DE102009045373B4

DE102009045373B4 - Kompakte supraleitende Magnetanordnung mit aktiver Abschirmung, wobei die Abschirmspule das Feldmaximum der Hauptfeldspule dämpft

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Publication number: DE102009045373B4
Application number: DE102009045373A
Authority: DE
Inventors: Dr. Westphal Michael; Gerald Neuberth
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2029-10-07
Also published as: GB2474343A; GB2474343B; US8154368B2; US20110080239A1; GB201016669D0; DE102009045373A1

Abstract

Aktiv abgeschirmte, supraleitende Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes B0 in einem Untersuchungsvolumen (4b), – mit einer rotationssymmetrisch um eine z-Achse angeordneten, radial innenliegenden, supraleitenden Hauptfeldspule (1), – und mit einer koaxialen, radial außen liegenden, gegenläufig betriebenen, supraleitenden Abschirmspule (2), – wobei die Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) aus der Hauptfeldspule (1), der Abschirmspule (2) und einer ferromagnetischen Feldformvorrichtung (3; 18) besteht, wobei die ferromagnetische Feldformvorrichtung (3; 18) radial innerhalb der Hauptfeldspule (1) angeordnet ist, – wobei die Hauptfeldspule (1) aus einer unstrukturierten Solenoidspule oder aus mehreren, gleichsinnig betriebenen, radial ineinander gestellten, unstrukturierten Solenoidspulen (15, 16) besteht, – und wobei die Erstreckung Labs der Abschirmspule (2) in axialer Richtung kleiner ist als die Erstreckung Lhaupt der Hauptfeldspule (1) in axialer Richtung, dadurch gekennzeichnet, – dass für das durch die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) im...

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine aktiv abgeschirmte, supraleitende Magnetanordnung zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes B₀ in einem Untersuchungsvolumen,

– mit einer rotationssymmetrisch um eine z-Achse angeordneten, radial innenliegenden, supraleitenden Hauptfeldspule,
– und mit einer koaxialen, radial außen liegenden, gegenläufig betriebenen, supraleitenden Abschirmspule,
– wobei die Magnetanordnung aus der Hauptfeldspule, der Abschirmspule und einer ferromagnetischen Feldformvorrichtung besteht, wobei die ferromagnetische Feldformvorrichtung radial innerhalb der Hauptfeldspule angeordnet ist,
– wobei die Hauptfeldspule aus einer unstrukturierten Solenoidspule oder aus mehreren, gleichsinnig betriebenen, radial ineinander gestellten, unstrukturierten Solenoidspulen besteht,
– und wobei die Erstreckung L_abs der Abschirmspule in axialer Richtung kleiner ist als die Erstreckung L_haupt der Hauptfeldspule in axialer Richtung.

