WO2019072567A1 - Sensor für eine kernspinresonanzvorrichtung - Google Patents

Sensor für eine kernspinresonanzvorrichtung Download PDF

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WO2019072567A1
WO2019072567A1 PCT/EP2018/076125 EP2018076125W WO2019072567A1 WO 2019072567 A1 WO2019072567 A1 WO 2019072567A1 EP 2018076125 W EP2018076125 W EP 2018076125W WO 2019072567 A1 WO2019072567 A1 WO 2019072567A1
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sensor
magnetic
magnetic field
planar magnet
segments
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PCT/EP2018/076125
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Reiner Krapf
Ulli Hoffmann
Michael Ledwig
Stefan Wintzheimer
Toni DRIESLE
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention further comprises a nuclear magnetic resonance apparatus with at least one such sensor.
  • Nuclear Magnetic Resonance is used in various engineering applications for measuring material properties.
  • the measurement principle is based on a physical effect in which the material sample to be examined is exposed to external magnetic fields and the change in the magnetization of the atomic nuclei within the material sample in response to the external
  • Magnetic fields is measured.
  • the atomic nuclei in the material sample are first aligned by means of a first magnetic field (BO field).
  • the nuclear spins of the atomic nuclei are in resonance with the first magnetic field, whereby the spins of the atomic nuclei with the so-called Larmor frequency precede the magnetic field lines (Larmor precession).
  • the material sample is subsequently exposed to a second magnetic field (B1 field) oriented orthogonally to the first magnetic field, the atomic nuclei in the first nuclear spin state can change the orientation of their spin by absorbing energy of the second magnetic field.
  • B1 field second magnetic field
  • the second magnetic field is switched off again, with the material sample still remaining exposed to the first magnetic field, an excited nuclear spin state results for the atomic nuclei with the previously deflected nuclear spins, from which they return to the energetically lower first one in a relaxation process
  • KernspinPark return in which their nuclear spins to the Magnetic field lines of the first magnetic field are aligned.
  • the relaxation process takes place by emitting electromagnetic radiation, which manifests itself in a change in the magnetic field.
  • This magnetic field change can be detected as a response signal by means of a suitable detection or measuring device 5 in the form of an antenna or coil.
  • Operating parameters of the nuclear magnetic resonance apparatus can by evaluating the amplitude and the time course of the response signal to the
  • this measuring method is optimally suitable for determining the quantity or
  • the first magnetic field in particular a static magnetic field with 15 defined properties and a second magnetic field as an electromagnetic
  • Alternating field such as a pulsed magnetic field used.
  • nuclear magnetic resonance devices are typically formed in the form of a closed cylinder. This design limits the use of the nuclear magnetic resonance apparatus, as only such material samples are measured
  • a sensor for a nuclear magnetic resonance apparatus for determining at least one material property of one in a useful volume arranged material sample provided.
  • the magnetic resonance apparatus here comprises a magnetic field generating device comprising a planar magnet arrangement for generating a static magnetic field in the
  • the nuclear magnetic resonance apparatus further comprises a measuring device for measuring a response signal based on nuclear magnetic resonance of the material sample arranged in the useful volume, comprising an electrical coil with at least one winding for generating an alternating magnetic field in the useful volume.
  • the Wcklung is arranged between two immediately adjacent magnetic poles of the planar magnet arrangement, so that the magnetic
  • Useful volume with a suitable choice of operating parameters automatically an orthogonality between the field lines of the static magnetic field and the field lines of the alternating magnetic field.
  • a usable volume extending parallel to the nuclear magnetic resonance sensor is defined, in which sufficiently good conditions for an NMR measurement are present.
  • the sensor has a flat construction. Since such a sensor does not enclose the material sample, the size of the material sample to be measured is not limited. In particular, with the aid of such a sensor it is also possible to measure flat objects, such as, for example, a house wall. In this case, due to the flat construction, the sensor can also be designed inter alia as a portable device, e.g. in the form of a hand-held device.
  • the senor is particularly compact due to the flat design.
  • Magnet arrangement a plurality of juxtaposed magnet segments each orthogonal to a second extension direction of the planar
  • Magnet arrangement aligned magnetization directions.
  • the magnet segments which are arranged directly next to one another along the first direction of extent of the planar magnet arrangement, have magnetization directions rotated relative to one another, as a result of which magnetization directions are rotated on the magnet
  • Magnet arrangement to be concentrated.
  • This arrangement which may be formed, for example, in the form of a planar or rolled Halbach array, allows a significant increase in the field strength of the static magnetic field in the useful volume.
  • the necessary high field strength can be achieved with relatively simple magnets, for example with standard magnets.
  • This arrangement also allows a particularly flexible construction of the sensor, wherein the number of magnetic poles and their position along the first direction of extent of the planar magnet arrangement can be adapted to the respective requirements.
  • the electrical coil of the measuring device comprises three juxtaposed windings whose
  • magnetic poles are each arranged between two immediately adjacent magnetic poles of the planar magnet arrangement. This construction provides an optimized arrangement of, with the help of a sufficiently homogeneous magnetic field can be generated in the effective volume. Moreover, this makes it possible to realize a relatively compact sensor module.
  • the electric coil also for measuring a nuclear magnetic resonance in the useful volume
  • the structure can be simplified because no separate coils for excitation and for detection are necessary. However, separate coils can also be used for excitation and detection.
  • the electrical coil is arranged on the front side of the planar magnet arrangement. As a result, the sensitivity of the electrical coil is increased, in particular in the detection of the response signal.
  • the electrical coil is designed in the form of a structured electrically conductive layer.
  • the electric coil can be generated for example by means of a photolithographic process, which allows a particularly high precision.
  • At least one shim coil for homogenizing the static magnetic field generated by the planar magnet arrangement in useful volume is formed in the electrically conductive layer.
  • Such shim coils are very precise Magnetic fields possible.
  • the integration of the shim coil in the electrically conductive layer allows a particularly flat design.
  • the electrical coil is designed in the form of a multiresonant coil.
  • Coil can generate or detect alternating fields with different frequencies. Furthermore, it is also possible with the multiresonant coil to measure different layers simultaneously, wherein the distinction between the individual layers can be made via a field-dependent contrast.
  • Shielding structure of an electrically conductive material having a high magnetic permeability is arranged, which the magnetic segments as
  • Shielding in front of the alternating magnetic field of the electric coil is used.
  • the inner shielding structure By means of the inner shielding structure, the alternating magnetic field generated by the electrical coil can be shielded in the area of the permanent magnets. As a result, mechanical forces are prevented, which on the permanent magnets due to the magnetic or
  • this measure can be used to correct the measuring signal
  • Measurement accuracy of the sensor can be increased.
  • an outer shielding structure made of an electrically conductive material having a high magnetic permeability is arranged, which of the electric coil as a shield against
  • the outer shielding structure allows unwanted electromagnetic influences to be applied to the magnetic shield
  • Prevent coil This can increase the accuracy of measurement. By using a material having a high magnetic permeability, an undesirable damping of the static magnetic field in the useful volume can be prevented.
  • outermost magnetic permeability By using a material having a high magnetic permeability, an undesirable damping of the static magnetic field in the useful volume can be prevented.
  • Shielding structure has resonant structures, which for targeted
  • Shielding electromagnetic interference fields with frequencies in the range of the network frequency serve.
  • a shielding structure can be produced which shields only interference signals of specific frequencies. This is particularly necessary for frequencies in the range of the network frequency, since such interference fields are common in technical applications
  • the measurement accuracy can be significantly increased.
  • Magnetic field generating device a carrier plate of a
  • Magnetic segments can be relatively easily installed and removed. This makes it possible to remove the magnetic segments, for example, for transport from the carrier plate. Furthermore, the static magnetic field can be damped by twisting or swapping the magnet segments within the carrier plate for the transport or storage of the sensor. In addition, the magnet segments can also be replaced individually, whereby an adaptation of the static magnetic field to the respective application is possible.
  • the magnet segments of the magnet arrangement is rotatably formed within the carrier plate. This makes it possible to adapt the static magnetic field by turning the individual magnet segments to the respective specifications.
  • the static magnetic field in the useful volume can be reduced by a suitable rotation of specific magnet segments, which is advantageous in particular for the storage and transport of the nuclear magnetic resonance apparatus.
  • Magnetic field generating device by juxtaposing a plurality of carrier plates in at least one of the two directions of extension of the planar magnet assembly is modular expandable. This modular design allows flexible adjustment of the sensor size along the two
  • magnetic segments are formed in an edge region of the planar magnet arrangement to generate a static magnetic field with a higher magnetic field strength than magnetic segments in a central region of the planar magnet arrangement.
  • a weakening of the magnetic field strength can be counteracted, which typically occurs in the edge regions of the magnet arrangement.
  • magnetic field strength is achieved in the edge region of the planar magnet assembly by magnetic segments having a higher magnetization and / or a greater vertical extent, as magnetic segments in the central region of the planar magnet assembly.
  • Magnet arrangement a particularly flat design of the sensor can be achieved.
  • Magnetic arrangement Magnetic segments with the maximum magnetization can be used. As a result, a significantly higher field strength in the total useful volume can be achieved overall.
  • Edge region of the planar magnet arrangement can be realized by means of standard magnets.
  • the magnetic field generating device can be particularly simple and inexpensive to build.
  • at least a part of the magnet segments of the planar magnet arrangement has a sheath made of a plastic.
  • the distance between the individual can be determined by means of the thickness of the plastic coating
  • Plastic coating better handling of the magnet segments, during installation and removal and the transport of the sensor.
  • a nuclear magnetic resonance device comprising a corresponding sensor is provided.
  • the nuclear magnetic resonance device is designed to have at least one material property of one in one
  • Effective volume arranged material sample for several measurement layers to determine independently.
  • the nuclear magnetic resonance device comprises a lifting device for adjusting the distance between the sensor and a material sample arranged in the useful volume.
  • the lifting device comprises at least one electrically and / or manually driven actuator. With the aid of such a lifting device, depth-dependent measured values can be generated in a simple manner. As a result, an accurate depth profile of the measured material sample can be created.
  • the actuator comprises a first actuator part carrying the sensor and a second actuator part arranged movably therewith with a support surface for placement on a contact surface fixedly arranged relative to the material sample.
  • the first actuator part is designed in the form of an electric motor while the second actuator part is designed in the form of a spindle driven by the electric motor.
  • a Spindle drive allows a particularly precise adjustment of the height of the sensor.
  • the lifting device comprises a plurality of actuators distributed along the circumference of the sensor. This allows a particularly stable and precise height adjustment.
  • FIG. 1 shows a sensor for a nuclear magnetic resonance apparatus comprising a magnetic field generating device with a planar magnet arrangement and a measuring device in a schematic cross-sectional representation
  • FIG. 2 is a plan view of the magnetic field generating device of the sensor with the planar magnet arrangement of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic side view of the planar magnet arrangement with eleven magnet segments arranged side by side, each with magnetization directions rotated by 45 °;
  • Fig. 4 is a side view of a planar magnet arrangement with a in
  • Fig. 5 is a plan view schematically of the planar magnet assembly with four magnetic poles and a three coil electrical coil;
  • FIG. 6 is a plan view of an electrical coil with three developments produced by patterning an electrically conductive layer
  • Fig. 7 is a side view of the planar magnet assembly of Figure 4 and formed in the electrically conductive layer electrical coil to
  • Fig. 8 is a side view of the planar magnet assembly of Fig. 4 and the electrical coil of Fig. 7 illustrating the superposition of the magnetic fields generated by the planar magnet assembly and the electrical coil;
  • Fig. 9 is a plan view of a sensor with a three side by side
  • FIG. 10 is a plan view of a sensor with a four adjacent magnetic poles arranged planar magnet assembly and three juxtaposed windings having electrical coil.
