DE3917764A1

DE3917764A1 - Magnetische trimmeinrichtung zur magnetfeldkorrektur

Info

Publication number: DE3917764A1
Application number: DE3917764A
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Tahara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-06-03
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1989-12-07
Anticipated expiration: 2009-06-01
Also published as: GB2219407B; GB8910421D0; GB2219407A; US4983922A; DE3917764C2; JPH0690975B2; JPH01305508A

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Trimmeinrichtung zur Magnetfeldkorrektur, um ein Magnetfeld größerer Homo genität zu erhalten. Insbesondere, aber nicht ausschließ lich, betrifft die Erfindung eine magnetische Trimmeinrichtung zur Korrektur des Hauptmagnetfeldes in einer NMR-Vorrichtung, also einer mit magnetischer Kernresonanz arbeitenden Vorrich tung.

In einer NMR-Vorrichtung ist es wünschenswert, daß das Hauptmagnetfeld im Bereich eines Objektes, das durch magnetische Kernresonanz gemessen wird, in hohem Maße homogen ist. Eine zweckmäßige und nicht kostspielige Methode zur Korrektur eines Magnetfeldes besteht in der Verwendung von passiven Trimmelementen. Ein Trimmelement ist ein Ring oder ein Zylinder aus einem magnetischen Material, wie z. B. Eisen, das im Hauptmagnetffeld der NMR-Vorrichtung angeordnet wird. Das Trimmelement wird durch das Hauptmagnetfeld magnetisiert und erzeugt sein eigenes Magnetfeld, welches bestimmte harmonische Komponenten des Hauptmagnetfeldes kompensieren und die Homogenität des Hauptmagnetfeldes erhöhen kann.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen Teil einer NMR-Vorrichtung, die ein herkömmliches Eisentrimmelement verwendet. Die NMR- Vorrichtung hat eine supraleitende Hauptspule 1, die ein Hauptmagnetfeld in Richtung der Z-Achse erzeugt. Die Haupt spule 1 ist im Inneren eines Kryostaten 2 untergebracht, der einen Tank für flüssiges Helium oder dergleichen aufweist. Der Kryostat 2 hat eine Bohrung 3 auf Raumtempratur, die in seinem Zentrum ausgebildet ist und in die ein nicht darge stelltes Objekt zum Messen eingeführt wird.

Ein Paar von zylindrischen Trimmelementen 4 aus Eisen sind koaxial im Inneren der Bohrung 3 längs der Z-Achse angeordnet, und zwar symmetrisch bezüglich eines Ursprunges O. Die Z-Koordi naten der stirnseitigen Endflächen 4 A und 4 B jedes Trimmelementes 4 haben die Werte Z 1 bzw. Z 2. Die Winkel R zwischen der Z-Achse und geraden Linien, welche die Enden 4 A und 4 B mit dem Ursprung O verbinden, betragen jeweils R 1 und R 2, und die Länge jedes Trimmelementes 4 aus Eisen längs der Z-Achse ist gegeben durch L 1.

Als nächstes wird die Wirkungsweise der eisernen Trimmelemente 4 gemäß Fig. 1 unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert, das einen Teil des eisernen Trimmelementes 4 in einem X-Z-Koordi natensystem zeigt. Es wird der Fall erläutert, wo die eisernen Trimmelemente 4 zylindrisch und in einem Zustand vollständiger magnetischer Sättigung sind, und zwar durch die Wirkung des von der Hauptspule 1 erzeugten Hauptmagnetfeldes. Weiterhin wird angenommen, daß die Komponente des Magnetfeldes aufgrund der Magnetisierung (oder die magnetische Ladung) von beiden Endflächen 4 A und 4 B in der Richtung der Z-Achse liegt.

Normalerweise enthält das Hauptmagnetfeld, das von der Haupt spule 1 erzeugt wird, zusätzlich zu einer harmonischen Komponente Bzo nullter Ordnung in Richtung der Z-Achse ein Fehlerfeld höherer Ordnung Δ Bz(X, Y, Z), das eine Komponente Δ Bz(Z) in Richtung der Z-Achse hat. Diese Z-Achsenkomponente wird ausgedrückt durch die nachstehende Gleichung, wobei C 1, C 2 und C 3 etc. Konstanten entsprechend den harmonischen Komponenten höherer Ordnung sind:

Δ Bz(Z)=C₁Z+C₂Z²+C₃Z³+ . . . (1).