Eine solche Magnetanordnung ist aus der nachveröffentlichten DE 10 2008 020 107 A1 bekannt.
Die Kernspinresonanz (NMR) ist ein Verfahren zur Untersuchung der Eigenschaften einer Probe. In der NMR-Spektroskopie wird die chemische Zusammensetzung (beziehungsweise werden die chemischen Bindungen) einer Probe analysiert. In der NMR-Tomographie wird in der Regel die Protonendichte (bzw. der Wassergehalt) als Funktion des Ortes in einer größeren Probe (etwa einem Teil des menschlichen Körpers) bestimmt, um Aufschluss über den inneren Aufbau der Probe zu erhalten. Grundprinzip der NMR ist es in beiden Fällen, in eine in einem statischen Magnetfeld angeordneten Probe HF(= Hochfrequenz)-Pulse einzustrahlen, und die HF-Reaktion der Probe zu vermessen. Aus der HF-Reaktion kann auf die Eigenschaften der Probe geschlossen werden. Für die NMR werden im Allgemeinen im besonders starke, homogene statische Magnetfelder bevorzugt, da diese die qualitativ besten Messergebnisse liefern.
Hohe Magnetfeldstärken können mit supraleitenden Magnetspulen erzeugt werden, welche in der Regel mit flüssigem Helium in einem Kryostaten auf eine typische Betriebstemperatur von 4,2 K gekühlt werden. Besonders häufig werden dabei solenoidförmige Magnetspulen eingesetzt, die ein kreiszylinderförmiges oder kugelförmiges oder ellipsoidförmiges Untersuchungsvolumen umschließen.
Um das statische Magnetfeld im Untersuchungsvolumen zu homogenisieren („shimmen”), ist es zum einen bekannt, ferromagnetisches Material in der Nähe des Untersuchungsvolumens, insbesondere im Inneren der Hauptfeldspule, anzuordnen („passiver Shim”), vgl. beispielsweise DE 101 16 505 A1 . Zum anderen ist es bekannt, zusätzliche Magnetfeldspulen (Shimspulen) vorzusehen, deren Magnetfeld dem Magnetfeld einer Hauptfeldspule überlagert wird („aktiver Shim”). Aus der DE 199 40 694 C1 sind auch supraleitende Shimspulensysteme im Kryostaten bekannt geworden. Sowohl die aktiven als auch die passiven Shimsysteme beruhen darauf, dass die Hauptfeldspule und das Shimsystem zusammen ein homogenes Magnetfeld im Untersuchungsvolumen erzeugen.
Ein starkes Magnetfeld im Untersuchungsvolumen geht, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden, mit einem merklichen Magnetfeld in der Umgebung einher. Dieses Magnetfeld in der Umgebung wird auch als Streufeld bezeichnet und ist grundsätzlich unerwünscht, da es technische Geräte in der Umgebung stören kann. Streufelder können beispielsweise magnetische Speicher von Festplatten oder Kreditkarten löschen oder den Ausfall von Herzschrittmachern verursachen. Zur Verringerung von Streufeldern ist es insbesondere bekannt, radial außerhalb der Hauptfeldspule eine Abschirmspule vorzusehen, die ein im Wesentlichen betragsgleiches, aber entgegen gesetzt gerichtetes magnetisches Dipolmoment erzeugt wie die Hauptfeldspule.
Die Hauptfeldspule beispielsweise nach dem in der EP 1 564 562 A1 , dortige 1, zitierten Stand der Technik umfasst mehrere axial nebeneinander angeordnete Wicklungen aus Supraleiterdraht und stellt so eine strukturierte Solenoidspule dar. Eine strukturierte Solenoidspule als Hauptfeldspule besitzt den Vorteil, dass sich durch die Art der Strukturierung das Magnetfeld im Untersuchungsvolumen in seinem räumlichen Verlauf relativ einfach gestalten lässt, so dass sich insgesamt, also zusammen mit dem Magnetfeld, welches von der Abschirmspule erzeugt wird, ein homogenes Magnetfeld in dem Untersuchungsvolumen ergibt. Dabei ist der Einfluss der Abschirmspule auf die Homogenität des Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen wegen des größeren radialen Abstands zum Untersuchungsvolumen im Vergleich mit der Hauptfeldspule in der Regel relativ gering. Die Wicklungen dieser strukturierten Solenoidspule werden grundsätzlich von einer mechanischen Haltevorrichtung gehalten und befinden sich in der Regel in den Wickelkammern eines Spulenkörpers. Infolge des von den Wicklungen erzeugten Magnetfeldes üben sie starke anziehende Kräfte aufeinander aus, wobei die Wicklungen in axialer Richtung gegen die Haltevorrichtung, in der Regel die seitlichen Begrenzungsflächen der Wickelkammern, gedrückt werden. Insbesondere bei Magnetanordnungen zur Erzeugung besonders starker Magnetfelder von beispielsweise 6 T und mehr können die damit verbundenen Flächenpressungen sehr hohe Werte annehmen.
Ein wesentlicher Nachteil solcher Magnetanordnungen mit strukturierten Hauptfeldspulen besteht darin, dass diese sehr hohen Flächenpressungen mechanische Relaxationsprozesse in den angrenzenden Wicklungen aus Supraleiterdraht verursachen können, wobei diese infolge ihrer bei der niedrigen Betriebstemperatur verschwindend kleinen Wärmekapazität in den normalleitenden Zustand übergehen und einen sogenannten Quench auslösen. Ein solches Ereignis ist unerwünscht und teuer, da sich die Magnetspule bei einem Quench von der Betriebstemperatur auf Werte im Bereich 40 bis 80 K erwärmt, das zur Kühlung verwendete, teure flüssige Helium verdampft und verloren geht und die erneute Inbetriebnahme der Magnetanordnung mit Zeitverzögerungen von mehreren Tagen verbunden sein kann.
Aus der DE 101 04 054 C1 ist eine Magnetanordnung mit einer Hauptfeldspule mit strukturierten und unstrukturierten Solenoidspulen bekannt. Danach werden vereinfachte Magnetanordnungen möglich, wenn radial innerhalb der Hauptfeldspule eine Feldformvorrichtung aus magnetischem Material angeordnet wird. Dennoch umfassen die Hauptfeldspulen nach der DE 101 04 054 C1 zumindest teilweise strukturierte Solenoidspulen, damit hinreichend homogene Magnetfelder erzeugt werden können. Vereinfachte Hauptfeldspulen mit Feldformvorrichtungen aus magnetischem Material sind nach der DE 101 04 054 C1 nur möglich, wenn die Feldformvorrichtung zumindest teilweise einen geringen radialen Abstand von weniger als 80 mm von der Magnetachse und deshalb eine hinreichend große Wirksamkeit besitzt. Magnetanordnungen mit größerem nutzbaren Durchmesser von beispielsweise 30 cm und mehr sind mit dieser Einschränkung nicht möglich.
Völlig ohne Sektionen mit strukturierten Solenoidspulen als Hauptfeldspule kommen aktiv abgeschirmte Magnetanordnungen nach der EP 1 564 562 A1 aus. Auch diese Anordnungen umfassen Feldformvorrichtungen aus magnetischem Material radial innerhalb der Hauptfeldspule, jedoch ohne die Einschränkung des geringen radialen Abstandes des Feldformvorrichtung von der Magnetachse. Der Aufbau der Hauptfeldspule völlig ohne strukturierte Solenoidspulen wird möglich durch die Verwendung eines geeignet dimensionierten Magnetkörpers aus magnetischem Material radial außerhalb der Hauptfeldspule. Bei Magnetanordnungen mit einem nutzbaren Durchmesser von beispielsweise 60 cm und mehr wird der Magnetkörper und damit die gesamte Magnetanordnung jedoch sehr schwer, wodurch der Transport teuer und die Möglichkeiten zum Aufstellen der Magnetanordnung wegen der großen Bodenbelastung eingeschränkt werden.
Aus der EP 0 332 176 A2 sind Magnetanordnungen bekannt, die eine Hauptfeldspule, eine Abschirmspule, eine radial innerhalb der Hauptfeldspule angeordnete Feldformvorrichtung aus magnetischem Material sowie eine radial außerhalb der Abschirmspule angeordnete Jochmagnetabschirmung aus magnetischem Material umfassen, wobei die axiale Ausdehnung der Abschirmspule dort größer als die axialen Längen der Hauptfeldspule sowie der Jochmagnetabschirmung ist. In diesem Stand der Technik wird vorgeschlagen, die Hauptfeldspule als strukturierte Solenoidspule auszuführen. Eine Magnetanordnung mit hinreichender Homogenität des Magnetfelds B₀ im Untersuchungsvolumen ließe sich nach der Lehre der EP 0 332 176 A2 mit einer unstrukturierten Solenoidspule als Hauptfeldspule nicht realisieren, sondern nur mit einer strukturierten Solenoidspule als Hauptfeldspule.
Die nachveröffentlichte DE 10 2008 020 107 A1 beschreibt eine aktiv abgeschirmte Magnetanordnung, bestehend aus einer radial inneren Hauptfeldspule, einer radial äußeren Abschirmspule sowie einer innerhalb der Hauptfeldspule angeordneten ferromagnetischen Feldformvorrichtung, wobei die Hauptfeldspule aus einer unstrukturierten Solenoidspule oder aus mehreren, gleichsinnig betriebenen, radial ineinander gestellten, unstrukturierten Solenoidspulen besteht, und wobei die Abschirmspule axial kürzer ist als die Hauptfeldspule. Das durch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule entlang der z-Achse erzeugte Magnetfeld weist im Zentrum ein Minimum der Feldstärke auf, und beidseitig des Zentrums jeweils ein Maximum der Feldstärke. Die ferromagnetische Feldformvorrichtung erzeugt ein Feldprofil mit einem Maximum der Feldstärke im Zentrum sowie jeweils einem Minimum der Feldstärke beiderseits des Zentrums.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine aktiv abgeschirmte, supraleitende Magnetanordnung mit einem homogenen und besonders hohen Magnetfeld B₀ im Untersuchungsvolumen zur Verfügung zu stellen, bei der der Aufbau deutlich vereinfacht ist, insbesondere wobei die Hauptfeldspule ausschließlich aus unstrukturierten Solenoidspulen aufgebaut werden kann und die Magnetanordnung insgesamt deutlich kompakter ausgebildet werden kann.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Magnetanordnung der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,

– dass für das durch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil B_H+A(z) entlang der z-Achse im Zentrum bei z = 0 gilt: d² / dz²B_H+A(z)|_z=0 ≤ 0,
– und dass für das durch die ferromagnetische Feldformvorrichtung im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil B_F(z) entlang der z-Achse im Zentrum bei z = 0 gilt: d² / dz²B_F(z)|_z=0 ≥ 0,

₀

Die Überlagerung des Magnetfeldprofils der Hauptfeldspule längs der z-Achse der Hauptfeldspule B_H(z), welches im Zentrum bei z = 0 ein ausgeprägtes (”scharfes”) Maximum aufweist, mit dem axialen Magnetfeldprofil der Abschirmspule B_A(z), welches im Zentrum ein Minimum aufweist, führt zu einem abgeflachten überlagerten Magnetfeldprofil B_H+A(z) von Hauptfeldspule und Abschirmspule, wenn die Länge L_abs der Abschirmspule kleiner als die Länge L_haupt der Hauptspule ist. Das Magnetfeldprofil B_H+A(z) der Hauptfeldspule und der Abschirmspule weist dann im Zentrum ein weniger ausgeprägtes (”breiteres”) Maximum auf oder das Zentrum liegt in einem ausgedehnten z-Bereich konstanter (positiver) Magnetfeldstärke, von dem aus das Magnetfeld zu beiden Seiten abfällt. Entsprechend ist die Krümmung im Zentrum null oder negativ.
Das Magnetfeldprofil B_F(z) der Feldformvorrichtung weist umgekehrt im Zentrum ein Minimum auf oder das Zentrum liegt in einem ausgedehnten z-Bereich konstanter (negativer) Magnetfeldstärke, von dem aus das Magnetfeld zu beiden Seiten ansteigt. Entsprechend ist die Krümmung im Zentrum null oder positiv. Unter diesen Voraussetzungen kann dann durch Überlagerung ein insbesondere in axialer Richtung besonders ausgedehnter Bereich homogener Gesamtfeldstärke B₀ erreicht werden.
Das Design in der erfindungsgemäßen Magnetanordnung ist im Allgemeinen so ausgelegt, dass durch die Magnetanordnung allein und ohne Fertigungstoleranzen bereits ein (insbesondere für NMR-Anwendungen, und bevorzugt auch Hochauflösungs-NMR-Anwendungen ausreichend) homogenes B₀-Feld im Untersuchungsvolumen erzeugt würde (”theoretisch homogenes Design”). Durch Fertigungstoleranzen bedingte Inhomogenitäten liegen typischerweise im Bereich bis 200 ppm Schwankungsbreite bezüglich des Feldes B₀ im Zentrum. Die Inhomogenitäten durch Fertigungstoleranzen können durch übliche Shimmaßnahmen problemlos ausgeglichen werden (etwa justierbare/flexible ferromagnetische Feldformvorrichtungen oder Shimspulen mit von der Hauptfeldspule separatem Stromkreis, üblicherweise betrieben mit deutlich kleineren Stromdichten als die Hauptfeldspule).
Typischerweise gilt für das Verhältnis von L_abs und L_haupt, dass 0,6 ≤ L_abs/L_haupt ≤ 0,9. Etwaige mehrere unstrukturierte Solenoidspulen der Hauptfeldspule sind in Serie geschaltet.
Im Stand der Technik wird das Magnetfeld B₀ im Untersuchungsvolumen dadurch homogenisiert, dass die Hauptfeldspule ein Magnetfeld mit in axialer Richtung einem ersten Intensitätsprofil erzeugt, und das (aktive oder passive) Shimsystem ein Magnetfeld mit in axialer Richtung einem zweiten, komplementären Intensitätsprofil erzeugt. Durch die Überlagerung der beiden Profile wird eine über eine große axiale Länge konstante Magnetfeldstärke im Untersuchungsvolumen erreicht. Die Abschirmspule ist im Stand der Technik dabei so weit vom Untersuchungsvolumen entfernt, dass das von ihr erzeugte Magnetfeld keinen merklichen Einfluss auf die Feldhomogenität im Untersuchungsvolumen hat.
Im Gegensatz dazu integriert die Erfindung die Abschirmspule in die Homogenisierung des statischen Magnetfelds im Untersuchungsvolumen. Bei der erfindungsgemäßen Magnetanordnung erzeugen die Hauptfeldspule und die Abschirmspule gemeinsam ein Magnetfeld mit in axialer Richtung (z-Richtung) einem breiten, flachen Intensitätsprofil; dafür wird die Länge der Abschirmspule hinreichend kurz und weiterhin der radiale Abstand der Abschirmspule von der Hauptfeldspule hinreichend klein gewählt. Die ferromagnetische Feldformvorrichtung agiert als passives Shimsystem und erzeugt im Betrieb einen Magnetfeldbeitrag mit einem Intensitätsprofil, welches dem Gesamt-Intensitätsprofil von Haupt- und Abschirmspule komplementär ist. Die Überlagerung des Intensitätsprofils der ferromagnetischen Feldformvorrichtung mit dem Intensitätsprofil der Gesamtheit von Hauptfeldspule und Abschirmspule ergibt eine über eine große axiale Länge konstante Magnetfeldintensität im Untersuchungsvolumen. Mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung werden im Untersuchungsvolumen typischerweise Feldhomogenitäten von 10^–5 oder besser, bevorzugt 10^–6 oder besser erreicht.
Die Abschirmspule kann und muss im erfindungsgemäßen Design radial näher an das Untersuchungsvolumen heranrücken, um im Untersuchungsvolumen eine merkliche Auswirkung auf das Intensitätsprofil des Magnetfelds nehmen zu können. Dadurch wird die Magnetanordnung in radialer Richtung kompakter. Für den Innenradius der Abschirmspule R_iabs und den Innenradius der Hauptfeldspule gilt dabei im Rahmen der Erfindung typischerweise R_iabs ≤ 2,2·R_ihaupt, und bevorzugt R_iabs ≤ 1,8*R_ihaupt.
Weiterhin kann und muss die axiale Erstreckung L_abs der Abschirmspule im erfindungsgemäßen Design kleiner als die axiale Erstreckung L_haupt der Hauptfeldspule sein, denn nur so wird eine Abflachung des von der Hauptfeldspule erzeugten Feldprofils erzeugt. Die Abschirmspule hat eine gegensinnige Polung (bzw. einen entgegen gesetzt gerichteten Stromfluss) verglichen mit der Hauptfeldspule, ist aber in der Regel seriell mit der Hauptfeldspule verschaltet. Das breite, positiv gekrümmte Intensitätsprofil der Gesamtheit von Hauptfeldspule und Abschirmspule ergibt sich aus einer Abschwächung des ein lokales Maximum oder ein lokales Hochplateau aufweisenden Intensitätsprofils der Hauptfeldspule im axial zentralen Bereich durch das überlagerte ein lokales Minimum oder ein lokales Tiefplateau aufweisende Intensitätsprofil der Abschirmspule. Die in axialer Richtung gegenüber der Hauptfeldspule verkürzte Abschirmspule schafft Platz für Versorgungstürme des Kryostaten. Diese können im radial äußeren Bereich axial weiter nach innen gezogen werden als im Stand der Technik.
Der kompakte Aufbau der erfindungsgemäßen Magnetanordnung spart neben Platz, insbesondere bei der Raumhöhe der Magnetanordnung einschließlich Kryostat, auch Material und Gewicht ein. Die erfindungsgemäße Magnetanordnung besteht (soweit es die Erzeugung des statischen Magnetfelds B₀ betrifft) nur aus der Hauptfeldspule, der Abschirmspule und der ferromagnetischen Feldformvorrichtung. Insbesondere sind keine mit der Hauptfeldspule in Serie geschalteten weiteren Feldformspulen vorgesehen.
Darüber hinaus ergibt sich aber auch aus dem vereinfachten Aufbau, der im Wesentlichen nur auf gut exakt zu fertigenden, unstrukturierten Solenoidspulen beruht, eine verbesserte Fertigungstoleranz bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Magnetanordnung. Da keine Spulenstrukturierungen notwendig sind, und auch nur wenige Spulen insgesamt benötig werden, ist auch die Quenchsicherheit erhöht: Die aufgrund von großen Kräften verstärkt quenchgefährdeten axialen Spulenränder sind in der erfindungsgemäßen Magnetanordnung in ihrer Anzahl minimiert.
Durch die Komponenten einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung allein, also allein durch die Hauptfeldspule, die Abschirmspule und die ferromagnetische Feldformvorrichtung, ist ein homogenes Magnetfeld B₀ im Untersuchungsvolumen erzeugbar. Ein Magnetfeld mit geringfügigen Inhomogenitäten (etwa kleiner 200 ppm) im Untersuchungsvolumen, die etwa durch Fertigungstoleranzen der Magnetanordnung auftreten und durch übliche Shimmaßnahmen behebbar sind, gilt im Rahmen der Erfindung ebenfalls als homogen. Solche geringfügigen Inhomogenitäten können im Rahmen der Erfindung beispielsweise durch Verstellung bzw. Justage von Metallplättchen an der ferromagnetischen Feldformvorrichtung oder durch zusätzliche Shimspulen, die separat von der Hauptfeldspule betrieben werden, kompensiert werden. Im Rahmen der Erfindung werden jedoch keine über die Haupt- und Abschrimspule hinausgehenden feldformenden Magnetspulen, die in den Stromkreis der Hauptfeldspule integriert sind, eingesetzt.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung, bei der im Zentrum bei z = 0 die Krümmung d² / dz²B_H+A(z) im Wesentlichen im Wesentlichen gegengleich ist der Krümmung d² / dz²B_F(z) . Gegengleich heißt hierbei betragsgleich, aber mit umgekehrtem Vorzeichen. Durch diese Einstellung der Krümmungsradien kann ein sehr gut homogenisiertes Gesamtfeld von Hauptfeldspule, Abschirmspule und Feldformvorrichtung im zentrumsnahen Bereich erreicht werden.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der in einem z-Bereich von –a bis a um das Zentrum bei z = 0 die Krümmung d² / dz²B_H+A(z) im Wesentlichen gegengleich ist der Krümmung d² / dz²B_F(z) mit 2a: Durchmesser des Messvolumens in z-Richtung. Durch das über das Probenvolumen gegengleiche Krümmungsverhalten kann über das gesamte Probenvolumen ein sehr gut homogenisiertes Magnetfeld erreicht werden.
Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsform gilt für die Erstreckung L_haupt der Hauptfeldspule in axialer Richtung und den Innenradius R_ihaupt der Hauptfeldspule: L_haupt ≥ 3,5·R_ihaupt, und bevorzugt L_haupt ≥ 4,5·R_ihaupt, und besonders bevorzugt L_haupt ≥ 5,5·R_ihaupt. Bei diesen Abmessungsverhältnissen kann in einem in z-Richtung besonders ausgedehnten Bereich ein sehr homogener Feldverlauf erzielt werden; insbesondere kann das Feld der Abschirmspule den Feldverlauf der Hauptfeldspule sehr effizient glätten.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der die Abschirmspule aus einer unstrukturierten Solenoidspule besteht. Dadurch wird der Aufbau der erfindungsgemäßen Magnetanordnung vereinfacht. Bevorzugt besteht auch die Hauptfeldspule aus lediglich einer unstrukturierten Solenoidspule. Die gesamte Magnetanordnung mit den drei Funktionen

