DE102016200375A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von Magnetresonanzsignalen - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zur Messung von Magnetresonanzsignalen angegeben, die eine Spuleneinrichtung (3) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (B0) mit wenigstens einer Magnetspule (5, 5a, 5b) mit einer supraleitenden Spulenwicklung aufweist. Die Spuleneinrichtung (5) weist eine Kühlvorrichtung (7) zur trockenen Kühlung der supraleitenden Spulenwicklung auf. Die Vorrichtung (1) weist eine vorgegebene Durchlaufrichtung (x) auf für den sequenziellen Transport einer Mehrzahl von Messobjekten (9) durch die Vorrichtung (1) hindurch. Weiterhin weist die Spuleneinrichtung (5) einen durchgehenden inneren Hohlraum auf, der einen durchgehenden Probenraum (11) definiert und durch den die Messobjekte (9) hintereinander entlang der Durchlaufrichtung (x) durch die Vorrichtung (1) hindurch transportiert werden können. Weiterhin wird eine Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Sicherheitskontrolle angegeben, wobei die Messobjekte (9) eine Mehrzahl von Transportgütern (9a) und/oder Personen (9b) sind, die im Hinblick auf das Vorhandensein von vordefinierten Arten von Gefahrstoffen untersucht werden. Weiterhin wird ein Verfahren zur Sicherheitskontrolle mit einer solchen Vorrichtung angegeben.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Magnetresonanzsignalen, die eine Spuleneinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit wenigstens einer Magnetspule mit einer supraleitenden Spulenwicklung aufweist, wobei die Spuleneinrichtung eine Kühlvorrichtung zur trockenen Kühlung der supraleitenden Spulenwicklung umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Vorrichtung sowie mit einer solchen Vorrichtung durchzuführendes Verfahren.
• Nach dem Stand der Technik sind Geräte zur Messung von Magnetresonanzsignalen bekannt, die beispielsweise in der medizinischen Bildgebung oder in der Materialanalyse beziehungsweise chemischen Strukturanalyse zum Einsatz kommen. Den verschiedenen Arten von Geräten ist gemeinsam, dass jeweils ein starker Magnet zur Erzeugung eines starken, konstanten und möglichst homogenen Magnetfeldes benötigt wird, um die magnetischen Kernmomente im Mittel entlang einer Vorzugsrichtung auszurichten. Die so ausgerichteten magnetischen Momente der Kerne können dann mit einem hochfrequenten elektromagnetischen Feld (meist in Form eines oder mehrerer kurzer Hochfrequenz-Pulse) in resonante Wechselwirkung gebracht werden. Ein Magnetresonanzsignal ist ein auf der Grundlage dieser resonanten Wechselwirkung entstehendes Signal, welches meistens von einer Hochfrequenz-Empfangsspule als Antwort auf ein von einer Hochfrequenz-Sendespule ausgesendetes Signal gemessen wird. Die häufigste Form einer solchen Messung ist die Messung eines sogenannten freien Induktionszerfalls. Basierend auf diesem grundlegenden Messprinzip werden im Stand der Technik zahlreiche Arten von Messungen beschrieben, die auf unterschiedlichen Abfolgen von elektromagnetischen Sendepulsen und Empfangsphasen beruhen.
• Bei der kernmagnetischen Resonanz-Spektroskopie (kurz: NMR-Spektroskopie für englisch „nuclear magnetic resonance“ Spektroskopie) wird typischerweise das elektromagnetische Signal des gemessenen freien Induktionszerfalls durch Fourier-Analyse in seine einzelnen Frequenzkomponenten zerlegt. Die Auftragung der gemessenen Intensitäten gegen diese Frequenzkomponenten ergibt das sogenannte NMR-Spektrum, in denen für einen vorgegebenen Typ von Kern (beispielsweise Wasserstoff ¹H oder Kohlenstoff ¹³C) unterschiedliche chemische Bindungsumgebungen als unterschiedliche spektrale Banden oder Linien erkennbar sind. Durch diese sogenannte chemische Verschiebung und durch die Spin-Spin-Kopplung an benachbarte Kerne ergeben sich auf diese Weise charakteristische spektrale Signaturen für die unterschiedlichen chemischen Umgebungen in verschiedenen Verbindungen. Daher kann die NMR-Spektroskopie sowohl für die Strukturaufklärung unbekannter Verbindungen verwendet werden als auch für die Detektion bereits bekannter Materialien durch Vergleich mit existierenden Spektren.
• Bei der Magnetresonanz-Bildgebung (MR-Bildgebung) dagegen wird ein ortsaufgelöstes Signal erhalten, indem durch eine oder mehrere zusätzliche Gradientenspulen ein ortsabhängiges Magnetfeld B₁ dem homogenen Magnetfeld B₀ überlagert wird und dann die zu vermessenden Kerne nacheinander in Resonanz gebracht werden. Eine solche bildgebende Messung beruht dabei typischerweise nicht auf einer spektralen Zerlegung wie bei der Spektroskopie, sondern auf einer ortsaufgelösten Bestimmung der Signalintensitäten und/oder der Relaxationszeiten der Spins, die sich auf die Abklingzeiten der gemessenen elektromagnetischen Signale auswirken. Mit verschiedenen Arten von Pulsfolgen (beispielsweise sogenannten Spin-Echo-Sequenzen) können dabei unterschiedliche Arten von Relaxationszeiten gemessen werden. In der medizinischen Bildgebung werden dabei am häufigsten ¹H-, also Protonen-Signale gemessen, womit dann die unterschiedlichen Relaxationszeiten des Wasserstoffs (hauptsächlich in Form von Wasser) in den verschiedenen Gewebearten, sowie auch der unterschiedliche Wasserstoff-Gehalt abgebildet werden. Es können aber prinzipiell auch andere Kerne mit geeignetem Kernspin ortsaufgelöst im Hinblick auf ihre Häufigkeit und chemische Umgebung gemessen werden.
• Sowohl für die NMR-Spektroskopie als auch für die MR-Bildgebung werden normalerweise sehr starke B₀-Magnetfelder benötigt. Zu ihrer Erzeugung können Permanentmagnete, normalleitende Elektromagnete oder auch supraleitende Magnetspulen zum Einsatz kommen. Für magnetische Feldstärken oberhalb von 0,5 T werden dabei überwiegend supraleitende Magnetspulen eingesetzt. In einer supraleitenden Magnetspule kann der zur Erzeugung des zeitlich konstanten Magnetfeldes nötige Gleichstrom nahezu verlustfrei fließen, und es werden hohe Stromdichten erreicht. Der supraleitende Leiter einer solchen supraleitenden Magnetspule muss beim Betrieb auf eine kryogene Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur gekühlt werden. Um dies zu erreichen wird bei sehr vielen Magnetresonanz-Messvorrichtungen eine Kühlung des supraleitenden Materials durch Umspülung mit einem kryogenen flüssigen Kühlmittel in einem Badkryostaten eingesetzt. Das am häufigsten verwendete Kühlmittel ist flüssiges Helium, mit dem Temperaturen im Bereich von 4 K erreicht werden können. Allerdings ist Helium nur begrenzt verfügbar und wird immer teurer. Ein weiterer Nachteil einer solchen Kühlung ist, dass bei einem plötzlichen Zusammenbruch der supraleitenden Eigenschaften (einem sogenannten „Quench“) das gesamte flüssige Helium verdampft und anschließend ersetzt werden muss. Auch das Abkühlen und Inbetriebnehmen einer solchen Helium-gekühlten supraleitenden Spule ist insgesamt sehr zeit- und ressourcenaufwendig.
• Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es prinzipiell auch möglich, Magnetresonanz-Messvorrichtungen trocken zu kühlen. Dies bedeutet, dass die supraleitenden Leiter nicht direkt von einem flüssigen Kühlmittel umspült sind. Stattdessen können sie wärmeleitend an einen Kaltkopf einer Kältemaschine angekoppelt sein. Hierdurch ist der Verbrauch an flüssigem Helium gegenüber einem Helium-Badkryostaten stark reduziert.
• Die Kältemaschine kann trotzdem mit Helium arbeiten, aber in diesem Fall liegt das Helium in einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf der Kältemaschine vor und muss daher nicht bei einem Abdampfen aus dem Kryostaten der Spulenwicklung nachgefüllt werden.
