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Die Erfindung betrifft eine Magnetanordnung zum Einsatz in einer Apparatur für magnetische Resonanzspektroskopie mit einem supraleitenden Magnetspulensystem zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Richtung einer z-Achse in einem auf der z-Achse um z = 0 angeordneten Arbeitsvolumen, wobei das Feld des Magnetspulensystems im Arbeitsvolumen mindestens einen inhomogenen Anteil An0·zn mit n ≥ 2 aufweist, dessen Beitrag zur Gesamtfeldstärke auf der z-Achse um z = 0 mit der n-ten Potenz von z variiert, und wobei eine bezüglich der z-Achse zylindersymmetrische Feldformvorrichtung aus magnetischem Material vorgesehen ist, welche mindestens teilweise einen radialen Abstand von der z-Achse von weniger als 80 Millimetern aufweist und mindestens einen der inhomogenen Feldanteile An0·zn des Magnetspulensystems zu mindestens fünfzig Prozent kompensiert.
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Das Einsatzgebiet von supraleitenden Magneten umfasst verschiedene Anwendungsfelder. Dazu gehören insbesondere spektroskopische Magnetresonanzverfahren. Um in solchen Verfahren eine gute spektrale Auflösung zu erreichen, muss das Magnetfeld im Probenvolumen eine gute Homogenität aufweisen. Mit der geometrischen Anordnung der felderzeugenden Magnetspulen kann die Grundhomogenität des supraleitenden Magneten optimiert werden. Typischerweise müssen Aussparungen vorgesehen werden (sogenannte Notchstrukturen), in denen kein Draht gewickelt wird. So geht wertvoller Platz für Magnetwicklungen verloren, was den Magneten verteuert und das Streufeld vergrößert.
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In einer Anordnung gemäß
US 6,617,853 B2 wird ein supraleitender Magnet für hochauflösende Spektroskopie dadurch kompakter gestaltet, dass ein oder mehrere magnetische Ringe vorgesehen sind, welche die Rolle gewisser Notchstrukturen in den Magnetspulen übernehmen.
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Die z-Komponente des Magnetfelds einer Anordnung gemäß
US 6,617,853 B2 kann im Probenvolumen nach Kugelfunktionen entwickelt werden:
wobei nach Design die Koeffizienten A
nm mit m ≠ 0 und alle Koeffizienten B
nm verschwinden. Aufgrund von Fertigungstoleranzen in der Magnetanordnung weichen die Koeffizienten A
nm und B
nm vom berechneten Wert ab. Üblicherweise sind zur Korrektur dieser nicht verschwindenden Koeffizienten Shimspulen vorgesehen, die je mit einem eigenen Strom gespeist werden können. Bei großen Abweichungen der Koeffizienten von ihrem Sollwert kann es vorkommen, dass der in gewissen Shimspulen benötigte Strom zu hoch ist und das Magnetfeld der Magnetanordnung nicht wie gewünscht korrigiert werden kann. Alternativ dazu kann es vorkommen, dass der problematische Koeffizient in der Entwicklung des Magnetfelds nach Kugelfunktionen nicht korrigiert werden kann, weil gar keine Shimspule dafür vorgesehen ist. In einer solchen Situation ist eine teure Reparatur des Magnetsystems erforderlich, bei der ein Teil der Magnetanordnung ersetzt werden muss.
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Aufgabe der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, in einer Magnetanordnung der eingangs definierten Art die Feldhomogenität im Arbeitsvolumen mit einfachen technischen Maßnahmen und ohne Volumenzunahme der Magnetanordnung wesentlich zu erhöhen, wobei möglichst wenige Iterationen zur Optimierung der Magnetanordnung erforderlich sein sollen.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Weise gelöst durch eine Magnetanordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Feldformvorrichtung eine oder mehrere nicht-zylindersymmetrische Aussparungen vorgesehen sind, die so ausgebildet sind, dass mindestens ein Koeffizient A
nm oder B
nm mit m ≠ 0 in der Magnetfeldentwicklung der Magnetanordnung nach Kugelfunktionen
betragsmäßig um mindestens fünfzig Prozent reduziert wird.
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Durch die geometrische Anordnung der Aussparungen können gezielt gewisse Koeffizienten Anm oder Bnm mit m ≠ 0 in der Magnetfeldentwicklung nach Kugelfunktionen der Magnetanordnung verändert werden.
