DE68926102T2

DE68926102T2 - Permanentmagnetanordnung

Info

Publication number: DE68926102T2
Application number: DE68926102T
Authority: DE
Inventors: Richard Panosh; Uri Rapoport
Original assignee: Advanced Techtronics Inc
Current assignee: Qualion Ltd
Priority date: 1988-11-29
Filing date: 1989-11-29
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2009-11-30
Also published as: EP0371775A2; US5063934A; EP0371775B1; EP0371775A3; AU5490994A; JP2729092B2; CA2004100A1; CA2004100C; KR900008553A; JPH02276211A; AU4573489A; ATE136153T1; DE68926102D1; IL92448A0

Description

Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Permanentmagnete und insbesondere auf Anordnungen von Permanentmagneten, die zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit einer benötigten Stärke und Flußausrichtung an einer bestimmten Stelle verwendet werden. Diese Anmeldung hat Bezug zu der am 7. Oktober 1987 eingereichten USSN 106,114 mit dem Titel "Permanent Magnet Arrangement" und zu der am 4. September 1986 eingereichten USSN 904,000 mit dem Titel "Instrument For Non-Invasive Testing For Glucose And Other Body Fluid Constituents".
Die Verwendung von Permanentmagneten zum Erzeugen und Aufrechterhalten von Magnetfeldern mit vorbestimmten Charakteristika hat in verschiedenen Technologiebereichen weit verbreitete Anwendung gefunden. So macht, als ein Beispiel, die Verwendung von Permanentmagneten in Lautsprechern die genaue Reproduktion von Geräuschen und Musik möglich. In einem in der GB-A-2112645 beschriebenen anderen Beispiel sind Permanentmagnete (in der Form eines Zentrumsmagneten und sich nach oben erstreckenden Seitenmagneten, die in einem Kasten mit einer elastischen Oberseite aufgenommen sind) als ein Behandlungsversuch an beeinträchtigten Teilen des Körpers eines Patienten angelegt.
Permanentmagnete bieten viele Vorteile gegenüber Elektromagneten, wobei der hervorstechenste Vorteil in der Erzeugung eines Magnetieldes ohne elektrische Energie oder eine externe Energiequelle liegt. Dies ist eine wichtige Erwägung beim Konstruieren einer transportablen Vorrichtung und hat Konstruktionen zum Ergebnis, die über den anfänglichen Zusammenbau wenig oder keine Wartung erfordern.
Die vorliegende Erfindung verwendet spezielle Anordnungen und Konfigurationen von Permanentmagneten zum Erzeugen starker gleichmäßiger Magnetfelder. Obwohl die möglichen, hier beschriebenen Verwendungen der vorliegenden Erfindung sich hauptsächlich auf medizinische Diagnoseeinrichtungen beziehen, so versteht es sich, daß die Erfindung verwendet werden kann, wo immer ein Magnetfeld erforderlich ist.
Die vorliegende Erfindung offenbart auch Mittel und Verfahren zum Einstellen und Verstärken der durch Permanentmagnete erzeugten Magnetfelder.
Wie in den oben erwähnten Patentanmeldungen beschrieben, macht die Verwendung von Magnetfeldern die nicht-eingreifende Untersuchung menschlicher Körpersysteme möglich, um das Vorhandensein gewisser Substanzen zu erfassen. Insbesondere werden Permanentmagnete zum Erzeugen eines ersten oder vormagnetisierenden Magnetfeldes verwendet, um ursprünglich statistisch orientierte ¹H-Protonen auszurichten, die in den Atomkernen der Substanz in der untersuchten Probe vorhanden sind. Hiernach wird ein zweites Energiefeld angelegt, um das Energieniveau der Atomkerne anzuheben. Wenn das zweite Energiefeld zusammenfallen gelassen wird, kehren die Atomkerne in ihren ursprünglichen, unausgerichteten Zustand zurück und geben Energie frei, die erfaßt und in der Form eines Bildes oder Spektrums analysiert wird. Es hat sich herausgestellt, daß gewisse derartige Spektren charakteristisch für einzelne Substanzen sind, und dieses Verfahren der kemmagnetischen Resonanz- (NMR)-Spektroskopie kann verwendet werden, um das Vorhandensein und die Identität derartiger Substanzen und die Konzentrationen, mit denen diese Substanzen vorhanden sind, zu ermitteln.
Bei der Verwendung von NMR-Diagnoseverfahren ist die Erzeugung und das Aufrechterhalten des Haupt- oder ersten Magnetfeldes von kritischer Wichtigkeit. Die Fähigkeit des Feldes, die beim Zusammenfallen des zweiten Feldes auftretenden Signale aufzulösen, kann als das Verhältnis der Gesamtfeldstärke zu dem über jenem Abschnitt des Hauptfeldes, in dem die Testprobe gehalten ist, vorhandenen Feldgradienten charakterisiert werden. Man sagt beispielsweise, daß das Feld einer Auflösung von 0,01/10,000 oder ein Teil pro Millionen (ppm) aufweist, falls die Hauptfeldstärke 10000 Gauss ist und sich die Feldstärke über den Testbereich um 0,01 Gauss ändert.
Bisher bedurfte die Verwendung von NMR der Konstruktion von großen, teuren maschinellen Einrichtungen, um die für derartige Untersuchungen nötigen Magnetfelder zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Um NMR-Einrichtungen kompakt und tragbar zu machen, muß das Hauptmagnetfeld, das in der Stärke und der Richtung gleichmäßig ist und einen relativ dichten Magnetfluß aufweist, durch eine relativ leichte und kompakte Anordnung aus Magneten erzeugt werden. Visuell kann ein derartiges Feld durch die Flußlinien definiert werden, die nicht nur die Stärke des Magnetfeldes sondern auch seine Gleichmäßigkeit und Orientierung anzeigen.
Idealerweise sollten die Magnetflußlinien in der Stärke überall, d.h. in dem Abschnitt des Magnetfeldes, der für diagnostische Zwecke (hier als der "Testbereich" bezeichnet) verwendet wird, parallel oder nahezu parallel und gleichmäßig sein. Es ist zweckentsprechend, das erste oder Hauptmagnetfeld mit Permanentmagneten anstatt mit Elektromagneten zu erzeugen.
Die Verwendung von Magneten und magnetischer Energie zur Diagnose und Behandlung biologischer Fehlfunktionen ist gut bekannt. Als ein Beispiel verwendet in dem französischen Patent Nr. 2,562,785 (Jeandey et al.) ein Permanentmagnetsystem zur medizinischen NMR-Bilddiagnose durch gestapelte Permanentmagnete getrennte Polschuhe um einen offenen Untersuchungsbereich zu bilden, wobei die Polschuhe beide Magnetstapel "überbrücken". Jeanday et al. lehren auch die Verwendung von elektromagnetischen Spulen, um die sich ergebenden Magnetfelder einzustellen. Das japanische Patent Nr. 56-14145 (Nippon Denshi K.K.) lehrt eine innerhalb eines Zylinders gehaltene Anordnung von Permanentmagneten. Ein Abstandshalter ist innerhalb des Zylinders angeordnet, und es ist um den Abstandshalter ein Paar zylindrischer Polschuhe sandwichartig angeordnet. Der gesamte Aufbau ist dadurch zusammengehalten, daß Magnete auf der Außenseite der Polschuhe (die von den Polschuhen durch einen Puffer getrennt sind) angeordnet sind und die Anziehung zwischen den Magneten zum Halten des gesamten Aufbaus an seinem Platz verwendet wird. Nippon Denshi lehrt ferner die Verwendung von Polschuhen mit erhabenen zentralen Abschnitten, d.h. mit flachen Flächen, die sich in den Luftspalt zwischen den Polschuhen erstrecken und von denen der wirksame Fluß ausgeht. Nippon Denshi versäumt es, irgendeine Verwendung von Hilfsmagneten in Kombination mit den Hauptmagneten zu lehren.
Das US-Patent Nr. 4,635,643 (Brown) lehrt die Verwendung von NMR-Einrichtungen zum Durchführen von in vivo Messungen des Mineralgehalts von Knochen. Brown lehrt allerdings keine Anordnung von Permanentmagneten bei der Konstruktion einer Testkammer für die NMR-Verwendung.
In dem US-Patent Nr. 4,134,395 (Davis) lehrt der Patentinhaber die Verwendung eines Permanentmagnetes zum Erfassen erkrankter Körperteile durch Beobachtung des Effektes eines Magnetfeldes auf die Muskeln der Beine. Davis beschreibt ferner die physikalischen Charakteristika eines Stabmagnets, indem er die Ausdehnung und die Form des durch einen derartigen Magnet erzeugten Magnetfeldes zeigt.
Das US-Patent Nr. 3,467,076 (Frisch et al.) offenbart eine Magnetanordnung, die zum Erzeugen eines Feldes mit hohem magnetischen Fluß verwendet wird, indem der Effekt von magnetischer Energie auflebende Dinge beobachtet werden kann. Frisch et al. verwenden einen zentral angeordneten Elektromagnet, der zwischen ferromagnetischen Polschuhen sandwichartig angeordnet ist, die sich über die Ränder des Elektromagnetes erstrecken, um einen Luftspalt zu bilden, in dem der magnetische Fluß erzeugt wird.
In dem US-Patent Nr. 3,358,676 (Frei et al.) wird ein Behandlungsverfahren gelehrt, das die Verwendung einer extrem großen und unhandlichen Magnetstruktur erfordert. Die Größe und Komplexität der zur Verwendung des NMR-Phänomens verwendeten Magneten beim Durchführen von Diagnosen wird auch in einem in der Dezember-Ausgabe 1977 des Popular Science Magazins belegt, der "damadian's Supermagnet" betitelt ist. Der Autor diskutiert die Verwendung von NMR zum Erfassen von Krebszellen: Die Größe und Stärke des zum Durchführen dieses Diagnoseverfahrens erforderlichen Magnetfeldes und die Größe und Komplexität des zum Erzeugen eines derartigen Feldes verwendeten Magnets sind gut beschrieben.
Die EP-A-228154 offenbart eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung für die NMR-CT, bei der entgegengesetzte zentrale Permanentmagnete zwischen sich einen Luftspalt bilden, und bei der sich vom Umfang der zentralen Magnete geneigte Umfangs-Permanentmagnete nach vorne in den Luftspalt erstrecken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Magnetfeldes ausgewählter Stärke und Gleichmäßigkeit bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfaßt:
eine erste und eine zweite Magnetgruppierung, und Mittel zum Trennen der Gruppierungen voneinander;
wobei die erste und die zweite Magnetgruppierung und die Trennmittel derart angeordnet sind, daß sie einen Luftspalt bilden, über den sich ein durch die erste und die zweite Magnetgruppierung erzeugtes Magnetfeld erstreckt;
wobei jede Gruppierung ein Hauptmagnetmittel umfaßt, das einen in einer Richtung parallel zu dem Magnetfeld magnetisierten Hauptpermanentmagnet umfaßt;
wobei das Hauptmagnetmittel eine Vorderoberfläche aufweist, die gegenüber der Vorderoberfläche des Hauptmagnetmittels der anderen Gruppierung angeordnet ist;
wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß jede Gruppierung Hilfspermanentmagnetmittel umfaßt, die in einer Richtung im wesentlichen orthogonal zu der Magnetisierrichtung des Hauptpermanentmagnets magnetisiert sind; wobei die Hilfspermanentmagnetmittel benachbart zu dem Umfang der Vorderoberfläche an dem Seitenrandflächenabschnitt des Hauptpermanentmagnetmittels diesen berührend und sich um diesen erstreckend angeordnet sind.
Diese Anordnung stellt leichtgewichtige und kompakte Gruppierungen aus Permanentmagneten bereit, die ein Magnetfeld mit verbesserter Stärke und Gleichmäßigkeit erzeugen. Die Magnetgruppierungen sind voneinander beabstandet, um einen Luftspalt in dem Zwischenraum zwischen ihnen zu bilden, in dem ein Testbereich eingerichtet werden kann. Die zu behandelnde Probe wird in dem Testbereich angeordnet. Bei der Verwendung von medizinischen NMR-Diagnoseverfahren zur in vivo Untersuchung kann die Testprobe ein Körperteil wie etwa ein Finger sein.
Die Permanentmagnete erzeugen ein Feld mit ausreichender Stärke und Gleichmäßigkeit, um die Anwendung von NMR-Prinzipien zum Erfassen des Vorhandenseins gewisser Substanzen innerhalb der Testprobe zu ermöglichen. Der gesamte Magnetaufbau kann im Gewicht von ungefähr 6 bis ungefähr 100 Pfund (ungefähr 2,7 kg bis ungefähr 45,4 kg) reichen und erzeugt ein Magnetfeld, das in der Stärke bei einer Messung über einen Luftspalt von einem Inch (25,4 mm) von ungefähr 0,5 Tesla bis ungefähr 2,0 Tesla reicht, wobei ein Tesla gleich 10000 Gauss ist.
