DE102006055559A1

DE102006055559A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur weiträumigen Homogenisierung von Magnetfeldern durch Ummantelung mit gleichsinnig magnetisiertem ferromagnetischem Material

Info

Publication number: DE102006055559A1
Application number: DE200610055559
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr. Heil; Stefan Dr. Hiebel; Ernst-Wilhelm Prof. Dr. Otten; Jörg Dr. Schmiedeskamp
Original assignee: Johannes Gutenberg Universitaet Mainz
Current assignee: Johannes Gutenberg Universitaet Mainz
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2026-11-25
Also published as: DE102006055559B4

Abstract

Verfahren zur weiträumigen Homogenisierung eines Magnetfeldes mittels Umhüllung des zu homogenisierenden Feldbereichs 15 mit einem zum Feldvektor parallelen und gleichsinnig magnetisierten, feldprägenden Zylindermantel 2 aus einem weichmagnetischen ferromagnetischen Material, wobei der feldprägende Mantel 2 derart ausgeprägt ist, dass darin weitgehend die gleiche magnetische Feldstärke (H) herrscht wie im umhüllten Innenraum 15 des Zylinders.

Description

1 Feld der Erfindung
Die Erfindung beinhaltet ein neues, generelles Verfahren, um Magnetfelder weiträumig zu homogenisieren, sowie daraus abgeleitete Vorrichtungen und Verwendungen.
2 Stand der Technik
Bei physikalischen Experimenten und daraus abgeleiteten technischen Anwendungen besteht häufig die Notwendigkeit, sie in ein homogenes Magnetfeld H einzubetten. Lehrbuchmäßig wird diese Aufgabe z. B. durch lang gestreckte Solenoide oder Magnete mit geringem Polschuhabstand gelöst, wobei das extreme Aspektverhältnis die störenden Randfelder weit nach außen verdrängt. In praktischen Lösungen erreicht man weit günstigere Aspektverhältnisse und Raumausnutzung durch Korrekturspulen bzw. Überhöhung der Polschuhränder („Shims"). In der Regel verfolgt die Optimierung (analytisch oder numerisch) das Prinzip, bei einer Taylorentwicklung des Magnetfeldes im Zentrum auch Gradienten höherer Ordnung zu unterdrücken. Im Hochfeldbereich sind u. a. Magnete für die Kernresonanz oder die Massenspektrometrie bekannte Beispiele.
Im Niederfeldbereich entsteht zusätzlich das Problem, störende Felder oder Feldgradienten aus äußeren Quellen, z. B. magnetisierten Eisenteilen, abzuschirmen. Insbesondere erreicht man einen feldfreien Bereich im Inneren geschlossener Behälter aus hochpermeablen ferromagnetischen Materialien geringer Koerzitivkraft H_C, z. B. μ-Metall, wobei hohe Ansprüche einen mehrschichtigen Aufbau verlangen. Ein gegen äußere Störfelder abgeschirmtes Magnetfeld im Inneren solcher Behälter lässt sich mit Hilfe von Stromspulen oder Permanentmagneten herstellen. Beispielsweise beschreiben die Dissertation

[1] D. Rohe, Dissertation, Universität Mainz, 1998 und die zugehörige Veröffentlichung
[2] D. Rohe et al., Physical Review Letters 83/21, 4257 (1999) einen solchen Behälter in Form eines Quaders, dessen Innenwände mit drei Stromspulen entlang der Hauptachsen ausgekleidet sind. Sie erzeugen im Inneren ein homogenes, in seiner Richtung frei wählbares Magnetfeld H von der Größenordnung 300 A/m, entlang dessen sich in dieser speziellen aber keineswegs ausschließlichen Anwendung Kernspins des Edelgasisotops ³He ausrichten, die zuvor durch optisches Pumpen polarisiert wurden. Innerhalb eines kritischen zentralen Volumens, das sich auf ca. 1/3 der Lineardimensionen des Behälters beschränkt, hält der Betrag des relativen Feldgradienten G_r folgende Grenze ein:

Bei der genannten Konstruktion wurde die restliche Inhomogenität im Wesentlichen durch größere Ein- und Austrittsöffnungen für einen Beschleunigerstrahl und dessen Sekundärstrahlen verursacht. Im Idealfall eines völlig geschlossenen Behälters unendlich großer Permeabilität μ ließe sich mit diesem Konstruktionsprinzip im gesamten Innenraum ein streng homogenes Magnetfeld erzeugen.
Bei der genannten aber keineswegs ausschließlichen Verwendung solcher geschirmter Magnetfelder ist eine Limitierung des relativen Feldgradienten aufgrund der gradientenbedingten longitudinalen Relaxationsrate Γ_1G bzw. Relaxationszeit T_1G = 1/Γ_1G von spinpolarisierten Gasen notwendig. Sie verursacht einen exponentiellen Zerfall der Spinpolarisation P gemäß der Formel P = P0exp(–Γ1Gt) (2)mit der Definition P = (N^↑ – N^↓)/(N^↑ + N^↓); N^↑(↓) bezeichnet die Zahl der zum Magnetfeld parallel (antiparallel) orientierten magnetischen Momente der Spins. Laut

[3] G. Cates. S. Schaefer und W. Happer, Phys. Rev. A37, 2877 (1988) wird Γ_1G durch die Formel beschrieben:

Darin ist D der Diffusionskoeffizient der ³He-Atome im Gas und G ~_r der Vektorgradient der transversalen Feldkomponenten
der Zentralwert des Feldes H →₀ ↑↑ z ^ ist hier in z-Richtung gewählt. Gl. (3) gilt unter den hier zutreffenden Bedingungen, dass die mittlere Diffusionszeit der Gasatome Τ ≈ R²/D zu den Wänden eines Behältnisses mit Radius R sehr viel größer als die reziproke Larmorfrequenz 1/ω_L ist, mit der die Spins um die Feldachse präzedieren. Für die hier im Wesentlichen betrachteten, axialsymmetrischen Felder mit einem Sattelpunkt im Zentrum gilt in guter Näherung |G ~_r| = G_r. Gl. (3) nimmt dann unter Berücksichtigung der Abhängigkeit des Selbstdiffusionskoeffizienten im Gas vom Druck p und der absoluten Temperatur T für den hier als Beispiel gewählten Fall des ³He die explizite Form an Γ1G = 1/T1G ≌ (6000/h)(p/bar)–1(T/273 K)3/2(Gr·cm)2. (4)
Bei Einhaltung der in Gl. (1) genannten Grenze G_r < 10^–3/cm und einem Druck von z. B. 3 bar übersteigt T_1G nach Gl. (4) bei Raumtemperatur einen Wert von T_1G > 450 h (s. Ansprüche 28 und 36).
Bei anderen Anwendungen homogener Magnetfelder kann beispielsweise anstelle des relativen Feldgradienten eine Beschränkung der absoluten Feldabweichung ΔH = H – H₀ vom Zentral wert H₀ oder dessen Relativwert ΔH/H₀ ausschlaggebend sein (s. Anspruch 29).
Während stromerregte, geschirmte Magnetfelder dieser Art in erster Linie für den stationären Betrieb geeignet erscheinen, ist es vorteilhaft, transportable Einheiten stattdessen mit Permanentmagneten zu bestücken, da sie das Handicap vermeiden, eine Batterie mitzuführen. Auch ist hier auf Platz und Gewicht sparende Realisierungen besonders zu achten. Solche magnetisierten Behälter sind z. B. zum Verschicken von spinpolarisiertem ³He an entfernte Anwender in Gebrauch. Z. B. berichtet die Veröffentlichung

[4] J. Wild et al., Physics in Medicine and Biology 47, N185 (2002) über die erfolgreiche kernspintomographische Diagnostik der Ventilation der menschlichen Lunge mittels kernspinpolarisiertem ³He als Kontrastmittel, das zuvor in Mainz mit der Methode des Optischen Pumpens auf einen Polarisationsgrad von ca. 50% hyperpolarisiert und dann per kommerzieller Luftfracht nach Sheffield transportiert wurde. Der Terminus „hyperpolarisiert" bezeichnet hierbei einen Polarisationsgrad weit oberhalb des im Magnetfeld eines Kernspintomographen durch Magnetisierung erreichten thermischen Gleichgewichtswerts, der im Bereich von nur 10^–5 liegt. Der verwendete Transportbehälter barg typischerweise drei Glaskolben à 1 I Volumen, abgefüllt mit 2,7 bar polarisiertem ³He. Die Kolben nahmen einschließlich Abfüllstutzen etc. ein empfindliches Transportvolumen von ca. 13 cm Höhe und 28 cm Durchmesser in Anspruch, innerhalb dessen die Homogenitätsgrenze (1) eingehalten wurde. Zwischen Produktion und Anwendung des spinpolarisierten ³He vergingen bis zu 24 h. Es leuchtet ein, dass während Transport und Speicherung deutlich längere Relaxationszeiten der Polarisation als diese 24 h erwünscht sind. Der heutige, gegenüber der o. g. Quelle [4] stark verbesserte Stand dieser Technik wird beschrieben in
[5] J. Schmiedeskamp, Dissertation, Universität Mainz, 2005. Nach Entmagnetisieren einiger in der Regel eingeschleppter, mikroskopischer, ferromagnetischer Partikel wird heute in solchen Glaskolben im Durchschnitt eine Relaxationsrate von 1/(130 h) erreicht. Dazu sollte die gradientenbedingte Relaxationsrate nach Gl. (4) nur einen kleineren Bruchteil beitragen. Die bei G_r < 10^–3/cm und 3 bar Fülldruck oben berechnete Grenze von Γ_1G < 1/(500 h) erscheint in diesem Sinne angemessen. Eine neuere zusammenfassende Darstellung der physikalisch-technischen Aspekte der hier angesprochenen Kernspintomographie mit den hyperpolarisierten Gasen ³He und ¹²⁹Xe findet sich beispielsweise in
[6] E. W. Otten, Europhysics News 35/1, 16 (2004). Der oben erwähnte Transportbehälter für spinpolarisiertes ³He basiert auf einem Prototyp, der beschrieben wurde in der Patentschrift
[7] E. Aidam, M. Ebert, T. Großmann, W. Heil, E. Otten, D. Rohe und R. Surkau, DE 197 42 548 , 1997.

