DE102011050507A1

DE102011050507A1 - Vorrichtung zum Erzeugen eines homogenen Magnetfelds

Info

Publication number: DE102011050507A1
Application number: DE102011050507A
Authority: DE
Inventors: Peter Fierlinger; Rainer Stoepler; Igor Altarev; Allard Schnabel
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Technische Universitaet Muenchen; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Technische Universitaet Muenchen; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2012-11-22
Also published as: WO2012156278A1

Abstract

Eine Vorrichtung (1) zum Erzeugen eines homogenen Magnetfelds weist einen inneren Abschirmzylinder (3) auf, der eine Leiteranordnung (7) trägt, deren inneren Leiterbahnabschnitte zum Erzeugen des homogenen Magnetfelds (2) im Inneren des Abschirmzylinders (3) beitragen. Der Abschirmzylinder (3) ist ferner von weiteren Abschirmungen (8 bis 11) umgeben. Bei der Vorrichtung (1) ist der innere Abschirmzylinder (3) ohne Öffnen der Windungen (28) zugänglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines homogenen Magnetfelds mit:

– einer Abschirmvorrichtung zur Abschirmung magnetischer Felder und
– einer mit Strom beaufschlagbaren Leiteranordnung, mit der im Inneren der Abschirmvorrichtung ein homogenes Magnetfeld erzeugbar ist.