– Erzeugung starker Magnetfelder,
– großes Untersuchungsvolumen mit großer Feldhomogenität, und
– geringe Ausdehnung des Streufeldes

_sep

_abs

Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Hauptfeldspule nur aus einer unstrukturierten Solenoidspule besteht. Auch dadurch wird der Aufbau der erfindungsgemäßen Magnetanordnung vereinfacht. Diese Anordnung ist weiterhin besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Wirkung der magnetischen Lorentzkräfte in der Hauptfeldspule. Diese ziehen grundsätzlich die radial innen liegenden Windungen der Hauptfeldspule radial nach außen und drücken die radial außen liegenden Windungen radial nach innen. Wenn sämtliche Windungen der Hauptfeldspule in einer einzigen Solenoidspule zusammengefasst sind, stützen sich die radial weiter innen liegenden Windungen an den radial weiter außen liegenden Windungen ab, so dass sich die genannten Kräfte teilweise oder vollständig aufheben. Es ist ein allgemeiner Vorteil der erfindungsgemäßen Magnetanordnung, dass eine Zusammenfassung der gesamten Hauptfeldspule zu einer einzigen unstrukturierten Solenoidspule möglich ist. Die Zusammenfassung der Hauptfeldspule zu einer unstrukturierten Solenoidspule ist in der Regel allerdings nicht möglich, wenn die Hauptfeldspule Supraleiterdrähte aus unterschiedlichen Materialien, beispielsweise Nb₃ Sn und NbTi, umfasst. Eine Verwendung von zweierlei Materialien kann erforderlich werden, wenn besonders große Magnetfeldstärken erzeugt werden sollen, die oberhalb der kritischen Magnetfeldstärke des Werkstoffs NbTi (etwa 10 T bei einer Betriebstemperatur von 4,2 K) liegen. In diesem Fall kann im Rahmen der Erfindung eine Hauptfeldspule umfassend mehrere unstrukturierte Solenoidspulen eingesetzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung fällt das durch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil B_H+A(z) entlang der z-Achse beiderseits des Zentrums monoton ab. Dieser Feldverlauf ist einfach einzustellen, wenn die Abschirmspule aus einer unstrukturierten Solenoidspule besteht. Außerdem ist die Homogenisierung über die Feldformvorrichtung besonders einfach.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das durch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil B_H+A(z) entlang der z-Achse innerhalb des Untersuchungsvolumens um maximal 500 ppm, bevorzugt maximal 100 ppm, variiert. Insbesondere bei lang gezogenem Magnetanordnungsaufbau kann ein solcher flacher Feldverlauf leicht eingestellt werden; es ist dann nur wenig Eisen im Inneren der Hauptfeldspule zur Feldformung notwendig.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Hauptfeldspule und die Abschirmspule elektrisch in Serie geschaltet sind. Hauptfeldspule und Abschirmspule werden dann vom gleichen Strom durchflossen. Dies erleichtert die Justage und vereinfacht das Laden der Magnetanordnung.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Magnetanordnung ist ein supraleitender Schalter zum Kurzschluss des durch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule gebildeten Stromkreises vorgesehen. Damit kann die Magnetanordnung im „persistent mode” (Dauerbetrieb ohne Spannungsquelle) betrieben werden.
Gemäß einer anderen, vorteilhaften Ausführungsform ist die Magnetanordnung ausgelegt für die Erzeugung des homogenen Magnetfelds im Untersuchungsvolumen mit einer Feldstärke B_ges ≥ 6 Tesla, bevorzugt B_ges ≥ 9 Tesla. Bei diesen Feldstärken – und den entsprechend großen erforderlichen Magnetspulen – kommen die Vorteile der Erfindung bezüglich des kompakten Aufbaus besonders gut zur Geltung.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der für den Innenradius R_if der Feldformvorrichtung gilt:
R_if ≥ 80 mm, und besonders bevorzugt R_if ≥ 300 mm. Bei diesen Dimensionen des Innenradius der Feldformvorrichtung kommen wiederum die Vorteile der Erfindung bezüglich des kompakten Aufbaus besonders zur Geltung. Man beachte, dass das Untersuchungsvolumen sich typischerweise in einem Bereich einer axialen Länge von wenigstens 30% von R_if, und in einem Bereich einer radialen Länge von wenigstens 30% von R_if erstreckt.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der für das durch die Hauptfeldspule allein erzeugte Magnetfeldprofil B_H(z) und für das durch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil B_H+A(z) entlang der z-Achse im Zentrum bei z = 0 gilt: d² / dz²B_H(z) < 2 d² / dz²B_H+A ≤ 0 . In diesem Fall ist der Anteil der Abschirmspule für die Homogenisierung des Magnetfeldprofils im Untersuchungsvolumen relativ stark, so dass die ferromagnetische Feldformvorrichtung einfacher und kleiner gebaut werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung ist vorgesehen, dass die Magnetanordnung aus der Hauptfeldspule, der Abschirmspule, der ferromagnetischen Feldformvorrichtung sowie einem ferromagnetischen Abschirmkörper besteht, wobei der ferromagnetische Abschirmkörper die Hauptfeldspule und die Abschirmspule radial und axial umschließt. In diesem Falle ist die Magnetanordnung etwas komplexer aufgebaut als in Anspruch 1 beschrieben, denn zu ihr gehört zusätzlich noch der äußere Abschirmkörper. Der Abschirmkörper verringert das Streufeld der Magnetanordnung. Der Abschirmkörper beeinflusst auch geringfügig den Magnetfeldverlauf im Untersuchungsvolumen. Das von Feldformvorrichtung und Abschirmkörper gemeinsam erzeugte Magnetfeldprofil B_F+AK(z) tritt an die Stelle des von der Feldformvorrichtung erzeugten Magnetfeldprofils B_F(z); insbesondere gilt für das durch die ferromagnetische Feldformvorrichtung und den Abschirmkörper im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil B_F+AK(z) entlang der z-Achse im Zentrum bei z = 0: d² / dz²B_F+AK(z)|_z=0 ≥ 0 . Der Abschirmkörper kann insbesondere als Außenwand eines Kryostaten, in dem zumindest die Hauptfeldspule und die Abschirmspule angeordnet sind, ausgebildet sein. Typischerweise ist der Anteil B_AK(z) des Abschirmkörpers am gemeinsamen Feldprofil B_F+AK(z) weniger als 10% an jeder Stelle des Untersuchungsvolumens. Der Abschirmkörper ist typischerweise aus weichmagnetischem Material wie Stahl gefertigt. Der Abschirmkörper umschließt bevorzugt auch noch die Feldformvorrichtung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Feldformvorrichtung zusammen mit der Hauptfeldspule und der Abschirmspule innerhalb eines Kryostaten angeordnet. In diesem Fall wird das ferromagnetische Material der Feldformvorrichtung mitgekühlt.
Alternativ ist es möglich, dass die Feldformvorrichtung in einer Raumtemperaturbohrung eines Kryostaten angeordnet ist, wobei im Kryostaten die Hauptfeldspule und die Abschirmspule (2). angeordnet sind. In diesem Fall kann die raumtemperaturwarme und leicht zugängliche Feldformvorrichtung bei Bedarf leicht nachjustiert werden, etwa durch Verschieben oder Ergänzen von Eisenplättchen.
Ebenso ist es möglich, dass die Feldformvorrichtung teilweise in einer Raumtemperaturbohrung eines Kryostaten und teilweise innerhalb des Kryostaten angeordnet ist, wobei im Kryostaten auch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule angeordnet sind. Dadurch kann ein Teil der fernmagnetischen Feldformvorrichtung gekühlt werden, und ein andere Teil bleibt insbesondere für Justagezwecke leicht zugänglich und auf Raumtemperatur.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Feldformvorrichtung zusätzlich eingerichtet zum Ausgleichen von Feldinhomogenitäten, die durch Fertigungstoleranzen der Hauptfeldspule und/oder der Abschirmspule und/oder des ferromagnetischen Abschirmkörpers entstehen. Dazu wird das gemeinsame Feldprofil von Hauptfeldspule und Abschirmspule nach deren Herstellung und Montage vermessen, und erst dann wird die Feldformvorrichtung unter Berücksichtigung der Messergebnisse erstellt und montiert. Dadurch kann eine verbesserte Feldhomogenität im Untersuchungsvolumen erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch ein elektrisches Shimsystem (insbesondere normalleitend und mit einem von der Hauptfeldspule unabhängigen Stromkreis) möglich, welches zum Ausgleich von Feldinhomogenitäten, die durch Fertigungstoleranzen der Magnetanordnung entstehen, eingesetzt wird. Der Beitrag von elektrischen Shimsystemen ist im Untersuchungsvolumen an jedem Ort typischerweise 200 ppm oder weniger bezogen auf B₀ im Zentrum.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Magnetresonanztomograph mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung. Ein erfindungsgemäßer NMR-Tomograph ist besonders kompakt ausgebildet.
