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Kühleinrichtung für ein Tieftemperatur-Magnetsystem
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Die Erfindung geht aus von einer Kühleinrichtung für ein Tieftemperatur-Magnetsystem,
bei dem die Magnetspule von wenigstens einem Zwischenschild umgeben in einer evakuierten
Außenhülle gehalten ist und ferner ein auf der Außenhülle angeordneter Refrigerator
vorgesehen ist, der über einen durch die Außenhülle führenden Kühlarm den wenigstens
einen Zwischenschild kühlt.
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Auf verschiedenen Gebieten der Meßtechnik, insbesondere der analytischen
Maßtechnik und der medizinischen Meßtechnik, werden homogene Magnetfelder hoher
Feldstärke benötigt.
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Hierzu werden in immer größerem Umfange anstelle der klassischen Eisenmagnete
supraleitende Magnete eingesetzt.
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Diese supraleitenden Magnete bestehen im wesentlichen aus einer Magnetspule,
die aus supraleitendem Draht gewickelt ist und sich in einem Kryostaten befindet,
der die supraleitende Magnetspule auf der Betriebstemperatur von etwa 4 K hält.
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Üblicherweise werden für die genannten Anwendungen Solenoidspulen
verwendet, die sich in einem Behälter für flüssiges Helium befinden. Dieser Behälter
ist von einem weiteren Behälter umgeben, der mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist.
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Zwischen diesen Behältern und ggf. zwischen dem Stickstoffbehälter
und der Außenhülle des Magnetsystems sind sog.
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Schutzschilde (heat shields) angeordnet, die auf einer jeweils zwischen
den angrenzenden Temperaturen liegenden Temperatur gehalten werden und ebenfalls
zur Vorkühlung des innersten, das flüssige Helium enthaltenden Behälters dienen.
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Die supraleitende Spule wird mit einem Strom beaufschlagt und dann
in an sich bekannter Weise kurz geschlossen, so daß der eingespeiste Strom in der
supraleitenden Spule praktisch unendlich lange fließen kann, solange die Supraleitung
aufrechterhalten wird.
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Die Betriebskosten eines derartigen supraleitenden Magneten werden
entscheidend durch den Verbrauch an den erwähnten flüssigen Gasen, nämlich flüssigem
Stickstoff und flüssigem Helium bestimmt. Gelingt es dabei, die Abdampfrate dieser
flüssigen Gase niedrig zu halten, können die Betriebskosten eines derartigen supraleitenden
Magneten niedrig gehalten werden, so daß - zusätzlich zu den Magnetfeldeigenschaften
-auch hinsichtlich der Betriebskosten wesentlich günstigere Verhältnisse als bei
klassischen Eisenmagneten vorliegen.
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Um die Abdampfrate der flüssigen Gase niedrig zu halten, ist es bekannt,
an die Außenhüllte des supraleitenden Magnetsystems ein Kühlsystem anzubauen, das
üblicherweise als Refrigerator bezeichnet wird. Diese bekannten Refrigeratoren verfügen
über einen Kühlarm, der sich durch die Außenhülle des Kryostaten hindurch erstreckt
und bis zu einem oder mehreren der Innenbehälter oder der Schutzschilde reicht und
diese aktiv kühlt. Der Kühlarm bzw. der Kühlarm mit einem noch weiter vorspringenden
Kühlfinger halten dabei die inneren Behälter bzw. Schutzschilde auf einer so niedrigen
Temperatur, daß die Abdampfverluste der flüssigen Gase einen besonders niedrigen
Wert erreichen.
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Aus dem Aufsatz von Yamamoto in der Zeitschrift Review of Scientific
Instruments, 50, Seite 1382 bis 1385, (1979) ist ein derartiges System bekannt,
bei dem ein Refrigerator auf einen Kryostaten aufgesetzt ist und über zwei unterschiedlich
lange Kühlarme innere Schutzschilde des Kryostaten aktiv kühlt. Der Refrigerator
ist dabei fest mit dem Kryostaten verbunden.
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Die bekannen Refrigeratoren weisen einen außerhalb der Außenhülle
des Magnetsystems angeordneten Kühlkopf auf, der einen motorischen Antrieb mit Kolben
u.dgl. enthält. Dieser motorische Antrieb wird vorzugsweise mit Preßluft angetrieben,
die von einem weiter entfernt stehenden Kompressor über eine flexible Leitung geliefert
wird.-Damit sind zwar die wesentlichen bewegten und Störungen verursachenden Teile
weitab vom Magnetsystem aneordnet, trotzdem verbleibt im Kühlkopf noch eine Reihe
motorisch angetriebener Elamente, die zu Störungen führen können. Der oder die im
Kühlkopf angeordneten beweglichen Kolben wirken sich nämlich direkt auf das Magnetfeld
aus, sei es dadurch, daß sie das supraleitende Magnetsystem in Vibration versetzen,
sei es, daß durch die Bewegung der metallischen Kolben Störfelder induziert werden.
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Supraleitende Magnetsysteme der weiter oben beschriebenen Art werden
vorzugsweise zur Messung von magnetischen Resonanzen, beispielsweise der magnetischen
Kernresonanz, verwendet. Bei hochauflösenden Messungen, die ein besonders homogenes
Magnetfeld-erforde wirken sich Störungen der genannten Art durch den motorischen
Antrieb des Refrigerators besonders aus, weil der motorische Antrieb des Refrigerators
bei verhältnismäßig tiefen Frequenzen arbeitet und die hierdurch verursachten Störungen
durch die üblichen Stabilisierungsmaßnahmen nicht ausgeglichen werden können.
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Dies gilt auch für den sog. internen Lock, bei dem das Magnetfeld
mit Hilfe einer Referenzlinie im Kernresonanz-Spektrum geregelt wird.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
zu schaffen, bei der einerseits besonders geringe Abdampfraten der flüssigen Gase
durch Verwendung eines Refrigerators möglich sind, andererseits jedoch die geschilderten
Nachteile infolge von durch den Refrigerator verursachten Störungen vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Sensoreinrichtung
zum Erfassen der vom motorischen Antrieb des Refrigerators ausgehenden magnetischen
und/oder mechanischen Störsignale vorgesehen ist, die mindestens eine Spule zum
Kompensieren des im Probenraum wirksamen Störfeldes steuert.
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Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung hat damit den besonderen Vorteil,
daß sie den Einsatz von aktiv gekühlten Schutzschilden selbst bei hochauflösenden
Kernresonanz-Messungen erlaubt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient als Sensoreinrichtung
eine im Bereich des Refrigerators angeordnete Detektorspule. Diese Anordnung hat
den Vorteil, daß die Störsignale dort erfaßt werden, so sie erzeugt werden. Das
von der Detektorspule aufgenommene Störsignal ist damit in dieser räumlichen Anordnung
auch besonders groß.
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Bei einer anderen, auch zusätzlich verwendbaren Ausführungsform der
Erfindung ist eine Detektorspule im Bereich des Probenraumes des Magnetsystems angeordnet.
Diese Anordnung
hat den Vorteil, daß die Störsignale dort erfaßt
werden, wo sie wirksam werden, so daß' genau der Störanteil kompensiert werden kann,
der auch zu Störungen der Messung führen würde.
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Bei beiden genannten Anordnungen wird eine Ausführungsform bevorzugt,
bei der die Störsignale in mehreren unterschiedlichen Gradientenrichtungen erfaßt
werden. Dabei macht man sich zunutze, daß die Erfassung und Kompensation von Magnetfeldinhomogenitäten
entlang vorgegebener Magnetfeldgradienten bekannt ist und eine Vielzahl von Regelalgorithmen
zur Verfügung steht, um entsprechende Magnetfeldkorrekturen vorzunehmen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der der Refrigerator
einen den motorischen Antrieb enthaltenden Kühlkopf aufweist, geht der Kühlkopf
in einen ersten Flansch über, der auf einem zweiten Flansch aufliegt, in den ein
an die Außenhülle des Magnetsystems angeformter Hals übergeht.
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Die Detektprspule ist dabei vorzugsweise im Bereich des Halses angeordnet,
insbesondere als eine den Hals koaxial umfassende Solenoidspule. Diese Anordnung
ergibt einen besonders kompakten und mechanisch stabilen Aufbau. Auch wird bei dieser
Anordnung die Demontierbarkeit des Kühlkopfes, beispielsweise für Wartungsarbeiten,
nicht beeinträchtigt.
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Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend genannten Ausführungsformen,
bei denen das vom Refrigerator ausgehende elektromagnetische Störfeld erfaßt wird,
wird in einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Sensoreinrichtung
verwendet, die die vom Refrigerator ausgehenden mechanischen Störungen erfaßt, insbesondere
durch Messung der Beschleunigung oder der Vibration an einer geeigneten Stelle entweder
am Refrigerator selbst oder an einer anderen Stelle des Magnetsystems. Diese Vorgehensweise
hat den zusätzlichen Vorteil, daß auch. die mechanischen Störungen bei unmagnetischen
oder nichtmetallischen Elementen des Magnetsystems erfaßt werden können, die sich
nicht in elektromagnetisch meßbaren Störungen manifestieren, ebenso wie solche,
die am Ort der Detektorspule kaum Sörsignale erzeugen, als mechanische Signale jedoch
meßbar sind.
