DE1292885B

DE1292885B - Korrekturspulenanordnung zur Verbesserung der Homogenitaet eines statischen Magnetfeldes

Info

Publication number: DE1292885B
Application number: DEV10768A
Authority: DE
Inventors: Nelson Forrest Arthur
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1955-06-13
Filing date: 1956-06-12
Publication date: 1969-04-17
Also published as: GB809376A; FR1154517A; US2858504A; CH359909A

Description

gesamten Spalt zwischen den Polschuhen gleich ist 25 angeordnet sind. Außerdem sind zwei neuartige FeId-

und nur eine Komponente B₂ hat. Fehlende Homogenität äußert sich in erster Linie darin, daß die magnetische Feldstärke B_z Gradienten sowohl in der

Z-Richtung nämlich —τ¹- als auch in den Querrichtungen -^ und ~ aufweist.

Der hauptsächlich störende Gradient ist der Gra-

dB.

die Erfindung bezweckt die Beseitigung

korrekturspulen 6 vorhanden. Der Meßkopf ist in einem magnetischen Polarisationsfeld von etwa 7000 Gauss angeordnet, das von einem starken Elektromagneten erzeugt wird, der durch die auf beiden Seiten des Meßkopfes angebrachten Polschuhe 7 angedeutet ist. Ein SenderS, der einen hochstabilen Oszillator mit fester Frequenz sowie einen Verstärker enthält, liefert Hochfrequenzenergie an die Sendespule 4. Die Sendespule 4 erzeugt ein magnetisches

Eine Korrekturspulenanordnung zur Verbesserung der Homogenität des Mittenbereiches des von plan-

_dz , ^ ^—_1TOe _,„_ _ -^-β ₃₅ Wechselfeld, das senkrecht zu dem magnetischen

dieses störenden Feldgradienten unter Anwendung Polarisationsfeld steht, so daß die Kerne der Probe einer Korrekturspulenanordnung. bei einer bestimmten Betriebsfrequenz präzedieren.

Ein Ablenkgenerator 9 liefert eine Niederfrequenzspannung an die Ablenkspulen 5, welche das Polariparallelen Polschuhen begrenzten statischen Magnet- 40 sationsfeld schwach modulieren, um den Bereich feldes eines gyromagnetischen Resonanzgerätes kenn- der gyromagnetischen Resonanz der in der Probe entzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß zur haltenen Kerne wiederholt zu durchlaufen. Die AbKorrektur einer senkrecht zu den Polflächen liegen- lenkspannung wird auch den waagrechten Ablenkden Feldgradientenkomponente ein Korrekturspulen- platten eines Oszillographen 11 zugeführt, um den paar, bestehend aus zwei von einem regelbaren 45 Oszillographen mit dem modulierenden Polarisations-Gleichstrom mit entgegengesetzter Stromrichtung feld zu synchronisieren.

durchflossenen Flachspulen von im wesentlichen glei- Das von den präzedierenden Kernen erzeugte

eher Geometrie und gleicher Amperewindungszahl Wechselfeld induziert eine Signalspannung in der (Gegenfeldspulen), symmetrisch zu der Mittelebene Empfangsspule 3, die dem Vorverstärker 12 und von des Magnetfeldes mit zu den Polschuhflächen par- 50 da dem Hochfrequenzverstärker 13 und weiter einem allelen Windungsflächen angeordnet ist. Detektorkreis 14 zugeführt wird, in dem das hoch-

Zweckmäßigerweise sind die beiden Gegenfeld- frequente Signal demoduliert wird, so daß sich ein spulen in Serie geschaltet. Hüllensignal ergibt. Dies Signal wird einem Gleich-

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung strom- und Niederfrequenzverstärker 15 zugeführt, in sieht vor, daß die Gegenfeldspulen schmale Rechteck- 55 dem es verstärkt wird, worauf es den senkrechten spulen sind, bei denen die schmalen Seiten wesentlich Ablenkplatten des Oszillographen 11 zugeleitet wird, kürzer als die langen Seiten der Spule sind. Ein Schreibgerät 16 ist ebenfalls dargestellt, das eine

Die Erfindung ist in den. Zeichnungen an Hand bleibende Aufzeichnung der Amplitude der in der von Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Es zeigt Empfangsspule 3 induzierten Energie in graphischer Fig. 1 ein Blockschaltbild eines gyromagnetischen 60 Form erzeugt.