• Bisher wurden noch keine Vorrichtungen zur Messung von Magnetresonanzsignalen beschrieben, die sich für das routinemäßige Screening von Personen und/oder Transportgütern im Rahmen von Sicherheitskontrollen eignen. Neben dem hohen apparativen Aufwand (vor allem bei den heliumgekühlten Magnetspulen), spielt bei vielen herkömmlichen Magnetresonanz-Vorrichtungen auch das begrenzte Probenvolumen sowie die begrenzte Zugänglichkeit des Probenraums eine Rolle. Bei den meisten herkömmlichen NMR-Spektrometern ist der Probenraum durch einen nur einseitig offenen Hohlraum im Inneren der Magnetspule(n) gegeben. Ein sequenzieller Transport von einer Vielzahl von Messobjekten durch die Vorrichtung hindurch ist mit einem solchen Spektrometer nicht möglich. Auch herkömmliche MR-Tomographen zur medizinischen Bildgebung arbeiten nicht nach dem Prinzip des sequenziellen Transports von Messobjekten durch die Vorrichtung hindurch, sondern es werden Patienten auf einer Patientenliege von einer Seite in einen inneren Hohlraum hineingefahren und nach Abschluss der tomographischen Messungen auf derselben Seite wieder herausgefahren.
• Weiterhin ist bei herkömmlichen MR-Messvorrichtungen eine Einführung beliebiger Messobjekte mit unbekannter Materialzusammensetzung in den Probenraum nicht ohne Weiteres möglich. Die Spuleneinrichtungen zur Erzeugung der starken statischen Magnetfelder B₀ sind im Allgemeinen so ausgelegt, dass die magnetische Feldstärke in einem in etwa dem inneren Hohlraum entsprechenden Homogenitätsbereich sehr stark und homogen ist, und dass sie in den benachbarten Bereichen außerhalb dieses Hohlraums mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt der Vorrichtung sehr schnell auf sehr niedrige Werte abfällt. In den Randbereichen des Probenraums und/oder in den direkt benachbarten Bereichen treten damit sehr hohe Feldgradienten auf. Wenn Messobjekte mit ferromagnetischen Materialanteilen in die Nähe der Vorrichtung gebracht werden und anschließend in den Probenraum eingeführt werden sollen, können dabei sehr hohe magnetische Anziehungskräfte auftreten, so dass solche Messobjekte stark beschleunigt werden und ein hohes Gefährdungspotential verursachen können, da sie dann ähnlich wie ein Geschoss wirken. Auch das Einführen von Messobjekten mit anderen metallischen Materialanteilen kann problematisch sein, da durch ihre Bewegung im Bereich der starken Magnetfeldgradienten hohe Wirbelströme induziert werden. Dieser Effekt beruht auf demselben Funktionsprinzip wie bei einer Wirbelstrombremse und kann eine erwünschte Bewegung des Messobjekts vor allem in den Randbereichen der Vorrichtung stark einschränken.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Messung von Magnetresonanzsignalen anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll eine solche Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, welche sich für die Vermessung einer Vielzahl von Proben unbekannter Zusammensetzung eignet. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Verwendung einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung von Magnetresonanzsignalen mit einer solchen Vorrichtung anzugeben.
• Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung, die in Anspruch 11 beschriebene Verwendung und das in Anspruch 12 beschriebene Verfahren gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Magnetresonanzsignalen weist eine Spuleneinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes auf. Diese Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine Magnetspule mit einer supraleitenden Spulenwicklung. Die Spuleneinrichtung weist ferner eine Kühlvorrichtung zur trockenen Kühlung der supraleitenden Spulenwicklung auf. Die Vorrichtung weist eine vorgegebene Durchlaufrichtung für den sequentiellen Transport einer Mehrzahl von Messobjekten durch die Vorrichtung hindurch auf. Die Spuleneinrichtung weist einen durchgehenden inneren Hohlraum auf, der einen durchgehenden Probenraum definiert und durch den die Messobjekte hintereinander entlang der Durchlaufrichtung durch die Vorrichtung hindurch transportiert werden können.
• Mit anderen Worten ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass sie sich für den kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Durchlauf von hintereinander folgenden Messobjekten eignet. Der innenliegende Probenraum ist also nicht nur einseitig, sondern beidseitig zugänglich, und die Messobjekte können sequentiell durch ihn hindurch transportiert werden, wobei die Messobjekte auch relativ dicht aufeinander folgen können, da sie nicht auf derselben Seite aus dem Probenraum entnommen werden, auf der sie in den Probenraum eingeführt wurden, sondern auf der gegenüberliegenden Seite. Bei den Messobjekten kann es sich im Kontext der vorliegenden Erfindung allgemein um Personen und/oder um Transportgüter handeln, also beispielsweise um Taschen, Säcke, Koffer oder Kisten. Der Probenraum ist also für den sequentiellen Durchlauf einer Vielzahl derartiger Messobjekte dimensioniert. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Vorrichtung für ein Screening von Objekten zum Zweck der Sicherheitskontrolle verwendet werden kann, beispielsweise im Bereich von Flughäfen, anderen zu schützenden Gebäuden oder bei Veranstaltungen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die zu untersuchenden Messobjekte routinemäßig auf das Vorhandensein von vordefinierten Arten von Gefahrstoffen, beispielsweise von Sprengstoffen oder Drogen, untersucht werden.
• Die trockene Kühlung der supraleitenden Spulenwicklung hat den Vorteil, dass die Vorrichtung zur Magnetresonanzmessung wesentlich einfacher zu handhaben und in Betrieb zu nehmen ist, als dies bei einer mit flüssigem Helium gekühlten Spulenwicklung der Fall wäre. Insbesondere kann die Vorrichtung so auch wesentlich mobiler, also leichter transportabel ausgeführt werden, was für Anwendungen in Sicherheitskontrollen wichtig sein kann. Im Gegensatz zu einer Messvorrichtung, die mit flüssigem Helium gefüllt und über Jahre ortsfest installiert ist, kann eine trocken gekühlte Vorrichtung auch für kurze Zeiten (z.B. einige Stunden oder Tage) an einem Zielort installiert werden, ohne dass der apparative Aufwand für die Inbetriebnahme den wirtschaftlichen Nutzen der Vorrichtung übersteigt. Für eine trockene Kühlung wird insbesondere kein Vorrat zum Nachfüllen von flüssigem Kühlmittel benötigt, da eine solche Kühlvorrichtung allein durch Zufuhr elektrischer Energie betrieben werden kann. Dabei soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter einer solchen „trockenen Kühlung“ allgemein eine Kühlung verstanden werden, bei der die supraleitende Spulenwicklung nicht direkt von flüssigem Kühlmittel umspült wird und nicht in einem Bad-Kryostaten mit offenem Kühlmittelreservoir angeordnet ist. Vielmehr erfolgt die Kühlung über eine thermische Ankopplung an ein festes, tiefkaltes Element, beispielsweise den Kaltkopf einer Kältemaschine. Diese Kältemaschine kann bei ihrem Betrieb wiederum selbst ein flüssiges Kühlmittel verwenden, welches aber dann nicht in einem offenen Reservoir, sondern in einem fluidisch abgeschlossenen Kühlmittelkreislauf vorliegt. Die thermische Ankopplung der Spulenwicklung an das feste, tiefkalte Element kann beispielsweise allein über eine hohe Wärmeleitung erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann diese thermische Ankopplung auch über eine Thermosiphonkühlung oder eine Wärmepumpe erfolgen, wobei wiederum ein Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf zum Einsatz kommen kann. Auch bei dieser Variante ist der wesentliche Unterschied zur Kühlung in einem Badkryostaten, dass das Kühlmittel nur in einem fluidisch abgeschlossenen Kreislauf innerhalb der Vorrichtung vorliegt und nicht einem nach außen offenen Reservoir.