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ein Kernspinresonanzspektrometer mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung. Ein erfindungsgemäßes NMR-Spektrometer ist ebenfalls besonders kompakt.
Schließlich fällt auch in den Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Ionen-Zyklotron-Resonanz-Massenspektrometer mit einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung. Auch das erfindungsgemäße ICR-Spektrometer ist besonders kompakt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1a eine schematische, jedoch maßstäbliche Darstellung des Querschnitts einer Ausführungsform einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung, mit einer unstrukturierten Solenoidspule als Hauptfeldspule und einer unstrukturierten Solenoidspule als Abschirmspule und einer ferromagnetischen Feldformvorrichtung;
1b den Verlauf des von der Hauptfeldspule und der Abschirmspule der Magnetanordnung nach 1a erzeugten axialen Magnetfeldprofils;
1c den Verlauf des von der ferromagnetischen Feldformvorrichtung der Magnetanordnung nach 1a erzeugten axialen Magnetfeldprofils;
1d den Verlauf des von der Hauptfeldspule und der Abschirmspule und der ferromagnetischen Feldformvorrichtung der Magnetanordnung nach 1a erzeugten axialen Magnetfeldprofils;
2a–2d eine Darstellung des Querschnitts und des Verlaufs der Feldprofile entsprechend den 1a bis 1d einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung;
3a–3d eine Darstellung des Querschnitts und des Verlaufs der Feldprofile entsprechend den 1a bis 1d einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung;
4 die Konturlinien r(z) um das Zentrum des Untersuchungsvolumens im geometrischen Zentrum der jeweiligen Magnetanordnungen nach den 1a, 2a und 3a, innerhalb derer die relative Abweichung der Magnetfeldstärke von der Magnetfeldstärke im Zentrum des Untersuchungsvolumens kleiner ist als +/–2,5 ppm (ppm: parts per million);
5 den Verlauf des von der Hauptfeldspule der Magnetanordnung nach 1a erzeugten axialen Magnetfeldprofils;
6 den Verlauf des von der Abschirmspule der Magnetanordnung nach 1a erzeugten axialen Magnetfeldprofils;
7 den Verlauf des von der Hauptfeldspule der Magnetanordnung nach 1a erzeugten, normierten axialen Magnetfeldprofils (gestrichelte Linie) im Vergleich mit dem Verlauf des durch die Hauptfeldspule und die Abschirmspule erzeugten, normierten axialen Magnetfeldprofils (durchgezogene Linie);
8 eine schematische, nicht maßstäbliche Darstellung des Querschnitts einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung, mit mehreren geschachtelten, unstrukturierten Solenoidspulen als Hauptfeldspule und einer zweiteiligen Abschirmspule mit zwei unstrukturierten, symmetrisch angeordneten Solenoidspulen;
9 eine schematische, nicht maßstäbliche Darstellung des Querschnitts einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung, mit mehreren geschachtelten, unstrukturierten Solenoidspulen als Hauptfeldspule und einer zweiteiligen Abschirmspule mit zwei unstrukturierten, symmetrisch angeordneten Solenoidspulen sowie einem diese Anordnung axial und radial umgebenden zusätzlichen Abschirmkörper aus weichmagnetischem Material.
Beispielhafter Überblick über die erste Ausführungsform
1a zeigt beispielhaft eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung in einer maßstäblichen Querschnitts-Schemadarstellung; die Ausführungsformen der Figurengruppen 2 und 3 sind ähnlich ausgebildet.
Die Magnetanordnung M1 besteht aus einer Hauptfeldspule 1, einer Abschirmspule 2 und einer ferromagnetischen Feldformvorrichtung 3. Weitere Mittel zur Magnetfelderzeugung sind nicht vorgesehen. Die Magnetanordnung M1 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich der in z-Richtung verlaufenden, strichpunktiert eingezeichneten Achse ausgebildet.
Die Magnetanordnung M1 erzeugt in einem Untersuchungsvolumen 4b um ihr Zentrum 4a (bei z = 0, r = 0) ein in z-Richtung gerichtetes, homogenes Magnetfeld B₀, welches im Zentrum 4a eine Stärke von 6,5 T aufweist. Das Untersuchungsvolumen 4b besitzt einen Durchmesser von 2a im z-Richtung (wobei die Begrenzung des Untersuchungsvolumens nicht maßstäblich dargestellt ist).
Die Hauptfeldspule 1 ist eine unstrukturierte Solenoidspule, und ebenso ist die Abschirmspule 3 eine unstrukturierte Solenoidspule. Die Hauptfeldspule 1 und die Abschirmspule 3 sind elektrisch miteinander in Serie geschaltet, wobei die Stromrichtungen in den beiden Spulen gegensinnig sind, so dass sich die magnetischen Dipolmomente der beiden Spulen aufheben, um das Streufeld zu minimieren. Die Magnetanordnung M1 umfasst außerdem die ferromagnetische Feldformvorrichtung 3, die hier aus neun Ringen aus Eisen oder einer Eisenlegierung (”Eisenringe”) besteht. Alle Eisenringe besitzen hier denselben äußeren Radius von 0,2054 m. Die Innenradien sind unterschiedlich und so gewählt, dass sich ein großes Untersuchungsvolumen mit hoher Feldhomogenität ergibt. Der kleinste Innenradius R_if der Feldformvorrichtung 3 beträgt 0,1558 m, und stellt den Innenradius der gesamten Magnetanordnung 4 dar. In radialer Richtung besitzt die Feldformvorrichtung 3 damit eine maximale Ausdehnung (Wandstärke) von 0,0496 m. Die Eisenringe sind durch das von der Hauptfeldspule 1 und die Abschirmspule 2 erzeugte starke Magnetfeld von etwa 6,5 T auf ihre Sättigungsmagnetisierung in axialer Richtung aufmagnetisiert, wobei die Sättigungsmagnetisierung hier 2,15 T beträgt.
Sowohl die Hauptfeldspule 1 als auch die Abschirmspule 2 bestehen hier aus kommerziellem Supraleiterdraht auf der Basis einer Niob Titan Legierung, welcher in die jeweils einzige Wickelkammer (nicht gezeigt) zweier Tragekörper gewickelt ist. Die Feldformvorrichtung 3 ist hier an der radialen Innenseite des Tragekörpers der Hauptfeldspule 1 befestigt und besitzt, ebenso wie die Hauptfeldspule 1 und die Abschirmspule 2, bei Betriebsbedingungen eine Temperatur von 4,2 K.
Die auf eine Betriebstemperatur von 4,2 K gekühlte Magnetanordnung M1 befindet sich in einem Kryostaten (nicht gezeigt), welcher die Magnetanordnung M1 umschließt. Der Kryostat besitzt eine Raumtemperaturbohrung mit einem Innendurchmesser von etwa 0,3 m, welche das Untersuchungsvolumen 4b in ihrem Zentrum umschließt.
Vergleich der Ausführungsformen der Figurengruppen 1, 2 und 3 Die Abbildungen 1a, 2a, 3a zeigen jeweils einen Querschnitt durch erfindungsgemäße Magnetanordnungen M1, M2, M3. Die Magnetanordnungen besitzen für Magnetresonanzuntersuchungen geeignete Untersuchungsvolumina 4b in ihren Zentren 4a mit Magnetfeldern mit einer Stärke von B_ges = 6,5 T. Jede Magnetanordnung M1, M2, M3 besteht aus einer Hauptfeldspule 1, einer Abschirmspule 2 und aus einer Feldformvorrichtung 3 aus ferromagnetischem Material. Sowohl die Hauptfeldspulen 1 als auch die Abschirmspulen 2 sind bei Betriebsbedingungen mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von 4,2 K abgekühlt und sind aus Supraleiterdraht mit der supraleitenden Legierung Niob Titan gewickelt. Sowohl die Hauptfeldspulen 1 als auch die Abschirmspulen 2 sind hier in Übereinstimmung mit der Erfindung unstrukturierte Solenoidspulen.

