DE19638230C1 - Ferromagnetische Raumabschirmung für den supraleitenden Hochfeldmagneten eines NMR-Spektrometers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Abschirmung für eine im Innern eines Kryostaten angeordnete supraleiten­ de Magnetspule mit vertikaler z-Achse zur Erzeugung ei­ nes statischen Magnetfelds mit einer Homogenität < 10^-7 im Untersuchungsvolumen eines Kernspinresonanz (NMR)-Spektro­ meters, wobei die Abschirmung eine vom Kryostaten beabstandete Raumabschirmung in Form einer ferromagneti­ schen, oberhalb des Kryostaten angeordneten Abschirm­ platte umfaßt.

Eine derartige magnetische Abschirmung ist bekannt aus der DE 44 15 847 C1.

Die Probleme von magnetischen Raumabschirmungen im Be­ reich der analytischen NMR sind in der genannten DE 44 15 847 C1 ausführlich beschrieben. Beispielsweise ist aus der dort zitierten US 5,220,302 eine "faßdau­ benartige" magnetische Abschirmung eines Hochfeld-NMR-Magne­ ten bekannt, bei der die Abschirmelemente in Form von streifenartigen Segmenten einer Kugelschale den Kryostaten der Apparatur mit Abstand symmetrisch zum zentralen Meßvolumen umgeben. Die axialen Endbereiche sind bei dieser Abschirmung freigelassen. Dadurch kann das entstehende magnetische Streufeld zwar seitlich ab­ geschirmt werden, tritt aber nach oben hin praktisch un­ gehindert aus, so daß es in einem oberhalb des NMR-Spek­ trometers befindlichen Raum seinen störenden Einfluß auf empfindliche Geräte voll entfalten kann.

In dem Firmenprospekt "Introducing new technology for very high field NMR-spectrometers" des Houston Advanced Research Center, 4800 research forest drive, The Wood­ lands, Texas 77381, USA aus dem Jahr 1993 ist eine auf die Temperatur flüssigen Heliums gekühlte integrierte Eisenabschirmung eines NMR-Spektrometers bekannt.

Aus dem NMR-Tomographiebereich sind beispielsweise aus dem Artikel "A Cylindrically Symmetric Magnetic Shield for a Large-Bore 3.0 Tesla Magnet" von Ewing et al., MRM 29, Seiten 398-401, 1993, allseits geschlossene bzw. symmetrische Abschirmkammern bekannt. Die NMR-Magnetspu­ le liegt bei derartigen geschlossenen und symmetrischen Tomographieabschirmungen im Symmetriezentrum der Gesamt­ anordnung.

Ebenfalls aus dem NMR-Tomographiebereich ist durch die EP 0 182 284 B1 eine magnetische Raumabschirmung bekannt geworden, bei der die Dicke der Abschirmung variiert und damit lokal optimiert werden kann. Aus den in der Druck­ schrift gezeigten Abbildungen geht hervor, daß die Ab­ schirmkammer aus achsparallelen Wänden besteht, und zwar entweder aus zwei seitlichen Wänden oder einem um den Magneten herum angeordneten Rohr, das entweder einen kreisförmigen oder einen n-zähligen, polygonalen Quer­ schnitt aufweist, oder aus einem schachtelförmigen Ge­ bilde, das in axialer Richtung rechteckige Öffnungen be­ sitzt und entweder quaderförmig oder sargförmig ausge­ bildet ist.

In der EP 0 196 511 B1 ist eine ferromagnetische Ab­ schirmung für NMR-Magnete beschrieben, bei der die axia­ le Öffnung eines den Kryostaten des supraleitenden Ma­ gneten direkt umgebenden Eisenabschirmzylinders so be­ rechnet wird, daß eine möglichst geringe Feldverzerrung im Untersuchungsvolumen auftritt. Dadurch soll ein "retrofitting" ursprünglich nicht abgeschirmter Systeme ermöglicht werden.