Resonanzspektroskop hoher Auflösung, bei dem die Bei einem solchen Gerät hoher Auflösung sind

Erfindung angewendet wird, um die Signalauflösung selbst die besten magnetischen Polarisationsfelder in wesentlich zu verbessern, dem von der Probe eingenommenen Raumbereich

F i g. 2 eine schematische Ansicht einer Probe des leicht inhomogen. Die Inhomogenität kann durch Materials, die in ein starkes magnetisches Polarisa- 65 eine Anzahl verschiedener Ursachen hervorgerufen tionsfeld eingesetzt ist, werden, z. B. haben die magnetischen Polschuhe

F i g. 3 eine Aufzeichnung hoher Auflösung von höchst wahrscheinlich Flächenteile, die keine gleicheinem Signal, das aus einer Probe von Äthylalkohol förmige magnetische Permeabilität besitzen. Auch

der Meßkopf selbst, der zwar aus unmagnetischem Material hergestellt ist, hat infolge seiner Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien und dem freien Raum Flächenteile von ungleichförmiger magnetischer Permeabilität, so daß hierdurch die magnetischen Feldlinien beeinflußt und Flächenteile von erhöhter und erniedrigter Feldstärke erzeugt werden. Um diesen Einfluß darzustellen, wird auf F i g. 2 verwiesen, in der ein magnetisches Polarisationsfeld mit der Intensität H dargestellt ist, und zwar durch eine Anzahl von magnetischen FlußKnien 17. Durch die gestrichelten Linien ist eine Draufsicht des Meßkopfes 2 angedeutet, der die Probe 1 enthält. Drei beliebige Punktet, E und C sind im Bereich der Probe ausgewählt. Eine Unstetigkeit der magnetischen Permeabilität ist am Punkt P willkürlich angenommen. Unter diesen Bedingungen verlaufen die Linien des Flusses Φ wie in F i g. 2 angegeben. Da die Feldintensität H an einem gegebenen Punkt innerhalb des Feldes gleich der Anzahl der Feldlinien ist, die durch eine gegebene Fläche senkrecht zur Richtung der Flußlinien hindurchgehen, ist ersichtlich, daß die skalare Größe der Feldintensität in der /W-Richtung, d. h. vom Polschuh N zum Polschuh 5 an den Punkten A, B und C durch die Vektoren H₀, H₁ und H₂ in F i g. 5 dargestellt werden kann. Eine Linie, welche die Spitzen dieser Vektoren verbindet, stellt den -/V-S-Feldintensitätsgradienten in der Probe dar. Im Interesse einer klären Darstellung ist der Intensitätsgradient stark vergrößert angegeben.

Bei der Untersuchung einer Probe von z. B. Äthylalkohol würde, wenn ein schwacher Gradient H in der Probe existiert, ein Signal schlechter Auflösung nach F i g. 3 erzeugt, in der die Erhebungen 18, 19 und 20 den Protonenresonanzen der OH-, CH₂- und CHg-Gruppen entsprechen. Wenn man. nur die CH₃-Gruppen betrachtet, sollten die drei Wasserstoffkerne oder Protonen eine Resonanz bei schwach verschiedenen Werten von H in einem bestimmten Hochfrequenzfeld hervorrufen. Da jedoch in der Probe der //-Gradient vorhanden ist, sind die in gleicher Weise gebundenen Wasserstoffkerne den Resonanzfeldwerten i/ zu etwas verschiedenen Zeiten ausgesetzt, so daß das Signal die abgerundete Form hat. Um bei dieser bestimmten Probe eine Auflösung zwisehen den drei Wasserstoffkernen zu erhalten, ist eine Homogenität der Feldintensität über den Bereich der Probe erforderlich, die innerhalb von etwa 1 Milligauss liegt. Bei einer typischen Intensität des Magnetfeldes von 7000 Gauss stellt dies eine Homogenität von 1:7 Millionen dar, die durch Verwendung eines genauen mit großer Sorgfalt hergestellten Magneten erzielt werden kann. F i g. 4 zeigt das Signal, welches von der gleichen Probe in einem Feld erhalten wird, das die genügende Homogenität hat.

