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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine aktiv abgeschirmte, supraleitende Magnetanordnung
zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes B0 in
einem Untersuchungsvolumen,
- – mit
einer rotationssymmetrisch um eine Achse (z-Achse) angeordneten,
radial innenliegenden, supraleitenden Hauptfeldspule,
- – und mit einer koaxialen, radial außen liegenden, gegenläufig
betriebenen, supraleitenden Abschirmspule.
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Eine
solche Magnetanordnung ist beispielsweise aus der
EP 1 564 562 A1 bekannt.
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Die
Kernspinresonanz (NMR) ist ein Verfahren zur Untersuchung der Eigenschaften
einer Probe. In der NMR-Spektroskopie wird die chemische Zusammensetzung
(beziehungsweise werden die chemischen Bindungen) einer Probe analysiert.
In der NMR-Tomographie wird in der Regel die Protonendichte (bzw.
der Wassergehalt) als Funktion des Ortes in einer größeren
Probe (etwa einem Teil des menschlichen Körpers) bestimmt,
um Aufschluss über den inneren Aufbau der Probe zu erhalten. Grundprinzip
der NMR ist es in beiden Fällen, in eine in einem statischen
Magnetfeld angeordneten Probe HF (=Hochfrequenz)-Pulse einzustrahlen,
und die HF-Reaktion der Probe zu vermessen. Aus der HF-Reaktion
kann auf die Eigenschaften der Probe geschlossen werden. Für
die NMR werden im Allgemeinen im besonders starke, homogene statische Magnetfelder
bevorzugt, da diese die qualitativ besten Messergebnisse liefern.
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Hohe
Magnetfeldstärken können mit supraleitenden Magnetspulen
erzeugt werden, welche in der Regel mit flüssigem Helium
in einem Kryostaten auf eine typische Betriebstemperatur von 4,2
K gekühlt werden. Besonders häufig werden dabei
solenoidförmige Magnetspulen eingesetzt, die ein kreiszylinderförmiges
Untersuchungsvolumen umschließen.
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Um
das statische Magnetfeld im Untersuchungsvolumen zu homogenisieren
(„shimmen”), ist es zum einen bekannt, ferromagnetisches
Material in der Nähe des Untersuchungsvolumens, insbesondere
im Inneren der Hauptfeldspule, anzuordnen („passiver Shim”),
vgl. beispielsweise
DE
101 16 505 A1 . Zum anderen ist es bekannt, zusätzliche
Magnetfeldspulen (Shimspulen) vorzusehen, deren Magnetfeld dem Magnetfeld
einer Hauptfeldspule überlagert wird („aktiver
Shim”). Aus der
DE
199 40 694 C1 sind auch supraleitende Shimspulensysteme
im Kryostaten bekannt geworden. Sowohl die aktiven als auch die passiven
Shimsysteme beruhen darauf, dass die Hauptfeldspule und das Shimsystem
zusammen ein homogenes Magnetfeld im Untersuchungsvolumen erzeugen.
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Ein
starkes Magnetfeld im Untersuchungsvolumen geht, wenn nicht besondere
Vorkehrungen getroffen werden, mit einem merklichen Magnetfeld in der
Umgebung einher. Dieses Magnetfeld in der Umgebung wird auch als
Streufeld bezeichnet und ist grundsätzlich unerwünscht,
da es technische Geräte in der Umgebung stören
kann. Streufelder können beispielsweise magnetische Speicher
von Festplatten oder Kreditkarten löschen oder den Ausfall
von Herzschrittmachern verursachen. Zur Verringerung von Streufeldern
ist es insbesondere bekannt, radial außerhalb der Hauptfeldspule
eine Abschirmspule vorzusehen, die ein betragsgleiches, aber entgegen gesetzt
gerichtetes magnetisches Dipolmoment erzeugt wie die Hauptfeldspule.