Die US 4,635,017 zeigt wiederum eine Abschirmanordnung für einen NMR-Tomographiemagneten, wobei hier in axialer oder radialer Richtung vom Magneten abstehende "Flügel" vorgesehen sind, die einen Teil des magnetischen Streu­ feldes einfangen sollen.

Aus der GB 2 214 312 A ist eine übliche Abschirmung für ein NMR-Gerät der eingangs beschriebenen Art bekannt, welches Öffnungen aufweist, die den Zugang zum Spuleninneren ermög­ lichen.

EP 0 434 247 A2 zeigt magnetische Abschirmungen, die bezüg­ lich der Spulenmitte symmetrisch ausgeführt sind, da sonst Störungen der Funktion des Magneten auftreten können. Die Symmetrie beinhaltet im allgemeinen daher auch zwei gleiche Seitenscheiben der Abschirmung mit jeweils einer Öffnung. Der innenliegende Kryostat ist jedoch unsymmetrisch.

In der US 5 012 217 ist in Fig. 3 eine einseitig geschlosse­ ne und somit unsymmetrische Abschirmung eingezeichnet, wobei jedoch im Text keine Angaben dazu entnehmbar sind. Die übri­ gen Figuren zeigen allenfalls symmetrische Abschirmungen, welche beidseitig Öffnungen aufweisen.

Ebenfalls aus dem NMR-Tomographiebereich schließlich ist durch die DE 31 23 493 A1 eine das Magnetsystem relativ kompakt umgebende ferromagnetische Abschirmung bekannt, bei der unter anderem Varianten mit vertikaler z-Achse der Magnetspule und horizontalem oder leicht gewölbtem "Deckel" der Abschirmeinrichtung vorgesehen sind. Ein Vorteil des gewölbten "Deckels" wird dabei in einer bes­ seren Feldhomogenität im oberen Bereich des Untersu­ chungsvolumens gesehen, wobei jedoch bei einer derarti­ gen Tomographieanordnung die erreichbare Magnetfeldhomo­ genität im Meßvolumen um Größenordnungen schlechter als die für ein NMR-Spektrometer erforderliche Homogenität ist. Außerdem handelt es sich hierbei nicht um eine Raumabschirmung mit Abstand vom Magnetsystem sondern um eine kompakte Abschirmung, die ein normalleitendes Ma­ gnetspulensystem umgibt, so daß auch die Probleme bei Verwendung eines Kryostaten für supraleitende Magnetspu­ len hier nicht auftreten.

In der eingangs zitierten DE 44 15 847 C1 ist demgegen­ über eine magnetische Raumabschirmung für einen supra­ leitenden NMR-Analytikmagneten beschrieben, bei dem die ferromagnetische Abschirmung vom Kryostaten beabstandet ist und mindestens zwei horizontal angeordnete Platten enthält, von denen die eine unterhalb, die andere ober­ halb des Kryostaten angeordnet ist. Außerdem sind verti­ kale ferromagnetische Seitenelemente vorgesehen, die die obere mit der unteren Platte magnetisch verbinden. Da­ durch wird gegenüber allen anderen bisher bekannten Ab­ schirmvorrichtungen für NMR-Analytikmagneten eine erheb­ lich bessere Abschirmwirkung erzielt, wobei weder größe­ re Kraftwirkungsprobleme noch nennenswerte Störungen der Homogenität des erzeugten statischen Magnetfeldes auf­ treten.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist jedoch nach wie vor, daß ein nicht zu vernachlässigender Teil des magneti­ schen Streufeldes aus dem NMR-Spektrometer in oberhalb des Spektrometers gelegene Räume eindringen kann. Selbst das in der DE 44 15 847 C1 vorgesehene Ansetzen einer baldachinartigen umlaufenden "Schürze" läßt immer noch sehr viel magnetischen Fluß nach oben durch die Abschir­ mung durchdringen. Weiterhin ist aber auch von Nachteil, daß die bekannte Anordnung eine erhebliche Menge von ferromagnetischem Abschirmmaterial erfordert, was einer­ seits zu Gewichtsproblemen und zu Problemen der Gebäude­ statik führen kann, andererseits einen großen Monta­ geaufwand hervorruft.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine magnetische Raumabschirmung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend zu verbessern, daß der magnetische Fluß in einem oberhalb des Spektrometers befindlichen Raum minimiert, wenn möglich völlig eliminiert wird und daß der Material- und Montageaufwand für die Abschirm­ elemente erheblich verringert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Abschirmplatte außerhalb der z-Achse Bereiche mit endli­ cher Krümmung nach unten aufweist, wobei die Abschirm­ platte wie bei der Vorrichtung aus der DE 44 15 847 C1 im Achsenbereich oberhalb des Kryostaten horizontal ver­ läuft.

Im Gegensatz zu den bekannten ebenen Abschirmplatten, an deren Rändern die Feldlinien nach oben durchdringen, was sich übrigens auch durch ein bloßes Vergrößern der hori­ zontalen Platte und die damit verbundenen Gewichtspro­ bleme nur wenig verbessern ließe, wird durch die erfin­ dungsgemäße Abschirmplatte, die mit einer leichten Krüm­ mung an den Rändern nach unten gezogen ist, der magneti­ sche Fluß erheblich besser "eingesperrt". Auch gegenüber der bekannten "Baldachin-Lösung" zeigt die erfindungsge­ mäße Abschirmung eine deutliche Verbesserung der Ab­ schirmwirkung nach oben hin und zudem eine wesentliche Reduzierung der Masse des verwendeten ferromagnetischen Abschirmmaterials. Da die Platte weit genug vom Magnet­ system selbst entfernt ist, treten keine wesentlichen magnetischen Kräfte im Abschirmsystem auf und die Ma­ gnetfeldhomogenität im Meßzentrum des NMR-Spektrometers wird durch die Abschirmanordnung hinreichend wenig be­ einträchtigt, so daß verbleibende Inhomogenitäten auf­ grund der Abschirmung durch einfaches Shimmen ausgegli­ chen werden können.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen magnetischen Abschirmung mit nach unten gekrümmter Abschirmplatte weist die Abschirmplatte um die z-Achse Rotationssymmetrie auf. Dadurch werden Beeinträchtigun­ gen der Feldhomogenität des Magnetfelds im Meßzentrum des NMR-Spektrometers minimiert.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen dieser Ausführungsform hat die Abschirmplatte zumindest teilweise die Form ei­ nes Kugelschalensegments. Insbesondere kann die Ab­ schirmplatte bis hin zur z-Achse kugelförmig ausgebildet sein, wodurch die höchste Symmetrie erreicht wird. Ein­ facher in der Herstellung sind aber auch Weiterbildun­ gen, bei denen die Abschirmplatte kugelstumpfförmig ist, wobei sich an einen von der z-Achse radial weg verlau­ fenden horizontalen Teil der Abschirmplatte am Rand eine kugelschalenförmige Krümmung nach unten anschließt.

Alternativ können bei Weiterbildungen die gekrümmten Be­ reiche der Abschirmplatte auch parabolische oder hyper­ bolische Formen oder ganz allgemein variable Biegeradien aufweisen. Dadurch lassen sich abhängig vom jeweiligen Magnetfeldverlauf die Abschirmplatten noch weiter in Richtung auf eine Minimierung des Gewichts bei maximaler Abschirmwirkung optimieren. Insbesondere bei einer Mon­ tage der Abschirmplatte auf der Unterseite einer Decken­ konstruktion ist nämlich die Verwendung von möglichst kleinen Massen von erheblicher Bedeutung.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe von einer ma­ gnetischen Abschirmung mit den eingangs genannten Merk­ malen auch dadurch gelöst, daß die Abschirmplatte ebene, ge­ gen die Horizontale mit einem Winkel 10° < theta < 60° geneigte, kegelstumpfförmige oder pyramidenstumpfförmige Flächen aufweist.

Auch mit Hilfe von kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmi­ gen, nach unten weisenden Randflächen einer ansonsten ebenen horizontalen Abschirmplatte läßt sich einerseits der magne­ tische Fluß aus dem NMR-Spektrometer gegenüber einem darüber angeordneten Raum effektiv abschirmen, wobei andererseits wiederum eine erheblich geringere Masse an ferromagnetischem Material benötigt wird. Gegenüber dem oben beschriebenen er­ sten Aspekt der Erfindung ist die Abschirmwirkung hier ein wenig geringer, jedoch ist die Herstellung einer ebenen Ab­ schirmplatte mit kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmig nach unten geneigtem Rand konstruktiv erheblich weniger auf­ wendig und preisgünstiger als die oben beschriebene Ab­ schirmplatte mit kugelig nach unten gekrümmten Bereichen.

Vorteilhafte Ausführungsformen beider Aspekte der Erfindung können statt der oben erwähnten Rotationssymmetrie um die z-Achse auch eine n-zählige Symmetrie mit n < 3, vorzugswei­ se n = 8 aufweisen. Dies ist insbesondere aus fertigungs­ technischen Gründen vorteilhaft, da sich eine derartige Ab­ schirmplatte relativ einfach abschnittsweise aufbauen läßt.

Bei einer weiteren Ausführungsform beider Aspekte der Erfin­ dung kann die Abschirmplatte im achsennahen Bereich die Form einer horizontalen Platte haben und im achsenfernen Bereich in einer oder mehreren Stufen nach unten abfallen. Auch die­ se Maßnahme dient bei im wesentlichen gleicher Abschirmwir­ kung und geringem Masseneinsatz der einfacheren und daher preiswerteren Fertigung der erfindungsgemäßen Abschirmung.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform schließt sich an die horizontale Platte radial mindestens ein Randabschnitt an, der sich aus n ebenen, trapezförmigen Platten zusammensetzt.

Besonders günstig ist eine Weiterbildung, bei der sich an die horizontale Platte radial genau zwei Randabschnitte anschließen.

Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung, bei der der Winkel zwischen jeweils zwei angrenzenden Randabschnitten < 20° ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform schließlich kann die Abschirmplatte insgesamt oder auch nur in den Randbereichen geschlitzt oder lamelliert sein. Auch dadurch läßt sich der Fertigungsaufwand er­ heblich verringern. Hinzu kommen mögliche Gewichtsein­ sparungen und schließlich der weitere Vorteil, daß das Anwerfen von Wirbelströmen in der Abschirmplatte beim Schalten von Magnetfeldgradienten in der NMR-Apparatur und den daraus sich ergebenden Nachteilen für die Homo­ genität des Magnetfelds im Meßzentrum erschwert oder gänzlich verhindert wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorste­ hend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehre­ ren 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.

Im weiteren werden Ausführungsbeispiele der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den axialen Verlauf einer 5-Gauss-Linie als Funktion des radialen Abstands von der z-Achse bei einer erfindungsgemäßen kugelsegmentförmigen Abschirmplatte;

Fig. 2 wie Fig. 1, aber bei einer erfindungsgemäßen Ab­ schirmplatte mit horizontalem Verlauf in der Nä­ he der z-Achse und kugelstumpfförmigem Verlauf an den Rändern;

Fig. 3 wie Fig. 1, aber bei einer bekannten, baldachin­ förmigen Abschirmplatte;

Fig. 4 wie Fig. 1, aber bei einer bekannten, ebenen Ab­ schirmplatte;

Fig. 5 die maximale Strecke in z-Achsenrichtung, die eine 5-Gauss-Linie über das Niveau der Abschirm­ platte bei einer ebenen, kreisförmigen Abschirm­ platte nach oben ragt als Funktion des Platten­ radius bzw. des Plattenvolumens;

Fig. 6 die maximale Strecke in z-Richtung, die eine 5-Gauss-Linie über das Niveau der Abschirmplatte hinausragt bei Verwendung einer erfindungsgemä­ ßen Abschirmplatte mit zentralem, ebenem, kreis­ förmigem Abschnitt und kugelstumpfförmigen Rän­ dern als Funktion des Radius des zentralen, ebe­ nen Innenabschnitts bzw. als Funktion des Biege­ radius der kugelstumpfförmigen Ränder bzw. als Funktion des Plattenvolumens; und

Fig. 7 wie Fig. 2, aber mit kegelstumpfförmigem oder pyramidenstumpfförmigem Verlauf an den Rändern, wobei der Randabfall in zwei Stufen erfolgt.

Die erfindungsgemäße magnetische Abschirmung umfaßt eine Abschirmplatte unter der Decke eines Raumes in dem ein Hochfeld-NMR-Magnet eines NMR-Spektrometers steht, des­ sen in einem Kryostaten angeordnete supraleitende Ma­ gnetspule zur Erzeugung des statischen Magnetfelds einen vertikalen z-Achsenverlauf aufweist. Die ferromagneti­ sche Abschirmplatte ist daher so weit vom Meßzentrum des Magneten entfernt, daß sie die Homogenität des erzeugten Magnetfeldes im Meßvolumen hinreichend wenig beeinträch­ tigt so daß die von ihr verursachten Störungen durch einfaches Shimmen beseitigt werden können. Außerdem sorgt der erhebliche Abstand der Abschirmplatte vom Ma­ gneten auch dafür, daß im Betrieb keine wesentlichen ma­ gnetischen Kräfte an der Abschirmplatte und deren Veran­ kerung an der Decke angreifen.

Um die Abschirmwirkung gegenüber bekannten Abschirmeinrich­ tungen erheblich zu verbessern, ist die erfindungsgemäße Ab­ schirmplatte zumindest in ihren Randbereichen nach unten hin gekrümmt oder weist nach unten ragende kegelstumpfförmige oder pyramidenstumpfförmige Randflächen auf. Damit kann si­ chergestellt werden, daß das Streufeld des NMR-Magneten längs seiner vertikalen z-Achse nicht in einen Raum oberhalb der Abschirmplatte eindringen und dort störende Wirkungen auf Menschen oder empfindliche Elektronik ausüben kann. Ge­ genüber kompletten Raumabschirmungen nach dem Stand der Technik oder "tempelförmigen" Abschirmvorrichtungen hat die erfindungsgemäße Platte außerdem erhebliche Gewichts- und Montagevorteile.

In Fig. 1 ist eine Hälfte einer erfindungsgemäßen Ab­ schirmplatte in einer die z-Achse enthaltenden Schnitt­ ebene (Abszissenrichtung r) dargestellt. Die gezeigte Abschirmplatte ist kugelsegmentförmig und rotationssym­ metrisch bezüglich der z-Achse. Ihr Schnittpunkt mit der z-Achse befindet sich im dargestellten Ausführungs­ beispiel 4,20 m über dem Meßzentrum eines supraleitenden 800 MHz-NMR-Magneten, das gleichzeitig Schnittpunkt der z-Achse mit der r-Achse ist. Weiterhin sind in Fig. 1 Linien gleicher Feldstärke der Größe 5 Gauss darge­ stellt. Die am rechten Rand über die Abschirmplatte hin­ ausgreifende 5-Gauss-Feldlinie ragt lediglich in z-Rich­ tung bis maximal 4,199 m über das Null-Niveau der z-Ach­ se. Wenn also die dargestellte Abschirmplatte an ihrem Scheitelpunkt gerade eine Zimmerdecke berührt, so greift das über den Rand der Abschirmplatte nach oben hin über­ greifende Streufeld auf dem 5-Gauss-Niveau gerade nicht in den Bereich eines über der Zimmerdecke liegenden Ge­ schosses hinein.

In Fig. 2 ist eine ähnlich Darstellung wie in Fig. 1 ge­ wählt, wobei jedoch die Abschirmplatte diesmal aus einer kreisförmigen, ebenen Platte im zentralen Bereich um die z-Achse mit einem Radius von 3,00 m und einem radial daran anschließenden Randabschnitt von kugelstumpfförmi­ ger Gestalt besteht. Die 5-Gauss-Linie ragt hier in z-Richtung maximal 4,305 m über das z-Niveau des Magnet­ zentrums, also etwa 0,105 m in z-Richtung über den höch­ sten Punkt der Abschirmplatte hinaus. Da auch die Zim­ merdecke, an der die Abschirmplatte befestigt ist, eine endliche Dicke in z-Richtung aufweist, ist auch hier ein Eindringen der 5-Gauss-Magnetfeldlinie in das obere Ge­ schoß praktisch ausgeschlossen.

Im Vergleich dazu zeigt Fig. 3 eine "baldachinartige" Abschirmplatte nach dem Stand der Technik, die ebenfalls in einer Höhe von 4,20 m über dem Magnetzentrum angeord­ net ist. Trotz der am Rand der Abschirmplatten um 1 m nach unten ragenden umlaufenden Schürze greift die 5-Gauss-Linie des Magnetfelds seitlich an der Abschirm­ platte vorbei bis auf ein Niveau von 4,730 m in z-Rich­ tung oberhalb des Magnetzentrums. Wenn die Abschirmplat­ te von Fig. 3 genau eben an der Geschoßdecke anliegt, so greift die 5-Gauss-Feldlinie immerhin um 0,53 m nach oben in das obere Geschoß hinein.

Noch ungünstiger ist der z-Verlauf der 5-Gauss-Magnet­ feldlinie bei der in Fig. 4 gezeigten ebenen, kreisför­ migen Abschirmplatte mit einem Radius von 6 m, die eben­ falls in einer Höhe von 4,20 m oberhalb des Magnetzen­ trums angebracht ist. Der maximale z-Abstand der 5-Gauss-Linie vom Null-Niveau beträgt hier 4,984 m, so daß die Magnetfeldlinie immerhin 0,784 m über den höch­ sten Punkt der Abschirmplatte in das obere Geschoß hin­ einragt.

Der maximale radiale Abstand sämtlicher in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Abschirmplatten von der z-Achse beträgt jeweils 6,00 m. Während die ebene Abschirmplatte in Fig. 4 direkt an der Decke in einer Höhe von 4,20 m oberhalb des Magnetzentrums anliegt, sind die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Abschirmplatten an ihren äußer­ sten radialen Rändern um jeweils 1 m in axialer Richtung von der Decke bzw. dem höchsten Punkt der Abschirmplatte beabstandet.

Anstelle des in den Fig. 1 und 2 gezeigten kugelseg­ mentförmigen Verlaufes kann der gekrümmte Bereich der erfindungsgemäßen Abschirmplatte auch parabolische oder hyperbolische Form aufweisen. Außerdem muß die erfin­ dungsgemäße Abschirmplatte nicht notwendig rotationssym­ metrisch um die z-Achse aufgebaut sein, sondern kann auch eine n-zählige Symmetrie um die z-Achse aufweisen, wobei n sinnvollerweise größer als 3 sein wird.

Anstelle einer Krümmung der Abschirmplatte kann sich an ei­ nen ebenen, horizontalen Bereich der Abschirmplatte in der Nähe der z-Achse radial auch mindestens ein kegelstumpfför­ miger oder pyramidenstumpfförmiger Bereich anschließen, der gegen die Horizontale mit einem Winkel theta nach unten ge­ neigt ist, wobei gilt 0° < theta < 90°, vorzugsweise 10° ≦ theta ≦ 60°.

Insbesondere kann die Abschirmplatte auch ganz oder teilweise, vor allem in den gekrümmten Randbereichen ge­ schlitzt oder lamelliert ausgeführt sein.

In Fig. 5 ist für eine ebene, kreisförmige, horizontale Abschirmplatte nach dem Stand der Technik, die zentrisch über einem 800 MHz-Magneten in einer Höhe von 4,20 m über dem Magnetzentrum aufgehängt ist, eine Dicke von 1 cm aufweist und aus Weicheisen besteht, der maximale z-Abstand der 5-Gauss-Linie über dem Plattenniveau bei z = 4,20 m über dem Plattenradius R aufgetragen. Auf ei­ ner weiteren, unterhalb dargestellten Abszissen-Achse ist im gleichen Verhältnis das Plattenvolumen V aufge­ tragen, das sich durch einfache Umrechnung bei der oben angegebenen Plattendicke aus dem Plattenradius R ergibt.

Der einer Abschirmkonfiguration von Fig. 4 entsprechende Punkt ist im z-R-Diagramm der Fig. 5 mit [4] bezeichnet.

Wie man aus der Darstellung erkennen kann, nimmt die Eindringtiefe der 5-Gauss-Linie in das Obergeschoß über der ebenen Abschirmplatte mit zunehmendem Radius R ab. Selbst bei einem Plattenradius von R = 7,0 m beträgt aber die Eindringtiefe in z-Richtung immer noch 0,5 m.

In Fig. 6 ist demgegenüber die maximale Eindringtiefe der 5-Gauss-Linie aufgetragen über dem Radius R eines zentralen, ebenen Innenteils einer erfindungsgemäßen Ab­ schirmplatte, an die sich im Randbereich ein kugel­ stumpfförmig nach unten gekrümmter Abschnitt radial an­ schließt. Der maximale Radius der gesamten Abschirmplat­ te beträgt jeweils 6,0 m. Auch hier wurde die Abschirm­ platte im zentralen Bereich über einem 800 MHz-Magneten in einer Höhe von z = 4,20 m angenommen. Der radiale Randbereich der Abschirmplatte liegt jeweils um 1,00 m unterhalb des zentralen Abschirmplattenniveaus auf der z-Achse, also um 3,20 m über dem Niveau des Magnetzen­ trums. Außerdem wurde bei der Berechnung eine Platten­ dicke von 1 cm und als Plattenmaterial Weicheisen ange­ nommen, um den Vergleich mit den in Fig. 5 gezeigten Verhältnissen möglichst deutlich zu machen.

Unterhalb der R-Abszisse in Fig. 6 ist eine weitere Abszissen-Achse mit dem Biegeradius RB des kugelsegment­ förmigen Außenabschnitts der Abschirmplatte und darunter eine dritte Abszissenachse mit dem Plattenvolumen V ge­ zeigt. Die zusätzlichen Abszissenachsen ergeben sich je­ weils durch einfache Umrechnung aus der ersten Abszis­ senachse.

Die mit [1], [2], [3] gekennzeichneten Punkte im z-R-Dia­ gramm der Fig. 6 entsprechen jeweils einer Abschirm­ konfiguration nach Fig. 1, Fig. 2 bzw. Fig. 3.

Wie aus Fig. 6 bei Punkt [1] zu erkennen ist, wird bei der rein kugelsegmentförmigen Ausbildung der Abschirm­ platte, bei der der Radius R des zentralen Innenbereichs auf 0 geschrumpft ist, die beste Abschirmwirkung er­ zielt. Mit zunehmendem Radius des inneren zentralen Plattenabschnitts und damit abnehmendem Anteil des ge­ krümmten Teiles der Platte nimmt die Abschirmwirkung ab.

Allerdings beträgt bei Punkt [2] die Eindringtiefe der 5-Gauss-Linie in z-Richtung in den Deckenbereich ledig­ lich ca. 0,1 m. Bei Punkt [3] schließlich ist dann die bekannte "Baldachin"-Konfiguration erreicht, bei der die Eindringtiefe mit ca. 0,5 m aber immer noch erheblich unter der Eindringtiefe von ca. 0,8 m bei Verwendung ei­ ner ebenen horizontalen Platte mit gleichem Außendurch­ messer (siehe Punkt [4] in Fig. 5) liegt.