Die obenerwähnte Inhomogenität des Feldes kann durch Faktoren innerhalb der Probe oder innerhalb der Polschuhe hervorgerufen werden, so daß die Existenz eines /^-Gradienten ziemlich wahrscheinlich ist. Die Beseitigung dieses Gradienten ist daher von großer Wichtigkeit. Zu diesem Zweck werden nach F i g. 1 zwei Feldkorrekturspulen 6 vorgesehen, die mit Gleichstrom aus einer Batterie 22 gespeist werden. Die Größe des Stromes kann durch einen veränderlichen Widerstand 23 geregelt werden. Die Spulen sind so gewickelt, daß das von jeder Spule erzeugte Magnetfeld entgegengesetzt gerichtet ist. Spulen, die in dieser Art gewickelt sind, werden auch als Gegenfeldspulen bezeichnet. Die Korrekturspulen sind zur Mitte der Probe in einer solchen räumlichen Beziehung angeordnet, daß die axialen Felder sich im Mittelpunkt aufheben. In Fig.5 ist der N-S-Qtadient H dargestellt. Wenn H von dem Polarisationsfeld auf der einen Seite abgezogen und der Feldintensität auf der schwachen Seite vom Mittelpunkt C aus ein Korrekturfeld H_c hinzugefügt wird, kann der Gradient beseitigt werden. Die Probe ist dann einem homogenen Feld ausgesetzt, und der Kern erzeugt ein Signal von stark vergrößerter Auflösung nach Fig. 4.

Die bisher geführten Erörterungen beshränken sich auf das Vorliegen eines einzigen linearen Gradienten der Feldintensität in der N-S-Richtung, Dies ist naturgemäß ein vereinfachter Fall, da der i?-Gradient Komponenten in allen drei Richtungen des dreidimensionalen Raumes haben kann.

Zur weiteren Homogenisierung des Feldes kann ein zusätzliches Paar Gegenfeldspulen verwendet werden, das in bezug auf die Ablenkspulen um 90° versetzt liegt.

Es läßt sich daher die erfindungsgemäße Anordnung einem solchen Fall dadurch anpassen, daß die Anzahl der Gegenfeldspulenpaare erhöht wird und dieselben in geeigneter Lage zu der Probensubstanz angeordnet werden.

Wenn mehr als ein Gegenfeldspulenpaar verwendet wird, so kann es, um eine maximale Auflösung zu erzielen, zweckmäßig sein, verschiedene Einstellvorrichtungen zur Einstellung der verschiedenen die Feldkomponenten korrigierenden Ströme vorzusehen.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß- schon ein einziges Paar von Feldkörrekturspülen in der Anordnung nach F i g. 6, d. h. in axialer Ausrichtung, gegenüber dem Polarisationsfeld die Auflösung der gyromagnetischen Resonanz wesentlich verbessert, wobei die Spulen symmetrisch zur senkrechten Achse der Probe liegen. Ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ist in F i g. 7 dargestellt, bei dem die Feldablenkspulen 5 in der Mitte bei Y angezapft sind, so daß die Mittelanzapfung einen Anschluß für einen Gleichstromkreis bildet. Der Gleichstromkreis enthält eine Gleichstromquelle, nämlich die Batterie 22, und einen veränderlichen Widerstand 23, der die Größe des Gleichstroms in dem Kreis regelt. Der Zweck des Gleichstromkreises besteht darin, eine Gleichstromkomponente durch beide Hälften der Ablenkspule zu schicken, so daß die vorhandenen Ablenkspulen als Gegenfeldkorrekturspulen wirken, während gleichzeitig die Ablenkwirkung der Spulen nicht gestört wird. Um eine Störung der Ablenkfunktion zu verhindern, darf der Gleichstromkreis keinen nennenswerten Wechselstromanteil führen. Der Gleichstromkreis ist daher von dem Wechselstromkreis durch Widerstände 24 und 25 von etwa 330 Ohm entkoppelt, so daß die sehr niederfrequenten Wechselströme von etwa 0,1 Hz einen Weg verhältnismäßig niedrigen Widerstandes durch die Ablenkspulen finden, der im Vergleich mit dem Gleichstromzweig über die Widerstände 24 und 25 sowie die Batterie 22 und den veränderlichen Widerstand 23 einen Nebenschluß darstellt. Es ist ersichtlich, daß sich verschiedene Formen des Gleichstromkreises angeben lassen; das wichtige Kennzeichen eines solchen Kreises ist die Anwendung eines Gleichstromes, der Teile der Ablenkspulen durchfließt und magnetische

