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Gradientenspulenanordnung für die EPR-Zeugmatographie
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Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Gradientenspulenanordnung
für die Messung der räumlichen Verteilung von elektronen-paramagnetischen (EPR)-Zentren.
Sie ist vor allem für die Erzeugung von modulierten Magnetfeld-Gradienten geeignet
kannsber auch für die Erzeugung stationärer Magnetfeld-Gradienten verwendet werden.
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Charakteriatik der bekannten technischen lösungen Die Erzeugung von
Magnetfeldgradienten über einer zu untersuchenden Probe in Richtung des statischen
Magnetfeldes kann am günstigsten mit einer Helmholtsanordnung erfolgen, die einen
relativ konstanten Gradientenverlauf über der Probe ermöglicht /7/.
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Die Helmholtzanordnung besteht aus zwei Spulen, die entlang derselben
Spulenachse angeordnet sind. Entsprechend den geometrischen Verhältnissen des Spulenabstandes
A, des Spulenradius rm, der Spulenbreite D und der Spulenhöhe H ergibt sich ein
entsprechender Bereich mit konstantem Magne tfeldgradient en um den Mittelpunkt
der Spulenanordnung.
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Der minimale Abstand A zwischen den Spulen wird von den Abmesgungen
des Meßkopfes bestimmt, in dem sich die zu untersuchende Probe befindet. Beim Einsatz
der EPR-Zeugmatographie
im X-Band ( # = 9,5 GHz) beträgt die Breite
des am meisten verwendeten Standardresonators (H102 -Mode) ca.
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26 mm. Darüber hinaus steht im allgemeinen nur ein nutzbarer Polschuhabstand
des Elektromagneten von ca. 50 mm zur Verfügung.
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Die Spulenbreite D je Gradientenspule sollte deshalb eine Breite von
10 mm nicht überschreiten Aus /7/ ergeben sich unter diesen Bedingungen für den
Innenradius ri = 10 mm und den Außenradius ra = 30 mm, um einen konstanten MagnetSeldgradienten
von ca. 0,15 T/cm zu erreichen, der räumliche Auflösungen ermöglicht, die besser
als 10 lumsind für# 31/z = O,1 mT (a 3Y2 = Linienbreite). Damit ergibt sich ein
Spulenquerschnitt D x H = 10 x 20 mm2 Bei der vorgegebenen Anordnung und dem notwendigen
Spulenquerschnitt ergeben sich für die Erzeugung von Magnetfeldgradienten zwischen
0,1 T/cmund 0,15 T/cm Stromdichten von 30 A/mm2 ... 40 A/mm2. Dabei fallen je Spule
bis zu 500 W in Wärme umgesetzte Verlustleistung an.
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Die Wärme muß umgehend von den Spulen abgeführt werden, um deren Zerstörung
zu vermeiden.
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Bei der Verwendung der Spulenanordnung für das Zeugmatographieverfahren
mit moduliertem Gradienten /5, 6/ treten neben der Spulenerwärmung noch starke Vibrationskräfte
zwischen den beiden Gradientenspulen auf (Lenzsche Regel).
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Der Spulenaufbau ist deshalb so stabil und kompakt wie möglich zu
gestalten. Dabei sind größere metallische Flächen nicht zulässig, da sie das modulierte
Gradientenfeld (fm = 10 ... 200 Hz) dämpfenen würden (Wirbelstromdämpfung).
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Spulenanordnungen, die diese speziellen Anforderungen erfüllen, sind
bisher nicht bekannt geworden. Bekannt sind ungekühlte Gradientenspulen, die mit
Gleichstrom betrieben werden /1/. Diese haben den Nachteil, daß aiewegen der fehlenden
Kühlung nur mit relativ geringen Strömen (ca. 10 A) betrieben werden können, um
unzulässige Erwärmungen zu vermeiden. Es wird ein Magnetfeldgradientin Richtung
Gy = 5,4 mT/cmerreicht.
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Zur Vermeidung der Uberhitzung wird eine weitere bekannte Anordnung
für die Zeugmatographie mit stationärem Gradienten mit gepulstem Gleichstrom betrieben
/4/. Diese Anordnung hat gegenüber der Anordnung mit konstanter Gleichstromamplitude
mehrere Nachteile. So sind Gradientenspulen mit geringer Zeitkonstante notwendig,
d. h. es sind kleine Induktivitäten und hohe Ströme erforderlich. Weiterhin ist
die Ansteuerung komplizierter und die Stabilität des Gradientenfeldes bezüglich
des Zeitverhaltens und der Amplitude ist geringer.
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Außerdem ist diese Anordnung nicht für modulierte Gradienten-Selder
geeignet.
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Es ist auch eine Anordnung mit ölgekühlten Anti-Helmholtz-Gradientenspulen
zur Erzeugung eines Feldgradienten in z-Richtung bekannt /3/. Mit dieser Anordnung
kann aber trotz der Kühlung nur ein Gradient Gz = 6 mT/cm erzielt werden.
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Alle genannten Anordnungen haben den Nachteil, daß mit ihnen nur geringe
räumliche Auflösungen von ca. 300um für # B1/2 = 0,1 mT erreicht werden, da auch
mit den bisher verwendeten Kühlungen nur Magnetfeldgradienten bis 6 mT/cm erzeugt
werden konnten.
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Es sind Anordnungen zur Magnetspulenkiihlung bekannt, die AIuminiumkwiischeibenhaben,
in die Kupferrohre eingegossen sind, /z. B. EPR-Spektrometer des Zentrums für wissenschaftlichen
Gerätebauder AdW der DDR/. Für Gradientenspulen sind jedoch metallische Kühlscheiben
wegen der Wirbelstromdämpfung nicht verwendbar Außerdem würden aufgrund der kleinen
Abmessungen der Gradientenspule nur geringe Rohrquerschnitte (ca. 1 mm Durohmesßer)
in Frage kommen, die nicht die ausreichende Kühlleistung bringen und sich unter
Umständen schnell zusetzen würden.
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Denkbar wäre auch eine Anordnung zur Magnetspulenkühlung, bei der
in die Spule Kühlrohre mit eingewickelt werden.
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Da diese Rohre einen ähnlichen Durchmesser wie die in der vorher genannten
Anordnung haben müßten, ergeben sich die gleichen Nachteile.
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Für die Magnetspulenkühlung sind auch Rohrspulen denkbar die gleichzeitig
den Strom leiten und die Kühlflüssigkeit führen. Die hierfür verwendeten Rohre müßten
mindestens den Durchmesser der vorgenannten Anordnungen haben. Bei vorgegebener
Querschnittsfläche der Spulen könnte diese dann aber nur aus wenigen Windungen bestehen,
so daß Ströme von weit mehr als 100 A erforderlich wären. Bei einem Durchmesser
der Rohre von 3 mm, wie er für einen ausreichenden Durchfluß sinnvoll wäre, müßten
Ströme von ca. 400 A verwendet werden. Infolge dieser hohen Ströme würden sich für
die Ansteuerung, besonders des modulierten Gradienten große Schwierigkeiten ergeben,
um zu einigermaßen stabilen Gradientenfeldern zu kommen. Diese werden auch durch
Übergangwiderstände an den Klemmen negativ beeinflußt.
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/1/ K. Ohno, J. Magen. Reson. 49, 56 (1982) /2/ M. Klosa, j. Koscielmak,
Elektronika 3 (XXII) 1981 /3/ M. J. R. Hoch, j. Phys. Le solid state Ehys. 14 (1981)
/4/ W. Karthe, E. WehrsdorferPatent 201 387 /5/ Th. Herrling et al.
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j. Magen Reson. 49 (1982) 5. 203 - 211 /6/ Th. Herrling, U. Ewert
Wirtschaftspatent Nr. 200 936 5 /7/ W. Berger, H.j. Butterweck Archiv für Elektrotechnik
XLII Heft 4 1956 S. 216 - 222 Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, die
räumliche Auflösung in der EPR-Zeugmatographie um ein Vielfaches zu erhöhen, um
Auflösungen in z-Richtung von mindestens 10 /umfür # B112 = 0,1 mT zu erreichen.