Er stellt einen zylindrischen Topfmagneten aus dünnen Weicheisen- oder μ-Metallblechen dar, wobei die Stirnflächen die beiden Polschuhe bilden, während der Mantel als Joch den magnetischen Fluss zwischen den Polschuhen zurückführt und schließt. Als Quellen der magnetischen Erregung dienen Permanentmagnete an Schnittstellen zwischen Polschuhen und Mantel und in der Mitte des Mantels. Durch eine doppelwandige, mit Wabenstrukturen verklebte Konstruktion können die Homogenität des Magnetfeldes, die magnetische Abschirmung sowie die mechanische Festigkeit erhöht werden.
Eine prinzipielle Beschränkung des Homogenitätsbereichs des vorstehend beschriebenen Topfmagneten stellt die allgemein übliche Rückführung des magnetischen Flusses zwischen den Polschuhen über den Mantel dar. Das Magnetfeld im ferromagnetischen Mantel und das im Zentrum zwischen den Polschuhen zeigen daher in umgekehrte Richtung. Da ersteres tangential zur Manteloberfläche verläuft, setzt es sich nach den Gesetzen der Elektrodynamik stetig in den Innenraum fort. Dadurch kehrt sich notwendigerweise das Vorzeichen des Magnetfeldes auf dem Wege vom Zentrum zum Rand hin um. Im Idealfall unendlich hoher Permeabilität des Mantels (μ → ∞) wird es am Rand Null. Die 1 verdeutlicht den prinzipiellen topologischen Sachverhalt anhand einer Schnittskizze für das Beispiel eines einfachen, permanent erregten, kreiszylindrischen Topfmagneten. Der Magnet besteht aus den Polschuhen I, dem Mantel II und Permanentmagnetringen III an den Schnittstellen zwischen Polschuhen und Mantel. Blockpfeile geben die jeweilige H-Feldrichtung im Innenraum und in der ferromagnetischen Umhüllung an.
In 2 ist das Ergebnis der Berechnung der Feldverteilung im Innenraum eines Magneten dieses Typs für ein praktisches Beispiel wiedergegeben. Dank der kreiszylindrischen Symmetrie der Objekte genügt es, in dieser wie in allen folgenden Figuren jeweils nur den rechten oberen Quadranten eines axialen mittigen Querschnitts zu zeigen. Der Polschuhabstand beträgt h = 18 cm, der Radius R = 20 cm. Abmessungen und Aspektverhältnis h/(2R) entsprechen z. B. praktischen Bedürfnissen beim Transport spinpolarisierter Gase. Die Wandstärke der Bleche d betrage 1 mm, ihre Permeabilität sei mit μ = 10⁵ sehr hoch und konstant angenommen. Die Permanentmagnetringe haben einen quadratischen Querschnitt von 1 × 1 mm² und seien mit einer permanenten magnetischen Kraftflussdichte von B_p = 1,15 T in axialer Richtung magnetisiert. Die aus der Simulationsrechnung mit dem Programm femm 4.0, ® 1998-2003 by D. Meeker (Aladdin Enterprises, Menlo Park, CA, USA) resultierende magnetische Kraftflussdichte im Innenraum ist in Höhenschichtlinien dargestellt mit einer Abstufung von 5·10^–4 des Zentralwerts B₀ = 5,35·10^–4 T. Zwischen Magnetfeld H und magnetischer Kraftflussdichte B besteht der bekannte Zusammenhang B = μμ0H (5)mit μ₀ = 4π·10^–7 T/(A/m). Die Permeabilität μ im Innenraum, der frei von ferromagnetischem Material angenommen sei, kann im betrachteten Zusammenhang mit dem Wert 1 gleichgesetzt werden. Die Figur zeigt, dass als Folge der schädlichen Feldumkehr am Mantel die in Gl. (1) gesetzte Homogenitätsgrenze schon im Abstand von weniger als 1 cm vom zentralen Sattelpunkt verletzt wird.
Die in 2 dargestellte Situation kann durch „Shimmen" verbessert werden. Eine hierzu in der genannten Erfindung DE 197 42 548 vorgeschlagene Methode besteht darin, eine dritte permanente ringförmige Feldquelle in einer Schnittstelle in der Mitte des Mantels zu platzieren. Das hiervon in den Innenraum ausgehende, ringförmige Dipolfeld verstärkt dort das Randfeld und kompensiert dessen Randabfall. Aufgrund des unterschiedlichen funktionalen Verlaufs dieser beiden Felder gelingt diese Kompensation nur teilweise, mindestens aber bezüglich der 2. Ordnung der Taylorentwicklung des Feldes im Zentrum (die ungeraden Ordnungen verschwinden bei kreiszylindrischer Symmetrie automatisch). 3 zeigt beispielsweise eine Simulationsrechnung mit einem solchen zusätzlichen, permanent mit B_p = 1,15 T magnetisierten 2,2 mm hohen und 1 mm breiten Ring IV als Korrekturfeldquelle.
Die Homogenitätsgrenze G_r < 10^–3/cm hat sich bis auf einen Radius von r_h = 11 cm erweitert. Sie ist relativ scharf, d. h. sie verschiebt sich nur wenig bei einer Abschwächung oder Verschärfung der Homogenitätsforderung; denn die durch Shimmen zugefügten Korrekturfelder höherer Ordnung glätten die Feldgradienten im Zentrum aus zu Lasten eines wesentlich steileren Anstiegs am Rand des so entstandenen, zentralen Feldplateaus. Der in der Erfindung DE 197 42 548 vorgestellte Prototyp erreichte die Homogenitätsgrenze (1) ebenfalls bei r_H ≈ 11 cm und damit einen Füllfaktor F = Vh/Vi, (6)d. h. ein Verhältnis aus dem nach Gl. (1) nutzbarem Volumen V_h zum gesamten Innenraumvolumen V_i, von ca. 30%
In späteren Ausführungen konnte der Füllfaktor mit einem größeren Polschuhradius von 30 cm auf 35% verbessert werden; damit waren allerdings die Grenzen der Abmessungen und des Gewichts erreicht, die von einer Person noch zu handhaben sind. Siehe hierzu die bereits zitierte Quelle [5].
In der Offenlegungsschrift

[8] K. Hasson, G. Zollinger, D. Zollinger, P. Bogorad und B. Wheeler, US 2003189182 vom 09. Okt. 2003 wird eine weitere transportable Magnetfeldeinrichtung für den Transport spinpolarisierter Gase auf der Basis des bekannten Prinzips eines Solenoiden als Feldquelle beschrieben. Sie enthält keine konkreten Angaben, aus denen man auf den Füllfaktor gemäß Gl. (6) schließen könnte. Da sie auf Stromquellen angewiesen ist und keine magnetische Abschirmung trägt, kann sie nicht als gattungsbildender Stand der Technik, sondern nur als allgemeine Hintergrundtechnologie, betrachtet werden. Schließlich wird in der Offenlegungsschrift
[9] K. Hasson, W. Happer und G. Zollinger, US 200465563 vom 08. Apr. 2004 eine für den Transport spinpolarisierter Gase gedachte Magnetfeldeinrichtung vorgeschlagen, die aus einer zylinderkranzförmigen Anordnung von langen Permanentmagneten mit gegeneinander verkippten, transversalen Magnetisierungsrichtungen besteht, derart, dass deren Dipolfelder sich in der Umgebung der Zylinderachse zu einem relativ homogenen, transversalen Magnetfeld nach Art eines Halbach-Magneten addieren. Letzteres Prinzip ist beispielsweise in der Veröffentlichung
[10] H. Raich und P. Blümler, Concepts in Magnetic Resonance B 23, 16 (2004) beschrieben. Die Offenlegungsschrift [9] enthält keine konkreten Angaben, aus denen man auf den Füllfaktor gemäß Gl. (6) schließen könnte. Eine tatsächliche Realisierung dieses Prinzips für den dort vorgestellten Zweck scheint bisher nicht bekannt zu sein. Es bestehen auch Bedenken bezüglich der praktischen Umsetzbarkeit der dort beschriebenen Lösung im Hinblick auf die hier geforderten engen Toleranzgrenzen in den Abmessungen, in der Anordnung und insbesondere in der Magnetisierung der Permanentmagnete. Beide o. g. Konzepte ([8], [9]) beziehen keine Abschirmung äußerer Störfelder ein, was die Funktionssicherheit gefährdet.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und daraus abgeleitete Vorrichtungen zur weiträumigen Homogenisierung von Magnetfeldern zu schaffen, die unter anderem dazu dienen können, kernspinorientierte Gase in einem entsprechenden Behälter mit einer akzeptabel niedrigen, gradientenbedingten Relaxationsrate T_1G zu speichern und zu transportieren. Das hierzu vorgestellte neue Verfahren ist jedoch genereller Natur und kann daher ganz allgemein zur weiträumigen Homogenisierung von Magnetfeldern bis zur Größenordnung H ≈ 10⁵ A/m verwendet werden.
Von den vielen denkbaren Anwendungen solcher Felder wird hier nur die Magnetresonanztomographie (MRT) angesprochen, zum einen wegen ihrer großen Bedeutung, zum andern, weil insbesondere sie auf weiträumig homogenisierte Magnetfelder angewiesen ist. Eine Thoraxtomographie benötigt beispielsweise ein Gesichtsfeld von ca. 35 cm Durchmesser. Traditionell sind hier sehr hohe Magnetfelder B > 1 T in Gebrauch, weil die thermische Gleichgewichtsmagnetisierung der beobachteten Atomkerne und damit das Verhältnis aus Signalstärke und Rauschen (S/R) mit dem Feldwert anwachsen. Werden jedoch hyperpolarisierte Substanzen benutzt, wie beispielsweise optisch gepumptes ³He als Kontrastmittel zur Darstellung der Lunge, so ist das (S/R) im Wesentlichen unabhängig vom Feldwert. In der Veröffentlichung

[11] C. P. Bidinosti, J. Choukeife, G. Tastevin, A. Vignaud und P.-J. Nacher, Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine (MAGMA) 16, 255 (2004) wird in der Tat über eine erfolgreiche ³He-Lungentomographie bei einem Feldwert von nur 3 mT berichtet, wobei einfache Luftspulen als Magnetfeldquelle dienen konnten. Bei der entsprechend niedrigen Larmorfrequenz der ³He-Kerne von nur 100 kHz mussten jedoch methodische Einschränkungen der MRT bzgl. Aufnahmegeschwindigkeit etc. in Kauf genommen werden, die oberhalb von ca. 50 mT entfallen. In der Dissertation
[12] A. Vignaud, These de doctorat, Université Paris-Sud XI, Orsay (2003) wird über ³He-Lungentomographie bei 100 mT im Vergleich zu 1,5 T berichtet, wobei sich beim niedrigeren Feld sogar methodische Vorteile gegenüber dem höheren Feld herausstellten. Auch hier wurden Luftspulen als Feldquelle benutzt, die jedoch mit 40 kW Leistungsaufnahme eine sehr aufwendige Lösung darstellen. Ein kommerzieller Permanentmagnet für die MRT bei 200 mT wird z. B. in dem Datenblatt des
[13] „SIEMENS MAGNETOM Concerto", http://www.medical.siemens.com beschrieben. Sein Gewicht von 11 t erlaubt jedoch nur eine stationäre Aufstellung in speziell armierten Räumen. Die unten beschriebenen, nach dem hier offenbarten Verfahren weiträumig homogenisierten, permanenten Magnetfelder im Bereich von 50 mT ermöglichen dagegen Niederfeld-MRT ohne die Handicaps hohen Energiebedarfs und Gewichts.