Beispielsweise wird, wie in Fig. 2 dargestellt, das magnetische Feld Bz 1, das in Richtung der Z-Achse an der Koordinate Z aufgrund der Magnetisierung J 1 von einer Endfläche 4 A des eisernen Trimmelementes 4 erzeugt wird, ausgedrückt durch die folgende Gleichung:

B _z1=B _s · A · cosR₁/4π r₁² (2).

Dabei sind folgende Bezeichnungen verwendet: Bs ist die Sättigungsflußdichte des eisernen Trimmelementes 4, A ist die Querschnittsfläche der Endfläche 4 A, und r 1 ist der Abstand der Endfläche 4 A von der Koordinate Z. Das Produkt (J 1 · A) aus der Magnetisierung J 1 und der Querschnittsfläche A wird als magnetische Ladung bezeichnet. In Fig. 2 ist nur ein Teil des eisernen Trimmelementes 4 dargestellt. Wenn der Radius des eisernen Trimmelementes 4 den Wert a hat, dann wird der Abstand r 1 von der Koordinate Z und der Wert cosR 1 durch die nachstehenden Formeln ausgedrückt:

Somit kann die Gleichung (2) wie folgt als Gleichung (3) umge schrieben werden.

B _{z 1}=B _s · A · (Z₁-Z){(Z₁-Z)²+a²}^-3/2/4π (3).

Im allgemeinen kann das Hauptmagnetfeld an der Koordinate Z in Form einer Maclaurin-Reihe ausgedrückt werden. Wenn Gleichung (3) verallgemeinert und als Maclaurin-Reihe ausge drückt wird, dann ist das Magnetfeld Bz an einem willkürlichen Ort Z, welches erzeugt wird durch die magnetische Ladung an der Endfläche mit einer Z-Koordinate (Z 1) gegeben durch die nachstehende Aufsummierung für k=0 bis ∞:

Wenn man die Gleichungen (3) und (4) miteinander kombiniert, ergibt sich die nachstehende Gleichung (5):

Dabei ist B _zs=Bs · A/4π a². Wenn weiterhin die folgenden Beziehungen gelten:

S=sinR=a/R

U=cosR=Z₁/R,

wobei R der Abstand der Endfläche 4 A vom Ursprung O ist, dann lassen sich die Koeffizienten ε 0, ε 1 usw. für jeden Term wie folgt ausdrücken:

ε₀=S²U

ε₁=S³(S²-2U²)

ε₂=(3/2)S⁴U(-3S²+2U²)

ε₃=(1/2)S⁵(-3S⁴+24S²U²-8U⁴)

ε₄=(5/8)S⁶U(15S⁴-40U²S²+8U⁴)

etc. (6).

Beispielsweise wird nun der Fall betrachtet, wo die harmonische Komponente zweiter Ordnung des Hauptmagnetfeldes, also die harmonische Komponente, die proportional zu Z² ist, korrigiert wird. Jedes eiserne Trimmelement 4 ist so angeordnet, daß die harmonischen Komponenten vierter Ordnung der Magnetfelder, die durch die magnetischen Oberflächenladungen erzeugt werden, welche an den Endflächen 4 A und 4 B auftreten, Null sind, so daß die nachstehende Gleichung (7) erfüllt ist:

ε₄(R₁)=ε₄(R₂)=0 (7).

Die Kombination der beiden Gleichungen (6) und (7) ergibt:

ε₄(R)=(5/8)S⁶U(15S⁴-40S²U²+8U⁴)=0.

Die beiden Werte von R, welche dieser Gleichung genügen, sind

R₁≈57,42°

R₂≈25,02°.

Mit diesen Werten von R, dem Zusammenhang zwischen der Länge L 1 des eisernen Trimmelementes 4 in der Richtung des Haupt magnetfeldes (längs der Z-Achse) und dem Radius a ist L 1 ungefähr 1,5 a.

