DE4415847C1 - 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 supraleitende Ma­ gnetspule mit vertikaler Achse zur Erzeugung eines stati­ schen Magnetfeldes mit einer Homogenität < 10^-7 im Untersu­ chungsvolumen eines Kernspinresonanz (NMR)-Spektrometers.

Eine solche magnetische Abschirmung ist aus dem Firmenpro­ spekt "Introducing new technology for Very High Field NMR Spectrometers" des Houston Advanced Research Center, 4800 Research Forest Drive, The Woodlands, Texas 77381, USA, aus dem Jahr 1993, bekannt.

Während im Bereich der NMR-Tomographie verschiedene Varian­ ten von magnetischen Abschirmungen existieren, sind im Ana­ lytikbereich der NMR bisher Raumabschirmungen überhaupt nicht üblich. Bestenfalls werden ein oder mehrere Eisenplat­ ten weit entfernt von dem Raum, in dem der betreffende NMR- Analytikmagnet steht, in der Regel im oberen und unteren Stockwerk relativ zu diesem Raum angebracht und bewirken ei­ ne höchst unvollständige, relativ uneffektive Abschirmung.

Im NMR-Tomographiebereich sind beispielsweise aus dem Arti­ kel "A Cylindrically Symmetric Magnetic Shield for a Large­ Bore 3.0 Tesla Magnet" von Ewing et al., MRM 29, Seiten 394 - 401, 1993, allseits geschlossene bzw. symmetrische Ab­ schirmkammern bekannt. Die NMR-Magnetspule liegt bei derar­ tigen geschlossenen und symmetrischen Tomographieabschirmun­ gen im Symmetriezentrum der Gesamtanordnung. Aus geometri­ schen Gründen ließe sich eine Raumabschirmung bei einem NMR- Analytikmagneten schon deswegen nicht symmetrisch anordnen, da der Kryostat des Analytikmagneten nach oben hin wesent­ lich mehr Platz benötigt als zum Raumboden. Wenn man daher bei normaler Raumgröße (ca. 3 m Deckenhöhe in einem Analy­ tiklabor) eine magnetische Raumabschirmung durch an der Decke und am Boden angebrachte Eisenplatten konstruieren woll­ te, müßte man, um den NMR-Analytikmagneten symmetrisch be­ züglich Decke und Boden anzuordnen, den Kryostaten entweder vollkommen umkonstruieren oder die üblichen Beine des Kryo­ staten weglassen, so daß dann aber keine Zugangsmöglichkeit zur NMR-Apparatur von unten her mehr möglich wäre. Bei nor­ malen Kryostaten wäre eine symmetrische Abschirmlösung nur bei besonders hohen Räumen (ca. 4 m Deckenhöhe) oder durch eine ca. 1 m über dem Boden des oberen Stockwerkes ange­ brachte Eisenplatte denkbar, was aber einen enorm hohen und wirtschaftlich unsinnigen Aufwand erfordern würde.

Aus der US 5,220,302 ist eine magnetische Abschirmung für eine NMR-Apparatur bekannt, bei der Abschirmelemente in Form von streifenartigen Segmenten einer Kugelschale den Kryosta­ ten der Apparatur mit Abstand symmetrisch zum zentralen Meß­ volumen umgeben.

Da in der NMR-Analytik die Homogenität des erzeugten stati­ schen Magnetfelds um einige Größenordnungen höher sein muß ( 10^-7) als bei einem Tomographiemagneten (ca. 10^-4 bis 10^-5), scheidet eine einfache asymmetrische Anordnung einer Raumab­ schirmung für einen NMR-Analytikmagneten aus. Außerdem wür­ den durch eine solche asymmetrische Anordnung enorme Kräfte auf die Abschirmelemente wirken, so daß schon von daher eine asymmetrische Raumabschirmung für NMR-Analytikmagneten durch einfache ferromagnetische Platten an Boden und Decke des ab­ zuschirmenden Raumes nicht in Frage kommt.

Eine andere denkbare Möglichkeit wäre eine gekühlte symme­ trische Abschirmung im Heliumbad des Kryomagneten. Dazu müß­ te aber sowohl das Magnetsystem als auch der Kryostat gegen­ über bisher üblichen Einrichtungen erheblich modifiziert werden, so daß kein bereits vorhandenes Magnet- bzw. Kryo­ statendesign verwendbar wäre.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, eine magnetische Abschirmung für einen NMR-Analytikmagneten der eingangs geschilderten Art zu schaffen, die für ein norma­ les, vorgegebenes Magnetspulen- und Kryostatensystem ohne größere Modifikationen realisierbar ist, wobei weder größere Kraftwirkungsprobleme noch nennenswerte Störungen der Homo­ genität des erzeugten statischen Magnetfelds auftreten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, daß die Abschirmung eine vom Kryostaten beabstandete Raumab­ schirmung ist, die mindestens zwei ferromagnetische, hori­ zontal angeordnete Platten enthält, von denen die eine un­ terhalb, die andere oberhalb des Kryostaten angeordnet ist, wobei der Abstand der oberen Platte vom Zentrum des Untersu­ chungsvolumens ungefähr 1,5mal bis 3mal, vorzugsweise etwa doppelt so groß ist wie der Abstand der unteren Platte vom Zentrum des Untersuchungsvolumens, daß vertikale ferromagne­ tische Seitenelemente vorgesehen sind, die die obere Platte mit der unteren Platte magnetisch verbinden, und daß die obere Platte 1,5mal bis 3mal, vorzugsweise doppelt so viel ferromagnetisches Material enthält wie die untere Platte.

Erstaunlich bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die Tatsa­ che, daß mit der oben beschriebenen Maßnahme sowohl das Kraftwirkungsproblem als auch das physikalisch davon unab­ hängige Problem der Homogenitätsstörungen des statischen Ma­ gnetfelds bei einer asymmetrischen Eisenabschirmung umgangen wird, indem zwar die obere Abschirmplatte räumlich weiter entfernt vom Symmetriezentrum des Magnetsystems angeordnet ist, dafür aber mehr ferromagnetisches Material enthält als die untere Platte.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen ma­ gnetischen Abschirmung für NMR-Analytikmagneten, bei der die untere Platte direkt auf dem Fußboden des Raumes, der den Kryostaten enthält, aufliegt. Gegenüber denkbaren Lösungen mit einer gegenüber dem Raumboden erhöht angebrachten unte­ ren Platte ist diese Ausführungsform die am einfachsten zu realisierende.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Bodenplatte ein Loch aufweist, welches vorzugsweise symme­ trisch unterhalb des Kryostaten angeordnet ist. Dadurch kann einerseits eine magnetfeldunabhängige Abschirmwirkung er­ zielt werden, andererseits kann die Plattenstärke der oberen und der unteren Platte gleich gewählt werden, wobei die er­ findungsgemäße Massenverteilung durch die Größe der Ausneh­ mung in der Bodenplatte realisiert wird.

Anstelle einer Ausnehmung in der unteren Platte kann die er­ findungsgemäße Massenverteilung auch durch unterschiedliche Dicken der oberen und unteren Platte und/oder durch unter­ schiedliche räumliche Ausdehnungen der Platte erreicht wer­ den, wobei zusätzlich auch noch ein Loch vorgesehen sein kann. Denkbar sind auch Lösungen, bei denen die Platten durch Balken ersetzt sind oder eine Vielzahl von Löchern, Ausnehmungen, Riefen etc. aufweisen. Es gibt also beliebig viele Möglichkeiten, um die erfindungsgemäße Massenvertei­ lung zwischen oberer und unterer Platte zu realisieren.

In normalen quaderförmigen Räumen sind die Seitenelemente bei einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung vier in den Ecken des Raumes, der den Kryostaten enthält, angeordnete Pfeiler aus ferromagnetischem Material, die sich vom Fußboden bis zur Decke erstrecken.

Eine besonders gute Abschirmwirkung zum Obergeschoß läßt sich dadurch erzielen, daß unterhalb der oberen Platte eine umlaufende, baldachinartige Schürze aus ferromagnetischem Material vorgesehen ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfin­ dungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be­ liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaf­ ten Charakter.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird an­ hand konkreter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der erfindungsge­ mäßen magnetischen Abschirmung eines NMR-Analytik­ magneten mit Kryostat;

Fig. 2a) einen Schnitt durch eine vertikale Mittelebene
b) einen Schnitt durch eine horizontale Mittelebene
einer erfindungsgemäßen magnetischen Abschirmung mit einer angedeuteten Magnetspule;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine vertikale Mittelebene eines magnetisch abgeschirmten Raumes mit Helium-Kryostat und angedeuteter Analytik-Magnetspule;

Fig. 4 Vertikalschnitte durch einen die Magnetspule zur Hälfte enthaltenden Halbraum mit Linien gleichen magnetischen Streufeldes
a) ohne Abschirmung
b) mit geschlossener Boden- und Deckenplatte
c) mit geschlossener Deckenplatte und Loch in der Bodenplatte unterhalb der Spule; und

Fig. 5 Homogenitätsverlauf des Magnetfelds vom Mittelpunkt des Untersuchungsvolumens radial nach außen
a) bei einer Abschirmung mit geschlossener Boden- und Deckenplatte entsprechend Fig. 4b)
b) bei einer Anordnung mit perforierter Bodenplatte entsprechend Fig. 4 c) bzw. Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Kryostat 1 dargestellt, der eine in der Abbildung nicht sichtbare supraleitende Magnetspule mit ver­ tikaler Achse zur Erzeugung eines homogenen statischen Ma­ gnetfeldes für die NMR-Spektroskopie enthält. Mit Abstand vom Kryostaten 1 ist eine Raumabschirmung vorgesehen, die in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer hori­ zontal angeordneten oberen ferromagnetischen Platte 3, einer ebenfalls horizontal angeordneten unteren ferromagnetischen Platte 4 sowie aus vier vertikalen ferromagnetischen Seiten­ elementen 5 in Form von Pfeilern besteht. Die untere Platte 4 liegt auf dem Fußboden des Raumes auf, der den Kryostaten 1 enthält. Die Seitenelemente 5 sind in den vier Ecken des quaderförmigen Raumes angeordnet und die obere Platte 3 schließt sich an die Decke des Raumes an. Unterhalb der obe­ ren Platte 3 ist eine umlaufende, baldachinartige Schürze 7 aus ferromagnetischem Material an allen vier Wänden des Rau­ mes vorgesehen. Die Bodenplatte 4 weist symmetrisch unter­ halb des Kryostaten 1 ein quadratisches Loch 6 auf. In dem Loch 6 ist eine schwingungsgedämpfte Basisplatte 8 angeord­ net, auf der sich der Kryostat 1 mit drei Stützpfeilern 9 abstützt.

Fig. 2a zeigt einen schnitt durch eine vertikale Mittelebene einer erfindungsgemäßen magnetischen Abschirmung mit einer Analytik-Magnetspule 2, deren Homogenitätszentrum sich in einer Höhe n über der Bodenplatte 4 befindet. Die Magnetspu­ le 2 hat eine vertikale Höhe h₂, einen Außendurchmesser d₂ und einen Bohrungsdurchmesser d_i. Der Abstand des Spulenmit­ telpunkts beträgt L/2 von jeder Seite eines Raumes mit qua­ dratischer Grundfläche und Seitenlänge L, wie in Fig. 2b an­ gedeutet ist. Außerhalb der Schnittebene von Fig. 2a, gewis­ sermaßen im Hintergrund, sind links und rechts zwei säulen­ artige ferromagnetische Seitenelemente 5 mit einer Länge l₅ und einer Höhe H, die dem Abstand der oberen Platte 3 von der unteren Platte 4 entspricht, dargestellt. Ebenso erkennt man im Hintergrund von Fig. 2a eine umlaufende, baldachinar­ tige Schürze 7, die sich von der oberen Platte 3 nach unten erstreckt bis zu einer Höhe h₇ über der unteren Platte 4.

In Fig. 2b ist ein Schnitt durch die horizontale Mittelebene in der Höhe h über der unteren Platte 4 gezeigt. Gewisserma­ ßen im Hintergrund von oben gesehen sieht man ein quadrati­ sches Loch 6 der Seitenlänge 16 in der unteren Platte 4, welches symmetrisch unterhalb der Magnetspule 2 angeordnet ist.

Die obere Platte 3 hat eine Dicke d₃, die untere Platte 4 eine Dicke d₄ und die Seitenelemente 5 jeweils eine Dicke d₅.

In einem schematischen Schnitt durch eine vertikale Mittel­ ebene des erfindungsgemäß magnetisch abgeschirmten Raumes ist in Fig. 3 zur Verdeutlichung der Kryostat 1 gezeigt. Die Bemaßung entspricht dem in Fig. 2a gezeigten Ausführungs­ beispiel.