3 Beschreibung der Erfindung
3.1 Verfahren und Vorrichtungen zur weiträumigen Homogenisierung von Magnetfeldern durch Ummantelung mit gleichsinnig magnetisiertem ferromagnetischem Material
Die hier vorgestellte Erfindung geht in der Homogenisierung eines Magnetfeldes einen grundsätzlich neuen Weg, indem sie vorsieht, dass der zu homogenisierende Feldbereich 15 (s. 4) mit einem weichmagnetischen Material zylindrisch ummantelt wird und in diesem feldprägenden Mantel 2 nach Richtung und Betrag das gleiche Magnetfeld H herrscht wie im Zentrum, d. h. entlang der Zylinderachse (s. Anspruch 1). Wird diese Randbedingung H →Mantel = const. (7)quantitativ erfüllt und werde das Magnetfeld darüber hinaus stirnseitig von ebenen Polflächen 1 aus weichmagnetischem Material begrenzt und sei die Permeabilität der weichmagnetischen Materialien sehr hoch, dann ist das resultierende Magnetfeld im gesamten Innenraum konstant und entlang der Achse ausgerichtet.
Das folgt daraus, dass unter diesen Voraussetzungen die beiden Stirnflächen ebenso wie jede dazu parallele Schnittebene dazwischen Äquipotentialflächen des magnetischen Potentials sind – und zwar im Innenraum 15 ebenso wie im feldprägenden Mantel 2; denn die Tangentialkomponente von H → ist nach den Gesetzen der Elektrodynamik an der Grenzfläche stetig. Die Aussage gilt unabhängig von der Querschnittsform des Zylinders; sie wird aber im Folgenden der Einfachheit halber meist für Kreiszylinder weiterdiskutiert. Die hier betrachtete Konfiguration entspräche im elektrischen Fall einem Plattenkondensator, der von einem homogenen Leiter berandet wird, womit auch am Rande ein gleichmäßiger Potentialabfall gewährleistet wird.
Die erfinderische Idee verlangt im Sinne obiger Analogie, dass man an die Stirnflächen eine magnetische Spannung
anlegt. Als magnetische Spannungsquelle ist zum Beispiel ein äußerer, felderzeugender Mantel 5 mit Radius R_p und Dicke d_p geeignet, der in axialer Richtung permanent magnetisiert ist und seinen magnetischen Kraftfluss Φ_p durch seine Querschnittsfläche A_p ≈ 2π R_pd_p Φp = BpAp (9)den Stirnflächen 1 zuführt, die jetzt im Gegensatz zu den vorhergehenden Konstruktionen direkt auf der inneren, feldprägenden Mantelfläche 2 aufliegen. Der Kraftfluss fließt dann gleichsinnig durch Innenraum 15 und feldprägenden Mantel 2 mit Innenradius R und Dicke d_m von einer Stirnfläche zur anderen und verteilt sich auf beide entsprechend der jeweiligen magnetischen Leitwerte. Das Magnetfeld innerhalb des Zylinders und im Mantel 2 beträgt dann näherungsweise
Die oben vorgeschlagene und in 4 skizzierte Konfiguration demonstriert die erfinderische Idee der weiträumigen Magnetfeldhomogenisierung durch parallele Magnetisierung eines umhüllenden Mantels 2 anhand eines geschlossenen Zylinders 14, dessen ebene Stirnflächen 1 durch ihre Wirkung als Polflächen die Homogenisierung unterstützen und im Idealfall sogar vollkommene Homogenität im gesamten Innenraum erlauben. Deswegen gehen die meisten, unten besprochenen Beispiele von dieser Grundkonfiguration (s. Ansprüche 7 bis 9) aus. Die Anwendungsmöglichkeit dieser erfinderischen Idee ist aber keineswegs auf eine solche Grundkonfiguration beschränkt, wie am Beispiel eines in Feldrichtung offenen Tomographiemagneten in Kap. 3.2.3.2 weiter unten gezeigt wird.
Aus Gl. (10) geht hervor, dass der innere, feldprägende Mantel 2 bei hohem μ einen kräftigen magnetischen Kurzschluss darstellt und daher im Interesse eines erträglichen Verhältnisses H/Φ_p eine geringe Dicke d_m haben sollte. Damit der feldprägende Mantel nicht zu sehr in Sättigung gerät, ist bei Materialien mittlerer Permeabilität wie etwa ARMCO-Reineisen das Magnetfeld auf die Größenordnung von ca. 100.000 A/m bis 200.000 A/m beschränkt. Die Beschränkung auf kleinere Felder fällt bei vielen physikalischen Experimenten nicht ins Gewicht und insbesondere nicht bei der u. a. ins Auge gefassten Anwendung einer relaxationsarmen Aufbewahrung und Verschickung von spinpolarisierten Gasen, bei der Felder in der Größenordnung von 100 A/m bis 1.000 A/m bevorzugt werden.
Gl. (10) ist insofern eine Näherung, als magnetische Streuflüsse wie auch der in der Realität endliche magnetische Widerstand der als Polflächen dienenden Stirnplatten 1, die magnetischen Fluss ins Zentrum transportieren müssen, vernachlässigt sind. Beides fällt umso weniger ins Gewicht, je höher μ ist. Daher ist für die in 5a gezeigte Magnetfeldsimulation mit einem sehr hohen und konstantem μ = 10⁵ durchgeführt worden, um zunächst die prinzipielle Funktion des erfindungsgemäßen, parallel magnetisierten, feldprägenden Mantels 2 zu demonstrieren. Im Übrigen sind in diesem Beispiel die Dimensionen so gewählt wie in 2 angegeben. Die nach Gl. (1) definierte Homogenitätsgrenze reicht jetzt bis zum Rand des Zylinders. Allerdings ist der Feldbetrag mit H₀ = 11 A/m aufgrund des hohen μ sehr gering. Die Dicke des äußeren, felderzeugenden Mantels 5 wurde mit 1,2 mm angenommen, seine Magnetisierung mit B_p = 1,15 T, die beispielsweise von dem hartmagnetischen Werkstoff AINiCo 500 erreicht wird. Der daraus resultierende magnetische Kraftfluss von Φ_p = 17,3 Tcm² würde auch nach der Näherungsformel (10) im Innenraum ein Feld von H₀ = 11 A/m erzeugen. Simulationsrechnungen zeigen, dass selbst für einen gestreckten Zylinder mit den beispielsweisen Dimensionen R = 9 cm und h = 40 cm durch die erfindungsgemäße Parallelisierung der Tangentialkomponente die Homogenitätsgrenze (1) noch praktisch im gesamten Innenvolumen eingehalten wird. Bei diesem hohen Aspektverhältnis wird das Feld im Zentrum nicht mehr von der Normalkomponente des Feldes auf den Stirnflächen 1 dominiert, sondern von der Tangentialkomponente im näher gelegenen feldprägenden Mantel 2. Die bisher übliche, in 1 gezeigte Rückführung des magnetischen Kraftflusses über den Mantel II würde dagegen bei diesem gestreckten Zylinder wegen der Feldumkehr am Rande zu einer extrem inhomogenen Feldverteilung führen.
Um bei fester, durch Sättigung beschränkter Kraftflussdichte im feldprägenden Mantel ebenso wie im Innenraum ein höheres Magnetfeld zu erzielen, muss nach Gl. (10) dessen Permeabilität μ abgesenkt werden. (s. Ansprüche 16 und 20). Dadurch steigt aber auch der Streufluss aus dem feldprägenden Mantel heraus mit der Folge, dass darin das Magnetfeld nicht mehr konstant ist und die ideale Randbedingung (7) zunehmend verletzt wird. Die Konsequenzen für die Feldhomogenität im Innenraum sind in der berechneten Feldverteilung der 5b für einen flachen Kreiszylinder gezeigt. Für den feldprägenden Mantel 2.1 wurde in der Simulation ARMCO-Reineisen gewählt und dabei dessen charakteristische Magnetisierungskurve zugrunde gelegt, entsprechend der Quelle:

[14] Datenblatt der Firma Koenig Feinstahl AG, CH-8953 Dietikon. Für die Stirnflächen 1 wurde μ-Metall gewählt, dessen hohe Permeabilität einen sehr geringen magnetischen Widerstand des Materials garantiert, sodass sie in ihrer Funktion als Polflächen eine möglichst gute Äquipotentialfläche darstellen (s. Anspruch 17). Als Quelle für die Magnetisierungskurve für μ-Metall wurde verwendet:
[15] Firmenschrift „Magnetische Abschirmungen", Vacuumschmelze GmbH, Hanau. Die für den Permanentmagneten verwendete Entmagnetisierungskurve von AINiCo 500 wurde entnommen aus:
[16] Bestellkatalog der Firma IBS Magnet, Berlin.

Alle übrigen Eingangsdaten der Rechnung sind die gleichen wie die für die 5a gewählten. Durch die Absenkung der Permeabilität ist jetzt das Magnetfeld im flachen Zylinder auf H₀ = 315 A/m und damit in den bevorzugten Bereich gewachsen, jedoch ist der Homogenitätsradius deutlich geschrumpft auf r_h = 13,5 cm. Die Kraftflussdichte erreicht im ARMCO-Eisen an den Rändern des feldprägenden Mantels 2.1 einen Maximalwert von B_2,max ≈ 1,4 T bei einem Minimalwert der Permeabilität an gleicher Stelle von μ_2,min ≈ 2500. Im μ-Metall der Stirnflächen 1 betragen die entsprechenden Werte B_1,max ≈ 0,65 T bzw. μ_1,min ≈ 2500. Die Kraftflussdichten bleiben unterhalb der Sättigungswerte von 2,15 T für ARMCO-Eisen bzw. 0,75 T für μ-Metall. Bei einem gestreckten Zylinder mit beispielsweise R = 9 cm und h = 40 cm sind die Streuverluste an magnetischem Fluss aus einem feldprägenden Mantel 2.1 mittlerer Permeabilität, also beispielsweise aus ARMCO-Reineisen, so angewachsen, dass die Feldverteilung an keiner Stelle mehr der Homogenitätsforderung (1) genügen kann. Das zeigen Simulationsrechnugen. Aufgrund des erwähnten Streuflusses aus dem feldprägenden Mantel heraus fällt das Magnetfeld entlang desselben von den Stirnflächen 1 zur Mitte hin um 5,3% im Falle der flachen Dose in 5b und um 20% im Falle der genannten gestreckten Dose ab. In diesem Maße ist zwar in diesen Konfigurationen die ideale Randwertbedingung (7) verletzt, aber bei weitem nicht so stark wie in der traditionellen Konfiguration der 1 mit Feldumkehr am Rande.
In einer zweiten erfinderischen Idee wird die aus der Beschränkung der Permeabilität resultierende Verletzung der idealen Randbedingung (7) dadurch geheilt, dass an Stellen verminderten Kraftflusses durch den feldprägenden Mantel dessen Dicke im gleichen Maße reduziert wird (s. Ansprüche 2, 11. Durch diese Einengung des Kraftflusses bleibt die Kraftflussdichte konstant und damit auch die Randbedingung (7) für das Magnetfeld erfüllt. Das Ergebnis einer solchen Korrektur zeigen die berechneten Feldkarten in 6 für einen flachen und in 7 für einen gestreckten Zylindermagneten, jeweils mit den oben genannten Dimensionen. Idealerweise müsste dabei die Manteldicke entsprechend Anspruch 2 kontinuierlich entlang der Mantelhöhe variiert werden. In der hier vorgestellten Rechnung beschränkt sich die Dickenkorrektur jedoch auf Stufen 12.1 (s. Ansprüche 3, 12). Dabei genügt eine Stufe von 7 μm Höhe bei der flachen Ausführung; beim gestreckten Zylinder sind zwei Stufen von 14 μm bzw. 28 μm Höhe notwendig. Dieses Verfahren kommt auch praktischen Erwägungen entgegen, Korrekturen am fertigen Magneten durch Auflegen dünner Reineisen- oder μ-Metallfolien individuell durchzuführen. Solche Folien sind mit feiner Dickenabstufung auf dem Markt erhältlich. Der nach Gl. (1) berechnete homogene Bereich erstreckt sich in der solchermaßen korrigierten flachen Ausführung der 6 jetzt auf einen Radius von r_h = 18,5 cm und in der gestreckten Ausführung der 7 auf eine Länge von h_h = 31 cm. Der in Gl. (6) definierte Füllfaktor erreicht jetzt in der bevorzugten flachen Ausführung einen Wert von F ≈ 85% und liegt damit bei gleichen Abmessungen fast einen Faktor 3 über dem im Patent DE 197 42 548 [7] erreichten Stand der Technik. Man erkennt an den von den Stufen ausgehenden Störungen in den Feldkarten, dass sich durch feinere Abstufung der Manteldicke der Homogenitäsbereich sowohl in der flachen wie auch in der gestreckten Ausführung noch erweitern und der Füllfaktor noch erhöhen ließe.
Eine Variante der erfinderischen Idee zur praktischen Einhaltung der Randbedingung (7) besteht darin, statt der Dicke des feldprägenden Mantels seinen Durchmesser bzw. Umfang an die Veränderung des Kraftflusses entlang der Mantelhöhe h anzupassen (s. Ansprüche 4, 13). Da durch Streufelder Kraftfluss aus dem feldprägenden Mantel von den Stirnflächen zur Mitte hin verloren geht, müsste sich entsprechend der feldprägende Mantel zur Zylindermitte hin zu einer Taille verjüngen. 8 zeigt das Ergebnis einer auf dieser Idee beruhenden Simulationsrechnung für einen flachen Zylindermagneten. Das Profil der Taille wurde der Einfachheit halber als Kreissegment gewählt. Die berechnete Feldkarte weist ebenfalls einen gegenüber der unkorrigierten Version der 5b deutlich erweiterten Homogenitätsradius von r_h = 18 cm auf, vergleichbar mit dem durch Abstufung der Manteldicke erreichten Ergebnis. Bei einer Serienfertigung könnte diese Variante fertigungstechnische Vorteile gegenüber einer Dickenänderung des feldprägenden Mantels bieten.
Während die Ansprüche 2 bis 4 die gewünschte Stabilisierung der magnetischen Kraftflussdichte im feldprägenden Mantel 2 durch eine Anpassung seiner Querschnittsfläche entlang der Mantelhöhe an den schädlichen, magnetischen Streufluss erreichen, kann man stattdessen auch anstreben, den magnetischen Kraftfluss selbst im Mantel 2 entlang seiner Höhe zu stabilisieren, d. h. den Streufluss lokal zu kompensieren. Entsprechend dieser weiteren erfinderischen Idee darf man den magnetischen Kraftfluss im feldprägenden Mantel 2 nicht ausschließlich über die Stirnflächen 1, also an den Enden des Mantels zu- und abführen sondern muss dies zusätzlich entlang seiner Höhe tun und zwar nach Maßgabe des lokalen Streuflusses. Jede aus dem Mantel 2 austretende Streuflusslinie muss durch eine eintretende Flusslinie des Korrekturfeldes kompensiert werden und umgekehrt (Anspruch 5). Das Korrekturfeld kann durch geeignet geformte permanente Feldquellen erzeugt werden (Anspruch 14). Hierzu genügt es, die Querschnittsfläche des oben diskutierten felderzeugenden, permanent magnetisierten Mantels 5 entlang seiner Höhe an den jeweiligen Streufluss anzupassen (Anspruch 15). Das kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen, im letzteren Falle beispielsweise durch Auflegen zusätzlicher Streifen permanent magnetisierter Bleche oder flexibler Magnetplatten. Verjüngt sich beispielsweise auf diese Weise die Wandstärke des Mantels 5, so treten an der Verjüngung notwendigerweise magnetische Feldlinien ein oder aus (je nach Polarität). Diese Feldlinien schließen sich dann über den anliegenden weichmagnetischen, feldprägenden Mantel 2 und erzeugen darin das gewünschte Korrekturfeld. Im Beispiel der 6 würde also im Bereich der Zylindermitte anstelle einer Verjüngung der Dicke des feldprägenden Mantels 2 eine gleichwirksame Verdickung des felderzeugenden Mantels 5 treten.
3.2 Ausgewählte Vorrichtungen zur weiträumigen Homogenisierung von Magnetfeldern durch Ummantelung mit gleichsinnig magnetisiertem ferromagnetischem Material
Ausgehend von den erfinderischen Ideen eines generellen, neuen Verfahrens zur Homogenisierung von Magnetfeldern, die in Kap. 3.1 beschrieben und in den Ansprüchen 1 bis 5 formuliert sind, sollen im Folgenden ausgewählte Vorrichtungen beschrieben werden, die von diesem Verfahren und den damit verknüpften schon oben beschriebenen, allgemeinen Vorrichtungen Gebrauch machen. Eine prinzipielle Orientierung über den Aufbau solcher Vorrichtungen liefern die bereits oben besprochenen, in den 6 und 7 gezeigten Konfigurationen.
3.2.1 Realisierung der Erfindung am Beispiel eines „Spinkoffers"
Die oben erläuterten erfinderischen Ideen wurden in einem Prototyp eines abgeschirmten, permanent erregten Kreiszylindermagneten mit paralleler Mantelfeldführung und Manteldickenkorrektur realisiert. Er ist konzipiert für die in Kap. 2 genannte Anwendung als „Spinkoffer", d. h. zur Aufbewahrung und zum Transport spinpolarisierter Gase (Ansprüche 34 bis 36) bei der relative Feldgradient innerhalb des nutzbaren Speichervolumens V_h die in Gl. (1) genannte Grenze von 10^–3/cm (Anspruch 28) zwecks Einschränkung des gradientenbedingten Zerfalls der Polarisation nach den Gln. (2) bis (4) einhalten soll (Anspruch 36). 9 zeigt ein vertikales, schematisches Schnittbild zusammen mit der vorausberechneten Feldkarte im Innenraum für diese Konfiguration mit einer Abstufung von 5·10⁴ des Zentralwerts von H₀ = 860 A/m.
Zuzüglich zu bzw. abweichend von der in 6 gezeigten Konfiguration weist diese Ausführung folgende Komponenten auf:

• Zwei innere Stirnplatten 1.2 als Polflächen aus hochpermeablem Material (Ansprüche 17, 18), in diesem Falle μ-Metall. Sie sind von den beiden äußeren Stirnplatten 1.1, die den Kraftfluss aus der außen aufliegenden permanenten Feldquelle primär aufnehmen, durch einen Abstand getrennt, der von einem unmagnetischen Material 6 ausgefüllt wird, vorzugsweise einer leichten Wabenstruktur, die mit den angrenzenden Stirnplatten zwecks Versteifung verklebt ist (Ansprüche 26, 27). Durch diesen magnetischen Widerstand fließt der Kraftfluss schon sehr gleichmäßig und senkrecht auf die inneren Polflächen auf, sodass sie trotz geringer Dicke und endlicher Permeabilität optimale magnetische Äquipotentialflächen darstellen und somit die Feldhomogenität in der Umgebung dieser Polflächen weiter verbessern (Anspruch 18).
• Anstelle des geschlossenen permanent magnetisierten Mantels 5 aus 6 eine Säulenreihe aus permanent magnetisierten Stäben 7, in diesem Falle aus AINiCo 500, in mehr oder weniger dichtem Abstand entsprechend dem gewünschten Feldwert im Zylindermagneten (Anspruch 22). Als praktische Alternative zu dieser Säulenreihe kämen auch marktgängige, flexible Magnetplatten in Frage, die als geschlossener Mantel 5 um den feldprägenden Mantel 2 gelegt werden könnten und in axialer Richtung permanent magnetisiert sind (Anspruch 21).
• Ein äußerer Mantel 8 aus hochpermeablem Material, in diesem Falle μ-Metall, zur besseren Abschirmung äußerer Störfelder (Anspruch 23). Eine Verklebung mit dem inneren, feldprägenden Mantel 2.1 mit Wabenstrukturen 9 zwischen den Permanentmagnetstäben 7 erhöht gewichtsparend die Steifigkeit der Konstruktion (Ansprüche 26 und 27).
• Ein Paar Ringe 10 aus Material hoher Sättigungsflussdichte, in diesem Falle ARMCO-Reineisen, um den Kraftfluss von den Permanentmagnetstäben gleichmäßig auf die äußeren Polplatten zu transportieren.
• Ein Paar Ringe 11 aus einem in seinen magnetischen Eigenschaften dem inneren Mantel ähnlichen Material, um den magnetischen Kontakt zwischen den Permanentmagnetstäben 7 und dem feldprägenden Mantel 2.1 zu verbessern.
• Mehrere Lagen selbstklebender, 50 μm starker μ-Metallfolie 12.2 an den Innenseiten des feldprägenden Mantels 2.1, um die magnetische Kraftflussdichte entlang der Mantelfläche möglichst konstant zu halten (s. Ansprüche 3 und 12).

Zum Befüllen des Behälters werden Deckel oder Boden abgenommen. Die zugehörigen Verschlussmechanismen sind hier nicht dargestellt. Im Falle der Anwendung zum Transport spinpolarisierter Gase bietet der Behälter auch im einseitig geöffneten Zustand dank der restlichen Polfläche noch ein genügend homogenes Feld, um merkliche Polarisationsverluste nach Gl. (2) während des kurzen Füll- oder Entnahmevorgangs auszuschließen.
Laut der berechneten Feldkarte in 9 reicht der nach Gl. (1) ermittelte Homogenitätsbereich in der Mittelebene des Zylindermagneten bis zu einem Radius von r_h = 17 cm. Der Füllfaktor nach Gl. (6) ergibt sich zu ca. 70%.
Der nach obigen Plänen gebaute Prototyp zeigte vor dem Shimmen entlang des feldprägenden Mantels 2.1 einen stärkeren axialen Gradienten als berechnet, ebenso einen azimutalen Gradienten. Das lässt darauf schließen, dass das noch nicht durch Schlussglühen vergütete weichmagnetische Material nicht die bei der Simulation zugrunde gelegten Normwerte aufwies. Der höhere axiale Gradient erforderte ein stärkeres Ausshimmen des Mantels 2.1 als berechnet. Eine beobachtete axiale und azimutale Abweichung der Feldverteilung von der Zylindersymmetrie muss auf remanenten Magnetismus und/oder unterschiedliche Magnetisierung der Permanentmagnete zurückgeführt werden. Die axiale Asymmetrie des Feldverlaufs wurde durch zusätzlich auf eine der beiden Deckelplatten aufgebrachte Permanentmagnetfolien ausgeglichen. Außerdem wurden Stücke von μ-Metallfolien und Reineisenstreifen gezielt auf dem feldprägenden Mantel 2.1 angebracht, um die azimutale Asymmetrie des Feldes zu reduzieren, 10 zeigt den gemessenen Verlauf des Feldes (links) sowie des relativen Feldgradienten G_r (Gl. (1)) (rechts) entlang eines Durchmessers in der Mittelebene des gebauten Prototyps nach dem Shimmen. Die nach Gl. (1) definierte Homogenitätsgrenze liegt bei r_h = 14 cm entsprechend dem Radius, innerhalb dessen sich drei sphärische ³He-Gefäße à I Liter Fassungsvermögen – die übliche Versandeinheit – packen lassen. Man erkennt in 10 entlang des Durchmessers noch eine leichte, restliche Asymmetrie des Feldverlaufs, die aber für den genannten Zweck nicht weiter stört. Relaxationsmessungen mit dem erwähnten Prototypen zeigten bei einer mit 2,6 bar polarisiertem ³He gefüllten Zelle eine gradientenbedingte Relaxationszeit von rund 300 h. Die Messung wurde bei Raumtemperatur an der für den Transport dreier 1 Liter-Zellen vorgesehenen Position durchgeführt und lässt nach Gl. (4) dort auf einen mittleren relativen Feldgradienten G_r von ca. 1·10^–3/cm schließen, was der in Gl. (1) formulierten Anforderung genügt. Auf eine weitergehende Perfektionierung des Feldverlaufs wurde daher verzichtet. Sie könnte folgende Maßnahmen umfassen:

• Schlussglühen aller weichmagnetischen Werkstücke nach der mechanischen Bearbeitung
• Selektion der Stabmagnete nach gleich starker Magnetisierung
• Annullieren remanenter Störfelder im Wechselfeld
• Feineres Ausshimmen.