Wenn weiterhin das Magnetfeld an der anderen stirnseitigen Endfläche 4 B den Wert Bz 2 hat, dann ist gemäß Gleichung (5) die harmonische Komponente zweiter Ordnung B _z(Z²) des Magnet feldes, die an der Koordinate Z der beiden Endflächen 4 A und 4 B des eisernen Trimmelementes 4 erzeugt wird, gegeben durch:

B _z(Z²)=B _{z 1}+B _{z 2}
=B _zs(Z/a)²[ε₂(R₁)-ε₂(R₂)] (8).

In Gleichung (8) ist das Vorzeigen von ε 2 (R 1) negativ, da an den beiden Endflächen 4 A und 4 B die Pole entgegengesetzt zueinander sind.

Wenn das eiserne Trimmelement 4 die harmonische Komponente erster Ordnung B _z(Z) des Hauptmagnetfeldes korrigiert, sind die Endflächen des Trimmelementes 4 so positioniert, daß die harmonischen Komponenten dritter Ordnung des Magnetfeldes, welche an der Koordinate Z durch die magnetischen Oberflächen ladungen an den Endflächen 4 A und 4 B erzeugt werden, jeweils Null, so daß ε 3(R 1)=ε 3(R 2)=0 gilt. Dabei ist die Länge L 1 jedes Trimmelementes 4 in der Richtung der Z-Achse etwa L≈1,32 a. Außerdem ist, wenn das Magnetfeld in der X-Richtung korrigiert wird, indem man eiserne Trimmelemente verwendet, die in Umfangs richtung geteilt sind, der Wert von L 1≈1,15 a.

Damit ist klar, daß herkömmliche eiserne Trimmelemente zum Korrigieren eines Magnetfeldes sehr lang in bezug auf ihren Radius sind. Dies führt dazu, daß die Trimmelemente sehr groß und schwer sind, und aufgrund ihrer Größe muß die Tragkonstruk tion, welche die elektromagnetischen Kräfte aushält, die auf die Trimmelemente ausgeübt werden, ebenfalls sehr groß sein.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine magnetische Trimmein richtung zur Korrektur eines Magnetfeldes in einer NMR-Vorrich tung anzugeben, die kleiner und leichter ist als eine her kömmliche Trimmeinrichtung.

Eine magnetische Trimmeinrichtung zur Korrektur der harmonischen Komponente n-ten Ordnung eines Hauptmagnetfeldes gemäß der Erfindung ist so ausgebildet, daß die Endflächen der Trimm einrichtung so positioniert sind, daß die harmonischen Komponenten (n+2)-ter Ordnung der Magnetfelder, die von den magnetischen Ladungen erzeugt werden, welche an den Endflächen auftreten, nicht Null sind und weiterhin so positioniert sind, daß ihre Gesamtheit gleich Null ist.

Es gibt eine unbegrenzte Anzahl von Wahlmöglichkeiten für die Positionen der Endflächen einer Trimmeinrichtung oder eines Trimmelementes, welche der Bedingung genügen, daß die Gesamtheit der harmonischen Komponenten (n+2)-ter Ordnung Null sind, so daß es möglich ist, die Positionen so zu wählen, daß die Länge eines Trimmelementes in der Richtung der Z-Achse viel kürzer ist als die eines herkömmlichen Trimmelementes.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung eines Aus führungsbeispieles und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine schematische Ansicht im Längsschnitt einer NMR-Vorrichtung, die mit herkömmlichen magnetischen Trimmeinrichtungen ausgerüstet ist;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines kleinen Segmentes von einem Ende eines magnetischen Trimmelementes;

Fig. 3 eine schematische Ansicht im Längsschnitt einer NMR-Vorrichtung, die mit magnetischen Trimmeinrichtungen gemäß der Erfindung ausgerüstet ist; und in