• Ein wesentlicher Vorteil der trockenen Kühlen in den verschiedenen denkbaren Ausgestaltungen ist also, dass ein Transport möglich ist, ohne einen Helium-Badkryostaten entleeren und/oder befüllen zu müssen. Ein anderer Vorteil liegt darin, dass bei einem Zusammenbruch der Supraleitung (beispielsweise bei einem plötzlichen Quench) kein Verdampfen des flüssigen Kühlmittels in die äußere Umgebung erfolgt. Ein solcher Quench führt bei herkömmlichen Magnetresonanz-Spulen zu einer Verdampfung einer sehr großen Menge an Helium. Er birgt ein hohes Gefährdungspotential, da bei diesem schlagartigen Verdampfen ein hoher Überdruck im Kryostaten entsteht, der im Extremfall sogar den Kryostaten sprengen kann. Somit eigenen sich solche Vorrichtungen nicht für den Einsatz an Orten mit großen Mengen an Menschen, wie dies aber bei vielen für Sicherheitskontrollen relevanten Orten aber gerade der Fall ist. Dieser Nachteil wird durch die beschriebene trockene Kühlung vermieden, und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich daher für den Einsatz in Sicherheitskontrollen.
• Bei der erfindungsgemäßen Verwendung wird die oben beschriebene Vorrichtung zur Sicherheitskontrolle verwendet, wobei die Messobjekte eine Mehrzahl von Personen und/oder Transportgütern sind, die im Hinblick auf das Vorhandensein von vordefinierten Arten von Gefahrstoffen untersucht werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Sicherheitskontrolle mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei diesem Verfahren wird eine Mehrzahl von Messobjekten in Form von Personen und/oder Transportgütern hintereinander durch den Probenraum der Vorrichtung transportiert oder läuft durch diesen hindurch. An den jeweiligen Messobjekten werden mittels der Vorrichtung Magnetresonanzsignale gemessen, wobei aus der Art der gemessenen Magnetresonanzsignale auf das Vorliegen oder Nicht-Vorliegen von vordefinierten Arten von Gefahrstoffen geschlossen wird. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Verwendung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dabei analog zu den beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 12 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Vorrichtung, der Verwendung und des Verfahrens vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
• Die Spuleneinrichtung kann vorteilhaft dazu ausgelegt sein, ein Magnetfeld B₀ zu erzeugen, welches entlang der Durchlaufrichtung ein Feldprofil aufweist, das im Inneren des Hohlraums durch einen Homogenitätsbereich mit im Wesentlichen homogenem Feldverlauf gekennzeichnet ist und das in den dem Homogenitätsbereich benachbarten Randbereichen jeweils durch einen nach außen abfallenden und konkav gekrümmten Feldverlauf mit nach außen hin betragsmäßig kleiner werdendem Feldgradienten gekennzeichnet ist. Mit anderen Worten liegt im Inneren des Hohlraums ein Bereich mit im Wesentlichen homogenem Magnetfeld B₀ vor, der sich über einen Teil des Hohlraums, beispielsweise einen Großteil des Hohlraums, oder auch im Wesentlichen den ganzen Hohlraum erstrecken kann. In einem Bereich neben diesem Homogenitätsbereich fällt die magnetische Feldstärke zunächst relativ stark ab und nimmt mit größer werdenden Abständen stetig immer weiter ab, wobei die Steigung dieses Abfalls nach außen hin immer weiter abfällt – das Feldprofil flacht also nach außen hin allmählich ab. Somit ergibt sich in etwa die Form eines Trapezes mit konkav gekrümmten Seiten.
• Der Vorteil einer solchen Form ist, dass bei einem Transport oder einem Vorlaufen der Messobjekte entlang der Durchlaufrichtung die magnetische Feldstärke allmählich zunimmt, bis sie den maximalen Wert B₀ für die Durchführung der Messung im Probenraum erreicht. Bei einem weiteren Durchlauf entlang der Durchlaufrichtung nimmt die magnetische Feldstärke dann allmählich wieder ab. Durch diesen allmählichen Anstieg und Abfall wird ein Ein- und Ausführen von Messobjekten ungekannter Zusammensetzung ermöglicht, die auch magnetische und/oder elektrisch leitfähige Materialkomponenten aufweisen können.
• Besonders vorteilhaft kann das beschriebene Feldprofil des Magnetfeldes B₀ in den Randbereichen, die in Durchlaufrichtung neben dem Homogenitätsbereich liegen, einen Feldgradienten von nicht mehr als 9 T/m aufweisen. Besonders vorteilhaft kann dieser Feldgradient unterhalb von 3 T/m oder sogar unterhalb von 0,9 T/m liegen. Hierdurch wird erreicht, dass die magnetischen Anziehungskräfte auf ferromagnetische Materialen und die Abbremsung von Objekten mit elektrisch leitfähigen Komponenten vorteilhaft begrenzt werden. Beispielsweise wirkt am Ort des maximalen Feldgradienten von 9 T/m bei einer magnetischen Flussdichte von 1.4 T auf ein ferromagnetisches Objekt mit einem Volumen von 1 cm³ eine magnetische Kraft von maximal 10 N. Bei entsprechend kleineren Werten für die maximalen Feldgradienten (sowie bei entsprechend kleineren Volumina und/oder magnetischen Flussdichten) sind die wirkenden Kräfte vorteilhaft auf noch kleinere Werte begrenzt.
• Zusätzlich oder alternativ kann das Profil des Magnetfeldes B₀ so ausgebildet sein, dass der Ort, an dem die magnetische Feldstärke ausgehend von ihrem maximalen Wert auf einen Bruchteil 1/e abgefallen ist, wenigstens 50 cm – besonders vorteilhaft wenigstens 2 m oder sogar wenigstens 5 m – vom Rand des Homogenitätsbereichs entfernt liegt. Auch hierdurch werden die magnetischen Anziehungskräfte sowie die Wirbelströme in leitfähigen Objekten vorteilhaft begrenzt.
• Der innere Hohlraum der Vorrichtung, der den Probenraum bildet, kann vorteilhaft in Durchlaufrichtung wenigstens 0,5 m lang sein, um Personen oder Transportgüter als Messobjekte aufnehmen zu können. Besonders vorteilhaft kann er dazu eine Länge zwischen 0,5 m und 3 m, insbesondere zwischen 0,5 und 1,5 m aufweisen.
• Der Probenraum kann beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt oder einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Unabhängig von seiner genauen Form kann er eine Breite und/oder Höhe von wenigstens 0,5 m, insbesondere zwischen 0,6 m und 2,5 m aufweisen, um Personen und/oder Transportgüter als Messobjekte aufnehmen zu können.
• Allgemein kann der Probenraum zentral innerhalb der Spuleneinrichtung angeordnet sein. Dies ist insbesondere bei symmetrischen, vor allem kreissymmetrischen Spulenanordnungen zur Erzeugung besonders homogener Magnetfelder vorteilhaft.
• Die Vorrichtung kann vorteilhaft wenigstens eine Hochfrequenz-Spule zum Senden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen umfassen. Es kann sich dabei um eine gemeinsame Spule zum Senden und Empfangen oder aber auch um getrennte Sende- und Empfangsspulen handeln. Die Vorrichtung kann zur Aufnahme von Magnetresonanz-Spektren ausgestaltet sein. Insbesondere kann sie hierzu eine Signalverarbeitungseinheit aufweisen, die zur Fourier-Analyse der Frequenzanteile eines mittels der Hochfrequenz-Spule (bei getrennten Spulen: der Empfangsspule) gemessenen freien Induktionszerfalls geeignet ist. Durch eine solche Signalverarbeitungseinheit können für die einzelnen Messobjekte Magnetresonanz-Spektren ermittelt werden, bei denen die Magnetresonanzsignale als Funktion der einzelnen Resonanzfrequenzen vorliegen, die sich für die verschiedenen chemischen Umgebungen der einzelnen gemessenen Kerne leicht unterscheiden. Diese Unterschiede werden auch als chemische Verschiebungen bezeichnet. Vorteilhaft können dann die erhaltenen Spektren, beispielsweise mit einer dazu ausgestalteten Analyseeinheit, mit Spektren bekannter Materialien verglichen werden. Aus dem Vergleich der Spektren kann dann auf das Vorliegen oder Nicht-Vorliegen von vordefinierten Arten von Gefahrstoffen geschlossen werden, beispielsweise auf bestimmte Klassen von Sprengstoffen oder Drogen. Mit dieser Ausführungsform der Vorrichtung wird also ein Screening der Messobjekte auf bestimmte vorzudefinierende chemische Zusammensetzungen hin möglich, wobei die Messobjekte im kontinuierlichen (oder quasi-kontinuierlichen) Durchlauf gemessen werden können. So kann vorteilhaft auf sehr schnelle Weise das Vorliegen dieser vordefinierten Stoffe ermittelt werden. Durch den kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Durchlauf wird dabei ein 100%-Test der zu untersuchenden Objekte ermöglicht, im Gegensatz zur stichprobenartigen Untersuchung einzelner ausgewählter Proben oder nur des Abriebs von den zu untersuchenden Objekten.
• Die Vorrichtung kann besonders vorteilhaft zur Durchführung von Doppelresonanz-Messungen ausgelegt sein. Hierbei wird Spin-Polarisation von einem Kern-Typ auf einen anderen Kern-Typ übertragen. Mit einem solchen Verfahren ist für manche Gefahrstoffe eine Detektion mit einem besonders guten Signal-zu-Rausch-Verhältnis möglich, zum Beispiel für Trinitrotoluol, wenn die Übertragung der Spin-Polarisation von Wasserstoff auf Stickstoff gemessen wird.
• Alternativ oder zusätzlich zur Möglichkeit der der spektralen Analyse der Magnetresonanzsignale kann die Vorrichtung zur Messung von Spin-Spin-Relaxationszeiten eingerichtet sein. Beispielsweise kann sie eine Sendevorrichtung aufweisen, mittels derer eine Mehrzahl von hochfrequenten Anregungsspulen in Form von Spin-Echo-Sequenzen ausgesendet werden kann. Sie kann weiterhin eine Verarbeitungseinheit aufweisen, mit der aus den über eine Empfangsspule gemessenen hochfrequenten Pulsantworten eine Relaxationszeit bestimmt werden kann. Bei dieser Ausführungsform kann vorteilhaft das Vorliegen bestimmter Substanzen ermittelt werden, ohne dass ein ganzes Magnetresonanzspektrum aufgenommen werden muss. Beispielsweise kann das Vorliegen von Wasserstoffperoxid detektiert werden, indem für Protonen mit einer chemischen Verschiebung (also einer Resonanzfrequenz) ähnlich der von Wasser der Einfluss der Echozeit in einer Spin-Echo-Sequenz auf die gemessene Relaxationszeit ermittelt wird. Beispielsweise kann über die Ermittlung des Verhältnisses von zwei mit verschiedenen Echozeiten gemessenen Relaxationszeiten mit einer sehr kurzen Messzeit auf das Vorliegen von Wasserstoffperoxid geschlossen werden. Wasserstoffperoxid ist aber wiederum ein wesentlicher Inhaltsstoff in manchen Sprengstoffen.
• Alternativ oder zusätzlich zur Möglichkeit der spektralen Analyse der Magnetresonanzsignale kann die Vorrichtung weiterhin eine Gradientenspule zur Erzeugung eines ortsabhängigen Magnetfelds innerhalb des Probenraums umfassen, so dass mittels der Vorrichtung eine ortsaufgelöste Messung magnetischer Resonanzen möglich ist. Mit anderen Worten kann die Vorrichtung zur Magnetresonanz-Bildgebung ausgelegt sein, so dass eine Abbildung der zu untersuchenden Messobjekte ermöglicht wird. Eine solche Abbildung kann in Form zweidimensionaler Schnittbilder oder Projektionen sowie auch in Form eines dreidimensionalen tomographischen Bilddatensatzes vorliegen. Durch eine solche Möglichkeit der Bildgebung wird (alternativ oder zusätzlich zur spektralen Untersuchung auf bestimmte aufzufindende Stoffklassen) eine Suche nach auffälligen Formen in den Messobjekten ermöglicht, beispielsweise eine Suche nach Waffen bei der Anwendung der Vorrichtung im Bereich der Sicherheitskontrollen. Durch eine solche Vorrichtung können die heute üblichen Röntgengeräte ersetzt werden, wobei dann besonders vorteilhaft mit demselben Gerät eine Bildgebung und eine spektroskopische Untersuchung möglich ist. Gegebenenfalls können auch in den Abbildungen besonders auffällige Bereiche gekennzeichnet und nur diese dann spektroskopisch näher auf ihre Zusammensetzung hin untersucht werden.
• Die Spuleneinrichtung kann so ausgelegt sein, dass mit ihr ein Magnetfeld B₀ erzeugt werden kann, welches im Wesentlichen senkrecht zur Durchlaufrichtung verläuft. Mit anderen Worten kann innerhalb des Probenraums eine Hauptrichtung des Magnetfeldes B₀ senkrecht zur Durchlaufrichtung verlaufen. Beispielsweise kann die Durchlaufrichtung allgemein im Wesentlichen parallel zur Erdoberfläche, also horizontal, verlaufen. Die Hauptrichtung des Magnetfeldes B0 kann dann also beispielsweise entweder vertikal im Raum liegen oder sie kann ebenfalls horizontal, aber senkrecht zur Durchlaufrichtung liegen. Sie kann jedoch auch andere, schräg liegende Orientierungen senkrecht zur Durchlaufrichtung einnehmen. Unabhängig von der genauen Wahl dieser Hauptrichtung von B₀ liegt ein Vorteil einer senkrechten Ausrichtung zur Durchlaufrichtung darin, dass die Messobjekte durch ferromagnetische Materialkomponenten nicht entlang der Durchlaufrichtung (sondern nur senkrecht dazu) beschleunigt werden. Vorteilhaft ist dabei das Magnetfeld nach unten ausgerichtet. Eventuelle ferromagnetische Bestandteile ziehen dann das Messobjekt in die Richtung, in der es aufgrund der Schwerkraft ohnehin bereits aufliegt. Somit werden Bewegungen des Messobjekts vermieden.
• In den anderen Raumrichtungen senkrecht zur Durchlaufrichtung können die Messobjekte jedoch leichter gegen solche magnetisch verursachten Bewegungen fixiert werden, da sie ja in diesen Raumrichtungen zum Durchlauf nicht beweglich sein müssen.
• Alternativ kann die Spuleneinrichtung jedoch auch so ausgelegt sein, dass mit ihr ein Magnetfeld B₀ erzeugt werden kann, welches im Wesentlichen parallel zur Durchlaufrichtung verläuft. Ein solches paralleles Magnetfeld kann beispielsweise mit einer kreiszylindrischen Magnetspule erzeugt werden, welche in ihrem Inneren einen kreiszylindrischen Hohlraum als Probenraum aufweist. Mit einer solchen kreissymmetrischen Anordnung kann auf besonders einfache Weise ein besonders homogenes Magnetfeld im Inneren des Probenraums erzeugt werden.
• Unabhängig davon, ob das Magnetfeld B₀ senkrecht oder parallel zur Durchlaufrichtung liegt oder auch andere, schräge Lagen relativ zur Durchlaufrichtung annimmt, kann die Spuleneinrichtung entweder nur eine oder auch mehrere Magnetspulen aufweisen. Diese Mehrzahl an Magnetspulen kann symmetrisch um den Probenraum angeordnet sein, oder sie können auch eine asymmetrische Anordnung einnehmen, die ein annähernd homogenes Magnetfeld B₀ im Inneren des Probenraums erzeugt. Wesentlich ist, dass zumindest über einen Teil der Länge (in Durchlaufrichtung) des Probenraums ein Homogenitätsbereich vorliegt, in dem die magnetische Feldstärke im Wesentlichen konstant ist. Insbesondere bei einem Magnetfeld B₀, welches parallel zur Durchlaufrichtung liegt, kann die Spulenrichtung eine Mehrzahl von kreiszylindrischen supraleitenden Spulen aufweisen, welche in axialer Richtung gestapelt sind, um im Inneren des entstehenden Hohlzylinders ein homogenes Magnetfeld zu erzeugen. Die Abmessungen des Homogenitätsbereichs (sowohl entlang der Durchlaufrichtung als auch in den Raumrichtungen senkrecht dazu) sollten dabei allgemein wenigstens den zu erwartenden Abmessungen der zu vermessenden Objekte entsprechen.
