DE2905993C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Zylinderspule zum Erzeugen eines homogenen statischen Magnetfeldes in einem Kernspinresonanzspektrometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Zylinderspule ist aus der US-PS 35 77 067 bekannt. Die zur Korrektur von Magnetfeldgradienten vorgesehenen Hilfswicklungsteile dieser bekannten Zylinderspule werden bei der anfänglichen Inbetriebnahme der Zylinderspule mittels einer aufwendigen Zusatzschaltung mit mehreren getrennten, stromgeregelten Stromquellen und Persistenzschaltern jeweils von Hand eingestellt, bis die gewünschte Homogenität zur Zufriedenheit des Beobachters erreicht ist. Abgesehen von dem erheblichen Schaltungsaufwand und der Vielzahl von in den Tiefsttemperaturbereich führenden Leitungen erfordert dieser Einstellvorgang erheblichen Aufwand an Zeit und Erfahrung des Benutzers.

Aus Journal of Applied Physics, Band 34, Nr. 11, 1983, Seiten 3175 bis 3178, ist es für supraleitende Zylinderspulen zum Erzeugen des homogenen statischen Magnetfeldes in einem Kernspinresonanzspektrometer bekannt, daß eine über die Kompensation von Gradienten 4. Ordnung hinausgehende Kompensation durch die Verwendung eines weiteren zylindersymmetrischen Wicklungsteiles möglich ist.

Aus der US-PS 33 63 207 ist es bekannt, zur Verbesserung der mechanischen Stabilität der Windungslagen einer supraleitenden Zylinderspule diese mit einem Draht mit rechteckigem Querschnitt zu wickeln.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zylinderspule der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß ein Abgleichen der einzelnen Korrekturspulen nicht mehr erforderlich ist, so daß einerseits der konstruktive Aufwand, andererseits und vor allem aber auch der zeitliche und personelle Aufwand für den Abgleichvorgang vermieden wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß, unter der Voraussetzung, daß die Zylinderspule tatsächlich als echte Zylinderspule angesehen werden kann, die Koeffizienten der verbleibenden Magnetfeldgradienten als konstant angesehen werden können. Unter dieser Voraussetzung sind keine separat regelbaren Korrekturmaßnahmen erforderlich, sondern es ist eine Kompensation durch konstruktive Maßnahmen möglich.

Erfindungsgemäß wird deshalb die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 aufgeführten Haßnahmen gelöst.

Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Kernspinresonanzspektrometer mit einer supraleitenden Zylinderspule in Kombination mit Geräten, die die Benutzung des Spektrometers ermöglichen;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine supraleitende Zylinderspule gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist ein Kernspinresonanzspektrometer dargestellt, bei dem ein Supraleitungsmagnetsystem verwendet wird. Eine hinsichtlich ihrer Kernspinresonanzeigenschaften zu untersuchende Probe 11 ist in einer Phiole 12 angeordnet, die in einem homogenen Magnetfeld H₀ angeordnet wird, das mit einer supraleitenden Zylinderspule 13 in ihrem Inneren erzeugt wird. Zwei Senderspulen 14 übergreifen die Phiole 12 im Inneren der Zylinderspule 13, so daß die Achsen der Senderspulen 14 im wesentlichen miteinander ausgefluchtet sind und rechtwinklig zum Feld H₀ liegen. Die Senderspulen 14 sprechen auf HF-Energie an, die von einem HF-Sender 15 geliefert wird, um HF-Energie an die Probe 11 zu liefern. Rechtwinklig zu den Richtungen der Achsen der Senderspulen 14 und des Feldes H₀ liegt die Achse einer Empfängerspule 16, die im Inneren der Zylinderspule 13 positioniert ist, in der Nachbarschaft der Phiole 12, so daß die Empfängerspule 16 ein Signal ableitet, das die Kernspinresonanzeigenschaften der Probe 11 anzeigt. Die Empfängerspule 16 liefert ein Eingangssignal an einen Empfänger 17.

Die supraleitende Zylinderspule 13 wird über Leitungen 19 von einer Gleichstromversorgung 18 erregt; diese Leitungen 19 erstrecken sich durch eine relativ enge Hülse im Dewargefäß 20. Aufgrund eines Erregungsstroms von der Gleichstromversorgung 18 erzeugt die Zylinderspule 13 ein homogenes statisches Magnetfeld H₀ relativ hoher Intensität, das sich durch das Volumen der Probe 11 erstreckt.

Typischerweise fließt ein Erregungsstrom von 50 bis 60 A in der supraleitenden Zylinderspule 13, um ein magnetisches Gleichfeld H₀ in der Größenordnung von 10 Tesla zu erzeugen. Wie bei modernen Kernspinresonanzspektrometern, in denen supraleitende Spulen verwendet werden, üblich, wird die Zylinderspule 13, sobald sie durch die Gleichstromversorgung 18 erregt worden ist, von der Stromversorgung getrennt, ausgenommen unter ungewöhnlichen Umständen.

Um die Kernspinresonanzeigenschaften der Probe 11 zu messen, liefert der HF-Sender 15 HF-Energie-Impulse an die Senderspulen 14, und diese Impulse werden selektiv von der Probe 11 absorbiert. Die Empfängerspule 16 wandelt die Energie, die von der Probe 11 wieder abgestrahlt wird, um und liefert ein Signalspektrum an den Empfänger 17. Der Empfänger 17 enthält Fouriertransformations-Berechnungseinrichtungen, die es ermöglichen, ein Kernspinresonanzspektrum der Probe 11 zu entwickeln und in einem X-Y-Schreiber 24 auszugeben.

Die Zylinderspule 13 wird auf kryogenen Temperaturen des flüssigen Heliums in der Größenordnung von 4,2 °K gehalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die kryogene Temperatur der Zylinderspule 13 mit einem Dewargefäß 20 mit einer äußeren Aluminiumschale 21 erhalten, in der eine Aluminiumbüchse 22 angeordnet ist, die flüssigen Stickstoff auf etwa 77 °K enthält. Unterhalb der Flüssigstickstoffbüchse 22 befindet sich eine weitere Büchse 23, die mit flüssigem Helium gefüllt ist. Die Büchse 23 umgibt einen Zylinder 124, in dem die supraleitende Zylinderspule 13 angeordnet ist. Ein evakuierter Raum, typischerweise mit einem Vakuum von 1,3 · 10⁻³ Pa, existiert zwischen der äußeren Aluminiumschale 21 und den Büchsen 22 und 23. Im evakuierten Raum befinden sich Wärmeschilde 26, 28 und 33 aus Aluminium. Um das Minimieren des Wärmeflusses vom Äußeren des Dewargefäßes 20 zur supraleitenden Zylinderspule 13 zu unterstützen, sind der Wärmeschild 33, Deckel 31 und Boden 25 der Aluminiumbüchse 22 und der Wärmeschild 26 jeweils mit Hülsen 34, 35 und 36 versehen, die alle konzentrisch zu einer Bohrung 37 sind, die sich durch das Innere der Büchse 23 erstreckt. Die Bohrung 37 ist koaxial zu einer Hülse 38, die sich zwischen den diametralen Enden des Dewargefäßes 20 erstreckt. Die Zylinderspule 13 ist koaxial mit den Hülsen 34 bis 36, so daß das Magnetfeld H₀ sich auch in der gleichen Richtung erstreckt wie die gemeinsame Längsachse der Hülsen.

Die Zylinderspule 13 liefert ein sehr homogenes Magnetfeld H₀ durch die ganze Probe 11. Die Zylinderspule 13 kann als Spule achter Ordnung betrachtet werden, d. h. die Spule hat flache Magnetfeldcharakteristiken längs ihrer Längsachse für die polynomialen Ordnungen 1 bis 7. Zusätzlich weist das Magnetfeld H₀ praktisch keine spiralförmigen oder radialen Komponenten in dem Bereich auf, in dem die Probe 11 untergebracht ist, d. h. praktisch alle Komponenten des durch die Probe 11 verlaufenden Feldes sind mit der Längsachse der Zylinderspule 13 ausgefluchtet.

Zu diesem Zweck weist, wie in Fig. 2 gezeigt, die Zylinderspule 13 einen Hauptwicklungsteil 41, zwei erste Hilfs-Wicklungsteile 42 und 43, zwei zweite Hilfs­ Wicklungsteile 44 und 45 und einen weiteren Wicklungsteil 46 auf. Jeder der Wicklungsteile 41 bis 46 ist koaxial zur Längsachse 47 der Zylinderspule 13. Alle Wicklungsteile 41 bis 46 sind auf einen zylindrischen, unmagnetischen Spulenkörper 48 gewickelt und in Reihe miteinander geschaltet, so daß die Zylinderspule 13 durch Strom erregt werden kann, der durch Leitungen 49 und 50 fließt, die sich durch eine Stirnplatte 61 an einem Ende des Spulenkörpers 48 erstrecken.

Alle Wicklungsteile 41 bis 46 sind aus supraleitendem Draht mit rechteckigem Querschnitt gewickelt. Vorzugsweise hat der supraleitende Draht eine Monofil­ Konfiguration mit einem Kerndraht aus Niob-Titan-Legierung mit einem kreisförmigen Querschnitt, umgeben von einem, Kupfermantel mit rechteckigem Querschnitt. Typischerweise hat das Rechteck eine Basis von 0,41 mm und eine Höhe von O,33 mm; unter diesen Umständen hat der Kern einen Durchmesser von O,25 mm. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß supraleitender Draht mit rechteckigem Querschnitt mit anderen Querschnittsabmessungen verwendet werden kann, solange der Querschnitt des Supraleiters klein genug ist, um dem Magnetfeld, das aufgrund des durch den Supraleiter fließenden Stroms erzeugt wird, eine gleichförmige Position relativ zum Querschnitt des Drahtes zu ermöglichen. Jeder der Wicklungsteile 41 bis 45 ist als Vielzahl von wendelförmigen Lagen gewickelt, von denen jede konzentrisch zur Achse 47 ist. Unmittelbar benachbarte wendelförmige Lagen sind so gewickelt, daß sie entgegengesetzt gerichtete Steigungen haben. Zwischen benachbarten wendelförmigen Lagen befindet sich eine nicht dargestellte dünne dielektrische Lage aus Mylar, die elektrisch benachbarte Lagen voneinander isoliert, selbst wenn die supraleitenden Kerne benachbarter Lagen normaleitend werden, d. h. nicht mehr supraleitend bleiben. Während des Supraleitungsbetriebes ist die Impedanz des Kupfermantels relativ zur Impedanz des supraleitenden Kernes so groß, daß das Kupfer vergleichsweise isolierend ist. Wenn der supraleitende Kern normalleitend wird, bildet der Kupfermantel einen Nebenschlußweg für den Teil des Kerns, der normalleitend geworden ist. Damit wird versucht, die Möglichkeit zu vermeiden, daß die ganze Spule normalleitend wird, wenn nur ein kleines Segment normalleitend wird.

Wegen des rechteckigen Querschnitts des supraleitenden Drahtes sind benachbarte, entgegengesetzt gewickelte Lagen der Zylinderspule 13 wahre Wendeln mit konstanter Steigung über ihre Länge. Benachbarte Flächen benachbarter Wendellagen stoßen im wesentlichen gegeneinander an und sind voneinander nur durch die dielektrische Zwischenlage getrennt. Jede anstoßende Lage hat einen wahren zylindrischen Außenumfang mit praktisch konstantem Radius, im Gegensatz zu dem variierenden Radius einer Wendel, die aus Draht mit kreisförmigem Querschnitt hergestellt ist.

Der supraleitende Draht ist so gewickelt, daß benachbarte, sich orthogonal erstreckende Flächen so angeordnet sind, daß sich die breitere Seite des Drahtquerschnittes rechtwinklig zur Längsachse 47 befindet und die Schmalseite des Drahtquerschnittes parallel zur Achse 47. Wenn der supraleitende Draht auf diese Weise angeordnet wird, ist die Neigung benachbarter Windungen einer Wendellage, zur Seite der vorhergewickelten Windung zu sacken, im wesentlichen vermieden.

Wenn der Hauptwicklungsteil 41 die einzige Wicklung wäre, die die Zylinderspule 13 bildet, würde das Magnetfeld im Inneren der Wicklung, wo die Probe 11 angeordnet ist, Variationen zeigen, deren räumliche Beziehung wie folgt angeschrieben werden kann:

H₀ = a + bz + cz² + dz³ + ez⁴ + fz⁵ + gz⁶ + hz⁷ + iz⁸ +. . .,

worin bedeuten:

H₀ das Magnetfeld im Inneren der Spule,
z Distanz längs der Längsachse 47 von der zentralen Querachse 53
a, b, c, d, e, f, g, h und i Konstanten.