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Die
Hauptfeldspule beispielsweise nach dem in der
EP 1 564 562 A1 , dortige
1,
zitierten Stand der Technik umfasst mehrere axial nebeneinander angeordnete
Wicklungen aus Supraleiterdraht und stellt so eine strukturierte
Solenoidspule dar. Eine strukturierte Solenoidspule als Hauptfeldspule
besitzt den Vorteil, dass sich durch die Art der Strukturierung das
Magnetfeld im Untersuchungsvolumen in seinem räumlichen
Verlauf relativ einfach gestalten lässt, so dass sich insgesamt,
also zusammen mit dem Magnetfeld, welches von der Abschirmspule
erzeugt wird, ein homogenes Magnetfeld in dem Untersuchungsvolumen
ergibt. Dabei ist der Einfluss der Abschirmspule auf die Homogenität
des Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen wegen des größeren
radialen Abstands zum Untersuchungsvolumen im Vergleich mit der
Hauptfeldspule in der Regel relativ gering. Die Wicklungen dieser
strukturierten Solenoidspule werden grundsätzlich von einer
mechanischen Haltevorrichtung gehalten und befinden sich in der
Regel in den Wickelkammern eines Spulenkörpers. Infolge des
von den Wicklungen erzeugten Magnetfeldes üben sie starke
anziehende Kräfte aufeinander aus, wobei die Wicklungen
in axialer Richtung gegen die Haltevorrichtung, in der Regel die
seitlichen Begrenzungsflächen der Wickelkammern, gedrückt
werden. Insbesondere bei Magnetanordnungen zur Erzeugung besonders
starker Magnetfelder von beispielsweise 6 T und mehr können
die damit verbundenen Flächenpressungen sehr hohe Werte
annehmen.
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Ein
wesentlicher Nachteil solcher Magnetanordnungen mit strukturierten
Hauptfeldspulen besteht darin, dass diese sehr hohen Flächenpressungen
mechanische Relaxationsprozesse in den angrenzenden Wicklungen aus
Supraleiterdraht verursachen können, wobei diese infolge
ihrer bei der niedrigen Betriebstemperatur verschwindend kleinen Wärmekapazität
in den normalleitenden Zustand übergehen und einen sogenannten
Quench auslösen. Ein solches Ereignis ist unerwünscht
und teuer, da sich die Magnetspule bei einem Quench von der Betriebstemperatur
auf Werte im Bereich 40 bis 80 K erwärmt, das zur Kühlung
verwendete, teure flüssige Helium verdampft und verloren
geht und die erneute Inbetriebnahme der Magnetanordnung mit Zeitverzögerungen
von mehreren Tagen verbunden sein kann.
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Aus
der
DE 101 04 054
C1 ist eine Magnetanordnung mit einer Hauptfeldspule mit
strukturierten und unstrukturierten Solenoidspulen bekannt. Danach
werden vereinfachte Magnetanordnungen möglich, wenn radial
innerhalb der Hauptfeldspule eine Feldformvorrichtung aus magnetischem
Material angeordnet wird. Dennoch umfassen die Hauptfeldspulen nach
der
DE 101 04 054
C1 zumindest teilweise strukturierte Solenoidspulen, damit
hinreichend homogene Magnetfelder erzeugt werden können.
Vereinfachte Hauptfeldspulen mit Feldformvorrichtungen aus magnetischem
Material sind nach der
DE
101 04 054 C1 nur möglich, wenn die Feldformvorrichtung zumindest
teilweise einen geringen radialen Abstand von weniger als 80 mm
von der Magnetachse und deshalb eine hinreichend große
Wirksamkeit besitzt. Magnetanordnungen mit größerem
nutzbaren Durchmesser von beispielsweise 30 cm und mehr sind mit dieser
Einschränkung nicht möglich.
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Völlig
ohne Sektionen mit strukturierten Solenoidspulen als Hauptfeldspule
kommen aktiv abgeschirmte Magnetanordnungen nach der
EP 1 564 562 A1 aus. Auch
diese Anordnungen umfassen Feldformvorrichtungen aus magnetischem
Material radial innerhalb der Hauptfeldspule, jedoch ohne die Einschränkung
des geringen radialen Abstandes des Feldformvorrichtung von der
Magnetachse. Der Aufbau der Hauptfeldspule völlig ohne
strukturierte Solenoidspulen wird möglich durch die Verwendung
eines geeignet dimensionierten Magnetkörpers aus magnetischem
Material radial außerhalb der Hauptfeldspule. Bei Magnetanordnungen
mit einem nutzbaren Durchmesser von beispielsweise 60 cm und mehr wird
der Magnetkörper und damit die gesamte Magnetanordnung
jedoch sehr schwer, wodurch der Transport teuer und die Möglichkeiten
zum Aufstellen der Magnetanordnung wegen der großen Bodenbelastung
eingeschränkt werden.