• Die Vorrichtung kann allgemein vorteilhaft eine Fördervorrichtung aufweisen, mit dem die Messobjekte hintereinander in einem kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Prozess durch den Hohlraum der Magnetspule hindurch transportiert werden können. Eine solche Fördervorrichtung kann eine automatische Fördervorrichtung sein und beispielsweise ein Förderband, einen Rollenförderer, einen Kettenförderer oder ein ähnlich wirkendes Fördermittel umfassen. Zusätzlich kann die Fördervorrichtung auch Aufnahmemittel zur Aufnahme der Messobjekte umfassen, beispielsweise Behältnisse wie Teller, Kisten oder Körbe, in denen die Messobjekte einzeln oder auch in Gruppen angeordnet werden können. Den verschiedenen Formen einer solchen Fördervorrichtung ist gemeinsam, dass mit ihr die einzelnen Messobjekte hintereinander in Durchlaufrichtung gleichzeitig bewegt werden können. Während also das jeweils zu vermessende Objekt durch den Probenraum hindurch transportiert wird, wird das vorangegangene Objekt bereits in Durchlaufrichtung weitertransportiert und das nachfolgende Messobjekt rückt schon in Richtung des Probenraums nach. Unter einem kontinuierlichen Prozess soll im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung allgemein ein Durchlauf verstanden werden, bei dem mehrere der sequenziell zu vermessenden Objekte im Bereich der Vorrichtung gleichzeitig kontinuierlich bewegt werden. Im Unterschied hierzu soll unter einem quasi-kontinuierlichen Prozess ein ähnlicher Durchlauf-Prozess verstanden werden, bei dem aber der Vorlauf für die Dauer einer jeweiligen Messung kurz – beispielsweise für einige Sekunden – angehalten wird. Dieses kurze Anhalten kann entweder nur das jeweils zu vermessende Objekt betreffen, während die anderen Objekte davor und dahinter weiterlaufen. Oder aber, insbesondere wenn die Messobjekte auf oder in dem Fördermittel sehr dicht aufeinander folgen, kann der Vorlauf auch für alle im Bereich der Vorrichtung befindlichen Objekte gleichzeitig für die Dauer der Messung an dem jeweils gerade zu vermessenden Objekt angehalten werden. Wesentlich für den kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Vorschub ist, dass alle im Bereich der Vorrichtung befindlichen Messobjekte gleichzeitig nachrücken.
• Alternativ zu den beschriebenen automatischen Fördervorrichtungen kann die Vorrichtung auch zur selbsttätigen Bewegung der Messobjekte durch den Probenraum hindurch ausgelegt sein. Beispielsweise können die Messobjekte Personen sein, die in einer kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Abfolge in einer Reihe hintereinander durch den Probenraum hindurch laufen. Dies ist besonders für die Sicherheitskontrolle an Personen, beispielsweise im Flughafenbereich oder bei Veranstaltungen vorteilhaft, um viele Personen innerhalb kurzer Zeit kontrollieren zu können.
• Unabhängig davon, ob es sich um eine automatische Fördervorrichtung oder um einen selbsttätigen Durchlauf handelt, kann die Vorrichtung wenigstens ein Haltemittel aufweisen, um das jeweils zu vermessende Objekt im Bereich des Probenraums mechanisch zu fixieren. Bei dem Haltemittel kann es sich beispielsweise um ein Haltekissen, beispielsweise um ein aufblasbares Haltekissen handeln. Für jedes zu vermessende Objekt können dabei ein oder mehrere Haltemittel zum Einsatz kommen, so dass die Objekte gegen Bewegungen in verschiedenen Raumrichtungen fixiert werden können. Besonders wichtig ist hierbei die Fixierung in Richtung der Hauptrichtung des Magnetfeldes B₀, um eine Gefährdung durch möglicherweise (in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Messobjekts) auftretende starke Beschleunigungen zu vermeiden. Außerdem kann das jeweils zu vermessende Objekt an der für die Messung vorgesehene Position entlang der Durchlaufbahn fixiert werden. Vor allem bei unbelebten Messobjekten, bei denen gegebenenfalls auch hohe Anteile an ferromagnetischen Komponenten erwartet werden können, kann mit dem Haltemittel (oder den Haltemitteln) sogar eine relativ starke Fixierung bewirkt werden, um Abweichungen von der vorgegebenen Durchlaufbahn möglichst weitgehend zu begrenzen. Beispielsweise kann die Bewegungsfreiheit so auf wenige mm oder wenige cm eingeschränkt werden.
• Die Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, Magnetresonanzmessungen an Messobjekten mit einer Messzeit zwischen 1 Sekunde und 1 Minute, insbesondere zwischen 1 Sekunde und 30 Sekunden pro Probe durchzuführen. Dazu kann dann die Fördervorrichtung so eingerichtet sein, dass jedes Messobjekt für wenigstens den genannten Zeitraum innerhalb des Probenraums verbleibt. Dies kann wie beschrieben entweder über einen kontinuierlichen Durchlauf über eine geeignete Geschwindigkeit erreicht werden, mit der sich die nacheinander angeordneten Messobjekte gleichzeitig bewegen. Oder aber das gerade zu vermessende Objekt wird für diesen Zeitraum angehalten, wie vorab für den quasi-kontinuierlichen Prozess beschrieben.
• Die supraleitende Spulenwicklung der Vorrichtung kann vorteilhaft einen oxidischen Hochtemperatursupraleiter und/oder Magnesiumdiborid als Leitermaterial aufweisen. Derartige Supraleiter weisen höhere Sprungtemperaturen auf als klassische metallische Tieftemperatursupraleiter und können somit deutlich leichter trocken gekühlt werden. Weiterhin können mit Hochtemperatursupraleitern auch leichter besonders hohe magnetische Feldstärken erreicht werden, da sie leichter bei Temperaturen deutlich unterhalb ihrer Sprungtemperatur betrieben werden können und dann die oberen kritischen magnetischen Feldstärken besonders hoch liegen. Die supraleitenden Leiter können beispielsweise in Form von supraleitenden Drähten oder auch in Form von flachen Bandleitern vorliegen. Für die Verarbeitung in Bandleitern besonders geeignet sind Verbindungen des Typs REBa₂Cu₃O_x (kurz REBCO), wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Magnesiumdiborid weist eine Sprungtemperatur von etwa 39 K auf und gilt somit als Hochtemperatur-Supraleiter, allerdings ist die Sprungtemperatur im Vergleich zu anderen hochtemperatursupraleitenden Materialien eher niedrig. Die Vorteile dieses Materials im Vergleich zu oxidkeramischen Hochtemperatur-Supraleitern liegen bei seiner leichten und somit kostengünstigen Herstellbarkeit.
• Die Kühlvorrichtung kann eine Kältemaschine mit einem wärmeleitend an die supraleitende Spulenwicklung angekoppelten Kaltkopf aufweisen, wobei die Kältemaschine dazu ausgelegt ist, mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf betrieben zu werden. Die Vorrichtung muss also nicht völlig frei von flüssigem Kühlmittel, insbesondere auch nicht frei von flüssigem Helium sein. Das flüssige Kühlmittel liegt aber innerhalb der Kältemaschine in einem geschlossenen Kreislauf vor und kann daher nicht aus der Vorrichtung abdampfen. Die Kältemaschine kann beispielsweise ein Pulsröhrenkühler oder eine Kompressionskältemaschine nach dem Gifford-McMahon Prinzip sein. Sie kann vorteilhaft eine zwei- oder mehrstufige Kältemaschine sein, mit der dann besonders niedrige Temperaturen erreicht werden können, ohne dass eine direkte Kühlung des Supraleiters mit flüssigem Helium nötig ist.
• Die Spuleneinrichtung kann allgemein vorteilhaft dazu ausgelegt sein, ein Magnetfeld B₀ mit einer maximalen Feldstärke im Probenraum zwischen 0,25 T und 4 T zu erzeugen. Solche magnetischen Feldstärken sind für die Stofferkennung durch NMR-Spektroskopie gut geeignet. Sie sind außerdem auch für die optional mögliche Magnetresonanz-Bildgebung an den Messobjekten geeignet.