Eine derartige Vorrichtung ist aus GALVAN, A. D., FILIPPONE, B., CHEN, J., PLASTER, B.: Measurement of the uniformity of a 1/2 scale prototype magnet for the SNS neutron electric dipole moment experiment, Abstract Submitted for the HAW09 Meeting of The American Physical Society, 06. Juli 2009 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung wird ein homogenes magnetisches Feld durch eine Cosinus(θ)-Spulen-Anordnung innerhalb einer Reihe von magnetischen Abschirmungen erzeugt.
Eine Cosinus(θ)-Spulen-Anordnung ist in KHRIPLOVICH, I. B. und LAMOREAUX, S. K.: CP Violation Without Strangeness, Electric Dipole Moments of Particles, Atoms, and Molecules, Texts and Monographs in Physics, Berlin Heidelberg 1997, Seite 35 bis 42 im Einzelnen beschrieben.
Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung ist, dass die Homogenität des magnetischen Feldes auf einen verhältnismäßig kleinen Volumenbereich im Inneren beschränkt ist. Damit eignet sie sich zwar zur Durchführung von Experimenten zur Bestimmung des Dipolmoments von Neutronen, es besteht jedoch auch ein Bedarf an entsprechenden Vorrichtungen, welche von der Dimension her derart bemessen sind, dass Sie von einem Menschen begehbar sind oder für liegende Patienten verwendet werden können, beispielsweise für medizinische Anwendungen. Derartige Vorrichtungen werden für Biomagnetismusmessungen von Herz- oder Hirnströmen sowie für Magnetresonanzmessungen benötigt. Dabei kommen optisch gepumpte Alkalimetallzellen, SQUIDs oder Sensoren mit kernspinpolarisierten Edelgasen zur Anwendung. Die hohe Empfindlichkeit dieser Magnetfeldsensoren setzt dabei zeitlich und räumlich konstante sowie homogene Magnetfelder voraus. Beispielsweise können Magnetfeldsensoren durch kleinste Vibrationen in Gradientenfeldern von wenigen nT/m gestört werden. Das dadurch hervorgerufene Rauschen kann dann die Messgenauigkeit begrenzen und gegebenenfalls sogar zu falschen Messergebnissen führen. Eine weitere Anforderung an eine entsprechende Apparatur ist die Skalierbarkeit, da weitere Anwendungen für proportional verkleinerte Apparaturen vorstellbar sind. Beispiele dafür sind etwa in der Messtechnik zu finden, insbesondere für Gyroskope, Atommagnetometer oder Messvorrichtungen für Präzisionsstandards, welche von elektromagnetischen Störungen abgeschirmt werden müssen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine leicht zugängliche, skalierbare und, falls erforderlich, begehbare Vorrichtung zum Erzeugen eines homogenen Magnetfelds zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
Die Vorrichtung weist eine Abschirmvorrichtung zur Abschirmung magnetischer Felder auf, die einen hohlen Abschirmkörper mit einem um eine Längsachse umlaufenden Abschirmmantel aufweist. Die Vorrichtung verfügt ferner über eine mit Strom beaufschlagbare Leiteranordnung, mit der im Inneren der Abschirmvorrichtung ein homogenes Magnetfeld erzeugbar ist. Diese Leiteranordnung verfügt über wenigstens zwei Windungen, die entlang der Längsachse des Abschirmkörpers um den Abschirmmantel des Abschirmkörpers gewickelt sind. Die Windungen weisen jeweils einen innerhalb des Abschirmkörpers entlang der Längsachse verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitt und einen außerhalb des Abschirmkörpers entlang der Längsachse verlaufenden äußeren Leiterbahnabschnitt auf und erzeugen einen in Umfangsrichtung des Abschirmkörpers zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss. Da die Windungen um den Abschirmmantel gewickelt sind, ist der Abschirmkörper seitlich über Öffnungen, die quer zur Längsachse verlaufen, leicht zugänglich. Insbesondere kann das Innere des Abschirmkörpers bei entsprechenden Abmessungen ohne weiteres betreten werden. Ferner hat sich gezeigt, dass die Homogenität des Magnetfelds im Inneren des Abschirmkörpers um bis zu zwei Größenordnungen besser als beim Stand der Technik ist. Dies beruht insbesondere darauf, dass nur der durch die inneren Leiterbahnabschnitte fließende Strom zum Magnetfeld im Inneren des Abschirmkörpers beiträgt, während das Magnetfeld, das von dem in den äußeren Leiterbahnabschnitten zurückfließenden Strom erzeugt wird, von dem Abschirmkörper abgeschirmt wird.
Bei einer Ausführungsform sind die Windungen Teil von wenigstens zwei Feldspulen, die um den Abschirmmantel des Abschirmkörpers gewickelt sind, wobei die Windungen der Feldspulen jeweils einen innerhalb des Abschirmkörpers entlang der Längsachse verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitt und einen außerhalb des Abschirmkörpers entlang der Längsachse verlaufenden äußeren Leiterbahnabschnitt aufweisen und die wenigstens zwei Feldspulen einen in Umfangsrichtung des Abschirmkörpers zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss erzeugen. Durch eine größere Zahl von Leiterbahnabschnitten im Inneren des Abschirmkörpers lässt sich die Homogenität des magnetischen Feldes weiter verbessern.
In der Regel weist die Leiteranordnung zwei Feldspulen auf, die an einander gegenüberliegenden Seiten des Abschirmmantels angeordnet sind. Die Feldspulen sind um den Abschirmmantel des Abschirmkörpers gewickelt und erzeugen einen in Umfangsrichtung des Abschirmkörpers zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss. Die beiden Feldspulen können gegensinnig gewickelt sein, so dass eine einzelne Stromquelle für die Stromversorgung der beiden Feldspulen ausreicht. Daneben ist es möglich, die beiden Feldspulen gleichsinnig zu wickeln und für beide Feldspulen getrennte Stromquellen vorzusehen. Falls jede der beiden Feldspulen an eine zugeordnete Stromquelle angeschlossen ist, kann ein Magnetfeldgradient quer zur Richtung des Magnetfelds im Inneren des Abschirmkörpers erzielt werden, jedoch wird das Rauschverhalten durch zusätzliche Stromquellen tendenziell verschlechtert.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Abschirmkörper einen kreisförmigen Querschnitt auf und die im Inneren des Abschirmkörpers verlaufenden Leiterbahnabschnitte weisen in Richtung des Magnetfeldes untereinander einen gleichbleibenden Abstand auf. Auf eine in Magnetfeldrichtung verlaufende Achse projiziert ist die Wicklungsdichte der Leiterbahnabschnitte daher konstant. Mit einer derartigen Anordnung lässt sich ein besonders homogenes Magnetfeld mit einer Homogenität ΔB/B in der Größenordnung von 10^–5 erzeugen, welches nur durch Restfelder des Abschirmmaterials limitiert ist.