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Aus
der
EP 0 332 176 A2 sind
Magnetanordnungen bekannt, die eine Hauptfeldspule, eine Abschirmspule,
eine radial innerhalb der Hauptfeldspule angeordnete Feldformvorrichtung
aus magnetischem Material sowie eine radial außerhalb der
Abschirmspule angeordnete Jochmagnetabschirmung aus magnetischem
Material umfassen, wobei die axiale Ausdehnung der Abschirmspule
dort größer als die axialen Längen der
Hauptfeldspule sowie der Jochmagnetabschirmung ist. In diesem Stand
der Technik wird vorgeschlagen, die Hauptfeldspule als strukturierte
Solenoidspule auszuführen. Eine Magnetanordnung mit hinreichender
Homogenität des Magnetfelds B0 im Untersuchungsvolumen
ließe sich nach der Lehre der
EP 0 332 176 A2 mit einer
unstrukturierten Solenoidspule als Hauptfeldspule nicht realisieren,
sondern nur mit einer strukturierten Solenoidspule als Hauptfeldspule.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine aktiv abgeschirmte,
supraleitende Magnetanordnung mit einem homogenen und besonders hohen
Magnetfeld B0 im Untersuchungsvolumen zur Verfügung zu
stellen, bei der der Aufbau deutlich vereinfacht ist, insbesondere
wobei die Hauptfeldspule ausschließlich aus unstrukturierten
Solenoidspulen aufgebaut werden kann und die Magnetanordnung insgesamt
deutlich kompakter ausgebildet werden kann.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Magnetanordnung der eingangs
genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,
- – dass
die Magnetanordnung aus der Hauptfeldspule, der Abschirmspule und
einer ferromagnetischen Feldformvorrichtung besteht, wobei die ferromagnetische
Feldformvorrichtung radial innerhalb der Hauptfeldspule angeordnet
ist,
- – dass die Hauptfeldspule aus einer unstrukturierten
Solenoidspule oder aus mehreren, gleichsinnig betriebenen, radial
ineinander gestellten, unstrukturierten Solenoidspulen besteht,
- – dass die Erstreckung Labs der
Abschirmspule in axialer Richtung kleiner ist als die Erstreckung Lhaupt der Hauptfeldspule in axialer Richtung,
- – wobei das durch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule
im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil entlang der Achse (z-Achse)
im Zentrum ein Minimum der Feldstärke, und beidseitig des Zentrums
je ein Maximum der Feldstärke aufweist,
- – und wobei das durch die ferromagnetische Feldformvorrichtung
im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil entlang der Achse (z-Achse)
im Zentrum ein Maximum der Feldstärke und beiderseits des
Zentrums je ein Minimum der Feldstärke aufweist.
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Die
erfindungsgemäße Magnetanordnung weist einen stark
vereinfachten und kompakten Aufbau auf. Insbesondere lässt
sich das gekennzeichnete axiale Magnetfeldprofil nur erzeugen, wenn
der radiale Abstand der Abschirmspule von der Hauptfeldspule relativ
gering ist und auf diese Weise die Abschirmspule wesentlich zum
statischen Magnetfeld B0 (das parallel zur
z-Achse ausgerichtet ist) im Untersuchungsvolumen beiträgt.
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Im
Stand der Technik wird das Magnetfeld B0 im
Untersuchungsvolumen dadurch homogenisiert, dass die Hauptfeldspule
ein Magnetfeld mit in axialer Richtung einem ersten Intensitätsprofil
erzeugt, und das (aktive oder passive) Shimsystem ein Magnetfeld
mit in axialer Richtung einem zweiten, komplementären Intensitätsprofil
erzeugt. Durch die Überlagerung der beiden Profile wird
eine über eine große axiale Länge konstante
Magnetfeldstärke im Untersuchungsvolumen erreicht. Die
Abschirmspule ist im Stand der Technik dabei so weit vom Untersuchungsvolumen
entfernt, dass das von ihr erzeugte Magnetfeld keinen merklichen
Einfluss auf die Feldhomogenität im Untersuchungsvolumen
hat.
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Im
Gegensatz dazu integriert die Erfindung die Abschirmspule in die
Homogenisierung des statischen Magnetfelds im Untersuchungsvolumen.
