DE10156234C1

DE10156234C1 - Supraleitfähiges NMR-Magnetspulensystem mit Driftkompensation und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE10156234C1
Application number: DE2001156234
Authority: DE
Inventors: Klaus Schlenga; Wolfgang Frantz; Gerhard Roth; Pierre-Alain Bovier; Andreas Amann; Robert Schauwecker
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-11-16

Abstract

Ein supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR-Magnetspulensystem mit Induktivität L¶0¶ zur Erzeugung eines homongenen Magnetfelds B¶0¶, das von einem supraleitfähigen Schalter (SO) kurzgeschlossen wird, welcher im Dauerbetrieb vom Betriebsstrom I¶0¶ durchflossen wird, wobei weitere supraleitende Schalter (S1, S2, ..., Sn-1) zwischen je zwei Punkten (P1, Q,1), (P2, Q2), ..., (Pn-1, Qn-1) der Wicklung des Magnetspulensystem vorgesehen sind, die im Betrieb einen oder mehrere disjunkte Teilbereiche (1, 2, ..., n-1) mit den Induktivitäten L¶1¶, L¶2¶, ..., L¶n-1¶, welche Magnetfeldbeiträge B¶1¶, B¶2¶, ..., B¶n-1¶ zum homogenen Magnetfeld B¶0¶ erzeugen, separat supraleitend kurzschließen, ist dadurch gekennzeichnet, dass gilt: DOLLAR F1 wobei B¶n¶ der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B¶0¶ des um die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, ..., n-1) reduzierten Restbereichs (n) des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität L¶n¶ aufweist und (L·-1·)¶jn¶ den Eintrag der j-ten Zeile und n-ten Spalte der Inversen der gesamten Induktivitätsmatrix des Magnetspulensystems bezeichnet, und wobei L¶0¶ die gesamte Magnetinduktivität (Summe aller Einträge der Induktivitätsmatrix) ist. Damit kann ohne großen technischen Aufwand ohne Verwendung einer separaten Driftkompensationsspule und auch bei bereits vorhandenen Spulensystemen eine durch einen Restwiderstand in einer Wicklung der supraleitfähigen Leiterstrukturen des Spulensystems hervorgerufene ...

Description

Die Erfindung betrifft ein supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR (= Kernspinresonanz)-Magnetspulensystem mit Induktivität L₀ zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds B₀ in einem Mess volumen, wobei das Magnetspulensystem von mindestens einem supraleitfähigen Schalter kurzgeschlossen wird, welcher im Dauer betrieb (= persistent mode) vom Betriebsstrom I₀ durchflossen wird, und wobei ein oder mehrere weitere supraleitende Schalter zwischen je zwei Punkten der Wicklung des Magnetspulensystems vorgesehen sind, die im Betrieb einen oder mehrere disjunkte Teilbereiche des Magnetspulensystems mit den Induktivitäten L₁, L₂, . . ., L_n-1, welche im Messvolumen Magnetfeldbeiträge B₁, B₂, . . ., B_n-1 zum homogenen Magnetfeld B₀ erzeugen, separat supraleitend kurzschließen.

Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der DE 199 30 412 C1 bekannt.

Das Einsatzgebiet von supraleitenden Magneten umfasst verschiedene Anwendungsfelder. Dazu gehören insbesondere Magnetresonanz verfahren, wobei zwischen bildgebenden Verfahren (Magnetic Resonance Imaging = MRI) und spektroskopischen Verfahren unter schieden wird. Um in solchen Verfahren eine gute örtliche bzw. spektrale Auflösung zu erreichen, muss das Magnetfeld im Mess volumen eine gute Homogenität aufweisen, die in der Regel kleiner als 1 ppm sein sollte.

Andererseits werden für diese Untersuchungen immer höhere Magnet feldstärken benötigt. Viele Magnetresonanzapparaturen sind daher mit supraleitfähigen Magnetspulensystemen ausgestattet, die im supra leitend kurzgeschlossen Dauerbetrieb über sehr lange Zeiträume ohne die Notwendigkeit eines den Messbetrieb unterbrechenden (und wegen eventuell erforderlicher Nachjustagen oft erheblich störenden) Nach ladevorgangs arbeiten können.

Allerdings sind selbst Supraleiter unterhalb der Sprungtemperatur in der Realität nicht völlig frei von elektrischem Restwiderstand. Dieser kann, bedingt durch nicht vorhersehbare und in der Regel auch nicht nach vollziehbare, oftmals fertigungsbedingt auftretende Unterschiede in den verschiedenen Wicklungen eines NMR-Magnetspulensystems um Größenordnungen differieren.