Für bestimmte Anwendungen kann es von Vorteil sein, wenn das im Inneren des Abschirmkörpers vorhandene Magnetfeld einen Gradienten aufweist, etwa für Amplitudenmessungen bei Vibrationen oder ähnliche Messungen. Ein derartiger Gradient kann beispielsweise mithilfe von zusätzlichen Windungen erzeugt werden, die entlang der Längsachse des Abschirmkörpers um den Abschirmkörper gewickelt sind und an eine separate Stromquelle angeschlossen sind.
In der Regel weist der Abschirmkörper neben dem um die Längsachse umlaufenden Abschirmmantel auch die Längsachse des Abschirmkörpers schneidende seitliche Öffnungen auf, durch die das Innere des Abschirmkörpers zugänglich ist.
Falls der Abschirmkörper mit der Längsachse liegend angeordnet ist, so dass die Längsachse im Wesentlichen in eine horizontale Richtung verläuft, ist das Innere des Abschirmkörpers leicht über eine der beiden seitlichen Öffnungen zugänglich.
Daneben ist es möglich, an den Öffnungen des Abschirmkörpers Leiterbahnen einer Kompensationswindung vorzusehen, mit denen die durch die endliche Länge des Abschirmmantels hervorgerufenen Verzerrungen des Magnetfelds im Inneren des Abschirmkörpers korrigiert werden können.
Diese Kompensationswindungen können entlang den Linien gleicher Feldstärke des magnetischen Feldes verlaufen, das von den innerhalb des Abschirmkörpers entlang der Längsachse verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitten erzeugt wird. Dadurch können die Verzerrungen wirksam kompensiert werden.
Die Leiteranordnung kann an den Öffnungen des Abschirmkörpers jeweils mindestens zwei sich entlang der Öffnungen erstreckende Kompensationsspulen aufweisen, die in Magnetfeldrichtung hintereinander angeordnet sind und die einen zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss erzeugen.
Die Kompensationswindungen jeder Kompensationsspule weisen unterschiedliche Querschnittsflächen auf. Die Windungszentren der Kompensationswindungen sind dabei desto weiter nach außen hin versetzt, je kleiner die Querschnittsfläche der jeweiligen Kompensationswindung ist. Dadurch kann die Verzerrung des erzeugten Magnetfelds aufgrund der endlichen Ausdehnung des Abschirmkörpers in axialer Richtung kompensiert werden.
Um das Kompensationsfeld auf die Ränder der Öffnungen zu konzentrieren, sind die Kompensationswindungen nierenförmig ausgebildet und mit ihrer konvexen Seite nach außen und mit ihrer konkaven Seite nach innen weisend angeordnet. Es sind jedoch auch andere Anordnungen und Windungsdichten möglich, die auf die entsprechende Anwendung optimiert werden können.
Um äußere Magnetfelder nach Möglichkeit zu unterdrücken, kann der Abschirmkörper von einer mehrwandigen äußeren Abschirmvorrichtung umgeben sein. Die beispielsweise durch eine unzureichende Entmagnetisierung vorhandenen Restfelder der Abschirmung dringen dabei nur sehr begrenzt in das Innere des Abschirmkörpers ein. Damit ist die äußere Abschirmvorrichtung einfach herzustellen.
Zur Kompensation von äußeren magnetischen Feldern kann die äußere Abschirmvorrichtung in einer äußeren Kompensations-Spulen-Anordnung angeordnet sein.
Die Vorrichtung kann auch mehrere in Längsrichtung hintereinander angeordnete hohle Abschirmkörper mit zugeordneter Leiteranordnung aufweisen, mit der sich jeweils im Inneren des zugeordneten Abschirmkörpers ein homogenes Magnetfeld erzeugen lässt. Dadurch können insbesondere langgestreckte Leiter für polarisierte Teilchen realisiert werden.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines homogenen Magnetfelds;
2 eine Explosionsansicht einer Halterung für einen inneren Abschirmkörper der Vorrichtung aus 1;
3 eine Querschnittsansicht des inneren Abschirmkörpers mit der Verteilung der Windungen um eine Wand des inneren Abschirmkörpers aus 2;
4 eine perspektivische Ansicht des zweiten Oktanten des inneren Abschirmkörpers von vorne;
5 eine Aufsicht auf seitlich am inneren Abschirmkörper angeordnete Kompensationsspule, die beidseitig im Bereich der Öffnungen des Abschirmkörpers angebracht sein können;
6 eine perspektivische Ansicht des ersten Oktanten des inneren Abschirmkörpers von hinten mit den Raumpunkten, welche in den nachfolgenden Diagrammen verwendet werden;
7 ein Diagramm, das die Homogenität des Magnetfelds im Inneren des inneren Abschirmkörpers für verschiedene Raumpunkte zeigt;
8 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Homogenität des Magnetfelds von der Länge des inneren Abschirmkörpers und von der Länge eines den inneren Abschirmkörper umgebenden Abschirmraums zeigt;
9 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der über die Messpunkte gemittelten Homogenität von der Länge des den inneren Abschirmkörper umgebenden Abschirmraums dargestellt ist;
10 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der Homogenität vom Radius des inneren zylinderförmigen Abschirmkörpers dargestellt ist;
11 ein Diagramm, das den Einfluss von Öffnungen in Abdeckungen des inneren Abschirmkörpers veranschaulicht;
12 ein Diagramm, in dem die Auswirkung von Herstellungs- oder Montagefehlern auf die Homogenität des Magnetfelds im Inneren des zylinderförmigen Abschirmkörpers dargestellt ist;
13 eine perspektivische Ansicht des ersten Oktanten aus 6 mit der Lage eines Schwächungsbereichs, in dem die Permeabilität des Abschirmkörpers herabgesetzt ist;
14 ein Diagramm, das die Auswirkung der lokalen Schwächung des inneren Abschirmkörpers auf die Homogenität zeigt; und
15 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Diagramm aus 14.
1 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer Vorrichtung 1 zum Erzeugen eines homogenen Magnetfelds 2. Das homogene Magnetfeld 2 wird im Inneren eines liegend angeordneten Abschirmzylinders 3 durch die Spule 7 erzeugt. In 1 fällt die Zylinderachse 4 des Abschirmzylinders 3 mit der y-Achse des kartesischen Koordinatensystems zusammen. Das in dem Inneren des Abschirmzylinders 3 erzeugte möglichst homogene Magnetfeld 2 steht in allen Darstellungen in Richtung der z-Koordinatenachse. Die räumliche Ausrichtung der gesamten Vorrichtung 1 ist jedoch beliebig.