Die erste und die zweite Gruppierung von Magneten sind in einer Testkammer montiert, in der die Testprobe positioniert wird. Jede Magnetgruppierung umfaßt einen ersten oder Hauptmagnet, einen ferromagnetischen Polschuh in Fläche-gegen-Fläche-Kontakt mit dem Hauptmagnet und einen oder mehrere Hilfs- oder "Seiten"-Magnete, die um den äußeren Umfang des Polschuhs angeordnet sind. Die zweite Gruppierung von Magneten umfaßt Komponenten, die mit jenen in der ersten Gruppierung identisch sind, und ist in der Testkammer gegenüber der ersten Gruppierung angeordnet. Die Polarität der zweiten Gruppierung ist entgegengesetzt zu jener der ersten Gruppierung, woraus Magnetflußlinien resultieren, die sich zwischen diesen Gruppierungen erstrecken. Um zu verhinden, daß die erste Magnetgruppierung zur Berührung mit der zweiten Magnetgruppierung gezogen wird, sind nicht-ferromagnetische Abstandshalter verwendet, wodurch der Luftspalt gebildet wird, über den der magnetische Fluß gerichtet ist und in der die Testzone für die zu testende Probe gebildet ist.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind sekundäre Hilfspermanentmagnete, oder auf einen nicht-ferromagnetischen Kern gewickelte elektromagnetische "Korrektur"-Spulen innerhalb der Testkammer angeordnet, die zur "Feineinstellung" der Flußausrichtung über den Luftspalt verwendet werden.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Polschuhe speziell dazu konfiguriert, das sich ergebende Magnetfeld stärker und/oder gleichmäßiger zu machen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden keine Polschuhe verwendet, und die Hilfsmagnete berühren den Hauptmagnet. Der Hauptmagnet kann auch speziell dazu konfiguriert sein, das sich ergebende Magnetfeld einzustellen oder zu modifizieren.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun als Beispiel und mit Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Testkammer ist, die in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
Figur 2 eine Sicht nach Linie 2-2 der Figur 1 ist, die eine bevorzugte Anordnung von innerhalb der Testkammer angeordneten Permanentmagneten veranschaulicht;
Figur 3 eine perspektivische Teilansicht ist, die die Anordnung einer einen Polschuh umgebenden Gruppierung von Permanentmagneten veranschaulicht;
Figur 4 eine seitliche Schnittansicht einer Ausführungsform eines Polschuhs ist;
Figur 5 eine Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform eines Polschuhs ist;
Figur 6 eine seitliche Schnittansicht nach Linie 5-5 des in Figur 5 gezeigten Polschuhs ist;
Figur 7 eine Frontansicht einer dritten Ausführungsform eines Polschuhs ist;
Figur 8 eine seitliche Schnittansicht nach Linie 8-8 des in Figur 7 gezeigten Polschuhs ist;
Figur 9 eine Querschnittsansicht ist, die eine zweite Anordnung von einen Polschuh umgebenden Hilfsmagneten zeigt;
Figur 10 eine Seitenansicht einer Magnetanordnung ist, die einen kreisförmigen Polschuh und gekrümmte Hilfsmagnet segmente verwendet;
Figur 11 eine Vorderansicht der in Figur 10 gezeigten Anordnung ist;
Figur 12 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsart der in den Figuren 10 und 11 gezeigten Magnetanordnung ist;
Figur 13 eine schematische Darstellung von ohne die Verwendung von Hilfsmagneten erzeugten magnetischen Flußlinien ist;
Figur 14 die Anordnung der Figur 13 mit an Ort und Stelle angeordneten Hilfsmagneten zeigt;
Figur 15 eine seitliche Schnittansicht eines Magnetaufbaus ist, der einen zylindrischen Hauptmagnet, einen zylindrischen Polschuh und ringförmige Hilfsmagnetsegmente aufweist;
Figur 16 eine Vorderansicht des Aufbaus der Figur 15 ist;
Figur 17 eine teilweise geschnitte perspektivische Ansicht einer zylindrischen Testkammer ist, die den Magnetaufbau der Figuren 15 und 16 verwendet;
Figur 18 eine Ansicht eines Abstandshalters und eines Kerns ist, die in Figur 17 weggelassen sind, wobei keine Korrekturspulen auf den Kern gewickelt sind;
Figur 19 eine perspektivische Ansicht des Kerns der Figur 18 ist, auf den keine Korrekturspulen gewickelt sind;
Figur 20 eine Vorderansicht des Kerns der Figur 19 ist, wobei die Korrekturspulen an Ort und Stelle sind;
Figur 21 eine erste Seitenansicht des Kerns der Figur 19 ist;
Figur 22 eine zweite Seitenansicht des Kerns der Figur 19 ist; und
Figur 23 eine Schnittansicht des Hauptmagnets der Figur 15 und eines spulenartigen Halters für diesen ist.
Es wird nun auf die Figuren 1 und 2 Bezug genommen. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet im allgemeinen eine die vorliegende Erfindung verwendende bevorzugte Ausführungsform, nämlich eine Testkammer, in der eine Testprobe angeordnet wird, um unter Verwendung von NMR-Verfahren analysiert zu werden, und in der ein erstes oder vormagnetisierendes Magnetfeld vorhanden ist. Zu Zwekken der Klarheit wurden die bei der NMR-Analyse zum Erzeugen und Zusammfallenlassen des zweiten Magnetfeldes und zum Erfassen der aus der Testprobe resultierenden Signale erforderlichen Komponenten weggelassen.
Die Kammer 10 weist eine Vorderplatte 11, Seitenplatten 12 und 13 (nicht gezeigt)) eine Rückplatte 14 und Deckel und Bodenplatten 15 bzw. 16 auf. In der hier gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Kammer 10 hohl und rechtwinklig dargestellt. Zentriert auf den Vorder- und Rückplatten 11 und 14 sind Testöffnungen 17 bzw. 18 gebildet.
Innerhalb der Kammer 10 sind zwei Magnetgruppierungen angeordnet, die hiernach in genaueren Einzelheiten beschrieben werden. Wie am besten in Figur 3 ersichtlich, umfaßt eine derartige Magnetgruppierung 20 bevorzugt einen Hauptpermanentmagnet 21, der in Fläche-gegen-Fläche-Kontakt mit einem ferromagnetischen Polschuh 22 angeordnet ist. Die bevorzugte Ausführungsform der Figur 3 umfaßt ferner Hilfs- oder "Seiten"-Magnete 23, 24, 25 und 26, die um den Umfang des Polschuhs 22 in kantenweiser Art angeordnet sind. In dieser bevorzugten Gruppierung sind sowohl der Hauptmagnet 21 als auch der Polschuh 22 quadratisch und die Hilfsmagnete 23, 24, 25 und 26 sind Stabmagnete.
Die in Figur 2 gezeigte zweite Gruppierung 30 aus Permanentmagneten ist identisch zu der in Figur 3 gezeigten Gruppierung und umfaßt einen Hauptmagnet 31, einen Polschuh 32 und Seitenhilfsmagnete 33, 34, 35 und 36 (36 ist darin nicht im einzelnen gezeigt). Die Magnetgruppierungen 20 und 30 sind wie in Figur 2 gezeigt innerhalb der Kammer 10 angeordnet, wobei die Polschuhe 22 und 23 in einer voneinander beabstandeten Fläche-gegen-Fläche-Beziehung angeordnet sind. Wie in Figur 2 gezeigt, sind nicht-ferromagnetische Abstandshalter 37 und 38 zum Trennen der ersten und zweiten Magnetgruppierung verwendet, was körperlich verhindert, daß die Gruppierungen zuemandergezogen werden, wodurch ein Luftspalt oder ein Hohlraum 39 erzeugt und gebildet wird, über den sich die magnetischen Flußlinien vom Polschuh 22 zum Polschuh 32 erstrecken. Erfolgreich für die Abstandshalter verwendete Materialien sind Messing oder Phenolharze; es können aber auch andere starre, nicht-ferromagnetische Substanzen verwendet werden.
Die einzelnen Platten der Testkammer 10 sind aus einem ferromagnetischen Material wie etwa Kohlenstoffstahl oder reines Eisen gebildet, um einen vollständigen Pfad oder Kreislauf für die durch die Magnetgruppierungen 20 und 30 erzeugte magnetische Energie überall in der gesamten Kammer vorzusehen. Wie in Figur 3 zu sehen, weist eine bevorzugte Anordnung von Permanentmagneten in jeder Gruppierung einen Polschuh mit einer Nordpolfläche und Seitenhilfsmagnete auf, von denen jeder eine Nordpolfläche in direktem Kontakt mit dem Polschuh 22 und eine von dem Polschuh 22 abgekehrte Südpolfläche aufweist. Es versteht sich, daß aus Zweckmäßigkeitsgründen auf die Polarität hier nur insoweit Bezug genommen wird, als daß der gleiche Pol jedes Hilfsmagnets, der dem effektiv auf der Fläche des Polschuhs vorhandenen Pol entspricht, dazu vorgesehen ist, nach innen gekehrt zu sein.
Die Magnetgruppierung 30 weist eine zu der Magnetgruppierung 20 entgegengesetzte Polaritätskonfiguration auf, d.h., die Fläche des Polschuhs 22 weist eine entgegengesetzte Polarität zu der Fläche des Polschuhs 32 auf.
Es hat sich herausgestellt, daß die grundlegenden Charakteristika der magnetischen Feldstärke und Feldgleichmäßigkeit bei den vorangehenden Konfigurationen unter anderem durch drei Variablen beeinflußt werden: die Größe des Permanentmagnets, die Form des Polschuhs und das Material, aus dem der Polschuh hergestellt ist.
Es wird nun auf die Figuren 4, 5, 6, 7 und 8 Bezug genommen, in denen verschiedene Formen von Polschuhen, wie der Polschuh 22, dargestellt sind. Wie in Figur 3 zu sehen, ist der Polschuh 22 nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform als festes rechtwinkliges Parallelepiped mit ebenen Vorder- und Rückflächen ausgeführt. Es wurde festgestellt, daß andere Polschuhkonfigurationen - aus Gründen, die hiernach genauer erläutert werden - gewisse Vorteile bieten.
Es wird nun auf Figur 4 Bezug genommen, in der ein zweiter bevorzugter Polschuh 40 in einer Schnittansicht gezeigt ist, der eine flache ebene Rückfläche 41 und eine Vorderfläche 42 mit einer darin ausgebildeten sphärischen Aushöhlung 43 aufweist.
Die Figuren 5 und 6 zeigen eine Vorder- bzw. Seitenschnittansicht eines dritten bevorzugten Polschuhs 44 mit einer ebenen Rückfläche 45 und einer Vorderfläche 46, in der eine konische Aushöhlung 47 ausgebildet ist.
Die Figuren 7 und 8 zeigen eine Vorderansicht bzw. eine Seitenschnittansicht eines vierten bevorzugten Polschuhs 48 mit einer ebenen Rückwand 49, einer Vorderwand 50 und einer flach gekrümmten Aushöhlung 51, die in der Vorderwand 50 ausgebildet ist. Wie hiernach beschrieben, kann die Aushöhlung 51 die Form einer parabolischen oder exponentiell-definierten Kurve annehmen, oder sie kann eine komplex gekrümmte Oberfläche sein, die zum Maximieren der Stärke und der Gleichmäßigkeit des Magnetfeldes an ausgewählten Stellen innerhalb des Hohlraums 39 ausgelegt ist.
Die verschiedenen Formen und Konfigurationen der oben diskutierten Polschuhe sind dazu vorgesehen, das Zusammenwirken der Hilfsmagnete (wie die Magnete 23, 24, 25 und 26) mit einem Hauptmagnet (wie der Magnet 21) zu verstärken, um ein starkes gleichmäßiges Magnetfeld innerhalb des Hohlraums 39 zu liefern. Obwohl die Gründe, daß ein derartiges Magnetfeld erzeugt wird, nicht vollständig verstanden sind, wird angenommen, daß die Verwendung von Hilfsmagneten, die den gewählten Polschuh umgeben, ein stärkeres Magnetfeld an den Rändern des Polschuhs als an seinem Zentrum ergibt. Die Wirkung dieser vergrößerten Feldstärke liegt darin, daß die sich über den Hohlraum 39 erstrekkenden Flußlinien geradegerichtet werden und daß das Feld näher zu dem Zentrum des Hohlraums 39 gleichmäßiger gemacht wird. Wie in Figur 13 zu sehen, zeigt ein typisches Muster von sich zwischen Magnetaufbauten erstreckenden Flußlinien die Tendenz, daß die Kraftlinien eine nicht-geradlinige Konfiguration annehmen, d.h., daß sie sich bei Annäherung an die Ränder des Magnets nach außen "biegen". Zu Figur 13 zählen Hauptmagnete 52 und 53 und entsprechende Polschuhe 54 und 55. Die Flußlinien 56 veranschaulichen die oben beschriebene Tendenz, wenn sie auch nicht präzise maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Untersuchungen haben ergeben, daß die Stärke des über einen Luftspalt 39 erzeugten Magnetfeldes als eine Funktion des Abstands zwischen dem Mittelpunkt des Luftspalts und jedem Polschuh (hier als die z-Achse gekennzeichnet) und des Abstands von dem Mittelpunkt des Luftspalts zu den Seitenwänden 12 und 13 der Testkammer 10 (hier als die y-Achse gekennzeichnet) oder zu der Vorder- bzw. Rückwand 11 bzw. 14 der Testkammer 10 (hier als die x-Achse gekennzeichnet) variiert.
Wie in den Figuren 2 und 3 zu sehen, ist der Bezugspunkt R (0, 0, 0) für diese Messungen der Punkt auf halber Strecke zwischen (a) den Polschuhen 22 und 32; (b) der Vorderplatte 11 und der Rückplatte 14; und (c) den Seitenplatten 12 und 13. Wie in Figur 3 zu sehen, sind die Bezugsachsen derart gezogen, daß sich die y-Achse parallel zu den Polschuhen 22 und 22, und orthogonal zu den Seitenplatten 12 und 13 erstreckt, daß sich die x-Achse parallel zu den Polschuhen 22 und 32 und orthogonal zu der Vorderplatte 11 und der Rückplatte 14 erstreckt, und daß sich die z- Achse orthogonal zu den Polschuhen 22 und 32 erstreckt.
Für die in Figur 2 gezeigte Ausführungsform wurde beim Messen der magnetischen Feldstärke in einer die x-Achse und die y-Achse enthaltenen Ebene gefunden, daß die Stärke des Magnetfeldes dazu neigt, ausgehend von einem Maximum am Bezugspunkt R in einer im allgemeinen krummlinigen Art und Weise abzunehmen. Bezüglich der in einer die x- und z-Achse enthaltenen Ebene gemessenen Magnetstärke wurde gefunden, daß die Magnetstärke dazu neigt zuzunehmen, wenn entlang der z-Achse vom Bezugspunkt R zu jedem der Polschuhe hin gemessen wird, wobei die Zunahme einer im allgemeinen krummlinigen Spur folgt.
Idealerweise sollte die gemessene Änderung in der Magnetstärke gegenüber dem Bezugspunkt über den gesamten Bereich des in dem Testbereich aufrechterhaltenen Feldes minimiert werden, d.h. über den Bereich, in dem die zu testende Probe angeordnet wird. Ein ideales Magnetfeld innerhalb eines Testbereiches zeigt konstante Charakteristika bezüglich der Feldstärke und der Feldrichtung, d.h., die Feldstärke und Feldrichtung ist in allen Abschnitten des Testbereiches die gleiche. Die Verwendung von Polschuhen mit verschiedenen Konfigurationen und andere "Feineinstell"-Techniken dazu, um solchen idealen Feldcharakteristiken näherzukommen, wird hiernach in genaueren Einzelheiten diskutiert.
In der diskutierten bevorzugten Ausführungsform ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Magnetfeld zur Verwendung in der Hochauflösungs-NMR-Spektroskopie zu erzeugen. Der Auflösungsgrad wird als die Fähigkeit charakterisiert, ein Magnetfeld mit einem Feldgradient-zu-Feldstärke-Verhältnis zu erzeugen, das angemessen ist, das Ausmaß von Energieänderung zu erfassen, die durch die Anwendung von NMR-Prinzipien an einer innerhalb des Magnetfeldes angeordneten Probe erzeugt werden. Die Feldstärke ist natürlich die Größe der magnetischen Kraft, die durch die Magnetanordnungen über den Luftspalt zwischen diesen erzeugt wird. Der Feldgradient ist die Änderung der Feldstärke mit dem Abstand. Mit anderen Worten kann, bei einer Feldstärke von 10000 Gauss und einer Änderung von 0,1 Gauss über jenen Bereich des Luftspalts, der als die Testzone verwendet wird, das Verhältnis des Feldgradienten zu der Feldstärke als 0,000001 oder ein Teil pro Million (PPM) ausgedrückt werden. Um den Unterschied zwischen den durch Glukose und Wasser erzeugten Spektren zu erfassen, müßte die Feldauflösung 0,5 ppm sein. Die ökonomische Herausforderung, der man beim Erzeugen eines für NMR-Anwendungen verwendbaren Permanentmagnetfeldes gegenübersteht, liegt in der Konstruktion einer Magnetanordnung, die auf relativ leichtgewichtigen Permanentmagneten beruht, die präzise gefertigt und/oder geformt sind, anstatt auf großen Permanent- oder Elektromagneten, die eine enorme Masse benötigen, um das für eine derartige Untersuchung benötigte Magnetfeld zu erzeugen.
Für die in den Figuren 1 bis 3 gezeigte, oben beschriebene Ausführungsform wurde eine Magnetfeldstärke von 10000 Gauss und eine Auflösung von 10 bis 18 ppm erreicht.
Es versteht sich, daß der Begriff "Flußlinien" die Richtung und die Gleichmäßigkeit des Magnetfeldes repräsentiert. Die Richtung des Magnetfeldes kann z.B. durch die Tendenz kleiner, ferromagnetischer Partikel wie Eisen-Feilspäne beschrieben werden, sich entlang der Magnetkraftwege anzuordnen, d.h. entlang den Flußlinien. Die Gleichmäßigkeit des Magnetfeldes kann im allgemeinen als die Dichte der Flußlinien in einem topographischen Sinn beschrieben werden. Jede Flußlinie repräsentiert ein Feldstärkeinkrement. Der Zwischenraum zwischen benachbarten Flußlinien ist ein Bereich mit gleichmäßiger Feldstärke. Somit ist der Feldgradient größer, wenn die Flußlinien näher zusammenliegen, d.h., das Feld ist über einen vorgegebenen Abstand weniger gleichmäßig. Dort, wo die Flußlinien weiter voneinander entfernt sind, ist das Feld über einen vorgegebenen Abstand gleichmäßiger.
Es wird auf die Figur 13 Bezug genommen. Es versteht sich, daß die Leistung und Nützlichkeit der in dieser Figur gezeigten Magnetanordnung von den relativen Größen der Magnete und Polschuhe abhängt. Zum Beispiel wäre es theoretisch möglich, Magnete und Polschuhe mit Längen von mehreren Fuß (mehrere 30 cm) zu verwenden, wobei das letztliche Ziel die Erzeugung eines Testbereiches etwa am Mittelpunkt einer derartigen Konstruktion wäre, die zur Verwendung in NMR-Diagnoseanwendungen ausreichende Feldstärke und Gleichmäßigkeit aufweisen würde. Die Herausforderung beim Erzeugen einer geeigneten Magnetanordnung tritt auf, wenn endliche Grenzen für die Größe derartiger Magnete aufgestellt werden, um eine Vorrichtung herzustellen, die transportabel und bequem zu verwenden ist.
Figur 14 stellt eine schematische Wiedergabe der sich in den Richtungen der magnetischen Flußlinien zeigenden Veränderung bei dem Hinzufügen von Hilfsmagneten 57, 58, 59 (nicht im einzelnen gezeigt) und 60, die den Polschuh 54 umgeben, und von Hilfsmagneten 61, 62, 63 (nicht im einzelnen gezeigt) und 64, die den Polschuh 54 umgeben. Die sich ergebenden, bei 65 schematisch gezeigten magnetischen Flußlinien sind gerader und liefern ein gleichmäßigeres Magnetfeld über den gesamten zentralen Abschnitt des Luftspalts 39.
Es sollte vermerkt werden, daß Abstandshalter 36 und 37 aus den Figuren 13 und 14 aus Klarheitszwecken weggelassen wurden.
Es versteht sich ferner, daß die in den Figuren 13 und 14 dargestellten Flußlinien sich im gesamten Hohlraum 39 (und dadurch überall im Testbereich) in einem dreidimensionalen Feld erstrekken, auch wenn sie in den Figuren 13 und 14 ein planares Erscheinungsbild haben,
Wie am besten in den Figuren 1 und 2 ersichtlich, sind Öffnungen 17 und 18 vorgesehen, die das Einführen einer Testprobe durch die Löcher ermöglichen. Für die Verwendung mit NMR-Diagnosevorrichtungen wäre ein Körperelement, vorzugsweise ein Finger, ein Beispiel für die "Testprobe", welches Körperelement innerhalb des durch die oben beschriebenen Magnetanordnungen erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist.
Obwohl nur eine Öffnung wie die Öffnung 17 oder 18 tatsächlich erforderlich ist, wird angenommen, daß zwei gegenüberliegende Öffnungen gewährleisten können, daß das durch die innerhalb der Kammer 10 angeordneten Magnetanordnungen erzeugte Magnetfeld so gleichmäßig wie möglich verteilt ist, wenn die Kammer 10 so symmetrisch wie möglich ausgeführt ist.
Zum Gewährleisten genauer und reproduzierbarer Testergebnisse sollte das innerhalb der Testkammer 10 erzeugte Magnetfeld innerhalb des Testbereiches so gleichmäßig wie möglich sein, wobei der Testbereich der Raum ist, mit dem die Öffnung 17 in Verbindung steht und in dem die Testprobe angeordnet wird. In diesem Zusammenhang meint "gleichmäßig", daß die sich über den Luftspalt zwischen den gegenüberliegenden Magnetanordnungen erstrekkenden Flußlinien weit voneinander beabstandet sind und bezüglich des Testbereiches innerhalb der Testkammer 10, der von der eingeführten Testprobe eingenommen wird, mit einem größtmöglichsten Grad konstant sind
Es wird nun auf Figur 9 Bezug genommen, die eine Querschnittsansicht einer alternativen bevorzugten Ausführungsform einer Hilfsmagnet/Polschuhanordnung zeigt. Der Polschuh 52 ist als ein Quadrat mit abgeschrägten Rändern ausgebildet, wie bei 53 veranschaulicht. Die Richtung des Magnetfeldes ist in Figur 9 unter Verwendung von Pfeilen und der Buchstabenbezeichnung M gezeigt. Es sind Hilfsmagnete 54 und 55 mit abgeschrägten Rändern 56 ausgebildet, so daß sie mit den Rändern 53 des Polschuhs 52 nahe zusammenpassen. Es wird erwartet, daß diese Anordnung einen "begradigungseffekt" für die magnetischen Flußlinien bei Annäherung an die Außenränder des Polschuhs 52 ergibt.
Wenn auch der Grund für diesen Effekt noch nicht vollständig verstanden ist, so ist bekannt, daß magnetische Flußlinien an einer Stahl/Luftgrenzfläche den magnetisierten Stahl normal (orthogonal) zu der Stahloberfläche verlassen. Die von dem Polschuh 52 ausgehenden magnetischen Flußlinien zeigen eine Tendenz, normal zu der Oberfläche des Polschuhs 52 auszutreten. Es wird geglaubt, daß das Abschrägen der gepaarten Ränder der jeweiligen Hilfsmagnete und des Polschuhs eine weniger abrupte und graduellere Neuausrichtung der magnetischen Flußlinien darstellt, die z.B. vom Hilfsmagnet 54 zum Polschuh 52 und von dort nach außen über den Luftspalt 39 innerhalb der Kammer 10 verlaufen. Mit anderen Worten, wäre der Polschuh 52 nicht abgeschrägt, so müßte der in Frage stehende magnetische Fluß eine vollständige 90 Grad Drehung ausführen, um normal zu der Fläche des Polschuhs 52 auszutreten.
In dem in Figur 9 gezeigten Beispiel brauchen die in den Polschuh 52 vom Hilfsmagnet 54 eintretenden Flußlinien nur um einen 45 Grad Winkel gedreht zu werden, um mit rechten Winkeln vom Polschuh 52 auszutreten. Es wird geglaubt, daß diese graduellere, schrittartige Ausrichtung des magnetischen Flusses ein verstärktes Flußlinienfeld ergibt, welche Flußlinien gerader und weniger verzerrt sind. Die Neigungswinkel der Ränder 53 und 56 sind bevorzugt komplementär, d.h., sie ergeben insgesamt 90 Grad, um zu ermöglichen, daß die Vorderflächen des Polschuhs 52 und der Hilfsmagnete 54 und 55 koplanar sind.
Bei den anderen gewählten Ausführungsformen von Polschuhen, die in den Figuren 4, 5, 6, 7 und 8 gezeigt sind, wird der Tendenz der am weitesten außen gelegenen Flußlinien sich nach außen zu "biegen" entgegengewirkt, indem die Oberflächenkonfiguration des in Frage stehenden Polschuhs geändert ist. Zum Beispiel ergibt sich theoretisch, daß die Flußlinien den Polschuh 40 normal zu der Krümmung der Aushöhlung 43 verlassen. Folglich werden die am weitesten außen gelegenen Flußlinien nach innen gewinkelt sein in einem Versuch, der Tendenz der Flußlinien, sich an den Rändern des Polschuhs 40 nach außen zu biegen, entgegenzuwirken. Innerhalb dieses Zusammenhangs würde "normal" als eine sich nach außen erstreckende Linie beschrieben, die an jedem gegebenen Punkt orthogonal zu einer Tangente an die Oberfläche der Aushöhlung 43 ist.