  • 1 1 shows schematically a plan view of a planar magnet arrangement of separate magnet segments, which are arranged in the form of a 1x1 1 matrix;
  • FIG. 12 schematically shows a plan view of a planar magnet arrangement comprising a total of eleven prism-shaped magnet segments
  • FIG. 13 schematically shows a side view of a planar magnet arrangement comprising a magnet segment extending over the entire width, which has areas with differently oriented magnetization in FIG.
  • Fig. 14 schematically a cross-sectional view through a planar
  • Magnet arrangement with superposed in two planes carrier plates with magnetic segments
  • Fig. 15 is a schematic plan view of the lower support plate to illustrate the specific arrangement of the magnet segments in the lower support plate.
  • FIG. 16 schematically shows a side view of a magnetic resonance apparatus comprising a sensor and a lifting device for adjusting the
  • the nuclear magnetic resonance sensor according to the invention is characterized by a flat design, which allows an outwardly open measuring system, which can also be extended by a series of multiple sensors.
  • the flat design of the sensor is achieved by a special arrangement of permanent magnets for generating a B0 field and a special arrangement of at least one electric coil for generating a B1 field.
  • 1 shows schematically a cross section through such a nuclear magnetic resonance sensor 100.
  • the sensor 100 in this case comprises a magnetic field generating device 101 for generating a static
  • Magnetic field generating device 101 and the useful volume 200 arranged measuring device 102 for generating an excitation signal (B1 field) in the useful volume 200 and for measuring the subsequent response signal.
  • the magnetic field generating device 101 includes a planar
  • magnet segments 1211, 1212, 1213 may also have other suitable shapes, for example cylindrical or round.
  • Magnetic field generating device 101 further comprises a support plate 1 10, which serves as a matrix for receiving the magnet segments 1211, 1212, 1213.
  • the support plate 1 10 a plurality of openings 11 1, in each of which a magnetic segment 1211, 1212, 1213 is arranged.
  • the openings 1 11 define the position and orientation of the magnet segments 1211, 1212, 1213 to each other.
  • the special arrangement of the magnet segments within the magnet arrangement 120 generates a magnetic field with defined properties within a specific spatial area 200, which is arranged directly above the sensor 100 in FIG.
  • the space area 200 defines a
  • the measuring device 102 is designed in the form of a layer stack comprising a plurality of layers 161, 162, 163, 164, 165, 166, 167, 168.
  • the layer stack comprises an electrically conductive layer 164, which is preferably arranged on a carrier substrate 165, preferably a printed circuit board, such as PCB.
  • the electrically conductive layer 164 contains an electrical coil 140 with one or more windings arranged next to each other (not shown here).
  • the electrical coil 140 which was produced in the present exemplary embodiment by structuring the electrically conductive layer 164, forms an essential part of the measuring device 102.
  • the electrical coil 140 generates an alternating magnetic field (B1 field), which is in the useful volume 200 with the magnetic field of the planar magnet assembly 120 substantially orthogonally superimposed and as an excitation signal for the
  • the electrical coil 140 preferably also simultaneously forms an antenna for detecting the response signal following the excitation signal.
  • alternating field 150 for example, serve a pulsed magnetic field.
  • other time-varying electromagnetic fields can also be used as the excitation signal (B1 field).
  • the electrically conductive layer 164 may also include at least one further electrical coil, in particular a shim coil, for correcting the magnetic energy generated by the electrical coil 140 Contain alternating field.
  • further passive and active components can be arranged on the carrier substrate 165, preferably in the
  • the measuring device 102 may further comprise an outer shielding structure.
  • the shielding structure may have special structuring which serves as resonance structures for the
  • Shielding structure formed in the form of a structured metallic layer 161, which, for example, copper or another not
  • the outer shielding structure 161 is arranged on a separate carrier substrate 162.
  • the carrier substrate 162 may, for example, be in the form of a circuit board and a relatively small one
  • Carrier substrate 162 further comprises a first separation layer 163 with defined
  • the layer thickness is preferably very few
  • the measuring device 102 may further include an inner shielding structure that shields the magnet segments of the planar magnet assembly 120 from the alternating magnetic field of the electrical coil 140. With such an inner shielding structure, it is possible to prevent mechanical forces from acting on the magnet segments due to the alternating magnetic field of the electrical coil 140, which effects a falsification of the measurement signal.
  • the inner shielding structure is in the form of a thin metallic layer 168 arranged between the electrical coil 140 and the magnet segments of the magnet arrangement 120.
  • a material for the inner shielding structure 168 for example, copper or another non-magnetic metal comes into question.
  • the inner shielding structure 168 may be arranged on a separate substrate layer 167, which
  • the substrate layer 167 may consist of any suitable material, in particular a non-magnetic material, such as cardboard or hard paper. Furthermore, between the two electrically conductive layers 164,
  • a second separating layer 166 may be provided, with the help of which the exact distance between the electrical coil 140 and the inner
  • shielding structure 168 Define shielding structure 168.
  • the layer thickness of this separating layer 166 is preferably a few millimeters, for example 2 mm.
  • the separating layer 166 can be formed from any suitable material, for example a non-magnetic material.
  • the measuring device 102 shown in FIG. 1 comprises a total of eight
  • the substrate layer 162 and the release layer 163 may be formed as a common layer.
  • the separating layer 166 may also form a common layer with the substrate layer 165 and / or with the substrate layer 167 (not shown here).
  • the measuring device 102 Due to the layered structure and the small layer thicknesses of the layers 161-168, the measuring device 102 has a relatively low
  • a further separating layer 170 can be provided between the two components.
  • the separating layer 71 is preferably made of a non-magnetic material, such as an acrylic plate.
  • the acrylic plate 170 is preferably made of a non-magnetic material, such as an acrylic plate.
  • Recesses which receives the protruding from the support plate 110 areas of the magnet segments 1211, 1212, 1213.
  • the planar magnet arrangement 120 typically comprises a plurality of magnetic segments arranged side by side in a plane, the number of them and spatial arrangement may vary depending on the particular application.
  • FIG. 2 shows, by way of example, a plan view of a planar magnet arrangement 120 extending in the XY plane with a total of 121 magnetic segments 121 i, 121 n, n arranged within the carrier plate 1 10.
  • Magnetic segments 1211, 1 - 121 n, n are preferably uniform over the
  • Support plate 1 10 distributed and form in the present embodiment, a 1 1x1 1 matrix with 1 1 rows and 1 1 columns.
  • the planar magnet arrangement 120 has a total of four magnetic poles 131, 132, 133, 134, each with alternating magnetic field directions, which are indicated in FIG. 2 by dashed lines.
  • Figure 3 shows a cross section through the planar magnet assembly 120 of Figure 2 along the line 105, wherein the
  • Magnetic segments a special magnet arrangement is achieved, which corresponds essentially to a Halbach array.
  • Such a configuration of permanent magnets allows the magnetic flux to almost cancel on a first side of the magnet assembly while being amplified on the second side opposite to the first side.
  • the magnetic field 130 which is indicated schematically in FIG. 3 by means of the field lines, is mainly concentrated on the front side 103 of the planar magnet arrangement 120 facing the useful volume 200, while it on the back 104 of the planar magnet assembly 120 is relatively weak.
  • Magnetic segments 1211, 5, 12111, 5 arranged at the edge of the magnet arrangement are each rotated by 90 ° with respect to their neighbors. This reduces possible distortions of the static magnetic field 130 in the edge region 127 of the magnet arrangement.
  • the angle of rotation between adjacent magnet segments basically vary depending on the particular application. In particular, when using a larger number of separate magnetic segments, a smaller angle of rotation can be used than with a smaller number of magnetic segments. To a weakening of the static magnetic field 130 in the edge regions
  • FIG. 4 shows a corresponding planar magnet arrangement 120 with magnet segments of different height 1211, 5 - 12111, 5. Due to the compensation of the magnetic field weakening in the edge regions 127 of the magnet arrangement 120, the two outer ones have
  • Subsections 135, 137 of the static magnetic field 130 are substantially the same stronger as the central portion 136 of the static magnetic field 130. This results in a substantially homogeneous field strength of the static magnetic field 130 in the different measuring layers of
  • Useful volume 200 For reasons of clarity, only three of the useful volumes 200 defining measuring layers by means of the lines 201, 202, 203 are indicated in Figure 4. As shown here, are the
  • Measuring layers 201, 202, 203 preferably above the electrical coil 140. Due to the high homogeneity of the magnetic fields realized in the measuring layers, it is possible to measure different atomic nuclei simultaneously. It can be a Differentiation of the different atomic nuclei can be made by means of T1 / T2 relaxation.
  • Magnet assembly 120 is shown schematically in FIG. It can be seen here that the electrical coil 140 in the present exemplary embodiment comprises a total of three windings 141, 142, 143. In this case, the windings or the inner regions of the windings are each arranged between two directly adjacent magnetic poles 131, 132, 133, 134.
  • FIG. 6 shows a possible design of an electrical coil 140 with three windings 141, 142, 143 arranged next to one another, which was produced by structuring the electrically conductive layer 164 by way of example.
  • the juxtaposed windings 141, 142, 143 of the electrical coil 140 shown in FIG. 6 are in the form of partial coils, each partial coil comprising two windings in the present case.
  • the number of turns per coil may vary depending on the application.
  • a multiresonant coil different layers of the useful volume 200 can be measured simultaneously. The distinction of the different ones
  • Layers can be done by means of a field-dependent contrast.
  • a magnetic field-dependent contrast agent can be used.
  • FIG. 7 shows one of the arrangements which corresponds to the configuration from FIG. 4, in which case only the alternating magnetic field 150 of FIG
  • the magnetic alternating field 150 generated by the three partial coils 141, 142, 143 during operation has a total of three magnetic poles 151, 152, 153 on the upper side facing the useful volume 200.
  • FIG. 8 shows a superimposition of the static magnetic field 130 from FIG. 4 and the alternating magnetic field 150 from FIG. 7.
  • the two magnetic fields 130, 150 are mutually offset magnetic poles each having a magnetic pole 151, 152, 153 of the alternating magnetic field 150 is arranged substantially centrally between two immediately adjacent magnetic poles 131, 132, 133, 134 of the static magnetic field 130. Due to this special arrangement, it follows that the field lines of the two magnetic fields 130, 150 in which by the usable
  • Measuring layers 201, 202, 203 defined useful volume 200 are substantially orthogonal to each other. It can by a corresponding
  • Adjustment of the operating parameters or the configuration of an optimized for NMR measurement field distribution in the useful volume 200 can be achieved.
  • the senor 100 can also be produced in different sizes. In this case, the number of magnetic segments used may vary with the number of sub-coils. 9 shows a miniaturized version of the sensor 100 from FIG. 5.
  • the sensor 100 has a planar magnet arrangement 120 with a total of 41 41 arranged in a 7 ⁇ 6 matrix
  • the electrical coil 41 has only two turns or partial coils 141, 142.
  • FIG. 10 shows an enlarged version of the sensor 100 from FIG. 5.
  • the enlarged sensor 100 has a planar
  • Magnet assembly 21 with a total of 150 arranged in a 15x10 matrix magnet segments on.
  • the static magnetic field on the front side of the planar magnet arrangement 120 has a total of five magnetic poles 131, 132, 133,
  • the electrical coil 41 comprises a total of four coils or partial coils 141, 142, 143, 144.
  • the magnet segments of the planar magnet arrangement 120 can also be arranged without gaps against each other.