Der Abschirmzylinder 3 verfügt über einen Abschirmmantel 5 der von Stützringen 6 gehalten ist. Zum Erzeugen des Magnetfelds 2 im Inneren des Abschirmzylinders 3 ist eine Leiteranordnung 7 vorgesehen, die hier nur angedeutet ist, nachfolgend aber noch im Einzelnen beschrieben wird.
Der Abschirmzylinder 3 befindet sich in einer ersten kubischen Abschirmung 8, die wiederum in einer zweiten kubischen Abschirmung 9 eingebettet ist. Die zweite Abschirmung 9 befindet sich in einer dritten Abschirmung 10, die wiederum von einer vierten Abschirmung 11 umgeben ist. Derartige Abschirmvorrichtungen 12, die mehrere ineinander geschachtelte kubische Abschirmungen 8 bis 11 umfassen, sind dem Fachmann bekannt und dienen im Allgemeinen dazu, äußere Magnetfelder vom Inneren der ersten Abschirmung 8 weitestgehend fern zu halten. Bei entsprechender Größe werden solche ineinander geschachtelten Schirmungen als magnetische Abschirmkabinen (MSR = magnetically shielded room) bezeichnet. Üblicherweise werden die Wände der Abschirmungen 8 bis 11 aus einem Material auf der Basis einer Eisen-Nickel-Legierung, zum Beispiel μ-Metall, oder einem gleichwertigem Material hergestellt. Ferner können die Abschirmungen 8 bis 11 auch hoch leitfähiges Material wie Kupfer oder Aluminium einschließen. Kubische Abschirmungen haben allerdings aufgrund der eckigen Geometrie intrinsische Restmagnetfelder von mehreren nT in einem typischen Abstand von 10 cm von der Oberfläche des hochpermeablen Materials. Diese Restmagnetfelder lassen sich auch durch Entmagnetisieren nicht vollständig entfernen.
Um zusätzlich äußere magnetische Felder, wie das Erdmagnetfeld, kompensieren zu können, ist die äußere Abschirmung 11 von einer in 1 lediglich schematisch dargestellten äußeren Kompensationsspulen-Anordnung 13 umgeben, die beispielsweise aus den drei äußeren Kompensationsspulen 14 gebildet wird, die jeweils in der Art von Helmholtz-Spulen ausgeführt sind. Die Kompensationsspulen 14 kompensieren jeweils das magnetische Feld in eine Raumachse. Somit lässt sich mit den Kompensationsspulen 14 auf bekannte Weise das Umgebungsmagnetfeld im Inneren der Kompensationsspulen-Anordnung 13 in Abhängigkeit von der Zahl der Kompensationsspulen 14 bis zu einer bestimmten Ordnung kompensieren.
Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, kann die Vorrichtung 1 beliebig skaliert werden, wobei der Schirmfaktor der äußeren Abschirmung 8 bis 11 mit geringeren Abmessungen stark ansteigt. Daher können bei einer Skalierung zu kleineren Abmessungen eventuell die Abschirmungen 9 bis 11 weggelassen werden und lediglich die innerste Abschirmung 8 beibehalten werden. Die Vorrichtung 1 kann dadurch deutlich leichter ausgeführt werden. Bei der in 1 angegebenen Außenabmessung der äußeren Abschirmung 11 von etwa vier Metern steht im Inneren des Abschirmzylinders 3 ein Raum mit etwa 2,5 m Länge und 2,5 m Durchmesser für Experimente und Untersuchungen zur Verfügung, die ein schwaches, aber dafür extrem homogenes Magnetfeld 2 voraussetzen. Eine derartige Untersuchungsvorrichtung 15 ist in 1 im Inneren des Abschirmzylinders 3 angedeutet. Die für die Untersuchungsvorrichtung 15 und die Versorgung der Leiteranordnung 7 mit Strom erforderlichen Leitungen 16 sind dabei durch Durchführungen 17 nach außen geführt.
Um das Innere des Abschirmzylinders 3 zugänglich zu machen, können Seitenwände 18 der Abschirmräume 8 bis 11 abnehmbar, aufklappbar oder mit Türen versehen sein.
2 zeigt eine Explosionsansicht der inneren Struktur der Vorrichtung 1. Der Abschirmzylinder 3 ist an beiden Enden mit Flanschen 19 versehen, die die im Inneren des Abschirmzylinders 3 verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitte 20 und außerhalb des Abschirmzylinders 3 verlaufenden äußeren Leiterbahnabschnitte 21 halten. Zu diesem Zweck sind die Flansche 19 mit Durchführungen 22 versehen, durch die die inneren Leiterbahnabschnitte 20 und die äußeren Leiterbahnabschnitte 21 hindurch geführt werden können. Der Übersichtlichkeit halber sind nur ein äußerer Leiterbahnabschnitt 21 sowie zwei der im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse 4 verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitte 20 dargestellt. An den Flanschen 19 kann auch eine hintere Abdeckung 23 und eine vordere Abdeckung 24 angebracht werden. Die hintere Abdeckung 23 und die vordere Abdeckung 24 sind in die Wände 25 der ersten Abschirmung 8 integriert. In der hinteren Abdeckung 23 und der vorderen Abdeckung 24 können Durchführungen 26 von verschiedenen Durchmessern ausgebildet sein. Der Abschirmzylinder 3 ist schließlich von einer Stützkonstruktion 27 gehalten, an der auch die sich in Längsrichtung erstreckenden Wände 25 der ersten Abschirmung 8 angebracht sein können.
Der Abschirmzylinder 3 ist aus einem hoch permeablen Material hergestellt. Als Material für den Abschirmzylinder 3 kommen insbesondere Materialien auf der Grundlage einer Eisen-Nickel-Legierung in Frage, zum Bespiel μ-Metall, auf der Grundlage metallischer Gläser hergestellte Materialien, zum Beispiel Metglas, oder Werkstoffe auf der Basis von Kobaltlegierungen, zum Beispiel Vitrovac. In der Regel wird jedoch derzeit μ-Metall verwendet.
3 zeigt eine Querschnittsansicht durch den Abschirmzylinder 3 und die Leiteranordnung 7, wobei die Stromrichtung in den inneren Leiterbahnabschnitten 20 und den äußeren Leiterbahnabschnitten 21 durch Punkte und Kreuze gekennzeichnet sind. Ein Punkt bezeichnet einen Strom, der aus der Papierebene herausführt und ein Kreuz bezeichnet einen Strom, der in die Papierebene hineinführt.
Wird auf dem Kreisumfang eines unendlich langen Zylinders eine gleichförmig unendlich dicht gepackte Leiteranordnung angenommen, deren Leiter im rechten Winkel zum kreisförmigen Querschnitt des Zylinders ausgerichtet sind, so wird überall im Inneren des Abschirmzylinders 3 ein homogenes Magnetfeld 2 erzeugt wenn der Strom I an jedem Ort x → eines inneren Leiterabschnittes 21 auf dem Kreis die Beziehung