• Die Spuleneinrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes B₀ kann allgemein vorteilhaft ein Gewicht von maximal 1000 kg, insbesondere maximal 250 kg aufweisen. Die Definition des Gewichts der Spuleneinrichtung soll dabei so sein, dass das Gewicht der Kühlvorrichtung, die Teil der Spuleneinrichtung ist, mit enthalten ist. Vorteilhaft ist also die gesamte Spuleneinrichtung so leicht ausgeführt, dass sie sich für mobile Anwendungen eignet. Somit ist eine solche Vorrichtung auch leichter für Sicherheitskontrollen einsetzbar, insbesondere wenn sie nicht wie bei einem Flughafen dauerhaft installiert sind, sondern wenn sie bei temporären Veranstaltungen benötigt werden oder auch nur gelegentlich zwischen verschiedenen Kontrollpunkten einer logistischen Transportkette verschoben werden sollen. Gerade mit einer trockenen Kühlung anstelle einer Kühlung mit Helium-Badkryostaten können solche Messvorrichtungen wesentlich leichter transportabel ausgeführt werden.
• Vorteilhaft weist die Vorrichtung einen kryostatischen Behälter auf, innerhalb dessen die wenigstens eine supraleitende Spulenwicklung angeordnet ist. Dieser Behälter kann beispielsweise ein einwandiger Vakuumbehälter sein, so dass die Spulenwicklung(en) innerhalb dieses Behälters in einem evakuierten Raum angeordnet sein können. Es kann sich insbesondere um einen hohlzylindrischen Behälter handeln, bei dem die einwandige innere Zylinderwand den Behälter für die Spulenwicklung(en) von dem Probenraum abgrenzt. Zusätzlich zu der thermischen Isolation durch das Vakuum des kryostatischen Behälters kann die wenigstens eine Spulenwicklung durch eine Superisolation gegen die äußere Umgebung thermisch isoliert sein.
• Die wenigstens eine Magnetspule der Spuleneinrichtung kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform im sogenannten Dauerkurzschlussstrommodus betrieben werden. In diesem Modus fließt ein Dauerstrom über einen ringförmig geschlossenen supraleitenden Stromkreis, der durch den verschwindend geringen Widerstand der supraleitenden Spulenwicklung über einen sehr langen Zeitraum nahezu nicht abklingt. Beispielsweise können Spulen mit Tieftemperatursupraleitern über mehrere Jahre in diesem Dauerkurzschlussstrommodus betrieben werden, ohne dass das Abklingen des Magnetfeldes die Magnetresonanzmessung wesentlich beeinträchtigt. Um einen solchen Betrieb zu ermöglichen sollte die supraleitende Spule einen ringförmigen Stromkreis mit durchgehend supraleitenden Eigenschaften ausbilden. Eventuell benötigte Verbindungen sollten einen Kontaktwiderstand von nicht mehr als 1 fOhm aufweisen. Um ein Aufladen einer solchen Magnetspule zu ermöglichen, kann bei dieser Ausführungsform vorteilhaft ein supraleitender Dauerstromschalter innerhalb der Wicklung vorgesehen sein. Der supraleitende Dauerstromschalter ist dabei Teil des Stromkreises der Spule und wird zur Einspeisung eines äußeren Stromes aus einer externen Stromquelle beispielsweise durch Aufheizen in einen ohmsch leitenden Zustand versetzt. Nach Abschalten der Heizung und Herunterkühlen auf die Betriebstemperatur wird auch dieser Teil der Spule wieder supraleitend.
• Eine im Dauerkurzschlussstrommodus betriebene Spule ist besonders vorteilhaft für Magnetresonanz-Anwendungen, bei denen die Vorrichtung wenigstens über mehrere Monate an einem festen Ort betrieben wird. Das mit einer solchen Spule erzeugte Magnetfeld ist zeitlich besonders konstant, da es nicht durch die Netzschwankungen einer zusätzlichen Stromquelle beeinflusst ist.
• Alternativ hierzu ist es vor allem bei mobilen Anwendungen mit kürzeren Betriebszeiten zwischen einzelnen Transporten der Vorrichtung vorteilhaft, wenn die Spuleneinrichtung eine Stromquelle aufweist, die mit dem supraleitenden Leiter der Magnetspule in Serie geschaltet ist. Eine solche dauerhaft gespeiste Magnetspule verbraucht aufgrund der niedrigen elektrischen Verluste in der Spulenwicklung trotzdem wenig elektrische Leistung, und sie kann relativ schnell und einfach in Betrieb genommen und/oder wieder abgeschaltet werden. Beispielsweise kann mit einer solchen integrierten Stromquelle der Betriebsstrom der Magnetspule täglich neu eingestellt werden, um die Vorrichtung für die am jeweiligen Tag geplanten Messungen jeweils neu in Betrieb zu nehmen.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann durch Fourier-Analyse der Frequenzanteile eines mittels der Vorrichtung gemessenen freien Induktionszerfalls ein Magnetresonanz-Spektrum ermittelt werden. Dieses Magnetresonanz-Spektrum kann dann mit Spektren bekannter Materialien verglichen werden, wobei aus dem Vergleich der Spektren auf das Vorliegen oder Nicht-Vorliegen von vordefinierten Arten von Gefahrstoffen geschlossen wird.
• Bei dem Verfahren können die Magnetresonanzsignale vorteilhaft durch eine Doppelresonanz-Messung erhalten werden.
• Alternativ oder zusätzlich zum spektral aufgelösten Messverfahren kann eine ortsaufgelöste Messung der Magnetresonanzsignale erfolgen, indem mittels wenigstens einer Gradientenspule verschiedene Orte innerhalb des Probenraums nacheinander in magnetische Resonanz mit einem anregenden Hochfrequenz-Feld gebracht werden.
• Die Vorteile dieser Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich analog zu den Vorteilen der entsprechenden Ausführungsformen der Vorrichtung.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
• 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt und
• 3 ein Feldstärkeprofil des Magnetfeldes B0 für eine Spuleneinrichtung einer solchen Vorrichtung zeigt.
• In 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Messung von Magnetresonanzsignalen nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt, geschnitten entlang der Durchlaufrichtung x durch die Vorrichtung gezeigt. Entlang dieser Durchlaufrichtung x können Messobjekte 9 hintereinander durch die Vorrichtung hindurch transportiert werden. Hierzu weist die Vorrichtung 1 im gezeigten Beispiel ein Fördermittel auf, welches solche Messobjekte in Gestalt von Transportgütern und/oder Personen durch einen Probenraum 11 der Vorrichtung hindurch transportieren kann. Das Fördermittel 13 umfasst im gezeigten Beispiel ein Förderband 15, auf welchem einzelne Förderbehälter angebracht sind. Innerhalb dieser Förderbehälter können zu vermessende Objekte 9 einzeln und/oder ein Gruppen gebündelt angeordnet werden, um darin nacheinander in einem kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Ablauf durch den Probenraum 11 hindurch gefahren zu werden. Innerhalb des Probenraums 11 werden dann an den jeweils dort positionieren Messobjekten 9 Magnetresonanzsignale gemessen. Die Förderbehälter 17 können dazu vorteilhaft ein Material aufweisen, welches vergleichsweise wenig zu diesem gemessenen Signal beiträgt.
• Alternativ zu den Förderbehältern können die Messobjekte auch lose auf dem Förderband oder einem ähnlichen geeigneten Transportmittel transportiert werden. Vorteilhaft bei der Anordnung in oder auf einem separaten Förderbehälter 17 ist, dass die Messobjekte 9 darin gegen unerwünschte Relativbewegungen durch magnetische Anziehungskräfte und/oder gegen Bremseffekte durch Wirbelströme fixiert werden können. Hierzu können ein oder mehrere Haltemittel vorgesehen sein, im gezeigten Beispiel der 1 ist dies für den auf der rechten Seite der Abbildung beispielhaft gezeigten Förderbehälter 17a eine Anordnung von mehreren aufblasbaren Haltekissen 21, mit denen das Messobjekt 9a innerhalb dieses Behälters 17a fixiert ist. Um Messobjekt 9a und Haltekissen 21 zusammen im Behälter 9a zu fixieren, kann wie in 1 gezeigt ein Deckel 19 für den Förderbehälter 17a vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich zu den gezeigten Haltemitteln wie Haltekissen 17a und/oder Deckel 19 können aber auch andere Haltemittel zum Einsatz kommen, beispielsweise Haltegurte. Die Messobjekte 9 müssen generell auch nicht unbedingt mechanisch fixiert werden, vor allem wenn sie einen geringen Gehalt an ferromagnetischen und/oder elektrisch leitfähigen Materialkomponenten aufweisen.