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Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
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Ein erheblicher Vorteil von Aussparungen in einer zylindersymmetrischen Feldformvorrichtung aus magnetischem Material ist die Möglichkeit, die Feldhomogenität der Magnetanordnung im Arbeitsvolumen ohne Zusatzmaterial zu verbessern. Prinzipiell könnte das Ziel einer verbesserten Feldhomogenität auch mit zusätzlichem magnetischem Material gelöst werden, welches beispielsweise auf die Feldvorrichtung geklebt würde. Dies könnte allerdings nur realisiert werden, wenn von vornherein Platz für solche Feldkorrekturen vorgesehen würde, was die Magnetanordnung aufblähen und verteuern würde.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Besonders bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetanordnung zeichnen sich dadurch aus, dass die Feldformvorrichtung gekühlte Komponenten umfasst, insbesondere derart, dass diese die Temperatur des Flüssighelium-Bades, welches das Magnetspulensystem kühlt, aufweisen. Der Vorteil der tiefen Temperatur sind bessere magnetische Eigenschaften des magnetischen Materials, das heißt eine größere Magnetisierung bei gegebenem äußerem Feld. Bei stabiler Temperatur werden auch Schwankungen in der Magnetisierung unterdrückt, was eine bessere zeitliche Stabilität der Homogenität der Magnetanordnung gewährleistet. Wesentlich stabiler wird die Homogenität der Magnetanordnung auch durch die Tatsache, dass die relative Position der gekühlten Komponenten der Feldformvorrichtung zum Magnetspulensystem nicht durch atmosphärische Bedingungen, also Druck und Temperatur, beeinflusst wird. Komponenten der Feldformvorrichtung, welche auf Raumtemperatur sind, sind nämlich typischerweise über einen langen Weg mechanisch mit dem Magnetspulensystem verbunden. Dieser Weg wird durch Temperatur- und Druckschwankungen im Labor deformiert, so dass die relative Position dieser Komponenten der Feldformvorrichtung zum Magnetspulensystem zeitlich veränderlich ist. Die veränderliche Position führt zu einer zeitlichen Abhängigkeit der Koeffizienten der Magnetfeldentwicklung der Magnetanordnung nach Kugelfunktionen.
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In einer weiteren Ausführungsform zeichnet sich die Magnetanordnung dadurch aus, dass die Feldformvorrichtung Komponenten umfasst, die in einem Bereich der Magnetanordnung, welche sich auf Raumtemperatur befindet, angebracht sind. Diese Komponenten sind im Betriebszustand gut zugänglich und können modifiziert werden, ohne das Magnetspulensystem aufzuwärmen.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das Magnetspulensystem eine aktive Abschirmung besitzt. Diese aktive Abschirmung reduziert das Streufeld der Magnetanordnung, so dass im Labor mehr Platz für andere Anwendungen zur Verfügung steht.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Feldformvorrichtung mindestens teilweise radial innerhalb der innersten Drahtwindung des Magnetspulensystems angeordnet ist. So nah an der z-Achse ist die Effizienz der Feldformvorrichtung für die Kompensation der inhomogenen Feldanteile An0·zn des Magnetspulensystems besonders groß.
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Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung, bei der die Feldformvorrichtung magnetisch vollständig gesättigt und rein axial (in einer Richtung entlang der z-Achse) magnetisiert ist. In dieser Situation ist die Berechnung des durch die Feldformvorrichtung produzierten Feldes besonders einfach und exakt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Feldformvorrichtung Komponenten aus Weicheisen. Weicheisen hat als Vorteile eine große Permeabilität sowie eine hohe Sättigungsinduktion. Mit diesen Eigenschaften bekommt die Feldformvorrichtung eine hohe Magnetisierung, so dass mit wenig Material schon eine hohe Feldeffizienz erreicht wird.
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Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung, bei der Teile der Feldformvorrichtung einer Oberflächenbehandlung unterzogen wurden, insbesondere dass diese verzinkt wurden. Diese Oberflächenbehandlung bietet einen optimalen Schutz vor Korrosion, was insbesondere für Teile aus Weicheisen unerlässlich ist.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Feldformvorrichtung aus einem einzigen Element aus magnetischem Material besteht. Dies ist hinsichtlich der Fertigung und Montage die einfachste mögliche Ausführungsform für die Feldformvorrichtung.