Der Kryostat 1 besitzt drei Türme 10, die zum Einfüllen und Ablassen des flüssigen Heliums sowie zum Manipulieren an der Magnetspule 2 dienen. Der oberste Flansch 11 des in Fig. 3 rechts angeordneten Turmes 10 besitzt einen Abstand h₁₁ zur oberen Platte 3.

Im linken oberen Quadranten von Fig. 3 ist außerdem schema­ tisch ein typischer Stromstab 12 zum Einführen des Su­ prastromes in die Magnetspule 2 gezeigt, der eine Länge l₁₂ aufweist. Damit der Stromstab durch den Flansch 11 in den Kryostaten 1 eingeführt werden kann, muß die Höhe h₁₁ minde­ stens so groß sein wie die Länge l₁₂ des Stromstabes 12. Entsprechendes gilt auch für Saugheber zum Einfüllen und Ab­ lassen von flüssigem Helium. Dies ist auch der Grund, warum die Höhe h des Untersuchungsvolumens V über der Bodenplatte 4 nicht größer gewählt werden kann, so daß die Spule 2 zwangsläufig unsymmetrisch zwischen der oberen Platte 3 und der unteren Platte 4 angeordnet sein muß.

Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel ergeben sich für die oben genannten Größen folgende Werte jeweils in mm: H = 2850, h = 1000, h₂ = 400, h₇ = 2000, h₁₁ = 700; L = 4000, L/2 = 2000, l₅ = 500, l₆ = 1770, l₁₂ = 700; d_i = 72, d₂ = 280, d₃ = d₄ = 10, d₅ = 40. Die Höhe h₁ des Kryostaten 1 von seiner Unterkante bis zur Oberkante des Flansches 11 beträgt h₁ = 1600 mm.

In Fig. 4a ist in einem schematischen Vertikalschnitt eine Halbebene der Schnittebene von Fig. 3 gezeigt, wobei die Halbebene vom Zentrum der Spule 2 aus geht. Dabei zeigt Fig. 4a berechnete Streufeldlinien bei einer Anordnung ohne jeg­ liche Abschirmung. Die äußerste gezeigte Streufeldlinie ist eine 0,5 mT-Linie, während die innerste dargestellte Streu­ feldlinie ein Streufeld der Größe 5 mT markiert. Oben und unten besitzt die 0,5 mT-Streufeldlinie jeweils einen Ab­ stand von 4,8 m vom Zentrum der Spule 2. Nach der Seite be­ trägt der Abstand der 0,5 mT-Streufeldlinie vom Zentrum der Spule 2 lediglich 3,9 m.

Eine wesentliche Verbesserung der Abschirmwirkung ist in Fig. 4b gezeigt, bei der der Berechnung der Streufeldlinien eine ferromagnetische obere Platte 3 und eine ferromagneti­ sche untere Platte 4 zugrunde gelegt wurden. Nach oben und nach der Seite schirmt diese Anordnung das in der Magnet­ spule 2 erzeugte Magnetfeld vollkommen ab, während nach un­ ten hin magnetische Streufelder den Raum um die Spule 2 ver­ lassen, wobei jedoch die 0,5 mT-Streufeldlinie unterhalb der Spule 2 einen maximalen Abstand von lediglich 2,5 m auf­ weist. Man erkennt jedoch auch, daß sich die Streufeldlinien in mehreren Punkten in der Bodenplatte 4 konzentrieren, was zu Inhomogenitäten des von der Magnetspule 2 erzeugten Ma­ gnetfeldes führt, wie später diskutiert wird.

Fig. 4c schließlich zeigt eine Anordnung, die mit den Daten der in Fig. 2a und 2b gezeigten Abschirmung berechnet wurde. Insbesondere ist ein Loch 6 in der Bodenplatte 4 vorgesehen.

Die Abschirmwirkung in Fig. 4c ist nach oben und nach der Seite jeweils perfekt, während Streufelder in einem gewissen Umfang nach unten hin austreten. Der Abstand der 0,5 mT- Streufeldlinie vom Zentrum der Magnetspule 2 beträgt in die­ sem Beispiel 3,7 m. Er ist damit etwas größer als bei dem in Fig. 4b gezeigten Beispiel mit einer Abschirmanordnung ohne Loch 6 in der Bodenplatte 4, jedoch immer noch wesentlich besser als in der in Fig. 4a gezeigten Anordnung ohne Ab­ schirmung.

In Fig. 5a ist der radiale Feldverlauf von einem Mittelpunkt 0, dem Zentrum des Untersuchungsvolumens V aus in einem Ab­ stand bis zu jeweils ± 30 mm für eine Abschirmungsanordnung gemäß Fig. 4b aufgetragen. Die maximale Feldabweichung in Fig. 5a beträgt etwa 10 mT. Wie man aus Fig. 5a deutlich er­ kennen kann, ist bei geschlossenen Abschirmplatten das Feld im Zentrum des Untersuchungsvolumens nicht mehr homogen, sondern im zentralen Bereich des Untersuchungsvolumens von einem nahezu linearen Gradienten überlagert.

In Fig. 5b, wo der Magnetfeldverlauf bei einer Abschirman­ ordnung mit Loch in der Bodenplatte 4 entsprechend Fig. 4c bzw. Fig. 1 oder 2 aufgetragen ist, erkennt man deutlich eine besonders hohe Homogenität des Magnetfeldes um das Zen­ trum des Untersuchungsvolumens. Da gerade im Analytikbereich sehr hohe Anforderungen an die Homogenität des statischen Magnetfeldes gestellt werden müssen, kann demgegenüber die etwas schlechtere Abschirmwirkung hinsichtlich des von der Spulenanordnung erzeugten Streufeldes, wie sie in Fig. 4c deutlich wird, in Kauf genommen werden. Hinzu kommt, daß ei­ ne Integration der Kraftwirkung auf die Abschirmung über ei­ nen geschlossenen Weg längs der Abschirmelemente für die An­ ordnung mit geschlossener Bodenplatte 4 eine resultierende Kraft von ca. 3200 N ergibt, was etwa dem Gewicht der Ma­ gnetspule 2 (Masse ca. 300 kg) entspricht, während die An­ ordnung mit einem Loch 6 in der Bodenplatte 4 gemäß Fig. 2, Fig. 4c und Fig. 5b bei Einschalten des NMR-Magnetfeldes le­ diglich eine Kraftwirkung auf die Abschirmelemente von etwa 45 N zeigt, die vernachlässigbar ist.

Claims (5)

1. Magnetische Abschirmung für eine im Innern eines Kryo­ staten (1) angeordnete supraleitende Magnetspule (2) mit vertikaler Achse zur Erzeugung eines statischen Magnet­ feldes mit einer Homogenität < 10^-7 im Untersuchungsvo­ lumen (V) eines Kernspinresonanz (NMR)-Spektrometers, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung eine vom Kryostaten (1) beabstandete Raumabschirmung ist, die mindestens zwei ferromagneti­ sche, horizontal angeordnete Platten (3, 4) enthält, von denen die eine unterhalb, die andere oberhalb des Kryo­ staten (1) angeordnet ist, wobei der Abstand der oberen Platte (3) vom Zentrum des Untersuchungsvolumens (V) un­ gefähr 1,5mal bis 3mal, vorzugsweise etwa doppelt so groß ist wie der Abstand (h) der unteren Platte (4) vom Zentrum des Untersuchungsvolumens (V), daß vertikale ferromagnetische Seitenelemente (5) vorgesehen sind, die die obere Platte (3) mit der unteren Platte (4) magne­ tisch verbinden, und daß die obere Platte (3) 1,5mal bis 3mal, vorzugsweise doppelt so viel ferromagneti­ sches Material enthält wie die untere Platte (4).

2. Magnetische Abschirmung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die untere Platte (4) auf dem Fußboden des Raumes, der den Kryostaten (1) enthält, aufliegt.

3. Magnetische Abschirmung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Platte (4) ein Loch (6) aufweist, welches vorzugsweise symmetrisch unterhalb des Kryostaten (1) angeordnet ist.

4. Magnetische Abschirmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenelemen­ te (5) vier in den Ecken des Raumes, der den Kryostaten (1) enthält, angeordnete Pfeiler aus ferromagnetischem Material sind, die sich vom Fußboden bis zur Decke er­ strecken.

5. Magnetische Abschirmung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der oberen Platte (3) eine umlaufende, baldachinartige Schürze (7) aus ferromagnetischem Material vorgesehen ist.