Die Konfiguration der Aushöhlung 51 kann eine regelmäßige geometrische Form haben, oder sie kann durch eine durch einen Computer durchgeführte Analyse der Charakteristika jeder derartigen Magnetanordnung und der Faktoren, die die Richtung und Stärke des sich ergebenden Magnetfeldes beeinflussen, bestimmt sein. Wenn die Ergebnisse dieser Analyse auch noch nicht vollständig charakterisiert wurden, so hat man gelernt, daß die Gleichmäßigkeit des innerhalb des Testbereiches erzeugten Magnetfeldes verstärkt wird, wenn die am weitesten außen gelegenen Abschnitte eines gewählten Polschuhs zu einer zu den Polschuhen 22 und 32 parallelen und den Luftspalt 39 zweiteilenden Ebene näher sind als der Zentrumsabschnitt des Polschuhs. Die genaue Form eines Polschuhs zum Maximieren der Stärke und Gleichmäßigkeit des Magnetfeldes über die gesamte Testzone kann aus einer regelmäßigen geometrischen Form oder aus einer komplexen Kurve oder aus einem Satz von Kurven bestehen.
In den Figuren 10, 11 und 12 ist noch eine andere Ausführungsform einer Polschuh/Hilfsmagnetanordnung gezeigt. In Figur 11 ist der Hauptmagnet 65 als ein Quadrat ausgebildet, wohingegen der Polschuh 65a als ein Vollzylinder ausgebildet ist, wobei eine der kreisförmigen Flächen gegen den Hauptmagnet 65 plaziert ist, und wobei die verbleibende, entgegengesetzte Fläche nach außen gekehrt ist. In Figur 11 sind Hilfsmagnete 66, 67, 68 und 69 als Ringsegmente gezeigt, die einen Ring mit einem quadratischen oder rechtwinklingen Querschnitt bilden und vollständig um den Außenumfang des Polschuhs 65a passen. Eine derartige Anordnung vermeidet die in Figur 3 gezeigten Lücken dort, wo die Hilfsmagnete 23, 24, 25 und 26 enden. Wiederum ergibt sich thereotisch, daß die in Figur 10 und 11 gezeigte Anordnung aufgrund des totalen Umfangskontakts der Hilfsmagnete 66, 67, 68 und 69 mit dem Polschuh 65a ein effizienteres gleichmäßiges Magnetfeld erzeugt.
Wie in Figur 12 gezeigt, wird auch erwartet, daß der Umfang des Polschuhs 65a und der Umfang der Hilfsmagnetsegmente 66, 61, 68 und 69 abgeschrägt sein kann, um den hier oben in Verbindung mit Figur 9 diskutierten "Begradigungseffekt" zu erreichen. Es versteht sich ferner, daß nach Erfordernis jede Anzahl von derartigen Hilfsmagnetsegmenten verwendet werden kann, obwohl in den Figuren 10 und 11 vier Hilfsmagnetsegmente dargestellt sind.
Eine derartige, tatsächlich zusammengebaute und getestete Konstruktion verwendet 16 Segmente mit gleichmäßiger Größe und Form, die einen kreisförmigen Polschuh umgeben.
Es wird nun auf die Figuren 15, 16, 17 und 18 Bezug genommen, in denen noch eine andere Ausführungsform der Magnetaufbauten und der Testkammer gezeigt ist. Die Figuren 15 und 16 zeigen in einem Seitenschnitt und in einer Vorderansicht einen Magnetaufbau 70, der einen zylindrischen Hauptmagnet 71, einen zylindrischen Polschuh 72 und Hilfsmagnetringsegmente 73, 74, 75 und 76 zeigt, die den Polschuh 72 kantenweise berühren. Ein zweiter Magnetaufbau 80, der einen Hauptmagnet 81, einen Polschuh 82 und Hilfsmagnete 83, 84, 85 und 86 umfaßt, ist in Figur 17 gezeigt. Wie in Figur 17 ebenfalls gezeigt, sind die Magnetaufbauten 70 und 80 innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 90 angeordnet, das einen zylindrischen Hauptkörper 93 abschließende Endkappen 91 und 92 aufweist. Eine Öffnung 94 ist im Körper 93 als ein Mittel zum Einführen einer Testprobe in den zwischen den Magnetaufbauten 70 und 80 gebildeten Testbereich vorgesehen.
Es wird geglaubt, daß die Ausbildung des Körpers 93 als einen Zylinder und das Ausbilden der Hauptmagnete 71 und 81, der Polschuhe 72 und 82 und der Hilfsmagnete 73, 74, 75, 76 und 83, 84, 85 und 86 als zylindrische Segmente bzw. als krummlinige Ringsegmente die Abweichungen und Variationen in der Feldstärke und Feldrichtung minimieren, die angetroffen werden, wenn abrupte Änderungen in der Form auftreten.
Es wird nun auf die Figur 18 Bezug genommen, in der ein Abstandshalter 87 und ein Kern 100 dargestellt sind, die hiernach vollständiger beschrieben werden.
Der Abstandshalter 87 ist ein steifes, nicht-ferromagnetisches, ringförmiges Element, das dazu bestimmt ist, zwischen die Magnetaufbauten 70 und 80 eingeführt zu werden, um diese voneinander getrennt zu halten und einen Luftspalt zwischen diesen aufrechtzuerhalten. Der Abstandshalter 87 kann aus Messing oder Aluminium hergestellt sein.
Es wird nun auf die Figuren 18, 19, 20, 21 und 22 Bezug genommen, in denen ein Kern 100 gezeigt ist, der aus steifem, nicht- ferromagnetischen Material hergestellt ist und der derart geformt, konfiguriert und dimensioniert ist, daß er eng in den Abstandshalter 82 paßt, der zwischen den bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Magnetaufbauten angeordnet ist. Aus Zweckmäßigkeitsgründen werden die Anordnung und Funktion des Kerns 100 bezüglich der Ausführungsform der Figur 17 beschrieben. Der Kern 100 ist somit in dem Abstandshalter 87 und zwischen den Polschuhen 72 und 82 angeordnet.
Wie am besten in den Figuren 19 und 22 zu sehen, umfaßt der Kern 100 eine Kernöffnung 101, die sich diametral durch den Kern 100 erstreckt und derart angeordnet ist, daß er mit der in Figur 17 gezeigten Testöffnung 94 fluchtet und nach dieser ausgerichtet ist. Folglich wird eine zu testende Probe, wenn diese durch die Testöffnung 94 in den Testbereich innerhalb des Gehäuses 90 eingeführt wird, innerhalb der Kernöffnung 101 angeordnet sein.
Die Funktion, der der Kern 100 dienen soll, liegt in der Formung und Positionierung von Korrekturspulen, die zum Feineinstellen oder Ausrichten jenes Abschnitts des Magnetfelds dienen, der sich durch den Testbereich erstreckt, in dem die zu testende Probe angeordnet wird. Die Verwendung von Korrekturspulen auf beiden Seiten eines zwischen Permanentmagneten angeordneten Testbereiches ist wohlbekannt und wird in dem von Weston A. Anderson geschriebenen und in The Review of Scientific Instruments, Band 32, Nummer 3 auf den Seiten 241 bis 250 erscheinenden Artikel mit dem Titel "Electrical Current Shims for Correcting Magnetic Fields" beschrieben.
Der Kern 100 weist zwei entgegengesetzte Flächen 110 und 111 auf sowie eine Reihe von in die Flächen und Seitenränder des Kerns eingefräste Nuten, die elektrische Kabellängen aufnehmen, die zum Erzeugen elektromagnetischer Kräfte ausgewählter Stärke und Richtung verwendet werden, wenn elektrischer Strom durch die Kabel hindurchgeführt wird.
Wie am besten in den Figuren 19 und 20 zu sehen, sind gewisse Nuten geradlinig, wohingegen andere Nuten Kreismuster bilden. Wie am besten in Figur 20 zu sehen, bilden die kreisförmigen Nuten zwei Gruppen, wobei die eine Gruppe eine Reihe von konzentrischen Kreisen und die andere Gruppe eine Reihe von einzelnen Kreisen gleicher Größe ist, deren Mittelpunkte entlang eines auf die Flächen 110 und 111 des Kerns 100 gezogenen imaginären Kreises equidistant beabstandet sind. Die speziellen Formen, die Anordnung und die Abmessungen der in Frage stehenden Nuten wird hiernach in genaueren Einzelheiten diskutiert.
Beim Analysieren des durch die Magnetaufbauten 70 und 80 erzeugten Magnetfeldes wurde gefunden, daß das nicht gleichmäßige Verhalten des Magnetfeldes dadurch charakterisiert werden kann, daß es mathematisch ausdrückbare Vektoren oder Komponenten erster Ordnung, zweiter Ordnung, dritter Ordnung und vierter Ordnung aufweist. Die Orientierung und Ausrichtung des Magnetfeldes muß ermittelt und in dreidimensionalen Gliedern beschrieben werden, so wie das Feld in dem Raum zwischen den Polschuhen 72 und 82 auftritt. Die hiernach diskutierten Korrekturen werden mit dem Verständnis durchgeführt, daß die magnetische Feldstärke und Richtung an jedem vorgegebenen Punkt als ein Vektor mit X, Y und Z-Komponenten ausgedrückt werden kann.
Für die Komponente erster Ordnung hat sich ergeben, daß diese im allgemeinen eine lineare ist, die Komponente zweiter Ordnung kann als eine parabolische Funktion ausgedrückt werden, die Komponente dritten Grades umfaßt im allgemeinen eine Exponentialfunktion, wohingegen die Komponente vierten Grades sehr viel komplexer ist, und es wird angenommen, daß diese das Ergebnis einer Kombination der Abweichungen ist, die bei den Stufen des ersten, zweiten und dritten Grads festgestellt werden.
Es wird geglaubt, daß ein beitragender Faktor zu diesen Abweichungen von der Gleichmäßigkeit die Reflexion eines Teils eines Magnetfeldes durch die in den Magnetaufbauten 70 und 80 verwendeten Stahlpolschuhe ist.
Das zwischen den Magnetaufbauten 70 und 80 erzeugte Magnetfeld ist in drei Dimensionen charakterisiert, wie in den Figuren 2 und 3 allgemein mit den sich orthogonal zueinander und parallel zu den Flächen der Polschuhe erstreckenden X- und Y-Achsen gezeigt, wohingegen sich die Z-Achse zwischen den Polschuhen orthogonal zu diesen erstreckt. Für den Zweck der Diskussion der Verwendung des Kerns 100 und der zugeordneten Korrekturspulen bei der in Figur 17 gezeigten Ausführungsform nehmen wir an, daß der Mittelpunkt oder Bezugspunkt (X = 0, Y = 0, Z = 0) entlang der Achse des Zylinders 90 auf halber Strecke zwischen den Polschuhen 72 und 82 angeordnet ist. Für die X-Achse wird angenommen, daß diese sich entlang der beliebig durch die Öffnung 94 gezogenen und in dieser zentrierten Achse erstreckt, wobei die Y-Achse zu der X-Achse orthogonal ist und sich parallel zu den Flächen der Polschuhe 72 und 82 erstreckt, und wobei sich die Z-Achse entlang eines Abschnitts der Achse des Zylinders 90 zwischen den Polschuhen 72 und 82 erstreckt.
Man hat herausgefunden, daß die Verwendung von Korrekturspulen, die in einer rechtwinkligen Anordnung ausgebildet sind, das Magnetfeld bezüglich der Gleichmäßigkeit des Feldes korrigiert. Es wird nun auf die Figuren 20 bis 22 Bezug genommen. Die in Frage stehenden rechtwinkligen Korrekturspulen sind durch Wickeln von Windungen aus isoliertem, elektrisch leitfähigem Draht innerhalb der auf und um den Kern 100 ausgebildeten geradlinigen Nuten gebildet. Bevorzugt werden für die Korrekturspulenwindungen dünne isolierte Drahtlängen mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 0,008 Inch (0,2 mm) verwendet. Derartige Windungen bieten eine Anzahl von Vorteilen darin, daß die für die Verwendung von elektromagnetischer Energie zur Verfügung stehende Gesamtmasse ausgewählt und durch Variieren der verwendeten Anzahl von Drahtwindungen eingestellt werden kann. Eine derartige Technik begrenzt auch den Effekt von durch die Drähte selbst erzeugten elektromagnetischen Streufeldern beim Eintreten und Austreten der Drahtleiter in bzw. aus der Kammer 90. Drähte kleineren Durchmessers erzeugen kleinere Streufelder.
Nur für Zwecke der Bezugnahme werden die in Figur 20 gezeigten Nuten, die sich nach oben und nach unten erstrecken, als Vertikalnuten identifiziert, wohingegen die sich von links nach rechts erstreckenden Nuten als Horizontalnuten gekennzeichnet werden.
Es wird nun auf Figur 20 Bezug genommen, in der eine drei parallele Nuten umfassende erste Gruppe 102 von Vertikalnuten und eine zweite Gruppe 103 aus drei parallelen Vertikalnuten gezeigt ist, die sich über die Fläche 110 des Kerns 100 erstrecken. Es versteht sich an diesem Punkt, daß die entgegengesetzte Fläche 111 des Kerns 100 darauf ausgebildete Vertikalnuten identischer Größe, Form und Abmessungen aufweist.