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Eine besonders gute Wirkung wird erzielt, wenn ein elektronisches
Steuergerät vorgesehen ist, das das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung der zu
Kompensationszwecken dienenden Spule zuführt. Dann kann nämlich das Sensorsignal
entsprechend gewichtet werden, beispielsweise durch Herunterteilen oder Multiplizieren,
je nachdem welches Verhältnis zwischen dem gemessenen Störsignal und dem einzustellenden
Kompensationssignal besteht. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform,
bei der das Sensorsignal über eine Kennlinie oder ein Kennfeld geleitet wird, weil
damit einmal auch nichtlineare Abhängigkeiten berücksichtigt werden können und andererseits
auch veränderte Meßparameter ihren Niederschlag finden können. Diese Meßparameter
können beispielsweise die Grundfeldstärke, eine eingestrahle Modulation, eine Probentemperatur
o.dgl. sein.
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Zur Kompensation des vom Refrigerator ausgehenden Störfeldes kann
eine Korrekturspule an unterschiedlichen Stellen des Magnetsystemes angeordnet sein,
sofern sie nur im Probenraum wirksam wird. Besonders bevorzugt ist dabei eine Anordnung,
bei der die Korrekturspule den Probenraum unmittelbar umgibt. Damit werden die vom
Refrigerator ausgehenden Störungen an der Stelle kompensiert, an der sie wirksam
werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es aber in bevorzugter Ausgestaltung
der Erfindung auch möglich, die Korrekturspule im Bereich des Refrigerators selbst
anzuordnen, so daß die Störungen an der Stelle kompensiert werden, wo sie entstehen,
so daß die Störungen gar nicht mehr auf das Magnetsystem übertragen werden oder
wenn, dann nur noch in stark abgeschwächter Form.
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Ausgehend von dieser letztgenannten Überlegung wird eine Anordnung
besonders bevorzugt, bei der eine Grobkompensation über die im Bereich des Refrigerators
angeordnete Korrekturspule und in einem nachfolgenden zweiten Schritt eine Peinkompensation
durch die im Bereich des Probenraumes angeordnete Korrekturspule vorgenommen wird.
Diese zweistufige Kompensation führt zu einem besonders effektiven Ergebnis.
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Eine besonders gute Kompensation ist dann möglich, wenn mehrere Korrekturspulen
in unterschiedlicher Gradientenrichtung angeordnet sind, so daß - wie bereits weiter
oben angedeutet wurde - eine Gradientenkompensation nach einem der an sich bekannten
Verfahren vorgenommen werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten
Zeichnung.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Hälfte
eines Kryostaten, der mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung
versehen ist; Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnittes aus Pig. 1.
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In Fig. 1 bezeichnet 10 ein supraleitendes Magnetsystem, das über
einen Refrigerator 11 zum Kühlen von innenliegenden Schutzschilden bzw. Behältern
verfügt. Der Refrigerator 11 wird von einem räumlich getrennten Kompressor 12 über
eine flexible Druckleitung 13 mit beispielsweise Hochdruckgas versorgt. Der Refrigerator
11 ist als Aufsatz ausgebildet, der aus einem Kühlkopf 14 sowie einem daran angeformten
ersten Flansch 15 besteht. Der erste Flansch 15 liegt auf einem zweiten Flansch
16 auf, der in einen Hals 21 übergeht, der einen vom Refrigerator 11 sich erstreckenden
Kühlarm 18 umschließt. Der Hals 21 ist an einer Außenhülle 22 des supraleitenden
Magnetsystems 10 angeformt.
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Die Außenhiille 22 geht an den Endabschnitten des supraleitenden Magnetsystems
10 in Deckenteile über, in denen sich auch eine Probenöffnung 24 in der Achse 25
des Magnetsystems 10 befindet. Es versteht sich, daß die Darstellung in Fig. 10
nur eine Hälfte des im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten Magnetsystems
10 darstellt.
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Die Außenhülle 22 umgibt zunächst einen ersten Zwischenschild 26,
der in unmittelbarem mechanischen und damit wärmeleitenden Kontakt zu einem Behälter
27 steht, der flüssigen Stickstoff 28 enthält. Der erste Zwischenschild 26 umgibt
einen zweiten Zwischenschild 29, der mit keinem Behälter für ein flüssiges Gas verbunden
ist. Der zweite Zwischenschild 29 umgibt wiederum einen Behälter 30 für flüssiges
Helium 31. Im Behälter 30 bzw. im flüssigen Helium 31 befindet sich eine Magnetspule
32, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Solenoidspule. Die Zwischenräume 33
zwischen der Außenhülle 22, dem ersten Zwischenschild 26, dem zweiten Zwischenschild
29 sowie dem Behälter 30 sind dabei evakuiert.