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Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung, bei der die Feldformvorrichtung mehrere Elemente aus magnetischem Material umfasst. Dadurch bieten sich mehr Freiheitsgrade für die Optimierung der Feldformvorrichtung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung umfasst die Feldformvorrichtung magnetische Folien, welche auf einer Trägervorrichtung angebracht sind. Besonders nahe an der z-Achse ist die Effizienz von magnetischem Material so groß, dass wenig Material für die Erzeugung der gewünschten Feldform notwendig ist. Folien bieten daher eine ideale Lösung nicht zuletzt darum, weil sie nur geringe Schwankungen in der Dicke aufweisen.
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Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung bildet mindestens ein Teil der nicht-zylindersymmetrischen Aussparungen durchgängige Löcher durch die Feldformvorrichtung. Derartige durchgängige Löcher sind technisch einfach zu realisieren, z. B. können sie mit Laserstrahlen herausgeschnitten werden.
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Alternative Ausführungsformen zeichnen sich dadurch aus, dass mindestens ein Teil der nicht-zylindersymmetrischen Aussparungen keine durchgängigen Löcher durch die Feldformvorrichtung bildet. Derartige nicht-durchgängige Löcher haben den Vorteil, mehr Freiheit für das Design der Feldkorrektur zu bieten. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass die mechanische Struktur der Feldformvorrichtung weniger geschwächt wird als mit durchgängigen Löchern, vor allem dann, wenn die Löcher einen großen Winkelbereich abdecken.
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Bei vorteilhaften Weiterbildungen dieser Ausführungsformen ist vorgesehen, dass mindestens ein Teil der nicht-zylindersymmetrischen Aussparungen auf der Innenseite der Feldformvorrichtung angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend kann bei anderen Weiterbildungen mindestens ein Teil der nicht-zylindersymmetrischen Aussparungen auf der Außenseite der Feldformvorrichtung angeordnet sein. Je nach dem angewandten mechanischen Herstellungsverfahren kann es vorteilhaft sein, entweder auf der Innen- oder auf der Außenseite der Feldformvorrichtung Material abzutragen. Mit einem Dorn zur mechanischen Stützung auf der Innenseite der Feldformvorrichtung können Aussparungen mit einem Schleif- oder Fräsverfahren auf der Außenseite realisiert werden. Funkenerosion ist auf der Innenseite einfacher realisierbar, weil die Elektrode einfacher herzustellen ist (meistens in Form eines „Kuchenstücks”).
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In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zur Herstellung einer Magnetanordnung der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Art, welches sich dadurch auszeichnet, dass mindestens ein Teil der nicht-zylindersymmetrischen Aussparungen durch Funkenerosion abgetragen wird. Mit Funkenerosion kann hohe mechanische Genauigkeit erreicht werden.
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Alternativ dazu kann bei einer anderen Verfahrensvariante vorgesehen sein, dass mindestens ein Teil der nicht-zylindersymmetrischen Aussparungen durch einen ätzenden Stoff abgetragen wird. Durch geeignetes Abdecken von Stellen der Feldformvorrichtung, die nicht nachbearbeitet werden müssen, kann mit einem Ätzverfahren in einem Säurebad auf einfache Weise Material abgetragen werden. Die Ätzzeit muss so eingestellt werden, dass die korrekte Dicke an Material abgetragen wird.
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Eine weitere Alternative stellt eine Verfahrensvariante dar, bei welcher mindestens ein Teil der nicht-zylindersymmetrischen Aussparungen durch Elektrolyse abgetragen wird. Anstelle eines Säurebades wie bei der obigen Verfahrensvariante wird hier ein Elektrolytbad eingesetzt.
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Schließlich kann bei einer weiteren Verfahrensvariante mindestens ein Teil der nicht-zylindersymmetrischen Aussparungen auch mittels Schleifen oder Fräsen abgetragen werden. Schleifen und Fräsen sind uralte Verfahren, die jeder Feinmechaniker beherrscht. Man benötigt zudem keine besonderen apparativen Einrichtungen für die Durchführung dieser Prozesse.
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Bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Magnetanordnung, die nicht-zylindersymmetrischen Aussparungen in Form von durchgängigen Löchern durch die Feldformvorrichtung aufweisen, können die Löcher auch mit einem Laserstrahl herausgeschnitten werden. Ein wesentlicher Vorteil der Laser-Methode besteht in der sehr hohen mechanischen Präzision, so dass auch komplizierte vorgegebene Formen äußerst genau hergestellt werden können.