Bei der erfindungsgemäßen Magnetanordnung erzeugen die
Hauptfeldspule und die Abschirmspule gemeinsam ein Magnetfeld mit
in axialer Richtung (z-Richtung) breitem, M-förmigen Intensitätsprofil;
dafür wird die Länge der Abschirmspule hinreichend
kurz und weiterhin der radiale Abstand der Abschirmspule von der
Hauptfeldspule hinreichend klein gewählt. Man beachte,
dass die Hauptfeldspule allein lediglich ein im Wesentlichen breites,
einhügeliges Intensitätsprofil erzeugen würde.
Die ferromagnetische Feldformvorrichtung agiert als passives Shimsystem
und erzeugt im Betrieb einen Magnetfeldbeitrag mit einem W-förmigen
Intensitätsprofil, welches dem M-förmigen Intensitätsprofil
komplementär ist. Die Überlagerung des breiten,
W-förmigen Intensitätsprofils der ferromagnetischen
Feldformvorrichtung mit dem breiten, M-förmigen Intensitätsprofil
der Gesamtheit von Hauptfeldspule und Abschirmspule ergibt eine über
eine große axiale Länge konstante Magnetfeldintensität
im Untersuchungsvolumen. Mit einer erfindungsgemäßen
Magnetanordnung werden im Untersuchungsvolumen typischerweise Feldhomogenitäten
von 10–5 oder besser, bevorzugt
10–6 oder besser erreicht.
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Die
Abschirmspule kann und muss im erfindungsgemäßen
Design radial näher an das Untersuchungsvolumen heranrücken,
um im Untersuchungsvolumen eine merkliche Auswirkung auf das Intensitätsprofil
des Magnetfelds nehmen zu können. Dadurch wird die Magnetanordnung
in radialer Richtung kompakter.
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Weiterhin
kann und muss die axiale Erstreckung Labs der
Abschirmspule im erfindungsgemäßen Design kleiner
als die axiale Ertsreckung Lhaupt der Hauptfeldspule
sein, denn nur so wird auf der Achse das M-förmige Intensitätsprofil
erzeugt. Die Abschirmspule hat eine gegensinnige Polung (bzw. einen
entgegen gesetzt gerichteten Stromfluss) verglichen mit der Hauptfeldspule.
Das breite, M-förmige Intensitätsprofil der Gesamtheit
von Hauptfeldspule und Abschirmspule ergibt sich aus einer Abschwächung
des breiten, einhügeligen Intensitätsprofils der Hauptfeldspule
im axial zentralen Bereich durch das überlagerte Intensitätsprofil
der Abschirmspule. Die in axialer Richtung gegenüber der
Hauptfeldspule verkürzte Abschirmspule schafft Platz für
Versorgungstürme des Kryostaten. Diese können
im radial äußeren Bereich axial weiter nach innen
gezogen werden als im Stand der Technik.
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Der
kompakte Aufbau der erfindungsgemäßen Magnetanordnung
spart neben Platz, insbesondere bei der Raumhöhe der Magnetanordnung
einschließlich Kryostat, auch Material und Gewicht ein. Die
erfindungsgemäße Magnetanordnung besteht (soweit
es die Erzeugung des statischen Magnetfelds B0 betrifft)
nur aus der Hauptfeldspule, der Abschirmspule und der ferromagnetischen
Feldformvorrichtung. Insbesondere sind keine weiteren Feldformspulen
vorgesehen.
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Darüber
hinaus ergibt sich aber auch aus dem vereinfachten Aufbau, der im
Wesentlichen nur auf gut exakt zu fertigenden, unstrukturierten
Solenoidspulen beruht, eine verbesserte Fertigungstoleranz bei der
Herstellung der erfindungsgemäßen Magnetanordnung.
Da keine Spulenstrukturierungen notwendig sind, und auch nur wenige
Spulen insgesamt benötig werden, ist auch die Quenchsicherheit
erhöht: Die aufgrund von großen Kräften
verstärkt quenchgefährdeten axialen Spulenränder
sind in der erfindungsgemäßen Magnetanordnung
in ihrer Anzahl minimiert.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Magnetanordnung besteht auch die Abschirmspule aus einer unstrukturierten
Solenoidspule. Dadurch wird der Aufbau der erfindungsgemäßen
Magnetanordnung besonders einfach. Die gesamte Magnetanordnung mit den
drei Funktionen
- – Erzeugung starker
Magnetfelder,
- – großes Untersuchungsvolumen mit großer
Feldhomogenität, und
- – geringe Ausdehnung des Streufeldes, besteht damit
lediglich aus einer unstrukturierten Solenoidspule als Hauptfeldspule
und einer unstrukturierten Solenoidspule als Abschirmspule sowie der
ferromagnetischen Feldformvorrichtung. Eine Magnetanordnung mit
lediglich zwei unstrukturierten Solenoidspulen als einzigen supraleitenden Komponenten
ist nicht mehr einfacher vorstellbar.