Für Zwecke der Identifizierung wird auf jene Segmente der Nuten, die auf der Fläche 110 des Kerns 100 auftreten, als Nutsegmente 104a,105a und 106a, 107a, 108a und 109a Bezug genommen, wohingegen auf die entsprechenden Nutsegmente auf der entgegengesetzten Fläche 111 des Kerns 100 entsprechend als Nutsegmente 104c, 105c, 106c, 107c, 108c und 109c Bezug genommen wird.
Es wird nun auf Figur 21 Bezug genommen, in der ersichtlich ist, daß jede Gruppe von Vertikalnuten 102 und 103 Nutsegmente umfaßt, die sich entlang des Seitenrandes 112 des Kerns 100 erstrecken. Diese Nutsegmente werden als Segmente 104b, 105b, 106b, 107b, 108b bzw. 109b identifiziert. Es versteht sich ferner, daß die entgegengesetzten Seitenränder 113 des Kerns 100 Nutsegmente entsprechender Größe und Form darauf ausgebildet aufweisen, die als die Segmente 104d, 105d, 106d, 107d, 108d und 109d identifiziert werden.
Eine einzelne rechtwinklige Korrekturspule 104 wird durch Wikkeln isolierten, elektrisch leitfähigen Drahtes innerhalb der Nutsegmente 104a, 104b, 104c und 104d derart gebildet, daß dieser sich um den gesamten Umfang des Kerns 100 erstreckt. Wie in Figur 20 zu sehen, umgeben die durch die Gruppen 102 und 103 gebildeten Korrekturspulen die Öffnung 101 und damit den Testbereich. Ahnlich ausgebildete Spulen 105, 106, 107, 108 und 109 werden durch Windungen innerhalb der übrigen Vertikalnuten gebildet.
In gleicher Art und Weise werden die Gruppen 114 und 115 von sich horizontal erstreckenden Nuten, wie in Figur 20 gezeigt, Spulen 116, 117, 118, 119, 120 und 121 enthalten, die durch Anordnen von Windungen in den Nutensegmenten 116a-d, 117a-d, 118a-d, 119a-d, 120a-d und 121a-d gebildet sind, entsprechend der obigen Beschreibung der sich vertikal erstreckenden Nuten. Die Spulen 116, 117, 118, 119, 120 und 121 werden sich demgemäß um den gesamten Umfang des Kerns 100, über die Fläche 110, den Seitenrand 122, die entgegengesetzte Fläche 112 und den Seitenrand 123 erstrecken.
Die Nutgruppierungen 102 und 103 schneiden sich entlang der Fläche 110 und der entgegengesetzten Fläche 111 mit den Gruppierungen 114 und 115. Um eine Wicklung zu erhalten, die so gleichmäßig wie möglich ist, wird ein Satz der Nuten tiefer als der diese schneidende Satz von Nuten sein, so daß die Windungen innerhalb eines Satzes von Nuten nicht die entsprechenden Windungen an den Schnittpunkten berühren.
Es wird nun auf Figur 18 Bezug genommen, in der zwei Gruppierungen von kreisförmigen Nuten auf der Fläche 110 gezeigt sind. Die erste Gruppierung besteht aus einer Reihe von konzentrischen oder "axialen" Kreisen, die um das Zentrum 124 der Fläche 110 ausgebildet sind. Für Zwecke der Bezugnahme sollte vermerkt werden, daß die Z-Achse durch das Zentrum 124 verläuft, wenn der Kern 100 richtig innerhalb des Körpers 93 angeordnet ist.
In ähnlicher Art und Weise zu jener wie oben beschrieben, sind die in Figur 20 gezeigten axialen Korrekturspulen 125, 126, 127, 128, 129 und 130 durch innerhalb der in Figur 18 gezeigten kreisförmigen Nuten 125a, 126a, 127a, 128a, 129a und 130a verlegte Drahtwindungen ausgebildet. Entsprechende Korrekturspulen 131, 132, 133, 134, 135 und 136 sind auf der entgegengesetzten Fläche 111 innerhalb der Nuten 131a, 132a, 133a, 134a, 135a und 136a (hier nicht im einzelnen gezeigt) ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Korrekturspulen 125, 131 von identischer Größe und in einer festen, parallel beabstandeten Beziehung angeordnet, das gleiche gilt für die Spulenpaare 126, 132; 127, 133; 128, 134; 129, 135; und 130, 136. Es hat sich herausgestellt, daß die Feldgleichmäßigkeit in der Z-Richtung eingestellt und verstärkt wird, wenn entsprechende axiale Spulen wie jene oben beschriebenen durch Hindurchführen eines elektrischen Stromes erregt werden.
Eine zweite Gruppe von kreisförmigen Korrekturspulen (die "nicht-axialen" Korrekturspulen) 137, 138, 139 und 140 sind, wie in Figur 20 zu sehen, durch Windungen gebildet, die innerhalb von in Figur 18 gezeigten, voneinander beabstandeten kreisförmigen Nuten 137a, 138a, 139a und 140a angeordnet sind, welche Nuten über die Fläche 110 mit den Zentren der Kreise von dem Zentrum 124 des Kerns 100 äquidistand beabstandet sind. Entsprechende nicht-axiale Spulen 141, 142, 143 und 144 (hier nicht gezeigt) sind auch auf der entgegengesetzten Fläche 112 innerhalb entsprechender kreisförmiger Nuten 141a, 142a, 143a und 144a (hier nicht gezeigt) gebildet. Es wurde gefunden, daß die voneinander beabstandeten kreisförmigen Korrekturspulen dazu verwendet werden können, die Gleichmäßigkeit des Magnetfeldes um die Z-Achse einzustellen und zu korrigieren.
Die Figur 18 zeigt den in den Abstandshalter 87 eingebauten Kern 100, wobei die Windungen, die die umgebenden axialen und nichtaxialen Korrekturspulen bilden, an Ort und Stelle sind. Wie in den Figuren 19 und 20 zu sehen, weist der Kern 100 "Ohren" 145 darauf ausgebildet auf, wohingegen der Abstandshalter 87 Schlitze 146 darin eingefräst aufweist, die nach den Ohren 145 ausgerichtet sind und diese aufnehmen, um eine Drehung des Kerns 100 innerhalb des Abstandshalters 86 zu verhindern.
Der Abstandshalter 87 umfaßt ferner eine ringförmige Nut 147, die auf der Fläche 148 gebildet ist, mit einer entsprechenden ringformigen Nut 149, die auf der entgegengesetzten Fläche 150 (hier nicht im einzelnen gezeigt) ausgebildet ist. Eine zusätzliche axiale Korrekturspule 151 kann auf den Einsatz 152 gewikkelt werden, mit einer entsprechenden axialen Korrekturspule 153, die auf dem Einsatz 154 auf der entgegengesetzten Abstandshalterfläche 150 gebildet ist. Zusätzliche derartige Nuten und Spulen können hinzugefügt werden, so wie es als notwendig erachtet wird.
Die die oben beschriebenen Korrekturspulen bildenden Windungen enden in und werden zusammengeführt durch Herausführkabel 155 bzw. 156. Das Herausführkabel 155 ist innerhalb eines Radialkanals 157 angeordnet, wohingegen das Herausführkabel 156 innerhalb eines Radialkanals 158 angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind ausgewählte Korrekturspulen oder Gruppen von Korrekturspulen mit gesondert gesteuerten Gleichstromenergieversorgungen verbunden und sind gesondert einstellbar, um die Charakteristika des Permanentmagnetfeldes zu steuern.
Als ein Beispiel werden entsprechende Korrekturspulen 104 und 107 durch eine einzelne Energieversorgung gesteuert, um das Feld hinsichtlich der Gleichmäßigkeit entlang der y-Achse zu korrigieren, wohingegen die Korrekturspulen 118, 119 getrennt gesteuert werden, um eine ähnliche Korrektur entlang der x-Achse durchzuführen. Die Korrekturspulen 104, 105, 108 und 109 werden durch eine einzelne Energieversorgung gesteuert, um die Ungleichmäßigkeit zweiter Ordnung entlang der y-Achse zu korrigieren, wobei die Spulen 116, 117, 120, 121 ähnliche Korrekturen entlang der x-Achse durchführen.
Die axialen Spulen 127 und 133 werden durch eine einzelne Energieversorgung gesteuert, wie auch die axiale Gruppierung 133, 128, 131, 134; Gruppierung 126, 130, 132, 136; und Gruppierung 129, 135, 148, 150. Der Abstand, der Durchmesser und die Anzahl von Drahtwindungen dieser axialen Spulen wurde gewählt, um die oben beschriebenen Magnetfeldabweichungen zu korrigieren, wobei die Gruppe 127, 133 die erste Ordnung oder den linearen Gradienten korrigiert; die Gruppe 125, 128, 131, 134 die dritte Ordnung oder den exponentiellen Gradienten korrigiert, die Gruppe 126, 130, 132, 136 die zweite Ordnung oder den parabolischen Gradienten korrigiert; und die Gruppe 129, 135, 148, 150 den Gradienten vierter Ordnung korrigiert.
Die nicht-axialen Spulen 137, 139, 141, 143 werden getrennt gesteuert, wie auch die Spulen 138, 140, 142, 144. Die nicht-axialen Spulen korrigieren jenen Teil des magnetischen Feldvektors, der sich entlang der x-Achse und der y-Achse erstreckt.
Die Größe, die Form, der Abstand der oben beschriebenen Korrekturspulen und der durch diese fließende Strom werden durch Computersimulation des Magnetfeldes bestimmt, was erforderliche Korrekturen und Experimente voraussagt. Eine Variation des Stromflusses kann durch Variation der Anzahl von Drahtwindungen, die die ausgewählten Korrekturspulen bilden, wie auch durch Variation der durch die Spulen durchgeführten elektrischen Energie erreicht werden. Bezüglich der axialen und nicht-axialen Spulen werden entsprechende, in paralleler Fläche-gegen-Fläche-Beziehung über den Luftspalt 39 stehende Spulen bevorzugt gleichzeitig eingestellt und sind von gleicher Größe und Form und gleich gewunden.
Es wurde herausgefunden, daß die Verwendung der Korrekturspulen wie oben beschrieben die Auflösung des sich ergebenden Magnetfeldes auf ungefähr 0,5 ppm vergrößert hat, d.h. um einen Faktor zwischen 20 und 100 im Vergleich zu ohne Korrektur erreichten Ergebnissen.
Die Polschuhe und Magnete, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können gefräst sein, um präzise geformte und konfigurierte Teile zu erzeugen. Alternativ können die Teile unter Verwendung von pulverisiertem Metall geformt sein, um gleichmäßig hergestellte Teile mit engen Toleranzen herzustellen. Ein Material, von dem geglaubt wird, daß es für die Herstellung des Hauptmagnets zufriedenstellend ist, ist als Neodym 35 bekannt, obwohl die Funktion der vorliegenden Erfindung nicht als abhängig von dem speziellen Magnetmaterial erachtet wird.
Es wird erwartet, daß die Genauigkeit und Effizienz der vorgeschlagenen Erfindung durch die Verwendung von sekundären Hilfspermanentmagneten erhöht wird, die innerhalb der Testkammer 10 nahe zu den ausgewählten, jeden ausgewählten Polschuh umgebenden Hilfsmagneten angeordnet sind. Die Anordnung dieser sekundären Hilfsmagnete ist in Figur 2 bei 63 schematisch gezeigt. Die Anordnung und Stärke derartiger sekundärer Hilfsmagnete kann experimentell eingestellt werden, um ein optimal gleichmäßiges Magnetfeld zu erzeugen, insbesondere über jenen Abschnitt des Feldes, der durch das Einführen des Testobjekts durch die Öffnung 17 gestört wird.
Die in den Figuren 4 bis 9 gezeigten Techniken oder Ausführungsformen können mit Polschuhen und Hilfsmagneten, die abgeschrägte Kanten aufweisen, und mit Polschuhen, die Oberflächenaushöhlungen, Löcher, Vertiefungen, Vorsprünge oder andere hierauf oder darin ausgebildete Konfigurationen aufweisen, wie oben offenbart, kombiniert werden.
Beim Durchführen des magnetischen Kernresonanztestverfahrens wurde gefunden, daß die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse derartiger Untersuchung verstärkt werden, wenn die Testprobe bezüglich des Permanentmagnetfeldes in Rotation versetzt oder gedreht wird. Das Drehen setzt die Moleküle in der Testprobe einem Mittelwert der Magnetfeldstärke aus, was einige der durch Variationen in der Feldgleichmäßigkeit hervorgerufene Effekte aufhebt. Körperliches Drehen kann z.B. dann einfach durchgeführt werden, wenn die Testprobe ein Testrohr oder ein anderer Aufbewahrungsbehälter ist, der innerhalb des Testbereiches der speziellen NMR-Vorrichtung angeordnet ist. Allerdings ist das Drehen oder Rotieren der Testprobe unmöglich, wenn die Probe eine Körperextremität wie z.B. ein Finger ist.