Derartige Restwiderstände in den Wicklungen des Magnetspulen systems bewirken eine Stromänderung des Betriebsstroms I₀, die zu einer Änderung der Stärke des homogenen Magnetfelds B₀ und somit zu einer Drift der in der NMR-Anordnung eingestellten Resonanz frequenz führt. Typischerweise können derartige Driften in der Größen ordnung 100 Hz/h bei Magnetspulensystemen mit einer Resonanz frequenz über 300 MHz liegen.

Ein Ansatz zur Lösung oder zumindest zur Linderung des Driftproblems bei den NMR-Spektrometern liegt darin, eine separate Driftkompensati onsspule vorzusehen. Derartige NMR-Spektrometer besitzen als Teil einer supraleitfähigen Shimeinrichtung eine sogenannte z₀-Spule, die zusätzlich zu ihrer eigentlichen Shim-Funktion auch zur Kompensation der oben beschriebenen Magnetfelddriften sowie zur genaueren Ein stellung der Resonanzfrequenz der NMR-Anordnung eingesetzt werden kann. Eine solche z₀-Spule kann aber naturgemäß nur sehr kleine Driften kompensieren, so dass bei supraleitenden Magnetsystemen, die eine Spulenwicklung mit etwas größerem Restwiderstand aufweisen, das oben beschilderte Driftproblem nicht oder nicht ausreichend beho ben werden kann.

In der eingangs zitierten DE 199 30 412 C1 ist ein NMR-Magnetspulen system beschrieben, welches über eine Einrichtung zur Kompensation externer Magnetfeldstörungen verfügt. Da jedoch die Magnetfelddrift aufgrund eines Restwiderstands in den supraleitenden Spulenwick lungen vom Magnetsystem selbst herrührt, kann mit dieser bekannten Anordnung eine solche Drift nicht kompensiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein NMR-Magnetspulen system mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend weiter zubilden, dass ohne großen technischen Aufwand, ohne Verwendung einer separaten Driftkompensationsspule und möglichst auch bei bereits vorhandenen Spulensystemen eine durch einen Restwiderstand in einer Wicklung der supraleitfähigen Leiterstrukturen des Spulen systems hervorgerufene Magnetfeld-Drift zumindest in einem erheb lichen Umfang kompensiert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überraschend ein fache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, dass gilt:

wobei B_n der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B₀ des um die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche reduzierten Restbereichs des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität L_n auf weist und (L^-1)_jn den Eintrag der j-ten Zeile und n-ten Spalte der Inversen der gesamten Induktivitätsmatrix des Magnetspulensystems bezeichnet, und wobei L₀ die gesamte Magnetinduktivität (Summe aller Einträge der Induktivitätsmatrix) ist.

Damit gelingt es mit technisch leicht zu realisierenden Mitteln, Magnetfelddriften aufgrund von erratisch auftretenden Restwider ständen in Bereichen der supraleitfähigen Leiterstrukturen eines gattungsgemäßen NMR-Magnetspulensystems ohne die Verwendung einer zusätzlichen Driftkompensationsspule sehr effektiv zu kompensie ren. Die Erfindung kann auch an bereits bestehenden supraleitfähigen NMR-Magnetspulensystemen verwirklicht werden, da kein zusätzlicher Platzbedarf erforderlich wird.

Der "Trick" der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass durch separates supraleitendes Kurzschließen geeigneter Teilbereiche des Magnetspulensystems gegenüber dem insgesamt supraleitend kurz geschlossenen Restbereich die Stromdrift und damit auch die Magnet felddrift im Wesentlichen ausgeglichen werden kann. Um zu verwert baren Ergebnissen zu gelangen, muss die oben beschriebene Bedingung für die Größe α eingehalten werden, weil α dem Verhältnis der Magnetfelddrift mit kurzgeschlossenen Teilbereichen zur Magnet felddrift ohne kurzgeschlossene Teilbereiche entspricht.