erfüllt. Dabei sind alle geometrischen und physikalischen Konstanten im Vorfaktor c zusammengefasst. In der in 3 dargestellten Anordnung ist die Näherungslösung für die Spulenanordnung, die sich unter der Bedingung eines gleich großen Stromes in allen Leitern, ergibt, dargestellt. Die im Inneren des Abschirmzylinders 3 gelegenen inneren Leiterbahnabschnitte 20 in Richtung des Magnetfelds 2 haben einen gleichbleibenden Höhenabstand h zueinander. Die auf die z-Achse projizierte Windungsdichte ist daher konstant. Für h→0 geht die Näherungslösung in die exakte Lösung über. Inhomogenitäten aufgrund der Näherung nehmen mit dem Abstand vom Kreiszentrum zum Zylindermantel und zu den Deckflächen des nur endlich langen Zylinders zu. Wie weiter unten gezeigt, können diese Inhomogenitäten jedoch den Anforderungen entsprechend korrigiert werden.
Falls der Abschirmzylinder 3 einen von der Kreisfläche abweichenden Querschnitt aufweist, ist die Anordnung der inneren Leiterbahnabschnitte 20 zu modifizieren, so dass die oben genannte Bedingung für den äquivalenten Strom auf einem virtuellen Kreis erfüllt bleibt. Das Magnetfeld innerhalb des virtuellen Kreises ist dann nach wie vor homogen.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die inneren Leiterbahnabschnitte 20 und die äußeren Leiterbahnabschnitte 21 jeweils Windungen 28, die entlang der Längsachse des Abschirmkörpers um den Abschirmmantel 5 gewickelt sind und zwei Feldspulen 29 und 30 bilden, die in einer Umfangsrichtung 31 jeweils zueinander entgegengesetzte magnetische Flüsse erzeugen. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die beiden Feldspulen 29 und 30 gegensinnig gewickelt und an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen sind oder indem beide Feldspulen 29 und 30 außerhalb der Vorrichtung 1 entgegengesetzt gepolt an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen sind. Daneben ist auch denkbar, beide Feldspulen 29 und 30 an getrennte Stromquellen anzuschließen. Allerdings würden dabei Schwankungen der von den Stromquellen gelieferten Stromstärke zu Inhomogenitäten des Magnetfeldes 2 führen. Andererseits kann dadurch ein Magnetfeldgradient in der Querschnittsfläche quer zur Magnetfeldrichtung erzeugt werden.
Als Stromquellen kommen typischerweise Bautypen ähnlich C. CIOFI et al., IEEE Transactions an Instrumentation and Measurement Band 47, 1 (1998) Seite 78 zum Einsatz, welche für Ströme von 1–100 mA optimiertes Rauschverhalten bis in den DC Bereich zeigen.
Voraussetzung für ein stabiles homogenes Magnetfeld 2 im Inneren des Abschirmzylinders 3 ist eine Idealisierung des Abschirmzylinders 3. Eine Idealisierung ist eine Entmagnetisierung in einem vorhandenen Magnetfeld. Im vorliegenden Fall wird das Material des Abschirmzylinders 3 auf das durch die Feldspulen 29 und 30 erzeugte Magnetfeld 2 idealisiert. Dabei wird der Abschirmzylinder 3 bei eingeschaltetem Magnetfeld 2 entmagnetisiert. Zur Entmagnetisierung wird eine weitere, nicht dargestellte Entmagnetisierungsspule verwendet, die um den Abschirmmantel des Abschirmzylinders 3 gewunden ist. Sie umläuft das Schirmmaterial des Abschirmzylinders 3 auf die gleiche Art wie die Feldspule 29 oder 30. Es werden jedoch keine besonderen Anforderungen an die geometrische Ausrichtung der Entmagnetisierungsspule gestellt. Die Stromtragfähigkeit der Entmagnetisierungsspule muss aber ausreichen, um den Abschirmzylinder 3 in die magnetische Sättigung treiben zu können. In der Regel wird eine Entmagnetisierungsspule mit wenigen Windungen und großem Leiterquerschnitt verwendet. Zur Kontrolle der Sättigung kann noch eine Induktionsspule mit geringem Querschnitt installiert werden. Durch die zylindrische Geometrie des Abschirmzylinders 3 wird das durch die Entmagnetisierungsspule erzeugte Feld durch einen magnetischen Weg getrieben, der unabhängig von der Position entlang der Zylinderachse 4 eine konstante Länge aufweist. Der Abschirmzylinder 3 lässt sich dadurch gut entmagnetisieren oder idealisieren. Die Streufeldeinflüsse lassen sich durch eine ganzzahlige Windungszahl der Entmagnetisierungsspule mit gegenüberliegenden Windungen reduzieren. In diesem Fall erzeugt die Entmagnetisierungsspule auf der Zylinderachse 4 kein Magnetfeld.
Ein Idealisieren ist auch für die kubischen Abschirmungen 8 bis 11 in 1 notwendig. Zu diesem Zweck werden nicht dargestellte Entmagnetisierungsspulen um die einzelnen Kanten der kubischen Abschirmungen 8 bis 11 gewickelt. Wesentlich dabei ist, dass die Entmagnetisierungsspulen eine Seitenwand der kubischen Abschirmungen 8 bis 11 umwickeln, was nicht notwendigerweise an der Kante erfolgen muss, und dass mindestens eine Entmagnetisierungsspule pro Raumachse vorhanden ist. Um die zum Idealisieren notwendige elektrische Leistung zu reduzieren, kann jede der kubische Abschirmung 8 bis 11 separat idealisiert werden. Durch ein nacheinander ausgeführtes Idealisieren der in Reihe geschalteten Entmagnetisierungspulen einer der kubischen Abschirmungen 8 bis 11 in einer Raumrichtung lässt sich der Innenraum der inneren kubischen Abschirmung 8 auf das Magnetfeld 2 idealisieren. Jede der kubischen Abschirmung 8 bis 11 wird dabei zwar nicht als Ganzes aus der Sättigung heraus idealisiert, dafür wird aber jede Entmagnetisierung wieder mit einem quasi-konstanten magnetischen Weg durchgeführt.
In 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Oktanten 32 eines um den Faktor zwei verkleinerten Modells des Abschirmzylinders 3 dargestellt. Dabei handelt es sich um den zweiten Oktanten, wenn davon ausgegangen wird, dass sich das Koordinatensystem im Zentrum des Abschirmzylinders 3 befindet und die in den Figuren dargestellte Ausrichtung hat. Wie nachfolgend noch im Einzelnen erläutert wird, wurde ein derartiges Modell des Abschirmzylinders 3 für Simulationsrechnungen zur Bestimmung der Magnetfeld-Homogenität im Inneren des Abschirmzylinders 3 herangezogen.
