung (z-Richtung) möglich.

Aufgrund dieser Anordnung ist es ausreichend, wenn nur die Innenseiten der Einzelspulen 2 vom Kühlmedium gekühlt werden. Die Wärmeabgabe an den Außenseiten der Einzelspulen 2 muß an die umgebende Luft erfolgen» Diese Wärmeabgabe stellt aber einen Bruchteil der von der Kühlflüssigkeit aufgenommenen Wärmemenge dar.

Aufgrund des geringen Widerstandes der Gradientenspulen 1 von R= 0,5 kann mit Spannungen von 20 V gearbeitet werden^ so daß Wasser als Kühlflüssigkeit ohne Bedenken eingesetzt werden kann

Um die Wirkung der Kühlflüssigkeit noch zu unterstützen,

werden die Einzelspulen 2 so gewickelt, daß eine gerippte Spulenoberfläche (Pig. 2) entsteht. Hierzu werden die einzelnen Lagen um Bruchteile der Spulenbreite D versetzt gewickelt, Damit wird-die Wirbelbildung in der Kühlflüssigkeit noch unterstützt, so daß,eine starke turbulente Strömung entsteht, bei der der Wärmeübergang von den Einzelspulen 2 an das Kühlmittel viel intensiver ist.

Die Einzelspulen 2 sind mit einem' Spulengehäuse 4 und einer Zentrierbuchse 11 verbunden. Das Spulengehäuse 4 enthält die Anschlußstutzeti 6 und 10 für die Kühlflüssigkeit, die elektrischen Anschlüsse 5 und die Bohrungen für die Positionsstäbe 9. Die Zentrierbuchse enthält eine durchgehende Bohrung, so daß eine schnelle visuelle Positionierung bezüglich der Modulationsspulen 12 möglich ist. Alle; vier Spulenachsen, die der beiden Gradientenspulen 1 und die der beiden Hochfrequenz-Modulationsspulen 12 müssen in einer Flucht liegen· ' .'.. \ Werden die GradientenspulenT_r wie im Fall des Verfahrens mit moduliertem Gradienten, mit hohen Wechselströmen versorgt, so können im Zusammenwirken mit dem statischen Magnetfeld B starke Kraftwirkungen auftreten, die bei nicht genügend stabilem Aufbau der Gradientenspulen starken Schwingungen im iakt der Modulationsfrequenz der Gradientenspulen 1 führen können, die unerwünscht sind. Um die mechanische Stabilität zu erhöhen, befinden sich zwischen den Einzelspulen 2 rechteckige Metallstäbe 7, z, B. aus Kupfer, die innerhalb des Kühlkanals 3 in vertikaler, d. h. in y-Richtungverlaufen (Fig. 3). Sie sind mit den JSinzelspulen 2 fest verbunden und schaffen somit ein stabiles kompaktes Spulensystem, ohne die Kühlung wesentlich zu verschlechtern.

Claims

. Erfindungsanspruch

1. Gradientenspulenanordnung für die EPR-Zeugmatographie, bei der je eine der den Magnetfeldgradienten erzeugenden Gradientenspulen zwischen dem Meßresonatbr und einem Polschuh so angeordnet ist, daß über dem Meßresonator und damit über der zu untersuchenden Probe ein Magnetfeldgradient in z-Richtung, d. h. in Richtung des statischen Magnetfeldes B_Q, entsteht, gekennzeichnet dadurch, daß jede Gradientenspule (1) aus zwei elektrisch in Reihe geschalteten Sinzelspulen (2) besteht, die in sich gegenüberliegenden Gehäusewänden eines Spulengehäuses (4) so angeordnet sind, daß zwischen den Einzelspulen (2) ein freier Raum als Kühlkanal (3) verbleibt, der in radialer Richtung einerseits durch das Spulengehäuse (4) und andererseits durch eine Zeηtrierbuchse (11) begrenzt ist, und daß dieser Kühlkanal (3) über Anschlüsse (6, 10) im Spulengehäuse (4) mit einer KühlmittelVersorgung verbunden ist. ,

2. Anordnung nach Punkt T, gekennzeichnet dadurch, daß die Einzelspulen (2) in dem Bereich, in dem sie im Spulengehäuse angeordnet sind, selbst als Gehäusewand ausgebildet sind«

3. Anordnung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Einzelspulen (2) scheibenförmige einlagige aus Kupferband gewickelte Spulen sind, wobei die Breite des Bandmaterials die Breite der Sinzelspulen (2) darstellt, die Höhe des Spulenquerschnitts um ein Vielfaches größer als dessen Breite ist, und daß die einzelnen Windungen versetzt zueinander gewickelt sind, so daß eine gerippte Spulenoberfläche vorhanden ist.

4. Anordnung nach Punkt 1 bis 3), gekennzeichnet dadurch, daß die Anschlußstutzen (6, 10) für das Kühlmittel tangential am Spulengehäuse (4) angeordnet sind.

5· Anordnung nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen den Einzelspulen (2) rechteckige Metallstäbe (7) in vertikaler Richtung (y-Richtung) angeordnet sind, die mit den Einzelspulen fest verbunden sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen