DE10130678B4

DE10130678B4 - Kernresonanz-Vorrichtung

Info

Publication number: DE10130678B4
Application number: DE10130678A
Authority: DE
Inventors: Takashi Wako Nakamura; Jun Wako Uzawa; Tetsuo Obu Oka; Yoshitaka Chiryu Ito; Yousuke Chiryu Yanagi; Masaaki Kariya Yoshikawa; Ryohei Toyota Yabuno; Uichiro Nagoya Mizutani
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research; Aisin Corp
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: JP2002006021A; DE10130678A1; GB2369438B; GB0115497D0; US20020000806A1; GB2369438A; JP4317646B2; US6489769B2

Abstract

Kernresonanz-Vorrichtung, umfassend:
einen Hochtemperatur-Supraleiter (20), der die Gestalt eines hohlen Zylinders oder eines Bechers, der einen hohlen zylindrischen Abschnitt aufweist, hat, der in einem Vakuumisolierbehälter (22) auf eine Temperatur abgekühlt worden ist, die nicht höher ist als die Supraleitungs-Sprungtemperatur und eine Detektorspule (12) zur Erfassung oder zum Nachweis eines NMR-Signals eines zu messenden Materials (11), das in den hohlen zylindrischen Abschnitt (20a) des Hochtemperatur-Supraleiters eingeführt worden ist,
wobei der Hochtemperatur-Supraleiter in axialer Richtung magnetisiert wird, wodurch ein statisches Magnetfeld in den hohlen zylindrischen Abschnitt in axialer Richtung des Zylinders erzeugt wird und das NMR-Signal des zu messenden Materials, das in dem Magnetfeld angeordnet ist, durch die Detektorspule und ein Spektrometer erfasst oder nachgewiesen wird,
wobei eine Vielzahl von Hochtemperatur-Supraleitern (20) koaxial einander gegenüberliegend und im Kontakt miteinander oder mit einem Zwischenraum dazwischen in einer axialen Richtung angeordnet sind, und
wobei die genannte Detektorspule (12) im Innern...

Description

Hintergrund der Erfindung
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kernresonanz- bzw. Kernspinresonanz-Vorrichtung, in der ein Kernresonanz(NMR)-Signal ausgenutzt wird und die auf dem medizinischen Gebiet und bei der Analyse einer Komponente und einer Struktur eines Industrie-Materials, eines landwirtschaftlichen Produkts und dgl. verwendet werden kann. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Kernresonanz- bzw. Kernspinresonanz-Vorrichtung zur Erzeugung eines starken statischen magnetischen Feldes, das in bezug auf den Homogenitäts-Bereich vergleichbar ist mit einem konventionellen supraleitenden Magneten, ohne dass flüssiges Helium verwendet wird.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Die kernmagnetische Resonanz ist ein Phänomen in einem magnetischen System, das ein magnetisches Moment und ein Drehimpulsmoment umfasst, und sie ist ein Resonanz-Phänomen in einer dem magnetischen System eigenen Frequenz (der Larmor-Frequenz). Beispielsweise wird, wie in 1 dargestellt, ein statisches Magnetfeld H₀, das von einem Magneten erzeugt wird, an eine Probe angelegt und außerdem wird mittels einer Transmissionspule 2 ein Radiofrequenz-Magnetfeld H₁ an die Probe angelegt in einer Richtung senkrecht zur Richtung des statischen Magnetfeldes. Derzeit ist eine Impuls-Kernresonanz(NMR)-Vorrichtung die Hauptvorrichtung, in der ein sehr kurzer (3 bis 6 μs langer) und starker Hochfrequenz-Impuls auf die Probe aufgegeben wird und alle Signale, die sich in einer chemischen Verschiebung ausbreiten, gleichzeitig in Resonanz treten und gleichzeitig erfasst (festgestellt) werden.
Darüber hinaus wird zur Erzielung eines Bildes ein Magnetfeld, dessen Stärke sich mit der Position ändert, als Gradienten-Magnetfeld bezeichnet, dem statischen Magnetfeld überlagert und eine Position wird identifiziert durch die Verschiebung einer Resonanz-Frequenz für jede Position. Allgemein wird ein Bilderzeugungsverfahren angewendet, bei dem ein vorgegebener Abschnitt nur durch eine erforderliche Dicke mit einer hohen Frequenz erregt (selektiv erregt) wird, anschließend das Gradienten-Magnetfeld in zwei Richtungen an den Abschnitt angelegt wird und ein Abschnittsbild nach einem zweidimensionalen Fourier-Verfahren erhalten wird.
Die oben genannte Kernresonanz-Vorrichtung (nachstehend als NMR-Vorrichtung bezeichnet), in der das oben genannte Kernresonanz-Phänomen ausgenutzt wird, besteht im Prinzip aus einem Magneten zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes, einer Spule 1 zur Erzeugung eines weiteren (anderen) Hochfrequenz-Impulses und zur Erfassung bzw. zum Nachweis eines NMR-Signals, einem Empfänger 3 für die Aufnahme des NMR-Signals und dgl. Die Daten, die bei der Analyse einer Struktur einer organischen Verbindung nützlich sind, beispielsweise der Grad der chemischen Verschiebung jedes Atoms und die Spin-Spin-Kopplungskonstante, können mittels der NMR-Vorrichtung erhalten werden.
Darüber hinaus besteht eine Kernresonanz-Bilderzeugungs-Vorrichtung (nachstehend als MRI-Vorrichtung bezeichnet), in der das Kernresonanz-Phänomen ausgenutzt wird, aus mindestens einem Magneten als einer ein statisches Magnetfeld erzeugenden Einrichtung; einem Gradienten-Magnetfeld zur Aufgabe einer räumlichen Information auf das Signal; einem Hochfrequenz-Bestrahlungssystem; einem NMR-Signal-Detektor-System; einer Suchspule, die das Testobjekt, beispielsweise einen menschlichen Körper, umgibt und tatsächlich die Hochfrequenz-Bestrahlung und die Signal-Erfassung bzw. den Signal-Nachweis durchführt; sowie einer Steu er- bzw. Kontrolleinrichtung zur Steuerung bzw. Kontrolle dieser Komponenten und zur Verarbeitung des erhaltenen Signals. Die Vorrichtung umfasst einen RF-Transmitter 4a, einen Energieverstärker 4b, einen Oszillator 5a, einen Impulsgenerator 5b, ein Gate 5c, einen Energieverstärker 5d, einen Verstärker 6a, einen Phasendetektor 6b und einen Computer 6c.
Die räumliche Verteilung eines Nuclids, welches das Signal abgibt, wird durch das Kernresonanz(NMR)-Signal sichtbar gemacht, das erhalten wird durch Bestrahlen des Testobjekts mit hoher Frequenz, das in dem statischen Magnetfeld angeordnet ist. Da in der MRI-Vorrichtung keine Röntgenstrahlung verwendet wird, ist die Vorrichtung sicher nicht nur für den menschlichen Körper, der eine Messung durchführt, sondern auch für ein zu messendes Objekt einschließlich des menschlichen Körpers, wobei eine ausreichende Auflösung erhalten wird, und ihr praktischer Wert ist bemerkenswert hoch.
Als das statische Magnetfeld erzeugender Magnet, der die Kernresonanz-Vorrichtung aufbaut, wurden bisher ein Widerstands-Magnet von 0,5 bis 2,2 T und ein supraleitender Magnet von 0,5 bis 18,8 T verwendet und in einigen Fällen wird auch ein Permanentmagnet verwendet. Der das statische Magnetfeld erzeugende Magnet der Kernresonanz-Vorrichtung weist eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber einem ferromagnetischen Feld auf und ermöglicht die Durchführung einer Analyse einer großen Menge von detaillierten Informationen. Deshalb ist der supraleitende Magnet, in dem ein supraleitendes Material verwendet wird, in bezug auf Stärke, Stabilität und Einheitlichkeit des Magnetfeldes verbessert.
In einer neueren Kernresonanz-Vorrichtung wird daher der supraleitende Magnet, in dem eine supraleitende Spule, hergestellt aus einem supraleitenden Drahtmaterial auf Metallbasis, z. B. aus Niob und Titan, verwendet wird, zur Erzeugung eines Haupt Magnetfeldes (statischen Magnetfeldes) verwendet. Wenn jedoch die supraleitende Spule verwendet wird, wird flüssiges Helium verwendet, um die Spule auf eine extrem niedrige Temperatur abzukühlen. Dadurch entsteht das Problem, dass eine große Menge an teurem flüssigem Helium erforderlich ist und die Betriebskosten hoch sind.
Darüber hinaus wird das supraleitende Drahtmaterial auf Metallbasis, z. B. aus Niob und Titan, hergestellt nach einem komplizierten Herstellungsverfahren und durch thermische Behandlung. Die supraleitende Spule ist daher sehr viel teurer als eine übliche Elektromagnetspule, die aus einem Kupferdraht hergestellt ist, und der Vorrichtungs-Hauptkörper wird extrem teuer. Außerdem erfordert die Verwendung eines Kühlmittels (von flüssigem Helium und flüssigem Stickstoff) zum Betrieb des supraleitenden Magneten eine spezielle Technik und diese ist technisch kompliziert und umständlich. Man kann daher kaum sagen, dass dessen Verwendung ein einfaches Verfahren ist. Diese großen Probleme haben die Verbreitung einer Hochleistungs-Kernresonanz-Vorrichtung verhindert.
Da der supraleitende Magnet eine große Kühlanlage erfordert und auch die Magnetfeldstreuung groß ist, ist ein ausschließlicher Raum für die Installation des Magneten erforderlich. Dies schränkt die Vorrichtungs-Installations-Bedingungen und auch das Vorrichtungs-Anwendungsgebiet ein.
Andererseits wird in der JP 135 823 AA ein Beispiel für eine kleine und einfache Kernresonanz-Vorrichtung vorgeschlagen, in der anstelle des konventionellen supraleitenden Magneten vom Heliumkühlungs-Typ ein supraleitender Magnet vom Direktkühlungs-Typ verwendet wird. Diese Kernresonanz-Vorrichtung ist praktischer als die Vorrichtung, in welcher der supraleitende Magnet vom Heliumkühlungs-Typ verwendet wird, zur Erzeugung des Haupt-Magnetfeldes wird jedoch die supraleitende Spule verwendet, die aus dem supraleitenden Drahtmaterial hergestellt ist. Da das supraleitende Drahtmaterial extrem teuer ist, wird die gesamte Vorrichtung teuer.
Da zum Kühlen der supraleitenden Spule in einem Vakuum-Behälter eine Kuhleinrichtung verwendet wird, wird der Kühlabschnitt groß. In diesem Fall kann der Vorteil, dass die Vorrichtung klein dimensioniert und praktisch ist, nicht in ausreichendem Umfang ausgenutzt werden. Da die Wärmekapazität der supraleitenden Spule groß ist, ist außerdem die für die Abkühlung der Spule mit der Kühleinrichtung auf eine vorgegebene Temperatur erforderliche Zeit lang. Es entsteht somit das Problem, dass die Zeit ab Beginn der Abkühlung bis zum Beginn der Messung lang ist.
Um das oben genannte Problem des Standes der Technik zu lösen, hat der Anmelder der vorliegenden Erfindung eine frühere Patentanmeldung entwickelt und eingereicht für eine Kernresonanz-Vorrichtung, in der ein Hochtemperatur-Supraleiter verwendet wird ( JP 11-248 810 AA ). In dieser Vorrichtung fließt ein Supraleiterstrom durch den Hochtemperatur-Supraleiter, der in einem Vakuum-Isolierbehälter gekühlt wird und an den das Magnetfeld angelegt wird. Dann fängt der Supraleiter das Magnetfeld ein (nimmt es auf), so daß er ein Magnetfeld-Anlegungselement darstellt, wobei das Magnetfeld als Hauptmagnetfeld verwendet wird, und das NMR-Signal eines zu messenden Materials, das in dem Magnetfeld angeordnet ist, von einer Detektor-Spule und einem Spektrometer, die benachbart zu dem zu messenden Material angeordnet sind, erfasst bzw. nachgewiesen wird.
In der Kernresonanz-Vorrichtung fließt der Supraleiterstrom durch den Hochtemperatur-Supraleiter, das Magnetfeld wird eingefangen (aufgenommen) und es entsteht ein Magnetfeld-Erzeugungselement. Deshalb kann ohne Verwendung von teurem flüssigem Helium ein starkes statisches Magnetfeld erzeugt werden, das vergleichbar ist mit demjenigen eines konventionellen supraleitenden Magneten.
Wie in 2 dargestellt, ist jedoch die Verteilung des Magnetfeldes, die in dem konventionellen Hochtemperatur-Supraleiter entsteht, eine Berg-förmige Verteilung, deren Zentrum eine hohe Stärke hat. Dadurch entsteht das Problem, dass kein einheitliches Magnetfeld an das zu messende Material (Probe) angelegt werden kann. Darüber hinaus kann beispielsweise nur dann, wenn ein anderer Permanentmagnet, elektromagnetisches Weicheisen oder dgl. in einer Position in einem Abstand von dem Hochtemperatur-Supraleiter angeordnet ist, um das Magnetfeld einheitlich zu machen, ein einheitlicher Magnetfeld-Bereich gebildet werden. Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass die magnetische Feldstärke deutlich herabgesetzt wird.
Aus der JP 02-92104 AA ist ein oxidisches supraleitendes Material in Plattenform bekannt. Die JP 63-2830031 AA zeigt eine supraleitende Spule, bei der supraleitende Ringe durch elektrische Isolatoren getrennt sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Empfindlichkeit der aus dem Stand der Technik bekannten Kernresonanzsysteme zu erhöhen. Weiterhin soll eine Kernresonanz- bzw. Kernspinresonanz-Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die ein starkes statisches Magnetfeld, das vergleichbar ist mit demjenigen eines konventionellen supraleitenden Magneten, ohne Verwendung eines Kühlmittels (von flüssigem Helium), das für den Betrieb des konventionellen supraleitenden Magneten wesentlich ist, erzeugen kann und die das statische Magnetfeld homogen machen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kernresonanz-Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kernresonanz-Vorrichtung, umfassend:
einen Hochtemperatur-Supraleiter, der die Gestalt eines hohlen Zylinders oder eines Bechers, der einen hohlen zylindrischen Abschnitt aufweist, hat, der in einem Vakuumisolierbehälter auf eine Temperatur abgekühlt worden ist, die nicht höher ist als die Supraleitungs-Sprungtemperatur; und eine Detektorspule zur Erfassung oder zum Nachweis eines NMR-Signals eines zu messenden Materials, das in den hohlen zylindrischen Abschnitt des Hochtemperatur-Supraleiters eingeführt worden ist,
wobei der Hochtemperatur-Supraleiter in axialer Richtung magnetisiert wird, wodurch ein statisches Magnetfeld in den hohlen zylindrischen Abschnitt in axialer Richtung des Zylinders erzeugt wird und das NMR-Signal des zu messenden Materials, das in dem Magnetfeld angeordnet ist, durch die Detektorspule und ein Spektrometer erfasst oder nachgewiesen wird,
wobei eine Vielzahl von Hochtemperatur-Supraleitern koaxial einander gegenüberliegend und im Kontakt miteinander oder mit einem Zwischenraum dazwischen in einer axialen Richtung angeordnet sind, und
wobei die genannte Detektorspule im Innern des Vakuumisolierbehälters angeordnet ist.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Aufbau kann dann, wenn ein Loch im Zentrum eines Bulk- bzw. Blockmagneten, der zu einer zylindrischen Form in axialer Richtung calciniert worden ist, erzeugt wird, eine gleichmäßige Magnetfeld-Verteilung im Innern des Loches erhalten werden.
Das heißt, wenn das Zentrum des Blockmagneten, der zu der zylindrischen Gestalt calciniert worden ist, in axialer Richtung durchlöchert wird, kann ein Hochtemperatur-Supraleiter mit der Form eines hohlen Zylinders hergestellt werden. Es wird ein Supraleiter-Strom erzeugt, der sich auf ein axiales Zentrum des Hochtemperatur-Supraleiters zentriert, um den Hochtemperatur-Supraleiter zu magnetisieren, so daß der Hochtemperatur-Supraleiter in ähnlicher Weise fungieren kann wie die konventionelle supraleitende Spule. Daher kann eine im wesentlichen gleichmäßige Magnetfeld-Verteilung in einem Zustand erhalten werden, der äquivalent dem Zustand ist, in dem die Spule herumgewickelt ist.
Es kann daher ein starkes statisches Magnetfeld, das vergleichbar ist mit demjenigen eines konventionellen supraleitenden Magneten, ohne Verwendung eines Kühlmittels (von flüssigem Helium), das für den Betrieb eines konventionellen supraleitenden Magneten wesentlich ist, erzeugt werden und die Verteilung der Stärke des statischen Magnetfeldes kann homogen sein.
Eine Vielzahl von Hochtemperatur-Supraleitern ist koaxial einander gegenüberliegend in der axialen Richtung oder mit einem Zwischenraum dazwischen angeordnet. Bei diesem Aufbau kann dann, wenn das statische Magnetfeld, das durch die Vielzahl der Hochtemperatur-Supraleiter erzeugt wird, mehrschichtig ist, ein starkes statisches Magnetfeld in einem breiteren Bereich erzeugt werden.
Darüber hinaus ist die Detektorspule in dem Vakuumisolierbehälter angeordnet. Bei diesem Aufbau ist die Detektorspule in dem Vakuumisolierbehälter thermisch abgeschlossen gegenüber der Außenseite und sie wird auf den gleichen Temperaturbereich abgekühlt wie der isolierte Hochtemperatur-Supraleiter. Die Detektorspule vermindert das thermische Rauschen und verbessert die elektrische Leitfähigkeit und die Empfindlichkeit wird erhöht.
Außerdem kann der Hochtemperatur-Supraleiter (20) ein Oxid-Supraleiter sein, dessen Hauptkomponente dargestellt wird durch RE-Ba-Cu-O. Der Supraleiter enthält 0 bis 50% mindestens eines Vertreters aus der Gruppe Silber, Platin und Cer, und RE wird synthetisiert durch mindestens einen Vertreter aus der Gruppe Yttrium (Element-Symbol: Y), Samarium (Sm), Lanthan (La), Neodym (Nd), Europium (EU), Gadolinium (Gd), Erbium (Er), Ytterbium (Yb), Dysprosium (Dy) und Holmium (Ho). Darüber hinaus weist er eine Struktur auf, in der eine supraleitende Phase mit einer Supraleitungs-Sprungtemperatur von 90 K bis 96 K, ausgedrückt als absolute Temperatur, und eine allotrope isolierende Phase, die im Innern der supraleitenden Phase angeordnet ist, mit einer Teilchengröße von 50 μm oder weniger, vorzugsweise von 10 μm oder weniger, dispergiert sind.
Die Hochtemperatur-Supraleiter auf Yttrium-Basis, Neodym-Basis, Samarium-Basis und andere, die eine Supraleitungs-Sprungtemperatur Tc von 90 Kelvin (K) oder mehr haben, ausgedrückt durch die absolute Temperatur, werden in einem so genannten Schmelzverfahren synthetisiert, bei dem die Materialien einmal auf eine Temperatur, die höher ist als der Schmelzpunkt, erhitzt und geschmolzen werden und die Materialien wieder koaguliert werden. Dann wird ein geformtes Material mit einem rauhen und großen gewachsenen Kristall erhalten und dieses wird als supraleitender Block (Bulk) bezeichnet. Es wird eine Struktur, in der die isolierende Phase fein dispergiert ist, in einer supraleitenden Stammphase erhalten, ein Pinningpunkt, der der Anwesenheit der dispergierten Phase zuzuschreiben ist, fängt einen magnetischen Fluss ein und der supraleitende Block dient als Pseudo-Permanentmagnet.
Der nach dem Schmelzverfahren synthetisierte supraleitende Block (Bulk) weist eine Supraleitungs-Sprungtemperatur von 90 bis 96 K auf, ausgedrückt durch die absolute Temperatur, und umfasst eine Struktur, in der ein großer Kristall, der aus der supraleitenden Phase mit einer Größe von 1 bis 100 mm gebildet wird, und die allotrope isolierende Phase, die im Innern des großen Kristalls angeordnet ist, mit einer Teilchengröße von 50 μm oder weniger (vorzugsweise von 10 μm oder weniger) dispergiert sind.
Wenn die in der Struktur dispergierte allotrope isolierende Phase während der Synthese des Hochtemperatur-Supraleiters 50 μm oder weniger beträgt, werden zufriedenstellende Magnetfeld-Einfangeigenschaften erhalten, es wird ein Magnetfeld der 0,5 T-Klasse erzeugt und der Hochtemperatur-Supraleiter kann erfindungsgemäß verwendet werden. In einem bestimmten System, dem Platin und Cer zugesetzt werden, kann die isolierende Phase auf 10 μm oder weniger eingestellt werden. In diesem Fall kann das Magnetfeld, das die extrem guten Eigenschaften der 1 T-Klasse oder einer höheren Klasse oder einer Klasse von mehreren T hat, eingefangen (aufgenommen) werden und die vorliegende Erfindung kann mit Vorteil angewendet werden. Darüber hinaus wird in einem System, dem 0 bis 50% Silber zugesetzt werden, ein Riss, der in der Synthesestufe oder in der Verwendungsstufe leicht entstehen kann, an der Entstehung oder Ausbreitung gehindert und es kann ein großdimensionierter Hochtemperatur-Supraleiter in vorteilhafter Weise und zuverlässig synthetisiert und verwendet werden.
Wenn der Hochtemperatur-Supraleiter verwendet wird, kann ein supraleitender Zustand bei der absoluten Temperatur von 90 K oder höher realisiert werden, die den Siedepunkt von 77 K von flüssigem Stickstoff übersteigt. Außerdem kann dann, wenn der Hochtemperatur-Supraleiter auf eine tiefere Temperatur abgekühlt wird, ein starkes statisches Magnetfeld, das vergleichbar ist mit demjenigen eines konventionellen supraleitenden Magneten, erzeugt werden.
Das Magnetfeld des Hochtemperatur-Supraleiters kann durch das statische Magnetfeld magnetisiert werden. Wenn das starke statische Magnetfeld durch die konventionelle supraleitende Spule auf Metallbasis erzeugt wird und das Magnetfeld von dem Hochtemperatur-Supraleiter eingefangen (aufgenommen) wird, kann der Hochtemperatur-Supraleiter durch das starke statische Magnetfeld, das durch die supraleitende Spule auf Metallbasis erzeugt werden kann, magnetisiert werden.
Darüber hinaus kann der Hochtemperatur-Supraleiter auch durch ein Impuls-Magnetfeld magnetisiert werden. Wenn ein starkes Magnetfeld momentan in der Spule erzeugt wird zur Magnetisierung des Hochtemperatur-Supraleiters, kann der Hochtemperatur-Supraleiter leichter magnetisiert werden.
Ferner ist es bevorzugt, den Hochtemperatur-Supraleiter in einem Kühlmittel, mit dem Kühlabschnitt einer Kühleinrichtung oder mit einem Kühlmittel, das in der Kühleinrichtung abgekühlt worden ist, auf eine Temperatur abzukühlen, die nicht höher ist als die Supraleitungs-Sprungtemperatur. Als Kühleinrichtung kann vorzugsweise eine Impuls-Rohrleitungs-Kühleinrichtung, eine GM-Cyclus-Kühleinrichtung, eine Solvay-Cyclus-Kühleinrichtung, eine Stirling-Cyclus-Kühleinrichtung und eine Peltier-Kühleinrichtung allein oder als Kombination von zwei oder mehr derselben verwendet werden.
Als Kühlmittel können ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff (ausgenommen Helium) aus Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Helium, Neon, Wasserstoff oder dgl. verwendet werden. Dadurch kann der Hochtemperatur-Supraleiter leicht auf eine Temperatur abgekühlt werden, die nicht höher ist als die Supraleitungs-Sprungtemperatur (beispielsweise etwa 90 K beträgt).
In einer Einrichtung zum Abkühlen des Hochtemperatur-Supraleiters kommt Kupfer oder ein anderes Metall oder ein Aluminiumoxid-Einkristall oder ein anderes Wärmeübertragungs-Material direkt in Kontakt mit dem Hochtemperatur-Supraleiter und kühlt diesen ab und das Metall oder das Wärmeübertragungsmaterial wird durch die Kühlmittel, beispielsweise flüssigen Stickstoff, oder die oben genannten verschiedenen Kühleinrichtungen abgekühlt.
Bei einem anderen Aufbau wird der Hochtemperatur-Supraleiter durch ein flüssiges, gasförmiges oder festes Kühlmittel, beispielsweise flüssigen Stickstoff, flüssi ges Helium und festes Stickstoffgas, das durch die Kühleinrichtung abgekühlt worden ist, abgekühlt. In diesem Fall kann ein mechanischer Einfluss der Kühleinrichtung ausgeschaltet werden, da der Supraleiter von der Kühleinrichtung getrennt ist, und die Messgenauigkeit kann erhöht werden.
Weitere Ziele und vorteilhafte Eigenschaften der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt ein grundlegendes Fließdiagramm eines Impuls-FTNMR dar.
2 zeigt ein Magnetfeld-Verteilungsdiagramm eines konventionellen Hochtemperatur-Supraleiters.
3 stellt ein Gesamtaufbau-Diagramm einer Kernresonanz-Vorrichtung dar.
4 stellt eine partielle vergrößerte Ansicht gemäß 3 dar.
5 stellt eine partielle vergrößerte Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kernresonanz-Vorrichtung dar.
6 stellt eine partielle vergrößerte Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kernresonanz-Vorrichtung dar.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die gemeinsamen Teile in den jeweiligen Zeichnungen werden jeweils mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und eine überflüssige Beschreibung wird weggelassen.
Die 3 zeigt ein Gesamtaufbau-Diagramm einer Kernresonanz-Vorrichtung und die 4 stellt eine partielle vergrößerte Ansicht der 3 dar. In der 3 bezeichnet die Bezugsziffer 13 eine Hochfrequenz-Generator-Vorrichtung, die Ziffer 14 bezeichnet ein Impulsprogrammiergerät (Transmitter), die Ziffer 15 bezeichnet einen Hochfrequenzverstärker, die Ziffer 16 bezeichnet einen Vorverstärker (Signal-Verstärker), die Ziffer 17 bezeichnet einen Phasen-Detektor (Empfänger), die Ziffer 18 bezeichnet einen Analog-Digital-Umwandler (ADC) und die Ziffer 19 bezeichnet einen Computer (Rechner).
In den 3 und 4 ist ein Material 11, das gemessen werden soll, im Innern einer Detektorspule 12 angeordnet, die um das Material herumgewickelt ist. Ein Impuls wird auf das zu messende Material mittels einer Transmissionspule aus einem Hochfrequenz-Oszillator, eines GATE-Abschnitts zum Formem des Impulses und eines Energieverstärkers zum Verstärken des Hochfrequenz-Impulses aufgegeben. Ein freier Induktions-Abbau (FID), der sofort nach dem Impuls entsteht, wird von einer Empfänger-Spule aufgenommen, der Impuls wird über den nachfolgenden Verstärker und Phasen-Detektor weitergeleitet und ein AD-umgewandeltes Signal wird in dem Computer gespeichert. Die Daten werden einer Fourier-Transformation unterworfen und das NMR-Analysen-Ergebnis wird auf dem Computer angezeigt oder es wird ein Informations-Ausdruck als MRI erhalten.
Bei diesem Beispiel weist der Hochtemperatur-Supraleiter 20 die Gestalt eines hohlen Zylinders auf und er wird in einem Vakuumisolierbehälter 22 auf eine Temperatur abgekühlt, die nicht höher ist als die Supraleitungs-Sprungtemperatur. Das zu messende Material 11 wird in einen hohlen zylindrischen Abschnitt 20a des Hochtemperatur-Supraleiters 20 eingeführt. Die Detektorspule 12 ist so herumgewickelt (angeordnet), dass ein NMR-Signal des zu messenden Materials 11 im Innern des hohlen zylindrischen Abschnitts 20a erfasst bzw. nachgewiesen wird. Außerdem kann der Hochtemperatur-Supraleiter 20 die Gestalt eines Bechers haben, die den hohlen zylindrischen Abschnitt 20a enthält.
Somit wird der Hochtemperatur-Supraleiter 20 magnetisiert durch Erzeugung eines Supraleiter-Stromes, der sich auf einem Wellenzentrum des Supraleiters zent riert, so daß in dem hohlen zylindrischen Abschnitt in der Zylinderachsen-Richtung ein statisches magnetisches Feld erzeugt wird. Das NMR-Signal des zu messenden Materials, das in dem Magnetfeld angeordnet ist, wird durch die Detektorspule und das vorhandene Spektrometer erfasst bzw. nachgewiesen.
Der Hochtemperatur-Supraleiter 20 ist ein Oxid-Supraleiter, dessen Hauptkomponente dargestellt wird durch RE-Ba-Cu-O. Der Supraleiter enthält 0 bis 50% mindestens eines Vertreters aus der Gruppe Silber, Platin und Cer, und RE wird synthetisiert durch mindestens einen Vertreter aus der Gruppe Yttrium (Elementsymbol: Y), Samarium (Sm), Lanthan (La), Neodym (Nd), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Erbium (Er), Ytterbium (Yb), Dysprosium (Dy) und Holmium (Ho). Darüber hinaus enthält er vorzugsweise eine Struktur, in der eine supraleitende Phase mit einer Supraleiter-Sprungtemperatur von 90 K bis 96 K, ausgedrückt durch die absolute Temperatur, und eine allotrope isolierende Phase, die im Innern der supraleitenden Phase angeordnet ist, mit einer Teilchengröße von 50 μm oder weniger, vorzugsweise von 10 μm oder weniger, dispergiert sind.
Der Supraleiter-Block 20 wird in flüssigem Stickstoff oder mittels ein Kühlabschnittes einer Kühleinrichtung auf eine Temperatur abgekühlt, die nicht höher ist als die Supraleitungs-Sprungtemperatur. Als Kühleinrichtung wird hauptsächlich eine kleine Kühleinrichtung verwendet. Eine Impuls-Rohrleitungs-Kühleinrichtung, eine GM-Cyclus-Kühleinrichtung, eine Solvay-Cyclus-Kühleinrichtung, eine Stirling-Cyclus-Kühleinrichtung und eine Peltier-Kühleinrichtung werden allein oder in Form einer Kombination von zwei oder mehr derselben verwendet. In der Darstellung wird der Supraleiter-Block abgekühlt ohne komplizierte Verwendung eines Kühlmittels (flüssiges Helium und flüssiger Stickstoff). Danach wird der Supraleiter-Block mit dem Impuls-Magnetfeld magnetisiert und er fungiert als supraleitender Permanentmagnet. Alternativ wird die Magnetisierung durchgeführt durch Abkühlen des Blockes auf eine Temperatur, die nicht höher ist als die Supraleitungs-Sprungtemperatur, während das statische Magnetfeld an den Block angelegt wird. Der magnetisierte Supraleiter-Block erzeugt ein Magnetfeld in dem Vakuum-Behälter, das zu messende Material wird in das Magnetfeld gebracht und das Magnetfeld wird an das zu messende Material angelegt. Die Spule wird um das zu messende Material herum und in der Nähe desselben angeordnet und das NMR-Signal wird mittels eines Oszillations-Detektors erfasst bzw. nachgewiesen.
In der 3 ist der hohle zylindrische Hochtemperatur-Supraleiter 20 in dem Vakuumisolierbehälter 22 angeordnet, er wird mit einem Kühlabschnitt 23 (dem kalten Kopf) der Kühleinrichtung in Kontakt gebracht und fixiert. Eine Vakuumpumpe 24 reduziert den Druck des Vakuumisolierbehälters 22 und überführt den Behälter in einen isolierenden Zustand. Eine Kühleinrichtung 25 und ein Kompressor 26 werden in Betrieb gesetzt, um die Temperatur des Hochtemperatur-Supraleiters 20 herabzusetzen und den Supraleiter in einen supraleitenden Zustand zu überführen.
In der Kernresonanz-Vorrichtung kann das Magnetfeld des Hochtemperatur-Supraleiters 20 durch das statische Magnetfeld magnetisiert werden. Das heißt, die supraleitende Masse (Block) 20 in dem Vakuumisolierbehälter 22 wird abgekühlt. Während des Abkühlens oder danach wird ein starkes statisches Magnetfeld erzeugt mittels einer konventionellen supraleitenden Spule 28 auf Metallbasis und der Blockmagnet 20 wird in dem Magnetfeld angeordnet. Während das Magnetfeld während des Abkühlens an den Block angelegt wird, lässt man den Block (Bulk) das Magnetfeld einfangen (aufnehmen). Nachdem der Block auf eine vorgegebene Temperatur vollständig abgekühlt worden ist und das Magnetfeld eingefangen (aufgenommen) worden ist, wird die supraleitende Spule 28 auf Metallbasis entmagnetisiert und entfernt. Da ein Temperaturanstieg des Hochtemperatur-Supraleiters 20 während der Magnetisierung durch die Magnetisierung (Feldkühlung) mittels des statischen Magnetfeldes vermieden werden kann, kann der Hochtemperatur-Supraleiter 20 ein sehr starkes statisches Magnetfeld einfangen (aufnehmen).
Das Magnetfeld des Hochtemperatur-Supraleiters 20 kann auch mittels eines Impuls-Magnetfeldes magnetisiert werden. Bei diesem Verfahren (dem Impuls-Magnetisierungs-Verfahren) kann der Blockmagnet magnetisiert werden durch momentane Erzeugung eines starken Magnetfeldes in der Spule 28. Das Verfahren ist in bezug auf die Stabilität des Magnetfeldes dem Magnetisierungs- Verfahren mit dem statischen Magnetfeld überlegen, weil die Magnetisierung mit einer einfachen und leichten Vorrichtung leicht durchgeführt werden kann und der magnetisierte Magnet bei einer niedrigeren Temperatur gehalten werden kann.
Die 5 zeigt eine partielle vergrößerte Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kernresonanz-Vorrichtung. In der 5 sind zwei Hochtemperatur-Supraleiter 20 koaxial angeordnet mit einem Zwischenraum in der axialen Richtung. Ein Leiterelement 17, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, nimmt zwei Hochtemperatur-Supraleiter 20 auf, steht mit dem Kühlabschnitt 23 in Kontakt und stellt zwei Hochtemperatur-Supraleiter 20 auf die gleiche Temperatur ein.
Bei diesem Aufbau ist das statische Magnetfeld aufgrund einer Vielzahl von Hochtemperatur-Supraleitern 20 mehrschichtig, so daß in einem breiteren Bereich ein stärkeres statisches Magnetfeld erzeugt werden kann. Der Verteilungzustand des statischen Magnetfeldes, das durch Aufeinanderlegen der Vielzahl von Hochtemperatur-Supraleitern erzeugt worden ist, kann durch die Magnetisierungsstärke oder den Zwischenraum der Supraleiter eingestellt werden. Deshalb ist die Vielzahl der Hochtemperatur-Supraleiter koaxial angeordnet im Kontakt untereinander oder mit einem beliebigen Zwischenraum dazwischen in der axialen Richtung.
Die 6 zeigt eine partielle vergrößerte Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kernresonanz-Vorrichtung. In der 6 sind vier Hochtemperatur-Supraleiter 20 koaxial im Kontakt miteinander oder mit einem Zwischenraum zwischen ihnen in der axialen Richtung angeordnet. Das Leiterelement 17, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, nimmt vier Hochtemperatur-Supraleiter 20 auf, steht mit dem Kühlabschnitt 23 in Kontakt und stellt die vier Hochtemperatur-Supraleiter 20 auf die gleiche Temperatur ein. Bei diesem Aufbau ist das statische Magnetfeld aufgrund der Vielzahl der (in diesem Beispiel 4) Hochtemperatur-Supraleiter 20 mehrschichtig, so daß ein stärkeres statisches Magnetfeld in einem breiteren Bereich erzeugt werden kann. Die Detektorspule 12 ist innerhalb oder außerhalb des Vakuumisolierbehälters, je nach Bedarf, angeordnet.
Wenn die Detektorspule 12 im Innern des Vakuumisolierbehälters 22 angeordnet und auf die gleiche tiefe Temperatur abgekühlt ist, so daß der Hochtemperatur-Supraleiter 20 gegenüber dem Vakuumisolierbehälter thermisch abgeschlossen ist, kann das thermische Rauschen vermindert werden durch Halten der Detektorspule 12 bei der tiefen Temperatur. Die elektrische Leitfähigkeit ist dadurch verbessert und die Empfindlichkeit ist erhöht.
Im Übrigen können die Ausführungsformen gemäß 5 und 6 auch die im Zusammenhang mit 3 und 4 beschriebenen Merkmale aufweisen und entsprechend betrieben werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau kann dann, wenn ein Loch im Zentrum des Blockmagneten 20 vorgesehen ist, der zu einer zylindrischen Gestalt in axialer Richtung calciniert worden ist, eine gleichmäßige Magnetfeld-Verteilung innerhalb des Loches erzielt werden.
Das heißt, wenn das Loch im Zentrum des in axialer Richtung zu einer zylindrischen Form calcinierten Blockmagneten vorgesehen ist, kann ein becherförmiger Hochtemperatur-Supraleiter 20 mit einer hohlen zylindrischen Gestalt oder mit einem hohlen zylindrischen Abschnitt hergestellt werden. Wenn der Supraleiter-Strom erzeugt wird, der sich auf dem Wellenzentrum des Hochtemperatur-Supraleiters zentriert, um den Supraleiter zu magnetisieren, kann der Hochtemperatur-Supraleiter in ähnlicher Weise fungieren wie die konventionelle supraleitende Spule und es kann eine im wesentlichen einheitliche Magnetfeld-Verteilung erzielt werden ähnlich wie in dem Spulen-umwickelten Zustand.
Daher kann ein starkes statisches Magnetfeld, das mit demjenigen eines konventionellen supraleitenden Magneten vergleichbar ist, ohne Verwendung eines Kühlmittels (flüssiges Helium), das für den Betrieb des konventionellen supraleitenden Magneten wesentlich ist, erzeugt werden und die Stärkeverteilung des statischen Magnetfeldes kann homogen sein.
Obgleich vorstehend einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, ist es klar, dass der Bereich der Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Der Bereich der Erfindung umfasst vielmehr alle Verbesserungen, Modifikationen und Äquivalente, die innerhalb des Bereiches der nachfolgenden Patentansprüche liegen.

Claims

Kernresonanz-Vorrichtung, umfassend: einen Hochtemperatur-Supraleiter (20), der die Gestalt eines hohlen Zylinders oder eines Bechers, der einen hohlen zylindrischen Abschnitt aufweist, hat, der in einem Vakuumisolierbehälter (22) auf eine Temperatur abgekühlt worden ist, die nicht höher ist als die Supraleitungs-Sprungtemperatur und eine Detektorspule (12) zur Erfassung oder zum Nachweis eines NMR-Signals eines zu messenden Materials (11), das in den hohlen zylindrischen Abschnitt (20a) des Hochtemperatur-Supraleiters eingeführt worden ist, wobei der Hochtemperatur-Supraleiter in axialer Richtung magnetisiert wird, wodurch ein statisches Magnetfeld in den hohlen zylindrischen Abschnitt in axialer Richtung des Zylinders erzeugt wird und das NMR-Signal des zu messenden Materials, das in dem Magnetfeld angeordnet ist, durch die Detektorspule und ein Spektrometer erfasst oder nachgewiesen wird, wobei eine Vielzahl von Hochtemperatur-Supraleitern (20) koaxial einander gegenüberliegend und im Kontakt miteinander oder mit einem Zwischenraum dazwischen in einer axialen Richtung angeordnet sind, und wobei die genannte Detektorspule (12) im Innern des Vakuumisolierbehälters (22) angeordnet ist.
Kernresonanz-Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der genannte Hochtemperatur-Supraleiter (20) ein Oxid-Supraleiter ist, dessen Hauptkomponente dargestellt wird durch RE-Ba-Cu-O und der enthält 0 bis 50% mindestens eines Vertreters aus der Gruppe Silber, Platin und Cer, wobei RE synthetisiert wird von mindestens einem Vertreter aus der Gruppe Yttrium (Elementsymbol: Y), Samarium (Sm), Lanthan (La), Neodym (Nd), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Erbium (Er), Ytterbium (Yb), Dysprosium (Dy) und Holmium (Ho).
Kernresonanz-Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der genannte Hochtemperatur-Supraleiter (20) eine Struktur umfasst, in der eine supraleitende Phase, die eine Supraleitungs-Sprungtemperatur von 90 K bis 96 K hat, ausgedrückt durch die absolute Temperatur, und eine allotrope isolierende Phase, die im Innern der supraleitenden Phase angeordnet ist, mit einer Teilchengröße von 50 μm oder weniger, vorzugsweise von 10 μm oder weniger, dispergiert sind.
Kernresonanz-Vorrichtung nach Anspruch 2, worin das Magnetfeld des Hochtemperatur-Supraleiters durch das statische Magnetfeld magnetisiert wird.
Kernresonanz-Vorrichtung nach Anspruch 2, worin das Magnetfeld des Hochtemperatur-Supraleiters durch ein Impuls-Magnetfeld magnetisiert wird.
Kernresonanz-Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der Hochtemperatur-Supraleiter in einem Kühlmittel, mit dem Kühlabschnitt einer Kühleinrichtung oder mit dem Kühlmittel, das durch die Kühleinrichtung abgekühlt worden ist, auf eine Temperatur abgekühlt wird, die nicht höher ist als die Supraleitungs-Sprungtemperatur.
Kernresonanz-Vorrichtung nach Anspruch 6, in der als Kühleinrichtung eine Impuls-Rohrleitungs-Kühleinrichtung, eine GM-Cyclus-Kühleinrichtung, eine Solvay-Cyclus-Kühleinrichtung, eine Stirling-Cyclus-Kühleinrichtung und eine Peltier-Kühleinrichtung allein oder in Form einer Kombination von zwei oder mehr derselben verwendet wird (werden).