Fig. 4 eine Darstellung der Koeffizienten ε 4(R 1) der harmonischen Komponenten vierter Ordnung des Magnetfeldes, das von einer magnetischen Trimmeinrichtung erzeugt wird, und zwar als Funktion des Winkels R einer Linie, die eine Endfläche des Trimmelementes mit dem Koordi natenursprung verbindet.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 3 der Zeichnungen be schrieben. Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt einer NMR-Vorrich tung, die mit magnetischen Trimmelementen 5 gemäß der Erfindung ausgerüstet ist. Die in Fig. 3 dargestellte NMR-Vorrichtung ist im wesentlichen identisch mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1, mit der Abweichung, daß die Trimmelemente 5 gemäß der Erfindung wesentlich kürzer sind als die herkömmlichen Trimmelemente 4 gemäß Fig. 1. Die beiden Trimmelemente 5 gemäß Fig. 3 dienen zur Korrektur der harmonischen Komponente zweiter Ordnung des Hauptmagnetfeldes.

Die Z-Koordinaten der stirnseitigen Endflächen 5 A und 5 B der aus Eisen bestehenden Trimmelemente 5 sind mit Z 11 und Z 12 bezeichnet, und die Winkel zwischen der Z-Achse und geraden Linien, welche den Koordinatenursprung O mit den Endflächen 5 A und 5 B verbinden, sind mit R 11 und R 12 bezeichnet. Die Länge jedes eisernen Trimmelementes 5 in Richtung der Z-Achse ist mit L 2 bezeichnet.

Die gesamte harmonische Komponente vierter Ordnung Bz(Z⁴) des Magnetfeldes, das von einem eisernen Trimmelement 5 erzeugt wird, ist gemäß Gleichung (5) gegeben durch

B _z(Z⁴)=B _zs(Z/a)⁴[ε₄(R₁₁)-ε₄(R₁₂)] (9).

Aus Gleichung (9) ist ersichtlich, daß es lediglich erforderlich ist, die Bedingungen

ε₄(R₁₁)-ε₄(R₁₂)=0

zu erfüllen, damit die harmonische Komponente vierter Ordnung Bz(Z⁴) des Magnetfeldes Null wird.

Auch wenn nämlich die harmonische Komponente vierter Ordnung durch die Oberfläche 5 A und die harmonische Komponente vierter Ordnung durch die Oberfläche 5 B beide an der Koordinate Z nicht den Wert Null haben, d. h. auch wenn

ε 4(R 11)≠0 und

ε 4(R 12)≠0

gelten, wird die gesamte harmonische Komponente vierter Ordnung der Z-Komponente des von einem Trimmelement 5 erzeugten Magnet feldes (die Gesamtsumme der harmonischen Komponente vierter Ordnung durch die Oberfläche 5 A und der harmonischen Komponente vierter Ordnung durch die Oberfläche 5 B) Null sein, wenn die folgende Gleichung erfüllt ist:

ε₄(R₁₁)=ε₄(R₁₂) (10).

Fig. 4 zeigt den Wert des Koeffizienten ε₄(R) gemäß Gleichung (6) als Funktion des Winkels R. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß es eine unbegrenzte Anzahl von Kombinationen von R 11 und R 12 gibt, welche die Gleichung (10) erfüllen. Wenn beispielsweise erwünscht ist, die Länge L 2 jedes eisernen Trimmelementes 5 kurz zu machen, kann ε 4(R) so gewählt werden, daß R 11 und R 12 in ihrem Wert dicht beieinanderliegen. Wenn beispielsweise ε 4(R 11)=ε 4(R 12)=1,0 gilt, dann ergeben sich folgende Winkelwerte:

R 11≈83,16°

R 12≈68,49°.

Unter diesen Umständen hat die Länge L 2 des eisernen Trimm elementes 5 eine Länge von L ≈0,274 a. Diese Länge ist wesentlich kürzer als die Länge L 1=1,5 a eines herkömmlichen eisernen Trimmelementes 4 gemäß Fig. 1.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel wurden die Trimmelemente 5 verwendet, um die harmonische Komponente zweiter Ordnung Bz(Z²) des Hauptmagnetfeldes Bz zu korrigieren. Wenn es statt dessen erwünscht ist, die harmonische Komponente erster Ordnung des Hauptmagnetfeldes zu korrigieren, dann werden die stirnseitigen Endflächen der Trimmelemente 5 so positioniert, daß die Beziehung ε 3(R 11)=ε 3(R 12) gilt. Wenn für die Winkel R 11 und R 12 beispielsweise folgende Werte gewählt werden:

R 11≈63,5°

R 12≈50°,

dann ergibt sich die Länge L 2 jedes Trimmelementes 5 in Richtung der Z-Achse zu einem Wert von L 2≈0,34 a, was deutlich kürzer ist als die Länge bei herkömmlichen Trimmelementen von 1,32 a gemäß Fig. 1.