Gegenfelder im Bereich des zu korrigierenden Feldes erzeugt.

Wenn eine quadratische, rechteckige oder runde Korrekturspule nach Fig. 6 und 7 benutzt wird, wird ein Feld erzeugt, das Komponenten rechtwink-Hg zur primären axialen Korrekturkomponente hat. Eine rechteckige Korrekturspule erzeugt im Bereich der Probe außer der primären Komponente, die axial zur Spule verläuft, Felder, die senkrecht dazu stehen. Wenn die Rechteckspule so verlängert wird, daß die Enden der Spule weit von dem Bereich der Probe entfernt sind (Fig. 8), wobei die Spule eine lange schmale Form von flachem Querschnitt annimmt, dann sind die erwähnten senkrechten Felder im Bereich der Probe, die von den Enden der Spule herrühren, im wesentlichen beseitigt. Diese Ausführungsform ermöglicht eine präzisere Regelung der Korrekturfelder im Bereich der Probe.

Beim Betrieb wird der homogenste Teil des magnetischen Feldes ausgesucht (es wird oft festgestellt, daß ein bestimmter Flächenteil der Polschuhe am gleichförmigsten ist). Der Meßkopf mit der Probe wird dann in den ausgewählten Bereich des magnetischen Polarisationsfeldes eingebracht, und das Gerät wird in Betrieb genommen. Das Signal wird auf dem Oszillographen oder auf dem Schreibgerät beobachtet. Bei der Beobachtung des Signals wird der veränderliche Widerstand, der den Korrekturstrom regelt, so eingestellt, daß sich die maximale Auflösung ergibt.

Claims

Patentansprüche:

1. Korrekturspulenanordnung zur Verbesserung der Homogenität des Mittenbereiches des von planparallelen Polschuhen begrenzten statischen Magnetfeldes eines gyromagnetischen Resonanzgerätes, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur einer senkrecht zu den Polflächen (7) liegenden Feldgradientenkomponente ein Korrekturspulenpaar (6), bestehend aus zwei von einem regelbaren Gleichstrom mit entgegengesetzter Stromrichtung durchflossenen Flachspulen von im wesentlichen gleicher Geometrie und gleicher Amperewindungszahl (Gegenfeldspulen) symmetrisch zu der Mittelebene des Magnetfeldes mit zu den Polschuhflächen parallelen Windungsflächen angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gegenfeldspulen (6) in Serie geschaltet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenfeldspulen (6) schmale Rechteckspulen sind, bei denen die schmalen Seiten wesentlich kürzer als die langen Seiten der Spule sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenfeldspulen (6) an den Außenseiten des Meßkopfes (2) befestigt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenfeldspulen (6) zusätzlich gleichsinnig von einem Wechselstrom durchflossen sind, zu dem Zwecke, die Stärke des erzeugten Magnetfeldes zu modulieren.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsklemme der beiden Gegenfeldspulen (6) die eine Eingangsklemme zur Zuführung des Korrekturgleichstromes bildet und die beiden freien, an die Wechselstromquelle angeschlossenen Klemmen der Spulen über je einen Widerstand an den den Korrekturgleichstrom liefernden Stromkreis angeschlossen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen