DE4415847C1 - Ferromagnetische Raumabschirmung für den supraleitenden Hochfeldmagneten eines NMR-Spektrometers - Google Patents
Ferromagnetische Raumabschirmung für den supraleitenden Hochfeldmagneten eines NMR-SpektrometersInfo
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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;
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
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.
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 di. 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; di = 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.
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- 1995-04-27 GB GB9508540A patent/GB2289130B/en not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (2)
Title |
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Also Published As
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