  • FIG. 11 shows a correspondingly designed planar magnet arrangement 120.
  • planar magnet arrangement basically also be generated by a juxtaposition of elongated magnetic segments.
  • FIG. 12 shows a corresponding planar one
  • Magnet arrangement 21 which comprises a total of eleven in the first Warreckungsnchtung X side by side arranged bar or rod-shaped magnet segments.
  • FIG. 13 shows a planar magnet arrangement 120 with a single magnet segment 121, which
  • immediately adjacent sections of the magnet segment 121 each have magnetization directions rotated by a certain angle.
  • Such a permanent magnet can be generated for example by sintering.
  • FIG. 14 shows a
  • Magnetization device 101 an additional support plate 1 12, which is mounted below the first support plate 1 10.
  • the second carrier plate 1 12 has only in its edge regions 127 magnetic segments 124i, s - 124ii, 5. In the central region 128 of the second carrier plate 1 12, however, no magnetic segments are present. Due to the superimposition of the magnetic fields in the edge regions 121 of the magnet arrangement one above the other
  • FIG. 15 shows a plan view of the additional carrier plate 12 of FIG. 14. It can be seen here that the additional carrier plate 12 also has additional magnet segments 124i, i-12111, 11 in a middle region in the X-direction. To better illustrate the distribution of
  • Magnet segments 124i, i - 121 n, n within the support plate 1 12 are the Openings 1 13 of the support plate 112, in which no corresponding
  • Magnetic segment is shown with a dash-dot line.
  • the static magnetic field 130 of the magnetic field generating device 101 can be modified in the desired manner. Furthermore, it is also possible to arrange the magnet segments in more than two levels one above the other.
  • the use of a carrier plate with removable magnets allows a relatively simple change of the magnet assembly. As a result, the planar magnet arrangement can basically be adapted to the respective application.
  • the static magnetic field (B0 field) by turning individual
  • Magnetic segments within the carrier plate for the transport or storage of the sensor damped or even almost completely compensated An analogous reduction of the magnetic field can be achieved by interchanging the position of individual magnet segments within the carrier plate.
  • FIG. 16 shows by way of example a nuclear magnetic resonance apparatus 300 arranged on a base plate 400.
  • the nuclear magnetic resonance apparatus 300 comprises a sensor 100 arranged within a housing 180, a housing 180 accommodating the sensor 100 and a mechanical lifting device 310 arranged on the housing for adjusting the distance between the sensor 100 and a material sample arranged underneath.
  • Essentially sensor analogous to the sensor of FIG. 4 comprises a magnetic field generation device 101 with a sensor
  • Magnetic arrangement 120 for generating a static magnetic field 130 and a measuring device 102 with an electrical coil 140 for generating an alternating magnetic field 150 In the present example, however, the sensor 100 is rotated by 180 °, so that the magnetic arrangement
  • the nuclear magnetic resonance device 300 may determine certain material properties of the bottom plate 400, which in the present example serves as a material sample. In principle, however, it is also possible to measure material samples which are arranged on or under the bottom plate 400 or inside the bottom plate 400.
  • the mechanical lifting device 310 comprises one or more manually or electrically operated actuators 320, 330, which are preferably distributed along the outer circumference of the housing 180. In particular, four actuators each arranged at the corners of the housing 180 may be provided. In the figure 16 a total of two actuators 320, 330 are shown, which are arranged on two opposite sides of the housing 180. The actuators 320, 330 are in the present
  • Embodiment arranged on the outside of the housing 180.
  • the actuators 320, 330 may be disposed within the housing 180 (not shown).
  • the actuators 320, 330 each include a first actuator part 321 connected to the housing 180 and a second actuator part 322, 332 which is movable with a bearing surface 323, 333 on the surface 410 of the bottom plate 400 serving as the material sample.
  • the actuators 320, 330 are in the
  • the second actuator part 322, 332 in each case forms an electric motor while the first actuator part 321, 331 is designed in the form of a spindle driven by the electric motor.
  • Such a construction allows a particularly fine and accurate adjustment.
  • the first actuator part 321, 331 is displaced relative to the respective second actuator part 322, 332. Coordinated movement of all the actuators results in a desired lifting movement of the sensor 100 relative to the bottom plate 400. For this reason, depth-dependent measured values can be generated with the help of the lifting device 300 in a relatively simple manner, with the aid of which a depth profile of the bottom plate 400 or one with the bottom plate 400 stationary bonded material sample can be generated.
  • the lifting device is preferably controlled by means of a suitable control device.
  • This control device may for example be an integral part of the control and evaluation of the nuclear magnetic resonance apparatus.
  • a self-sufficient control device for controlling the stroke movement of the sensor 100 is possible.
  • manually operated actuators can be used, which have, for example, a manual latching with predefined distances.
  • FIG. 16 shows further components of the nuclear magnetic resonance apparatus 300, such as e.g. the control and evaluation device or the power supply device, not shown.
  • the nuclear magnetic resonance apparatus may comprise one or more of the NMR sensors described herein.
  • a typical nuclear magnetic resonance apparatus further comprises other components, such as e.g. a tax and

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Abstract

Es wird ein Sensor (100) für eine Kernspinresonanzvorrichtung (300) zum Bestimmen wenigstens einer Materialeigenschaft einer in einem Nutzvolumen (200) angeordneten Materialprobe beschrieben. Die Kernspinresonanzvorrichtung (300) umfasst dabei: - eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (101) umfassend eine planare Magnetanordnung (120) zum Erzeugen eines statischen Magnetfelds (130, 135, 136, 137) in dem Nutzvolumen (200), wobei die planare Magnetanordnung (120) auf einer dem Nutzvolumen (200) zugewandten Vorderseite (103) mehrere magnetische Pole (131, 132, 133, 134) aufweist, welche entlang einer ersten Erstreckungsrichtung (X) der planaren Magnetanordnung (120) mit jeweils alternierender Ausrichtung nebeneinander angeordnet sind, und - eine Messeinrichtung (102) zum Messen eines auf Kernspinresonanz der im Nutzvolumen (200) angeordneten Materialprobe basierenden Signals umfassend eine elektrische Spule (140) mit wenigstens einer Wicklung (141, 142, 143, 144) zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds (150, 154, 155) in dem Nutzvolumen (200), wobei die Wcklung (141, 142, 143, 144) zwischen zwei unmittelbar benachbarten magnetischen Polen (131, 132, 133, 134) der planaren Magnetanordnung (120) angeordnet ist, so dass sich das magnetische Wechselfeld (150, 154, 155) der elektrischen Spule (140) im gesamten Nutzvolumen (200) im Wesentlichen orthogonal mit dem statischen Magnetfeld (130, 135, 136, 137) der planaren Magnetanordnung (120) überlagert.

Description

Beschreibung Titel
Sensor für eine Kernspinresonanzvorrichtung
Die Erfindung betrifft einen Sensor für eine Kernspinresonanzvorrichtung mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung umfassend eine planare
Magnetanordnung und eine Messeinrichtung. Die Erfindung umfasst ferner eine Kernspinresonanzvorrichtung mit wenigstens einem solchen Sensor.
Kernspinresonanz bzw. magnetische Kernresonanz (NMR, engl, nuclear magnetic resonance) wird in verschiedenen technischen Anwendungen zum Messen von Materialeigenschaften verwendet. Das Messprinzip basiert dabei auf einem physikalischen Effekt, bei dem die zu untersuchende Materialprobe externen Magnetfeldern ausgesetzt und die Änderung der Magnetisierung der Atomkerne innerhalb der Materialprobe als Reaktion auf die externen
Magnetfelder gemessen wird. Insbesondere werden die Atomkerne in der Materialprobe zunächst mittels eines ersten Magnetfeldes (BO-Feld) ausgerichtet. In dieser Anordnung befinden sich die Kernspins der Atomkerne in Resonanz mit dem ersten Magnetfeld, wobei die Spins der Atomkerne mit der sogenannten Larmorfrequenz um die Magnetfeldlinien (Larmorpräzession) präzidieren. Wird die Materialprobe anschließend einem zweiten Magnetfeld (B1 -Feld) ausgesetzt, welches orthogonal zum ersten Magnetfeld ausgerichtet ist, so können die sich im ersten Kernspinzustand befindliche Atomkerne die Orientierung ihres Spins durch Absorption von Energie des zweiten Magnetfelds ändern. Wird das zweite Magnetfeld wieder abgeschaltet, wobei die Materialprobe weiterhin dem ersten Magnetfeld ausgesetzt bleibt, ergibt sich für die Atomkerne mit den zuvor ausgelenkten Kernspins ein angeregter Kernspinzustand, aus dem sie in einem Relaxationsprozess wieder in den energetisch niedrigeren ersten
Kernspinzustand zurückkehren, in welchem ihre Kernspins an den Magnetfeldlinien des ersten Magnetfelds ausgerichtet sind. Der Relaxations- prozess erfolgt dabei unter Emission elektromagnetischer Strahlung, welche sich in einer Magnetfeldänderung bemerkbar macht. Diese Magnetfeldänderung lässt sich als Antwortsignal mithilfe einer geeigneten Detektions- bzw. Messeinrichtung 5 in Form einer Antenne bzw. Spule erfassen. Bei geeigneter Wahl der
Betriebsparameter der Kernspinresonanzvorrichtung kann durch Auswertung der Amplitude und des zeitlichen Verlaufs des Antwortsignals auf die
Relaxationszeiten der Kernspins und damit auf die Menge bzw. Konzentration bestimmter Atome in der Materialprobe geschlossen werden. Da mittels
l o Kernspinresonanz insbesondere Wasserstoffatome detektiert werden können, eignet sich diese Messmethode optimal zur Bestimmung der Menge bzw.
Verteilung von Wasser in der Materialprobe.
Dabei wird als erstes Magnetfeld insbesondere ein statisches Magnetfeld mit 15 definierten Eigenschaften und als zweites Magnetfeld ein elektromagnetisches
Wechselfeld, wie zum Beispiel ein gepulstes Magnetfeld, verwendet.
Um eine optimale Kernresonanz-Messung zu erzielen, sind besonders präzise und homogene Magnetfelder in dem zu messenden Volumen bzw. in der zu
20 messenden Schicht notwendig. Insbesondere muss auch die Orthogonalität der
Magnetfelder in dem Nutzvolumen sichergestellt werden. Aus diesem Grund werden Kernspinresonanzvorrichtungen typischerweise in Form eines geschlossenen Zylinders ausgebildet. Diese Bauweise schränkt die Verwendung der Kernspinresonanzvorrichtung ein, da nur solche Materialproben gemessen
25 werden können, welche in das Innere des Zylinders hineinpassen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zum Messen größerer Beziehung weise flächige Materialproben mithilfe der Kernspinresonanz bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 30 sowie durch eine Kernspinresonanzvorrichtung gemäß Anspruch 20 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung ist ein Sensor für eine Kernspinresonanzvorrichtung zum 35 Bestimmen wenigstens einer Materialeigenschaft einer in einem Nutzvolumen angeordneten Materialprobe vorgesehen. Die Kernspinresonanzvorrichtung umfasst dabei eine Magnetfelderzeugungseinrichtung umfassend eine planare Magnetanordnung zum Erzeugen eines statischen Magnetfelds in dem
Nutzvolumen, wobei die planare Magnetanordnung auf einer den Nutzvolumen zugewandten Vorderseite mehrere magnetische Pole aufweist, welche entlang einer ersten Erstreckungsrichtung der planaren Magnetanordnung mit jeweils alternierender Ausrichtung nebeneinander angeordnet sind. Die Kernspinresonanzvorrichtung umfasst ferner eine Messeinrichtung zum Messen eines auf Kernspinresonanz der im Nutzvolumen angeordneten Materialprobe basierenden Antwortsignals umfassend eine elektrische Spule mit wenigstens einer Wicklung zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds in dem Nutzvolumen. Dabei ist die Wcklung zwischen zwei unmittelbar benachbarten magnetischen Polen der planare Magnetanordnung angeordnet, so dass sich das magnetische
Wechselfeld der elektrischen Spule im Nutzvolumen im Wesentlichen orthogonal mit dem statischen Magnetfeld der planaren Magnetanordnung überlagert.