Weiterhin wurde ein Beispiel für die äußere Störfelder abschirmende Wirkung des oben besprochenen doppelschaligen Prototyps durch Simulation berechnet. Als Störquelle wurde beispielhaft das sehr inhomogene Feld eines äußeren Kreisstroms von 1000 A im Abstand von 1 cm von der oberen Stirnplatte 1.1 angenommen, auf der laut Rechnung ein Störfeld von maximal H_st = 35000 A/m erreicht wird, ein Vielfaches des erdmagnetischen Feldes. Die zugehörige Feldkarte zeigte im Innenraum jetzt eine leichte Asymmetrie des Feldwerts von ΔH = 0,26 A/m zwischen Boden und Deckel bei einem zentralen Feld von 866 A/m. Die nach Gl. (1) definierte homogene Zone im Bereich des Deckels verringerte sich nicht wesentlich.
Zusammenfassend haben die in Kap. 3.1 gezeigten Simulationen sowie der hier vorgestellte Prototyp bewiesen, dass die hier offenbarten erfinderischen Gedanken zur weiträumigen Homogenisierung von Magnetfeldern rechnerisch zutreffend und technisch realisierbar sind.
3.2.2 Variante eines „Spinkoffers"
Die Erfahrungen mit obigem Prototyp eines „Spinkoffers" haben gezeigt, dass remanenter Magnetismus die Homogenität im Innenraum stören kann. Die hierfür verantwortliche Koerzitivkraft hat bei ARMCO-Reineisen einen Wert im Bereich von 50 A/m; für magnetisch besonders weiche Werkstoffe ist sie um eine Größenordnung kleiner, beispielsweise ca. 3 A/m für μ-Metall. Die hier vorgeschlagene, in 11 als Beispiel skizzierte Variante sieht daher vor, für alle weichmagnetischen Elemente, insbesondere auch den feldprägenden Mantel einen magnetisch besonders weichen Werkstoff, beispielsweise μ-Metall zu wählen (Anspruch 19). Um den in 5a gezeigten „Kurzschluss" des Kraftflusses und die damit verbundene starke Absenkung des Feldes im Innenraum aufgrund der extrem hohen Permeabilität von ca. 10⁵ dieses Materials zu vermeiden, muss durch geeignete Wahl der Manteldicke eine Kraftflussdichte im Mantel 2.2 in der Nähe der Sättigungsmagnetisierung des μ-Metalls von etwa 0,75 T gewählt werden. Dadurch sinkt dessen Permeabilität so weit ab, dass laut Gl. (5) das resultierende, sich stetig in den Innenraum fortsetzende Magnetfeld H in einen bevorzugten Bereich von 50 A/m bis 50.000 A/m anwachsen kann (Anspruch 20). Das in 11 dargestellte Feld von H = 870 A/m erfordert beispielsweise eine Absenkung auf μ = 700.
Weiterhin sieht diese Variante vor, den felderzeugenden Mantel nicht durchgehend aus permanent magnetisiertem Material zu wählen, sondern dieses auf einzelne, permanent magnetisierte Ringe 5.1 zu beschränken, die hier beispielsweise am Innenrand der Stirnflächen 1.1 platziert sind. Die restliche Höhe dieses Mantels wird durch weichmagnetisches Material 5.2 ersetzt, das den Kraftfluss schließt (11) (Anspruch 24). Da die Variante wie gesagt für den Teil 5.2 des Mantels ebenfalls ein magnetisch sehr weiches Material, beispielsweise μ-Metall, vorsieht, kann er gleichzeitig die Abschirmfunktion gegen äußere Störfelder übernehmen (Anspruch 25). Da für letztere Funktion eine sehr hohe Permeabilität erwünscht ist, sollte die Dicke des Mantels 5.2 so gewählt werden, dass der von den permanent magnetisierten Ringen 5.1 ausgehende magnetische Kraftfluss ihn nicht in die Sättigung treibt. Die in 11 gezeigte Konfiguration berücksichtigt alle Gesichtspunkte dieser Variante in geeigneter Form bei ansonsten unveränderten Grundmaßen und Konstruktionselementen, wie in 9 gezeigt. Mit drei geeigneten, mittels aufgelegter μ-Metallfolien realisierten Shimstufen 12.2 am feldprägenden Mantel 2.2 erstreckt sich laut Simulationsrechnung der nach Gl. (1) definierte homogene Bereich bis zu einem Radius von r_h = 16 cm auf der Mittelebene, bzw. 13 cm an den inneren Polplatten 1.2. Verglichen mit dem in Kap. 3.2.1 besprochenen Spinkoffer erfordert diese Variante auf der einen Seite einen erhöhten finanziellen Aufwand bzgl. des hochwertigen μ-Metalls, bietet aber auf der anderen Seite erhöhte Sicherheit gegen störende remanente Magnetisierung sowie Vereinfachungen in der Fertigung.
3.2.3 Weitere erfindungsgemäße Vorrichtungen und Anwendungen, z. B. Kompaktmagnete für Kernspintomographie bei niedrigen Feldern
Aufgrund ihres prinzipiellen Charakters beschränkt sich die Anwendung der hier beschriebenen Erfindung wie gesagt nicht auf den erwähnten Transport spinpolarisierter Gase („Spinkoffer”) im homogenen Magnetfeld. Vielmehr ist jede wissenschaftliche und technische Anordnung angesprochen, in der innerhalb eines bestimmten, der Fragestellung angepassten Volumens ein homogenes Magnetfeld bis zur Größenordnung von beispielsweise 10⁵ A/m verlangt wird. Bei diesem Feldwert weist ein feldprägender Mantel 2.1 aus ARMCO-Reineisen beispielsweise noch eine Permeabiltät von μ ≈ 17 auf (Anspruch 16). Aufgrund der reduzierten Permeabilität sind die Streuverluste an Kraftfluss aus diesem Mantel heraus wesentlich stärker; sie erfordern daher auch eine stärkere und präzisere, aber durchaus noch realisierbare Anpassung der Dicke oder des Umfangs dieses Mantels bei gleichen Ansprüchen an die Homogenität des Feldes.
Bei wesentlich höheren Magnetfeldern setzt der Verlust an Permeabilität im feldprägenden Mantel dieser Technik allerdings Grenzen.
Als Beispiele einer Anwendung der erfindungsgemäßen, weiträumigen Feldhomogenisierung im Bereich mittlerer Feldstärke diskutieren wir nachfolgend drei Entwürfe kompakter, permanent erregter Magnete, die für Zwecke der Kernspintomographie in diesem Feldbereich geeignet erscheinen. In diesem Zusammenhang wiederholen wir die Bemerkung aus Kap. 2, dass die Kernspintomographie mit hyperpolarisierten Substanzen als Kontrastmittel nicht auf die ansonsten üblichen, hohen Feldwerte > 1 T angewiesen ist. Vielmehr erlaubt der von vorneherein vorgegebene, hohe Polarisationsgrad der Gase den Vorteil sehr viel kleinerer Tomographenfelder, z. B. von der Größenordnung 50 mT.
3.2.3.1 Geschlossener Magnet für 50 mT
Als erstes stellen wir einen kleineren, geschlossenen Magneten vom kreiszylindrischen Dosentyp der 6 vor, der für die Untersuchung kleinerer Objekte einschließlich kleinerer Versuchstiere geeignet erscheint (s. 12) (Ansprüche 32, 33, 37 bis 40). Das im Vergleich jetzt sehr viel höhere Feld im Innenraum von 38.500 A/m, (entsprechend ca. 50 mT) verlangt entsprechend mehr Material in den Permanentmagneten 5 und Polschuhen 1, um den notwendigen Kraftfluss zu erzeugen und zu transportieren. Dafür kann die Abschirmung gegen äußere Störfelder in der Regel entfallen. Mit nur zwei Shimstufen 12.1 im feldprägenden Mantel 2.1 aus ARMCO-Reineisen erreicht man in der Simulation bereits einen Feldgradienten < 4 μT/cm in ca. der Hälfte des Innenvolumens. Weiteres Ausshimmen am Objekt selbst mit feineren Stufen und schließlich mittels Gradientenspulen würde zweifellos in einen für tomographische Zwecke erwünschten Bereich von der Größenordnung 1 μT/cm führen.
3.2.3.2 In Feldrichtung offener Tomographiemagnet
Als zweites Beispiel diskutieren wir einen größeren, gestreckten, kreiszylindrischen, permanent erregten Magneten vom Typ der 7, jedoch als offene Konfiguration ohne die beiden, für die Beschickung hinderlichen Stirnplatten (s. 13). Seine Abmessungen sind mit einem Innendurchmesser von 60 cm für humane Anwendungen geeignet, z. B. für eine Kernspintomographie der Lunge mittels hyperpolarisierter Gase (Ansprüche 32, 33, 37 bis 40). Hier wird ein Homogenitätsbereich von ca. 30 cm Durchmesser und Länge verlangt. In einer gestreckten Konfiguration bietet der (bei dieser Anwendung notwendige) Verzicht auf die abschließenden Stirnplatten einen zusätzlichen, wertvollen Vorteil bezüglich der Homogenisierung des zentralen Feldbereichs. Dadurch entsteht nämlich entlang der Zylinderachse ein Feldabfall vom Zentrum her in Richtung der Zylinderenden. Andererseits führt der Streufluss aus dem feldprägenden Zylindermantel heraus zu einem umgekehrten Feldabfall, also in Richtung der Zylindermitte. Bei einem bestimmten Verhältnis aus Länge zu Durchmesser des Zylinders müssen sich daher beide Gradienten 2. Ordnung im Zentrum gerade kompensieren (Anspruch 30). Das führt dort zu einem Sattelpunktfeld von mindestens 4. Ordnung und entsprechend ausgedehntem Homogenitätsbereich, wie etwa bei dem bekannten Helmholtzspulenfeld. Die auf diese Weise erreichte gute Grundhomogenität des Feldes erleichtert sein weiteres Ausshimmen. Für die in 13 gewählte Konfiguration findet die Simulation diese Gradientenkompensation im Zentrum für eine Zylinderlänge von etwa 120 cm. Im Interesse eines möglichst großen homogenen Feldvolumens empfiehlt es sich aber, über diesen Punkt hinauszugehen und eine etwas größere Länge (hier: 124 cm) zu wählen. Dadurch entstehen auf der Achse zwei getrennte Feldmaxima; sie schließen in der Mitte eine leichte Feldmulde ein, die sich besser ausshimmen lässt. Mit drei Shimstufen 12.1 im feldprägenden Mantel 2.1 zeigt die in 13 wiedergegebene simulierte Feldverteilung am Rand des geforderten homogenen Feldvolumens von ca. 30 cm Länge und 30 cm Durchmesser einen Feldgradienten von ca. 10 μT/cm bei einem zentralen Feldwert von 28.600 A/m. Feineres Ausshimmen sollte am Produkt selbst erfolgen.
3.2.3.3 Transversal zur Feldrichtung offener Tomographiemagnet
Als drittes stellen wir wiederum einen offenen, z. B. für die menschliche Thorax-Kernspintomographie bei niedrigem Feld geeigneten, kompakten, permanent erregten, beidseitig offenen Magneten vor (Ansprüche 32, 33, 37 bis 40). Im Gegensatz zum zweiten Beispiel handelt es sich jedoch um eine quaderförmige Konfiguration (Anspruch 31). 14 zeigt den ersten Quadranten eines Querschnitts senkrecht zur langen Achse, entlang derer der Körper in den vierseitig berandeten Quader eingeführt werden kann. Die Ober- und Unterseite bilden die Polschuhe 1.1 aus weichmagnetischem Material hoher Permeabilität und geringer Remanenz, beispielsweise ARMCO-Reineisen, die ein transversales Magnetfeld einschließen. Zwecks Steigerung der Homogenität werden sie wie im Beispiel der 9 um zwei innere Polflächen 1.2 aus Material höchster Permeabilität, beispielsweise μ-Metall ergänzt. Deren Stärke (hier: 1,1 mm) wurde so angepasst, dass der magnetische Kraftfluss möglichst gleichmäßig über die Breite der Polflächen 1.2 verteilt aus diesen austritt. Die beiden geschlossenen Seitenflächen werden erfindungsgemäß von weichmagnetischen, gleichsinnig mit dem Zentralfeld magnetisierten und in ihren Dicken auf einen konstanten Feldwert hin geshimmten feldprägenden Mantelflächen 2.1 gebildet. Sie bestehen beispielsweise aus ARMCO-Reineisen. Außen folgen zwei permanent magnetisierte Platten 5, beispielsweise aus AINiCo, die den Polschuhen 1 und den Mantelflächen 2.1 den notwendigen magnetischen Kraftfluss zuführen, um im Innenvolumen laut Simulation ein Feld von 47.200 A/m bzw. 59,3 mT zu erzeugen. Die lichte Innenweite des Quaders ist im Beispiel zu 59,8 cm × 48,8 cm gewählt, die Länge jedoch unendlich, um eine zweidimensionale Simulationsrechnung zu ermöglichen. Bei drei Shimstufen 12.1 in den beiden Mantelflächen wird in der Simulation im geforderten Homogenitätsvolumen von ca. 30 cm Durchmesser und 30 cm Länge ein Feldgradient < 2 μT/cm erreicht. Bei einem realen Magneten endlicher Länge entsteht entlang der Achse in Richtung der beiden offenen Flächen ein Feldabfall. Er muss bei dieser Konfiguration durch konventionelle Shims (beispielsweise durch Reduktion des Polschuhabstands an den Rändern oder durch Gradientenspulen) ausgeglichen werden. Das gelingt im Zentrum erfahrungsgemäß über eine Strecke von 1/4 bis 1/3 der Gesamtlänge. Wie im zweiten Beispiel würde man also auch bei dieser Konfiguration mit einer Gesamtlänge von ca. 1,2 m auskommen können, was bei der hier vorgestellten Konfiguration zu einer Gesamtmasse aller magnetisch relevanten Teile von nur 680 kg führen würde.
In allen drei vorstehend vorgeschlagenen Konfigurationen von permanent erregten Magneten, die unter anderem in der Kernspintomographie bei niedrigeren Feldern eingesetzt werden könnten, führt die erfindungsgemäße weiträumige Homogenisierung des Feldes durch gleichsinnige und konstante Mantelmagnetisierung zu einer sehr kompakten und damit Raum, Gewicht und Kosten sparenden Lösung. Im Gegensatz zu normal leitenden Elektromagneten fallen auch keine Energie- und Kühlwasserkosten an. Der im dritten Beispiel vorgestellte offene, quaderförmige Magnet beschränkt sich beispielsweise auf ein Außenmaß von 70,4 cm × 53 cm im Querschnitt und 120 cm in der Länge bei einer Masse von nur 680 kg. Zum Zwecke der Kernspintomographie kann er daher beispielsweise auch senkrecht aufgestellt und ohne viel Aufwand beim stehenden Patienten eingesetzt werden; das ist beispielsweise bei der Lungendiagnostik aus physiologischer Sicht ein Vorteil.
4 Zusammenfassende Diskussion
Die Simulationsrechnungen eines gegen äußere Störfelder geschirmten Magneten geringer Feldstärke (in der Größenordnung von 500 A/m), der beispielsweise für Aufbewahrung und Transport spinpolarisierter Gase geeignet ist, erlauben bezüglich der hier offenbarten erfinderischen Ideen folgende Feststellungen:

• Ein durch Permanentmagnete von außen magnetisierter geschlossener Zylinder aus weichmagnetischen Materialien weist bei der erfindungsgemäßen, zum Feld im Innenraum parallelen Führung des Magnetfeldes im feldprägenden Zylindermantel und bei Konstanthalten des Feldes in diesem Mantel, was durch die erfindungsgemäße Anpassung von Manteldicke oder Mantelumfang an die streuflussbedingte Änderung des Kraftflusses im Mantel erreicht wird, ein weiträumig homogenes und gegen äußere Störfelder abgeschirmtes Magnetfeld im Innenraum auf (Ansprüche 1 bis 15).
• Definiert man die Homogenitätsgrenze beispielsweise als eine obere Grenze des relativen radialen Feldgradienten von G_r ≤ 10^–3/cm(s. Gl. (1)), so wird diese Grenze laut Simulationsrechnungen bei Innenabmessungen von beispielsweise 20 cm Radius und 16 bis 18 cm Höhe innerhalb eines Radius von bis zu 18,5 cm eingehalten, entsprechend eines Bruchteils von ca. 85% des Innenraumvolumens (Füllfaktor nach Gl. (6)) (Anspruch 28). Bei gleicher Dimensionierung weist die Simulation der 3 für einen Topfmagneten, der mit Hilfe der im Patent DE 197 42 548 offenbarten Technik verteilter Permanentmagnete optimiert wird, aber noch die dem Stand der Technik entsprechende, schädliche, antiparallele Mantelfeldführung aufweist, einen Homogenitätsradius von nur 11 cm aus, entsprechend ca. 30% des Innenraumvolumens.
• Bei gleichem nutzbarem Volumen spart umgekehrt die erfindungsgemäße Konstruktion gegenüber dem Stand der Technik Gesamtvolumen und Gesamtgewicht ein.
• Die genannten Füllfaktoren gelten für die relativ grob gewählten Abstufungen der Manteldicke in den Simulationen. Bei kontinuierlicher, perfekter Anpassung der Manteldicke an den Mantelfluss nähert sich der Füllfaktor für einen geschlossenen Zylinder vom Grundtyp der 4 in jedem Falle der 1, unabhängig von den Dimensionen des Objekts, solange dem nicht Toleranzen der Fertigung und der Materialkonstanten – insbesondere der Magnetisierung – Schranken setzen.