In Fig. 7 ist eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 2 ge­ wählt, wobei die Abschirmplatte im zentralen Bereich kreis­ förmig bzw. von der Form eines regelmäßigen n-Ecks (n < 3) ist und zwei radial daran anschließende Randabschnitte von jeweils kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmiger Gestalt aufweist. Im zweiten Fall setzen sich die Randabschnitte aus trapezförmigen, ebenen Platten zusammen. Vorzugsweise sind die Winkel zwischen angrenzenden Platten kleiner als 20°. Die bevorzugte Zähligkeit der Anordnung ist achtzählig. Die Abschirmwirkung und das benötigte Eisenvolumen sind ver­ gleichbar mit der Abschirmung der Fig. 2. Der konstruktive Aufwand ist jedoch geringer.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß die oben ge­ schilderte erfindungsgemäße Problemlösung auch auf eine Magnetfeldabschirmung zu einem Untergeschoß hin angewen­ det werden kann, wobei dann die Abschirmplatte entspre­ chend unterhalb des Magneten anzubringen ist und die Randkrümmung der Platte nach oben verläuft. Ebenso kann die Erfindungsidee auch zur seitlichen Raumabschirmung bei Magneten mit horizontaler z-Achse angewandt werden. In diesem Fall muß die Randkrümmung der entsprechenden erfindungsgemäßen Abschirmplatte wiederum in Richtung auf den abzuschirmenden Magneten weisen.

Die Erfindung läßt sich auch auf die Abschirmung von Magneten außerhalb der NMR-Anwendung übertragen.

Claims (11)

1. Magnetische Abschirmung für eine im Innern eines Kryostaten angeordnete supraleitende Magnetspule mit vertikaler z-Achse zur Erzeugung eines statischen Magnetfelds mit einer Homogenität < 10^-7 im Untersu­ chungsvolumen eines Kernspinresonanz (NMR)-Spektro­ meters, wobei die Abschirmung eine vom Kryostaten beabstandete Raumabschirmung in Form einer ferroma­ gnetischen, im Achsenbereich horizontal oberhalb des Kryostaten angeordneten Abschirmplatte umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmplatte außerhalb der z-Achse Bereiche mit endlicher Krümmung nach unten aufweist.

2. Magnetische Abschirmung für eine im Innern eines Kryostaten angeordnete supraleitende Magnetspule mit vertikaler z-Achse zur Erzeugung eines statischen Magnetfelds mit einer Homogenität < 10^-7 im Untersu­ chungsvolumen eines Kernspinresonanz (NMR)-Spektro­ meters, wobei die Abschirmung eine vom Kryostaten beabstandete Raumabschirmung in Form einer ferroma­ gnetischen, oberhalb des Kryostaten angeordneten Ab­ schirmplatte umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmplatte ebene, gegen die Horizontale mit einem Winkel 10° < theta < 60° geneigte, kegel­ stumpfförmige oder pyramidenstumpfförmige Flächen aufweist.

3. Magnetische Abschirmung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abschirmplatte um die z-Achse Rotationssymmetrie aufweist.

4. Magnetische Abschirmung nach Anspruch 1 und 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abschirmplatte teil­ weise die Form eines Kugelschalensegments hat.

5. Magnetische Abschirmung nach Anspruch 1 und 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die gekrümmten Bereiche der Abschirmplatte parabolische Form aufweisen.

6. Magnetische Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirm­ platte um die z-Achse eine n-zählige Symmetrie mit n < 3, vorzugsweise n = 8 aufweist.

7. Magnetische Abschirmung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ schirmplatte im achsennahen Bereich die Form einer horizontalen Platte hat und im achsenfernen Bereich nach unten abfällt.

8. Magnetische Abschirmung nach den Ansprüchen 2, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die horizontale Platte radial mindestens ein Randabschnitt anschließt, der sich aus n ebenen, trapezförmigen Platten zusammen­ setzt.

9. Magnetische Abschirmung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich an die horizontale Platte radial ge­ nau zwei Randabschnitte anschließen.

10. Magnetische Abschirmung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen jeweils zwei angrenzenden Randabschnitten < 20° ist.

11. Magnetische Abschirmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirm­ platte insgesamt oder auch nur in den Randbereichen geschlitzt oder lamelliert ist.