WO2012156278A1 - Device for producing a homogenous magnetic field - Google Patents

Device for producing a homogenous magnetic field Download PDF

Info

Publication number
WO2012156278A1
WO2012156278A1 PCT/EP2012/058660 EP2012058660W WO2012156278A1 WO 2012156278 A1 WO2012156278 A1 WO 2012156278A1 EP 2012058660 W EP2012058660 W EP 2012058660W WO 2012156278 A1 WO2012156278 A1 WO 2012156278A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
shielding
magnetic field
shielding body
longitudinal axis
coils
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/058660
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter FIERLINGER
Rainer STOEPLER
Igor ALTAREV
Allard SCHNABEL
Original Assignee
Technische Universität München
Bundesrepublik Deutschland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universität München, Bundesrepublik Deutschland filed Critical Technische Universität München
Publication of WO2012156278A1 publication Critical patent/WO2012156278A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/381Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using electromagnets
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36Electric or magnetic shields or screens
    • H01F27/361Electric or magnetic shields or screens made of combinations of electrically conductive material and ferromagnetic material
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/42Screening
    • G01R33/421Screening of main or gradient magnetic field
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00Magnets
    • H01F7/06Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/20Electromagnets; Actuators including electromagnets without armatures
    • H01F7/202Electromagnets for high magnetic field strength
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36Electric or magnetic shields or screens

Definitions

  • a cosine ( ⁇ ) coil arrangement is described in KHRIPLOVICH, IB and LAMOREAUX, SK: CP Violation Without Strangeness, Electric Dipole Moments of Particles, Atoms, and Molecules, Texts and Monographs in Physics, Berlin Heidelberg 1997, pp. 35-42 Individual described.
  • a disadvantage of the known device is that the homogeneity of the magnetic field is limited to a relatively small volume range in the interior.
  • Such devices are used for biomagnetism measurements of cardiac or cerebral currents and for magnetic resonance measurements.
  • Optically pumped alkali metal cells, SQUIDs or sensors with nuclear spin-polarized noble gases are used. The high sensitivity of these magnetic field sensors sets temporally and spatially constant as well as homogeneous
  • Magnetic fields ahead For example, magnetic field sensors can be disturbed by very small vibrations in gradient fields of a few nT / m. The resulting noise can then limit the measurement accuracy and possibly even lead to incorrect measurement results.
  • Another requirement for a corresponding apparatus is the scalability, since further applications for proportionally smaller equipment are conceivable. Examples can be found in measurement technology, in particular for gyroscopes, atomic magnetometers or measuring devices for precision standards, which must be shielded against electromagnetic and magnetic interference.
  • the invention is therefore the object of an easily accessible, scalable and, if necessary, walk-in device for
  • the device has a shielding device for shielding magnetic fields, which has a hollow shielding body with a shielding jacket which revolves around a longitudinal axis.
  • the device furthermore has a current-carrying conductor arrangement with which inside the
  • Shielding a homogeneous magnetic field can be generated.
  • This conductor arrangement has at least two windings which are wound along the longitudinal axis of the shielding body around the shielding jacket of the shielding body.
  • the wind Each has an inner conductor track section extending within the shielding body along the longitudinal axis and an outer conductor track section extending outside the shielding body along the longitudinal axis and generate a magnetic flux which is opposite to one another in the circumferential direction of the shielding body. Since the windings are wound around the shielding jacket, the shielding body is easily accessible laterally via openings which run transversely to the longitudinal axis. In particular, the interior of the shielding body can be easily entered with appropriate dimensions.
  • the homogeneity of the magnetic field inside the shielding body is up to two orders of magnitude better than in the prior art. This is particularly due to the fact that only the current flowing through the inner trace portions contributes to the magnetic field inside the shield body, while the magnetic field generated by the current flowing back in the outer trace portions is shielded by the shield body.
  • the turns are part of at least two field coils wound around the shielding shell of the shielding body, the turns of the field coils each extending within the shielding body along the shielding body
  • the conductor arrangement has two field coils, which are arranged on opposite sides of the shielding jacket.
  • the field coils are wound around the shielding jacket of the shielding body and generate a circumferential direction of the shielding body opposite each other magnetic flux.
  • the two field coils can be wound in opposite directions, so that a single power source is sufficient for the power supply of the two field coils.
  • Direction of the magnetic field can be achieved in the interior of the shielding body, but the noise behavior is tended to be deteriorated by additional lhe power sources.
  • the shielding body has a circular cross-section and the conductor track sections extending in the interior of the shielding body have a constant spacing between one another in the direction of the magnetic field. Projected onto an axis extending in the magnetic field direction, the winding density of the conductor track sections is therefore constant.
  • the magnetic field present in the interior of the shielding body has a gradient, for example for amplitude measurements in the case of vibrations or similar measurements.
  • a gradient can be generated, for example, by means of additional windings which are wound around the shielding body along the longitudinal axis of the shielding body and are connected to a separate power source.
  • the shielding body in addition to the shielding jacket which revolves around the longitudinal axis, the shielding body also has lateral openings which cut the longitudinal axis of the shielding body and through which the interior of the shielding body is accessible. If the shielding body is arranged lying with the longitudinal axis, so that the longitudinal axis extends substantially in a horizontal direction, the interior of the shielding body is easily accessible via one of the two lateral openings of the inner shielding body.
  • These compensating turns may extend along the lines of equal field strength of the magnetic field generated by the inner trace portions extending within the shield body along the longitudinal axis.
  • the conductor arrangement can each have at least two compensation coils extending along the openings at the openings of the shielding body, which are arranged one behind the other in the magnetic field direction and which generate a magnetic flux opposite to one another.
  • the compensation windings of each compensation coil have different cross-sectional areas. The winding centers of the compensation windings are the more offset towards the outside, the smaller the cross-sectional area of the respective compensation winding. Thereby, the distortion of the generated magnetic field due to the finite extension of the shielding in the axial direction can be compensated.
  • the compensation windings are kidney-shaped and arranged with their convex side outwards and with their concave side facing inwards. There are however, other arrangements and winding densities possible, which can be optimized for the appropriate application.
  • the outer shielding device may be arranged in an outer compensation coil arrangement.
  • the device can also have a plurality of longitudinally arranged in succession hollow shielding with associated
  • FIG. 1 shows a cross section through an apparatus for generating a homogeneous magnetic field
  • Figure 2 is an exploded view of a holder for an inner shielding body of the device of Figure 1;
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the inner shielding body with the distribution of turns around a wall of the inner shielding body of Figure 2;
  • Figure 4 is a perspective view of the second octant of the inner shielding body from the front;
  • FIG. 5 shows a plan view of a compensation coil arranged laterally on the inner shielding body, which can be mounted on both sides in the region of the openings of the shielding body;
  • Figure 6 is a rear perspective view of the first octant of the inner shielding body with the space points used in the following diagrams;
  • Fig. 7 is a diagram showing the homogeneity of the magnetic field inside the inner shielding body for various space points
  • FIG. 8 is a graph showing the dependence of the magnetic field homogeneity on the length of the inner shielding body and the length of a shielding space surrounding the inner shielding body;
  • Figure 9 is a diagram in which the dependence of the on
  • Figure 10 is a graph showing the dependence of the homogeneity on the radius of the inner cylindrical shielding body
  • Figure 11 is a diagram showing the influence of openings in
  • FIG. 12 shows a diagram in which the effect of manufacturing or assembly errors on the homogeneity of the magnetic field in the interior of the cylindrical shielding body is illustrated;
  • Figure 13 is a perspective view of the first octant of Figure 6 with the location of a weakened area in which the permeability of the shielding is reduced;
  • Figure 14 is a graph showing the effect of local weakening of the inner shielding body on homogeneity; and FIG. 15 shows an enlarged detail from the diagram
  • FIG. 1 shows a perspective cross-sectional view of a device 1 for generating a homogeneous magnetic field 2.
  • the homogeneous magnetic field 2 is generated in the interior of a horizontally arranged shielding cylinder 3 by the coil 7.
  • the cylinder axis 4 of the shielding cylinder 3 coincides with the y-axis of the Cartesian coordinate system.
  • the magnetic field 2, which is as homogeneous as possible generated in the interior of the shielding cylinder 3, is in the direction of the z-coordinate axis in all representations.
  • the spatial orientation of the entire device 1 is arbitrary.
  • the shielding cylinder 3 has a shielding jacket 5 which is held by support rings 6.
  • a conductor arrangement 7 is provided, which is only indicated here, but will be described in detail below.
  • the shielding cylinder 3 is located in a first cubic shield 8, which in turn is embedded in a second cubic shield 9.
  • the second shield 9 is located in a third shield 10, which in turn is surrounded by a fourth shield 11.
  • the device 1 thus comprises not only an inner shielding device formed by the shielding cylinder 3, but also an outer shielding device 12 formed by the shields 8 to 11.
  • MSR magnetically shielded room.
  • the walls of the shields 8 to 11 are made of a nickel-iron alloy based material, for example Mu metal, or an equivalent material.
  • the shields 8 to 11 may also include highly conductive material such as copper or aluminum. Cubic shields, however, have intrinsic residual magnetic fields of several nTs at a typical distance of 10 cm from that due to the angular geometry
  • the outer shield 11 is surrounded by an external compensation coil arrangement 13, which is only schematically illustrated in FIG. 1 and which, for example, consists of the three outer compensation coils 14 is formed, which are each executed in the manner of Helmholtz coils.
  • the compensation coils 14 each compensate for the magnetic field in a spatial axis.
  • the ambient magnetic field in the interior of the compensation coil arrangement 13 can be compensated with the compensation coils 14 in a known manner as a function of the number of the compensation coils 14 up to a certain order.
  • the device 1 can be scaled arbitrarily, wherein the screen factor of the outer shield 8 to 11 with smaller dimensions increases sharply. Therefore, scaling to smaller dimensions may eliminate the shields 9 to 11 and retain only the innermost shield 8.
  • the device 1 can thereby be made much easier.
  • a space approximately 2.5 m in length and 2.5 m in diameter is available inside the shielding cylinder 3 for experiments and examinations which are weak but for this require extremely homogeneous magnetic field 2.
  • Such an examination device 15 is indicated in FIG. 1 in the interior of the shielding cylinder 3.
  • the lines 16 required for the examination device 15 and the supply of the conductor arrangement 7 with current are guided through openings 17 to the outside.
  • FIG. 2 shows an exploded view of the internal structure of the device 1.
  • the shielding cylinder 3 is provided at both ends with flanges 19 which hold the inner conductor track sections 20 extending inside the shielding cylinder 3 and outer conductor track sections 21 extending outside the shielding cylinder 3.
  • the flanges 19 are provided with bushings 22, through which the inner conductor track sections 20 and the outer conductor track sections 21 can be guided.
  • only one outer conductor track section 21 and two of the inner conductor track sections 20 running essentially parallel to the cylinder axis 4 are shown.
  • the shielding cylinder 3 is finally held by a support structure 27, to which also the longitudinally extending walls 25 of the first shield 8 can be attached.
  • the shielding cylinder 3 is made of a highly permeable material.
  • materials based on a nickel-iron alloy in question for example Mu metal
  • metallic glasses produced materials, such as Metglas, or materials based on cobalt alloys, for example Vitrovac , As a rule, however, Mu metal is currently used.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view through the screening cylinder 3 and the conductor arrangement 7, wherein the current direction in the inner conductor track sections 20 and the outer conductor sections 20 is shown in FIG
  • Track sections 21 are marked by dots and crosses.
  • a dot denotes a stream coming out of the
  • Paper level leads out and a cross denotes a stream, which leads into the plane of the paper.
  • the shielding cylinder 3 has a cross section deviating from the circular area, the arrangement of the inner conductor track sections 20 is to be modified so that the above-mentioned condition for the equivalent current remains satisfied on a virtual circle.
  • the magnetic field within the virtual circle is then still homogeneous.
  • the inner conductor track sections 20 and the outer conductor track sections 21 each form windings 28 that run along the
  • Longitudinal axis of the shielding body are wound around the shielding jacket 5 and form two field coils 29 and 30, which in a circumferential direction 31 each generate mutually opposite magnetic fluxes. This can be accomplished by winding the two field coils 29 and 30 in opposite directions and connecting them to a common power source, or by oppositely polarizing both field coils 29 and 30 outside the device 1 to a common one
  • the prerequisite for a stable homogeneous magnetic field 2 in the interior of the shielding cylinder 3 is an idealization of the shielding cylinder 3.
  • An idealization is a demagnetization in an existing magnetic field.
  • the material of the shielding cylinder 3 is idealized to the magnetic field 2 generated by the field coils 29 and 30.
  • the shielding cylinder 3 is demagnetized when the magnetic field 2 is switched on.
  • Entmagnet Deutschensspule is used, which is wound around the shielding of the Ablezylinders 3. It circumscribes the shielding material of the shielding cylinder 3 in the same way as the field coil 29 or 30.
  • no special requirements are placed on the geometric orientation of the demagnetization coil.
  • the current carrying capacity of the degaussing coil must be sufficient in order to be able to drive the shielding cylinder 3 into magnetic saturation.
  • a degaussing coil with few turns and a large conductor cross-section is used.
  • an induction coil with a small cross-section can be installed. Due to the cylindrical geometry of the shielding cylinder 3, the field generated by the degaussing coil is driven by a magnetic path having a constant length regardless of the position along the cylinder axis 4.
  • the shielding cylinder 3 can be easily demagnetized or idealized.
  • the stray field influences can be controlled by a reduce the integer number of turns of the demagnetization coil with opposite turns. In this case, the degaussing coil does not generate a magnetic field on the cylinder axis 4.
  • degaussing coils are wound around the individual edges of the cubic shields 8 to 11. It is essential that the demagnetization coils wrap around a side wall of the cubic shields 8 to 11, which does not necessarily have to take place at the edge, and that at least one demagnetization coil is present per spatial axis. In order to reduce the electrical power necessary for idealization, each of the cubic shields 8 to 11 may be separately idealized.
  • the interior of the inner cubic shield 8 on the magnetic field 2 can be idealized by sequentially perfecting the series-connected demagnetization coils of one of the cubic shields 8 to 11 in one spatial direction.
  • each of the cubic shield 8 to 11 is not idealized as a whole from the saturation out, but for each demagnetization is performed again with a quasi-constant magnetic path.
  • FIG. 4 shows a perspective view of an octant 32 of a model of the shielding cylinder 3 reduced by a factor of two. This is the second octant, if it is assumed that the coordinate system is located in the center of the screening cylinder 3 and has the orientation shown in the figures. As will be explained in detail below, such a model of the shielding cylinder 3 was used for simulation calculations to determine the magnetic field homogeneity in the interior of the shielding cylinder 3.
  • the shield 5 of the shielding cylinder 3 can be seen.
  • the windings 28 of the conductor arrangement 7 are wound around the shielding jacket 5 of the shielding cylinder 3.
  • trim turns 33 are also part of a trimming coil 34 with which a magnetic field gradient can be achieved inside the shielding cylinder 3 and which can also be used to correct mechanical deformations.
  • FIG. 4 a portion of the front cover 24 is further shown, which is provided on its facing the center of the Ablezylinders 3 inside with compensation windings 35 forming part of an inner compensation coil 36, which caused by the finiteness of the axial extent of the Ablezylinders 3 Inhomogeneity of the magnetic field 2 can be compensated.
  • openings 37a, 37b, 37c, 37d introduced into the front cover 24 are shown in FIG. 4, which may be mechanical or magnetic openings. Mechanical openings are, for example, feedthroughs for lines and media.
  • a magnetic opening is created by the high permeability material forming the front cover 24 losing its high permeability due to localized mechanical stress such as impact on the front cover 24.
  • the arrangement of the compensation coils 36 is shown in plan view.
  • the two compensation coils 36 arranged one behind the other in the z-direction generate opposite magnetic fluxes to each other.
  • the compensation coils 36 are either wound in the opposite direction or wound in the same direction and oppositely poled to a common or connected to an associated power source.
  • the compensation coils 36 further comprise compensation windings 35 with different cross-sectional areas arranged in a surface, the winding centers 38 of which are offset further outward along the magnetic field 2, the smaller the cross-sectional area of the respective compensation winding 35.
  • the inner compensation windings 35 with a smaller cross-sectional area compared to the outer compensation windings 35 are therefore offset further outwards.
  • the compensation windings 35 should follow the lines of equal field strength of the magnetic field 2 generated by the field coils 29 and 30. Therefore, the compensation windings 35 have a kidney-shaped cross-sectional profile, wherein the compensation windings 35 are arranged with their convex side facing outwards and with their concave side facing inwards. Thus, the compensation magnetic field is concentrated on the outer edges of the compensation coils 36.
  • FIG. 6 shows a rear view of a first octant 39 of the model of the shielding cylinder 3.
  • the front cover 24 is also shown, into which a further opening 37e is inserted in addition to the openings 37a-c.
  • the position of subsequently used spatial points PI to P8 is shown in FIG.
  • the coordinates of the spatial points PI to P8 are listed in Table I listed in the Annex. It can be seen from Table I that the space points span a cylindrical volume with a height of 30 cm and a diameter of 30 cm. Since the calculations are based on the linear Maxwell equations, the simulations also apply to a scaled device that is larger or smaller than the device 1.
  • FIG. 7 shows a diagram in which the results of the simulation calculation for the spatial points PI to P8 are shown. It can be seen from FIG. 7 that the relative deviation of the components B x , B y and B z of the magnetic field 2 from a magnetic field Bo in the z-direction moves in the range 10 ⁇ 5 . Thus, the homogeneity of the magnetic field 2 in the region of the spatial points PI to P8 is better by about two orders of magnitude than in known devices.
  • FIG. 8 shows the relative deviation of the z-component of the magnetic field 2 at the spatial points PI to P8 for five different lengths L s of the shielding cylinder 3 and inner dimensions L r of the inner shielding chamber 8.
  • the respective model configurations are listed in Table II. Since only the relative behavior was investigated, it was possible to dispense with the compensation coils 36. It can be seen from FIG. 8 that the relative deviation of the z component of the magnetic field 2 lies in the range 10 -2 .
  • FIG. 9 shows the relative deviation of the z-component over the inner dimension L r of the inner shielding space 8 of the various models, averaged over the spatial points P 1 to P 8.
  • the length of the shielding cylinder 3 has been chosen to be progressively greater as the length L r of the shielding space 8 increases, it can be seen that the longer the shielding cylinder 3 is, the greater the homogeneity and the greater the distance between the shielding cylinder 3 and the wall of the innermost one Shielding space 8 is.
  • a suitable compensation coil 36 at the ends of the shielding cylinder 3 contributes substantially to the homogeneity of the magnetic field 2, since the homogeneity without the compensation coils is in the range of 10 -2 .
  • FIG. 10 shows the relative deviation of the z-component of the magnetic field 2 for the spatial points PI to P8 at a constant length of the shielding cylinder 3 along the y-axis and different cross-sectional dimensions along the x-axis and the z-axis.
  • the dimensions of the models F to H used are listed in Table III in the appendix, with the lengths in the x, y and z directions referring to the Cartesian coordinate system shown in FIG. It can be seen from FIG. 10 that the radius has no significant influence on the homogeneity of the magnetic field 2 when the length of the shielding cylinder 3 is kept constant.
  • FIG. 11 a diagram illustrates the relative deviation of the z-component for the space points PI to P8 in the case where the front cover 24 or the rear cover 23 the openings 37a-d corresponding openings are formed.
  • the relative deviations are respectively related to the case that no recesses corresponding to the openings 37a-d are included in the rear cover 23 and the front cover 24.
  • a model hl refers to the case that the openings 37a and 37b at the front
  • Another model h3 simulates the case that the opening 37c at the top of the front Cover 24 is present and a model h4 refers to the case that the opening 37d is formed at the bottom of the front cover 24.
  • Each of these openings causes the homogeneity of the magnetic field 2 to deteriorate.
  • FIG. 12 shows the dependence of the relative accuracy of the z component of the magnetic field 2 for the different measuring points PI to P8 for different manufacturing errors. These manufacturing defects correspond approximately to the expected mechanical tolerances. However, the errors in the magnetic field 2 resulting from such mechanical deformations can be almost completely compensated by adjusting the currents in the trim turns 33 and in the compensation coils 36.
  • FIG. 13 shows a diagram in which the dependence of the relative deviation of the z component of the magnetic field 2 on the permeability in the region of the opening 40 is shown.
  • FIG. 15 shows an enlarged detail of the diagram shown in FIG. It can be seen from FIG.
  • the interior of the shielding cylinder 3 is freely accessible without the windings 28 having to be separated.
  • the device described here is arbitrarily scalable. In this respect, even in larger volumes than the measuring volume spanned by the spatial points PI to P8, a homogeneous magnetic field with a relative deviation of 10 -5 can be generated. Likewise, homogeneous magnetic fields can be produced for very small measurement setups, which can be integrated, for example, in measuring instruments.
  • the shielding against external fields is accomplished by the nested shields 8 to 11. Shade factors of 100,000 at 0.01 Hz with 4 m outer edge length can be achieved.
  • the shielding factor of such shielding results from the ratio of an external sinusoidal excitation of about 2 ⁇ peak to peak and a frequency of 0.01 Hz compared to the maximum occurring magnetic field fluctuation of 0.01 Hz in the interior.
  • Another advantage of the device 1 is that the shielding is dependent on the generation of the magnetic field 2 inside the
  • Shielding cylinder 3 is largely decoupled. As a result, magnetic residual fields, which arise due to faults in the shielding device 12 and during demagnetization or idealization of the shielding device 12, can be kept away from the interior of the shielding cylinder 3.
  • the shielding cylinder 3 can be almost completely idealized due to missing corners, so that no additional static magnetic interference fields due to incomplete idealization are present in the interior of the shielding cylinder 3.
  • the device 1 described here can therefore be constructed modularly from independent functional components.
  • a commercial shielding device may be used for the outer shielding device 12.
  • a better homogeneity of the magnetic field 2 by at least a factor of 10 than in the prior art can be achieved.
  • the device 1 described here can also be used to create a polarized particle conductor inside which a homogeneous magnetic field is formed.
  • the shielding cylinder 3 may have a length corresponding to the required length of the conductor.
  • the Kompensati- onsspulen 36 need then be arranged only at the two ends of the tube, which is formed by the successively arranged Ablen 3.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)