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Es versteht sich, daß in der Darstellung in Fig. 1 die aus dem Stand
der Technik bekannten Befestigungsmittel und Isolationsfolien (Superisolation) für
die einzelnen Behälter des Magnetsystems 10 nicht dargestellt sind.
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Im Inneren der Probenöffnung 24 ist mit 36 ein Probenraum bezeichnet,
in den die mit dem Magnetsystem 10 auszumessende Probe gebracht wird, beispielsweise
eine Probe, an der hochauflösende Kernresonanz(NMR)-Messungen durchgeführt werden
sollen.
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Um den Wärmeübergang zwischen dem Kühlarm 18 des Refrigerators 11
und dem von diesem zu kühlenden ersten Zwischenschild 26 bzw. zweiten Zwischenschild
29 herzustellen, sind den Schilden 26, 29 Kopplungsteile 34, 35 vorgesehen.
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Betrachtet man nun die vergrößerte Darstellung des Refrigerators 11
mit den zugehörigen Teilen des Magnetsystems 10 in Fig. 2, so erkennt man, daß der
Kühlarm 18 an seinem der Magnetspule 30 zugewandten Ende zunächst in einen Endabschnitt
38 und dann in einen konzentrischen Finger 39 mit gegenüber dem Endabschnitt 38
vermindertem Querschnitt ausläuft.
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Wie bereits erwähnt, ist der Kühlkopf 14 des Refrigerators 11 mit
einem ersten Flansch 15 versehen, der auf dem zweiten Flansch 16 des Halses 21 aufliegt.
Um eine besonders gute Dichtung zwischen den Flanschen 15, 16 herzustellen, ist
zwischen diesen eine als O-Ring 40 ausgebildete Dichtung vorgesehen.
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Der Endabschnitt 38 ist in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kopplungsteil
34 und der Pinger 39 in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kopplungsteil 35. Hierzu
sind die Kopplungsteile 34 bzw. 35 als zylinderartige Vorsprünge 37 der Schilde
26 bzw.
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29 ausgebildet, durch die zentrale Bohrungen führen. Der Außendurchmesser
44 bzw. 46 von Endabschnitt 38 bzw. Finger 39 sowie die Innendurchmesser 45 bzw.
47 der genannten Vorsprünge 37 sind dabei so bemessen, daß sich eine gute mechanische
Passung und damit ein guter Wärmeübergang zwischen den genannten Teilen ergibt.
Der Endabschnitt 38 wird dann vom Refrigerator 11 auf die Temperatur gebracht, die
der erste Zwischenschild 26 annehmen soll, beispielsweise 80 bis 100 K, während
der Finger 39 auf die Temperatur abgekühlt wird, die der zweite Zwischenschild 29
annehmen soll, beispielsweise 20 bis 50 K.
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Um das Einführen von Endabschnitt 38 bzw. Finger 39 in die Kopplungsteile
34 bzw. 35 zu erleichtern, sind die jeweiligen Stirnflächen von Endabschnitt 38
bzw. Finger 39 mit Fasen 48 bzw. 50 versehen, ebenso wie die nach außen weisenden
Stirnflächen der Vorsprünge 37 mit Fasen 49 bzw. 51 versehen sind.
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Es versteht sich dabei, daß die dabei verwendeten Materialien, insbesondere
für die Kopplungsteile 34, 35 so gewählt sind, daß sie bei tiefen Temperaturen eine
besonders gute Wärmeleitung aufweisen.
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Im Kühlkopf 14 des Refrigerators 11 befindet sich ein motorischer
Antrieb, wie er durch einen beweglichen Kolben 60 in Fig. 2 angedeutet ist. Neben
dem Kolben 60 befinden sich selbstverständlich noch weitere bewegliche Teile im
Kühlkopf 14, beispielsweise Pleuel, Achsen u.dgl.. Diese mechanisch bewegten Teile
des motorischen Antriebes wirken sich in zweierlei Hinsicht störend auf den Betrieb
des Magnetsystems 10 aus. Zum einen induzieren bewegte metallische Teile unmittelbar
ein magnetisches Feld, zum anderen wirkt sich die Bewegung der massebehafteten Teile
als Vibration auf das Magnetsystem 10 aus. Dies ist in dem hier vorliegenden Falle
besonders kritisch, weil sich unmittelbar vom Kühlkopf 14 hinweg der Kühlarm 18
erstreckt, der eine feste mechanische Kopplung über den Endabschnitt 38 mit dem
Kopplungsteil 34 bzw. den Finger 39 mit dem Kopplungsteil 35 zu den Zwischenschilden
26, 29 in unmittelarer Nähe der Magnetspule besitzt. Im Bereich des Kühlkopfes 14
entstehende Vibrationen pflanzen sich damit unmittelbar in die direkte Nähe der
Magnetspule 30 fort.
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Zur Kompensation dieser Störungen ist eine Korrekturspule 61 in der
Probenöffnung 24 vorgesehen, die den Probenraum 36 umschließt. Das Speisesignal
für die Korrekturspule 61 wird von einer Detektorspule 62 abgeleitet, die in dem
in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel eine Solenoidspule ist, die den
Hals 21 umgibt. Das Ausgangssignal der Detektorspule 62 wird über eine Leitung 63
einem elektronischen Steuergerät 64 zugeführt, das über eine Leitung 65 die Korrekturspule
61 speist. Beispielsweise kann das elektronische Steuergerät 64 das Signal der Detektorspule
62 verstärken oder mit einem vorbestimmten Faktor abschwächen, d.h. insgesamt gewichten,
wenn eine derartige lineare Beziehung von gemessenem Signal zu Korrektursignal ausreicht.
Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, im Falle einer nichtlinearen Abhängigkeit
im Steuergerät 64 eine Kennlinie oder ein Kennfeld vorzusehen, je nachdem, ob ein
oder mehrere bestimmende Einflußfaktoren berücksichtigt werden.
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Bei Verwendung eines Kennfeldes können auch weitere Parameter dem
Steuergerät 64 zugeführt werden, beispielsweise die eingestellte Grundfeldstärke,
eingestrahlte Modulationsfrequenzen, eine Probentemperatur o.dgl..
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In jedem Falle wird das von der Detektorspule 62 erfaßte Signal entsprechend
einer vorgegebenen Beziehung in ein Korrektursignal umgesetzt und mit diesem Korrektursignal
die Korrekturspule 61 beaufschlagt.
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Während die vorstehend beschriebene Anordnung über die Detektorspule
62 die Störung durch den Refrigerator 11 an der Stelle erfaßt, an der sie erzeugt
wird, kann erfindungsgemäß diese Störung natürlich auch an jedem anderen geeigneten
Ort erfaßt werden, insbesondere am Probenort 36.
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Ebenso kann die Korrektur des Störfeldes nicht nur, wie in Pig. 1
dargestellt, am Probenort 36 über die Korrekturspule 61 erfolgen, es ist vielmehr
erfindungsgemäß auch vorgesehen, die Störung an der Stelle zu kompensienren, an
der sie erzeugt wird. Hierzu ist laut Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 koaxial um
die Detektorspule 62 eine weitere Korrekturspule 66 angeordnet, die vom elektronischen
Steuergerät 64 über eine Leitung 65a angesteuert wird. Für das der weiteren Korrekturspule
66 zugeführte Signal gelten dieselben Überlegungen, wie sie weiter oben zur Korrekturspule
61 angestellt wurden. Das heißt, daß die Korrekturspule 66 in Abhängigkeit von einem
vom Steuergerät 64 gebildeten Korrektursignal angesteuert wird, das aus dem von
irgendeiner Detektorspule, beispielsweise der Detektorspule 62, abgegebenen Signal
abgeleitet wird.
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Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der eine Grobkompensation
über die Leitung 65a und die weitere Korrekturspule 66 im Bereich des Refrigerators
11 vorgenommen wird und nachfolgend in einem zweiten Schritt eine Feinkompensation
über die Korrekturspule 61 im Bereich des Probenortes 36 erfolgt.
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Da die vom Refrigerator 11 ausgehenden Störungen sich nicht nur in
einer einzigen Richtung ausbreiten, sondern vielmehr einen beliebigen Störfeldverlauf
aufweisen, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, die an einem
oder mehreren Orten angeordneten Detektor- und/oder Korrekturspulen jeweils mehrfach
vorzusehen, wobei die Einzelspulen der dann entstehenden Anordnungen in definierten
Gradientenrichtungen
wirksam sind. Diese mehrfachen Spulenanordnungen
sind an sich bekannt und werden üblicherweise als "Shimspulen bezeichnet, wobei
jede einzelne bzw. jedes Paar derartiger Shimspulen zur Kompensation eines der bekannten
Magnetfeldgradienten vorgesehen ist.
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