Es wurde entdeckt, daß der gleiche Effekt, der durch körperliches Drehen der Testprobe hervorgerufen werden kann, durch Modulieren des durch die oben beschriebenen Korrekturspulen durchgeführten elektrischen Stroms erreicht werden kann. Wenn die Korrekturspulen zum Ausrichten und Einstellen des Magnetfeldes verwendet werden, werden diese mit einem elektrischen Gleichstrom versorgt. Es wurde gefunden, daß der Dreheffekt durch Modulieren eines Teils des elektrischen Stromes erzeugt werden kann, wenn dieser durch die Korrekturspulen hindurchgeht. Es wird geglaubt, daß, obwohl die Probe stationär ist, die Modulation eine Verschiebung oder Bewegung des Feldes derart hervorruft, daß sich ein Teil des durch die Korrekturspulen erzeugten elektromagnetischen Feldes sich bezüglich der Probe bewegt und so das "Drehen" erzeugt.
Andere zum Erzeugen genauerer NMR-Ergebnisse verwendete Techniken umfassen die Verwendung von in die Testprobe eingeführter Ultraschallenergie, um stärkere Zufallsbewegung der Moleküle in der Probe zu induzieren. Es wird geglaubt, daß die Zufallsbewegung der Moleküle diese der vollen Kraft sowohl der ausrichtenden als auch der anregenden Felder gleichmäßiger aussetzt und stärker reproduzierbare Ergebnisse bezüglich des Erfassens und Interpretierens der Änderung im Energieniveau, wenn das anregende Feld zusammenfallen gelassen wird, möglich macht.
Wie in Figur 22 zu sehen, ist ein Ultraschalltransponder 160 innerhalb der Öffnung 101 des Blocks 100 an dessen tiefstem Abschnitt angeordnet. Eine in einem Behälter wie etwa ein Testrohr enthaltene Testprobe würde, wenn in die Öffnung 101 eingeführt, mit dem Transponder 160 in Berührung kommen, und der Transponder 160 würde, wenn dieser erregt ist, Ultraschallenergie zu der in dem Testbehälter enthaltenen Probe übertragen.
Die oben beschriebene NMR-Technik ist auch auf die Erfassung einer Elektronenspinnresonanz in einer Testprobe anwendbar. Bei Verwendung der Technik der Elektronenspinnresonanz werden Elektronen in der Testprobe anstelle von Protonen in Resonanz gebracht. Dies erfordert höhere Frequenzen der Anregungsenergie aufgrund der viel kleineren Masse der Elektronen und der viel höheren Elektronenbeweglichkeit. Bis zur Verwendung der vorliegenden Erfindung benötigten Spinnresonanzanlagen des Stands der Technik wassergekühlte Magnete in der Größenordnung von 2700 kg (6000 Pfund).
Es wird nun auf die Figur 15 Bezug genommen. Die Ziffer 170 bezeichnet im allgemeinen eine Reihe von Heizelementen des Widerstandstyps, die um den Hauptmagnet 71 gewickelt sind. Es wurde gefunden&sub3; daß die durch Permanentmagnete wie der Hauptmagnet 71 erzeugte Magnetfeldstärke von Änderungen in der Umgebungstemperatur beeinflußt wird. Im allgemeinen nimmt die Magnetfeldstärke bei Abnahme der Temperatur zu. Dementsprechend sind Heizdrähte 170 als ein Mittel zum thermostatischen Einstellen und Aufrechterhalten der Temperatur des Hauptmagnetes 71 innerhalb eines ausgewählten Temperaturbereiches vorgesehen. Eine derartige Einstellung kann manuell vorgenommen werden oder sie kann durch eine Thermostatvorrichtung gesteuert werden, die Änderungen in der Umgebungstemperatur erfaßt. Es versteht sich, daß die thermostatische Steuerung auch das Kühlen des Hauptmagnetes 71 auf eine gewünschte Temperatur umfaßt. Es können auch Kühlspulen (hier nicht im einzelnen gezeigt) verwendet werden, wie auch Spulen, die eine Heiz- oder Kühlflüssigkeit oder ein Heiz- oder Kühlgas tragen.
Ein anderer Faktor, der die Funktionscharakteristika von Magnetaufbauten wie den Magnetaufbau 70 beeinflußt, ist die Tendenz gewisser ferromagnetischer Materialien zu sättigen, wenn sie magnetischer Energie ausgesetzt werden. Innerhalb des Kontexts der vorliegenden Erfindung meint Sättigung eine Tendenz des Polschuhs, den Durchgang von magnetischem Fluß durch den Polschuh zu begrenzen. Es wurde gefunden, daß der Polschuh 72 am Umfang sättigt, wenn er durch Hilfsmagnete 73, 74, 75 und 76 magnetisiert wird, wobei der Fluß zu dem ungesättigten zentralen Abschnitt des Polschuhs gezwängt wird, wenn die Abschnitte des Polschuhs in Kontakt mit den Hilfsmagneten sättigen. Die Sättigungscharakteristika von ausgewählten Polschuhen können unter gewissen Umständen als eine Begrenzung verwendet werden. Sollte z.B. ein Magnetaufbau für eine Verwendung im Freien bestimmt sein, kann das für den Polschuh verwendete Material die Zunahme des Magnetes in der Stärke aufgrund geringer Umgebungstemperaturen begrenzen, wobei ein Material gewählt wird, das bei einer ausgewählten Temperatur sättigt, was die Stärke des Magnets bei Temperaturen unterhalb der ausgewählten Temperaturen begrenzt.
Sättigungsdaten und Sättigungskurven für verschiedene ferromagnetische Materialien sind im Fachgebiet wohlbekannt und können verwendet werden, Polschuhe für einzelne Anwendungen auszuwählen.
Es wird nun auf die Figur 15 Bezug genommen, in der ein Satz von Modulierspulen 171 um den Hauptmagnet 71 gewickelt gezeigt ist. Der Zweck dieser Modulierspulen ist, die Magnetfeldstärke innerhalb des Luftspalts 39 um mehrere Gauss einzustellen. Obwohl diese Änderung in der Feldstärke im Vergleich zu der Gesamtfeldstärke relativ klein ist, macht sie es möglich, eine Testprobe in die und aus der Resonanz zu bringen, wenn sie in Verbindung mit der NMR-Analyse verwendet wird. Das Bringen in die und aus der Resonanz ist nützlich zum leichten Verschieben der Spitze oder des Orts der Resonanzspitze, um die Testprobe zu analysieren oder genau zu analysieren.
Es wird nun auf Figur 15 Bezug genommen. Es hat sich als vorteilhaft ergeben, den Polschuh 72 im Durchmesser kleiner als den Hauptmagnet 71 auszuführen, so daß der Hauptmagnet 71 die äußersten Ränder des Polschuhs 72 überdeckt. Es wird geglaubt, daß eine derartige Konstruktion Magnetfeldabweichungen vermeidet, die auftreten, wenn ein ferromagnetischer Polschuh und ein Magnet entlang einer der Luft ausgesetzten Grenzfläche aufeinandertreffen. Falls z.B. der Polschuh 72 und der Hauptmagnet 71 gleichen Durchmesser aufweisen würden, würde eine Grenzfläche an dem Punkt auftreten, an dem die hintere Fläche des Polschuhs 72 und die vordere Fläche des Magnets 71 an ihren Umfängen aufeinandertreffen. Diese Situation wird durch die Wahl der in Figur 15 gezeigten Durchmesserabmessungen vermieden.
Obwohl die z.B. in den Figuren 15 und 16 gezeigten Hilfsmagnete als diskrete Segmente ausgebildet sind, wird auch erwartet, daß ein einzelner Formling hergestellt werden kann, der jegliche Grenzfläche zwischen dem Polschuh und den Hilfsmagneten beseitigen würde. Die Verfahren zum Ausbilden eines derartigen Formlings, sogar aus ungleichartigen Materialien, und zum selektiven Magnetisieren von Abschnitten des Formlings sind wohlbekannt und können ohne weiteres innerhalb der Lehren der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Es wird auch erwartet, daß ein einzelner Formling, der nicht nur den Polschuh und die Hilfsmagnete sondern auch den Hauptmagnet umfaßt, hergestellt werden kann.
Der Zusammenbau der in Figur 1 gezeigten Testvorrichtung kann wie folgt beschrieben werden. Der Hauptmagnet 31 wird auf der Bodenpiatte 16 angeordnet, und der Polschuh 32 wird oben auf dem Hauptmagnet 31 angeordnet. Als nächstes werden die Abstandshalter 36 und 37 aufgestapelt und oben auf dem Polschuh 32 gehalten. Der Polschuh 22 wird dann oben auf die Abstandshalter 36 und 37 aufgestapelt, gefolgt von dem Hauptmagnet 21 und der Dekkenplatte 15. Als nächstes werden die Hilfsseitenmagnete 33 und 35 entlang entgegengesetzter Ränder des Polschuhs 32 angeordnet, in gleicher Art und Weise werden die Hilfsseitenmagnete 23 und 25 entlang den entsprechenden Rändern des Polschuhs 21 angeordnet. Als nächstes werden die Hilfsmagnete 24, 26 und 34, 36 an den Polschuhen 21 und 31 aufmontiert. Es werden dann die Deckenplatte 15 und die Seitenplatten 11, 12, 13 und 14 angebracht, was den Aufbau komplettiert. Wenn Korrekturspulen verwendet werden, tragen die Abstandshalter 37 und 38 den Einsatz 100 mit den an diesem aufmontierten geforderten Korrekturspulen.
In einer alternativen Ausführungsform würden die Hilfsmagnete direkt um den Umfang des Hauptmagnets 21 angeordnet sein. Für eine derartige Anordnung müßte der Hauptmagnet 21 von Herstellungsfehlern frei sein, die Felddiskontinuitäten oder "heiße Punkte" erzeugen, die durch die Verwendung eines Polschuhs korrigiert werden können.
Es wird ferner erwartet, daß das Fräsen oder Formen der Fläche des Hauptmagnets 21, wie oben bezüglich des Polschuhs 22 beschrieben, Feld-Einstell-Verstärkungseffekte wie oben beschrieben erzeugen wird. Zum Konstruieren einer Testkammer wie jene, die in Figur 1 gezeigt ist, können zwei der alternativen Gruppierungen, die aus einem von Hilfsmagneten umgebenden Hauptmagnet bestehen, in der gleichen Art und Weise, wie oben beschrieben, verwendet werden.
In der in Figur 17 gezeigten bevorzugten Ausführungsform kann der Aufbau wie folgt hergestellt werden. Der Hauptmagnet 71 wird auf der Endkappe 91 angeordnet. Dann wird der Polschuh 72 auf dem Hauptmagnet 71 angeordnet, und es werden dann die Hilfsmagnete 73, 74, 75 und 76 um den Umfang des Polschuhs 72 angeordnet. Der komplettierte Magnetaufbau 70 wird dann zusammen mit der Endkappe 71 in ein Ende des Körpers 93 eingeführt und gesichert.
Als nächstes wird der Kern 100 mit den für die Verwendung ausgewählten Korrekturspulen in den Abstandshalter 87 eingeführt und der Kern/Abstandshalteraufbau wird von dem übrigbleibenden offenen Ende des Körpers 93 eingeführt und innerhalb des Körpers 93 positioniert, um die Testöffnung 94 mit der Kernöffnung 101 in eine gerade Linie zu bringen.
Als nächstes wird der Magnetaufbau 80 an der Endkappe 92 montiert, wie vorstehend bezüglich des Magnetaufbaus 70 und der Endkappe 91 beschrieben. Der komplettierte Aufbau 80 und die Endkappe 92 werden dann eingeführt, um die Kammer 93 abzuschließen und den Aufbau der Testkammer 90 zu vervollständigen. Wie in Figur 23 zu sehen, würde eine Variante des vorstehenden Aufbaus einen nicht-ferromagnetischen Spulenkörper 172 umfassen, auf den Modulierspulen 171 und/oder Heizspulen 170 gewickelt werden können. Der Hauptmagnet 72 würde in den Spulenkörper 172 eingeführt werden und hiernach in den Körper 93 eingeführt werden. Es ist wünschenswert, daß der Spulenkörper 172 mit engen Toleranzen bearbeitet ist, um die zusätzliche Funktion des Ausrichtens des Hauptmagnets 71 innerhalb des Körpers 93 auszuführen, so daß gewährleistet ist, daß die Achse des Hauptmagnets 71 und die Achse des Körpers 93 zusammenfallen.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen befassen sich mit einigermaßen strengen Anforderungen für Magnetfelder, die bei der NMR spektroskopischen Analyse verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann in gleicher Weise bei Umständen angewendet werden, die weniger streng kontrollierte Magnetfelder erfordern, wobei z.B. die Polschuhe, die Korrekturspulen, die Modulierspulen, die thermostatische Steuerungen, und andere "Feineinstellmittel" weggelassen werden, die hier diskutiert sind. Die Lehren der vorliegenden Erfindung können ohne weiteres auf die speziellen Umstände und Anforderungen einer jeden derartigen Verwendung angepaßt werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Erzeugen und Aufrechterhalten eines Magnetfeldes ausgewählter Stärke und Gleichmäßigkeit, wobei die Vorrichtung umfaßt:

eine erste und eine zweite Magnetgruppierung (20, 30), und Mittel zum Trennen der Gruppierungen (20, 30) voneinander; wobei die erste und die zweite Magnetgruppierung und die Trennmittel derart angeordnet sind, daß sie einen Luftspalt (39) bilden, über den sich ein durch die erste und die zweite Magnetgruppierung erzeugtes Magnetfeld erstreckt; wobei jede Gruppierung (20, 30) ein Hauptmagnetmittel (21, 22; 31, 32) umfaßt, das einen in einer Richtung parallel zu dem Magnetfeld magnetisierten Hauptpermanentmagnet (21, 31) umfaßt;

wobei das Hauptmagnetmittel (21, 22; 31, 32) eine Vorderoberfläche aufweist, die gegenüber der Vorderoberfläche des Hauptmagnetmittels der anderen Gruppierung angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppierung Hilfspermanentmagnetmittel (23-26; 33-36) umfaßt, die in einer Richtung im wesentlichen orthogonal zu der Magnetisierrichtung des Hauptpermanentmagnets magnetisiert sind;

wobei die Hilfspermanentmagnetmittel benachbart zu dem Umfang der Vorderoberfläche an dem Seitenrandflächenabschnitt des Hauptmagnetmittels (21, 22; 31, 32) diesen berührend und sich um diesen erstreckend angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