Bezüglich allgemeiner Anwendungen im Bereich niedriger Magnetfelder realisiert die erfindungsgemäße Magnetfeldeinrichtung folgende Vorteile:

• Eine scharfe Begrenzung des Magnetfeldes auf den Innenraum eines Behälters aus weichmagnetischen Materialien.
• Eine große, weiträumige Homogenität des Magnetfeldes im Innenraum des Behälters infolge der erfindungsgemäßen parallelen Mantelfeldführung.
• Eine Erregung des Magnetfeldes durch Permanentmagnete unabhängig von Stromquellen.
• Eine Abschirmung gegen äußere magnetische Störfelder.
• Bei Verwendung weichmagnetischer Materialien mit geringster Koerzitivkraft, beispielsweise μ-Metall, Schutz vor Feldverzerrungen durch remanten Magnetismus.
• Ein geringes Gewicht aufgrund dünnwandiger, aber versteifter Konstruktion.

Fragt man nach der oberen Grenze des Magnetfeldes, bis zu der die erfindungsgemäße, weiträumige Homogenisierung des Feldes mittels eines gleichsinnig magnetisierten, weichmagnetischen, umhüllenden, feldprägenden Mantels noch gelingt, so lautet die Antwort: Sie ist prinzipiell möglich, solange die Permeabilität μ des feldprägenden Mantels noch groß genug ist, um durch Anpassung von Manteldicke oder -umfang Randfeldinhogenitäten auszugleichen (Ansprüche 1 bis 4, 16, 20). Legt man für den feldprägenden Mantel beispielsweise Reineisen mit einer Sättigungsinduktion von 2,15 T zugrunde, so hat selbst bei einem äußeren Feld von H = 100.000 A/m (entsprechend B = 0,126 T) die Permeabilität noch einen Wert von 17. Der feldprägende Mantel bindet also pro Querschnittseinheit im Vergleich zum Innenraum immer noch den 17-fachen Kraftfluss, den er (durch Variation seines Querschnitts) mit dem Innenraum zum Zwecke der Feldhomogenisierung austauschen kann. Für den feldprägenden Mantel wird also ein relativ kleiner Bruchteil des gesamten Querschnitts des Magneten genügen.
Als Beispiele vorteilhafter Anwendungen der erfindungsgemäßen, weiträumigen Homogenisierung mittelstarker Felder haben wir drei Typen von Magneten mit Feldwerten zwischen 35 und 60 mT entworfen und simuliert, die speziell für die Kernspintomographie mittels hyperpolarisierter Kontrastmittel geeignet erscheinen (Ansprüche 29 bis 33, 37 bis 40). Die dritte, offene, quaderförmige Variante 3.2.3.3 (Anspruch 31) ist z. B für die Kernspintomographie der menschlichen Lunge mittels hyperpolarisierter Kontrstmittel konzipiert. Sie zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:

• Sehr kompakte Bauweise mit Gesamtabmessungen von nur 70,4 cm × 53 cm Querschnittsfläche und 120 cm Länge.
• Geringes Gewicht von nur 680 kg.
• Infolgedessen sind auch Aufstellung des Magneten sowie Manipulationen seiner Lage (Verschieben, Drehen der Achse in die Senkrechte etc.) ohne größeren baulichen und mechanischen Aufwand möglich.
• Im Vergleich zu üblichen Tomographenmagneten geringe Anschaffungskosten.
• Keine Kosten für Strom, Kühlwasser oder flüssiges Helium, da permanent erregt.