Die Erfindung lässt sich durch Einbau eines oder mehrerer zusätzlicher oder bereits in der Apparatur vorhandener supraleitender Schalter rela tiv einfach realisieren. Beim Laden des NMR-Magnetsystems werden die Zusatzschalter ebenfalls beheizt. Sobald das System in den Betriebsmodus übergeht, werden die Schalter kurzgeschlossen und bewirken so die Kompensation der Drift.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung, bei der genau ein weiterer supraleitender Schalter zwischen zwei Punkten P1 und Q1 der Wicklung des Magnetspulen systems vorgesehen ist, der im Betrieb einen Teilbereich des Magnet spulensystems mit der Induktivität L₁, welcher im Messvolumen einen Magnetfeldbeitrag B₁ zum homogenen Magnetfeld B₀ erzeugt, separat supraleitend kurzschließt, und dass gilt:

wobei B₂ der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B₀ des um den separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereich reduzierten Restbereichs des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität L₂ und die Gegeninduktivität L₁₂ bezogen auf den separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereich aufweist.

In dieser einfachen Anordnung ist lediglich ein Zusatzschalter zum Kurzschließen eines Teilbereichs gegenüber dem Restbereich des Magnetspulensystems vorgesehen. In der Regel werden NMR-Hoch feldmagnetsysteme aus koaxial ineinander verschachtelten Wicklungs sektionen aufgebaut. Tritt bei einer dieser Sektionen ein erhöhter Rest widerstand auf, so kann durch separates supraleitendes Kurzschließen einer oder mehrerer geeigneter Sektionen (zusätzlich zum supraleiten den Kurzschluss der Gesamtanordnung im Dauerbetrieb) auf einfache Weise die Magnetfelddrift in einem erheblichen Maß kompensiert werden, so dass ein aufwendiges und in der Regel sehr teures Austau schen der fehlerbehafteten Spulensektion gegen eine andere (die sich hinterher ebenfalls als fehlerbehaftet herausstellen könnte) vermieden wird.

Wie oben erwähnt, sollte zur Erzielung eines nennenswerten Kompen sationseffektes der Wert der Größe α kleiner oder gleich 0.8 gewählt werden. Noch besser sollten die Parameter so eingestellt werden, dass gilt α ≦ 0.5, vorzugsweise α ≦ 0.2, besonders bevorzugt α ≦ 0.05. Dies entspricht einer Reduktion der Magnetfelddrift auf 50%, bzw. 20%, bzw. 5% des Wertes ohne supraleitend kurzgeschlossene Teilbereiche.

Besonders bevorzugt ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche und der Restbereich des Magnetspulensystems so aufgebaut sind, dass der Restbereich einen weitgehend homogenen Magnetfeldbeitrag B_n zum homogenen Magnetfeld B₀ im Messvolumen erzeugt.

Bei einer einfachen Weiterbildung der oben beschriebenen Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung ist vorgesehen, dass die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche und der Restbereich des Magnetspulensystems jeweils eine Homogenisie rungseinrichtung zur Homogenisierung des vom jeweiligen Teilbereich bzw. Restbereich im Messvolumen erzeugten Magnetfeldbeitrags B_j aufweisen, und dass die Homogenisierungseinrichtungen der verschie denen Bereiche räumlich voneinander getrennt angeordnet sind. Insbe sondere können derartige Homogenisierungseinrichtungen aus zusätz lichen Homogenisierungswicklungen zu den supraleitfähigen Leiter strukturen des NMR-Magnetspulensystems bestehen.

Besonders günstig ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der die Homogenisierungseinrichtungen auch räumlich getrennt von den felderzeugenden Wicklungen des jeweils zugehörigen Teilbereichs bzw. des Restbereichs des Magnetspulensystems angeordnet sind. Damit ergeben sich vor allem bei der Nachrüstung eines bereits vor handenen NMR-Magnetspulensystems mit der Erfindung erhebliche topologische Vorteile.

Besonders bevorzugt ist auch eine Weiterbildung der oben beschriebe nen Ausführungsformen der Erfindung, bei der der Gradient zweiter Ordnung im Magnetfeldbeitrag B_j des jeweiligen Bereichs im Messvolumen weitgehend verschwindet.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungs gemäßen Magnetanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass Shimspulen vorgesehen sind, und dass sämtliche Teilbereiche und der Restbereich des Magnetspulensystems, welche Magnetfeldbeiträge B_j zum homogenen Magnetfeld B₀ im Messvolumen liefern, von den Shimspulen, insbesondere von z²-Shimspulen entkoppelt sind. Dadurch ergibt sich keine Verstellung der Shimwerte bei einer eventu ellen Spulendrift.

