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    • 专利摘要:
    Einekoaxiale Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds in einemUntersuchungsvolumen, das geeignet ist zur Messung magnetischerResonanz, mit mindestens einer supraleitenden Solenoidspule odermit radial ineinander geschachtelten Solenoidspulen, wobei die Windungender Solenoidspule(n) in einem radialen Bereich um die Achse derMagnetanordnung zwischen r1 und r2 mit r1 < r2 angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet,dass die Windungen von mindestens einem rotationssysmmetrischenMagnetkörperaus einem ferromagnetischen Werkstoff umgeben sind, der sich über einenradialen Bereich zwischen r3 und r4 mit r3 < r4 erstreckt, wobei gilt r2 < r3 < 1,3 r2 und r4> 1,3 r3 und dass der(bzw. die) rotationssymmetrische(n) Magnetkörper derart strukturiert, dimensioniertund positioniert ist (bzw. sind), dass das Magnetfeld im Untersuchungsvolumenhomogenisiert und das magnetische Streufeld außerhalb der Magnetanordnungweitgehend unterdrücktist, erlaubt die Erzeugung starker Magnetfelder von großer Homogenität, wobeiauf Aussparungen (notches) in der Spulenanordnung verzichtet werdenkann.
    公开号:DE102004007291A1
    申请号:DE200410007291
    申请日:2004-02-14
    公开日:2005-09-08
    发明作者:Michael Dr. Westphal
    申请人:Bruker BioSpin GmbH；
    IPC主号:G01R33-3815
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine koaxiale Magnetanordnung zur Erzeugung einesMagnetfelds in einem Untersuchungsvolumen, das geeignet ist zurMessung magnetischer Resonanz mit mindestens einer supraleitendenSolenoidspule oder mit radial ineinander geschachtelten Solenoidspulen,wobei die Windungen der Solenoidspule(n) in einem radialen Bereichum die Achse der Magnetanordnung zwischen r1 und r2 mit r1 < r2 angeordnet sind.
    [0002] DasMagnetfeld h(z) als Funktion der Koordinate z auf der Achse einessolchen Magnetsystems lässtsich allgemein darstellen als: h(z) = h0 + h1z + h2z2 + h3z3 + h4z4 +h5z5 + h6z6 + ...
    [0003] DerTerm h0 stellt dabei das erwünschte ortsunabhängige unddamit homogene Magnetfeld dar. Die weiteren Termen mit den Störkoeffizienten h1, h2, ... beschreibenVeränderungender Magnetfeldstärkemit der Ortskoordinate z und sind bei Magneten für Anwendungen in NMR-, MRI-,oder ICR-Apparaturen unerwünscht.Durch einen spiegelsymmetrischen Aufbau bezüglich einer Mittelebene lassen sichsämtlicheTerme mit ungeraden Indizes theoretisch unterdrücken. Darüber hinaus ist es erstrebenswert,die Form der Magnetanordnung so zu wählen, dass die Störkoeffizientenmit geradzahligen Indizes, insbesondere solche mit kleinen Indizes,systematisch verschwinden. Bei einer geeigneten Magnetanordnungkann sich der Ausdruck fürdas Magnetfeld h(z) vereinfachen, so dass h(z)= h0 + h8z8 + Terme höherer Ordnung.
    [0004] Indiesem Fall wird dem homogenen Magnetfeld h0 eineFeldstörungin Form einer Parabel achter Ordnung überlagert. Diese Störung nimmtbei hinreichend kleinen Werten von z beliebig kleine Werte an. Beieiner solchen Magnetanordnung gibt es eine charakteristische Streckez0, bei der die Störgröße h8z0 8 einen vorgegebenen,für diejeweilige Anordnung noch tolerierbaren Maximalwert dhmax annimmt,der bei MRI-Apparaturenbeispielsweise 1 ppm (part per million) bezogen auf den Wert B0 beträgt.Bei rotationssymmetrischen Magnetanordnungen dieser Art ist dasMagnetfeld h(z) nicht nur entlang der Achse in dem Bereich –z0 < z < z0 innerhalbder genannten Grenze theoretisch homogen, sondern darüber hinausinnerhalb eines näherungsweisekugelförmigen Bereichsum das Symmetriezentrum mit dem Radius z0.Dieser Bereich wird als Untersuchungsvolumen der Magnetanordnungbezeichnet. Je größer dasUntersuchungsvolumen relativ zum Innendurchmesser der felderzeugendenTeile der Magnetanordnung gewünschtist, desto größer hatin der Regel die Ordnung der Magnetanordnung zu sein.