• Zur Messung der Magnetresonanzsignale weist die Vorrichtung 1 eine Spuleneinrichtung 3 zur Erzeugung eines starken, statischen und innerhalb des Probenraums 11 im Wesentlichen homogenen Magnetfeldes B₀ auf. Diese Spuleneinrichtung 3 weist eine oder mehrere supraleitende Magnetspulen 5 mit Wicklungen aus supraleitenden Leitermaterialien auf. Für das erste Ausführungsbeispiel sind in 1 exemplarisch zwei Magnetspulen 5a und 5b gezeigt, von denen eine oberhalb und eine unterhalb des Probenraums 11 angeordnet ist. Mit ihnen kann ein starkes Magnetfeld B₀ erzeugt werden, welches senkrecht zu der Durchlaufrichtung x liegt. Im gezeigten Beispiel ist dies die vertikale Raumrichtung mit Ausrichtung nach geodätisch unten. Prinzipiell kann das Magnetfeld B0 aber auch andere Orientierungen aufweisen.
• Die supraleitenden Leitermaterialien der Magnetspulen 5a und 5b können vorteilhaft Hochtemperatursupraleiter sein, welche eine Sprungtemperatur oberhalb von 25 K aufweisen und daher leichter als Tieftemperatursupraleiter mit einer Kältemaschine gekühlt werden können, ohne selbst in ein Bad aus flüssigem Helium eingetaucht zu sein. Beispielsweise können die supraleitenden Leiter dieser Spulenwicklungen als Bandleiter mit einer Schicht des Typs REBa₂Cu₃O_x ausgebildet sein. Solche Materialien weisen eine besonders hohe Sprungtemperatur auf.
• Um die supraleitenden Spulenwicklungen auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters zu kühlen, weist die Vorrichtung 1 eine Kühlvorrichtung 7 auf, die dazu ausgestaltet ist, die Spulenwicklung trocken – also ohne direkte Einbettung der Wicklungen in ein flüssiges Kühlmittel – zu kühlen. Die Kühlvorrichtung 7 umfasst eine Kältemaschine 23, die im gezeigten Beispiel auf Basis eines zweistufen Gifford-McMahon-Kompressionskühlers mit geschlossenem Heliumkreislauf funktioniert. Diese Kältemaschine 23 umfasst einen Kaltkopf 25, der hier zur Kühlung der Wicklungen durch Materialien mit hoher Wärmeleitung thermisch mit den Magnetspulen 5a und 5b verbunden ist. Um diese Magnetspulen 5a und 5b thermisch ausreichend gut gegen die warme Umgebung zu isolieren, dass eine geeignete Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur erreicht werden kann, sind diese Spulen 5a und 5b innerhalb eines kryostatischen Gefäßes 27 angeordnet, das hier als einwandiges Vakuumgefäß ausgebildet ist. Die Spulen 5a und 5b sind also innerhalb eines Vakuumraums V angeordnet.
• Bei dem in 1 gezeigten Vakuumraum V kann es sich entweder um einen gemeinsamen hohlzylindrischen Vakuumraum handeln, innerhalb dessen beide Magnetspulen 5a und 5b angeordnet sind. Es kann sich alternativ aber auch um getrennte Teilanordnungen mit getrennten Vakuumräumen V oberhalb und unterhalb des Probenraums 11 handeln. Allgemein und unabhängig von der genauen Geometrie der Ausgestaltung ist der Probenraum 11 ein innerer Hohlraum innerhalb der Vorrichtung 1, durch welchen die Messobjekte 9 hintereinander hindurch transportiert werden können. Dieser Hohlraum kann kreiszylindrisch geformt sein oder auch andere Querschnittsgeometrien, beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Er kann zentral oder auch dezentral innerhalb der Vorrichtung angeordnet sein. Wesentlich ist nur, dass er in Durchlaufrichtung x eine durchgehende Bohrung ausbildet und dass er ausreichend groß ist, um die zu vermessenden Objekte 9 aufzunehmen.
• Das durch die Spuleneinrichtung 3 erzeugte Magnetfeld B0 weist einen Homogenitätsbereich auf, in dem die Feldstärke im Wesentlichen konstant ist. Die Länge dieses Homogenitätsbereiches ist in 1 mit l_h gekennzeichnet. Vorteilhafterweise ist die Länge l_h wenigstens so groß wie die zu erwartende maximale Länge l_m der Messobjekte 9. Die Stärke des Magnetfeldes B0 kann beispielsweise zwischen 0,25 T und 4 T liegen. Ein solches statisches Magnetfeld ist die Grundlage für die mit der Vorrichtung 1 durchzuführenden Magnetresonanzmessungen. Zusätzlich kann die Vorrichtung 1 hierzu noch eine oder mehrere, der Übersichtlichkeit halber hier nicht gezeigte Hochfrequenzspulen aufweisen, mit denen hochfrequente elektromagnetische Signale (beispielsweise Pulse) gesendet und/oder empfangen werden können. Mit einer derart aufgebauten Vorrichtung können Magnetresonanzspektren und/oder Spin-Relaxationszeiten gemessen werden. Optional kann die Vorrichtung zusätzlich eine oder mehrere Gradientenspulen umfassen, um ortsaufgelöste Messungen zu ermöglichen. Die Vorrichtung kann eine hier ebenfalls nicht gezeigte Verarbeitungseinheit aufweisen, um die gemessenen Signale zu verstärken und zu verarbeiten und die gewünschten NMR-Spektren, Relaxationszeiten und/oder Abbildungen zu ermitteln.
• Die so gemessenen NMR-Spektren, Relaxationszeiten und/oder Abbildungen können dazu verwendet werden, um Sicherheitskontrollen an den zu vermessenden Objekten 9 durchzuführen. Diese Objekte – unabhängig davon ob es Transportgüter oder Personen sind – können so beispielsweise im Hinblick auf Sprengstoffe, Drogen oder andere Gefahrstoffe untersucht werden.
• 2 zeigt eine weitere Vorrichtung 1 zur Messung von Magnetresonanzsignalen nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier ist ein schematischer Längsschnitt entlang der Durchlaufrichtung x der Vorrichtung gezeigt. Anstelle von den in 1 gezeigten Transportgütern werden hier Personen 9b im Hinblick auf potentiell vorliegende Gefahrstoffe untersucht. Diese Personen laufen jeweils selbst auf einer Laufbahn 22 durch den Probenraum 11 der Vorrichtung. Alternativ können diese Personen 9b aber auch automatisch durch ein Förderband ähnlich wie bei dem Beispiel der 1 für die Transportgüter bewegt werden. Die Vorrichtung 1 ist im Übrigen ähnlich aufgebaut wie die Vorrichtung der 1, wobei hier die ähnlich aufgebaute Kühlvorrichtung 7 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist und auch die Hochfrequenzspulen und die Verarbeitungseinheit wiederum nicht dargestellt sind.
• Die Spuleneinrichtung 3 zur Erzeugung des statischen Magnetfeldes B₀ ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel etwas anders aufgebaut: Und zwar liegt hier eine Anordnung von mehreren ringförmigen Magnetspulen 5 vor, die jeweils in einer Ringebene senkrecht zur Durchlaufrichtung x angeordnet sind. Jede Magnetspule 5 umgibt den als inneren Hohlraum ausgebildeten Probenraum 11 also ringförmig. Beispielhaft ist hier eine Anordnung von fünf solchen axial gestapelten Magnetspulen 5 gezeigt, wobei die genaue Zahl auch größer oder kleiner sein kann. Prinzipiell funktioniert die Messung auch nur mit einer einzigen ringförmigen Magnetspule 5. Insgesamt wird durch die Spuleneinrichtung 3 hier ein statisches Magnetfeld B₀ erzeugt, welches parallel zur Durchlaufrichtung x der zu vermessenden Objekte liegt.