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Alternativ
ist es erfindungsgemäß auch möglich,
abweichend von dieser besonders einfachen Ausführungsform
strukturierte Solenoidspulen als Abschirmspulen vorzusehen. Beispielsweise
kann vorgesehen sein, dass die Abschirmspule einer erfindungsgemäßen
Magnetanordnung aus zwei, zum Zentrum des Untersuchungsvolumens
spiegelsymmetrisch angeordneten, unstrukturierten Solenoidspulen
besteht, wobei für den axialen Abstand Lsep dieser
Solenoidspulen gilt: Lsep < 0,15·Labs. Man beachte, dass die beiden unstrukturierten
Solenoidspulen auch als zwei getrennte Wicklungen einer strukturierten
Solenoidspule aufgefasst werden können. In diesem Beispiel
ist die Abschirmspule zweigeteilt. Insbesondere bei in axialer Richtung
sehr kurzen Abschirmspulen kann so ein zu starker Abfall des statischen
Magnetfelds im Zentrum des Untersuchungsvolumens vermieden werden.
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Bevorzugt
ist auch eine Ausführungsform, bei der für den
axialen Abstand Lmax der Maxima der Feldstärke
des durch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule erzeugten Magnetfeldprofils
und den Innenradius Rif der Feldformvorrichtung
gilt: Lmax > 0,5·Rif.
Mit dieser Dimensionierung kann ein besonders weit ausgedehntes,
homogenes statisches Magnetfeld erreicht werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Magnetanordnung ist vorgesehen, dass die Feldstärke Bmax der Maxima des durch die Hauptfeldspule
und die Abschirmspule erzeugten Magnetfeldprofils um zwischen 10
ppm und 10.000 ppm, vorzugsweise um zwischen 100 ppm und 5000 ppm,
größer ist als die Feldstärke Bmin des zentralen Minimums dieses Magnetfeldprofils.
Bei diesen relativen Größen der Maxima ist der
homogenisierende Effekt der Überlagerung der Feldprofile
von Haupt- und Abschirmspule einerseits und der ferromagnetischen
Feldformvorrichtung andererseits besonders ausgeprägt.
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Bevorzugt
ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die Hauptfeldspule
und die Abschirmspule elektrisch in Serie geschaltet sind. Hauptfeldspule
und Abschirmspule werden dann vom gleichen Strom durchflossen. Dies
erleichtert die Justage und vereinfacht das Laden der Magnetanordnung.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor,
dass ein supraleitender Schalter zum Kurzschluss des durch die Hauptfeldspule
und die Abschirmspule gebildeten Stromkreises vorgesehen ist. Damit
kann die Magnetanordnung im „persistent mode” (Dauerbetrieb
ohne Spannungsquelle) betrieben werden.
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Besonders
bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der gilt:
Labs ≤ 0,85 Lhaupt,
und
bevorzugt Labs ≤ 0,65 Lhaupt. Diese Längenverhältnisse
haben sich in der Praxis bezüglich der Ausprägung
des M-förmigen Magnetfeldprofils als besonders geeignet
erwiesen. Zusätzlich wird die Magnetanordnung in axialer
Richtung besonders kompakt.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Magnetanordnung
ausgelegt für die Erzeugung des homogenen Magnetfelds im
Untersuchungsvolumen mit einer Feldstärke Bges ≥ 6
Tesla. Bei diesen Feldstärken – und den entsprechend
großen erforderlichen Magnetspulen – kommen die
Vorteile der Erfindung bezüglich des kompakten Aufbaus
besonders gut zur Geltung.
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Ebenso
vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der gilt:
Rif ≥ 80 mm,
und bevorzugt Rif ≥ 300 mm. Bei diesen Dimensionen des
Innenradius der Feldformvorrichtung kommen wiederum die Vorteile
der Erfindung bezüglich des kompakten Aufbaus besonders
zur Geltung. Man beachte, dass das Untersuchungsvolumen sich typischerweise
in einem Bereich einer axialen Länge von wenigstens 30%
von Rif, und in einem Bereich einer radialen
Länge von wenigstens 30% von Rif erstreckt.