    [0005] ZurErzeugung stärkererMagnetfelder werden bevorzugt gekühlte Wicklungen aus Supraleiterdrahtverwendet. Die einfachste geometrische Form einer Magnetwicklungist eine Solenoidspule. Solenoidspulen sind jedoch zur Erzeugunghomogener Manetfelder ungeeignet, weil es bei einer derart einfachenGeometrie bislang nicht möglichist, die Störkoeffizientenh2, h4, ... zu kompensieren.Daher ist es üblich,zur Erzeugung homogener Magnetfelder Wicklungen in Form einer Solenoidspulemit einer oder mehreren Aussparungen (notches) zu verwenden. Miteiner solchen Aussparung ist es möglich, die Störkoeffizientenh2 und h4 zu kompensieren,so dass die beschriebene Anordnung eine Magnetanordnung sechsterOrdnung darstellen kann. Ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendungvon Magnetwicklungen mit Aussparungen, die in der Praxis durch Ringeaus einem festen Material ausgefülltsind, besteht darin, dass die angrenzenden Windungen aus Supraleiterdrahtunter dem Einfluss der großenmagnetischen Kräftedurch Reiben oder andere Relaxationen an der Grenzfläche vomsupraleitenden in den normalleitenden Zustand übergehen können. Dieser als „Quench" bezeichnete Prozessführt inder Regel zu einer vollständigenEntladung des supraleitenden Magneten, wobei die im Magnetfeld gespeicherteEnergie in Wärmeumgewandelt wird. Dadurch kann es zu einer Überhitzung der normal leitendenBereiche und im Extremfall zu einer Zerstörung der Magnetspule kommen.Dies erschwert insbesondere die Erzeugung besonders hoher Magnetfelderbzw. verteuert die Magnetspule, da man gezwungen ist, die Stromstärke durchdie Wicklungen zu begrenzen, um die magnetischen Kräfte, dieauf den Supraleiterdraht an den Grenzflächen zu einer Aussparung wirken,klein zu halten. Die Magnetanordnung muss somit mit entsprechendmehr Windungen aus teurem Supraleiterdraht versehen werden, diegesamte Anordnung wird radial größer, wasletztlich dazu führt, dassdie maximal erreichbare magnetische Induktion im Untersuchungsvolumenbegrenzt wird.
    [0006] Einweiteres Problem von Magnetanordnungen ist, dass sie starke unerwünschte magnetische Streufelderin einem Umkreis von teilweise über10 m um die Magnetanordnung herum erzeugen. In diesem Bereich können z.B.magnetische Datenspeicher gelöschtund magnetische Gegenständevon der Magnetanordnung angezogen und zu ihr hin katapultiert werden.Das Streufeld stellt somit eine Gefahrenzone dar.
    [0007] Beispielsweiseaus der US-B1-6,507,259 ist bekannt, oben beschriebene Magnetanordnungen mitzusätzlichenradial weiter außenliegenden supraleitenden Abschirmwicklungen zu versehen, in denen einStrom in Gegenrichtung fließt.Diese Abschirmwicklungen erzeugen ein magnetisches Gegenfeld, wodurchdas von der Magnetanordnung erzeugte Streufeld weitgehend unterdrückt werdenkann (aktive Abschirmung). Dazu werden jedoch zusätzliche Windungenaus Supraleiterdraht sowie Tragekörper für die Abschirmwicklungen benötigt, wodurchdie Magnetanordnung noch komplizierter, größer und teurer wird.
    [0008] Eineandere Möglichkeit,das von einer Magnetanordnung erzeugte Streufeld zu unterdrücken, istaus der US-4,590,428 bekannt.Die dort beschriebene Spulenanordnung ist mit einem ferromagnetischenZylindermantel umgeben, der einerseits zur Abschirmung äußerer Störfelderdient und andererseits die Rückführung desMagnetflusses der Magnetanordnung bewirkt und somit das von derSpulenanordnung erzeugte magnetische Streufeld beschränkt (passiveAbschirmung). Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass die Masseder Magnetanordnung durch den voluminösen ferromagnetischen Zylindermantelsehr hoch ist und zudem einen ungewünschten Einfluss auf die Homogenität des Feldeshat.
    [0009] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Magnetanordnungzur Erzeugung starker Magnetfelder vorzuschlagen, bei der auf Aussparungenin den Solenoiden der Spulenanordnung verzichtet werden kann undwobei das von dieser Magnetanordnung erzeugte Magnetfeld in einemUntersuchungsvolumen eine großeHomogenitätaufweisen soll. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin,das magnetische Streufeld der Magnetanordnung auf kostengünstige Weisezu minimieren.