bei der das Hauptmagnetmittel der Gruppierung einen die Vorderoberfläche bildenden ferromagnetischen Polschuh (22; 32) umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

bei der die Vorderoberfläche des Hauptmagnetmittels der Gruppierung quadratisch ist; und

bei der das Hilfsmagnetmittel der Gruppierung vier Stabmagnete (23-26; 33-36) umfaßt, wobei jeder Stabmagnet eine derartige Größe aufweist und derartig geformt ist, daß er sich mit einem Seitenrand des Hauptmagnetmittels gemeinsam erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Vorderoberfläche (65, 65a) des Hauptmagnetmittels der Gruppierung zylindrisch ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,

bei der das Hilfsmagnetmittel der Gruppierung eine Anzahl von gekrümmten Segmenten (66-69) umfaßt, die das Hauptmagnetmittel berühren und sich um dessen gesamten Vorderoberflächenrand erstrecken.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

umfassend wenigstens einen Elektromagnet, der nahe zu dem Hauptmagnetmittel der Gruppierung angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,

bei der der Elektromagnet Mittel zum Einstellen des durch das Hauptmagnetmittel erzeugten Magnetfelds umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

umfassend wenigstens einen sekundären Hilfspermanentmagnet (63)) der nahe zu dem Hauptmagnetmittel der Gruppierung angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei der eine Aushöhlung (43, 47, 51) auf der Vorderoberfläche des Hauptmagnetmittels der Gruppierung ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9,

bei der die Aushöhlung als ein konischer Abschnitt (47) konfiguriert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9,

bei der die Aushöhlung als eine krummlinige Oberfläche (51) konfiguriert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11,

bei der die krummlinige Oberfläche (51) parabolisch ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11,

bei der die krummlinige Oberfläche (43) sphärisch ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei der das Hauptmagnetmittel der Gruppierung mit einer Abschrägung (53) an seinem Vorderflächenrand ausgebildet ist, wobei die Abschrägung (53) von der Vorderoberfläche zu einer Rückoberfläche des Hauptmagnetmittels hin radial nach innen geneigt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14,

bei der das Hilfsmagnetmittel der Gruppierung mit einer abgeschrägten Oberfläche (56) ausgebildet ist, wobei die abgeschrägte Oberfläche (56) den abgeschrägten Rand (53) des Hauptmagnetmittels berührt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15,

bei der die Neigungswinkel des abgeschrägten Randes (53) und der abgeschrägten Oberfläche (56) zueinander komplementär sind.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei der wenigstens eine elektromagnetische Modulierspule (171) um das Hauptmagnetmittel der Gruppierung gewunden ist.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

umfassend Mittel (170) zum thermostatischen Steuern der Temperatur des Hauptmagnetmittels der Gruppierung.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18,

bei der das thermostatische Steuermittel ein oder mehrere Elektroheizelemente (170) umfaßt, die um das Hauptmagnetmittel gewunden sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18,

bei der das thermostatische Steuermittel eine oder mehrere Leitungen umfaßt, durch welche ein Heiz- oder Kühlgas oder eine Heiz- oder Kühlflüssigkeit gedrückt wird, wobei die Leitungen um das Hauptmagnetmittel gewunden sind.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

umfassend Mittel zum Begrenzen des durch die Gruppierungen erzeugten Magnetfeldes.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21,

bei der das Begrenzungsmittel ein Material umfaßt, aus dem wenigstens die Vorderoberfläche des Hauptmagnetmittels einer Gruppierung gebildet ist, damit diese Vorderoberfläche bei einer vorgegebenen ausgewählten Temperatur mit magnetischer Energie sättigt und somit der durch diese Vorderoberfläche bei dieser Temperatur übertragene magnetische Energiebetrag begrenzt wird.

23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

umfassend ein aus ferromagnetischen Material hergestelltes Magnetgehäuse (10; 90), wobei die erste Magnetgruppierung (20; 70) an einem ersten Ende des Gehäuses angeordnet ist und die zweite Magnetgruppierung (30; 80) an einem zweiten) gegenüberliegenden Ende des Gehäuses (10; 90) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (10; 90), die Magnetgruppierungen (20, 30; 70, 80) und der Luftspalt (39) einen geschlossenen Kreislauf für den magnetischen Energiefluß bilden.

24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei der die Polarität der ersten Magnetgruppierung (20; 70) zu der der zweiten Magnetgruppierung (30; 80) entgegengesetzt ist.

25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

umfassend Feldeinstellmittel, die eine erste Gruppierung aus wenigstens einem Paar elektromagnetischer Korrekturspulen (125-144) umfaßt, die in paralleler feststehender räumlicher Beziehung angeordnet sind und durch welche ein steuerbarer elektrischer Strom geführt wird.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25,

bei der die erste Gruppierung der Korrekturspulen zu den Vorderoberflächen der Permanentmagnetmittel parallel ist und dazu angeordnet ist, einen Testbereich zwischen den Korrekturspulenpaaren zu zentrieren.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26,

bei der die erste Korrekturspulengruppierung eine Mehrzahl der Korrekturspulenpaare umfaßt.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27,

bei der jedes Korrekturspulenpaar eine erste Spule (125-130, 137-140) und eine zweite Spule (131-136, 141-144) aufweist, wobei alle ersten Korrekturspulen koplanar und alle zweiten Korrekturspulen coplanar sind.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28,

umfassend Feldeinstellmittel, die eine zweite Gruppierung aus elektromagnetischen Korrekturspulen (104-109, 116-121) umfaßt, wobei jede der Spulen als eine geschlossene Schleife ausgebildet ist, wobei sich wenigstens ein Paar der Spulen in einer Richtung orthogonal zu den Vorderoberflächen der Hauptmagnetmittel erstreckt.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29,

bei der die zweite Gruppierung eine Mehrzahl der Korrekturspulenpaare umfaßt.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 30,

bei der das Feldeinstellmittel ferner einen Kern (100) umfaßt, auf den die elektromagnetischen Korrekturspulen angebracht sind, wobei der Kern (100) zwei gegenüberliegende parallele Oberflächen (110, 111) aufweist, die parallel zu den Vorderoberflächen der Hauptmagnetmittel angeordnet sind, wobei jede Kernoberfläche (110, 111) wenigstens eine auf dieser gebildete Nut aufweist, die in der Größe und der Form einer Korrekturspule entspricht, wobei jede Korrekturspule innerhalb der entsprechenden Nut an der Kernoberfläche angebracht ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31,

bei der die Korrekturspulen als eine Reihe von konzentrischen Kreisen (125-130) ausgebildet sind, wobei jede Kernoberfläche eine Reihe entsprechender konzentrischer kreisförmiger Nuten (125a-130a) darin aufweist, die dazu geformt und dimensioniert sind, die konzentrischen Korrekturspulen (125-130) aufzunehmen.

33. Vorrichtung nach Anspruch 32,

bei der ein entsprechender Satz von Nuten (125a-130a) 131a-136a) und damit von Korrekturspulen (125-130, 131-136) auf jeder der Kernoberflächen (110, 111) ausgebildet ist.

34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 33,

bei der jede Kernoberfläche (110, 111) eine Reihe von nicht-konzentrischen kreisförmigen Nuten (137a-140a) aufweist, die darin ausgebildet sind, wobei in jeder der Nuten eine der elektromagnetischen Korrekturspulen (137-140) angeordnet ist.

35. Vorrichtung nach Anspruch 34,

bei der jede der nicht-konzentrischen kreisförmigen Korrekturspulen (137-140) auf der ersten Kernoberfläche (110) in entgegengesetzter, feststehender, parallel beabstandeter Beziehung zu einer entsprechenden nicht-konzentrischen Korrekturspule (141-344) auf der zweiten Kernoberfläche (111) angeordnet ist.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35,

bei der die nicht-konzentrischen Kreise (137-140) in einer nicht-überlappenden Art angeordnet sind, wobei die Kreise um jede Kernoberfläche (110, 111) äquidistant beabstandet sind.

37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 36, wobei der Kern (100) ferner entgegengesetzte erste (112) und zweite (113) Seitenränder und entgegengesetzte dritte (122) und vierte (123) Seitenränder umfaßt, wobei der Kern (100) wenigstens ein Paar geradliniger Nuten darin ausgebildet aufweist, wobei jede der Nuten ein erstes Nutensegment (104a) auf der ersten Oberfläche (110), ein zweites Nutensegment (104b) auf dem ersten Seitenrand (112), ein drittes Nutensegment (104c) auf der zweiten Oberfläche (111) und ein viertes Nutensegment (104d) auf dem zweiten Seitenrand (113) aufweist, um eine durchgehende Anbringungsnut (104) zu bilden, wobei in jeder Nut eine der Korrekturspulen (104-109) angebracht ist.

38. Vorrichtung nach Anspruch 37,

bei der das Kernelement (100) eine Mehrzahl der geradlinigen Nuten umfaßt, die sich um die erste Oberfläche (110), den ersten Seitenrand (112), die zweite Oberfläche (111), den zweiten Seitenrand (113) erstrecken und die sich um die erste Oberfläche (110) ) den dritten Seitenrand (122), die zweite Oberfläche (111) und den vierten Seitenrand (123) erstrecken.

39. Vorrichtung nach Anspruch 38,

bei der die Korrekturspulen durch Winden einer ausgewählten Anzahl von Kabelwindungen (104-109, 116-121) in jede der geradlinigen Nuten gebildet sind.

40. Vorrichtung nach Anspruch 39,

bei der die Korrekturspulen (104-109, 116-121) einen Testbereich überdecken und umgeben.

41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 40,

bei der die Korrekturspulen in ausgewählten Gruppierungen von Korrekturspulenpaaren gesteuert werden, wobei eine gesonderte Energieversorgung für jede ausgewählte Gruppierung verwendet wird.

42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 41,

umfassend Mittel zum Modulieren des durch die Korrekturspulen erzeugten Magnetfeldes, um eine Relativbewegung des Magnetfeldes bezüglich einer Testprobe zu erzeugen, die zwischen der ersten und der zweiten Magnetgruppierung angeordnet ist.

43. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

umfassend Mittel (160) zum Übertragen von Ultraschallenergie auf eine zwischen der ersten und der zweiten Magnetgruppierung (20, 30) angeordnete Testprobe.

44. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

umfassend eine um ein Hauptmagnetmittel gewundene Modulierspule (171).

45. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

umfassend Mittel zum Begrenzen des durch die Vorderoberfläche des Hauptmagnetmittels einer Gruppierung übertragenen Magnetflußbetrages durch Auswählen eines Materials, aus dem die Vorderoberfläche hergestellt ist und das bei einer vorgegebenen Temperatur sättigt.

46. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der auf Anspruch 2 rückbezogenen Ansprüche,

bei der der Polschuh (65a) einer Gruppierung kleiner als das Hauptmagnetmittel der Gruppierung ist und von diesem überdeckt ist.

47. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

bei der irgendeine Kombination aus Hauptpermanentmagnet, Hilfsmagnete und Polschuh, sofern vorgesehen, als ein einzelnes integrales Objekt hergestellt ist.