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Bevorzugt
ist auch eine Ausführungsform, bei der für den
Innenradius Rihaupt der Hauptfeldspule und
den Innenradius Riabs der Abschirmspule
gilt:
Riabs ≤ 2,2·Rihaupt, und bevorzugt Riabs ≤ 2,0·Rihaupt. Diese Radienverhältnisse haben
sich in der Praxis zur Einstellung des M-förmigen Magnetfeldprofils
bewährt. Insbesondere ist der Einfluss der Abschirmspule
auf das Magnetfeldprofil im Bereich der z-Achse dann in der Regel
ausreichend stark.
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Eine
Ausführungsform sieht vor, dass die Feldformvorrichtung
zusammen mit der Hauptfeldspule und der Abschirmspule innerhalb
eines Kryostaten angeordnet ist. In diesem Fall wird das ferromagnetische
Material der Feldformvorrichtung mitgekühlt.
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Eine
alternative Ausführungsform sieht vor, dass die Feldformvorrichtung
in einer Raumtemperaturbohrung eines Kryostaten angeordnet ist,
in welchem die Hauptfeldspule und die Abschirmspule angeordnet sind.
In diesem Fall kann die raumtemperaturwarme und leicht zugängliche
Feldformvorrichtung bei Bedarf leicht nachjustiert werden, etwa
durch Verschieben oder Ergänzen von Eisenplättchen.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform
ist die Feldformvorrichtung zusätzlich eingerichtet zum
Ausgleichen von Feldinhomogenitäten, die durch Fertigungstoleranzen
der Hauptfeldspule und/oder der Abschirmspule entstehen. Dazu wird
das gemeinsame Feldprofil von Hauptfeldspule und Abschirmspule nach
deren Herstellung und Montage vermessen, und erst dann wird die Feldformvorrichtung
unter Berücksichtigung der Messergebnisse erstellt und
montiert. Dadurch kann eine verbesserte Feldhomogenität
im Untersuchungsvolumen erreicht werden.
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In
den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Magnetresonanztomograph
mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung. Ein
erfindungsgemäßer NMR-Tomograph ist besonders
kompakt ausgebildet.
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Ebenfalls
in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ein Kernspinresonanzspektrometer
mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung. Ein
erfindungsgemäßes NMR-Spektrometer ist ebenfalls besonders
kompakt.
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Schließlich
fällt auch in den Rahmen der vorliegenden Erfindung ein
Ionen-Zyklotron-Resonanz-Massenspektrometer mit einer erfindungsgemäßen
Magnetanordnung. Auch das erfindungsgemäße ICR-Spektrometer
ist besonders kompakt.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die
noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln
für sich oder zu mehreren 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.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung und Zeichnung
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische, jedoch maßstäbliche Darstellung
des Querschnitts einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Magnetanordnung, mit einer unstrukturierten Solenoidspule als Hauptfeldspule
und einer unstrukturierten Solenoidspule als Abschirmspule und einer
ferromagnetischen Feldformvorrichtung;
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2 den
Verlauf des von der Hauptfeldspule und der Abschirmspule der Magnetanordnung nach 1 erzeugten
axialen Magnetfeldprofils;
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3 den
Verlauf des von der ferromagnetischen Feldformvorrichtung der Magnetanordnung nach 1 erzeugten
axialen Magnetfeldprofils;
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4 den
Verlauf des von der Hauptfeldspule und der Abschirmspule und der
ferromagnetischen Feldformvorrichtung der Magnetanordnung nach 1 erzeugten
axialen Magnetfeldprofils;
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5 die
Konturlinie r(z) um das Zentrum des Untersuchungsvolumens im geometrischen
Zentrum der Magnetanordnung nach 1 innerhalb
derer die relative Abweichung der Magnetfeldstärke von der
Magnetfeldstärke im Zentrum des Untersuchungsvolumens kleiner
ist als +/– 2,5 ppm (ppm: parts per million);
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6 Streufeldlinien
r(z) um die Magnetanordnung herum, bei denen das Streufeld definierte Werte
annimmt, die zwischen 0,1 T und 0,0005 T liegen;
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7 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Magnetanordnung, mit mehreren geschachtelten, unstrukturierten Solenoidspulen
als Hauptfeldspule und einer zweiteiligen Abschirmspule mit zwei
unstrukturierten, symmetrisch angeordneten Solenoidspulen;
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1 zeigt
beispielhaft eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Magnetanordnung in einer maßstäblichen Querschnitts-Schemadarstellung.