    [0010] DieseAufgaben werden erfindungsgemäß dadurchgelöst,dass die Wicklungen der erfindungsgemäßen Magnetanordnung von mindestenseinem rotationssymmetrischen Magnetkörper aus einem ferromagnetischenWerkstoff umgeben sind, der sich über einen radialen Bereichzwischen r3 und r4, mit r3 < r4erstreckt, wobei gilt r2 < r3 < 1,3 r2 und r4 > 1,3 r3, und dass der(bzw. die) rotationssymmetrische(n) Magnetkörper derart strukturiert, dimensioniertund positioniert ist (bzw. sind), dass das Magnetfeld im Untersuchungsvolumenhomogenisiert und das magnetische Streufeld außerhalb der Magnetanordnungweitgehend unterdrücktist. Dabei bedeuten r2: äußerer Radiusder Solenoidspule(n), r3: innerer Radius des Magnetkörpers (bzw.der Magnetkörper)und r4: äußerer Radiusdes Magnetkörpers (bzw.der Magnetkörper).
    [0011] Diedie Solenoidspule umgebenden Magnetkörper bewirken einerseits eineHomogenisierung des Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen sowie andererseitseine Rückführung desvon der Solenoidspule erzeugten magnetischen Flusses. Der bzw. die Magnetkörper sinddabei relativ achsnah zur Solenoidspule angeordnet (r3 < 1,3 r2). Somitist das von der Solenoidspule erzeugte Magnetfeld durch die Magnetkörper extremgut beeinflussbar. Der Einfluss der Magnetkörper auf das Magnetfeld hängt insbesonderevon der Strukturierung der Magnetkörper ab. Diese Strukturierungkann sowohl auf dem radial inneren als auch auf dem radial äußeren Bereichdes Magnetkörperserfolgen. Insbesondere durch die Position und die Formgebung desMagnetkörpersin seinem radial inneren Bereich lassen sich die Inhomogenitäten desvon der Solenoidspule erzeugten Magnetfelds kompensieren. Die Wahldes Außenradiusr4 des Magnetkörpershat vorwiegend Einfluss auf die räumliche Einschränkung desMagnetfelds, so dass das von der Solenoidspule erzeugte magnetische Streufeldbei geeigneter Wahl der Parameter auch ohne die Verwendung von Abschirmspulenaus supraleitendem Material reduziert werden kann. Durch die Verwendungeiner einfachen Solenoidspule werden die magnetischen Kräfte aufdie Spulenwicklungen besser beherrschbar und damit wird die Feldstärke, beider der Magnet letztlich quencht deutlich erhöht. Dadurch ist es mög lich, dieStromstärkedurch die Windungen und damit das erzeugte Magnetfeld zu erhöhen bzw.ein Magnetfeld mit vorbestimmter Feldstärke durch eine Spulenanordnungmit einer verringerten Anzahl an Windungen und erhöhtem Stromzu erzeugen und somit Kosten zu senken. Die erfindungsgemäße Magnetanordnungstellt somit eine Möglichkeitdar, unter Verwendung einer einfachen, wenig störungsanfälligen Solenoidspule ein hohes,homogenes Magnetfeld, das zur Messung magnetischer Resonanzen geeignetist, zu erzeugen.
    [0012] Ineiner bevorzugten Ausführungsformder Erfindung ist eine Feldvorrichtung aus ferromagnetischem Materialin einem radialen Bereich r5 < r1angeordnet und der (bzw. die) rotationssymmetrische(n) Magnetkörper derartstrukturiert, dimensioniert und positioniert, dass in Zusammenwirkungmit der Feldformvorrichtung das Magnetfeld im Untersuchungsvolumenhomogenisiert und das magnetische Streufeld durch den bzw. die Magnetkörper außerhalbder Magnetanordnung weitgehend unterdrückt ist. Auf diese Weise kannein besonders einfacher Aufbau der Magnetkörper realisiert werden. Sokann beispielsweise die Anzahl der Magnetkörper klein und die Struktureinfach gehalten werden. Zudem bewirkt die Feldformvorrichtung eineVerkürzungder Gesamtanordnung, so dass insgesamt eine kompakte Magnetanordnungrealisiert werden kann.
    [0013] DieFeldformvorrichtung umfasst vorzugsweise mindestens 10 ringförmig angeordneteElementgruppen, wobei jede Elementgruppe mindestens sechs, vorzugsweisemindestens 12 in Umfangsrichtung auf dem jeweiligen Ringumfang verteilteEinzelelemente. Somit wird eine genaue Feinabstimmung der Homogenität des Magnetfeldsgewährleistet.
    [0014] Ineiner besonders bevorzugten Ausführungsformumfasst die Feldformvorrichtung eine zylinderförmig gebogene ferromagnetischeFolie mit Ausstanzungen. Dies stellt eine besonders einfache undkostengünstigeMöglichkeitdar, eine Feldformvorrichtung auszugestalten.