5 Beschreibungen der Figuren
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft, ohne Beschränkung hierauf beschrieben werden. Es zeigen:
1: eine Schnittskizze eines Topfmagneten gemäß dem Stand der Technik
2: die Verteilung des Feldbetrags im Innenraum des Topfmagneten gemäß 1
3: eine Alternative der Ausführungsform gemäß 2 mit einem zusätzlich gleichgesinnten magnetisierbaren Pergamentmagnetrings
4: eine Schnittskizze eines Topfmagneten in Form eines geschlossenen Zylinders
5a und 5b: Querschnittskizze eines flachen Zylindermagneten
6: Magnetfeld des Zylindermagneten gemäß 5b 7: Feldverteilung in einem gestreckten Topfmagneten
8: berechnete Feldverteilung in einem Topfmagneten dergleichen Konfiguration wie in 5b
9: Querschnittsskizze eines so genannten Spinnkoffers
10: Profil eines axialen Magnetfeldes entlang eines Durchmessers auf der Mittelebene des Spinnkoffers gemäß 9
11: Querschnittsskizze einer Variante des in 9 gezeigten Spinnkoffers
12: Querschnittsskizze eines kreiszylindrischen Magneten wie in 6 gezeigt
13: Querschnittsskizze eines gestreckten offenen kreiszylindrischen Magneten
14: Querschnittsskizze eines gestreckten offenen quaderförmigen Magneten
1: zeigt eine Schnittskizze eines einfachen, geschlossenen, permanent erregten Topfmagneten nach allgemeinem Stand der Technik, bestehend aus Stirnplatten I als Polflächen, Mantel II zwecks Schließen des magnetischen Kraftflusses und Abschirmung äußerer Störfelder, sowie permanent magnetisierten Ringen III als Feldquellen. I und II sind aus weichmagnetischem Material gefertigt. Blockpfeile geben in dieser und allen folgenden Figuren die jeweilige Richtung des magnetischen Feldes innerhalb der ferromagnetischen Bauteile bzw. im freien Raum an. Der Übersichtlichkeit halber sind die Wandstärken hier im relativen Maßstab stark vergrößert gezeichnet.
2: zeigt die berechnete Verteilung des Feldbetrags im Innenraum eines einfachen Topfmagneten nach 1, hier als flacher Kreiszylinder mit Innenradius R = 20 cm und Innenhöhe h = 18 cm. Aus Symmetriegründen genügt es, hier und in den folgenden Figuren nur den rechten oberen Quadranten eines axialen, mittigen Querschnitts darzustellen.
Positive (punktiert) und negative (gestrichelt) Abweichungen vom zentralen Feldwert H₀ sind hier und in den folgenden Figuren bis einschl. 11 als Höhenlinien im Abstand ± 5·10^–4·H₀ dargestellt. Die Homogenitätsforderung
ist demnach eingehalten, wenn benachbarte Höhenlinien einen Abstand > 5 mm (in natura) haben. Die durchgezogenen Höhenlinien begrenzen Bereiche, innerhalb derer der Feldwert um mehr als ± 0,5% vom zentralen Wert abweicht.
Die Bleche der Polschuhe I und des Mantels II seien je 1 mm stark und aus magnetisch hochpermeablem Material (μ = 10⁵). Je ein Permanentmagnetring III mit einem Querschnitt von 1 mm² befinde sich an den Schnittstellen zwischen Polschuhen I und Mantel II. Bei der gewählten axialen Magnetisierung der Permanentmagnete III von B_p = 1,15 T beträgt die magnetische Flussdichte im Innenraum etwa 0,535 mT (entsprechend einer Feldstärke von 426 A/m). Sie ist aufgrund der schädlichen Feldumkehr am Mantel sehr inhomogen verteilt, sodass das Homogenitätskriterium (1) bis in die unmittelbarer Nähe des Sattelpunkts im Zentrum verletzt ist. (Weitere Erklärungen der Symbole bei 1)
3: ist wie 2, jedoch mit einem zusätzlichen, gleichsinnig magnetisierten Permanentmagnetring IV in der Mittelebene am Ort des Mantels II, der den starken Randabfall des Magnetfelds in der Nähe der Mittelebene nach dem in [7] offenbarten Stand der Technik kompensiert. Das zentrale Magnetfeld steigt dadurch laut Rechnung auf 802 A/m an. Die zusätzliche Feldquelle in der Mittelebene bewirkt eine Ausdehnung des Homogenitätsbereichs nach (1) auf einen Radius von nunmehr r_h = 11 cm, wie man anhand der gewählten Feldabstufung erkennt. (Für weitere Erklärungen der Symbole s. 1 und 2)
4: zeigt eine Schnittskizze eines Topfmagneten in Form eines geschlossenen Zylinders 14 mit Wänden 1, 2 aus weichmagnetischen Materialien, der einen Innenraum 15 umschließt, in dem der permanent magnetisierte äußere Mantel 5 ein Magnetfeld (H) erzeugt. Dieses Magnetfeld wird durch die erfindungsgemäße parallele Magnetisierung im feldprägenden Mantel 2 sowie die ebenen, als Polflächen wirkenden Stirnflächen 1 des Zylinders weiträumig homogenisiert. Zu diesem Zweck wird der magnetische Kraftfluss aus der Feldquelle 5 auf den feldprägenden Mantel 2 und über die Polflächen 1 auf den umschlossenen Innenraum 15 mit paralleler Feldrichtung aufgeteilt (s. Ansprüche 1, 6 bis 10). (Weitere Erklärungen der Symbole bei 1)
5a) zeigt eine Querschnittsskizze eines flachen Zylindermagneten mit denselben Dimensionen wie in 2 und ebenso mit hochpermeablem Material (μ = 10⁵) für die als Polflächen dienenden Stirnflächen 1 (Anspruch 8) und für den Mantel 2. Dem erfinderischen Prinzip des dem inneren Magnetfeld gleichgerichteten Mantelfelds folgend (Anspruch 1) wurde der innere Mantel 2 laut Anspruch 10 mit einem äußeren Mantel 5 aus AINiCo 500 von 1,2 mm Dicke umgeben, der mit einer axial gerichteten magnetischen Kraftflussdichte B_p = 1,15 T permanent magnetisiert ist und seinen magnetischen Kraftfluss über die Polflächen 1 parallel dem Innenraum und dem Mantel 2 zuführt. Wegen dieses Prinzips übertrifft die Homogenität des simulierten Feldes bei der sehr hoch gewählten Permeabilität praktisch im gesamten Innenraum die in Gl. (1) gestellte Forderung. Jedoch ist aufgrund des starken Kurzschlusses des magnetischen Flusses durch die hohe Permeabilität des Mantels 2 der Betrag des Magnetfelds mit 11 A/m zu gering für praktische Anwendungen, z. B. für den Transport kernspinpolarisierter Gase.
5b) entspricht 5a), jedoch mit einem feldprägenden Mantel 2.1 aus einem Material mittlerer Permeabilität, hier ARMCO-Reineisen. Für alle ferromagnetischen Elemente (μ-Metall, ARMCO-Reineisen, AINiCo 500) wurden für diese und alle folgenden Simulationsrechnungen realistische Magnetisierungskurven als Funktion des örtlichen Magnetfelds verwendet. Die geringere Permeabilität des feldprägenden Mantels 2.1 führt gemäß Anspruch 16 einerseits zu einer Anhebung des Magnetfelds im Innern in den bevorzugten Bereich (hier: 315 A/m, entsprechend B ≈ 0,4 mT). Andererseits wird allerdings der Gl. (1) genügende homogene Bereich durch den erhöhten Streufluss aus dem feldprägenden Mantel auf einen Radius von r_h = 13,5 cm eingeengt. (Weitere Erklärungen der Symbole bei 1, 2, 4)
6: zeigt ein simuliertes Magnetfeld des Zylinders aus 5b, ebenfalls mit realistischen
Magnetisierungskurven gerechnet, jedoch mit einer zusätzlichen, 7 μm breiten Shimstufe 12.1, die die Dicke des feldprägenden Mantels 2.1 zur Zylindermitte hin verringert. Dadurch kann trotz des durch austretende Kraftlinien sich zur Mitte hin abschwächenden magnetischen Kraftflusses durch den Mantel die Kraftflussdichte im Mantel und damit auch das tangentiale Magnetfeld entlang des Mantelrandes näherungsweise konstant gehalten werden (Ansprüche 3, 12). Durch diese zweite erfinderische Maßnahme wird der Gl. (1) genügende, homogene Bereich des Magnetfeldes gegenüber dem Fall der 5b bis zu einem Radius von 18,5 cm ausgeweitet. Das ergibt einen sehr hohen Füllfaktor nach Gl. (6) von ca. 85%. (Weitere Erklärungen der Symbole bei 1, 2, 4)
7: zeigt eine berechnete Feldverteilung in einem gestreckten Topfmagneten mit Radius R = 9 cm und Höhe h = 40 cm. Ansonsten entspricht die Konfiguration derjenigen in 6, jedoch jetzt mit zwei Shimstufen 12.1 von 14 μm bzw. 28 μm Stufenhöhe im feldprägenden Mantel. Dadurch wird gemäß Ansprüchen 3 und 12 auch für die gestreckte Konfiguration im überwiegenden Teil des Innenraums, d. h. auf einer Gesamthöhe von 31 cm, eine Gl. (1) genügende Homogenität erreicht. (Weitere Erklärungen der Symbole bei 1, 2, 4)
8: zeigt eine berechnete Feldverteilung in einem Topfmagneten der gleichen Konfiguration wie in 5b gezeigt; jedoch wird hier die Stabilisierung des tangentialen Feldes am Rand des feldprägenden Mantels 2.3 gemäß Ansprüchen 4 und 13 durch eine kontinuierliche Verjüngung seines Durchmessers zur Mantelmitte hin (in Form einer Taille mit kreisförmigem Profil) erreicht anstelle von diskontinuierlichen Stufen der Manteldicke. Der Homogenitätsradius beträgt hier 18 cm, entsprechend einem Füllfaktor von 80%. (Weitere Erklärungen der Symbole bei 1, 2, 4)
9: ist eine Querschnittsskizze eines realisierten Prototyps eines „Spinkoffers". Zur besseren Homogenisierung des Feldes im Bereich der Polflächen sowie zur besseren Abschirmung äußerer Störfelder wurde die Konfiguration der 6 um zwei innere Polplatten 1.2 bzw. einen weiteren Mantel 8, jeweils aus μ-Metall, ergänzt (Ansprüche 17, 18, 23). Die Zwischenräume 6 bzw. 9 sind aus Festigkeitsgründen mit unmagnetischen Wabenstrukturen ausgefüllt und mit den angrenzenden Flächen verklebt worden (Ansprüche 26, 27). Die lichte Höhe zwischen den beiden inneren Polschuhen 1.2 beträgt 15,8 cm, der Gesamtdurchmesser einschließlich der äußeren Abschirmung 8 beträgt 44 cm. Die Magnetisierung der verwendeten zweiteiligen Rundmagnetstäbe 7 aus AINiCo 500 mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 170 mm wurde in der Simulation gleichmäßig auf den Umfang verteilt. In der Realität tragen hierfür die Reineisenringe 10 und 11 sowie die nach außen gebördelte Kante des Mantels 2.1 Sorge. Ein beträchtlicher Teil des Kraftflusses fließt jetzt über die äußere Abschirmung 8 zurück. Um trotzdem den gewünschten Betrag des Zentralfelds zu erreichen, ist der Mantel 2.1 im Gegensatz zu 6 jetzt nur noch 0,5 mm stark, was die Ausgangshomogenität des Magnetfelds (vor dem Shimmen) reduziert. Das Shimmen des Magnetfelds erfolgte in der Simulation in zwei Stufen mit 50 μm bzw. 250 μm starker μ-Metallfolien 12.2. Die Simulation ergibt ein zentrales Feld von 866 A/m, sowie auf der Mittelebene einen Homogenitätsradius von ca. 17 cm, was einem Füllfaktor von ca. 70% entspricht. (Weitere Erklärungen der Symbole bei 1, 2, 4)
10: zeigt ein Profil des axialen Magnetfelds B_Z (links) und des relativen Feldgradienten G_r nach Gl. (1) (rechts), gemessen entlang eines Durchmessers auf der Mittelebene des gemäß 9 gefertigten Prototyps eines zylindrischen „Spinkoffers" mit einem Innenradius von 20 cm. Die Homogenitätsforderung (1) wird bis zu einem Radius von 13 bis 14 cm erfüllt, was ausreichend ist, um darin drei dicht gepackte sphärische Zellen mit jeweils einem Liter kernspinpolarisiertem ³He ausreichend lange ohne wesentliche Polarisationsverluste zu speichern bzw. zu transportieren.
11: zeigt eine Querschnittsskizze einer Variante des in 9 gezeigten Spinkoffers, bei dem alle weichmagnetischen Elemente zwecks Vermeidung remanenter Störfelder aus Material geringster Koerzitivkraft bestehen (Anspruch 19). Insbesondere ist auch der feldprägende Mantel 2.2 aus μ-Metall gewählt, dessen Permeabilität erfindungsgemäß durch eine sättigende Kraftflussdichte von 0,7 T auf μ ≈ 700 abgesenkt wurde, um im Innenraum eine Feldstärke im bevorzugten Bereich um 500-1000 A/m erreichen zu können (Anspruch 20). Außerdem ist der feldgebende Mantel jetzt aufgeteilt auf je einen permanent magnetisierten Ring 5.1 unterhalb der äußeren Polflächen 1.1 (Anspruch 21) und einen die Ringe verbindenden Mantel 5.2 aus μ-Metall, der den Kraftfluss schließt und außerdem den Innenraum gegen äußere Störfelder abschirmt (Ansprüche 24, 25). Die Ringe 5.1, 5 mm breit und 2 mm hoch, sind hier aus „Betaflex" (in Kunststoff gebundene, hartmagnetische Ferritkörner) gewählt, das eine mittlere, permanente Magnetisierung von B_p = 0,245 T aufweist. Der zusätzliche μ- Metallring 13 dient dazu, unerwünschte Sättigungsmagnetisierung in diesem Bereich maximalen Kraftflusses zu vermeiden. Aus dem gleichen Grunde wurde die Wandstärke des Mantels 5.2 1,5 mm stark gewählt. Mit drei Shimstufen 12.2 wurde laut berechneter Feldkarte ein Homogenitätsradius nach Gl. (1) von 16 cm in der Mittelebene und 13 cm im Bereich der Polflächen erreicht. (Weitere Erklärungen der Symbole bei 1, 2, 4 und 9)
12: zeigt eine Querschnittsskizze eines erfindungsgemäßen kreiszylindrischen Magneten vom Typ der 6, jedoch für ein höheres Feld von 38.500 A/m (entsprechend 48,4 mT) konzipiert. Die Polschuhe 1, der feldprägende Mantel 2.1, und die permanenten Feldquellen 5 wurden entsprechend verstärkt. Für die Feldsimulation wurden die Polschuhe 1 aus μ-Metall, der Mantel 2.1 aus ARMCO-Reineisen, sowie die Permanentmagnete aus AINiCo 500 gewählt. Mit zwei Shimstufen 12.1 erreicht man einen Feldgradienten < 4 μT/cm in ca. der Hälfte des Innenvolumens. Positive (punktiert) und negative (gestrichelt) Abweichungen vom zentralen Feldwert H₀ sind hier als Höhenlinien im Abstand ± 4 μT dargestellt. Die durchgezogenen Höhenlinien begrenzen Bereiche, innerhalb derer der Feldwert um mehr als das zehnfache dieses Werts nach oben („>") bzw. nach unten („<") vom zentralen Feldwert H₀ abweicht. (Weitere Erklärungen der Symbole bei 1 und 4)
13: zeigt eine Querschnittsskizze eines erfindungsgemäßen, gestreckten, offenen, kreiszylindrischen Magneten mittlerer Feldstärke (H = 28.600 A/m entsprechend B = 36,4 mT), der beispielsweise für die humane Kernspintomographie der Lunge mittels hyperpolarisierter Gase geeignet wäre.
Der feldprägende Innenmantel 2.1 umschließt einen Raum von 30 cm Radius und 124 cm Länge. Die Feldsimulation geht für den Innenmantel 2.1 von ARMCO-Reineisen und für die Permanentmagnete 5 von AINiCo 500 aus. Durch Anpassung der Länge wird im Zentrum eine weitgehende Kompensation von positiven und negativen Feldgradienten 2. Ordnung erreicht. Zur weiteren Verbesserung der Homogenität berücksichtigt die Simulation drei erfindungsgemäße Shimstufen 12.1. Die berechnete Feldkarte weist im Zentrum auf einem Durchmesser von 30 cm und einer Höhe von 30 cm einen Feldgradienten < 10 μT/cm auf. Positive (punktiert) und negative (gestrichelt) Abweichungen vom zentralen Feldwert H₀ sind hier als Höhenlinien im Abstand ± 36 μT dargestellt. Die durchgezogenen Höhenlinien begrenzen Bereiche, innerhalb derer der Feldwert um mehr als das fünffache dieses Werts nach oben („>") bzw. nach unten („<") vom zentralen Feldwert H₀ abweicht. (Weitere Erklärungen der Symbole bei 1 und 4)
14: zeigt eine Querschnittsskizze (1. Quadrant) eines erfindungsgemäßen, gestreckten, offenen, jedoch im Gegensatz zu 13 quaderförmigen Magneten mittlerer Feldstärke (H = 47.200 A/m entsprechend B = 59,3 mT), der ebenfalls für die humane Kernspintomographie der Lunge mittels hyperpolarisierter Gase geeignet wäre. Die äußeren Stirnplatten 1.1 mit den inneren Polflächen 1.2 bilden Boden und Deckel, die feldprägenden Innenplatten 2.1 mit den anliegenden Permanentmagneten 5 bilden die beiden Seitenflächen, die Vorder- und Hinterseite sind offen. Der lichte Innenraum hat einen Querschnitt von 59,8 cm × 48,8 cm. Um eine zweidimensionale Simulation zu erlauben, wurde die Länge unendlich gewählt. Drei Shimstufen 12.1 reduzieren im geforderten Homogenitätsvolumen von ca. 30 cm Durchmesser und 30 cm Länge den Feldgradienten auf weniger als 2 μT/cm. Positive (punktiert) und negative (gestrichelt) Abweichungen vom zentralen Feldwert H₀ sind hier als Höhenlinien im Abstand ± 2 μT dargestellt. Die durchgezogenen Höhenlinien begrenzen Bereiche, innerhalb derer der Feldwert um mehr als das zehnfache dieses Werts nach oben („>") bzw. nach unten („<") vom zentralen Feldwert H₀ abweicht. (Weitere Erklärungen der Symbole bei 1 und 4)