Die Magnetanordnung 4 besteht aus einer Hauptfeldspule 1,
einer Abschirmspule 2 und einer ferromagnetischen Feldformvorrichtung 3.
Weitere Mittel zur Magnetfelderzeugung sind nicht vorgesehen. Die
Magnetanordnung 4 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch
bezüglich der in z-Richtung verlaufenden, strichpunktiert
eingezeichneten Achse ausgebildet.
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Die
Magnetanordnung 4 erzeugt in einem Untersuchungsvolumen 4b um
ihr Zentrum 4a (bei z = 0, r = 0) ein in z-Richtung gerichtetes,
homogenes Magnetfeld B0, welches im Zentrum 4a eine Stärke von
7,055 T aufweist.
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Die
Hauptfeldspule 1 ist eine unstrukturierte Solenoidspule
mit einem Innenradius Rihaupt von 0,216
m, einem Außendurchmesser von 0,253 m und einer Länge
Lhaupt von 0,96 m. Die mittlere Stromdichte
dieser Spule beträgt 11,92746 A/m2.
Die Abschirmspule 2 ist ebenfalls eine unstrukturierte
Solenoidspule mit einem Innendurchmesser Riabs von
0,407 m, einem Außendurchmesser von 0,424 m und einer Länge
Labs von 0,59 m. Die mittlere Stromdichte
ist zu der Stromdichte in der Hauptfeldspule 1 entgegengesetzt
gerichtet und beträgt –14,19896 A/m2.
Für die Länge der Abschirmspule gilt hier: Labs = 0,614 Lhaupt und
ist damit kleiner als 0,65 Lhaupt und stellt
so eine bevorzugte Ausführungsform dar. Die Magnetanordnung
umfasst außerdem die ferromagnetische Feldformvorrichtung 3,
die hier aus neun Ringen aus Eisen oder einer Eisenlegierung (”Eisenringe”)
besteht. Alle Eisenringe besitzen hier denselben äußeren
Radius von 0,205 m. Die Innenradien sind unterschiedlich und so
gewählt, dass sich ein großes Untersuchungsvolumen
mit hoher Feldhomogenität ergibt. Der kleinste Innenradius
Rif der Feldformvorrichtung 3 beträgt
0,1894 m, und stellt den Innenradius der gesamten Magnetanordnung 4 dar.
In radialer Richtung besitzt die Feldformvorrichtung 3 damit
eine maximale Ausdehnung (Wandstärke) von 0,0156 m. Die
Eisenringe sind durch das von der Hauptfeldspule 1 und
die Abschirmspule 2 erzeugte starke Magnetfeld von etwa
7 T auf ihre Sättigungsmagnetisierung in axialer Richtung
aufmagnetisiert, wobei die Sättigungsmagnetisierung hier
2,2 T beträgt.
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Sowohl
die Hauptfeldspule 1 als auch die Abschirmspule 2 bestehen
hier aus kommerziellem Supraleiterdraht auf der Basis einer Niob
Titan Legierung, welcher in die jeweils einzige Wickelkammer (nicht
gezeigt) zweier Tragekörper gewickelt ist. Die Feldformvorrichtung 3 ist
hier an der radialen Innenseite des Tragekörpers der Hauptfeldspule 1 befestigt
und besitzt, ebenso wie die Hauptfeldspule 1 und die Abschirmspule 2,
bei Betriebsbedingungen eine Temperatur von 4,2 K.
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Die
auf eine Betriebstemperatur von 4,2 K gekühlte Magnetanordnung 4 befindet
sich in einem Kryostaten (nicht gezeigt), welcher die Magnetanordnung
umschließt und eine gesamte Länge von 1,3 m, einen
Außendurchmesser von etwa 1,2 m und eine Bohrung mit einem
Innendurchmesser von 0,33 m besitzt, welche das Untersuchungsvolumen 4b in
ihrem Zentrum umschließt.