In 4 ist der Abschirmmantel 5 des Abschirmzylinders 3 erkennbar. Entlang der Längsachse des Abschirmkörpers sind die Windungen 28 der Leiteranordnung 7 um den Abschirmmantel 5 des Abschirmzylinders 3 gewickelt. Zwischen den Windungen 28 der Feldspulen 29 und 30 befinden sich auch Trimmwindungen 33, die Teil einer Trimmspule 34 sind, mit der sich im Inneren des Abschirmzylinders 3 ein Magnetfeldgradient erzielen lässt und die auch zur Korrektur mechanischer Deformationen verwendet werden können.
In 4 ist ferner ein Teil der vorderen Abdeckung 24 dargestellt, die auf ihrer zum Mittelpunkt des Abschirmzylinders 3 weisenden Innenseite mit Kompensationswindungen 35 versehen ist, die Teil einer inneren Kompensationsspule 36 bilden, mit der die durch die Endlichkeit der axialen Ausdehnung des Abschirmzylinders 3 hervorgerufene Inhomogenität des Magnetfeldes 2 kompensiert werden kann. Ferner sind in 4 in die vordere Abdeckung 24 eingebrachte Öffnungen 37a, 37b, 37c, 37d dargestellt, bei denen es sich um mechanische oder magnetische Öffnungen handeln kann. Mechanische Öffnungen sind beispielsweise Durchführungen für Leitungen und Medien. Eine magnetische Öffnung entsteht beispielsweise dadurch, dass das hochpermeable Material, das die vordere Abdeckung 24 bildet, aufgrund einer lokalen mechanischen Beanspruchung, beispielsweise durch einen Schlag auf die vordere Abdeckung 24, seine hohe Permeabilität verliert.
In 5 ist die Anordnung der Kompensationsspulen 36 in Draufsicht dargestellt. Die beiden in z-Richtung hintereinander angeordneten Kompensationseulen 36 erzeugen jeweils zueinander entgegengesetzte Magnetflüsse. Zu diesem Zweck sind die Kompensationspulen 36 entweder gegensinnig gewickelt oder gleichsinnig gewickelt und entgegensetzt gepolt an eine gemeinsame oder an jeweils eine zugeordnete Stromquelle angeschlossen.
Die Kompensationsspulen 36 umfassen ferner in einer Fläche angeordnete Kompensationswindungen 35 mit unterschiedlichen Querschnittsflächen, deren Windungszentren 38 desto weiter entlang des Magnetfeldes 2 nach außen versetzt sind, je kleiner die Querschnittsfläche der jeweiligen Kompensationswindung 35 ist. Die innenliegenden Kompensationswindungen 35 mit im Vergleich zu den äußeren Kompensationswindungen 35 kleinerer Querschnittsfläche sind daher weiter nach außen versetzt. Die Kompensationswindungen 35 sollten den Linien gleicher Feldstärke des von den Feldspulen 29 und 30 erzeugten Magnetfeldes 2 folgen. Daher weisen die Kompensations-windungen 35 ein nierenförmiges Querschnittsprofil auf, wobei die Kompensationswindungen 35 mit ihrer konvexen Seite nach außen weisend und mit ihrer konkaven Seite nach innen weisend angeordnet sind. Damit wird das Kompensationsmagnetfeld auf die äußeren Ränder der Kompensationseulen 36 konzentriert.
Zum Nachweis der Homogenität des Magnetfelds 2 im Inneren der Vorrichtung 1 wurden Simulationsrechnungen durchgeführt und die Verteilung des magnetischen Felds im Inneren des Abschirmzylinders 3 berechnet.
6 zeigt eine rückseitige Ansicht eines ersten Oktanten 39 des Modells des Abschirmzylinders 3. Neben dem Abschirmmantel 5 ist auch die vordere Abdeckung 24 dargestellt, in die neben den Öffnungen 37a–c auch eine weitere Öffnung 37e eingebracht ist. Ferner ist in 6 die Lage von nachfolgend verwendeten Raumpunkten P1 bis P8 dargestellt. Es sei angemerkt, dass die Simulationsrechnungen für einen Prototypen durchgeführt worden sind, der etwa die halben Abmessungen wie die in 1 dargestellte Vorrichtung aufweist. Die Koordinaten der Raumpunkte P1 bis P8 sind in der im Anhang aufgeführten Tabelle I aufgelistet. Anhand der Tabelle I ist erkennbar, dass die Raumpunkte ein zylinderförmiges Volumen mit einer Höhe von 30 cm und einem Durchmesser von 30 cm aufspannen. Da die Rechnungen auf den linearen Maxwellgleichungen beruhen, gelten die Simulationsrechnungen auch für eine skalierte Vorrichtung, die größer oder kleiner als die Vorrichtung 1 ist.
In 7 ist ein Diagramm dargestellt, in dem die Ergebnisse der Simulationsrechnung für die Raumpunkte P1 bis P8 dargestellt sind. Anhand 7 ist erkennbar, dass die relative Abweichung der Komponenten B_x, B_y und B_z des Magnetfelds 2 von einem Magnetfeld B₀ in z-Richtung sich im Bereich 10^–5 bewegt. Damit ist die Homogenität des Magnetfelds 2 im Bereich der Raumpunkte P1 bis P8 um etwa zwei Größenordnungen besser als bei bekannten Vorrichtungen.
Zu der großen Homogenität des Magnetfelds 2 trägt der Umstand bei, dass die rücklaufenden Ströme außerhalb des Abschirmzylinders 3 zurückgeführt werden. Daneben tragen auch die Kompensationsspulen 36 zur Homogenität des Magnetfelds 2 an den Raumpunkten P1 bis P8 bei.
In 8 ist die relative Abweichung der z-Komponente des Magnetfelds 2 an den Raumpunkten P1 bis P8 für fünf verschiedene Längen L_s des Abschirmzylinders 3 und Innenabmessungen L_r des inneren Abschirmraums 8 dargestellt. Die jeweiligen Modellkonfigurationen sind in Tabelle II aufgelistet. Da hier nur das relative Verhalten untersucht wurde, konnte auf die Kompensationsspulen 36 verzichtet werden. Anhand von 8 ist erkennbar, dass die relative Abweichung der z-Komponente des Magnetfelds 2 im Bereich 10^–2 liegt.
In 9 ist die über die Raumpunkte P1 bis P8 gemittelte relative Abweichung der z-Komponente über die Innenabmessung L_r des inneren Abschirmraums 8 der verschiedenen Modelle dargestellt. Da mit zunehmender Länge L_r des Abschirmraums 8 auch die Länge des Abschirmzylinders 3 zunehmend größer gewählt wurde, ist erkennbar, dass die Homogenität umso besser wird, je länger der Abschirmzylinder 3 ist und je größer der Abstand zwischen dem Abschirmzylinder 3 und der Wand des innersten Abschirmraums 8 ist. Gleichzeitig wird anhand von 8 und 9 deutlich, dass eine geeignete Kompensationsspule 36 an den Enden des Abschirmzylinders 3 erheblich zur Homogenität des Magnetfelds 2 beiträgt, da die Homogenität ohne die Kompensationseulen im Bereich von 10^–2 liegt.
Auch die Abhängigkeit der Homogenität des Magnetfelds 2 vom Radius des Abschirmzylinders 3 wurde untersucht.