Alternativ kann bei anderen Ausführungsformen der erfindungsgemä ßen Magnetanordnung mindestens ein zusätzlicher, im Betrieb supra leitend kurzgeschlossener Strompfad vorgesehen sein, der mit den Teilbereichen bzw. dem Restbereich des Magnetspulensystems induk tiv gekoppelt ist. Dieser zusätzliche Strompfad kann auch als Shim ausgelegt werden und dient zur Beibehaltung der Homogenität der Gesamtanordnung, wobei keine in Serie mit den Teilbereichen des Magnetspulensystems geschaltete Homogenisierungswicklungen ein gesetzt werden.

Diese Ausführungsform der Erfindung kann bei einer Weiterbildung dadurch verbessert werden, dass der (die) zusätzliche(n) Strompfad(e) so ausgelegt ist (sind), dass er (sie) im Betrieb aufgrund der induktiven Aufladung ein Shim-Feld im Messvolumen erzeugt (erzeugen), welches sich während des Betriebs aufbauende Inhomogenitäten des von den Teilbereichen und vom Restbereich des Magnetspulensystems im Messvolumen erzeugten Magnetfelds laufend kompensiert.

Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der erfindungs gemäßen Magnetanordnung, bei der das Magnetspulensystem sektio niert aufgebaut ist, und zumindest einer der separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche mit jeweils einer bzw. mehreren der Sektionen zusammenfällt. Ein Spulensystem mit einer derartig sektio nierten Aufbauweise ist besonders einfach zu handhaben. Insbeson dere können die Teilbereiche über bereits vorhandene Joints entspre chend der erfindungsgemäßen Lehre separat supraleitend kurz geschlossen werden.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform sind zusätzlich zu den äußeren elektrischen Anschlussleitungen der einzelnen Sektionen noch weitere elektrische Anschlussleitungen mit Abgriffpunkten an aus gewählten Punkten innerhalb der Sektionen des Magnetspulensystems vorgesehen. Damit lassen sich noch feiner abgestimmte Kompensa tionseffekte erzielen.

Eine weitere Verbesserung kann darin bestehen, dass die Abgriffpunkte für die weiteren elektrischen Anschlussleitungen quasi-kontinulierlich wicklungslagenweise an den Sektionen des Magnetspulensystems angeordnet sind. Hierdurch wird die Möglichkeit einer optimal feinen Driftkompensation eröffnet.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzlich zum Magnetspulensystem ferromagnetische Elemente vorgesehen sind, die einen zusätzlichen Magnetfeldbeitrag ΔB₀ zum Magnetfeld B₀ im Messvolumen liefern, wobei das gesamte Magnetfeld B = B₀ + ΔB₀ im Messvolumen homogen ist. Damit ergeben sich einerseits auf technisch leicht zu realisierende Weise zusätzliche Shim-Möglichkeiten, anderer seits tragen die ferromagnetischen Elemente zur Magnetfelderhöhung im Messvolumen bei.

Vorteilhaft schließlich ist auch eine Ausführungsform der erfindungs gemäßen Magnetanordnung, bei der mindestens einer der weiteren supraleitenden Schalter in Serie mit einem supraleitenden Strom begrenzer geschaltet ist. Dabei kann beispielsweise im Falle einer spontanen Öffnung des Hauptschalters während des Betriebs der supraleitend kurzgeschlossene Teilbereich nicht bis zum Eintreten eines Quench induktiv aufgeladen werden. Eine derartige Anordnung mit supraleitendem Kurzschluss und Strombegrenzer über einem Teil bereich des Magnetspulensystems, genauer gesagt über der Haupt spule eines aktiv abgeschirmten Magnetsystems, ist an sich bekannt aus der US-A 4,926,289. In der bekannten Anordnung dient der supra leitende Kurzschluss jedoch zur Störkompensation und die Anordnung erfüllt aus diesem Grund nicht die Bedingung für eine erfindungs gemäße Driftkompensation.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Betrieb eines supraleitfähige Leiterstrukturen umfassenden NMR (= Kernspinresonanz)-Magnetspulensystems, insbesondere der oben beschriebenen Art, mit Induktivität L₀ zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds B₀ in einem Messvolumen, wobei das Magnetspulen system von mindestens einem supraleitfähigen Schalter kurzgeschlos sen wird, welcher im Dauerbetrieb (= persistent mode) vom Betriebs strom I₀ durchflossen wird, und wobei ein oder mehrere weitere supra leitende Schalter zwischen je zwei Punkten der Wicklung des Magnet spulensystems vorgesehen sind, die im Betrieb einen oder mehrere disjunkte Teilbereiche des Magnetspulensystems mit den Induktivitäten L₁, L₂, . . ., L_n-1, welche im Messvolumen Magnetfeldbeiträge B₁, B₂, . . ., B_n-1 zum homogenen Magnetfeld B₀ erzeugen, separat supraleitend kurzschließen.

Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die Teilbereiche zu Beginn des Dauerbetriebs des Magnetspulensystems separat supraleitend kurzgeschlossen werden, und dass gilt:

wobei B_n der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B₀ des um die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) reduzierten Restbereichs (n) des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität L_n aufweist und (L^-1)_jn den Eintrag der j-ten Zeile und n-ten Spalte der Inversen der gesamten Induktivitätsmatrix des Magnetspulensystems bezeichnet, und wobei L₀ die gesamte Magnet induktivität (Summe aller Einträge der Induktivitätsmatrix) ist. Damit lässt sich die oben gestellte Erfindungsaufgabe vollständig lösen.

Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Betriebsstrom I₀ bei geöffnetem supraleitfähigem Schalter S0 und geschlossenen weiteren supraleitenden Schaltern (S1, S2, . . ., Sn - 1) in festlegbaren Zeitintervallen nachgeladen. Die durch den Restwiderstand in einem Teilbereich des Magnetspulensystems im Lauf der Zeit dissipierte Energie wird dadurch ersetzt. Die in der Zwischenzeit aufgelaufenen Stromabweichungen in den Teilströmen durch die separat kurzgeschlossenen Teilbereiche können zurück geführt werden.

Vorteilhaft ist auch eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der während des Aufladens des supraleitenden Magnetspulensystems schon bei Erreichen eines Ladestromes I_x, der kleiner ist als der Nennwert des Betriebsstromes I₀, mindestens einer der weiteren supraleitenden Schalter der jeweils separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche geschlossen wird. Damit wird eine vorteilhafte negative Stromabweichung des kompensierenden Teil bereiches bewirkt. Die zeitliche Dauer, bis ein weiteres Nachladen wegen der sich aufbauenden Stromüberhöhung erforderlich wird, kann daher wesentlich erhöht werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Zeichnungen und der Beschrei bung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß einzeln für sich und zu meh reren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Darstellung eines NMR- Magnetspulensystems nach dem Stand der Technik;

Fig. 1b ein elektrisches Ersatzschaltbild des Magnetspulensystems gemäß Fig. 1a nach dem Stand der Technik;

Fig. 2a eine Ausführungsform der Erfindung mit kurzgeschlossener mittlerer Sektion des Magnetspulensystems;

Fig. 2b das elektrische Ersatzschaltbild zur Konfiguration nach Fig. 2a;

Fig. 3a eine Ausführungsform mit zwei separat kurzgeschlossenen Magnetspulensektionen;

Fig. 3b das elektrische Ersatzschaltbild zu Fig. 3a; und

Fig. 4 eine Ausführungsform der Erfindung mit kontinuierlichem Abgriff für den separat kurzschließbaren Teilbereich.

Drift ohne Zusatzschalter

Eine kurzgeschlossene Spule mit Induktivität L₀ und Restwiderstand R, entlädt sich aufgrund der Verluste im Widerstand R. Die Summe der Spannungen im geschlossenen Schaltkreis ist null. Die zeitliche Entwicklung des Magnetstroms I₀ ist gegeben durch die Differential gleichung

Die Magnetfeld-Drift ist definiert als die zeitliche Abnahme des Magnetfeldes im Messvolumen.

Wenn h₀ das Magnetfeld pro Ampere im Messvolumen bezeichnet, ist die Drift m₀ gegeben durch

wobei B₀ das Magnetfeld im Messvolumen ist.

Drift mit einem Zusatzschalter

Der allgemeinste Fall mit Zusatzschaltern ist in Fig. 3a schematisch dargestellt.

In diesem Abschnitt wird lediglich der Fall n = 2 behandelt. Da beide Spulenabschnitte supraleitend kurzgeschlossen sind, ist es irrelevant, ob der Zusatzschalter den Abschnitt 1 oder 2 überbrückt. Die Verallge meinerung auf den Fall beliebig vieler Zusatzschalter wird im nächsten Abschnitt behandelt.