• Die Magnetspulen 5 des zweiten Ausführungsbeispiels können einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweisen und so einen kreiszylindrischen inneren Hohlraum 11 symmetrisch umgeben. So können besonders homogene Magnetfelder B0 erzeugt werden. Alternativ sind jedoch auch andere, insbesondere rechteckige Querschnittsgeometrien möglich. Die räumliche Ausdehnung des Probenraums kann in der Breite und Höhe gleich oder unterschiedlich sein. Bei der Beispielanwendung mit hindurch laufenden Personen ist es vorteilhaft, wenn der Probenraum deutlich höher als breit ist. Bei der Vermessung von Transportgütern, beispielsweise Koffern, Kisten, Säcken oder anderen besser liegend zu transportierenden Objekten kann dies genau umgekehrt sein.
• Der Aufbau der Magnetspulen und die Orientierung des Magnetfeldes in den 1 und 2 ist jeweils nur beispielhaft zu verstehen. Insbesondere kann auch eine Vorrichtung zur Untersuchung von Personen mit einer Spuleneinrichtung 3 ähnlich wie in der 1 ausgestattet sein, und eine Vorrichtung zur Untersuchung von Transportgütern kann auch mit einer Spuleneinrichtung 3 ähnlich wie in der 2 ausgestattet sein.
• 3 zeigt ein vorteilhaftes Feldprofil 31 des durch die Spuleneinrichtungen 3 erzeugten Magnetfeldes B₀ in Abhängigkeit von der Durchlaufrichtung x, wie es innerhalb der Vorrichtung des ersten und/oder zweiten Ausführungsbeispiels vorliegen kann. Das Feldprofil 31 weist einen Homogenitätsbereich 33 der Länge l_h auf, welcher sich vorteilhaft über einen möglichst großen Teil des Probenraums 11 erstreckt, und innerhalb dessen die Stärke des Magnetfeldes B₀ im Wesentlichen konstant ist und bei einem maximalen Wert B_max liegt. Dieser Homogenitätsbereich wird von zwei Randbereichen 35 flankiert, in denen die Feldstärke von dem Wert B_max zu wesentlich niedrigeren Werten abfällt. Beispielsweise kann dieser Abfall annähernd exponentiell sein. Als Randbereich 35 kann beispielsweise der Bereich angesehen werden, auf dem die Feldstärke von Bmax auf einen Bruchteil 1/e von B/max abfällt. Die Punkte 39, an denen dieser Bruchteil erreicht ist, können vorteilhaft wenigstens durch einen Abstand 41 von wenigstens 2 m von den Rändern des Homogenitätsbereichs 33 getrennt sein.
• Ein derart räumlich ausgedehnter Abfall des Magnetfeldes B₀ ist deutlich gradueller als bei den typischerweise heutzutage eingesetzten Magnetresonanz-Tomographen, bei denen die Magnetspulen zur Verringerung des Streufelds bevorzugt so eingerichtet werden, dass ein möglichst steiler Abfall erreicht wird. Das gezeigte allmähliche Abklingen hat für die erfindungsgemäße Verwendung aber den Vorteil, dass die auf die den Probenraum 11 durchlaufenden Messobjekte 11 geringeren magnetischen Anziehungskräften ausgesetzt sind, da die maximalen Feldgradienten 37 auf niedrigere Werte begrenzt sind.

Claims (15)

1. Vorrichtung (1) zur Messung von Magnetresonanzsignalen, die eine Spuleneinrichtung (3) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (B₀) mit wenigstens einer Magnetspule (5, 5a, 5b) mit einer supraleitenden Spulenwicklung aufweist, – wobei die Spuleneinrichtung (5) eine Kühlvorrichtung (7) zur trockenen Kühlung der supraleitenden Spulenwicklung aufweist, – wobei die Vorrichtung (1) eine vorgegebene Durchlaufrichtung (x) für den sequenziellen Transport einer Mehrzahl von Messobjekten (9) durch die Vorrichtung (1) hindurch aufweist, – wobei die Spuleneinrichtung (5) einen durchgehenden inneren Hohlraum aufweist, der einen durchgehenden Probenraum (11) definiert und durch den die Messobjekte (9) hintereinander entlang der Durchlaufrichtung (x) durch die Vorrichtung (1) hindurch transportiert werden können.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der die Spuleneinrichtung (3) dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld (B₀) zu erzeugen, welches entlang der Durchlaufrichtung (x) ein Feldprofil (31) aufweist, das im Inneren des Hohlraums (11) durch einen Homogenitätsbereich (33) mit im Wesentlichen homogenem Feldverlauf gekennzeichnet ist und das in den dem Homogenitätsbereich (33) benachbarten Randbereichen (35) jeweils durch einen nach außen abfallenden und konkav gekrümmten Feldverlauf mit nach außen hin betragsmäßig kleiner werdendem Feldgradienten (37) gekennzeichnet ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, bei welcher das Feldprofil (31) des Magnetfeldes (B₀) in den Randbereichen einen Feldgradienten (37) von nicht mehr als 9 T/m, insbesondere nicht mehr als 0,9 T/m aufweist.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einer Hochfrequenz-Spule zum Senden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen, wobei die Vorrichtung zur Aufnahme von Magnetresonanz-Spektren ausgestaltet ist, insbesondere durch Fourier-Analyse der Frequenzanteile eines mittels der Hochfrequenz-Spule gemessenen freien Induktionszerfalls.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche zusätzlich wenigstens eine Gradientenspule zur Erzeugung eines ortsabhängigen Magnetfelds innerhalb des Probenraums (11) umfasst, so dass mittels der Vorrichtung eine ortsaufgelöste Messung magnetischer Resonanzen möglich ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mittels der Spuleneinrichtung (3) ein Magnetfeld (B₀) erzeugt werden kann, welches im Wesentlichen senkrecht zur Durchlaufrichtung (x) verläuft.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche eine Fördervorrichtung (13) aufweist, mit dem die Messobjekte (9) hintereinander in einem kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Prozess durch den Probenraum (11) der Spuleneinrichtung (3) hindurch transportiert werden können.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche wenigstens ein Haltemittel, insbesondere ein Haltekissen (21) aufweist, um das jeweils zu vermessende Objekt (9) im Bereich des Probenraums (11) mechanisch festzuhalten.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die supraleitende Spulenwicklung einen oxidischen Hochtemperatursupraleiter und/oder Magnesiumdiborid als Leitermaterial enthält.
10. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kühlvorrichtung (7) eine Kältemaschine (23) mit einem wärmeleitend an die supraleitende Spulenwicklung angekoppelten Kaltkopf (25) aufweist, wobei die Kältemaschine (23) dazu ausgelegt ist, mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf betrieben zu werden.
11. Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einer der vorstehenden Ansprüche zur Sicherheitskontrolle, wobei die Messobjekte (9) eine Mehrzahl von Transportgütern (9a) und/oder Personen (9b) sind, die im Hinblick auf das Vorhandensein von vordefinierten Arten von Gefahrstoffen untersucht werden.
12. Verfahren zur Sicherheitskontrolle mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem – eine Mehrzahl von Messobjekten (9) in Form von Personen (9b) und/oder Transportgütern (9a) hintereinander durch den Probenraum (11) der Vorrichtung (1) laufen oder transportiert werden – und an den jeweiligen Messobjekten (9) mittels der Vorrichtung (1) Magnetresonanzsignale gemessen werden, – wobei aus der Art der gemessenen Magnetresonanzsignale auf das Vorliegen oder Nicht-Vorliegen von vordefinierten Arten von Gefahrstoffen geschlossen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, – bei dem durch Fourier-Analyse der Frequenzanteile eines mittels der Vorrichtung (1) gemessenen freien Induktionszerfalls ein Magnetresonanz-Spektrum ermittelt wird, – und bei dem dieses Magnetresonanz-Spektrum mit Spektren bekannter Materialien verglichen wird, wobei aus dem Vergleich der Spektren auf das Vorliegen oder Nicht-Vorliegen von vordefinierten Arten von Gefahrstoffen geschlossen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem die Magnetresonanzsignale durch eine Doppelresonanz-Messung erhalten werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem eine ortsaufgelöste Messung der Magnetresonanzsignale erfolgt, indem mittels wenigstens einer Gradientenspule verschiedene Orte innerhalb des Probenraums nacheinander in magnetische Resonanz mit einem anregenden Hochfrequenz-Feld gebracht werden.

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