Abstract

The invention relates to a device (1) for producing a homogenous magnetic field, comprising an inner shielding cylinder (3) supporting a conductor arrangement (7), the inner conductor track sections thereof helping to produce the homogenous magnetic field (2) inside the shielding cylinder (3). Said shielding cylinder (3) is also surrounded by additional shieldings (8 - 11). In the device, the inner shielding cylinder (3) is accessible without opening the windings (28).

Description

Beschreibung description
Vorrichtung zum Erzeugen eines homogenen Magnetfelds Device for generating a homogeneous magnetic field
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines homogenen Magnetfelds mit: The invention relates to a device for generating a homogeneous magnetic field with:
- einer Abschirmvorrichtung zur Abschirmung magnetischer Felder und  - A shielding device for shielding magnetic fields and
- einer mit Strom beaufschlagbaren Leiteranordnung, mit der im Inneren der Abschirmvorrichtung ein homogenes Magnetfeld erzeugbar ist.  - A current acted upon conductor arrangement, with the inside of the shielding a homogeneous magnetic field can be generated.
Eine derartige Vorrichtung ist aus GALVAN, A. D., FILIPPONE, B., CHEN, J., PLASTER, B.: Measurement of the uniformity of 1/2 scale prototype magnet for the SNS neutron electric dipole moment experiment, Abstract Submitted for the HAW09 Meeting of The American Physical Society, 06. Juli 2009 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung wird ein homogenes magnetisches Feld durch eine Cosinus ( Θ ) -Spulen-Anordnung innerhalb einer Reihe von magnetischen Abschirmungen erzeugt Such a device is known from GALVAN, AD, FILIPPONE, B., CHEN, J., PLASTER, B .: Measurement of the uniformity of the SNS neutron electric dipole moment experiment, Abstract Submitted to the HAW09 Meeting of The American Physical Society, 06 July 2009 known. In the known device, a homogeneous magnetic field is generated by a cosine (Θ) coil arrangement within a series of magnetic shields
Eine Cosinus ( Θ ) -Spulen-Anordnung ist in KHRIPLOVICH, I. B. und LAMOREAUX, S. K.: CP Violation Without Strangeness, Electric Dipole Moments of Particles, Atoms, and Molecules, Texts and Monographs in Physics, Berlin Heidelberg 1997, Seite 35 bis 42 im Einzelnen beschrieben. A cosine (Θ) coil arrangement is described in KHRIPLOVICH, IB and LAMOREAUX, SK: CP Violation Without Strangeness, Electric Dipole Moments of Particles, Atoms, and Molecules, Texts and Monographs in Physics, Berlin Heidelberg 1997, pp. 35-42 Individual described.
Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung ist, dass die Homogenität des magnetischen Feldes auf einen verhältnismäßig kleinen Volumenbereich im Inneren beschränkt ist. Damit eignet sie sich zwar zur Durchführung von Experimenten zur Bestimmung des Dipolmoments von Neutronen, es besteht jedoch auch ein Bedarf an entsprechenden Vorrichtungen, welche von der Dimension her derart bemessen sind, dass Sie von einem Menschen begehbar sind oder für liegende Patienten verwendet werden können, beispielsweise für medizinische Anwendungen. Derartige Vorrichtungen werden für Biomagnetismusmessungen von Herz- oder Hirnströmen sowie für Magnetresonanzmessungen benötigt. Dabei kommen optisch gepumpte Alkalimetallzellen, SQUIDs oder Sensoren mit kernspinpolarisierten Edelgasen zur Anwendung. Die hohe Empfindlichkeit dieser Magnetfeldsensoren setzt dabei zeitlich und räumlich konstante sowie homogeneA disadvantage of the known device is that the homogeneity of the magnetic field is limited to a relatively small volume range in the interior. Thus, while it is suitable for performing experiments for determining the dipole moment of neutrons, there is also a need for corresponding devices that are dimensioned to be walkable by a human or to be used for recumbent patients. for example for medical applications. Such devices are used for biomagnetism measurements of cardiac or cerebral currents and for magnetic resonance measurements. Optically pumped alkali metal cells, SQUIDs or sensors with nuclear spin-polarized noble gases are used. The high sensitivity of these magnetic field sensors sets temporally and spatially constant as well as homogeneous
Magnetfelder voraus. Beispielsweise können Magnetfeldsensoren durch kleinste Vibrationen in Gradientenfeldern von wenigen nT/m gestört werden. Das dadurch hervorgerufene Rauschen kann dann die Messgenauigkeit begrenzen und gegebenenfalls sogar zu falschen Messergebnissen führen. Eine weitere Anforderung an eine entsprechende Apparatur ist die Skalierbarkeit, da weitere Anwendungen für proportional verkleinerte Apparaturen vorstellbar sind. Beispiele dafür sind etwa in der Messtechnik zu finden, insbesondere für Gyroskope, Atommagnetometer oder Messvorrichtungen für Präzisionsstandards, welche gegen elektromagnetische und magnetische Störungen abgeschirmt werden müssen. Magnetic fields ahead. For example, magnetic field sensors can be disturbed by very small vibrations in gradient fields of a few nT / m. The resulting noise can then limit the measurement accuracy and possibly even lead to incorrect measurement results. Another requirement for a corresponding apparatus is the scalability, since further applications for proportionally smaller equipment are conceivable. Examples can be found in measurement technology, in particular for gyroscopes, atomic magnetometers or measuring devices for precision standards, which must be shielded against electromagnetic and magnetic interference.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine leicht zugängliche, skalierbare und, falls erforderlich, begehbare Vorrichtung zum Starting from this prior art, the invention is therefore the object of an easily accessible, scalable and, if necessary, walk-in device for
Erzeugen eines homogenen Magnetfelds zu schaffen. Creating a homogeneous magnetic field to create.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben. This object is achieved by a device having the features of the independent claim. In dependent claims advantageous embodiments and developments are given.
Die Vorrichtung weist eine Abschirmvorrichtung zur Abschir- mung magnetischer Felder auf, die einen hohlen Abschirmkörper mit einem um eine Längsachse umlaufenden Abschirmmantel aufweist. Die Vorrichtung verfügt ferner über eine mit Strom beaufschlagbare Leiteranordnung, mit der im Inneren der The device has a shielding device for shielding magnetic fields, which has a hollow shielding body with a shielding jacket which revolves around a longitudinal axis. The device furthermore has a current-carrying conductor arrangement with which inside the
Abschirmvorrichtung ein homogenes Magnetfeld erzeugbar ist. Diese Leiteranordnung verfügt über wenigstens zwei Windungen, die entlang der Längsachse des Abschirmkörpers um den Abschirmmantel des Abschirmkörpers gewickelt sind. Die Windun- gen weisen jeweils einen innerhalb des Abschirmkörpers entlang der Längsachse verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitt und einen außerhalb des Abschirmkörpers entlang der Längsachse verlaufenden äußeren Leiterbahnabschnitt auf und erzeugen einen in Umfangsrichtung des Abschirmkörpers zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss. Da die Windungen um den Abschirmmantel gewickelt sind, ist der Abschirmkörper seitlich über Öffnungen, die quer zur Längsachse verlaufen, leicht zugänglich. Insbesondere kann das Innere des Abschirm- körpers bei entsprechenden Abmessungen ohne weiteres betreten werden. Ferner hat sich gezeigt, dass die Homogenität des Magnetfelds im Inneren des Abschirmkörpers um bis zu zwei Größenordnungen besser als beim Stand der Technik ist. Dies beruht insbesondere darauf, dass nur der durch die inneren Leiterbahnabschnitte fließende Strom zum Magnetfeld im Inneren des Abschirmkörpers beiträgt, während das Magnetfeld, das von dem in den äußeren Leiterbahnabschnitten zurückfließenden Strom erzeugt wird, von dem Abschirmkörper abgeschirmt wird. Bei einer Ausführungsform sind die Windungen Teil von wenigstens zwei Feldspulen, die um den Abschirmmantel des Abschirmkörpers gewickelt sind, wobei die Windungen der Feldspulen jeweils einen innerhalb des Abschirmkörpers entlang der Shielding a homogeneous magnetic field can be generated. This conductor arrangement has at least two windings which are wound along the longitudinal axis of the shielding body around the shielding jacket of the shielding body. The wind Each has an inner conductor track section extending within the shielding body along the longitudinal axis and an outer conductor track section extending outside the shielding body along the longitudinal axis and generate a magnetic flux which is opposite to one another in the circumferential direction of the shielding body. Since the windings are wound around the shielding jacket, the shielding body is easily accessible laterally via openings which run transversely to the longitudinal axis. In particular, the interior of the shielding body can be easily entered with appropriate dimensions. Furthermore, it has been shown that the homogeneity of the magnetic field inside the shielding body is up to two orders of magnitude better than in the prior art. This is particularly due to the fact that only the current flowing through the inner trace portions contributes to the magnetic field inside the shield body, while the magnetic field generated by the current flowing back in the outer trace portions is shielded by the shield body. In one embodiment, the turns are part of at least two field coils wound around the shielding shell of the shielding body, the turns of the field coils each extending within the shielding body along the shielding body
Längsachse verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitt und einen außerhalb des Abschirmkörpers entlang der Längsachse verlaufenden äußeren Leiterbahnabschnitt aufweisen und die wenigstens zwei Feldspulen einen in Umfangsrichtung des Abschirmkörpers zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss erzeugen. Durch eine größere Zahl von Leiterbahnabschnitten im Inneren des Abschirmkörpers lässt sich die Homogenität des magnetischen Feldes weiter verbessern. Have longitudinal axis extending inner conductor track portion and an outside of the shield along the longitudinal axis extending outer conductor track portion and the at least two field coils generate a circumferentially opposite to each other of the shielding magnetic flux. By a larger number of conductor track sections in the interior of the shielding body, the homogeneity of the magnetic field can be further improved.
In der Regel weist die Leiteranordnung zwei Feldspulen auf, die an einander gegenüberliegenden Seiten des Abschirmmantels angeordnet sind. Die Feldspulen sind um den Abschirmmantel des Abschirmkörpers gewickelt und erzeugen einen in Umfangs- richtung des Abschirmkörpers zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss. Die beiden Feldspulen können gegensinnig gewickelt sein, so dass eine einzelne Stromquelle für die Stromversorgung der beiden Feldspulen ausreicht. Daneben ist es möglich, die beiden Feldspulen gleichsinnig zu wickeln und für beide Feldspulen getrennte Stromquellen vorzusehen. Falls jede der beiden Feldspulen an eine zugeordnete Stromquelle angeschlossen ist, kann ein Magnetfeldgradient quer zur As a rule, the conductor arrangement has two field coils, which are arranged on opposite sides of the shielding jacket. The field coils are wound around the shielding jacket of the shielding body and generate a circumferential direction of the shielding body opposite each other magnetic flux. The two field coils can be wound in opposite directions, so that a single power source is sufficient for the power supply of the two field coils. In addition, it is possible to wind the two field coils in the same direction and provide separate power sources for both field coils. If each of the two field coils is connected to an associated power source, a magnetic field gradient across the
Richtung des Magnetfelds im Inneren des Abschirmkörpers erzielt werden, jedoch wird das Rauschverhalten durch zusätz- liehe Stromquellen tendenziell verschlechtert. Direction of the magnetic field can be achieved in the interior of the shielding body, but the noise behavior is tended to be deteriorated by additional lhe power sources.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Abschirmkörper einen kreisförmigen Querschnitt auf und die im Inneren des Abschirmkörpers verlaufenden Leiterbahnabschnitte weisen in Richtung des Magnetfeldes untereinander einen gleichbleibenden Abstand auf. Auf eine in Magnetfeldrichtung verlaufende Achse projiziert ist die Wicklungsdichte der Leiterbahnabschnitte daher konstant. Mit einer derartigen Anordnung lässt sich ein besonders homogenes Magnetfeld mit einer Homogenität ΔΒ/Β in der Größenordnung von 10~5 erzeugen, welches nur durch Restfelder des Abschirmmaterials limitiert ist. In a further embodiment, the shielding body has a circular cross-section and the conductor track sections extending in the interior of the shielding body have a constant spacing between one another in the direction of the magnetic field. Projected onto an axis extending in the magnetic field direction, the winding density of the conductor track sections is therefore constant. With such an arrangement, a particularly homogeneous magnetic field with a homogeneity ΔΒ / Β in the order of 10 ~ 5 can be generated, which is limited only by residual fields of the shielding material.
Für bestimmte Anwendungen kann es von Vorteil sein, wenn das im Inneren des Abschirmkörpers vorhandene Magnetfeld einen Gradienten aufweist, etwa für Amplitudenmessungen bei Vibrationen oder ähnliche Messungen. Ein derartiger Gradient kann beispielsweise mithilfe von zusätzlichen Windungen erzeugt werden, die entlang der Längsachse des Abschirmkörpers um den Abschirmkörper gewickelt sind und an eine separate Stromquel- le angeschlossen sind. For certain applications, it can be advantageous if the magnetic field present in the interior of the shielding body has a gradient, for example for amplitude measurements in the case of vibrations or similar measurements. Such a gradient can be generated, for example, by means of additional windings which are wound around the shielding body along the longitudinal axis of the shielding body and are connected to a separate power source.