In 10 ist die relative Abweichung der z-Komponente des Magnetfelds 2 für die Raumpunkte P1 bis P8 bei konstanter Länge des Abschirmzylinders 3 entlang der y-Achse und verschiedenen Querschnittsabmessungen entlang der x-Achse und der z-Achse dargestellt. Die Abmessungen der verwendeten Modelle F bis H sind in Tabelle III im Anhang aufgelistet, wobei sich die Längenangaben in x-, y- und z-Richtung auf das in 1 dargestellte kartesische Koordinatensystem beziehen.
Anhand 10 ist erkennbar, dass der Radius keinen wesentlichen Einfluss auf die Homogenität des Magnetfelds 2 hat, wenn die Länge des Abschirmzylinders 3 konstant gehalten wird.
Die Bedeutung des vorderseitigen und rückseitigen Abschlusses des Abschirmzylinders 3 wird auch anhand 11 deutlich, in der ein Diagramm die relative Abweichung der z-Komponente für die Raumpunkte P1 bis P8 für den Fall veranschaulicht, dass in der vorderen Abdeckung 24 oder der hinteren Abdeckung 23 den Öffnungen 37a–d entsprechende Öffnungen ausgebildet sind. Die relativen Abweichungen sind dabei jeweils auf den Fall bezogen, dass keine den Öffnungen 37a–d entsprechenden Ausnehmungen in der hinteren Abdeckung 23 und der vorderen Abdeckung 24 enthalten sind. Ein Modell h1 bezieht sich auf den Fall, dass die Öffnungen 37a und 37b an der vorderen Abdeckung 24 ausgebildet sind. Ein weiteres Modell h3 simuliert den Fall, dass die Öffnung 37c oben an der vorderen Abdeckung 24 vorhanden ist und ein Modell h4 bezieht sich auf den Fall, dass die Öffnung 37d unten an der vorderen Abdeckung 24 ausgebildet ist. Jede dieser Öffnungen führt dazu, dass sich die Homogenität des Magnetfelds 2 verschlechtert.
Letzteres ist auch der Fall, wenn bei der Montage oder bei der Herstellung des Abschirmzylinders 3 Ungenauigkeiten auftreten. Das in 12 dargestellte Diagramm zeigt die Abhängigkeit der Relativgenauigkeit der z-Komponente des Magnetfelds 2 für die verschiedenen Messpunkte P1 bis P8 für verschiedene Herstellungsfehler. Diese Herstellungsfehler entsprechen etwa den zu erwartenden mechanischen Toleranzen. Die durch derartige mechanische Deformationen entstehenden Fehler im Magnetfeld 2 können durch Anpassung der Ströme in der Trimmwindungen 33 und in den Kompensationsspulen 36 jedoch nahezu vollständig kompensiert werden.
Anhand der 13 bis 15 kann schließlich der Einfluss einer in 13 dargestellten Öffnung 40 im Abschirmmantel 5 veranschaulicht werden. Diese Öffnung 40 befindet sich im Wesentlichen oberhalb des von den Raumpunkten P1 bis P8 aufgespannten Messvolumens. Falls die Permeabilität im Bereich der Öffnung 40 abnimmt, verschlechtert sich die Homogenität des Magnetfelds 2 im Inneren des Abschirmzylinders 3, wie in 14 dargestellt. 14 zeigt ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der relativen Abweichung der z-Komponente des Magnetfeldes 2 von der Permeabilität im Bereich der Öffnung 40 dargestellt ist.
15 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem in 14 dargestellten Diagramm. Anhand 15 wird erkennbar, dass die Permeabilität nur um etwa ±20% um die Permeabilität im Abschirmmantel 5 von μ_r = 25000 variieren darf, um die Homogenität des Magnetfelds 2 im Inneren des Abschirmzylinders 3 im Bereich von 10^–5 zu halten.
Bei der hier beschriebenen Vorrichtung ist das Innere des Abschirmzylinders 3 frei zugänglich, ohne dass die Windungen 28 aufgetrennt werden müssen.
Es sei ferner nochmals betont, dass die hier beschriebene Vorrichtung beliebig skalierbar ist. Insofern kann auch in größeren Volumina als dem von dem Raumpunkten P1 bis P8 aufgespannten Messvolumen ein homogenes Magnetfeld mit einer relativen Abweichung von 10^–5 erzeugt werden. Ebenso können homogene Magnetfelder für sehr kleine Messaufbauten, die sich beispielsweise in Messgeräte integrieren lassen, hergestellt werden.
Die Abschirmung gegenüber äußeren Feldern wird durch die ineinander geschachtelten Abschirmungen 8 bis 11 bewerkstelligt. Dabei sind Schirmfaktoren von 100.000 bei 0,01 Hz bei 4 m äußerer Kantenlänge erzielbar. Der Schirmfaktor solcher Abschirmungen ergibt sich aus dem Verhältnis einer äußeren sinusförmigen Anregung mit etwa 2 μT von Spitze zu Spitze und einer Frequenz von 0,01 Hz verglichen mit den maximal auftretenden Magnetfeldschwankung von 0.01 Hz im Inneren. Durch aktive Kompensation von äußeren Störfeldern mit Hilfe der äußeren Helmholtz-Spulen-Anordnung 13 und einem Fluxgate-Magnetometer können die Fluktuationen im Inneren auf 100 fT bei 0,01 Hz reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung 1 ist, dass die Schirmung von der Erzeugung des Magnetfelds 2 im Inneren des Abschirmzylinders 3 weitest gehend entkoppelt ist. Dadurch können magnetische Restfelder, die durch Fehler in der Abschirmvorrichtung 12 und beim Entmagnetisieren oder Idealisieren der Abschirmvorrichtung 12 entstehen, vom Inneren des Abschirmzylinders 3 ferngehalten werden. Der Abschirmzylinder 3 lässt sich aufgrund fehlender Ecken nahezu vollständig idealisieren, so dass im Inneren des Abschirmzylinders 3 keine zusätzlichen statischen magnetischen Störfelder aufgrund einer unvollständigen Idealisierung vorhanden sind.
Die hier beschriebene Vorrichtung 1 kann daher modular aus unabhängigen funktionalen Komponenten aufgebaut werden. Insofern kann für die äußere Abschirmvorrichtung 12 eine kommerzielle Abschirmvorrichtung verwendet werden. Im Vergleich zu einer kommerziell erhältlichen Abschirmung kann jedoch eine um mindestens den Faktor 10 bessere Homogenität des Magnetfeldes 2 als beim Stand der Technik erreicht werden.
Schließlich kann die hier beschriebene Vorrichtung 1 auch dazu verwendet werden, einen Leiter für polarisierte Teilchen zu erstellen, in dessen Inneren ein homogenes Magnetfeld ausgebildet ist. Zu diesem Zweck kann der Abschirmzylinder 3 eine Länge aufweisen, die der erforderlichen Länge des Leiters entspricht. Daneben ist es möglich, innerhalb der Abschirmungen 8 bis 11 mehrere Abschirmzylinder 3 hintereinander anzuordnen und jeden der Abschirmzylinder 3 mit einer zugeordneten Leiteranordnung 7 zu versehen. Die Kompensationsspulen 36 brauchen dann nur an den beiden Enden der Röhre angeordnet werden, die von den hintereinander angeordneten Abschirmzylindern 3 gebildet ist.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.

Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint. Tabelle I:

Raumpunkt	Koordinaten
P1	(0, 0, 0)
P2	(0,15, 0, 0)
P3	(0, 0,15, 0)
P4	(0,106066, 0,106066, 0)
P5	(0, 0, 0,15)
P6	(0, 15, 0, 0,15)
P7	(0, 0, 15, 0,15)
P8	(0,106066, 0,106066, 0,15)

Tabelle II:

Konfiguration	Lr/4 [mm]	Ls/4 [mm]	Lr/Ls	Lr – Ls	Relative Abweichung at P3
A	484	436	1,11	48	0,0467
B	484	466	1,04	18	0,0442
C	550	495	1,11	55	0,0251
D	574	544	1,06	30	0,0188
E	605	544	1,11	61	0,0150

Tabelle III:

Konfiguration	y	x	z
F	2,3	1,6	1,6
G	2,3	1,8	1,8
H	2,3	2,0	2,0

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

GALVAN, A. D., FILIPPONE, B., CHEN, J., PLASTER, B.: Measurement of the uniformity of a 1/2 scale prototype magnet for the SNS neutron electric dipole moment experiment, Abstract Submitted for the HAW09 Meeting of The American Physical Society, 06. Juli 2009 [0002]
KHRIPLOVICH, I. B. und LAMOREAUX, S. K.: CP Violation Without Strangeness, Electric Dipole Moments of Particles, Atoms, and Molecules, Texts and Monographs in Physics, Berlin Heidelberg 1997, Seite 35 bis 42 [0003]
C. CIOFI et al., IEEE Transactions an Instrumentation and Measurement Band 47, 1 (1998) Seite 78 [0050]

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen eines homogenen Magnetfelds mit: – einer Abschirmvorrichtung zur Abschirmung magnetischer Felder und – einer mit Strom beaufschlagbaren Leiteranordnung (7), mit der im Inneren der Abschirmvorrichtung ein homogenes Magnetfeld (2) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmvorrichtung einen hohlen Abschirmkörper (3) mit einem um eine Längsachse (4) des Abschirmkörpers (3) umlaufenden Abschirmmantel (5) aufweist, und dass die Leiteranordnung (7) über wenigstens zwei Windungen (28) verfügt, die entlang der Längsachse (4) um den Abschirmmantel (5) des Abschirmkörpers (3) gewickelt sind und die jeweils einen innerhalb des Abschirmkörpers (3) entlang der Längsachse (4) verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitt (20) und einen außerhalb des Abschirmkörpers (3) entlang der Längsachse (4) verlaufenden äußeren Leiterbahnabschnitt (21) aufweisen und die einen in Umfangsrichtung (31) des Abschirmkörpers (3) zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (28) Teil von wenigstens zwei Feldspulen (29, 30) sind, die um den Abschirmmantel (5) des Abschirmkörpers (3) gewickelt sind, wobei die Windungen (28) der Feldspulen (29, 30) jeweils einen innerhalb des Abschirmkörpers (3) entlang der Längsachse (4) verlaufenden, inneren Leiterbahnabschnitt (20) und einen außerhalb des Abschirmkörpers (3) entlang der Längsachse (4) verlaufenden, äußeren Leiterbahnabschnitt (21) aufweisen, und dass die wenigstens zwei Feldspulen (29, 30) einen in Umfangsrichtung (31) des Abschirmkörpers (3) zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteranordnung (7) zwei Feldspulen (29, 30) aufweist, die an einander gegenüberliegenden Seiten des Abschirmmantels (5) angeordnet sind und die um den Abschirmmantel (5) des Abschirmkörpers (3) gewickelt sind und die einen in Umfangsrichtung (31) des Abschirmkörpers (3) zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschirmkörper (3) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und dass die im Inneren des Abschirmkörpers (3) verlaufenden Leiterbahnabschnitte (20) bei Projektion auf eine in Richtung des Magnetfeldes (2) verlaufende Raumachse untereinander einen gleichbleibenden Abstand aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteranordnung (7) entlang der Längsachse (4) um den Abschirmmantel (5) des Abschirmkörpers (3) gewickelte Windungen (33) aufweist, mit denen sich ein Magnetfeldgradient im Inneren des Abschirmkörpers (3) erzeugen lässt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschirmkörper (3) die Längsachse (4) schneidende Öffnungen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschirmkörper (3) mit der Längsachse (4) liegend angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschirmkörper (3) wenigstens eine Öffnung aufweist, durch die das Innere des Abschirmkörpers (3) ohne ein Auftrennen einer der Windungen (28) zugänglich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteranordnung (7) an einer vorderseitigen Öffnung und an einer rückseitigen Öffnung wenigstens eine sich entlang den Öffnungen des Abschirmkörpers (3) erstreckende Kompensationswindung (35) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationswindungen (35) entlang den Linien gleicher Feldstärke des magnetischen Feldes verlaufen, das von den innerhalb des Abschirmkörpers (3) entlang der Längsachse (4) verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitten (20) erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteranordnung (7) an der vorderseitigen Öffnung und an der rückseitigen Öffnung jeweils mindestens zwei sich entlang der vorderseitige Öffnung und der rückseitigen Öffnung erstreckende Kompensationsspulen (36) aufweist, die in Magnetfeldrichtung hintereinander angeordnet sind und die einen zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsspulen (36) in einer Fläche angeordnete Kompensationswindungen (35) mit unterschiedlichen Querschnittsflächen umfassen, deren Windungszentren (38) desto weiter nach außen versetzt sind, je kleiner die Querschnittsfläche der jeweiligen Kompensationswindung (35) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationswindungen (35) ein nierenförmig ausgebildetes Querschnittsprofil aufweisen und mit ihrer konvexen Seite nach außen und mit ihrer konkaven Seite nach innen weisend angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschirmkörper (3) von einer wenigstens einwandigen, äußeren Abschirmvorrichtung (8–11, 12) umgeben ist, wobei Wände (18) der Abschirmvorrichtung (8–11, 12) für die Entmagnetisierung der Abschirmvorrichtung (8–11, 12) jeweils mit wenigstens einer Entmagnetisierungswindung umwickelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Abschirmvorrichtung (8–11, 12) in einer äußeren Kompensationsspulen-Anordnung (13) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere in Längsrichtung hintereinander angeordnete hohle Abschirmkörper (3) mit zugeordneter Leiteranordnung (7) aufweist, mit der sich jeweils im Inneren des zugeordneten Abschirmkörpers (3) ein homogenes Magnetfeld erzeugen lässt.