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Weiter fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zur Auslegung der nicht-zylindersymmetrischen Aussparungen in einer Magnetanordnung der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Art, das sich dadurch auszeichnet, dass die Koeffizienten Anm und Bnm der Magnetfeldentwicklung nach Kugelfunktionen mittels einer Feldmessung in oder um das Arbeitsvolumen in einer Magnetanordnung mit einer Feldformvorrichtung ohne nicht-zylindersymmetrische Aussparungen bestimmt werden. Mit dieser Methode können diejenigen Koeffizienten Anm und Bnm bestimmt werden, die korrigiert werden müssen. Eine geeignete Geometrie der Aussparungen zur Korrektur dieser Koeffizienten wird mit einem numerischen Verfahren ermittelt.
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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 einen schematischen Vertikalschnitt durch eine radiale Hälfte der erfindungsgemäßen Magnetanordnung;
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2 eine schematische räumliche Darstellung von schräg oben auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feldformvorrichtung mit nicht-zylindersymmetrischen Aussparungen, die auf der Innen- und auf der Außenseite der Feldformvorrichtung angeordnet sind;
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3 eine Ausführungsform, bei welcher die Aussparungen durchgängige Löcher in der Feldformvorrichtung bilden;
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4 eine schematische Abwicklung der Feldformvorrichtung, welche in 3 dargestellt ist;
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5 eine Ausführungsform, bei welcher die Aussparungen keine durchgängigen Löcher bilden, sondern auf der Außenseite der Feldformvorrichtung angeordnet sind; und
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6 eine schematische Abwicklung der Feldformvorrichtung, welche in 5 dargestellt ist.
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Anhand der 1 wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung gezeigt, welche ein Magnetspulensystem C sowie eine magnetische Feldformvorrichtung P1 umfasst. Die Feldformvorrichtung P1 liegt typischerweise zumindest teilweise näher an der z-Achse als das Magnetspulensystem C. Sie besteht in diesem Fall aus 3 Ringen. Auf der z-Achse ist um z = 0 ein Arbeitsvolumen AV angeordnet.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Feldformvorrichtung, welche typischerweise nicht-zylindersymmetrische Aussparungen A2 auf der Innen- und auf der Außenseite der Feldformvorrichtung aufweist. Diese Aussparungen können im Prinzip beliebig komplizierte Formen und Tiefen annehmen. In der Praxis werden jedoch einfache Formen bevorzugt, da dann der Einfluss der Aussparungen auf das Feldprofil der Magnetanordnung einfacher zu berechnen ist.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Feldformvorrichtung mit durchgängigen Aussparungen zur gezielten Änderung des B21-Koeffizienten in der Magnetfeldentwicklung der Magnetanordnung nach Kugelfunktionen. In 4 ist eine schematische Abwicklung dieser Feldformvorrichtung mit Vermaßung dargestellt.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Feldformvorrichtung mit Aussparungen auf der Außenseite der Feldformvorrichtung zur gezielten Änderung des B22-Koeffizienten in der Magnetfeldentwicklung der Magnetanordnung nach Kugelfunktionen. In 6 ist eine schematische Abwicklung dieser Feldformvorrichtung mit Vermaßung dargestellt.
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Zur Veranschaulichung der Erfindung werden nun zwei Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben. Beide Beispiele gehen von der gleichen zylindersymmetrischen Feldformvorrichtung aus, die aus magnetischem Stahl mit einer Sättigungsmagnetisierung von 1.71·106 A/m besteht. Da der supraleitende Magnet ein sehr hohes axiales Feld am Ort der Feldformvorrichtung erzeugt, wird davon ausgegangen, dass die gesamte Feldformvorrichtung in der magnetischen Sättigung ist und dass die Magnetisierung rein axial ist, also in z-Richtung zeigt. Die Feldformvorrichtung lässt sich geometrisch durch ihre Höhe von 80 mm, Wandstärke von 0.5 mm und Innendurchmesser von 70 mm charakterisieren. Sie ist symmetrisch bezüglich der Ebene z = 0. Aus diesen Angaben lassen sich folgende Beiträge der Feldformvorrichtung zu den Koeffizienten der Magnetfeldentwicklung der Magnetanordnung nach Kugelfunktionen berechnen:
A00 = –100 Gauss
A20 = 0.98 Gauss/cm2
A40 = 0.34 Gauss/cm4
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Alle anderen Koeffizienten sind vernachlässigbar. Der Beitrag zum Koeffizienten A00 ist irrelevant, wenn man bedenkt, dass der supraleitende Magnet mehrere Tesla erzeugt. Interessant sind vor allem die positiven Beiträge zu den Koeffizienten A20 und A40. Sie erlauben nämlich ein Spulendesign, welches ein negatives A20 von –0.98 Gauss/cm2 und ein negatives A40 von –0.34 Gauss/cm4 erzeugt. Dies führt zu kompakten Spulenanordnungen mit weniger Notchstrukturen als solche, die ein A20 von 0 und ein A40 von 0 erzeugen müssten. Idealerweise können sogar die Notchstrukturen ganz weggelassen werden.