Die Hauptfeldspulen 1 der Magnetanordnungen M1, M2, M3 besitzen hier einheitliche Innenradien R_ihaupt = 21,35 cm sowie einheitliche radiale Ausdehnungen DR_haupt = 4 cm. Die axialen Ausdehnungen L_haupt der Hauptfeldspulen 1 der Anordnungen M1, M2, M3 sind unterschiedlich und hier in Einklang mit der Erfindung so gewählt, dass die Verhältnisse L_haupt/R_ihaupt jeweils geringfügig oberhalb der spezifizierten und bevorzugten Werte von 3,5 bzw. 4,5 bzw. 5,5 liegen. Die genauen Werte sowie alle weiteren relevanten geometrischen und elektrischen Daten sind in Tabelle 1 eingetragen.

	M1	M2	M3
L_haupt in cm	75	96,5	118
R_ihaupt in cm	21,35	21,35	21,35
DR_haupt in cm	4	4	4
J_haupt in A/mm²	243,4	203,1	179,4
L_haupt/R_ihaupt	3,51	4,52	5,53
L_abs in cm	42	62	81
R_abs in cm	38,16	43,76	48,52
DR_abs in cm	2,18	1,51	2,132
J_abs in A/mm²	–289,76	–241,78	–106,79
R_af in cm	20,54	20,54	20,54
R_if in cm	15,58	18,28	19,52
dsv_z_5 ppm in cm	+/–6,8	+/–8,9	+/–9,8
dsv_r_5 ppm in cm	7,2	8,7	10,1
z_5 10^–4 T in m	+/–2,7	+/–2,6	+/–3,3
r5 10^–4 T in m	2,4	2,8	2,6

Tabelle 1

Die axialen Ausdehnungen L_abs der Abschirmspulen 2 sind erfindungsgemäß kleiner als die axialen Ausdehnungen L_haupt der jeweiligen Hauptfeldspulen 1 gewählt. Die Innenradien R_iabs, die axialen Ausdehnungen DR_abs, der Längen L_abs der Abschirmspulen 2 sowie die Stromdichten J_haupt und J_abs in den Hauptfeldspulen 1 bzw. der Abschirmspulen 2 sind ebenfalls in Tabelle 1 eingetragen. Sie sind jeweils so gewählt, dass die Ausdehnungen der magnetischen Streufelder mit Stärken oberhalb einschließlich 5 10^–4 T in axialer Richtung z_5 10^–4 T sowie in radialer Richtung r_5 10^–4 T minimal sind und die jeweils von der Hauptfeldspule 1 und der Abschirmspule 2 entlang der z-Achse erzeugten gemeinsamen Magnetfeldverläufe erfindungsgemäß abgeflacht sind, aber (im Bereich des Zentrums 4a) kein Minimum aufweisen. Diese gemeinsamen Magnetfeldverläufe B_H+A(z) von Hauptfeldspule 1 und Abschirmspule 2 der Magnetanordnungen M1, M2, M3 entlang der z-Achse sind in den Abbildungen 1b bzw. 2b, bzw. 3b dargestellt. Sie stellen stark inhomogene Magnetfeldverläufe dar, die für Magnetresonanzuntersuchungen ungeeignet sind. Allerdings stellen die erzeugenden supraleitenden Magnetspulen, die hier jeweils ausschließlich aus einer unstrukturierten Solenoidspule als Hauptfeldspule 1 und einer unstrukturierten Solenoidspule als Abschirmspule 2 bestehen, die einfachste denkbare Spulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen 4b dar, die außerdem aktiv abgeschirmt ist und damit ein Streufeld minimaler Ausdehnung besitzt.
Die Hauptfeldspulen 1 sowie die Abschirmspulen 2 der drei Magnetanordnungen M1, M2, M3 sind jeweils auf Tragekörpern (nicht gezeichnet) angebracht. Diese Tragekörper können beispielsweise aus Aluminium, aus Kupfer oder aus unmagnetischem Stahl gefertigt sein. Die Feldformvorrichtungen 3 sind hier Drehteile aus einem magnetischem Stahl, welcher hier bei Betriebsbedingungen eine Magnetisierung von 2,15 T annimmt. Bei einer erfindungsgemäßen Auslegung der Hauptfeldspulen 1 und der zugehörigen Abschirmspulen 2 wird es möglich, die geometrische Form der Feldformvorrichtungen 3 so zu gestalten, dass jeweils die von den Hauptfeldspulen 1 und den Abschirmspulen 2 allein erzeugten und wegen deren einfacher Form zwangsläufig inhomogenen Magnetfeldverläufe in den Untersuchungsvolumina 4b zu für die NMR hinreichend homogenen Magnetfeldverläufen in den Untersuchungsvolumina 4b kompensiert werden.
Die radialen Abmessungen der Feldformvorrichtungen 3 der Magnetanordnungen M1, M2, M3 sind in Tabelle 1 dargestellt. Sie besitzen jeweils einen einheitlichen Außenradius R_af und unterschiedliche Innenradien R_if. Die von den Feldformvorrichtungen 3 der Magnetanordnungen M1, M2, M3 erzeugten Magnetfeldverläufe B_F(z) entlang den z-Achsen sind in den Abbildungen 1c, 2c, 3c dargestellt. Diese sind ebenfalls stark inhomogen, addieren sich jedoch mit den inhomogenen Magnetfeldverläufen der jeweiligen Hauptfeldspulen 1 und Abschirmspulen 2 allein (siehe 1b, 2b, 3b) zu den in den Abbildungen 1d, 2d, 3d gezeigten sehr homogenen Magnetfeldverläufen B_ges(z) = B_H+A+F(z) der gesamten Magnetanordnungen M1, M2, M3.
4 zeigt die räumliche Ausdehnung der für Magnetresonanzuntersuchungen geeigneten Bereiche der Magnetanordnungen M1, M2, M3, in denen die relative Abweichung der jeweils durch die gesamte Magnetanordnung erzeugte Magnetfeldstärke gegenüber der Feldstärke im Zentrum kleiner als +/–2,5 ppm (parts per million) ist. Die axialen Ausdehnungen dsv_5ppm_z sowie die radialen Ausdehnungen dsv_5ppm_r dieser Bereiche um die Zentren herum sind in Tabelle 1 dargestellt.
Wenn man die drei Magnetanordnungen M1, M2, M3 bewertet, so fällt auf, dass die durch ein großes Verhältnis L_haupt/R_ihaupt = 5,53 gekennzeichnete Anordnung M3 ein besonders großes homogenes Volumen mit Abmessungen dsv_5ppm_z und dsv_5ppm_r von etwa 10 cm besitzt. Außerdem besitzt diese Anordnung den Vorteil, dass der Innenradius R_if mit etwa 19,5 cm einen besonders großen axialen Zugang zum Untersuchungsvolumen 4b erlaubt. Bei der Anordnung M1 mit einem deutlich kleineren Verhältnis L_haupt/R_ihaupt = 3,51 sind auch die Abmessungen des homogenen Volumens dsv_5ppm_z und dsv_5ppm_r von etwa 7 cm stärker eingeschränkt, und der axiale Zugang zum Untersuchungsvolumen durch den kleineren Innenradius R_if der Feldformvorrichtung mit etwa 15,8 cm ebenfalls stärker eingeschränkt ist.
5 zeigt den von der Hauptfeldspule 1 der Magnetanordnung M1 von 1a allein erzeugten (normierten) Magnetfeldverlauf B_H(z) entlang der z-Achse. Dieser Verlauf weist im Zentrum bei z = 0 ein stark ausgeprägtes Maximum auf; die Krümmung bei z = 0 ist negativ. 6 zeigt den von der Abschirmspule der Magnetanordnung M1 allein erzeugten (absoluten) Magnetfeldverlauf B_A(z) entlang der Achse, welcher im Zentrum bei z = 0 ein stark ausgeprägtes Minimum aufweist; die Krümmung bei z = 0 ist positiv. Beide Magnetfeldprofile überlagern sich zu dem in 1b gezeigten Magnetfeldverlauf B_H+A(z), welcher im Vergleich mit dem Magnetfeldverlauf B_H(z) ein erheblich weniger stark ausgeprägtes Maximum aufweist.
7 zeigt im Vergleich die auf ihren jeweiligen Maximalwert B_H(z = 0) sowie B_H+A(z = 0) normierten Magnetfeldverläufe B_H(z)/B_H(z = 0) (gestrichelte Linie) bzw. B_H+A(z)/B_H+A(z = 0) (durchgezogene Linie), welche von der Hauptfeldspule 1 allein bzw. von Hauptfeldspule 1 und Abschirmspule 2 gemeinsam erzeugt werden. 7 zeigt deutlich das stark ausgeprägte Maximum von B_H(z) sowie das erheblich weniger stark ausgeprägte Maximum von B_H+A(z). Insbesondere wird durch die Überlagerung der Bereich, innerhalb dessen die Magnetfeldstärke auf der z-Achse um maximal 1% variiert, in seiner axialen Ausdehnung im Vergleich von B_H(z) und B_H+A(z) verdoppelt; eine solche oder eine noch stärkere Abflachung bzw. Verbreiterung des Maximums des Feldprofils der Hauptfeldspule 1 durch das Feld der Abschirmspule 2 ist (unabhängig von der hier beispielhaft betrachteten Magnetanordnung M1) typisch und bevorzugt für die vorliegende Erfindung.
Der Magnetfeldverlauf B_H+A(z) überlagert sich zusammen mit dem in 1c gezeigten und durch die Feldformvorrichtung der Magnetanordnung M1 allein erzeugten Magnetfeldverlauf B_F(z) zu dem in 1d gezeigten und durch eine große Homogenität gekennzeichneten Magnetfeldverlauf B_H+A+F(z) der gesamten Magnetanordnung M1.
Weitere Ausführungsform mit mehrteiligen Haupt- und Abschirmspulen
8 zeigt den schematischen Aufbau einer anderen, erfindungsgemäßen Magnetanordnung 14 mit zwei radial ineinander gestellten und in derselben Richtung von Strom durchflossenen, unstrukturierten Solenoidspulen 15 und 16 als Hauptfeldspule 1 sowie einer in umgekehrter Richtung von Strom durchflossenen, strukturierten Solenoidspule mit zwei nebeneinander angeordneten Wicklungen 17a, 17b als Abschirmspule 2. Die beiden Wicklungen 17a, 17b können auch als jeweils eigene, symmetrisch (bezüglich einer senkrecht zur axialen Richtung im Zentrum liegenden Spiegelebene) angeordnete, unstrukturierte Solenoidspulen aufgefasst werden. Auch hier wird eine ferromagnetische Feldformvorrichtung 18 eingesetzt, um insgesamt ein Magnetfeld hoher Homogenität zu erzeugen.
Ausführungsform mit zusätzlichem äußeren Abschirmkörper
9 zeigt den schematischen Aufbau einer anderen, erfindungsgemäßen Magnetanordnung 91 mit zwei radial ineinander gestellten und in derselben Richtung von Strom durchflossenen, unstrukturierten Solenoidspulen 15 und 16 als Hauptfeldspule 1 sowie einer in umgekehrter Richtung von Strom durchflossenen, strukturierten Solenoidspule mit zwei nebeneinander angeordneten Wicklungen 17a, 17b als Abschirmspule 2 sowie einem diese Anordnung axial und radial umgebenden zusätzlichen Abschirmkörper AK (schraffiert dargestellt) aus weichmagnetischem Material. Das weichmagnetische Material kann beispielsweise magnetischer Stahl sein. Der Abschirmkörper AK umfasst einen radial äußeren, zylindrischen Teil 92 sowie zwei Seitenplatten 93a und 93b (jeweils mit einer Öffnung für die Raumtemperaturbohrung 94) Dieser Abschirmkörper AK bildet hier zusammen mit dem Innenrohr 95 den äußeren Teil eines Kryostaten 96, den sogenannten Vakuummantel. Weitere Einzelheiten des Kryostaten 96 sind zur Vereinfachung nicht eingezeichnet.
Der Abschirmkörper AK bewirkt eine weitere Verkleinerung der Ausdehnung des magnetischen Streufeldes der Magnetanordnung 91. Der Abschirmkörper AK beeinflusst prinzipiell auch den Magnetfeldverlauf im Untersuchungsvolumen. Dieser Einfluss auf den Magnetfeldverlauf ist jedoch wegen des relativ großen Abstandes sämtlicher Teile 92, 93a, 93b des Abschirmkörpers AK vom Untersuchungsvolumen gering. Auch hier wird eine ferromagnetische Feldformvorrichtung 18 eingesetzt, welche auch den durch den Abschirmkörper AK mit beeinflussten Magnetfeldverlauf mit berücksichtigt und insgesamt ein Magnetfeld hoher Homogenität zu erzeugt.