Claims

Verfahren zur weiträumigen Homogenisierung eines Magnetfeldes mittels Umhüllung des zu homogenisierenden Feldbereichs 15 mit einem zum Feldvektor parallelen und gleichsinnig magnetisierten, feldprägenden Zylindermantel 2 aus einem weichmagnetischen ferromagnetischen Material, wobei der feldprägende Mantel 2 derart ausgebildet ist, dass darin weitgehend die gleiche magnetische Feldstärke (H) herrscht wie im umhüllten Innenraum 15 des Zylinders.
Verfahren zur weiträumigen Homogenisierung eines Magnetfeldes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Kraftflussdichte (B) im feldprägenden Mantel 2 vorliegt und die Manteldicke entlang der Mantelhöhe kontinuierlich an magnetische Streuflüsse aus dem feldprägenden Mantel 2 heraus bzw. in ihn hinein angepasst wird, sodass die sich aufgrund der magnetischen Kraftflussdichte (B) ergebende Tangentialkomponente des Magnetfeldes (H) am Rand des feldprägenden Mantels 2 weitgehend konstant ist.
Verfahren zur weiträumigen Homogenisierung eines Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Kraftflussdichte (B) im feldprägenden Mantel 2 vorliegt und die Manteldicke entlang der Mantelhöhe stufenförmig an magnetische Streuflüsse aus dem feldprägenden Mantel 2 heraus bzw. in ihn hinein angepasst wird, sodass die sich aufgrund der magnetischen Kraftflussdichte (B) ergebende Tangentialkomponente des Magnetfeldes (H) am Rand des feldprägenden Mantels 2 weitgehend konstant ist.
Verfahren zur weiträumigen Homogenisierung eines Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Kraftflussdichte (B) im feldprägenden Mantel 2 vorliegt und der Umfang des feldprägenden Mantels 2 entlang der Mantelhöhe an magnetische Streuflüsse aus dem feldprägenden Mantel 2 herus bzw. hinein in Form einer Einschnürung oder Ausbuchtung in Abhängigkeit des Vorzeichens der magnetischen Kraftflussänderung angepasst wird, sodass die sich aufgrund der magnetischen Kraftflussdichte (B) ergebende Tangentialkomponente des Magnetfeldes (H) am Rand des feldprägenden Mantels 2 weitgehend konstant ist.
Verfahren zur weiträumigen Homogenisierung eines Magnetfeldes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Kraftflussdichte (B) im feldprägenden Mantel 2 vorliegt und ein äußeres magnetisches Korrekturfeld vorgesehen ist, das den lokalen magnetischen Streufluss aus dem Mantel 2 heraus bzw. in ihn hinein durch einen jeweils entgegengesetzten magnetischen Korrekturfluss kompensiert und dadurch die magnetische Kraftflussdichte entlang der Mantelhöhe konstant hält.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes in einem umschlossenen Raum, d. h. einem Innenraum 15, insbesondere geeignet für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, begrenzt von einem geschlossenen Zylinder 14 mit Wänden aus weichmagnetischen Materialien in vorzugsweise kreiszylindrischer Konfiguration mit einem feldprägenden Mantel 2, dadurch gekennzeichnet, dass der feldprägende Mantel 2 derart ausgebildet ist, dass ein tangentiales Magnetfeld (H) am Rand des feldprägenden Mantels 2 ausgebildet wird, welches nach Betrag und Richtung dem Magnetfeld im umschlossenen Innenraum 15 weitgehend gleich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der umschlossene Raum 15 ein geschlossener zylindrischer Behälter mit ebenen Polflächen ist, aus denen das Magnetfeld vertikal austritt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polflächen durch die Stirnflächen 1 gebildet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polflächen als separate Bauteile im Zylinder ausgebildet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei Permanentmagnete 5 vorgesehen sind, die einen durch Innenraum 15 und feldprägenden Mantel 2 gleichsinnig geführten magnetischen Kraftfluss (Φ) erzeugen.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Kraftflussdichte (B) im feldprägenden Mantel 2 vorliegt und die Manteldicke entlang der Mantelhöhe kontinuierlich an magnetische Streuflüsse aus dem feldprägenden Mantel 2 heraus bzw. in ihn hinein angepasst wird, sodass die sich aufgrund der magnetischen Kraftflussdichte (B) ergebende Tangentialkomponente des Magnetfeldes (H) am Rand des feldprägenden Mantels 2 weitgehend konstant ist.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Kraftflussdichte (B) im feldprägenden Mantel 2 vorliegt und die Manteldicke entlang der Mantelhöhe stufenförmig an magnetische Streuflüsse aus dem feldprägenden Mantel 2 heraus bzw. in ihn hinein angepasst wird, sodass die sich aufgrund der magnetischen Kraftflussdichte (B) ergebende Tangentialkomponente des Magnetfeldes (H) am Rand des feldprägenden Mantels 2 weitgehend konstant ist.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Kraftflussdichte (B) im feldprägenden Mantel 2 vorliegt und der Umfang des feldprägenden Mantels 2 entlang seiner Mantelhöhe an magnetische Streuflüsse aus dem feldprägenden Mantel 2 heraus bzw. in ihn hinein in Form einer Einschnürung oder Ausbuchtung in Abhängigkeit des Vorzeichens der magnetischen Kraftflussänderung angepasst wird, sodass die sich aufgrund der magnetischen Kraftflussdichte (B) ergebende Tangentialkomponente des Magnetfeldes (H) am Rand des feldprägenden Mantels 2 weitgehend konstant ist.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte magnetische Korrekturfeld zur Kompensation von magnetischem Streufluss aus dem feldprägenden Mantel 2 heraus bzw. in ihn hinein durch geeignet geformte permanente Feldquellen erzeugt wird.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach Ansprüchen 5, 10 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte magnetische Korrekturfeld zur Kompensation von magnetischem Streufluss aus dem feldprägenden Mantel 2 heraus bzw. in ihn hinein durch eine dem lokalen magnetischen Streufluss kontinuierlich oder diskontinuierlich angepasste Änderung der Querschnittsfläche entlang der Höhe des felderzeugenden, permanent magnetisierten Mantels 5 erzeugt wird.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der feldprägende Mantel 2 (bzw. 2.1 bis 2.3) aus einem weichmagnetischen Material mit einer Sättigungsmagnetisierung im Bereich 0,5 T bis 2,5 T besteht, wobei auf der gegebenen Magnetisierungskurve des weichmagnetischen Materials durch Anpassung der Kraftflussdichte im Mantel ein Arbeitspunkt mit einer Permeabilität (μ) im Bereich 10 bis 10.000 gewählt wird, sodass aus Kraftflussdichte (B) und aus μ laut Gl. (5) am Mantel ein gewünschtes tangentiales magnetisches Randfeld (H) im bevorzugten Bereich von ca. 100 A/m bis 200.000 A/m resultiert.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Polflächen 1 aus hochpermeablem, weichmagnetischen Material, beispielsweise μ-Metall, bestehen.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die feldprägenden Polflächen als separate Bauteile in Form von inneren Polflächen 1.2 aus hochpermeablem, magnetisch weichem Material, beispielsweise μ-Metall parallel zu äußeren Stirnflächen 1.1 angeordnet sind, um die Homogenität des Magnetfeldes im Innenraum 15 zu steigern, wobei die inneren Polflächen 1.2 nicht in ferromagnetischem Kontakt mit den äußeren Stirnflächen 1.1 und nicht in ferromagnetischem Kontakt mit dem feldprägenden Mantel 2 und nicht in ferromagnetischem Kontakt mit den Permanentmagneten 5 stehen.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Vermeidung störender remanenter Magnetfelder alle weichmagnetischen Elemente der Vorrichtung aus Material geringster Koerzitivkraft, beispielsweise μ-Metall, gefertigt sind.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Material geringster Koerzitivkraft bestehende feldprägende Mantel 2 bzw. 2.2 durch Anpassung von Kraftfluss (Φ) und Manteldicke soweit in eine Sättigungsmagnetisierung getrieben wird, dass die aus der solcherart abgesenkten Permeabilität resultierende, über den Mantelrand in den Innenraum 15 sich fortsetzende Tangentialkomponente des magnetischen Feldes (H) einen gewünschten Wert im bevorzugten Bereich > 100 A/m erreicht.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 6 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagente 5 aus axial magnetisierten, flexiblen Magnetplatten geformt sind, die den feldprägenden Mantel 2 umgeben.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einer der Ansprüche 6 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete 5 von einer, den feldprägenden Mantel 2 umgebenden Säulenreihe aus Permanentmagnetstäben 7 geformt ist.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 6 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der feldprägende Mantel 2 und die Permanentmagnete 5 zur Abschirmung äußerer Störfelder von einem Abschirmmantel 8 aus hochpermeablem Material, beispielsweise μ-Metall, umgeben sind.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 6 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die permanenten Feldquellen 5 auf einzelne Ringe 5.1 beschränkt sind und der so entstandene Zwischenraum zwecks Schließen des Kraftflusses (Φ) durch einen Mantel aus weichmagnetischem Material 5.2 überbrückt wird.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der überbrückende Mantel 5.2 aus Material höchster Permeabilität, beispielsweise μ-Metall besteht, um zusätzlich störende äußere Felder wirksam abschirmen zu können.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach Ansprüchen 6 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass weichmagnetische Strukturen wenigstens teilweise als mehrlagige Strukturen mit Zwischenräumen 6, 9 ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume 6, 9 mit nichtmagnetischen, formstabilen, spezifisch leichten und fest haftenden Werkstoffen verfüllt sind.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 6 bis 27, gekennzeichnet dadurch, dass die Vorrichtung ein nutzbares, einer Homogenitätsbedingung
genügendes Volumen und ein inneres Gesamtvolumen aufweist, und dass alle feldprägenden Elemente, insbesondere der feldprägende Mantel 2, derart ausgebildet sind, dass das so definierte nutzbare Volumen mindestens 50%, bevorzugt mindestens 67%, insbesondere bevorzugt mindestens 85% des inneren Gesamtvolumens ausmacht.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 6 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der feldprägende Mantel 2 derart ausgebildet ist, dass für die relative Abweichung des Magnetfeldbetrages innerhalb des genutzten Volumens die Grenze ΔH/H₀ ≤ ± 1%, bevorzugt ΔH/H₀ ≤ ± 0,03%, besonders bevorzugt ΔH/H₀ ≤ ± 0,001% eingehalten wird.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes nach einem der Ansprüche 6, 10 bis 16 und 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein axiales Magnetfeld (H) im feldprägenden Mantel 2 ausgebildet wird und der umschlossene Raum ein in Richtung des axialen Magnetfeldes offener umschlossener Raum ist und das Verhältnis aus axialer Abmessung des feldprägenden Mantels 2 zu dessen transversalen Abmessungen so gewählt wird, dass sich die beiden Feldgradienten unterschiedlichen Vorzeichens, die aus den Streuverlusten aus dem feldprägenden Mantel 2 einerseits und aus den offenen Stirnflächen andererseits resultieren, im Zentrum des axial offenen zylindrischen Behälters kompensieren.
Vorrichtung zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes gemäß einem der Ansprüche 6 bis 29 in einem gestreckten, quaderförmigen Raum mit Richtung senkrecht zur langen Achse des gestreckten, quaderförmigen Raumes, wobei der gestreckte, quaderförmige Raum durch zwei gegenüberliegende Polflächen und zwei gegenüberliegende feldprägende Mantelflächen berandet wird, während die beiden Flächen, deren Flächennormalen parallel zur lange Achse des gestreckten, quaderförmigen Raumes stehen, offen sind.
Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Erzeugung eines weiträumig homogenisierten Magnetfeldes für wissenschaftliche oder technische Anwendungen, insbesondere auf nachfolgenden Gebieten: – magnetische Resonanzspektroskopie – Magnetresonanztomographie.
Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung weiträumig homogenisierter Magnetfelder nach einem der Ansprüche 6 bis 31, für wissenschaftliche oder technische Anwendungen, insbesondere auf nachfolgenden Gebieten: – magnetische Resonanzspektroskopie – Magnetresonanztomographie.
Transport- und Speichereinrichtung für in gesonderten Zellen abgefüllte, spinpolarisierte Gase, insbesondere ³He und ¹²⁹Xe, die ein Magnetfeld enthält, das durch ein Verfahren der Ansprüche 1 bis 5 weiträumig homogenisiert wird.
Transport- und Speichereinrichtung für in gesonderten Zellen abgefüllte, spinpolarisierte Gase, insbesondere ³He und ¹²⁹Xe mit einem Magnetfeld, wobei die Transport- und Speichereinrichtung eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 29 umfasst.
Transport- und Speichereinrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 35, gekennzeichnet dadurch, dass die feldgradientenbedingte Relaxationsrate 1/T_1G bei einem Fülldruck von 3 bar unterhalb eines Wertes von 1/(100 h), bevorzugt unterhalb eines Wertes von 1/(500 h) und besonders bevorzugt unterhalb eines Wertes von 1/(1.000 h), innerhalb des als homogenes Speichervolumen definierten Teilvolumens der Magnetfeldeinrichtung bleibt.
Vorrichtung für bildgebende oder spektroskopische magnetische Resonanz mit wenigstens einem Magneten und einem Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 weiträumig homogenisiert ist.
Vorrichtung für bildgebende oder spektroskopische magnetische Resonanz mit wenigstens einem Magneten und einem Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 30 oder 31 umfasst.
Vorrichtung für bildgebende oder spektroskopische magnetische Resonanz mit wenigstens einem Magneten und einem Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 29 umfasst.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 37 bis 39, auf einem der nachfolgenden Gebiete: – Kernspinresonanzspektroskopie – Kernspintomographie.