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Das
in 2 gezeigte, von der Hauptfeldspule 1 und
der Abschirmspule 2 erzeugte axiale Magnetfeldprofil 5 ist
M-förmig mit einem lokalen Minimum im Zentrum (bei z =
0) umgeben von zwei lokalen Maxima, wobei die Maxima einen Abstand
Lmax = 0,28 m voneinander besitzen. Damit
beträgt Lmax = 1,478 Rif und
ist damit größer als 0,5 Rif,
was einer bevorzugten Ausführungsform entspricht. Die Maxima
des axialen Magnetfeldprofils liegen mit einem Wert von Bmax = 7,082 T um 0,0247 T entsprechend 3488
ppm über dem Minimum des Magnetfeldprofils von Bmin = 7,0573 T, was ebenfalls einer bevorzugten Ausführungsform
entspricht. Beide bevorzugte Ausführungsformen bewirken,
dass die radiale Ausdehnung der Feldformvorrichtung 3 von
hier 0,0156 m gering bleibt und die gesamte Magnetanordnung 4 dennoch
ein besonders großes Untersuchungsvolumen mit hoher Homogenität
erzeugt.
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3 zeigt
das entsprechende W-förmige axiale Magnetfeldprofil 6 der
Feldformvorrichtung 3. Es besitzt ein lokales Maximum von –0,002
T im Zentrum umgeben von zwei lokalen Minima von –0,03
T. Der Abstand Lmin der Minima voneinander
beträgt hier 0,32 m.
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Man
beachte, dass im Rahmen der Erfindung typischerweise gilt: Lmin ≤ Labs und Lmax ≤ Labs.
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Die
beiden axialen Magnetfeldprofile 5 und 6 überlagern
sich zu dem in 4 gezeigten axialen Magnetfeldprofil 7 der
gesamten Magnetanordnung 4, welches in einem etwa 0,2 m
langen Bereich um das Zentrum z = 0 eine sehr große Konstanz
aufweist. Die relative Variation der Magnetfeldstärke in diesem
Bereich ist hier kleiner als 2,5 ppm.
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Die
räumliche Ausdehnung des Bereiches mit hoher Homogenität
in radialer Richtung ist in 5 veranschaulicht.
Die Linie 8 gibt zu jeder axialen Position z die radiale
Position r an, bei der die relative Abweichung der Magnetfeldstärke
B0 von der Magnetfeldstärke im Zentrum geringer ist als
+/– 2,5 ppm. Ersichtlich ist also die Variation der Magnetfeldstärke
innerhalb eines kugelförmigem Volumens mit 20 cm Durchmesser
kleiner als +/– 2,5 ppm. Ein kugelförmiges Volumen
einem Radius von 10 cm um das Zentrum bei z = 0 kann daher als Untersuchungsvolumen
genutzt werden.
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6 zeigt
einen Quadranten der Magnetanordnung 4 sowie die umgebenden
Linien 9-13 konstanter Stärke des magnetischen Streufeldes
von 0,0005 T (Linie 9), 0,001 T (Linie 10), 0,005 T (Linie 11),
0,01 T (Linie 12) und 0,1 T (Linie 13), dessen geringe räumliche
Ausdehnung ein weiterer Vorzug der erfindungsgemäßen
Magnetanordnung ist. Der detaillierte Verlauf dieser Linien 9-13
lässt sich durch geringfügige Abweichungen der
radialen und axialen Abmessungen der Hauptfeldspule und der Abschirmspule
beeinflussen. Bei der Magnetanordnung 4 beträgt
die Ausdehnung der 0,0005 T-Linie 9 in axialer Richtung
+/– 3,5 m und die seitliche Ausdehnung +/– 2,2
m um das Zentrum der Anordnung 4.
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7 zeigt
den schematischen Aufbau einer anderen, erfindungsgemäßen
Magnetanordnung 14 mit zwei radial ineinander gestellten
und in derselben Richtung von Strom durchflossenen, unstrukturierten Solenoidspulen 15 und 16 als
Hauptfeldspule sowie einer in umgekehrter Richtung von Strom durchflossenen,
strukturierten Solenoidspule mit zwei nebeneinander angeordneten
Wicklungen 17a, 17b als Abschirmspule. Die beiden
Wicklungen 17a, 17b können auch als jeweils
eigene, symmetrisch (bezüglich einer senkrecht zur axialen
Richtung im Zentrum liegenden Spiegelebene) angeordnete, unstrukturierte Solenoidspulen
aufgefasst werden. Auch hier wird eine ferromagnetische Feldformvorrichtung 18 benötigt,
um insgesamt ein Magnetfeld hoher Homogenität zu erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1564562
A1 [0002, 0007, 0010]
- - DE 10116505 A1 [0005]
- - DE 19940694 C1 [0005]
- - DE 10104054 C1 [0009, 0009, 0009]
- - EP 0332176 A2 [0011, 0011]