Wie im vorigen Abschnitt wird die Zeitentwicklung der Ströme durch die folgende Differentialgleichung gegeben

wobei nun R die Diagonalmatrix mit den Widerständen der beiden Abschnitte bezeichnet. I ist der Stromvektor und L die Induktivitäts matrix. Die zeitliche Änderung des Stromes der verschiedenen Abschnitte ist also gegeben durch

Es soll angenommen werden, dass sich der gesamte Widerstand des Magneten im zweiten Abschnitt befindet. In Komponenten ausgeschrie ben lautet dann die obige Gleichung

Wird das Magnetfeld des j-ten Abschnittes bei vollem Strom I₀ mit B_j bezeichnet, beträgt die Magnetdrift mit Zusatzschaltern

Für die betrachteten Zeiträume und typische Parameter gilt I₂/I₁ ≈ 1.

Das Verhältnis der Drift mit Zusatzschalter zur Drift ohne Zusatzschalter errechnet sich also zu

falls sich der gesamte Widerstand im zweiten Abschnitt befindet, wobei L₀ die gesamte Magnetinduktivität bezeichnet.

Die dimensionslose Zahl α ist der sogenannte Driftfaktor. Die Zahl gibt an, um welchen Faktor sich die Drift nach dem Schließen des Zusatz schalters ändert.

Drift mit beliebig vielen Zusatzschaltern

In diesem Abschnitt wird die Berechnung der Drift auf den Fall beliebig vieler Zusatzschalter erweitert. Wie im vorigen Abschnitt wird die Zeit entwicklung durch die folgende Differentialgleichung gegeben

(R = Diagonalmatrix, L = Induktivitätsmatrix, I = Stromvektor).

Die zeitlichen Änderungen der Ströme in den verschiedenen Abschnit ten sind also gegeben durch

Für die Parameter typischer Magnetanordnungen und typische Zeit räume ist es zulässig, alle Komponenten des Stromvektors auf der rechten Seite der Gleichung durch I₀ zu ersetzen. Ferner soll ange nommen werden, dass sich der gesamte Widerstand des Magneten im n-ten Abschnitt befindet. Damit reduziert sich die Gleichung auf

Wird das Magnetfeld des j-ten Abschnittes bei vollem Strom I₀ wieder mit B_j bezeichnet, beträgt die Magnetdrift mit Zusatzschaltern

Das Verhältnis der Drift mit Zusatzschaltern zur Drift ohne Zusatz schalter errechnet sich also zu

wobei L₀ die gesamte Magnetinduktivität (Summe aller Einträge der Induktivitätsmatrix) bezeichnet.

In Fig. 1a ist in sehr schematischer Weise ein NMR-Magnetspulen system mit drei radial ineinander geschachtelten, elektrisch in Serie geschalteten, solenoidförmig gewickelten Sektionen 1, 2, 3 in einem Vertikalschnitt dargestellt. Im Betrieb des supraleitfähigen Magnet systems ist der innerste Abgriff der innersten Spulensektion 1 mit dem äußersten Abgriff der äußeren Spulensektion 3 über einen supraleiten den Schalter S0 supraleitend kurzgeschlossen.

Ein elektrisches Ersatzschaltbild zu der in Fig. 1a gezeigten Magnet spulenanordnung ist in Fig. 1b gezeigt. Die drei Spulensektionen sind hier jeweils durch eine Induktivität L1, L2, L3 repräsentiert.

Eine besonders einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig. 2a gezeigt. Gegenüber der in Fig. 1a dargestellten Anordnung nach dem Stand der Technik ist hier der radial mittlere Teil bereich 1 mittels eines weiteren supraleitenden Schalters S1 separat supraleitend kurzgeschlossen. Die radial innerste und die radial äußerste Spulensektion bilden zusammen den Restbereich n.

Das entsprechende Ersatzschaltbild zur erfindungsgemäßen Anord nung nach Fig. 2a ist in Fig. 2b dargestellt, wobei die Schalter der Übersichtlichkeit halber offen, also nicht in der Betriebssituation gezeichnet sind.

Fig. 3a zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der der radial innerste Teilbereich über einen supra leitenden Schalter S1 und der radial mittlere Teilbereich über einen supraleitenden Schalter S2 jeweils separat supraleitend kurzgeschlos sen sind. Der radial äußerste Teilbereich (n) ist nicht für sich supra leitend kurzgeschlossen; jedoch ist im Betrieb des Magnetspulen systems der supraleitfähige Schalter S0 ebenfalls geschlossen, welcher die radial innerste mit der radial äußersten Sektion der Anordnung ver bindet.

Das der Anordnung nach Fig. 3a entsprechende Ersatzschaltbild ist in Fig. 3b dargestellt, wobei die supraleitenden Schalter S0, S1, S2 wiederum der Anschaulichkeit halber geöffnet gezeichnet sind. R3 bezeichnet den Restwiderstand im radial äußeren Teilbereich.