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Typischerweise wird beim Test der Magnetanordnung mit der eben beschriebenen zylindersymmetrischen Feldformvorrichtung ein Feldprofil in oder um das Arbeitsvolumen gemessen. Daraus lassen sich mit einer numerischen Prozedur die tatsächlichen Koeffizienten Anm und Bnm der Magnetfeldentwicklung der Magnetanordnung nach Kugelfunktionen bestimmen. Sind einzelne dieser Koeffizienten zu groß, lassen sie sich in der Shimprozedur nicht auf null bringen, so dass eine Reparatur der Magnetanordnung erforderlich wird. Anhand von zwei Beispielen soll hier gezeigt werden, wie ein zu hoher B21-beziehungsweise ein zu hoher B22-Koeffizient mittels Aussparungen in der Feldformvorrichtung korrigiert werden können.
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Das erste Beispiel ist in der 3 dargestellt. In der 4 ist eine schematische Abwicklung zu sehen, bei welcher φ = 0° der x-Achse entspricht. Die Aussparungen sind in diesem Fall durchgehende Löcher durch die Feldformvorrichtung. Diese Löcher sind um die Ebene z = 0 symmetrisch, aber um 180° versetzt angeordnet. Sie haben alle eine Breite b von 1.85 mm, was einem Öffnungswinkel von 3° entspricht. Das kleine Loch fängt bei einem z-Wert Ckl von 1.25 mm an und hat eine axiale Ausdehnung hkl von 4.5 mm. Das große Loch fängt bei einem z-Wert Cgr von 15 mm an und hat eine axiale Ausdehnung hgr von 22 mm. Im positiven z-Bereich sind die Löcher bei einem mittleren Winkel von φ = 90°, im negativen z-Bereich bei einem mittleren Winkel von φ = –90° angeordnet. Der Beitrag der Aussparungen zu den Koeffizienten Anm und Bnm der Magnetfeldentwicklung der Magnetanordnung nach Kugelfunktionen lässt sich numerisch bestimmen. Die wichtigsten nicht-verschwindenden Koeffizienten sind:
B21 = –0.18 Gauss/cm2
A20 = 0.07 Gauss/cm2
A22 = 0.04 Gauss/cm2
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Die letzten beiden Koeffizienten können durch eine Anpassung der Shimströme korrigiert werden. Der erste Koeffizient ist in der Lage, einen ähnlich großen Beitrag seitens Magnetanordnung zu kompensieren.
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Das zweite Beispiel ist in der 5 dargestellt. In der 6 ist eine schematische Abwicklung zu sehen, bei welcher φ = 0° der x-Achse entspricht. Die Aussparungen sind in diesem Fall 0.07 mm tiefe Strukturen in der Feldformvorrichtung. Sie können je nach Produktionsverfahren auf der Innen- oder auf der Außenseite der Feldformvorrichtung angeordnet sein. Beide Aussparungen sind um die Ebene z = 0 symmetrisch und sind in Umfangsrichtung um 180° zueinander versetzt. Sie haben beide einen Öffnungswinkel von 90° und eine axiale Höhe von h = 56 mm. Der Beitrag der Aussparungen zu den Koeffizienten Anm und Bnm der Magnetfeldentwicklung der Magnetanordnung nach Kugelfunktionen lässt sich numerisch bestimmen. Die wichtigsten nicht-verschwindenden Koeffizienten sind:
A22 = –0.58 Gauss/cm2
A20 = –0.64 Gauss/cm2
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Der erste Koeffizient ist in der Lage, einen ähnlich großen Beitrag seitens Magnetanordnung zu kompensieren. Der zweite Koeffizient kann durch eine Anpassung des entsprechenden Shimstroms korrigiert werden. Wenn der Shim dafür zu schwach ist, können zusätzliche Vertiefungen in der Feldformvorrichtung vorgesehen werden, die diesen Koeffizienten korrigieren. Diese Vertiefungen sind aber im Gegensatz zu den Aussparungen zylindersymmetrisch.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6617853 B2 [0002, 0004, 0005]