Claims

Aktiv abgeschirmte, supraleitende Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes B₀ in einem Untersuchungsvolumen (4b), – mit einer rotationssymmetrisch um eine z-Achse angeordneten, radial innenliegenden, supraleitenden Hauptfeldspule (1), – und mit einer koaxialen, radial außen liegenden, gegenläufig betriebenen, supraleitenden Abschirmspule (2), – wobei die Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) aus der Hauptfeldspule (1), der Abschirmspule (2) und einer ferromagnetischen Feldformvorrichtung (3; 18) besteht, wobei die ferromagnetische Feldformvorrichtung (3; 18) radial innerhalb der Hauptfeldspule (1) angeordnet ist, – wobei die Hauptfeldspule (1) aus einer unstrukturierten Solenoidspule oder aus mehreren, gleichsinnig betriebenen, radial ineinander gestellten, unstrukturierten Solenoidspulen (15, 16) besteht, – und wobei die Erstreckung L_abs der Abschirmspule (2) in axialer Richtung kleiner ist als die Erstreckung L_haupt der Hauptfeldspule (1) in axialer Richtung, dadurch gekennzeichnet, – dass für das durch die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil B_H+A(z) entlang der z-Achse im Zentrum (4a) bei z = 0 gilt: d² / dz²B_H+A(z)|_z=0 ≤ 0 , – und dass für das durch die ferromagnetische Feldformvorrichtung (3; 18) im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil B_F(z) entlang der z-Achse im Zentrum (4a) bei z = 0 gilt: d² / dz²B_F(z)|_z=0 ≤ 0 wobei die z-Achse in positiver Richtung des B₀-Feldes ausgerichtet angenommen wird.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrum bei z = 0 die Krümmung d² / dz²B_H+A(z) im Wesentlichen gegengleich ist der Krümmung d² / dz²2B_F(z) .
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem z-Bereich von –a bis a um das Zentrum bei z = 0 die Krümmung d² / dz²B_H+A(z) im Wesentlichen gegengleich ist der Krümmung d² / dz²B_F(z) , mit 2a: Durchmesser des Messvolumens in z-Richtung.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erstreckung L_haupt der Hauptfeldspule (1) in axialer Richtung und den Innenradius R_ihaupt der Hauptfeldspule (1) gilt: L_haupt ≥ 3,5·R_ihaupt, und bevorzugt L_haupt ≥ 4,5·R_ihaupt, und besonders bevorzugt L_haupt ≥ 5,5·R_ihaupt.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmspule (2) aus einer unstrukturierten Solenoidspule besteht.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptfeldspule (1) nur aus einer unstrukturierten Solenoidspule besteht.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil B_H+A(z) entlang der z-Achse beiderseits des Zentrums (4a) monoton abfällt.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil B_H+A(z) entlang der z-Achse innerhalb des Untersuchungsvolumens (4b) um maximal 500 ppm, bevorzugt maximal 100 ppm, variiert.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) elektrisch in Serie geschaltet sind.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein supraleitender Schalter zum Kurzschluss des durch die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) gebildeten Stromkreises vorgesehen ist.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) ausgelegt ist für die Erzeugung des homogenen Magnetfelds im Untersuchungsvolumen (4b) mit einer Feldstärke B_ges ≥ 6 Tesla, bevorzugt B_ges ≥ 9 Tesla.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Innenradius R_if der Feldformvorrichtung (3; 18) gilt: R_if ≥ 80 mm, und besonders bevorzugt R_if ≥ 300 mm.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das durch die Hauptfeldspule (1) allein erzeugte Magnetfeldprofil B_H(z) und für das durch die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) im Betrieb erzeugte axiale Magnetfeldprofil B_H+A(z) entlang der z-Achse im Zentrum (4a) bei z = 0 gilt: d² / dz²B_H(z) < 2 d² / dz²B_H+A ≤ 0.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) aus der Hauptfeldspule (1), der Abschirmspule (2), der ferromagnetischen Feldformvorrichtung (3; 18) sowie einem ferromagnetischen Abschirmkörper (AK) besteht, wobei der ferromagnetische Abschirmkörper (AK) die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) radial und axial umschließt.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldformvorrichtung (3; 18) zusammen mit der Hauptfeldspule (1) und der Abschirmspule (2) innerhalb eines Kryostaten (96) angeordnet ist.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldformvorrichtung (3; 18) in einer Raumtemperaturbohrung (94) eines Kryostaten (96) angeordnet ist, wobei im Kryostaten (96) die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) angeordnet sind.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldformvorrichtung (3; 18) teilweise in einer Raumtemperaturbohrung (94) eines Kryostaten (96) und teilweise innerhalb des Kryostaten (96) angeordnet ist, wobei im Kryostaten (96) auch die Hauptfeldspule (1) und die Abschirmspule (2) angeordnet sind.
Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14; 91) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldformvorrichtung (3; 18) zusätzlich eingerichtet ist zum Ausgleichen von Feldinhomogenitäten, die durch Fertigungstoleranzen der Hauptfeldspule (1) und/oder der Abschirmspule (2) und/oder des ferromagnetischen Abschirmkörpers (AK) entstehen.
Magnetresonanztomograph mit einer Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14) nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
Kernspinresonanzspektrometer mit einer Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14) nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
Ionen-Zyklotron-Resonanz-Massenspektrometer mit einer Magnetanordnung (M1; M2; M3; 14) nach einem der Ansprüche 1 bis 18.