Die Konstanten a bis i haben allgemein fallende Größe, so daß die Magnetfeldgradienten längs Achse 47 für die achte Ordnung und höher gewöhnlich vernachlässigbaren Einfluß auf die longitudinalen Feldgradienten innerhalb des Zentralteils des Innenraums der Zylinderspule 13 haben. Die Wicklungsteile 42 bis 46 sind so angeordnet, daß die Größen der Koeffizenten b bis h 0 sind und das Magnetfeld innerhalb der Spule 13 angeschrieben werden kann als:
H₀ = a + iz⁸ +. . . Weil i und die übrigen Koeffizienten
höherer Ordnung relativ kleine Werte haben, ist erkennbar, daß ein extrem gleichförmiges Magnetfeld innerhalb der Zylinderspule 13 erzeugt wird.

Die Wicklungsteile 42, 43, 44, 45 und 46 bauen ein Magnetfeld auf, das sich zum Magnetfeld des Hauptwicklungsteils 41 addiert. Die ersten und zweiten Hilfs­ Wicklungsteile 42 bis 45 eliminieren die Komponenten zweiter und vierter Ordnung, d. h. sorgen dafür, daß die Werte c und e 0 werden, während der weitere Wicklungsteil 46 den Effekt sechster Ordnung eliminiert, d. h. dafür sorgt, daß der Koeffizient g den Wert 0 annimmt. Die Wicklungsteile 41 bis 46 sind symmetrisch bezüglich einer die Längsachse 47 senkrecht schneidenden Mittelebene gewickelt, um Komponenten ungradzahliger Ordnung zu eliminieren, d. h. um dafür zu sorgen, daß die Werte der Koeffizienten b, d, f, und h 0 werden.

Symmetrie tritt auf, weil die Windungszahlen des Haupt- und des weiteren Wicklungsteils 41 und 46 auf beiden Seiten der Mittelebene gleich sind und weil die ersten Hilfs­ Wicklungsteile 42 und 43 gleiche Windungszahlen haben und weil die zweiten Hilfs-Wicklungsteile 44 und 45 gleiche Windungszahlen haben.

Das vom Hauptwicklungsteil 41 erzeugte Magnetfeld übersteigt die kombinierten Magnetfelder aller von den anderen Wicklungsteilen 42 und 46 erzeugten Felder; die kombinierten Magnetfelder, die durch die ersten Hilfs-Wicklungsteile 42 und 43 erzeugt werden, übersteigen die kombinierten Magnetfelder, die durch die zweiten Hilfs-Wicklungsteile 44 und 45 erzeugt werden, und das Magnetfeld, das vom weiteren Wicklungsteil 46 erzeugt wird, ist kleiner als das Magnetfeld, das von irgendeinem der ersten und zweiten Hilfs-Wicklungsteile 41 bis 45 erzeugt wird. Zu diesem Zweck stehen die Ampère-Windungen der Wicklungsteile in folgender Beziehung:

N₁ I₁ < N₂ I₂ < N₃ I₃ < N₄ I₄

worin bedeuten

N₁ Windungszahl des Hauptwicklungsteils 41
N₂ kombinierte Windungszahl der ersten Hilfs-Wicklungsteile 42 und 43
N₃ kombinierte Windungszahl der zweiten Hilfs-Wicklungsteile 44 und 45
N₄ Windungszahl des weiteren Wicklungsteils 46
I₁ zum Hauptwicklungsteil 41 gelieferter Strom I₂ zu den beiden ersten Hilfs-Wicklungsteilen 42 und 43 gelieferter Strom
I₃ zu den beiden zweiten Hilfs-Wicklungsteilen 44 und 45 gelieferter Strom
I₄ zum weiteren Wicklungsteil 46 gelieferter Strom.

Da die Wicklungsteile 41 bis 46 in Reihe geschaltet sind, gilt

I₁ = I₂ = I₃ = I₄,

so daß

N₁ < N₂ < N₃ < N₄.

Die ersten Hilfs-Wicklungsteile 42 und 43 sind auf die äußere Zylinderfläche des Hauptwicklungsteils 41 gewickelt und erstrecken sich über eine erhebliche Länge längs der Längsachse 47. Die zweiten Hilfs-Wicklungsteile 44 und 45 sind auf die Innenseite der inneren Zylinderfläche des Hauptwicklungsteils 41 gewickelt. Die Hilfs-Wicklungsteile 42 bis 45 sind ausgefluchtet mit den Enden des Hauptwicklungsteils 41. Die zweiten Hilfs-Wicklungsteile 44 und 45 haben jedoch eine axiale Ausdehnung kleiner als die axiale Ausdehnung der ersten Hilfs-Wicklungsteile 42 und 43, um bei der Herabsetzung des Magnetfeldgradienten sechster Ordnung zu assistieren. Der weitere Wicklungsteil 46 ist so angeordnet, daß er sich auf der Innenwand des Hauptwicklungsteils 41 befindet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist zur Erreichung einer Zylinderspule achter Ordnung jeder der ersten Hilfs-Wicklungsteile 42 und 43 zehn Lagen auf und hat eine axiale Ausdehnung von 26,68% der Länge des Hauptwicklungsteils 41, weist jeder der zweiten Hilfs-Wicklungsteile 44 und 45 fünf Lagen auf und hat eine axiale Ausdehnung von 23,58% der Länge des Hauptwicklungsteils 41, und weist der weitere Wicklungsteil 46 eine einzige Lage auf und hat eine axiale Ausdehnung von 37,37% relativ zur Länge des Hauptwicklungsteils 41.

Claims (3)

1. Supraleitende Zylinderspule zum Erzeugen eines homogenen statischen Magnetfeldes in einem Kernspinresonanzspektrometer, mit einem zylindersymmetrisch gewickelten Hauptwicklungsteil, mit zwei ersten Hilfs­ Wicklungsteilen gleicher Windungszahl, die koaxial zum Hauptwicklungsteil und symmetrisch bezüglich einer die Zylinderlängsachse senkrecht schneidenden Mittelebene des Hauptwicklungsteils von dessen Enden ausgehend sich zur Mittelebene hin erstreckend angeordnet sind, mit zwei zweiten Hilfs-Wicklungsteilen gleicher Windungszahl, die ebenfalls koaxial zum Hauptwicklungsteil und symmetrisch bezüglich der Mittelebene angeordnet sind und sich dabei von den Enden des Hauptwicklungsteils ausgehend zur Mittelebene hin erstrecken, wobei der Hauptwicklungsteil und die ersten und die zweiten, Hilfs-Wicklungsteile in Reihe zueinander geschaltet sind, und mit einem koaxial zum Hauptwicklungsteil und symmetrisch bezüglich der Mittelebene angeordneten weiteren Wicklungsteil, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausdehnung in Richtung der Zylinderlängsachse der zweiten Hilfs-Wicklungsteile kleiner als die der ersten Hilfs­ Wicklungsteile ist,
daß der weitere Wicklungteil in dem Zentralbereich des Hauptwicklungsteils angeordnet und zwischen die beiden zweiten Hilfs-Wicklungteile in Reihe mit den übrigen Wicklungsteilen geschaltet ist, wobei seine Ausdehnung in Richtung der Zylinderlängsachse so gewählt ist, daß sich keine Überlappung mit den Hilfs-Wicklungteilen ergbt,
daß für die Windungszahlen der einzelnen Wicklungsteile die Beziehung N₁ < N₂ < N₃ < N₄ gilt, in der bedeuten
N₁ Windungszahl des Hauptwicklungsteils
N₂ kombinierte Windungszahl der ersten Hilfs-Wicklungsteile
N₃ kombinierte Windungszahl der zweiten Hilfs-Wicklungsteile
N₄ Windungszahl des weiteren Wicklungsteils,
und
daß alle Wicklungteile mit einem supraleitenden Draht mit rechteckigem Querschnitt so gewickelt sind, daß umittelbar benachbarte wendelförmig Lagen eines Wicklungsteils entgegengesetzt gerichtete Steigungen haben, und daß die Schmalseite des Drahtquerschnittes parallel zur Zylinderlängsachse verläuft.

2. Zylinderspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wicklungsteil und die zweiten Hilfs-Wicklungsteile innen auf der Innenfläche des Hauptwicklungsteils und die ersten Hilfs-Wicklungteile außen auf der Außenfläche des Hauptwicklungsteils positioniert sind.

3. Zylinderspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der zweiten Hilfs­ Wicklungsteile eine ungeradzahlige Anzahl von Lagen enthält.