Ganz allgemein gilt folgendes: Wenn ein Trimmelement 5 verwendet wird, um die harmonische Komponente n-ter Ordnung des Haupt magnetfeldes zu korrigieren, ist es lediglich erforderlich, die stirnseitigen Endflächen des Trimmelementes so zu positio nieren, daß die Gesamtheit oder Gesamtsumme der harmonischen Komponenten (n+2)-ter Ordnung des Magnetfeldes, das von dem Trimmelement 5 erzeugt wird, Null ist. Das bedeutet, die Positionierung muß so gewählt werden, daß die Beziehung

ε _(n+2)(R₁₁)=ε _(n+2)(R₁₂)

erfüllt ist.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist jedes eiserne Trimmelement zylindrisch ausgebildet und erzeugt ein Magnetfeld in Richtung der Z-Achse. Die eisernen Trimmelemente 5 können jedoch in Umfangsrichtung in eine Vielzahl von Abschnitte unterteilt sein und ein Magnetfeld erzeugen, das eine Komponente in der Richtung der X-Achse hat. In diesem Falle können die Werte der Winkel R 11 und R 12 beispielsweise mit R 11≈82,2° und R 12≈60,7° gewählt werden, und die Länge L 2 in Richtung der Z-Achse nimmt den Wert L 2≈0,42 a an, was deutlich kürzer ist als die herkömmlicherweise erforderliche Länge von 1,15 a.

Auch wenn bei dem obigen Ausführungsbeispiel ein Trimmelement 5 aus Eisen verwendet wird, ist die Erfindung darauf keines falls beschränkt. Vielmehr können gleiche Effekte auch unter Verwendung von anderen magnetischen Materialien erzielt werden.

Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß eine magnetische Trimmeinrichtung gemäß der Erfindung zur Verfügung gestellt wird, die wesentlich kürzer und leichter sein kann als eine herkömmliche magnetische Trimmeinrichtung. Daher läßt sich die Trimmeinrichtung leichter und billiger herstellen und installieren als eine herkömmliche magnetische Trimmein richtung. Aufgrund der geringeren Abmessungen und des kleineren Gewichtes kann die Konstruktion zur Halterung des Trimmelementes im Inneren einer NMR-Vorrichtung in ihrer Festigkeit und Größe verkleinert werden, so daß insgesamt das Gewicht der NMR-Vor richtung reduziert werden kann.

Claims

1. Magnetische Trimmeinrichtung zur Korrektur der harmonischen Komponenten n-ter Ordnung einer Komponente des Hauptmagnet feldes einer mit magnetischer Kernresonanz arbeitenden Vorrich tung, wobei die Trimmeinrichtung einen im allgemeinen zylindrischen Querschnitt und an gegenüberliegenden axialen Enden erste und zweite stirnseitige Oberflächen hat, die Magnetfelder mit einer axialen Komponente erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten stirnseitigen Flächen (5 A, 5 B) so angeordnet sind, daß die harmonischen Komponenten (n+2)-ter Ordnung der Magnetfelder, die von den Endflächen erzeugt werden, an einem vorgegebenen Ort innerhalb der magnetischen Kernresonanzvorrichtung beide von Null verschieden sind und daß die Gesamtsumme der harmonischen Komponenten (n+2)-ter Ordnung an dem vorgegebenen Ort Null ist.

2. Magnetische Trimmeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trimmeinrichtung als Zylinder ausgebildet ist.

3. Magnetische Trimmeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trimmeinrichtung eine Vielzahl von Abschnitten aufweist, die in Umfangsrichtung der Trimmeinrichtung voneinander getrennt sind.