Fig. 4 schließlich stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der ein radial mittlerer Teilbereich 1 über einen weiteren supraleitenden Schalter S1 supraleitend kurzgeschlossen wird, wobei der Abgriff für diesen weiteren supraleitenden Schalter S1 quasi kontinuierlich wicklungslagenweise am Spulensystem angeordnet ist. Der vom weite ren supraleitenden Schalter S1 nicht kurzgeschlossene Teilbereich des Magnetspulensystems stellt den Restbereich (n) dar. Das gesamte Magnetspulensystem ist wiederum im Betrieb über den supraleitfähigen Schalter S0 insgesamt supraleitend kurzgeschlossen.

Ein elektrisches Ersatzschaltbild für die in Fig. 4 gezeigte Anordnung wäre das in Fig. 2b dargestellte, wobei der separat supraleitend kurz geschlossene Teilbereich 1 die Induktivität L1 aufweist und der Rest bereich (n) die Induktivität Ln.

Claims

1. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR (= Kernspin resonanz)-Magnetspulensystem, mit Induktivität L₀ zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds B₀ in einem Messvolumen, wobei das Magnetspulensystem von mindestens einem supraleitfähigen Schalter (S0) kurzgeschlossen wird, welcher im Dauerbetrieb (= persistent mode) vom Betriebsstrom I₀ durchflossen wird, und wobei ein oder mehrere weitere supraleitende Schalter (S1, S2, . . ., Sn - 1) zwischen je zwei Punkten (P1, Q1), (P2, Q2), . . ., (Pn - 1, Qn - 1) der Wicklung des Magnetspulensystem vorgesehen sind, die im Betrieb einen oder mehrere disjunkte Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) des Magnetspulen systems mit den Induktivitäten L₁, L₂, . . ., L_n-1, welche im Messvolumen Magnetfeldbeiträge B₁, B₂, . . ., B_n-1 zum homogenen Magnetfeld B₀ erzeugen, separat supraleitend kurzschließen, dadurch gekennzeichnet, dass gilt:
wobei B_n der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B₀ des um die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) reduzierten Restbereichs (n) des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität L_n aufweist und (L^-1)_jn den Eintrag der j-ten Zeile und n-ten Spalte der Inversen der gesamten Induktivitätsmatrix des Magnetspulensystems bezeichnet, und wobei L₀ die gesamte Magnetinduktivität, d. h. die Summe aller Einträge der Induktivitätsmatrix ist.

2. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein weiterer supraleitender Schalter (S1) zwischen zwei Punkten P1 und Q1 der Wicklung des Magnetspulensystems vorgesehen ist, der im Betrieb einen Teilbereich (1) des Magnet spulensystems mit der Induktivität L₁, welcher im Messvolumen einen Magnetfeldbeitrag B₁ zum homogenen Magnetfeld B₀ erzeugt, separat supraleitend kurzschließt, und dass gilt:
wobei B₂ der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B₀ des um den separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereich (1) reduzierten Restbereichs (2) des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität L₂ und die Gegeninduktivität L₁₂ bezogen auf den separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereich (1) aufweist.

3. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gilt α ≦ 0.5, vorzugsweise α ≦ 0.2, besonders bevorzugt α ≦ 0.05.

4. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) und der Restbereich (n) des Magnetspulensystems so aufgebaut sind, dass der Restbereich (n) einen weitgehend homogenen Magnetfeldbeitrag B_n zum homogenen Magnetfeld B₀ im Messvolumen erzeugt.

5. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) und der Restbereich (n) des Magnetspulensystems jeweils eine Homogenisierungseinrichtung zur Homogenisierung des vom jeweiligen Teilbereich bzw. Restbereich im Messvolumen erzeugten Magnetfeldbeitrags B_j aufweisen, und dass die Homogenisierungseinrichtungen der verschiedenen Bereiche räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.

6. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierungseinrichtungen auch räumlich getrennt von den felderzeugenden Wicklungen des jeweils zugehörigen Teilbereichs (1, 2, . . ., n - 1) bzw. des Restbereichs (n) des Magnetspulensystems angeordnet sind.

7. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient zweiter Ordnung im Magnetfeldbeitrag B_j des jeweiligen Bereichs im Messvolumen weitgehend verschwindet.

8. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Shimspulen vorgesehen sind, und dass sämtliche Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) und der Restbereich (n) des Magnetspulensystems, welche Magnetfeldbeiträge B_j zum homogenen Magnetfeld B₀ im Messvolumen liefern, von den Shimspulen, insbesondere von z²-Shimspulen entkoppelt sind.

9. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzlicher, im Betrieb supraleitend kurzgeschlossener Strompfad vorgesehen ist, der mit den Teilbereichen (1, 2, . . ., n - 1) bzw. dem Restbereich (n) des Magnetspulensystems induktiv gekoppelt ist.

10. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der (die) zusätzliche(n) Strompfad(e) so ausgelegt ist (sind), dass er (sie) im Betrieb aufgrund der induktiven Aufladung ein Shim- Feld im Messvolumen erzeugt (erzeugen), welches Inhomogenitäten des von den Teilbereichen (1, 2, . . ., n - 1) und vom Restbereich (n) des Magnetspulensystems im Messvolumen erzeugten Magnetfelds kompensiert.

11. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspulensystem sektioniert aufgebaut ist, und dass zumindest einer der separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) mit jeweils einer bzw. mehreren der Sektionen zusammenfällt.

12. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den äußeren elektrischen Anschlussleitungen der einzelnen Sektionen noch weitere elektrische Anschlussleitungen mit Abgriffpunkten an ausgewählten Punkten innerhalb der Sektionen des Magnetspulensystems vorgesehen sind.

13. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgriffpunkte für die weiteren elektrischen Anschlussleitungen quasi kontinuierlich wicklungslagenweise an den Sektionen des Magnetspulensystems angeordnet sind.

14. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Magnetspulensystem ferromagnetische Elemente vorgesehen sind, die einen zusätzlichen Magnetfeldbeitrag ΔB₀ zum Magnetfeld B₀ im Messvolumen liefern, wobei das gesamte Magnetfeld B = B₀ + ΔB₀ im Messvolumen homogen ist.

15. Supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes NMR- Magnetspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der weiteren supraleitenden Schalter (S1, S2, . . ., Sn - 1) in Serie mit einem supraleitenden Strombegrenzer (SB) geschaltet ist.

16. Verfahren zum Betrieb eines supraleitfähige Leiterstrukturen umfassenden MMR (= Kernspinresonanz)-Magnetspulensystems, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Induktivität L₀ zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds B₀ in einem Messvolumen, wobei das Magnetspulensystem von mindestens einem supraleitfähigen Schalter (S0) kurzgeschlossen wird, welcher im Dauerbetrieb (= persistent mode) vom Betriebsstrom I₀ durchflossen wird, und wobei ein oder mehrere weitere supraleitende Schalter (S1, S2, . . ., Sn - 1) zwischen je zwei Punkten (P1, Q1), (P2, Q2), . . ., (Pn - 1, Qn - 1) der Wicklung des Magnetspulensystems vorgesehen sind, die im Betrieb einen oder mehrere disjunkte Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) des Magnetspulensystems mit den Induktivitäten L₁, L₂, . . ., L_n-1, welche im Messvolumen Magnetfeld beiträge B₁, B₂, . . ., B_n-1 zum homogenen Magnetfeld B₀ erzeugen, separat supraleitend kurzschließen, dadurch gekennzeichnet,
dass zu Beginn des Dauerbetriebs des Magnetspulensystems die Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) separat supraleitend kurzgeschlossen werden,
und dass gilt:
wobei B_n der Magnetfeldbeitrag zum homogenen Magnetfeld B₀ des um die separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) reduzierten Restbereichs (n) des Magnetspulensystems ist, der die Induktivität L_n aufweist und (L^-1)_jn den Eintrag der j-ten Zeile und n-ten Spalte der Inversen der gesamten Induktivitätsmatrix des Magnetspulensystems bezeichnet, und wobei L₀ die gesamte Magnetinduktivität, d. h. die Summe aller Einträge der Induktivitätsmatrix ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsstrom I₀ bei geöffnetem supraleitfähigem Schalter S0 und geschlossenen weiteren supraleitenden Schaltern (S1, S2, . . ., Sn - 1) in festlegbaren Zeitintervallen nachgeladen wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufladens des supraleitenden Magnetspulensystems schon bei Erreichen eines Ladestromes I_x, der kleiner ist als der Nennwert des Betriebsstromes I₀, mindestens einer der weiteren supraleitenden Schalter (S1, S2, . . ., Sn - 1) der jeweils separat supraleitend kurzgeschlossenen Teilbereiche (1, 2, . . ., n - 1) geschlossen wird.