In der Regel weist der Abschirmkörper neben dem um die Längsachse umlaufenden Abschirmmantel auch die Längsachse des Abschirmkörpers schneidende seitliche Öffnungen auf, durch die das Innere des Abschirmkörpers zugänglich ist. Falls der Abschirmkörper mit der Längsachse liegend angeordnet ist, so dass die Längsachse im Wesentlichen in eine horizontale Richtung verläuft, ist das Innere des Abschirmkörpers leicht über eine der beiden seitlichen Öffnungen des inneren Abschirmkörpers zugänglich. As a rule, in addition to the shielding jacket which revolves around the longitudinal axis, the shielding body also has lateral openings which cut the longitudinal axis of the shielding body and through which the interior of the shielding body is accessible. If the shielding body is arranged lying with the longitudinal axis, so that the longitudinal axis extends substantially in a horizontal direction, the interior of the shielding body is easily accessible via one of the two lateral openings of the inner shielding body.
Daneben ist es möglich in diesen Öffnungen des inneren Abschirmkörpers Leiterbahnen einer Kompensationswindung vorzusehen, mit denen die durch die endliche Länge des Abschirm- mantels hervorgerufenen Verzerrungen des Magnetfelds im In addition, it is possible to provide in these openings of the inner shielding conductor tracks of a compensation winding, with which caused by the finite length of the Abschirmmantels distortions of the magnetic field in
Inneren des Abschirmkörpers korrigiert werden können. Inside the shielding can be corrected.
Diese Kompensationswindungen können entlang den Linien gleicher Feldstärke des magnetischen Feldes verlaufen, das von den innerhalb des Abschirmkörpers entlang der Längsachse verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitten erzeugt wird. These compensating turns may extend along the lines of equal field strength of the magnetic field generated by the inner trace portions extending within the shield body along the longitudinal axis.
Dadurch können die Verzerrungen wirksam kompensiert werden. As a result, the distortions can be effectively compensated.
Die Leiteranordnung kann an den Öffnungen des Abschirmkörpers jeweils mindestens zwei sich entlang der Öffnungen erstreckende Kompensationsspulen aufweisen, die in Magnetfeldrich- tung hintereinander angeordnet sind und die einen zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss erzeugen. Die Kompensationswindungen jeder Kompensationsspule weisen unterschiedliche Querschnittsflächen auf. Die Windungszentren der Kompensationswindungen sind dabei desto weiter nach außen hin versetzt, je kleiner die Querschnittsfläche der jeweiligen Kompensationswindung ist. Dadurch kann die Verzerrung des erzeugten Magnetfelds aufgrund der endlichen Ausdehnung des Abschirmkörpers in axialer Richtung kompensiert werden. The conductor arrangement can each have at least two compensation coils extending along the openings at the openings of the shielding body, which are arranged one behind the other in the magnetic field direction and which generate a magnetic flux opposite to one another. The compensation windings of each compensation coil have different cross-sectional areas. The winding centers of the compensation windings are the more offset towards the outside, the smaller the cross-sectional area of the respective compensation winding. Thereby, the distortion of the generated magnetic field due to the finite extension of the shielding in the axial direction can be compensated.
Um das Kompensationsfeld auf die Ränder der Öffnungen zu konzentrieren, sind die Kompensationswindungen nierenförmig ausgebildet und mit ihrer konvexen Seite nach außen und mit ihrer konkaven Seite nach innen weisend angeordnet. Es sind jedoch auch andere Anordnungen und Windungsdichten möglich, die auf die entsprechende Anwendung optimiert werden können. In order to concentrate the compensation field on the edges of the openings, the compensation windings are kidney-shaped and arranged with their convex side outwards and with their concave side facing inwards. There are However, other arrangements and winding densities possible, which can be optimized for the appropriate application.
Um äußere Magnetfelder nach Möglichkeit zu unterdrücken, kann der innere Abschirmkörper von einer mehrwandigen äußerenTo suppress external magnetic fields as far as possible, the inner shielding of a multi-wall outer
Abschirmvorrichtung umgeben sein. Nach der Entmagnetisierung immer noch vorhandene magnetische Restfelder der äußeren Abschirmung dringen dabei nur sehr begrenzt in das Innere des inneren Abschirmkörpers ein. Damit ist die äußere Abschirm- Vorrichtung erheblich geringeren Anforderungen unterworfen und einfacher herzustellen. Be surrounded shielding. After the demagnetization still existing residual magnetic fields of the outer shield penetrate only very limited in the interior of the inner shielding. Thus, the outer shielding device is subjected to much lower requirements and easier to manufacture.
Zur Kompensation von äußeren magnetischen Feldern kann die äußere Abschirmvorrichtung in einer äußeren Kompensations- Spulen-Anordnung angeordnet sein. To compensate for external magnetic fields, the outer shielding device may be arranged in an outer compensation coil arrangement.
Die Vorrichtung kann auch mehrere in Längsrichtung hintereinander angeordnete hohle Abschirmkörper mit zugeordneter The device can also have a plurality of longitudinally arranged in succession hollow shielding with associated
Leiteranordnung aufweisen, mit der sich jeweils im Inneren des zugeordneten Abschirmkörpers ein homogenes Magnetfeld erzeugen lässt. Dadurch können insbesondere langgestreckte Leiter für polarisierte Teilchen realisiert werden. Have conductor arrangement, with each of which can generate a homogeneous magnetic field in the interior of the associated shielding. As a result, in particular elongate conductors for polarized particles can be realized.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen: Further advantages and features of the invention will become apparent from the following description, are explained in the embodiments of the invention with reference to the drawings in detail. Show it:
Figur 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Erzeu- gen eines homogenen Magnetfelds; FIG. 1 shows a cross section through an apparatus for generating a homogeneous magnetic field;
Figur 2 eine Explosionsansicht einer Halterung für einen inneren Abschirmkörper der Vorrichtung aus Figur 1; Figur 3 eine Querschnittsansicht des inneren Abschirmkörpers mit der Verteilung der Windungen um eine Wand des inneren Abschirmkörpers aus Figur 2; Figur 4 eine perspektivische Ansicht des zweiten Oktanten des inneren Abschirmkörpers von vorne; Figure 2 is an exploded view of a holder for an inner shielding body of the device of Figure 1; Figure 3 is a cross-sectional view of the inner shielding body with the distribution of turns around a wall of the inner shielding body of Figure 2; Figure 4 is a perspective view of the second octant of the inner shielding body from the front;
Figur 5 eine Aufsicht auf seitlich am inneren Abschirmkörper angeordnete Kompensationsspule, die beidseitig im Bereich der Öffnungen des Abschirmkörpers angebracht sein können; FIG. 5 shows a plan view of a compensation coil arranged laterally on the inner shielding body, which can be mounted on both sides in the region of the openings of the shielding body;
Figur 6 eine perspektivische Ansicht des ersten Oktanten des inneren Abschirmkörpers von hinten mit den Raumpunkten, welche in den nachfolgenden Diagrammen verwendet werden; Figure 6 is a rear perspective view of the first octant of the inner shielding body with the space points used in the following diagrams;
Figur 7 ein Diagramm, das die Homogenität des Magnetfelds im Inneren des inneren Abschirmkörpers für verschiedene Raumpunkte zeigt; Fig. 7 is a diagram showing the homogeneity of the magnetic field inside the inner shielding body for various space points;
Figur 8 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Homogenität des Magnetfelds von der Länge des inneren Abschirmkörpers und von der Länge eines den inneren Abschirmkörper umgebenden Abschirmraums zeigt; FIG. 8 is a graph showing the dependence of the magnetic field homogeneity on the length of the inner shielding body and the length of a shielding space surrounding the inner shielding body;
Figur 9 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der über die Figure 9 is a diagram in which the dependence of the on
Messpunkte gemittelten Homogenität von der Länge des den inneren Abschirmkörper umgebenden Abschirmraums dargestellt ist;  Measuring points of average homogeneity of the length of the shielding space surrounding the inner shielding body is shown;
Figur 10 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der Homogenität vom Radius des inneren zylinderförmigen Abschirmkörpers dargestellt ist; Figure 10 is a graph showing the dependence of the homogeneity on the radius of the inner cylindrical shielding body;
Figur 11 ein Diagramm, das den Einfluss von Öffnungen in Figure 11 is a diagram showing the influence of openings in
Abdeckungen des inneren Abschirmkörpers veranschau- licht ; Figur 12 ein Diagramm, in dem die Auswirkung von Herstel- lungs- oder Montagefehlern auf die Homogenität des Magnetfelds im Inneren des zylinderförmigen Abschirmkörpers dargestellt ist; Covers the inner shielding body; FIG. 12 shows a diagram in which the effect of manufacturing or assembly errors on the homogeneity of the magnetic field in the interior of the cylindrical shielding body is illustrated;
Figur 13 eine perspektivische Ansicht des ersten Oktanten aus Figur 6 mit der Lage eines Schwächungsbereichs, in dem die Permeabilität des Abschirmkörpers herabgesetzt ist; Figure 13 is a perspective view of the first octant of Figure 6 with the location of a weakened area in which the permeability of the shielding is reduced;
Figur 14 ein Diagramm, das die Auswirkung der lokalen Schwächung des inneren Abschirmkörpers auf die Homogenität zeigt; und Figur 15 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Diagramm aus Figure 14 is a graph showing the effect of local weakening of the inner shielding body on homogeneity; and FIG. 15 shows an enlarged detail from the diagram
Figur 14.  FIG. 14.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Querschnittsansicht einer Vorrichtung 1 zum Erzeugen eines homogenen Magnetfelds 2. Das homogene Magnetfeld 2 wird im Inneren eines liegend angeordneten Abschirmzylinders 3 durch die Spule 7 erzeugt. In Figur 1 fällt die Zylinderachse 4 des Abschirmzylinders 3 mit der y-Achse des kartesischen Koordinatensystems zusammen. Das in dem Inneren des Abschirmzylinders 3 erzeugte möglichst homo- gene Magnetfeld 2 steht in allen Darstellungen in Richtung der z-Koordinatenachse . Die räumliche Ausrichtung der gesamten Vorrichtung 1 ist jedoch beliebig. FIG. 1 shows a perspective cross-sectional view of a device 1 for generating a homogeneous magnetic field 2. The homogeneous magnetic field 2 is generated in the interior of a horizontally arranged shielding cylinder 3 by the coil 7. In FIG. 1, the cylinder axis 4 of the shielding cylinder 3 coincides with the y-axis of the Cartesian coordinate system. The magnetic field 2, which is as homogeneous as possible generated in the interior of the shielding cylinder 3, is in the direction of the z-coordinate axis in all representations. However, the spatial orientation of the entire device 1 is arbitrary.
Der Abschirmzylinder 3 verfügt über einen Abschirmmantel 5 der von Stützringen 6 gehalten ist. Zum Erzeugen des Magnetfelds 2 im Inneren des Abschirmzylinders 3 ist eine Leiteranordnung 7 vorgesehen, die hier nur angedeutet ist, nachfolgend aber noch im Einzelnen beschrieben wird. Der Abschirmzylinder 3 befindet sich in einer ersten kubischen Abschirmung 8, die wiederum in einer zweiten kubischen Abschirmung 9 eingebettet ist. Die zweite Abschirmung 9 befindet sich in einer dritten Abschirmung 10, die wiederum von einer vierten Abschirmung 11 umgeben ist. Die Vorrichtung 1 umfasst somit neben einer vom Abschirmzylinder 3 gebildeten, inneren Abschirmvorrichtung auch eine von den Abschir- mungen 8 bis 11 gebildete, äußere Abschirmvorrichtung 12. Derartige Abschirmvorrichtungen 12, die mehrere ineinander geschachtelte kubische Abschirmungen 8 bis 11 umfassen, sind dem Fachmann bekannt und dienen im Allgemeinen dazu, äußere Magnetfelder vom Inneren der ersten Abschirmung 8 weitestge- hend fern zu halten. Bei entsprechender Größe werden solche ineinander geschachtelten Schirmungen als magnetische Abschirmkabinen (MSR = magnetically shielded room) bezeichnet. Üblicherweise werden die Wände der Abschirmungen 8 bis 11 aus einem Material auf der Basis einer Nickel-Eisen-Legierung, zum Beispiel Mu-Metall, oder einem gleichwertigem Material hergestellt. Ferner können die Abschirmungen 8 bis 11 auch hoch leitfähiges Material wie Kupfer oder Aluminium einschließen. Kubische Abschirmungen haben allerdings aufgrund der eckigen Geometrie intrinsische Restmagnetfelder von mehreren nT in einem typischen Abstand von 10 cm von derThe shielding cylinder 3 has a shielding jacket 5 which is held by support rings 6. For generating the magnetic field 2 in the interior of the shielding cylinder 3, a conductor arrangement 7 is provided, which is only indicated here, but will be described in detail below. The shielding cylinder 3 is located in a first cubic shield 8, which in turn is embedded in a second cubic shield 9. The second shield 9 is located in a third shield 10, which in turn is surrounded by a fourth shield 11. The device 1 thus comprises not only an inner shielding device formed by the shielding cylinder 3, but also an outer shielding device 12 formed by the shields 8 to 11. Such shielding devices 12 comprising a plurality of cubic shields 8 to 11 nested in one another are known to the person skilled in the art generally serve to keep external magnetic fields as far as possible from the interior of the first shield 8. With appropriate size, such nested shields are referred to as magnetic shielded cabins (MSR = magnetically shielded room). Usually, the walls of the shields 8 to 11 are made of a nickel-iron alloy based material, for example Mu metal, or an equivalent material. Furthermore, the shields 8 to 11 may also include highly conductive material such as copper or aluminum. Cubic shields, however, have intrinsic residual magnetic fields of several nTs at a typical distance of 10 cm from that due to the angular geometry
Oberfläche des hochpermeablen Materials. Diese Restmagnetfelder lassen sich auch durch Entmagnetisieren nicht vollständig entfernen . Um zusätzlich äußere magnetische Felder, wie das Erdmagnetfeld, sowohl statisch als auch dynamisch (d.h. aktiv) kompensieren zu können, ist die äußere Abschirmung 11 von einer in Figur 1 lediglich schematisch dargestellten äußeren Kompensationsspulen-Anordnung 13 umgeben, die beispielsweise aus den drei äußeren Kompensationsspulen 14 gebildet wird, die jeweils in der Art von Helmholtz-Spulen ausgeführt sind. Die Kompensationsspulen 14 kompensieren jeweils das magnetische Feld in eine Raumachse. Somit lässt sich mit den Kompensationsspulen 14 auf bekannte Weise das Umgebungsmagnetfeld im Inneren der Kompensationsspulen-Anordnung 13 in Abhängigkeit von der Zahl der Kompensationsspulen 14 bis zu einer bestimmten Ordnung kompensieren. Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, kann die Vorrichtung 1 beliebig skaliert werden, wobei der Schirmfaktor der äußeren Abschirmung 8 bis 11 mit geringeren Abmessungen stark ansteigt. Daher können bei einer Skalierung zu kleineren Abmessungen eventuell die Abschirmungen 9 bis 11 weggelassen werden und lediglich die innerste Abschirmung 8 beibehalten werden. Die Vorrichtung 1 kann dadurch deutlich leichter ausgeführt werden. Bei der in Figur 1 angegebenen Außen- abmessung der äußeren Abschirmung 11 von etwa vier Metern steht im Inneren des Abschirmzylinders 3 ein Raum mit etwa 2,5 m Länge und 2,5 m Durchmesser für Experimente und Untersuchungen zur Verfügung, die ein schwaches, aber dafür extrem homogenes Magnetfeld 2 voraussetzen. Eine derartige Untersu- chungsvorrichtung 15 ist in Figur 1 im Inneren des Abschirmzylinders 3 angedeutet. Die für die Untersuchungsvorrichtung 15 und die Versorgung der Leiteranordnung 7 mit Strom erforderlichen Leitungen 16 sind dabei durch Durchführungen 17 nach außen geführt. Surface of the highly permeable material. These residual magnetic fields can not be completely removed even by demagnetization. In order additionally to be able to compensate for external magnetic fields, such as the earth's magnetic field, both statically and dynamically (ie actively), the outer shield 11 is surrounded by an external compensation coil arrangement 13, which is only schematically illustrated in FIG. 1 and which, for example, consists of the three outer compensation coils 14 is formed, which are each executed in the manner of Helmholtz coils. The compensation coils 14 each compensate for the magnetic field in a spatial axis. Thus, the ambient magnetic field in the interior of the compensation coil arrangement 13 can be compensated with the compensation coils 14 in a known manner as a function of the number of the compensation coils 14 up to a certain order. As will be explained in more detail below, the device 1 can be scaled arbitrarily, wherein the screen factor of the outer shield 8 to 11 with smaller dimensions increases sharply. Therefore, scaling to smaller dimensions may eliminate the shields 9 to 11 and retain only the innermost shield 8. The device 1 can thereby be made much easier. In the outer dimension of the outer shield 11 of approximately four meters, as shown in FIG. 1, a space approximately 2.5 m in length and 2.5 m in diameter is available inside the shielding cylinder 3 for experiments and examinations which are weak but for this require extremely homogeneous magnetic field 2. Such an examination device 15 is indicated in FIG. 1 in the interior of the shielding cylinder 3. The lines 16 required for the examination device 15 and the supply of the conductor arrangement 7 with current are guided through openings 17 to the outside.
Um das Innere des Abschirmzylinders 3 zugänglich zu machen, können Seitenwände 18 der Abschirmräume 8 bis 11 abnehmbar, aufklappbar oder mit Türen versehen sein. Figur 2 zeigt eine Explosionsansicht der inneren Struktur der Vorrichtung 1. Der Abschirmzylinder 3 ist an beiden Enden mit Flanschen 19 versehen, die die im Inneren des Abschirmzylinders 3 verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitte 20 und außerhalb des Abschirmzylinders 3 verlaufenden äußeren Lei- terbahnabschnitte 21 halten. Zu diesem Zweck sind die Flansche 19 mit Durchführungen 22 versehen, durch die die inneren Leiterbahnabschnitte 20 und die äußeren Leiterbahnabschnitte 21 hindurch geführt werden können. Der Übersichtlichkeit halber sind nur ein äußerer Leiterbahnabschnitt 21 sowie zwei der im Wesentlichen parallel zur Zylinderachse 4 verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitte 20 dargestellt. An den Flanschen 19 kann auch eine hintere Abdeckung 23 und eine vordere Abdeckung 24 angebracht werden. Die hintere Abdeckung 23 und die vordere Abdeckung 24 sind in die Wände 25 der ersten Abschirmung 8 integriert. In der hinteren Abdeckung 23 und der vorderen Abdeckung 24 können Durchführungen 26 von ver- schiedenen Durchmessern ausgebildet sein. Der Abschirmzylinder 3 ist schließlich von einer Stützkonstruktion 27 gehalten, an der auch die sich in Längsrichtung erstreckenden Wände 25 der ersten Abschirmung 8 angebracht sein können. Der Abschirmzylinder 3 ist aus einem hoch permeablen Material hergestellt. Als Material für den Abschirmzylinder 3 kommen insbesondere Materialien auf der Grundlage einer Nickel- Eisen-Legierung in Frage, zum Bespiel Mu-Metall, auf der Grundlage metallischer Gläser hergestellte Materialien, zum Beispiel Metglas, oder Werkstoffe auf der Basis von Kobaltlegierungen, zum Beispiel Vitrovac. In der Regel wird jedoch derzeit Mu-Metall verwendet. In order to make the interior of the shielding cylinder 3 accessible, side walls 18 of the shielding rooms 8 to 11 may be removable, hinged or provided with doors. FIG. 2 shows an exploded view of the internal structure of the device 1. The shielding cylinder 3 is provided at both ends with flanges 19 which hold the inner conductor track sections 20 extending inside the shielding cylinder 3 and outer conductor track sections 21 extending outside the shielding cylinder 3. For this purpose, the flanges 19 are provided with bushings 22, through which the inner conductor track sections 20 and the outer conductor track sections 21 can be guided. For the sake of clarity, only one outer conductor track section 21 and two of the inner conductor track sections 20 running essentially parallel to the cylinder axis 4 are shown. On the flanges 19 can also be a rear cover 23 and a front Cover 24 are attached. The rear cover 23 and the front cover 24 are integrated into the walls 25 of the first shield 8. In the rear cover 23 and the front cover 24, passages 26 of different diameters may be formed. The shielding cylinder 3 is finally held by a support structure 27, to which also the longitudinally extending walls 25 of the first shield 8 can be attached. The shielding cylinder 3 is made of a highly permeable material. As the material for the shielding cylinder 3 in particular materials based on a nickel-iron alloy in question, for example Mu metal, based on metallic glasses produced materials, such as Metglas, or materials based on cobalt alloys, for example Vitrovac , As a rule, however, Mu metal is currently used.
Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht durch den Abschirmzy- linder 3 und die Leiteranordnung 7, wobei die Stromrichtung in den inneren Leiterbahnabschnitten 20 und den äußeren FIG. 3 shows a cross-sectional view through the screening cylinder 3 and the conductor arrangement 7, wherein the current direction in the inner conductor track sections 20 and the outer conductor sections 20 is shown in FIG
Leiterbahnabschnitten 21 durch Punkte und Kreuze gekennzeichnet sind. Ein Punkt bezeichnet einen Strom, der aus der Track sections 21 are marked by dots and crosses. A dot denotes a stream coming out of the
Papierebene herausführt und ein Kreuz bezeichnet einen Strom, der in die Papierebene hineinführt. Paper level leads out and a cross denotes a stream, which leads into the plane of the paper.
Wird auf dem Kreisumfang eines unendlich langen Zylinders eine gleichförmig unendlich dicht gepackte Leiteranordnung angenommen, deren Leiter im rechten Winkel zum kreisförmigen Querschnitt des Zylinders ausgerichtet sind, so wird überall im Inneren des Abschirmzylinders 3 ein homogenes Magnetfeld 2 erzeugt wenn der Strom I an jedem Ort x eines inneren Leiterabschnittes 21 auf dem Kreis die Beziehung
Figure imgf000013_0001
erfüllt. Dabei sind alle geometrischen und physikalischen Konstanten im Vorfaktor c zusammengefasst . In der in Figur 3 dargestellten Anordnung ist die Näherungslösung für die
If on the circumference of an infinitely long cylinder assuming a uniformly infinitely densely packed conductor arrangement whose conductors are aligned at right angles to the circular cross-section of the cylinder, so everywhere in the interior of the Abschirmzylinders 3 a homogeneous magnetic field 2 is generated when the current I at each location x an inner conductor section 21 on the circle the relationship
Figure imgf000013_0001
Fulfills. All geometric and physical constants are summarized in the pre-factor c. In the arrangement shown in Figure 3, the approximate solution for the
Spulenanordnung, die sich unter der Bedingung eines gleich großen Stromes in allen Leitern, ergibt, dargestellt. Die im Inneren des Abschirmzylinders 3 gelegenen inneren Leiterbahnabschnitte 20 in Richtung des Magnetfelds 2 haben einen gleichbleibenden Höhenabstand h zueinander. Die auf die z- Achse projizierte Windungsdichte ist daher konstant. Für h^O geht die Näherungslösung in die exakte Lösung über. Inhomogenitäten aufgrund der Näherung nehmen mit dem Abstand vom Kreiszentrum zum Zylindermantel und zu den Deckflächen des nur endlich langen Zylinders zu. Wie weiter unten gezeigt, können diese Inhomogenitäten jedoch den Anforderungen ent- sprechend korrigiert werden. Coil arrangement, which results under the condition of an equal current in all conductors, shown. The inner conductor track sections 20 located in the interior of the shielding cylinder 3 in the direction of the magnetic field 2 have a constant height spacing h from each other. The winding density projected on the z-axis is therefore constant. For h ^ O, the approximate solution transforms into the exact solution. Inhomogeneities due to the approximation increase with the distance from the circle center to the cylinder jacket and to the top surfaces of the only finely long cylinder. However, as shown below, these inhomogeneities can be corrected according to the requirements.
Falls der Abschirmzylinder 3 einen von der Kreisfläche abweichenden Querschnitt aufweist, ist die Anordnung der inneren Leiterbahnabschnitte 20 zu modifizieren, so dass die oben genannte Bedingung für den äquivalenten Strom auf einem virtuellen Kreis erfüllt bleibt. Das Magnetfeld innerhalb des virtuellen Kreises ist dann nach wie vor homogen. If the shielding cylinder 3 has a cross section deviating from the circular area, the arrangement of the inner conductor track sections 20 is to be modified so that the above-mentioned condition for the equivalent current remains satisfied on a virtual circle. The magnetic field within the virtual circle is then still homogeneous.
Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die inneren Leiterbahnabschnitte 20 und die äußeren Leiterbahnabschnitte 21 jeweils Windungen 28, die entlang der In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 3, the inner conductor track sections 20 and the outer conductor track sections 21 each form windings 28 that run along the
Längsachse des Abschirmkörpers um den Abschirmmantel 5 gewickelt sind und zwei Feldspulen 29 und 30 bilden, die in einer Umfangsrichtung 31 jeweils zueinander entgegengesetzte magne- tische Flüsse erzeugen. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die beiden Feldspulen 29 und 30 gegensinnig gewickelt und an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen sind oder indem beide Feldspulen 29 und 30 außerhalb der Vorrichtung 1 entgegengesetzt gepolt an eine gemeinsame Longitudinal axis of the shielding body are wound around the shielding jacket 5 and form two field coils 29 and 30, which in a circumferential direction 31 each generate mutually opposite magnetic fluxes. This can be accomplished by winding the two field coils 29 and 30 in opposite directions and connecting them to a common power source, or by oppositely polarizing both field coils 29 and 30 outside the device 1 to a common one
Stromquelle angeschlossen sind. Daneben ist auch denkbar, beide Feldspulen 29 und 30 an getrennte Stromquellen anzuschließen. Allerdings würden dabei Schwankungen der von den Stromquellen gelieferten Stromstärke zu Inhomogenitäten des Magnetfeldes 2 führen. Andererseits kann dadurch ein Magnetfeldgradient in der Querschnittsfläche quer zur Magnetfeldrichtung erzeugt werden. Power source are connected. In addition, it is also conceivable to connect both field coils 29 and 30 to separate power sources. However, this would be fluctuations of the Current sources lead to inhomogeneities of the magnetic field 2. On the other hand, a magnetic field gradient in the cross-sectional area transverse to the magnetic field direction can thereby be generated.
Als Stromquellen kommen typischerweise Bautypen ähnlich C. CIOFI et al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measu- rement Band 47, 1 (1998) Seite 78 zum Einsatz, welche für Ströme von 1-100 mA optimiertes Rauschverhalten bis in den DC Bereich zeigen. CIOFI et al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement Volume 47, 1 (1998) page 78 are typically used as current sources, which show optimized noise behavior for currents of 1-100 mA up to the DC range.
Voraussetzung für ein stabiles homogenes Magnetfeld 2 im Inneren des Abschirmzylinders 3 ist eine Idealisierung des Abschirmzylinders 3. Eine Idealisierung ist eine Entmagneti- sierung in einem vorhandenen Magnetfeld. Im vorliegenden Fall wird das Material des Abschirmzylinders 3 auf das durch die Feldspulen 29 und 30 erzeugte Magnetfeld 2 idealisiert. Dabei wird der Abschirmzylinder 3 bei eingeschaltetem Magnetfeld 2 entmagnetisiert. Zur Entmagnetisierung wird eine weitere, nicht dargestellte Entmagnetisierungsspule verwendet, die um den Abschirmmantel des Abschirmzylinders 3 gewunden ist. Sie umläuft das Schirmmaterial des Abschirmzylinders 3 auf die gleiche Art wie die Feldspule 29 oder 30. Es werden jedoch keine besonderen Anforderungen an die geometrische Ausrich- tung der Entmagnetisierungsspule gestellt. Die Stromtragfähigkeit der Entmagnetisierungsspule muss aber ausreichen, um den Abschirmzylinder 3 in die magnetische Sättigung treiben zu können. In der Regel wird eine Entmagnetisierungsspule mit wenigen Windungen und großem Leiterquerschnitt verwendet. Zur Kontrolle der Sättigung kann noch eine Induktionsspule mit geringem Querschnitt installiert werden. Durch die zylindrische Geometrie des Abschirmzylinders 3 wird das durch die Entmagnetisierungsspule erzeugte Feld durch einen magnetischen Weg getrieben, der unabhängig von der Position entlang der Zylinderachse 4 eine konstante Länge aufweist. Der Abschirmzylinder 3 lässt sich dadurch gut entmagnetisieren oder idealisieren. Die Streufeldeinflüsse lassen sich durch eine ganzzahlige Windungszahl der Entmagnetisierungsspule mit gegenüberliegenden Windungen reduzieren. In diesem Fall erzeugt die Entmagnetisierungsspule auf der Zylinderachse 4 kein Magnetfeld. The prerequisite for a stable homogeneous magnetic field 2 in the interior of the shielding cylinder 3 is an idealization of the shielding cylinder 3. An idealization is a demagnetization in an existing magnetic field. In the present case, the material of the shielding cylinder 3 is idealized to the magnetic field 2 generated by the field coils 29 and 30. In the process, the shielding cylinder 3 is demagnetized when the magnetic field 2 is switched on. For demagnetization another, not shown Entmagnetisierungsspule is used, which is wound around the shielding of the Abschirmzylinders 3. It circumscribes the shielding material of the shielding cylinder 3 in the same way as the field coil 29 or 30. However, no special requirements are placed on the geometric orientation of the demagnetization coil. However, the current carrying capacity of the degaussing coil must be sufficient in order to be able to drive the shielding cylinder 3 into magnetic saturation. As a rule, a degaussing coil with few turns and a large conductor cross-section is used. To control the saturation, an induction coil with a small cross-section can be installed. Due to the cylindrical geometry of the shielding cylinder 3, the field generated by the degaussing coil is driven by a magnetic path having a constant length regardless of the position along the cylinder axis 4. The shielding cylinder 3 can be easily demagnetized or idealized. The stray field influences can be controlled by a reduce the integer number of turns of the demagnetization coil with opposite turns. In this case, the degaussing coil does not generate a magnetic field on the cylinder axis 4.
Ein Idealisieren ist auch für die kubischen Abschirmungen 8 bis 11 in Figur 1 notwendig. Zu diesem Zweck werden nicht dargestellte Entmagnetisierungsspulen um die einzelnen Kanten der kubischen Abschirmungen 8 bis 11 gewickelt. Wesentlich dabei ist, dass die Entmagnetisierungsspulen eine Seitenwand der kubischen Abschirmungen 8 bis 11 umwickeln, was nicht notwendigerweise an der Kante erfolgen muss, und dass mindestens eine Entmagnetisierungsspule pro Raumachse vorhanden ist. Um die zum Idealisieren notwendige elektrische Leistung zu reduzieren, kann jede der kubische Abschirmung 8 bis 11 separat idealisiert werden. Durch ein nacheinander ausgeführtes Idealisieren der in Reihe geschalteten Entmagnetisierungspulen einer der kubischen Abschirmungen 8 bis 11 in einer Raumrichtung lässt sich der Innenraum der inneren kubischen Abschirmung 8 auf das Magnetfeld 2 idealisieren.An idealization is also necessary for the cubic shields 8 to 11 in FIG. For this purpose, degaussing coils, not shown, are wound around the individual edges of the cubic shields 8 to 11. It is essential that the demagnetization coils wrap around a side wall of the cubic shields 8 to 11, which does not necessarily have to take place at the edge, and that at least one demagnetization coil is present per spatial axis. In order to reduce the electrical power necessary for idealization, each of the cubic shields 8 to 11 may be separately idealized. The interior of the inner cubic shield 8 on the magnetic field 2 can be idealized by sequentially perfecting the series-connected demagnetization coils of one of the cubic shields 8 to 11 in one spatial direction.
Jede der kubischen Abschirmung 8 bis 11 wird dabei zwar nicht als Ganzes aus der Sättigung heraus idealisiert, dafür wird aber jede Entmagnetisierung wieder mit einem quasi-konstanten magnetischen Weg durchgeführt. Although each of the cubic shield 8 to 11 is not idealized as a whole from the saturation out, but for each demagnetization is performed again with a quasi-constant magnetic path.
In Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Oktanten 32 eines um den Faktor zwei verkleinerten Modells des Abschirmzylinders 3 dargestellt. Dabei handelt es sich um den zweiten Oktanten, wenn davon ausgegangen wird, dass sich das Koordi- natensystem im Zentrum des Abschirmzylinders 3 befindet und die in den Figuren dargestellte Ausrichtung hat. Wie nachfolgend noch im Einzelnen erläutert wird, wurde ein derartiges Modell des Abschirmzylinders 3 für Simulationsrechnungen zur Bestimmung der Magnetfeld-Homogenität im Inneren des Ab- schirmzylinders 3 herangezogen. In Figur 4 ist der Abschirmmantel 5 des Abschirmzylinders 3 erkennbar. Entlang der Längsachse des Abschirmkörpers sind die Windungen 28 der Leiteranordnung 7 um den Abschirmmantel 5 des Abschirmzylinders 3 gewickelt. Zwischen den Windungen 28 der Feldspulen 29 und 30 befinden sich auch Trimmwindungen 33, die Teil einer Trimmspule 34 sind, mit der sich im Inneren des Abschirmzylinders 3 ein Magnetfeldgradient erzielen lässt und die auch zur Korrektur mechanischer Deformationen verwendet werden können. FIG. 4 shows a perspective view of an octant 32 of a model of the shielding cylinder 3 reduced by a factor of two. This is the second octant, if it is assumed that the coordinate system is located in the center of the screening cylinder 3 and has the orientation shown in the figures. As will be explained in detail below, such a model of the shielding cylinder 3 was used for simulation calculations to determine the magnetic field homogeneity in the interior of the shielding cylinder 3. In Figure 4, the shield 5 of the shielding cylinder 3 can be seen. Along the longitudinal axis of the shielding body, the windings 28 of the conductor arrangement 7 are wound around the shielding jacket 5 of the shielding cylinder 3. Between the windings 28 of the field coils 29 and 30 are also trim turns 33, which are part of a trimming coil 34 with which a magnetic field gradient can be achieved inside the shielding cylinder 3 and which can also be used to correct mechanical deformations.
In Figur 4 ist ferner ein Teil der vorderen Abdeckung 24 dargestellt, die auf ihrer zum Mittelpunkt des Abschirmzylinders 3 weisenden Innenseite mit Kompensationswindungen 35 versehen ist, die Teil einer inneren Kompensationsspule 36 bilden, mit der die durch die Endlichkeit der axialen Ausdehnung des Abschirmzylinders 3 hervorgerufene Inhomogenität des Magnetfeldes 2 kompensiert werden kann. Ferner sind in Figur 4 in die vordere Abdeckung 24 eingebrachte Öffnungen 37a, 37b, 37c, 37d dargestellt, bei denen es sich um mechanische oder magnetische Öffnungen handeln kann. Mechanische Öffnungen sind beispielsweise Durchführungen für Leitungen und Medien. Eine magnetische Öffnung entsteht beispielsweise dadurch, dass das hochpermeable Material, das die vordere Abdeckung 24 bildet, aufgrund einer lokalen mechanischen Beanspruchung, beispielsweise durch einen Schlag auf die vordere Abdeckung 24, seine hohe Permeabilität verliert. In Figure 4, a portion of the front cover 24 is further shown, which is provided on its facing the center of the Abschirmzylinders 3 inside with compensation windings 35 forming part of an inner compensation coil 36, which caused by the finiteness of the axial extent of the Abschirmzylinders 3 Inhomogeneity of the magnetic field 2 can be compensated. Furthermore, openings 37a, 37b, 37c, 37d introduced into the front cover 24 are shown in FIG. 4, which may be mechanical or magnetic openings. Mechanical openings are, for example, feedthroughs for lines and media. For example, a magnetic opening is created by the high permeability material forming the front cover 24 losing its high permeability due to localized mechanical stress such as impact on the front cover 24.
In Figur 5 ist die Anordnung der Kompensationsspulen 36 in Draufsicht dargestellt. Die beiden in z-Richtung hintereinan- der angeordneten Kompensationspulen 36 erzeugen jeweils zueinander entgegengesetzte Magnetflüsse. Zu diesem Zweck sind die Kompensationspulen 36 entweder gegensinnig gewickelt oder gleichsinnig gewickelt und entgegensetzt gepolt an eine gemeinsame oder an jeweils eine zugeordnete Stromquelle angeschlossen. Die Kompensationsspulen 36 umfassen ferner in einer Fläche angeordnete Kompensationswindungen 35 mit unterschiedlichen Querschnittsflächen, deren Windungszentren 38 desto weiter entlang des Magnetfeldes 2 nach außen versetzt sind, je kleiner die Querschnittsfläche der jeweiligen Kompensationswindung 35 ist. Die innenliegenden Kompensationswindungen 35 mit im Vergleich zu den äußeren Kompensationswindungen 35 kleinerer Querschnittsfläche sind daher weiter nach außen versetzt. Die Kompensationswindungen 35 sollten den Linien gleicher Feldstärke des von den Feldspulen 29 und 30 erzeugten Magnetfeldes 2 folgen. Daher weisen die Kompensationswindungen 35 ein nierenförmiges Querschnittsprofil auf, wobei die Kompensationswindungen 35 mit ihrer konvexen Seite nach außen weisend und mit ihrer konkaven Seite nach innen weisend angeordnet sind. Damit wird das Kompensationsmagnetfeld auf die äußeren Ränder der Kompensationspulen 36 konzentriert. In Figure 5, the arrangement of the compensation coils 36 is shown in plan view. The two compensation coils 36 arranged one behind the other in the z-direction generate opposite magnetic fluxes to each other. For this purpose, the compensation coils 36 are either wound in the opposite direction or wound in the same direction and oppositely poled to a common or connected to an associated power source. The compensation coils 36 further comprise compensation windings 35 with different cross-sectional areas arranged in a surface, the winding centers 38 of which are offset further outward along the magnetic field 2, the smaller the cross-sectional area of the respective compensation winding 35. The inner compensation windings 35 with a smaller cross-sectional area compared to the outer compensation windings 35 are therefore offset further outwards. The compensation windings 35 should follow the lines of equal field strength of the magnetic field 2 generated by the field coils 29 and 30. Therefore, the compensation windings 35 have a kidney-shaped cross-sectional profile, wherein the compensation windings 35 are arranged with their convex side facing outwards and with their concave side facing inwards. Thus, the compensation magnetic field is concentrated on the outer edges of the compensation coils 36.
Zum Nachweis der Homogenität des Magnetfelds 2 im Inneren der Vorrichtung 1 wurden Simulationsrechnungen durchgeführt und die Verteilung des magnetischen Felds im Inneren des Abschirmzylinders 3 berechnet. In order to prove the homogeneity of the magnetic field 2 inside the device 1, simulation calculations were carried out and the distribution of the magnetic field in the interior of the shielding cylinder 3 was calculated.
Figur 6 zeigt eine rückseitige Ansicht eines ersten Oktanten 39 des Modells des Abschirmzylinders 3. Neben dem Abschirm- mantel 5 ist auch die vordere Abdeckung 24 dargestellt, in die neben den Öffnungen 37a-c auch eine weitere Öffnung 37e eingebracht ist. Ferner ist in Figur 6 die Lage von nachfolgend verwendeten Raumpunkten PI bis P8 dargestellt. Es sei angemerkt, dass die Simulationsrechnungen für einen Prototy- pen durchgeführt worden sind, der etwa die halben Abmessungen wie die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung aufweist. Die Koordinaten der Raumpunkte PI bis P8 sind in der im Anhang aufgeführten Tabelle I aufgelistet. Anhand der Tabelle I ist erkennbar, dass die Raumpunkte ein zylinderförmiges Volumen mit einer Höhe von 30 cm und einem Durchmesser von 30 cm aufspannen. Da die Rechnungen auf den linearen Maxwellgleichungen beruhen, gelten die Simulationsrechnungen auch für eine skalierte Vorrichtung, die größer oder kleiner als die Vorrichtung 1 ist. FIG. 6 shows a rear view of a first octant 39 of the model of the shielding cylinder 3. In addition to the shielding jacket 5, the front cover 24 is also shown, into which a further opening 37e is inserted in addition to the openings 37a-c. Furthermore, the position of subsequently used spatial points PI to P8 is shown in FIG. It should be noted that the simulation calculations have been carried out for a prototype which has approximately half the dimensions of the device shown in FIG. The coordinates of the spatial points PI to P8 are listed in Table I listed in the Annex. It can be seen from Table I that the space points span a cylindrical volume with a height of 30 cm and a diameter of 30 cm. Since the calculations are based on the linear Maxwell equations, the simulations also apply to a scaled device that is larger or smaller than the device 1.
In Figur 7 ist ein Diagramm dargestellt, in dem die Ergebnis- se der Simulationsrechnung für die Raumpunkte PI bis P8 dargestellt sind. Anhand Figur 7 ist erkennbar, dass die relative Abweichung der Komponenten Bx, By und Bz des Magnetfelds 2 von einem Magnetfeld Bo in z—Richtung sich im Bereich 10~5 bewegt. Damit ist die Homogenität des Magnetfelds 2 im Bereich der Raumpunkte PI bis P8 um etwa zwei Größenordnungen besser als bei bekannten Vorrichtungen. FIG. 7 shows a diagram in which the results of the simulation calculation for the spatial points PI to P8 are shown. It can be seen from FIG. 7 that the relative deviation of the components B x , B y and B z of the magnetic field 2 from a magnetic field Bo in the z-direction moves in the range 10 ~5 . Thus, the homogeneity of the magnetic field 2 in the region of the spatial points PI to P8 is better by about two orders of magnitude than in known devices.
Zu der großen Homogenität des Magnetfelds 2 trägt der Umstand bei, dass die rücklaufenden Ströme außerhalb des Abschirmzy- linders 3 zurückgeführt werden. Daneben tragen auch die The fact that the returning currents are led back outside the screening cylinder 3 contributes to the great homogeneity of the magnetic field 2. In addition, also carry the
Kompensationsspulen 36 zur Homogenität des Magnetfelds 2 an den Raumpunkten PI bis P8 bei.  Compensation coils 36 for the homogeneity of the magnetic field 2 at the spatial points PI to P8 at.
In Figur 8 ist die relative Abweichung der z-Komponente des Magnetfelds 2 an den Raumpunkten PI bis P8 für fünf verschiedene Längen Ls des Abschirmzylinders 3 und Innenabmessungen Lr des inneren Abschirmraums 8 dargestellt. Die jeweiligen Modellkonfigurationen sind in Tabelle II aufgelistet. Da hier nur das relative Verhalten untersucht wurde, konnte auf die Kompensationsspulen 36 verzichtet werden. Anhand von Figur 8 ist erkennbar, dass die relative Abweichung der z-Komponente des Magnetfelds 2 im Bereich 10~2 liegt. FIG. 8 shows the relative deviation of the z-component of the magnetic field 2 at the spatial points PI to P8 for five different lengths L s of the shielding cylinder 3 and inner dimensions L r of the inner shielding chamber 8. The respective model configurations are listed in Table II. Since only the relative behavior was investigated, it was possible to dispense with the compensation coils 36. It can be seen from FIG. 8 that the relative deviation of the z component of the magnetic field 2 lies in the range 10 -2 .
In Figur 9 ist die über die Raumpunkte PI bis P8 gemittelte relative Abweichung der z-Komponente über die Innenabmessung Lr des inneren Abschirmraums 8 der verschiedenen Modelle dargestellt. Da mit zunehmender Länge Lr des Abschirmraums 8 auch die Länge des Abschirmzylinders 3 zunehmend größer gewählt wurde, ist erkennbar, dass die Homogenität umso besser wird, je länger der Abschirmzylinder 3 ist und je größer der Abstand zwischen dem Abschirmzylinder 3 und der Wand des innersten Abschirmraums 8 ist. Gleichzeitig wird anhand von Figur 8 und 9 deutlich, dass eine geeignete Kompensationsspule 36 an den Enden des Abschirmzylinders 3 erheblich zur Homogenität des Magnetfelds 2 beiträgt, da die Homogenität ohne die Kompensationspulen im Bereich von 10~2 liegt. FIG. 9 shows the relative deviation of the z-component over the inner dimension L r of the inner shielding space 8 of the various models, averaged over the spatial points P 1 to P 8. As the length of the shielding cylinder 3 has been chosen to be progressively greater as the length L r of the shielding space 8 increases, it can be seen that the longer the shielding cylinder 3 is, the greater the homogeneity and the greater the distance between the shielding cylinder 3 and the wall of the innermost one Shielding space 8 is. At the same time With reference to FIGS. 8 and 9, it is clear that a suitable compensation coil 36 at the ends of the shielding cylinder 3 contributes substantially to the homogeneity of the magnetic field 2, since the homogeneity without the compensation coils is in the range of 10 -2 .
Auch die Abhängigkeit der Homogenität des Magnetfelds 2 vom Radius des Abschirmzylinders 3 wurde untersucht. In Figur 10 ist die relative Abweichung der z-Komponente des Magnetfelds 2 für die Raumpunkte PI bis P8 bei konstanter Länge des Abschirmzylinders 3 entlang der y-Achse und verschiedenen Querschnittsabmessungen entlang der x-Achse und der z-Achse dargestellt. Die Abmessungen der verwendeten Modelle F bis H sind in Tabelle III im Anhang aufgelistet, wobei sich die Längenangaben in x-, y- und z-Richtung auf das in Figur 1 dargestellte kartesische Koordinatensystem beziehen . Anhand Figur 10 ist erkennbar, dass der Radius keinen wesentlichen Einfluss auf die Homogenität des Magnetfelds 2 hat, wenn die Länge des Abschirmzylinders 3 konstant gehalten wird . Die Bedeutung des vorderseitigen und rückseitigen Abschlusses des Abschirmzylinders 3 wird auch anhand Figur 11 deutlich, in der ein Diagramm die relative Abweichung der z-Komponente für die Raumpunkte PI bis P8 für den Fall veranschaulicht, dass in der vorderen Abdeckung 24 oder der hinteren Abdeckung 23 den Öffnungen 37a-d entsprechende Öffnungen ausgebildet sind. Die relativen Abweichungen sind dabei jeweils auf den Fall bezogen, dass keine den Öffnungen 37a-d entsprechenden Ausnehmungen in der hinteren Abdeckung 23 und der vorderen Abdeckung 24 enthalten sind. Ein Modell hl bezieht sich auf den Fall, dass die Öffnungen 37a und 37b an der vorderenThe dependence of the homogeneity of the magnetic field 2 on the radius of the shielding cylinder 3 was also investigated. FIG. 10 shows the relative deviation of the z-component of the magnetic field 2 for the spatial points PI to P8 at a constant length of the shielding cylinder 3 along the y-axis and different cross-sectional dimensions along the x-axis and the z-axis. The dimensions of the models F to H used are listed in Table III in the appendix, with the lengths in the x, y and z directions referring to the Cartesian coordinate system shown in FIG. It can be seen from FIG. 10 that the radius has no significant influence on the homogeneity of the magnetic field 2 when the length of the shielding cylinder 3 is kept constant. The meaning of the front and rear ends of the shielding cylinder 3 will be also apparent from FIG. 11, in which a diagram illustrates the relative deviation of the z-component for the space points PI to P8 in the case where the front cover 24 or the rear cover 23 the openings 37a-d corresponding openings are formed. The relative deviations are respectively related to the case that no recesses corresponding to the openings 37a-d are included in the rear cover 23 and the front cover 24. A model hl refers to the case that the openings 37a and 37b at the front
Abdeckung 24 ausgebildet sind. Ein weiteres Modell h3 simuliert den Fall, dass die Öffnung 37c oben an der vorderen Abdeckung 24 vorhanden ist und ein Modell h4 bezieht sich auf den Fall, dass die Öffnung 37d unten an der vorderen Abdeckung 24 ausgebildet ist. Jede dieser Öffnungen führt dazu, dass sich die Homogenität des Magnetfelds 2 verschlechtert. Cover 24 are formed. Another model h3 simulates the case that the opening 37c at the top of the front Cover 24 is present and a model h4 refers to the case that the opening 37d is formed at the bottom of the front cover 24. Each of these openings causes the homogeneity of the magnetic field 2 to deteriorate.
Letzteres ist auch der Fall, wenn bei der Montage oder bei der Herstellung des Abschirmzylinders 3 Ungenauigkeiten auftreten. Das in Figur 12 dargestellte Diagramm zeigt die Abhängigkeit der Relativgenauigkeit der z-Komponente des Magnetfelds 2 für die verschiedenen Messpunkte PI bis P8 für verschiedene Herstellungsfehler. Diese Herstellungsfehler entsprechen etwa den zu erwartenden mechanischen Toleranzen. Die durch derartige mechanische Deformationen entstehenden Fehler im Magnetfeld 2 können durch Anpassung der Ströme in der Trimmwindungen 33 und in den Kompensationsspulen 36 jedoch nahezu vollständig kompensiert werden. The latter is also the case if 3 inaccuracies occur during assembly or in the production of the shielding cylinder. The diagram shown in FIG. 12 shows the dependence of the relative accuracy of the z component of the magnetic field 2 for the different measuring points PI to P8 for different manufacturing errors. These manufacturing defects correspond approximately to the expected mechanical tolerances. However, the errors in the magnetic field 2 resulting from such mechanical deformations can be almost completely compensated by adjusting the currents in the trim turns 33 and in the compensation coils 36.
Anhand der Figuren 13 bis 15 kann schließlich der Einfluss einer in Figur 13 dargestellten Öffnung 40 im Abschirmmantel 5 veranschaulicht werden. Diese Öffnung 40 befindet sich im Wesentlichen oberhalb des von den Raumpunkten PI bis P8 aufgespannten Messvolumens. Falls die Permeabilität im Bereich der Öffnung 40 abnimmt, verschlechtert sich die Homogenität des Magnetfelds 2 im Inneren des Abschirmzylinders 3, wie in Figur 14 dargestellt. Figur 14 zeigt ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der relativen Abweichung der z- Komponente des Magnetfeldes 2 von der Permeabilität im Bereich der Öffnung 40 dargestellt ist. Figur 15 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem in Figur 14 dargestellten Diagramm. Anhand Figur 15 wird erkennbar, dass die Permeabilität nur um etwa ±20 % um die Permeabilität im Abschirmmantel 5 von μΓ = 25000 variieren darf, um die Homogenität des Magnetfelds 2 im Inneren des Abschirmzylin- ders 3 im Bereich von 10~5 zu halten. Bei der hier beschriebenen Vorrichtung ist das Innere des Abschirmzylinders 3 frei zugänglich, ohne dass die Windungen 28 aufgetrennt werden müssen. Es sei ferner nochmals betont, dass die hier beschriebene Vorrichtung beliebig skalierbar ist. Insofern kann auch in größeren Volumina als dem von dem Raumpunkten PI bis P8 aufgespannten Messvolumen ein homogenes Magnetfeld mit einer relativen Abweichung von 10~5 erzeugt werden. Ebenso können homogene Magnetfelder für sehr kleine Messaufbauten, die sich beispielsweise in Messgeräte integrieren lassen, hergestellt werden . Finally, the influence of an opening 40 shown in FIG. 13 in the shielding jacket 5 can be illustrated with reference to FIGS. 13 to 15. This opening 40 is located substantially above the measuring volume spanned by the spatial points PI to P8. If the permeability in the region of the opening 40 decreases, the homogeneity of the magnetic field 2 in the interior of the shielding cylinder 3 deteriorates, as shown in FIG. FIG. 14 shows a diagram in which the dependence of the relative deviation of the z component of the magnetic field 2 on the permeability in the region of the opening 40 is shown. FIG. 15 shows an enlarged detail of the diagram shown in FIG. It can be seen from FIG. 15 that the permeability may vary only by about ± 20% by the permeability in the shielding jacket 5 of μΓ = 25,000 in order to keep the homogeneity of the magnetic field 2 in the interior of the shielding cylinder 3 in the range of 10 ~5 , In the apparatus described here, the interior of the shielding cylinder 3 is freely accessible without the windings 28 having to be separated. It should also be emphasized once again that the device described here is arbitrarily scalable. In this respect, even in larger volumes than the measuring volume spanned by the spatial points PI to P8, a homogeneous magnetic field with a relative deviation of 10 -5 can be generated. Likewise, homogeneous magnetic fields can be produced for very small measurement setups, which can be integrated, for example, in measuring instruments.
Die Abschirmung gegenüber äußeren Feldern wird durch die ineinander geschachtelten Abschirmungen 8 bis 11 bewerkstelligt. Dabei sind Schirmfaktoren von 100.000 bei 0,01 Hz bei 4 m äußerer Kantenlänge erzielbar. Der Schirmfaktor solcher Abschirmungen ergibt sich aus dem Verhältnis einer äußeren sinusförmigen Anregung mit etwa 2 μΤ von Spitze zu Spitze und einer Frequenz von 0,01 Hz verglichen mit den maximal auftretenden Magnetfeldschwankung von 0.01 Hz im Inneren. Durch aktive Kompensation von äußeren Störfeldern mit Hilfe der äußeren Helmholtz-Spulen-Anordnung 13 und einem Fluxgate- Magnetometer können die Fluktuationen im Inneren auf 100 fT bei 0,01 Hz reduziert werden. The shielding against external fields is accomplished by the nested shields 8 to 11. Shade factors of 100,000 at 0.01 Hz with 4 m outer edge length can be achieved. The shielding factor of such shielding results from the ratio of an external sinusoidal excitation of about 2 μΤ peak to peak and a frequency of 0.01 Hz compared to the maximum occurring magnetic field fluctuation of 0.01 Hz in the interior. By actively compensating external noise fields using the outer Helmholtz coil assembly 13 and a fluxgate magnetometer, the internal fluctuations can be reduced to 100 f T at 0.01 Hz.
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung 1 ist, dass die Schirmung von der Erzeugung des Magnetfelds 2 im Inneren des Another advantage of the device 1 is that the shielding is dependent on the generation of the magnetic field 2 inside the
Abschirmzylinders 3 weitest gehend entkoppelt ist. Dadurch können magnetische Restfelder, die durch Fehler in der Abschirmvorrichtung 12 und beim Entmagnetisieren oder Idealisieren der Abschirmvorrichtung 12 entstehen, vom Inneren des Abschirmzylinders 3 ferngehalten werden. Der Abschirmzylinder 3 lässt sich aufgrund fehlender Ecken nahezu vollständig idealisieren, so dass im Inneren des Abschirmzylinders 3 keine zusätzlichen statischen magnetischen Störfelder aufgrund einer unvollständigen Idealisierung vorhanden sind. Die hier beschriebene Vorrichtung 1 kann daher modular aus unabhängigen funktionalen Komponenten aufgebaut werden. Shielding cylinder 3 is largely decoupled. As a result, magnetic residual fields, which arise due to faults in the shielding device 12 and during demagnetization or idealization of the shielding device 12, can be kept away from the interior of the shielding cylinder 3. The shielding cylinder 3 can be almost completely idealized due to missing corners, so that no additional static magnetic interference fields due to incomplete idealization are present in the interior of the shielding cylinder 3. The device 1 described here can therefore be constructed modularly from independent functional components.
Insofern kann für die äußere Abschirmvorrichtung 12 eine kommerzielle Abschirmvorrichtung verwendet werden. Im Vergleich zu einer kommerziell erhältlichen Abschirmung kann jedoch eine um mindestens den Faktor 10 bessere Homogenität des Magnetfeldes 2 als beim Stand der Technik erreicht werden . As such, a commercial shielding device may be used for the outer shielding device 12. In comparison to a commercially available shielding, however, a better homogeneity of the magnetic field 2 by at least a factor of 10 than in the prior art can be achieved.
Schließlich kann die hier beschriebene Vorrichtung 1 auch dazu verwendet werden, einen Leiter für polarisierte Teilchen zu erstellen, in dessen Inneren ein homogenes Magnetfeld ausgebildet ist. Zu diesem Zweck kann der Abschirmzylinder 3 eine Länge aufweisen, die der erforderlichen Länge des Leiters entspricht. Daneben ist es möglich, innerhalb der Abschirmungen 8 bis 11 mehrere Abschirmzylinder 3 hintereinander anzuordnen und jeden der Abschirmzylinder 3 mit einer zugeordneten Leiteranordnung 7 zu versehen. Die Kompensati- onsspulen 36 brauchen dann nur an den beiden Enden der Röhre angeordnet werden, die von den hintereinander angeordneten Abschirmzylindern 3 gebildet ist. Finally, the device 1 described here can also be used to create a polarized particle conductor inside which a homogeneous magnetic field is formed. For this purpose, the shielding cylinder 3 may have a length corresponding to the required length of the conductor. In addition, it is possible to arrange a plurality of shielding cylinders 3 behind one another within the shields 8 to 11 and to provide each of the shielding cylinders 3 with an associated conductor arrangement 7. The Kompensati- onsspulen 36 need then be arranged only at the two ends of the tube, which is formed by the successively arranged Abschirmzylindern 3.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Finally, it should be noted that features and properties associated with a particular
Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist. Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint. Tabelle I:
Figure imgf000024_0001
Embodiment described can also be combined with another embodiment, except if this is excluded for compatibility reasons. Finally, it should be noted that in the claims and in the description, the singular includes the plural unless the context indicates otherwise. In particular, when the indefinite article is used, it means both the singular and the plural. Table I:
Figure imgf000024_0001
Tabelle II: Table II:
Figure imgf000024_0002
Figure imgf000024_0002
Tabelle III:  Table III:
Konfiguration Y X zConfiguration Y X z
F 2,3 1,6 1,6F 2.3 1.6 1.6
G 2,3 1,8 1,8G 2.3 1.8 1.8
H 2,3 2,0 2,0 H 2.3 2.0 2.0

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Erzeugen eines homogenen Magnetfelds mit : 1. Device for generating a homogeneous magnetic field with:
- einer Abschirmvorrichtung zur Abschirmung magnetischer Felder und  - A shielding device for shielding magnetic fields and
- einer mit Strom beaufschlagbaren Leiteranordnung (7), mit der im Inneren der Abschirmvorrichtung ein homogenes Magnetfeld (2) erzeugbar ist,  a conductor arrangement (7), which can be acted upon by current, with which a homogeneous magnetic field (2) can be generated inside the shielding device,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Abschirmvorrichtung einen hohlen Abschirmkörper (3) mit einem um eine Längsachse (4) des Abschirmkörpers (3) umlaufenden Abschirmmantel (5) aufweist, und dass die Leiteranordnung (7) über wenigstens zwei Windungen (28) verfügt, die entlang der Längsachse (4) um den Abschirmmantel (5) des Abschirmkörpers (3) gewickelt sind und die jeweils einen innerhalb des Abschirmkörpers (3) entlang der Längsachse (4) verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitt (20) und einen außerhalb des Abschirmkörpers (3) entlang der Längsachse (4) verlaufenden äußeren Leiterbahnabschnitt (21) aufweisen und die einen in Umfangsrichtung (31) des Abschirmkörpers (3) zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss erzeugen. characterized in that the shielding device comprises a hollow shielding body (3) with a shielding jacket (5) encircling a longitudinal axis (4) of the shielding body (3), and in that the conductor arrangement (7) has at least two windings (28) running along the Longitudinal axis (4) are wound around the shielding shell (5) of the shielding body (3) and each one within the shielding (3) along the longitudinal axis (4) extending inner conductor track portion (20) and one outside of the shielding body (3) along the longitudinal axis (4) extending outer conductor track portion (21) and which generate in the circumferential direction (31) of the shielding (3) opposite each other magnetic flux.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2. Apparatus according to claim 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Windungen (28) Teil von wenigstens zwei Feldspulen (29, 30) sind, die um den Abschirmmantel (5) des Abschirmkörpers (3) gewickelt sind, wobei die Windungen (28) der Feldspulen (29, 30) jeweils einen innerhalb des Abschirmkörpers (3) entlang der Längsachse (4) verlaufenden, inneren Leiterbahnabschnitt (20) und einen außerhalb des Abschirmkörpers (3) entlang der Längsachse (4) verlaufenden, äußeren Leiterbahnabschnitt (21) aufweisen, und dass die wenigstens zwei Feldspulen (29, 30) einen in Umfangsrichtung (31) des Abschirm- körpers (3) zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss erzeugen . characterized in that the turns (28) are part of at least two field coils (29, 30) which are wound around the shielding jacket (5) of the shielding body (3), the turns (28) of the field coils (29, 30) each having a in the shielding body (3) along the longitudinal axis (4) extending, inner conductor track portion (20) and an outside of the shielding body (3) along the longitudinal axis (4) extending outer conductor track portion (21), and in that the at least two field coils (29 , 30) generate a magnetic flux opposite to each other in the circumferential direction (31) of the shielding body (3).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, 3. Apparatus according to claim 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Leiteranordnung (7) zwei Feldspulen (29, 30) aufweist, die an einander gegenüberliegenden Seiten des Abschirmmantels (5) angeordnet sind und die um den Abschirmmantel (5) desThe conductor arrangement (7) has two field coils (29, 30) which are arranged on opposite sides of the shielding jacket (5) and which surround the shielding jacket (5) of the shielding jacket (5)
Abschirmkörpers (3) gewickelt sind und die einen in Umfangs- richtung (31) des Abschirmkörpers (3) zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss erzeugen. Shielding body (3) are wound and the one in the circumferential direction (31) of the shielding (3) generate mutually opposite magnetic flux.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4. Apparatus according to claim 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Abschirmkörper (3) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und dass die im Inneren des Abschirmkörpers (3) verlaufenden Leiterbahnabschnitte (20) bei Projektion auf eine in Richtung des Magnetfeldes (2) verlaufende Raumachse untereinander einen gleichbleibenden Abstand aufweisen. d a d u r c h e g e n e c e s, the shielding body (3) has a circular cross-section and that the conductor track sections (20) running inside the shielding body (3) have a constant spacing when projected onto a spatial axis extending in the direction of the magnetic field (2).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Device according to one of claims 1 to 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Leiteranordnung (7) entlang der Längsachse (4) um dend a d u r c h e k e n e, the conductor arrangement (7) along the longitudinal axis (4) around the
Abschirmmantel (5) des Abschirmkörpers (3) gewickelte Windungen (33) aufweist, mit denen sich ein Magnetfeldgradient im Inneren des Abschirmkörpers (3) erzeugen lässt. Shielding jacket (5) of the shielding (3) wound coils (33), with which a magnetic field gradient can be generated in the interior of the shielding (3).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. Device according to one of claims 1 to 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Abschirmkörper (3) die Längsachse (4) schneidende Öffnungen aufweist. d a d u r c h e k e n e z e i n h e, e s s of the shielding (3) has the longitudinal axis (4) intersecting openings.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 7. Device according to one of claims 1 to 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Abschirmkörper (3) mit der Längsachse (4) liegend angeordnet ist. d a d u r c h e k e n e z e i n h e, t a s s of the shielding (3) with the longitudinal axis (4) is arranged lying.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, 8. Apparatus according to claim 6 or 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Abschirmkörper (3) wenigstens eine Öffnung aufweist, durch die das Innere des Abschirmkörpers (3) ohne ein Auftrennen einer der Windungen (28) zugänglich ist. characterized in that the shielding body (3) has at least one opening through which the interior of the shielding body (3) is accessible without a separation of one of the turns (28).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 9. Device according to one of claims 1 to 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Abschirmkörper (3) eine vorderseitige Öffnung und eine rückseitige Öffnung aufweist und die Leiteranordnung (7) an der vorderseitigen Öffnung und an der rückseitigen Öffnung wenigstens eine sich entlang den Öffnungen des Abschirmkörpers (3) erstreckende Kompensationswindung (35) aufweist. That is, the shielding body (3) has a front opening and a rear opening, and the conductor arrangement (7) has at least one compensating turn (35) extending along the openings of the shielding body (3) at the front opening and at the rear opening.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10. Apparatus according to claim 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Kompensationswindungen (35) entlang den Linien gleicher Feldstärke des magnetischen Feldes verlaufen, das von den innerhalb des Abschirmkörpers (3) entlang der Längsachse (4) verlaufenden inneren Leiterbahnabschnitten (20) erzeugt wird. and the compensating turns (35) extend along the lines of equal field strength of the magnetic field generated by the inner trace portions (20) extending along the longitudinal axis (4) within the shield body (3).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11. The device according to claim 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Leiteranordnung (7) an der vorderseitigen Öffnung und an der rückseitigen Öffnung jeweils mindestens zwei sich entlang der vorderseitige Öffnung und der rückseitigen Öffnung er- streckende Kompensationsspulen (36) aufweist, die in Magnetfeldrichtung hintereinander angeordnet sind und die einen zueinander entgegengesetzten magnetischen Fluss erzeugen. characterized in that the conductor arrangement (7) at the front-side opening and at the rear-side opening in each case at least two compensation coils (36) extending along the front-side opening and the rear opening, which are arranged one behind the other in the magnetic field direction and which have a mutually opposite magnetic Create river.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, 12. Device according to claim 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Kompensationsspulen (36) in einer Fläche angeordnete Kompensationswindungen (35) mit unterschiedlichen Querschnittsflächen umfassen, deren Windungszentren (38) desto weiter nach außen versetzt sind, je kleiner die Querschnitts- fläche der jeweiligen Kompensationswindung (35) ist. characterized in that the compensation coils (36) comprise compensating windings (35) with different cross-sectional areas arranged in a surface, whose winding centers (38) are displaced further outwards the smaller the cross-sectional area of the respective compensation winding (35).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, 13. Device according to claim 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Kompensationswindungen (35) ein nierenförmig ausgebildetes Querschnittsprofil aufweisen und mit ihrer konvexen Seite nach außen und mit ihrer konkaven Seite nach innen weisend angeordnet sind. The compensating windings (35) have a kidney-shaped cross-sectional profile and are arranged with their convex side facing outward and with their concave side facing inwards.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, 14. Device according to one of claims 1 to 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Abschirmkörper (3) von einer wenigstens einwandigen, äußeren Abschirmvorrichtung (8-11, 12) umgeben ist, wobei Wände (18) der Abschirmvorrichtung (8-11, 12) für die Entmag- netisierung der Abschirmvorrichtung (8-11, 12) jeweils mit wenigstens einer Entmagnetisierungswindung umwickelt sind. characterized in that the shielding body (3) by an at least single-walled outer shielding device (8-11, 12) is surrounded, said walls (18) of the shielding device (8-11, 12) for the demagnetization of the shielding device (8-11 , 12) are each wrapped with at least one Entmagnetisierungswindung.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 15. Device according to one of claims 1 to 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Vorrichtung eine außerhalb der Abschirmvorrichtung angeordnete, äußere Kompensationsspulen-Anordnung (13) umfasst. The device comprises an external compensation coil arrangement (13) arranged outside the shielding device.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 16. Device according to one of claims 1 to 15
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Vorrichtung mehrere in Längsrichtung hintereinander angeordnete hohle Abschirmkörper (3) mit zugeordneter Lei- teranordnung (7) aufweist, mit der sich jeweils im Inneren des zugeordneten Abschirmkörpers (3) ein homogenes Magnetfeld erzeugen lässt. The device has a plurality of hollow shielding bodies (3) with associated conductor arrangement (7) arranged one behind the other in the longitudinal direction, with which a homogenous magnetic field can be generated in each case in the interior of the associated shielding body (3).
PCT/EP2012/058660 2011-05-19 2012-05-10 Device for producing a homogenous magnetic field WO2012156278A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011050507.5 2011-05-19
DE102011050507A DE102011050507A1 (en) 2011-05-19 2011-05-19 Device for generating a homogeneous magnetic field

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012156278A1 true WO2012156278A1 (en) 2012-11-22

Family

ID=46146837

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/058660 WO2012156278A1 (en) 2011-05-19 2012-05-10 Device for producing a homogenous magnetic field

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102011050507A1 (en)
WO (1) WO2012156278A1 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10398907B2 (en) 2013-03-14 2019-09-03 The Methodist Hospital Method and apparatus for providing transcranial magnetic stimulation (TMS) to an individual
US9456784B2 (en) 2013-03-14 2016-10-04 The Methodist Hospital Method and apparatus for providing transcranial magnetic stimulation (TMS) to a patient
US11730970B2 (en) 2013-03-14 2023-08-22 The Methodist Hospital Method and apparatus for providing transcranial magnetic stimulation (TMS) to an individual
US10874870B2 (en) 2016-05-05 2020-12-29 The Methodist Hospital Method and apparatus for providing transcranial magnetic stimulation (TMS) to an individual
WO2021257967A1 (en) 2020-06-19 2021-12-23 The Methodist Hospital Dba Houston Methodist Hospital Method and apparatus for oncomagnetic treatment

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5642087A (en) * 1994-10-25 1997-06-24 Sandia Corporation Generating highly uniform electromagnetic field characteristics

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5642087A (en) * 1994-10-25 1997-06-24 Sandia Corporation Generating highly uniform electromagnetic field characteristics

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"measuring the neutron edm", 14 April 2010 (2010-04-14), XP055037972, Retrieved from the Internet <URL:http://www.jyu.fi/static/fysiikka/tcp2010/Paul.pdf> [retrieved on 20120912] *
"Progress Report 2007 do eksperymentu R-05-03.1", 28 January 2008 (2008-01-28), XP055037993, Retrieved from the Internet <URL:http://users.uj.edu.pl/~ufbodek/var/Dodatek_B.pdf> [retrieved on 20120912] *
ALTAREV I ET AL: "Towards a new measurement of the neutron electric dipole moment", NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH. SECTION A: ACCELERATORS, SPECTROMETERS, DETECTORS, AND ASSOCIATED EQUIPMENT, ELSEVIER BV * NORTH-HOLLAND, NETHERLANDS, vol. 611, no. 2-3, 1 December 2009 (2009-12-01), pages 133 - 136, XP026778523, ISSN: 0168-9002, [retrieved on 20090805], DOI: 10.1016/J.NIMA.2009.07.046 *
C. CIOFI ET AL., IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, vol. 47, no. 1, 1998, pages 78
GALVAN, A. D.; FILIPPONE, B.; CHEN, J.; PLASTER, B.: "Measurement of the uniformity of a 1/2 scale prototype magnet for the SNS neutron electric dipole moment experiment", ABSTRACT SUBMITTED FOR THE HAW09 MEETING OF THE AMERICAN PHYSICAL SOCIETY, 6 July 2009 (2009-07-06)
KHRIPLOVICH, I. B.; LAMOREAUX, S. K.: "CP Violation Without Strangeness, Electric Dipole Moments of Particles, Atoms, and Molecules", TEXTS AND MONOGRAPHS IN PHYSICS, 1997, pages 35 - 42
MISPELTER ET AL: "Homogeneous resonators for magnetic resonance: A review", COMPTES RENDUS - CHIMIE, ELSEVIER, PARIS, FR, vol. 11, no. 4-5, 19 December 2007 (2007-12-19), pages 340 - 355, XP022577102, ISSN: 1631-0748 *
T. ZIGDON ET AL: "Nonlinear magneto-optical rotation in the presence of a radio-frequency field", OPTICS EXPRESS, vol. 18, no. 25, 6 December 2010 (2010-12-06), pages 25494, XP055037958, ISSN: 1094-4087, DOI: 10.1364/OE.18.025494 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102011050507A1 (en) 2012-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3907927C2 (en)
DE4416907C1 (en) NMR Medical therapy tomograph with homogenising device
EP0586983B1 (en) Gradient coil system for a therapy tomograph
DE3245945C2 (en)
DE4422782C2 (en) Actively shielded transverse gradient coil for magnetic resonance imaging devices
DE102009045774B4 (en) A compact superconducting magnet arrangement with active shielding, wherein the shielding coil is used for field shaping
DE3616078C2 (en)
DE1946059C3 (en) Coil arrangement for field homogenization
DE68909612T2 (en) ARRANGEMENT FOR GENERATING A MAGNETIC FIELD.
DE4424580C2 (en) NMR disc coil
EP0073402A1 (en) Gradient coil system for a nuclear magnetic-resonance technique device
DE112010004900B4 (en) 0pen-Bore magnet for use in magnetic resonance imaging
DE19742548A1 (en) Transport device for nuclear spin polarized gases, especially noble gases, such as the isotopes · 3 · He, · 1 ·· 2 ·· 9 · Xe
DE3333755A1 (en) MAGNETIC DEVICE OF A SYSTEM OF CORE SPIN TOMOGRAPHY WITH A SHIELDING DEVICE
EP0073399B1 (en) Gradient coils system for a device of the nmr technique
WO2012156278A1 (en) Device for producing a homogenous magnetic field
EP3614162B1 (en) Permanently magnetized arrangement for producing a homogeneous field (3d halbach)
DE3340384A1 (en) HIGH-FREQUENCY DEVICE OF A NUCLEAR RESONANCE APPARATUS WITH A SURFACE COIL
DE3877972T2 (en) DEVICE FOR IMAGING BY MEANS OF MAGNETIC CORE RESONANCE, METHOD FOR CORRECTING INHOMOGENICITY AND FABRICATION METHOD OF MAGNETS USED IN THE DEVICE.
DE102018220170A1 (en) Halbach magnet arrangement with notch
EP0222281A1 (en) Nuclear magnetic resonance apparatus
DE102009045373B4 (en) A compact superconducting magnet arrangement with active shielding, wherein the shielding coil attenuates the field maximum of the main field coil
WO1985005448A1 (en) Spin resonance tomograph
DE4324021C2 (en) Therapy tomograph
DE10104054C1 (en) Magnet device with superconductive magnetic coil system e.g. for magnetic resonance imaging or spectroscopy, includes compensation of magnetic field inhomogeneities

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12722323

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12722323

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1