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Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, die Kühlung der Gradientenspulen so zu verbessern, daß die Abführung der
Wärne, die bei der Erzeugung eines vielfach stärkeren Magnetfeldgradienten als bisher
entsteht, der Werte bis zu 0,15 2/cm annehmen kann, gewährleistet ist, wobei außerdem
die Wirbelstromdämpfung gering sein soll und mechanische Schwingungen der Spule
bei Anwendung des Verfahrens mit moduliertem Magnetfeldgradienten vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird das bei einer Gradientenspulenanordnung für die
EPR-Zeugmatographie, bei der je eine der den Magnetfeldgradienten erzeugenden Gradientenspulen
zwischen dem Meßresonator und einem Polschuh so angeordnet ist, daß über dem Meßresonator
und damit über der zu untersuchenden Probe ein Magnetfeldgradient in z-Richtung,
d. h. in Richtung des statischen Magnetfeldes Bo entsteht, dadurch erreicht, daß
jede Gradientenspule aus zwei elektrisch in Reihe geschalteten Einzelspulen besteht,
die in sich gegenüberliegenden Gehäusewänden eines Spulengehäuses so angeordnet
sind, daß zwischen den Einzelspulen ein freier Raum als Kühlkanal verbleibt, der
in radialer Richtung einerseits durch das Spulengehäuse und andererseits dadurch
eine Zentnerbuchse begrenst ist, und daß dieser Kühlkanalüber Anschlüsse im Spulengehäuse
mit einer Kühlmittelversorgung verbunden ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Einzelapulenin dem Bereich,
in dem sie im Spulengehäuse angeordnet sind, selbst als Gehäusewand ausgebildet.
Zu diesem Zweck sind die Einzelspulen scheibenförmige einlagige Spulen, die aus
Kupferband gewickelt aind, wobei die Breite des Bandmaterials die Breite der hin«.elßpule
darstellt, die Dicke des Bandmaterials geringer als dessen Breite ist und die Höhe
des Spulenquerschnittes um ein Vielfaches größer als dessen Breite istt und daß
die einzelnen Windungen versetzt zueinander gewickelt aind, so daß eine gerippte
Spulenoberfläche vorhanden ist.
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Die Anschlußstutzen für das Kühlmittel sind tangential am
Spulengehäuse
angeordnet.
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Im Kühikanal können zwischen den beiden Einzelapulenrechteckige Metallßtäbein
vertikaler Richtung (y-Richtung) angeordnet sein, die mit den Einzel spulen fest
verbunden sind. Diese Metallstäbe gewährleisten die weitestgehende Parallelität
zwischen den Einzelspulenund eine hohe mechanische Stabilität des Spulensystema.
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Die beiden Spulengehäuse sind mit vier Positionierstäben verbunden,
die die Verschiebung der Spulen in z-Richtung gestatten und die beiden Spulen gleichzeitig
in x- und y-Richtung fixieren. Die Zentrierbuchseder Spule kann eine durchgehende
Bohrung haben, die eine visuelle Positionierung der Gradientenspulen bezüglich der
HF-Modulationsspulen des Meßresonatorserlaubt.
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Infolge des prinzipiell neuen AuSbaus der Gradientenspulenanordnung
und des dadurch erzielten Kühlkanals ist eine ausreichende Kühlung der Spulen auch
bei einem Vielfachen der Feldstärke der bisher angewendeten Magnetfeldgradienten
und der damit auftretenden wesentlich höheren Verlustleistung möglich, wodurch die
angestrebte um ein Vielfaches bessere räumliche Auflösung erreicht wird.
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Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll in einem Ausführngsbeispielanhand
von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht
der Spulenanordnung teilweise geschnitten, Fig. 2a, b und 3 verschiedene Schnitte
durch eine Einzelspule.
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Die Anordnung besteht aus den beiden Gradientenspulenl, die einen
Magnetfeldgradienten in z-Richtung des statischen Eagnetfeldes Bo erzeugen. Zwischen
beiden Gradientenspulen befindet sich der Meßkopf 8 (z. B. H102-Resonator), in dem
sich die zu untersuchende Probe befindet. Die beiden Gradientenspulen
1
sind über vier Positionierstabe 9 mit ein ander verbunden, die eine axiale Verschiebung
der Spulen in z-Richtung ermöglichen, die lage der Spulen in x- und y-Richtung fixieren
und damit die Parallelität und Koaxialität beider Spulen weitestgehend garantieren.
Jede Gradientenspule 1 besteht aus zwei Einzelapulen 2, die elektrisch in Reihe
geschaltet sind und die beide ein gleich gerichtetes Feld erzeugen. Zwischen beiden
Einzelapulen 2 befindet sich der KühIkanal 3, der sehr schmal )1 .. 2 mm) sein kann
Die KUhlflssigkeit gelangt durch den unteren Anschlußstutzen 6 in die Gradientenspulen
1 und fließt an der Innenaeite der Einzelspulen 2 zum oberen Anschlußstutzen 10.
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Bei den Einzel spulen 2 handelt sich es um scheibenförmige einlagige
Spulen, die aus Kupferband gewickelt sind und die Breite des Bandmaterials ist gleich
der Breite der Einzelspule (Fig. 2). Dabei ist die Dicke des Bandmaterials wesentlich
geringer als dessen Breite und die Höhe des Spulenpakets ist wiederum viel größer
als die Spulenbreite D.
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Auf diese Weise können innerhalb des vorgegebenen Spulenquerschnitts
viele Windungen realisiert werden, die es er-Uglichen, mit Strömen von max. 40 A
für einen Magnetfeldgradienten Gz = 0,15 T/cm auszukommen. Diese Ströme sind technisch
gut realisierbar. Da die Einzel spulen sehr schmal sein können und nur aus einer
Lage bestehen, ist eine schnelle Warmeleitung und Abgabe in axialer Richtung (z-Richtung)
möglich Aufgrund dieser Anordnung ist es ausreichend, wenn nur die Innenseiten der
Einzelspulen 2 vom Kühlmedium gekühlt werden. Die Wärmeabgabe an den Außenseiten
der Einzelspulen 2 muß an die umgebende Luft erfolgen. Diese Wärmeabgabe stellt
aber einen Bruchteil der von der Kühlflussigkeit aufgenommenen Wärmemenge dar.
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Aufgrund des geringen Widerstandes der Gradientenspulen 1 von R =
0,5#kann mit Spannungen von 20 V gearbeitet werden, so daß Wasser als Kühlflüssigkeit
ohne Bedenken eingesetzt werden kann.
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Um die Wirkung der Kühlflüssigkeit noch zu unterstützen,
werden
die Einzeispulen 2 so gewickelt, daß eine gerippte Spulenoberfläche (Fig. 2) entsteht.
Hierzu werden die einzelnen Lagen um Bruchteile der Spulenbreite D versetzt gewickelt.
Damit wird die Wirbelbildung in der Kühlflüssigkeit noch unterstützt, so daß eine
starke turbulente Strdmung entsteht, bei der der Wärmeübergang von den Einzelspulen
2 an das Kühlmittel viel intensiver ist.
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Die Einzel spulen 2 sind mit einem Spulengehäuse 4 und einer Zentrierbuchae
11 verbunden. Das Spulengehäuse 4 enthält die Anschlußstutzen 6 und 10 für die Kühlflüssigkeit,
die elektrischen Anschlüsse 5 und die Bohrungen für die Positionsstäbe 9. Die Zentrierbuchse
enthält eine durchgehende Bohrung, so daß eine schnelle visuelle Positionierung
bezüglich der Modulationsspulen12 möglich ist. Alle vier Spulenachaen, die der beiden
Gradientenspulen 1 und die der beiden Hochfrequenz-Modulationsspulen 12, müssen
in einer Flucht liegen.
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Werden die Gradientenspulen 1, wie im Fall des Verfahrens mit moduliertem
Gradienten, mit hohen Wechselströmenversorgt, 50 können im Zusammenwirken mit dem
statischen Magnetfeld Bo starke Kraftwirkungen auftreten, die bei nicht genügend
stabilem Aufbau der Gradientenspulenzu starken Schwingungen im Takt der Modulationsfrequenz
der Gradientenspulen 1 führenkönnen, die unerwünscht sind. Um die mechanische Stabilität
zu erhöhen, befinden sich zwischen den Einzelspulen 2 rechteckige Metallstäbe 7,
z. BI aus Kupfer, die innerhalb des Kühlkanals 3 in vertikaler, d. h.
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in y-Richtung verlaufen (Fig. 3). Sie sind mit den Einzelspulen 2
fest verbunden und schaffen somit ein stabiles kompaktes Spulensystem, ohne die
Kühlung wesentlich zu verschlechtern.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Gradientenspul en 2 Einzelspulen
3 Kühlkanal 4 Spulengehäuse 5 elektrische Anschlüsse 6 Anschlußstutzen 7 Metallstäbe
8 Meßkopf 9 Positionierstäbe 10 Anschlußstutzen 11 Zentrlerbuchse 12 Modulationsspulen
A Spulenabstand D Spulenbreite H Spulenhöhe rm Spulenradius