Aufgrund der speziellen Anordnung der Magnetpole der beiden Magnetfelder, wobei die Magnetpole des magnetischen Wechselfelds jeweils versetzt zu den Magnetpolen des statischen Magnetfelds angeordnet sind, stellt sich im
Nutzvolumen bei geeigneter Wahl der Betriebsparameter automatisch eine Orthogonalität zwischen den Feldlinien des statischen Magnetfelds und den Feldlinien des magnetischen Wechselfelds ein. Hierdurch wird ein sich parallel zum Kernspinresonanzsensor erstreckendes Nutzvolumen definiert, In welchem ausreichend gute Bedingungen für eine NMR-Messung vorliegen. Das
Nutzvolumen ist dabei außerhalb der Kernspinresonanzvorrichtung angeordnet. Ferner weist der Sensor aufgrund der planaren Magnetanordnung einen flachen Aufbau auf. Da ein solcher Sensor die Materialprobe nicht umschließt, ist die Größe der zu vermessenden Materialprobe nicht eingeschränkt. Insbesondere können mithilfe eines solchen Sensors auch flächige Objekte vermessen werden, wie zum Beispiel eine Hauswand. Dabei kann der Sensor aufgrund der flachen Bauweise unter anderem auch als ein tragbares Gerät ausgebildet werden, z.B. in Form eines Handgeräts.
Ferner ist der Sensor aufgrund der flachen Bauweise besonders kompakt.
Hierdurch ergibt sich ein äußerst günstiges Verhältnis von Sensorgröße und nutzbaren NMR-sensitiven Volumen. Durch die Kompaktheit ergibt sich auch eine gute Transportierbarkeit des Sensors bzw. einer mit einem solchen Sensor ausgestatteten Kernspinresonanzvorrichtung.
In einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die planare
Magnetanordnung mehrere nebeneinander angeordnete Magnetsegmente mit jeweils orthogonal zu einer zweiten Erstreckungsrichtung der planaren
Magnetanordnung ausgerichteten Magnetisierungsrichtungen umfasst. Dabei weisen die Magnetsegmente, welche entlang der ersten Erstreckungsrichtung der planaren Magnetanordnung unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, relativ zueinander verdrehte Magnetisierungsrichtungen auf, wodurch auf der
Vorderseite der planaren Magnetanordnung ein wesentlich stärkeres statisches Magnetfeld erzeugt wird als auf der Rückseite der planaren Magnetanordnung. Durch die unterschiedliche Orientierung der Magnetisierungsrichtungen unmittelbar benachbarter Magnetsegmente kann der magnetische Fluss des statischen Magnetfelds im Wesentlichen auf der Vorderseite der planaren
Magnetanordnung konzentriert werden. Diese Anordnung, welche beispielsweise in Form eines planaren bzw. aufgerollten Halbach-Arrays ausgebildet sein kann, ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Feldstärke des statischen Magnetfelds im Nutzvolumen. Dabei kann eine die notwendig hohe Feldstärke mit relativ einfachen Magneten erreicht werden, beispielsweise mit Standardmagneten.
Diese Anordnung erlaubt ferner eine besonders flexible Bauweise des Sensors, wobei sich die Anzahl der magnetischen Pole und ihre Position entlang der ersten Erstreckungsrichtung der planaren Magnetanordnung den jeweiligen Anforderungen anpassen lässt.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass entlang der ersten Erstreckungsrichtung der planaren Magnetanordnung unmittelbar nebeneinander angeordnete Magnetsegmente jeweils um 45° zueinander verdrehte
Magnetisierungsrichtungen aufweisen. Hierdurch ergibt sich ein relativ einfacher Aufbau, mithilfe dessen eine ausreichend hohe Konzentration des statischen
Magnetfelds auf der Vorderseite der Magnetanordnung möglich ist. Gleichzeitig kann damit im Vergleich zu einer Magnetanordnung mit um 90° gegeneinander verdrehten Magnetsegmenten eine deutlich feinere Abstufung des Magnetfelds und damit verbunden eine homogenere Feldverteilung im Nutzvolumen erzielt werden. ln einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf der Vorderseite der planaren Magnetanordnung vier magnetische Pole mit jeweils alternierenden Ausrichtungen ausgebildet sind. Dabei umfasst die elektrische Spule der Messeinrichtung drei nebeneinander angeordnete Wicklungen, deren
magnetische Pole jeweils zwischen zwei unmittelbar benachbarten magnetischen Polen der planaren Magnetanordnung angeordnet sind. Diese Bauweise stellt eine optimierte Anordnung der, mit deren Hilfe ein hinreichend homogenes magnetisches Feld im Nutzvolumen erzeugt werden kann. Darüber hinaus lässt sich damit ein relativ kompaktes Sensormodul realisieren.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrische Spule ferner zum Messen eines auf Kernspinresonanz der im Nutzvolumen
angeordneten Materialprobe basierenden Signals ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich der Aufbau vereinfachen, da keine gesonderten Spulen für die Anregung und für die Detektion notwendig sind. Allerdings lassen sich für die Anregung und die Detektion auch separate Spulen verwenden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrische Spule auf der Vorderseite der planaren Magnetanordnung angeordnet ist. Hierdurch wird die Empfindlichkeit der elektrischen Spule insbesondere bei der Detektion des Antwortsignals erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrische Spule in Form einer strukturierten elektrisch leitfähigen Schicht ausgebildet ist. Hierdurch wird eine besonders flache Bauweise der elektrischen Spule und damit des gesamten Sensors ermöglicht. Dabei kann die elektrische Spule beispielsweise mittels eines fotolithografischen Prozesses erzeugt werden, was eine besonders hohe Präzision ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass in der elektrisch leitfähigen Schicht ferner wenigsten eine Shim-Spule zur Homogenisierung des von der planaren Magnetanordnung in Nutzvolumen erzeugten statischen Magnetfelds ausgebildet ist. Mithilfe solcher Shim-Spulen sind besonders präzise Magnetfelder möglich. Die Integration der Shim-Spule in die elektrisch leitfähige Schicht ermöglicht hingegen eine besonders flache Bauweise.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrische Spule in Form einer multiresonanten Spule ausgebildet ist. Mithilfe der multiresonanten
Spule lassen sich Wechselfelder mit unterschiedlicher Frequenz erzeugen bzw. detektieren. Mithilfe der multiresonanten Spule ist es ferner auch möglich, verschiedene Schichten gleichzeitig zu vermessen, wobei die Unterscheidung zwischen den einzelnen Schichten über einen feldabhängigen Kontrast erfolgen kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen der elektrischen Spule und der planaren Magnetanordnung eine innere
Abschirmstruktur aus einem elektrisch leitfähigem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität angeordnet ist, welche den Magnetsegmenten als
Abschirmung vor dem magnetischen Wechselfeld der elektrischen Spule dient. Mithilfe der inneren Abschirmstruktur kann das von der elektrischen Spule erzeugte magnetische Wechselfeld im Bereich der Permanentmagnete abgeschirmt werden. Hierdurch werden mechanische Kräfte verhindert, welche auf die Permanentmagnete aufgrund des magnetischen bzw.
elektromagnetischen Wechselfelds einwirken. Da solche mechanischen Kräfte das Messsignal verfälschen können, kann mithilfe dieser Maßnahme die
Messgenauigkeit des Sensors erhöht werden. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen der elektrischen Spule und dem Nutzvolumen eine äußere Abschirmstruktur aus einem elektrisch leitfähigem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität angeordnet ist, welche der elektrischen Spule als Abschirmung gegen
elektromagnetische Störfelder dient. Mithilfe der äußeren Abschirmstruktur lassen sich unerwünschte elektromagnetische Einflüsse auf die magnetische
Spule verhindern. Hierdurch lässt sich die Messgenauigkeit erhöhen. Durch die Verwendung eines Materials mit einer hohen magnetischen Permeabilität kann eine unerwünschte Dämpfung des statischen Magnetfelds im Nutzvolumen verhindert werden. ln einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die äußere
Abschirmstruktur Resonanzstrukturen aufweist, welche zur gezielten
Abschirmung elektromagnetischer Störfelder mit Frequenzen im Bereich der Netzfrequenz dienen. Mithilfe solcher Resonanzstrukturen lässt sich eine Abschirmstruktur erzeugen, welche nur Störsignale bestimmter Frequenzen abschirmt. Dies ist insbesondere für Frequenzen im Bereich der Netzfrequenz notwendig, da solche Störfelder häufig in technischen Anwendungen
vorkommen. Somit kann durch die gezielte Abschirmung von Netzfrequenzen die Messgenauigkeit deutlich erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Magnetfelderzeugungseinrichtung eine Trägerplatte aus einem
nichtmagnetischen Material umfasst, wobei die Magnetsegmente in wenigstens einer Öffnung der Trägerplatte eingebracht sind. Diese Anordnung ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Bauweise. Die einzelnen
Magnetsegmente können dabei relativ einfach ein- und ausgebaut werden. Hierdurch ist es möglich, die Magnetsegmente beispielsweise für den Transport aus der Trägerplatte zu entfernen. Ferner kann das statische Magnetfeld durch Verdrehen oder Vertauschen der Magnetsegmente innerhalb der Trägerplatte für den Transport oder Lagerung des Sensors gedämpft werden. Darüber hinaus können die Magnetsegmente auch einzeln ausgetauscht werden, wodurch eine Anpassung des statischen Magnetfelds an die jeweilige Anwendung möglich ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens ein Teil der Magnetsegmente der Magnetanordnung drehbar innerhalb der Trägerplatte ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, dass statische Magnetfeld durch Drehen der einzelnen Magnetsegmenten den jeweiligen Vorgaben anzupassen. Insbesondere kann durch ein geeignetes Drehen bestimmter Magnetsegmente das statische Magnetfeld im Nutzvolumen reduziert werden, was insbesondere für die Lagerung und den Transport der Kernspinresonanzvorrichtung vorteilhaft ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Magnetfelderzeugungseinrichtung durch Nebeneinanderanordnung mehrerer Trägerplatten in wenigstens einer der beiden Erstreckungsrichtungen der planaren Magnetanordnung modular erweiterbar ist. Diese modulare Bauweise ermöglicht eine flexible Anpassung der Sensorgröße entlang der beiden
Erstreckungsrichtungen beliebig zu erweitern. Somit können auch größere Objekte vermessen werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass Magnetsegmente in einem Randbereich der planaren Magnetanordnung ausgebildet sind, ein statisches Magnetfeld mit einer höheren magnetischen Feldstärke zu erzeugen als Magnetsegmente in einem mittleren Bereich der planaren Magnetanordnung. Hierdurch kann einer Abschwächung der Magnetfeldstärke entgegengewirkt werden, welche typischerweise in den Randbereichen der Magnetanordnung auftritt. Durch den Ausgleich der Feldinhomogenitäten zum Rand hin lässt sich somit eine homogene Feldstärke über das gesamte Nutzvolumen erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die höhere
magnetischen Feldstärke in dem Randbereich der planaren Magnetanordnung durch Magnetsegmente erreicht wird, welche eine höhere Magnetisierung und/oder eine größere vertikale Ausdehnung aufweisen, als Magnetsegmente in dem mittleren Bereich der planaren Magnetanordnung. Durch Verwenden von Magnetsegmenten höherer Magnetisierung im Randbereich der
Magnetanordnung kann eine besonders flache Bauweise des Sensors erreicht werden. Hingegen können bei Verwendung von Magnetsegmenten mit einer größeren vertikalen Ausdehnung auch im mittleren Bereich der
Magnetanordnung Magnetsegmente mit der maximalen Magnetisierung verwendet werden. Hierdurch kann insgesamt eine deutlich höhere Feldstärke im gesamten Nutzvolumen erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass in dem Randbereich der planaren Magnetanordnung mehrere übereinander angeordnete
Magnetsegmente zum Erzielen der höheren magnetischen Feldstärke vorgesehen sind. Mit dieser Anordnung kann der Feldstärkeausgleich im
Randbereich der planaren Magnetanordnung mithilfe von Standardmagneten realisiert werden. Damit lässt sich die Magnetfelderzeugungseinrichtung besonders einfach und kostengünstig aufbauen. ln einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens ein Teil der Magnetsegmente der planaren Magnetanordnung eine Ummantelung aus einem Kunststoff aufweist. Durch eine geschickte Wahl der Schichtdicke der
Kunststoffummantelung auf jeder Seite des Magnetsegments lässt sich die Position des jeweiligen Magnetsegments innerhalb der planaren
Magnetanordnung definieren. Insbesondere bei einer Anordnung mehrerer Magnetsegmente innerhalb einer Öffnung der Trägerplatte kann mittels der Dicke der Kunststoffummantelung die Distanz zwischen den einzelnen
Magnetsegmenten genau eingestellt werden. Ferner ermöglicht die
Kunststoffummantelung eine bessere Handhabbarkeit der Magnetsegmente, beim Ein- und Ausbau sowie den Transport des Sensors.
Ferner ist eine erfindungsgemäße Kernspinresonanzvorrichtung umfassend einen entsprechenden Sensor vorgesehen. Die Kernspinresonanzvorrichtung ist dabei ausgebildet, wenigstens eine Materialeigenschaft einer in einem
Nutzvolumen angeordneten Materialprobe für mehrere Messschichten unabhängig voneinander zu bestimmen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kernspinresonanzvorrichtung eine Hubeinrichtung zum Einstellen des Abstands zwischen dem Sensor und einer im Nutzvolumen angeordneten Materialprobe umfasst. Die Hubeinrichtung umfasst dabei wenigsten einen elektrisch und/oder manuell angetriebenen Aktuator. Mit Hilfe einer solchen Hubeinrichtung lassen sich auf eine einfache Weise tiefenabhängige Messwerte generieren. Hierdurch kann ein genaues Tiefenprofil der vermessenen Materiaprobe erstellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Aktuator einen den Sensor tragenden ersten Aktuatorteil und einen dazu beweglich angeordneten zweiten Aktuatorteil mit einer Auflagefläche zum Auflegen auf eine zu der Materialprobe ortsfest angeordneten Auflagefläche umfasst. Hierdurch wird eine besonders einfache Bauweise erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Aktuatorteil in Form eines Elektromotors ausgebildet ist während der zweite Aktuatorteil in Form einer vom Elektromotor angetriebenen Spindel ausgebildet ist. Ein solcher Spindelantrieb erlaubt eine besonders präzise Verstellung der Höhe des Sensors.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Hubeinrichtung mehrere entlang des Umfangs des Sensors verteilt angeordnete Aktuatoren umfasst. Hierdurch wird eine besonders stabile und präzise Höhenverstellung ermöglicht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Sensor für eine Kernspinresonanzvorrichtung umfassend eine Magnetfelderzeugungseinrichtung mit einer planaren Magnetanordnung und eine Messeinrichtung in einer schematischen Querschnittdarstellung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Magnetfelderzeugungseinrichtung des Sensors mit der planaren Magnetanordnung aus Figur 1 ;
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht der planaren Magnetanordnung mit elf nebeneinander angeordneten Magnetsegmenten mit jeweils um 45° verdrehten Magnetisierungsrichtungen;
Fig. 4 eine Seitenansicht einer planaren Magnetanordnung mit einem im
Wesentlichen auf der Vordersite angeordneten Magnetfeld;
Fig. 5 eine Draufsicht schematisch auf die planare Magnetanordnung mit vier Magnetpolen und einer drei Wicklungen umfassenden elektrischen Spule;
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine durch Strukturieren einer elektrisch leitfähigen Schicht erzeugten elektrischen Spule mit drei Entwicklungen;
Fig. 7 eine Seitenansicht der planaren Magnetanordnung aus Figur 4 und der in der elektrisch leitfähigen Schicht ausgebildeten elektrische Spule zur
Verdeutlichung des von der elektrischen Spule erzeugten magnetischen
Wechselfelds; Fig. 8 eine Seitenansicht der planaren Magnetanordnung aus Figur 4 und der elektrischen Spule aus Figur 7 zur Verdeutlichung der Überlagerung der von der planaren Magnetanordnung und der elektrische Spule erzeugten Magnetfelder;
Fig. 9 eine Draufsicht auf einen Sensor mit einer drei nebeneinander
angeordnete Magnetpole aufweisenden planaren Magnetanordnung und einer zwei nebeneinander angeordnete Wicklungen aufweisenden elektrischen Spule; Fig. 10 eine Draufsicht auf einen Sensor mit einer vier nebeneinander angeordnete Magnetpole aufweisenden planaren Magnetanordnung und einer drei nebeneinander angeordnete Wicklungen aufweisenden elektrischen Spule;
Fig. 1 1 schematisch eine Draufsicht auf eine planare Magnetanordnung aus separaten Magnetsegmenten, welche in Form einer 1 1x1 1 -Matrix angeordnet sind;
Fig. 12 schematisch eine Draufsicht auf eine planare Magnetanordnung aus insgesamt elf prismenförmigen Magnetsegmenten;
Fig. 13 schematisch eine Seitenansicht auf eine planare Magnetanordnung umfassend ein sich über die gesamte Breite erstreckendes Magnetsegment, welches Bereiche mit unterschiedlich orientierten Magnetisierung in aufweist;
Fig. 14 schematisch eine Querschnittansicht durch eine planare
Magnetanordnung mit in zwei Ebenen übereinander angeordneten Trägerplatten mit Magnetsegmenten;
Fig. 15 schematisch eine Draufsicht die untere Trägerplatte zur Verdeutlichung der speziellen Anordnung der Magnetsegmente in der unteren Trägerplatte; und
Fig. 16 schematisch eine Seitenansicht auf eine Kernspinresonanzvorrichtung umfassend einen Sensor sowie eine Hubeinrichtung zum Einstellen der
Entfernung zwischen dem Sensor und einer im Nutzvolumen angeordneten Materialprobe. Der erfindungsgemäße Kernspinresonanz-Sensor zeichnet sich durch eine flache Bauweise aus, welche ein nach außen offenes Messsystem ermöglicht, das durch eine Aneinanderreihung mehrerer Sensoren zudem beliebig erweiterbar ist. Die flache Bauweise des Sensors wird dabei durch eine spezielle Anordnung von Permanentmagneten zum Erzeugen eines B0-Feldes und eine spezielle Anordnung wenigstens einer elektrischen Spule zum Erzeugen eines B1 -Feldes erreicht. Hierzu zeigt die Figur 1 schematisch einen Querschnitt durch einen solchen Kernspinresonanz-Sensor 100. Der Sensor 100 umfasst dabei eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 101 zum Erzeugen eines statischen
Magnetfelds (B0-Feld) in einem Nutzvolumen und eine zwischen der
Magnetfelderzeugungseinrichtung 101 und dem Nutzvolumen 200 angeordnete Messeinrichtung 102 zum Erzeugen eines Anregungssignals (B1 -Feld) in dem Nutzvolumen 200 und zum Messen des darauf folgenden Antwortsignals.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 101 umfasst dabei eine planare
Anordnung 120 aus mehreren in einer Ebene nebeneinander angeordneten Magnetsegmenten 1211 , 1212, 1213. Hierbei handelt es sich um Permanent- bzw. Dauermagnete, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel Würfel- bzw.
quaderförmig ausgebildet sind und somit quadratische Querschnitte aufweisen. Grundsätzlich können die Magnetsegmente 1211 , 1212, 1213 jedoch auch andere geeignete Formen aufweisen, zum Beispiel zylindrisch oder rund. Die
Magnetfelderzeugungseinrichtung 101 umfasst ferner eine Trägerplatte 1 10, welche als Matrix zur Aufnahme der Magnetsegmente 1211 , 1212, 1213 dient. Hierzu weist die Trägerplatte 1 10 mehrere Öffnungen 11 1 , in welchen jeweils ein Magnetsegment 1211 , 1212, 1213 angeordnet ist. Die Öffnungen 1 11 definieren dabei die Position und Ausrichtung der Magnetsegmente 1211 , 1212, 1213 zueinander. Alternativ hierzu ist es auch möglich mehrere Magnetsegmente innerhalb einer gemeinsamen Öffnung anzuordnen. In diesem Fall kann die Position und Ausrichtung der Magnetsegmente zueinander durch geeignete Distanzstrukturen bestimmt werden, welche zwischen den Magnetsegmenten angeordnet sind. Sofern die Magnetsegmente über eine Kunststoffummantelung verfügen, kann der gegenseitige Abstand der Magnetsegmente innerhalb der Magnetanordnung auch durch die Schichtdicke der Kunststoffummantelung festgelegt werden. Es ist ferner auch möglich die Magnetsegmente auch ohne einen Abstand unmittelbar nebeneinander anzuordnen.
Die spezielle Anordnung der Magnetsegmente innerhalb der Magnetanordnung 120 erzeugt ein magnetisches Feld mit definierten Eigenschaften innerhalb eines bestimmten Raumbereichs 200, welcher in der Figur 1 unmittelbar oberhalb des Sensors 100 angeordnet ist. Der Raumbereich 200 definiert dabei ein
Nutzvolumen, welches durch eine besonders hohe NMR-Sensitivität
charakterisiert ist. Insbesondere weisen die vom Sensor 100 erzeugten
Magnetfelder bei geeigneter Wahl der Betriebsparameter eine besonders hohe Homogenität im Nutzvolumen 200 auf.
Wie die Figur 1 ferner zeigt, ist die Messeinrichtung 102 in Form eines mehrere Schichten 161 , 162, 163, 164, 165, 166, 167, 168 umfassenden Schichtstapels ausgebildet. Dabei umfasst der Schichtstapel eine elektrisch leitfähige Schicht 164, welche vorzugsweise auf einem Trägersubstrat 165, vorzugsweise einer Leiterplatte, wie zum Beispiel PCB, angeordnet ist. Die elektrisch leitfähige Schicht 164 enthält dabei eine elektrische Spule 140 mit einer oder mehreren nebeneinander angeordneten Windungen (hier nicht gezeigt). Die elektrische Spule 140, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Strukturierung der elektrisch leitfähigen Schicht 164 erzeugt wurde, bildet einen wesentlichen Bestandteil der Messeinrichtung 102. Im Betrieb des Sensors 100 erzeugt die elektrische Spule 140 ein magnetisches Wechselfeld (B1 -Feld), welches sich im Nutzvolumen 200 mit dem Magnetfeld der planaren Magnetanordnung 120 im Wesentlichen orthogonal überlagert und als Anregungssignal für die
Kernspinresonanzmessung dient. Die elektrische Spule 140 bildet vorzugsweise gleichzeitig auch eine Antenne zum Erfassen des auf das Anregungssignal folgenden Antwortsignals. Als Wechselfeld 150 beispielsweise ein gepulstes Magnetfeld dienen. Je nach Anwendung können jedoch auch andere zeitlich veränderliche elektromagnetische Felder als Anregungssignal (B1 -Feld) verwendet werden.
Zusätzlich zur elektrischen Spule 140 kann die elektrisch leitfähige Schicht 164 auch wenigstens eine weitere elektrische Spule, insbesondere eine Shim-Spule, zur Korrektur des von der elektrischen Spule 140 erzeugten magnetischen Wechselfelds enthalten. Ferner können auch weitere passive und aktive Bauteile auf dem Trägersubstrat 165 angeordnet sein, vorzugsweise in den
Randbereichen. Um zu verhindern, dass die Messung durch externe elektromagnetische
Wechselfelder unerwünscht beeinflusst wird, kann die Messeinrichtung 102 ferner eine äußere Abschirmstruktur umfassen. Die Abschirmstruktur kann dabei spezielle Strukturierung aufweisen, welche als Resonanzstrukturen zum
Herausfiltern elektromagnetischer Strahlung bestimmter Frequenzen, wie zum Beispiel der Netzfrequenz (50 Hz) dienen. In der Figur 1 ist die äußere
Abschirmstruktur in Form einer strukturierten metallischen Schicht 161 ausgebildet, welche beispielsweise Kupfer oder einem anderen nicht
magnetischen Metall besteht. Die äußere Abschirmstruktur 161 ist dabei auf einem eigenen Trägersubstrat 162 angeordnet. Das Trägersubstrat 162 kann beispielsweise in Form einer Platine ausgebildet sein und eine relativ geringe
Schichtdicke aufweisen, beispielsweise 1 mm aufweisen. Um den Abstand zwischen der elektrischen Spule 140 und der äußeren Abschirmstruktur 161 einzustellen, ist zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 164 und dem
Trägersubstrat 162 ferner eine erste Trennschicht 163 mit definierter
Schichtdicke vorgesehen. Die Schichtdicke beträgt weit vorzugsweise wenige
Millimeter, beispielsweise 2 mm. Als Material für die erste Trennschicht 163 kann dabei jedes geeignete nicht magnetische Material verwendet werden, beispielsweise eine Acrylplatte. Die Messeinrichtung 102 kann ferner eine innere Abschirmstruktur umfassen, welche die Magnetsegmente der planaren Magnetanordnung 120 vor dem magnetischen Wechselfeld der elektrischen Spule 140 abschirmt. Mit einer solchen inneren Abschirmstruktur kann verhindert werden, dass aufgrund des magnetischen Wechselfelds der elektrischen Spule 140 mechanische Kräfte auf die Magnetsegmente wirken, welche eine Verfälschung des Messsignals bewirken. In der Figur 1 ist die innere Abschirmstruktur in Form einer zwischen der elektrischen Spule 140 und den Magnetsegmenten der Magnetanordnung 120 angeordneten dünnen metallischen Schicht 168 ausgebildet. Als Material für die innere Abschirmstruktur 168 kommt dabei beispielsweise Kupfer oder ein anderes nicht magnetisches Metall infrage. Die innere Abschirmstruktur 168 kann dabei auf einer eigenen Substratschicht 167 angeordnet sein, welche
vorzugsweise eine geringe Schichtdicke aufweist, beispielsweise 1 mm. Die Substratschicht 167 kann dabei aus jedem geeigneten Material, insbesondere einen nicht magnetischen Material, wie zum Beispiel Pappe oder Hartpapier bestehen. Ferner kann zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Schichten 164,
168 eine zweite Trennschicht 166 vorgesehen sein, mit deren Hilfe sich der genaue Abstand zwischen der elektrischen Spule 140 und der inneren
Abschirmstruktur 168 festlegen lässt. Die Schichtdicke dieser Trennschicht 166 beträgt vorzugsweise wenige Millimeter, zum Beispiel 2 mm. Die Trennschicht 166 kann dabei aus jedem geeigneten Material gebildet werden, beispielsweise ein nicht magnetisches Material.
Die in der Figur 1 gezeigte Messeinrichtung 102 umfasst insgesamt acht
Schichten 161 - 168. Grundsätzlich ist es jedoch möglich durch
Zusammenfassen der Substrat- und Trennschichten die Anzahl der Schichten und damit der notwendigen Herstellungsschritte zu reduzieren. So können beispielsweise die Substratschicht 162 und die Trennschicht 163 als eine gemeinsame Schicht ausgebildet sein. Auch die Trennschicht 166 kann mit der Substratschicht 165 und/oder mit der Substratschicht 167 eine gemeinsame Schicht bilden (hier nicht gezeigt).
Aufgrund des schichtförmigen Aufbaus und die geringen Schichtdicken der Schichten 161 - 168 weist die Messeinrichtung 102 eine relativ geringe
Gesamthöhe auf, beispielsweise 10 mm.
Um einen definierten Abstand zwischen der planaren Magnetanordnung 120 und der Messeinrichtung 102 einzustellen, kann zwischen den beiden Komponenten eine weitere Trennschicht 170 vorgesehen sein. Die Trennschicht 71 besteht dabei vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Material, wie zum Beispiel eine Acrylplatte. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Acrylplatte 170
Vertiefungen auf, welche die aus der Trägerplatte 110 überstehenden Bereiche der Magnetsegmente 1211 , 1212, 1213 aufnimmt.
Die planare Magnetanordnung 120 umfasst typischerweise mehrere in einer Ebene nebeneinander angeordnete Magnetsegmente, deren Anzahl und räumliche Anordnung dabei abhängig von der jeweiligen Anwendung variieren kann. Die Figur 2 zeigt beispielhaft eine Draufsicht auf eine sich in der XY-Ebene erstreckende planare Magnetanordnung 120 mit insgesamt 121 innerhalb der Trägerplatte 1 10 angeordneten Magnetsegmenten 121 i,i - 121 n,n . Die
Magnetsegmente 1211 ,1 - 121 n,n sind vorzugsweise gleichmäßig über den
Trägerplatte 1 10 verteilt und bilden im vorliegendem Ausführungsbeispiel eine 1 1x1 1 -Matrix mit 1 1 Zeilen und 1 1 Spalten. Dabei weisen die in der ersten Erstreckungsrichtung X der Magnetanordnung 120 unmittelbar nebeneinander angeordneten Magnetsegmente 121 ij - 121 nj (mit j= 1 , 2, 3, ...1 1 ) jeweils unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen auf, wodurch sich ein im
Wesentlichen auf der Vorderseite 103 der planaren Magnetanordnung konzentriertes Magnetfeld mit mehreren Magnetpolen ergibt. Im Unterschied hierzu weisen die entlang einer zweiten Erstreckungsrichtung Y der planaren Magnetanordnung 120 nebeneinander angeordneten Magnetsegmente 121 ,,i - 121 i,ii (mit i= 1 , 2, 3, ...1 1 ) einer Spalte vorzugsweise die gleiche
Magnetisierungsrichtung auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die planare Magnetanordnung 120 insgesamt vier Magnetpole 131 , 132, 133, 134 mit jeweils alternierenden Magnetfeldrichtungen auf, welche in der Figur 2 mittels gestrichelten Linien angedeutet sind.
Zur Verdeutlichung zeigt die Figur 3 einen Querschnitt durch die planare Magnetanordnung 120 aus der Figur 2 entlang der Linie 105, wobei die
Orientierungen der Magnetisierung der Magnetsegmente mittels entsprechender Pfeile dargestellt sind. Hierbei wird ersichtlich, dass die Magnetisierungs- richtungen von unmittelbar nebeneinander benachbarten Magnetsegmenten
1211 ,5 - 12111 ,5 jeweils um einen bestimmten Winkel zueinander verdreht sind. Durch die Drehung der Orientierung der Magnetisierung benachbarter
Magnetsegmente wird eine spezielle Magnetanordnung erreicht, welche im Wesentlichen einem Halbach-Array entspricht. Eine solche Konfiguration von Permanentmagneten ermöglicht, dass sich der magnetische Fluss auf einer ersten Seite der Magnetanordnung fast aufhebt, während er auf der der ersten Seite gegenüber liegenden zweiten Seite verstärkt wird. Somit wird das magnetische Feld 130, welches in der Figur 3 schematisch mittels der Feldlinien angedeutet ist, hauptsächlich auf der dem Nutzvolumen 200 zugewandten Vorderseite 103 der planaren Magnetanordnung 120 konzentriert, während es auf der Rückseite 104 der planaren Magnetanordnung 120 relativ schwach ausgeprägt ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Drehwinkel für die
Magnetsegmente 1212,5 - 12110,5 jeweils 45°. Lediglich die beiden am äußersten
Rand der Magnetanordnung angeordneten Magnetsegmente 1211 ,5, 12111 ,5 sind jeweils um 90° gegenüber ihren Nachbarn verdreht. Hierdurch werden mögliche Verzerrungen des statischen Magnetfelds 130 in dem Randbereich 127 der Magnetanordnung reduziert. Dabei kann der Drehwinkel zwischen benachbarten Magnetsegmenten grundsätzlich in Abhängigkeit der jeweiligen Anwendung variieren. Insbesondere kann bei Verwendung einer größeren Anzahl separater Magnetsegmente ein kleinerer Drehwinkel verwendet werden als bei einer kleineren Anzahl von Magnetsegmenten. Um eine Abschwächung des statischen Magnetfelds 130 in den Randbereichen
127 der planaren Magnetanordnung 120 zu kompensieren, können in den entsprechenden Randbereichen 127 stärkere Magnetsegmente verwendet werden als in einem mittleren Bereich 128 der Magnetanordnung. Eine solche Verstärkung des Magnetfelds in den Randbereichen 127 lässt sich dabei beispielsweise mittels Magnetsegmenten entziehen, welche im Vergleich zu den
Magnetsegmenten aus einem mittleren Bereich 128 der Magnetanordnung größer bzw. höher ausgebildet sind. Hierzu zeigt die Figur 4 eine entsprechende planare Magnetanordnung 120 mit unterschiedlich hohen Magnetsegmenten 1211 ,5 - 12111 ,5. Durch die Kompensation der Magnetfeldabschwächung in den Randbereichen 127 der Magnetanordnung 120 weisen die beiden äußeren
Teilabschnitte 135, 137 des statischen Magnetfelds 130 ein im Wesentlichen gleiche stärker auf wie der mittlere Teilabschnitt 136 des statischen Magnetfelds 130. Hierdurch ergibt sich eine im wesentlichen homogene Feldstärke des statischen Magnetfelds 130 in den verschiedenen Messschichten des
Nutzvolumens 200. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in der Figur 4 lediglich drei der das Nutzvolumen 200 definierenden Messschichten mittels der Linien 201 , 202, 203 angedeutet. Wie hier dargestellt ist, befinden sich die
Messschichten 201 , 202, 203 vorzugsweise oberhalb der elektrischen Spule 140. Durch die in den Messschichten realisierte hohe Homogenität der Magnetfelder ist es möglich, verschiedene Atomkerne gleichzeitig zu messen. Dabei kann eine Unterscheidung der verschiedenen Atomkerne mittels der T1/T2 Relaxation erfolgen.
Eine Anordnung der elektrischen Spule 140 in Bezug auf die planare
Magnetanordnung 120 ist in der Figur 5 schematisch dargestellt. Hierbei wird ersichtlich, dass die elektrische Spule 140 im vorliegenden Ausführungsbeispiel insgesamt drei Wicklungen 141 , 142, 143 umfasst. Dabei sind die Wcklungen bzw. die inneren Bereiche der Wicklungen jeweils zwischen zwei unmittelbar benachbarten Magnetpolen 131 , 132, 133, 134 angeordnet.
Die Figur 6 zeigt ein mögliches Design einer elektrischen Spule 140 mit drei nebeneinander angeordneten Wicklungen 141 , 142, 143, welche beispielhaft durch Strukturierung der elektrisch leitfähigen Schicht 164 erzeugt wurde. Die nebeneinander angeordneten Wicklungen 141 , 142, 143 der in der Figur 6 gezeigten elektrischen Spule 140 sind dabei in Form von Teilspulen ausgebildet, wobei jede Teilspule im vorliegenden Fall zwei Wicklungen umfasst.
Grundsätzlich kann die Anzahl der Wcklungen pro Teilspule je nach Anwendung variieren. Ferner ist es möglich die elektrische Spule 140 in Form einer multiresonanten Spule auszubilden, mit deren Hilfe gleichzeitig Wechselfelder unterschiedlicher Frequenz emittiert bzw. detektiert werden können. Mithilfe einer multiresonanten Spule können verschiedene Schichten des Nutzvolumens 200 gleichzeitig vermessen werden. Die Unterscheidung der verschiedenen
Schichten kann dabei mittels eines feldabhängigen Kontrasts erfolgen. Hierzu kann beispielsweise ein magnetfeldabhängiges Kontrastmittel verwendet werden.
Die Figur 7 zeigt eine der Anordnung, welche der Konfiguration aus der Figur 4 entspricht, wobei hier lediglich das magnetische Wechselfeld 150 der
elektrischen Spule 140 dargestellt ist. We hierbei ersichtlich ist, weist das von den drei Teilspulen 141 , 142, 143 im Betrieb erzeugte magnetische Wechselfeld 150 auf der dem Nutzvolumen 200 zugewandten Oberseite insgesamt drei Magnetpole 151 , 152, 153 auf.
Die Figur 8 zeigt eine Überlagerung des statischen Magnetfelds 130 aus Figur 4 und des magnetischen Wechselfelds 150 aus Figur 7. Hierbei wird ersichtlich, dass die beiden Magnetfelder 130, 150 jeweils zueinander versetzte Magnetpole aufweisen, wobei jeweils ein Magnetpol 151 , 152, 153 des magnetischen Wechselfelds 150 im Wesentlichen zentral zwischen zwei unmittelbar benachbarten Magnetpolen 131 , 132, 133, 134 des statischen Magnetfelds 130 angeordnet ist. Aufgrund dieser speziellen Anordnung ergibt sich, dass die Feldlinien der beiden Magnetfelder 130, 150 in dem durch die nutzbaren
Messschichten 201 , 202, 203 definierten Nutzvolumen 200 im Wesentlichen orthogonal zueinander verlaufen. Dabei kann durch eine entsprechende
Anpassung der Betriebsparameter bzw. der Konfiguration eine für NMR-Messung optimierte Feldverteilung im Nutzvolumen 200 erzielt werden.
Grundsätzlich lässt sich der Sensor 100 auch in unterschiedlicher Größe herstellen. Dabei kann die Anzahl der verwendeten Magnetsegmente an die Anzahl der Teilspulen variieren. Hierzu zeigt die Figur 9 eine verkleinerte Version des Sensors 100 aus der Figur 5. Der Sensor 100 weist eine planare Magnetanordnung 120 mit insgesamt 41 in einer 7x6-Matrix angeordneten 41
Magnetsegmenten auf. Das von der planaren Magnetanordnung 21 erzeugte Magnetfeld auf der Vorderseite lediglich drei Magnetpole 131 , 132, 133 auf. Entsprechend weist die elektrische Spule 41 lediglich zwei Wcklungen bzw. Teilspulen 141 , 142 auf.
Im Unterschied hierzu zeigt die Figur 10 eine vergrößerte Version des Sensors 100 aus der Figur 5. Der vergrößerte Sensor 100 weist eine planare
Magnetanordnung 21 mit insgesamt 150 in einer 15x10-Matrix angeordneten Magnetsegmenten auf. Dabei weist das statische Magnetfeld auf der Vorderseite der planaren Magnetanordnung 120 insgesamt fünf Magnetpole 131 , 132, 133,
134, 135 mit alternierender Feldrichtung auf. Entsprechend umfasst die elektrische Spule 41 insgesamt vier Wcklungen bzw. Teilspulen 141 , 142, 143, 144. Grundsätzlich können die Magnetsegmente der planaren Magnetanordnung 120 auch lückenlos aneinander angeordnet werden. Hierzu zeigt die Figur 11 eine entsprechende ausgebildete planare Magnetanordnung 120.
Neben einer matrixförmigen Anordnung der Magnetsegmente, welche beispielsweise in Figur 2 gezeigt ist, kann die planare Magnetanordnung grundsätzlich auch durch eine Aneinanderreihung länglicher Magnetsegmente erzeugt werden. Hierzu zeigt die Figur 12 eine entsprechende planare
Magnetanordnung 21 , welche insgesamt elf in der ersten Erstreckungsnchtung X nebeneinander angeordnete balken- bzw. stabförmige Magnetsegmente umfasst.
Grundsätzlich ist es möglich Magnetsegmente zu verwenden, welche eine komplexe Magnetisierung aufweisen. Hierzu zeigt die Figur 13 eine planare Magnetanordnung 120 mit einem einzelnen Magnetsegment 121 , welche
Abschnitte unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung aufweist. Insbesondere weisen unmittelbar benachbarte Abschnitte des Magnetsegments 121 jeweils um einen bestimmten Winkel verdrehte Magnetisierungsrichtungen auf. Ein solcher Permanentmagnet kann beispielsweise durch Sintern erzeugt werden.
Um eine Kompensation der Magnetfeldabschwächung in den Randbereichen 127 der planaren Magnetanordnung 120 zu erzielen, kann alternativ zu der im
Zusammenhang mit der Figur 4 beschriebenen Verwendung unterschiedlich großer Magnetsegmente auch eine dreidimensionale Anordnung von
Magnetsegmenten verwendet werden. Hierzu zeigt die Figur 14 eine
Querschnittdarstellung durch eine in die Z-Richtung entsprechend erweiterte planare Magnetanordnung 120. Die Magnetsegmente sind dabei in zwei übereinanderliegenden Ebenen 122, 123 angeordnet. Hierzu umfasst die
Magnetisierungseinrichtung 101 eine zusätzliche Trägerplatte 1 12, welche unterhalb der ersten Trägerplatte 1 10 befestigt wird. Die zweite Trägerplatte 1 12 weist dabei lediglich in ihren Randbereichen 127 Magnetsegmente 124i,s - 124ii,5 auf. Im mittleren Bereich 128 der zweiten Trägerplatte 1 12 sind hingegen keine Magnetsegmente vorhanden. Durch die Überlagerung der Magnetfelder der in den Randbereichen 121 der Magnetanordnung übereinander
angeordneten Magnetsegmente ergibt sich die gewünschte Verstärkung des statischen Magnetfelds 130 den Randbereichen 127.
Die Figur 15 zeigt eine Draufsicht auf die zusätzliche Trägerplatte 1 12 aus Figur 14. Hierbei wird ersichtlich, dass die zusätzliche Trägerplatte 1 12 ferner auch in einem in X-Richtung mittleren Bereich zusätzliche Magnetsegmente 124i,i - 12111 ,11 aufweist. Zur besseren Veranschaulichung der Verteilung der
Magnetsegmente 124i,i - 121 n,n innerhalb der Trägerplatte 1 12 sind die Öffnungen 1 13 der Trägerplatte 112, in denen sich kein entsprechendes
Magnetsegment befindet, mit einer Strich-Punkt-Linie dargestellt.
Grundsätzlich kann durch Hinzufügen bzw. Entfernen von Magnetsegmenten aus den Öffnungen 1 13 der unteren Trägerplatte 1 12 das statische Magnetfeld 130 der Magnetfelderzeugungseinrichtung 101 in gewünschter Weise modifiziert werden. Ferner ist es auch möglich, die Magnetsegmente in mehr als zwei Ebenen übereinander anzuordnen. Die Verwendung einer Trägerplatte mit herausnehmbaren Magneten ermöglicht ein relativ einfaches Ändern der Magnetanordnung. Hierdurch kann die planare Magnetanordnung grundsätzlich an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Ferner kann das statische Magnetfeld (B0-Feld) durch Drehen einzelner
Magnetsegmente innerhalb der Trägerplatte für den Transport oder Lagerung des Sensors bedämpft oder sogar nahezu vollständig kompensiert werden. Eine analoge Reduktion des Magnetfelds kann durch Vertauschen der Position einzelner Magnetsegmente innerhalb der Trägerplatte erzielt werden.
Die Figur 16 zeigt beispielhaft eine auf einer Bodenplatte 400 angeordnete Kernspinresonanzvorrichtung 300. Die Kernspinresonanzvorrichtung 300 umfasst dabei einen innerhalb eines Gehäuses 180 angeordneten Sensor 100, ein den Sensor 100 aufnehmendes Gehäuse 180 sowie eine am Gehäuse angeordnete mechanische Hubeinrichtung 310 zum Einstellen des Abstands zwischen dem Sensor 100 und einer darunter angeordneten Materialprobe. Der im
Wesentlichen analog zu dem Sensor aus der Figur 4 aufgebaute Sensor 100 umfasst dabei eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 101 mit einer
Magnetanordnung 120 zum Erzeugen eines statischen Magnetfelds 130 und eine Messeinrichtung 102 mit einer elektrischen Spule 140 zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds 150. Im vorliegenden Beispiel ist der Sensor 100 jedoch um 180° gedreht angeordnet, so dass sich das von der Magnetanordnung
120 erzeugte statische Magnetfeld 130 nach unten in die Bodenplatte 400 hinein erstreckt. Entsprechend sind auch das Nutzvolumen 200 und die darin enthaltenen Messschichten 201 , 202, 203 unterhalb des Sensors 100
angeordnet. In dieser Anordnung kann die Kernspinresonanzvorrichtung 300 bestimmte Materialeigenschaften der Bodenplatte 400 bestimmen, welche im vorliegenden Beispiel als Materialprobe dient. Grundsätzlich lassen sich damit jedoch auch Materialproben vermessen, welche auf bzw. unter der Bodenplatte 400 oder innerhalb der Bodenplatte 400 angeordnet sind.
Die mechanische Hubeinrichtung 310 umfasst einen oder mehrere manuell oder elektrisch betriebene Aktuatoren 320, 330, welche vorzugsweise entlang des Außenumfangs des Gehäuses 180 verteilt angeordnet sind. Insbesondere können vier jeweils an den Ecken des Gehäuses 180 angeordnete Aktuatoren vorgesehen sein. In der Figur 16 sind insgesamt zwei Aktuatoren 320, 330 dargestellt, welche an zwei gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 180 angeordnet sind. Die Aktuatoren 320, 330 sind im vorliegendem
Ausführungsbeispiel an der Außenseite des Gehäuses 180 angeordnet.
Alternativ hierzu können die Aktuatoren 320, 330 jedoch auch innerhalb des Gehäuses 180 angeordnet sein (hier nicht gezeigt). Die Aktuatoren 320, 330 umfassen jeweils einen mit dem Gehäuse 180 verbundenen ersten Aktuatorteil 321 und einen dazu jeweils beweglichen zweiten Aktuatorteil 322, 332, welcher mit einer Auflagefläche 323, 333 auf der Oberfläche 410 der als Materialprobe dienenden Bodenplatte 400 aufliegt. Die Aktuatoren 320, 330 sind im
vorliegenden Beispiel in Form von elektrischen Antrieben ausgebildet. Der zweite Aktuatorteil 322, 332 bildet dabei jeweils einen Elektromotor während der erste Aktuatorteil 321 , 331 in Form einer durch den Elektromotor angetriebenen Spindel ausgebildet ist. Eine solche Bauweise ermöglicht eine besonders feine und genaue Verstellung. Im Betrieb der Aktuatoreinrichtung 300 wird der erste Aktuatorteil 321 , 331 gegenüber dem jeweils zweiten Aktuatorteil 322, 332 verschoben. Durch eine koordinierte Bewegung aller Aktuatoren entsteht eine gewünschte Hubbewegung des Sensors 100 gegenüber der Bodenplatte 400. Aus diesem Grund können mithilfe der Hubeinrichtung 300 auf eine relativ einfache Weise tiefenabhängige Messwerte generiert werden, mit deren Hilfe ein Tiefenprofil der Bodenplatte 400 bzw. einer mit der Bodenplatte 400 ortsfest verbundenen Materialprobe erzeugt werden kann.
Die Hubvorrichtung wird vorzugsweise mittels einer geeigneten Steuereinrichtung gesteuert. Diese Steuereinrichtung kann beispielsweise integraler Bestandteil der Steuer- und Auswerteeinrichtung der Kernspinresonanzvorrichtung sein. Darüber hinaus ist jedoch auch eine autark arbeitende Steuereinrichtung zur Steuerung der Hubbewegung des Sensors 100 möglich.
Neben den hier gezeigten Elektromotoren mit Spindeln kommen grundsätzlich alle geeigneten mechanischen Einrichtungen als Aktuator für die
Höhenverstellung des Sensors 100 in Frage. Unter anderem können auch manuell betriebene Aktuatoren zum Einsatz kommen, welche beispielsweise eine manuelle Einrastung mit vordefinierten Abständen aufweisen.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in der Figur 16 weitere Komponenten der Kernspinresonanzvorrichtung 300, wie z.B. die Steuer- und Auswerteeinrichtung oder die Energieversorgungseinrichtung, nicht gezeigt.
Die Kernspinresonanzvorrichtung kann einen oder mehrere der hier beschriebenen NMR-Sensoren umfassen. Eine typische Kernspinresonanzvorrichtung umfasst ferner auch weitere Komponenten, wie z.B. eine Steuer- und
Auswerteeinrichtung und eine Energieversorgungseinrichtung.
Obwohl die Erfindung vorwiegend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit die beschriebenen Merkmale geeignet abändern und miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Insbesondere können die hier jeweils separat beschriebenen Methoden zur lokalen Modifikation der magnetischen Eigenschaften der Korrekturschicht auch beliebig miteinander kombiniert werden.

Claims

Ansprüche
1. Sensor (100) für eine Kernspinresonanzvorrichtung (300) zum Bestimmen wenigstens einer Materialeigenschaft einer in einem Nutzvolumen (200) angeordneten Materialprobe umfassend:
- eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (101 ) umfassend eine planare Magnetanordnung (120) zum Erzeugen eines statischen Magnetfelds (130, 135, 136, 137) in dem Nutzvolumen (200), wobei die planare
Magnetanordnung (120) auf einer dem Nutzvolumen (200) zugewandten Vorderseite (103) mehrere magnetische Pole (131 , 132, 133, 134) aufweist, welche entlang einer ersten Erstreckungsnchtung (X) der planaren
Magnetanordnung (120) mit jeweils alternierender Ausrichtung
nebeneinander angeordnet sind, und
- eine Messeinrichtung (102) zum Messen eines auf Kernspinresonanz der im Nutzvolumen (200) angeordneten Materialprobe basierenden Signals umfassend eine elektrische Spule (140) mit wenigstens einer Wicklung (141 , 142, 143, 144) zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds (150, 154, 155) in dem Nutzvolumen (200), wobei die Wcklung (141 , 142, 143, 144) zwischen zwei unmittelbar benachbarten magnetischen Polen (131 , 132, 133, 134) der planaren Magnetanordnung (120) angeordnet ist, so dass sich das magnetische Wechselfeld (150, 154, 155) der elektrischen Spule (140) im gesamten Nutzvolumen (200) im Wesentlichen orthogonal mit dem statischen Magnetfeld (130, 135, 136, 137) der planaren
Magnetanordnung (120) überlagert.
2. Sensor (100) nach Anspruch 1 ,
wobei die planare Magnetanordnung (120) mehrere nebeneinander angeordnete Magnetsegmente (121 i,j) mit jeweils orthogonal zu einer zweiten Erstreckungsnchtung (Y) der planaren Magnetanordnung (120) ausgerichteten Magnetisierungsrichtungen umfasst, und
wobei Magnetsegmente (121 ,,,), welche entlang der ersten
Erstreckungsnchtung (X) der planaren Magnetanordnung (120) unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, relativ zueinander verdrehte
Magnetisierungsrichtungen aufweisen, wodurch auf der Vorderseite (103) der planaren Magnetanordnung (120) ein wesentlich stärkeres statisches Magnetfeld (130) erzeugt wird als auf der Rückseite (104) der planaren Magnetanordnung (120).
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei entlang der ersten Erstreckungsrichtung (X) der planaren
Magnetanordnung (120) unmittelbar nebeneinander angeordnete
Magnetsegmente (121 ij) jeweils um 45° zueinander verdrehte
Magnetisierungsrichtungen aufweisen.
Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei die elektrische Spule (140) ferner zum Messen eines auf
Kernspinresonanz der im Nutzvolumen (200) angeordneten Materialprobe basierenden Signals ausgebildet ist.
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die elektrische Spule (140) auf der Vorderseite (103) der planaren
Magnetanordnung (120) angeordnet ist.
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die elektrische Spule (140) in Form einer strukturierten elektrisch leitfähigen Schicht (164) ausgebildet ist.
Sensor (100) nach Anspruch 6,
wobei in der elektrisch leitfähigen Schicht (164) ferner wenigsten eine Shim- Spule zur Homogenisierung des von der planaren Magnetanordnung (120) in Nutzvolumen (200) erzeugten statischen Magnetfelds (130) ausgebildet ist.
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei auf der Vorderseite (103) der planaren Magnetanordnung (120) vier magnetische Pole (131 , 132, 133, 134) mit jeweils alternierenden
Ausrichtungen ausgebildet sind, und
wobei die elektrische Spule (140) der Messeinrichtung (102) drei nebeneinander angeordnete Wicklungen (151 , 152, 153) umfasst, deren magnetische Pole (151 , 152, 153) jeweils zwischen zwei unmittelbar benachbarten magnetischen Polen (131 , 132, 133, 134) der planaren Magnetanordnung (120) angeordnet sind.
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die elektrische Spule (140) in Form einer multiresonanten Spule ausgebildet ist.
0. Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen der elektrischen Spule (140) und der planaren
Magnetanordnung (120) eine innere Abschirmstruktur (161 ) aus einem elektrisch leitfähigem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität angeordnet ist, welche den Magnetsegmenten (121 ij) als Abschirmung vor dem magnetischen Wechselfeld (150, 154, 155) der elektrischen Spule (140) dient.
1. Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen der elektrischen Spule (140) und dem Nutzvolumen (200) eine äußere Abschirmstruktur (168) aus einem elektrisch leitfähigem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität angeordnet ist, welche der elektrischen Spule (140) als Abschirmung gegen elektromagnetische Störfelder dient.
2. Sensor (100) nach Anspruch 11 ,
wobei die äußere Abschirmstruktur (168) Resonanzstrukturen aufweist, welche zur gezielten Abschirmung elektromagnetischer Störfelder mit Frequenzen im Bereich der Netzfrequenz dienen.
3. Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung (101 ) eine Trägerplatte (130) aus einem nichtmagnetischen Material umfasst, und wobei die
Magnetsegmente (121 ij) in wenigstens einer Öffnung (11 1 ) der Trägerplatte (1 10) eingebracht sind.
14. Sensor (100) nach Anspruch 13,
wobei wenigstens ein Teil der Magnetsegmente (121 ij) der Magnetanordnung (120) drehbar innerhalb der Trägerplatte (110) ausgebildet ist.
15. Sensor (100) nach Anspruch 13 oder 14,
wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung (101 ) durch
Nebeneinanderanordnung mehrerer Trägerplatten (110, 112) in wenigstens einer der beiden Erstreckungsrichtungen (X, Y) der planaren
Magnetanordnung (120) modular erweiterbar ist.
16. Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei Magnetsegmente (121 ij) in einem Randbereich (127) der planaren Magnetanordnung (120) ausgebildet sind, ein statisches Magnetfeld mit einer höheren magnetischen Feldstärke zu erzeugen als Magnetsegmente (121 ij) in einem mittleren Bereich (128) der planaren Magnetanordnung (120).
17. Sensor (100) nach Anspruch 16,
wobei die höhere magnetischen Feldstärke in dem Randbereich (127) der planaren Magnetanordnung (120) durch Magnetsegmente (121 ij) erreicht wird, welche eine höhere Magnetisierung und/oder eine größere vertikale Ausdehnung aufweisen, als Magnetsegmente (121 ij) in dem mittleren Bereich (128) der planaren Magnetanordnung (120).
18. Sensor (100) nach Anspruch 16 oder 17,
wobei in dem Randbereich (127) der planaren Magnetanordnung (120) mehrere übereinander angeordnete Magnetsegmente (121 i j, 1 4, j) zum Erzielen der höheren magnetischen Feldstärke vorgesehen sind.
19. Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei wenigstens ein Teil der Magnetsegmente (121 ij) der planaren Magnetanordnung (120) eine Ummantelung aus einem Kunststoff aufweist.
20. Kernspinresonanzvorrichtung (300) umfassend einen Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 19,
wobei die Kernspinresonanzvorrichtung (300) ausgebildet ist, wenigstens eine Materialeigenschaft einer in einem Nutzvolumen (200) angeordneten Materialprobe für mehrere Messschichten (201 , 202, 203) unabhängig voneinander zu bestimmen. 21. Kernspinresonanzvorrichtung (300) nach Anspruch 20,
wobei die Kernspinresonanzvorrichtung (200) eine Hubeinrichtung (310) mit wenigstens einem elektrisch und/oder manuell angetriebenen Aktuator (320, 330) zum Einstellen des Abstands zwischen dem Sensor (100) und einer im Nutzvolumen (200) angeordneten Materialprobe umfasst.
22. Kernspinresonanzvorrichtung (300) nach Anspruch 21 ,
wobei der Aktuator (320, 330) einen den Sensor (100) tragenden ersten Aktuatorteil (321 , 331) und einen dazu beweglich angeordneten zweiten Aktuatorteil (322, 332) mit einer Auflagefläche (323, 333) zum Auflegen auf eine zu der Materialprobe ortsfest angeordneten Oberfläche (410) umfasst.
23. Kernspinresonanzvorrichtung (300) nach Anspruch 22,
wobei der erste Aktuatorteil (321 , 331) in Form eines Elektromotors ausgebildet ist, und
wobei der zweite Aktuatorteil (322, 332) in Form einer vom Elektromotor angetriebenen Spindel ausgebildet ist.
24. Kernspinresonanzvorrichtung (300) nach Anspruch 22,
wobei die Hubeinrichtung (310) mehrere entlang des Umfangs des Sensors (100) verteilt angeordnete Aktuatoren (320, 330) umfasst.
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