    [0015] Ineiner weiteren Ausführungsformder Erfindung erzeugen die Solenoidspule(n), die Magnetkörper unddie Feldformvorrichtung im Betrieb im Untersuchungsvolumen zusammenein Magnetfeldprofil, dessen z-Komponentein einer Reihenentwicklung entlang der z-Achse um das Symmetriezentrumdes Untersuchungsvolumens h(z) = h0 + h2z2 + h4z4 ...+ h2nz2n beträgt,wobei der gemeinsame Beitrag von der Solenoidspule bzw. den Solenoidspulenund Magnetkörperzum Magnetfeldterm h2/h0 der zweiten Ordnung positiv und zum Magnetfeldtermh4/h0 der vierten Ordnung negativ ist, während der Beitrag der Feldformvorrichtungzum Magnetfeldterm h2/h0 der zweiten Ordnung negativ und zum Magnetfeldterm h4/h0der vierten Ordnung positiv ist. Auf diese Weise werden kostengünstige Magnetanordnungenmit besonders kleiner axialer Längerealisierbar. Außerdemwird fürdie Kompensierung der Magnetfeldterme mit niedrigen Ordnungen, beispielsweisezweiter bis achter oder zehnter Ordnung besonders wenig ferromagnetischesMaterial fürdie Feldformvorrichtung benötigtund ein besonders großeshomogenes Volumen erzielt.
    [0016] Alsbesonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der mit (–1) multiplizierteQuotient aus den Magnetfeldtermen h2 undh4 mindestens gleich dem halben Quadratdes Radius r5 der Feldformvorrichtung ist.
    [0017] Ineiner besonders bevorzugten Ausführungsformder Magnetanordnung sind genau zwei Magnetkörper vorgesehen, die insbesondereals Kreisringe mit rechteckigem Schnittprofil ausgeführt undsymmetrisch zu einer Mittelebene quer zur Achse der Magnetanordnungangeordnet sind. Damit ergibt sich eine besonders einfache Konfigurationder Magnetanordnung, welche geeignet ist, ohne Berücksichtigungder Feldformvorrichtung einen positiven Magnetfeldterm h2/h0 undeinen negativen Magnetfeldterm h4/h0 zu erzeugen. Die beiden Magnetkörper sindvorzugsweise nahe den axialen Enden angeordnet. Auf diese Weiseerzeugen einerseits die beiden Magnetkörper allein einen positivenBeitrag zu dem Magnetfeldterm h2/h0. Andererseits verursachen mechanischeToleranzen an den Grenzflächen derMagnetkörperoder Inhomo genitätenim Werkstoff nur in geringem MaßeStörungender Homogenitätdes Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen.
    [0018] Eineandere Möglichkeitbesteht darin, dass bei der erfindungsgemäßen Magnetanordnung genau vierMagnetkörpervorgesehen sind, die insbesondere als Kreisringe mit rechteckigemSchnittprofil ausgeführtsind. Die vier Magnetkörperkönnenderart angeordnet und/oder strukturiert sein, dass auf eine Feldformvorrichtungverzichtet werden kann.
    [0019] Vorzugsweiseerzeugen die Solenoidspule(n) und die Magnetkörper im Betrieb ohne Berücksichtigungweiterer Magnetfeld erzeugender Elemente im Untersuchungsvolumenein Magnetfeldprofil, dessen z-Komponentein einer Reinentwicklung entlang der z-Achse um das Symmetriezentrumdes Untersuchungsvolumens h = h0 + h2z2 + h4z4 + ... + h2nz2n beträgt,wobei die Magnetkörperso positioniert und dimensioniert sind, dass die Magnetfeldtermeder zweiten, vierten und sechsten Ordnung verschwinden (h2 = h4 = h6 = 0). Auf diese Weise wird eine Magnetanordnungachter Ordnung realisiert, wie es für Messungen magnetischer Resonanzenwünschenswertist.
    [0020] Ineiner besonders bevorzugten Ausführungsformder Erfindung bildet die Magnetanordnung unter Berücksichtigungaller ferromagnetischen Elemente mindestens eine Magnetanordnung 10.Ordnung mit einer Restwelligkeit < 10–5 imUntersuchungsvolumen.
    [0021] DieMagnetkörpersind vorzugsweise aus weichmagnetischem Material, insbesondere ausEisen oder magnetischem Stahl aufgebaut. Ein derartiges Magnetsystemerzeugt im entladenen Zustand kein durch Remanenzeffekte verursachtesStreufeld. Speziell Eisen oder magnetischer Stahl stellen zudemkostengünstigeweichmagnetische Werkstoffe dar.
    [0022] Ineiner weiteren Ausführungsformwird r4 größer als1,5 r3 gewählt.Durch die entsprechende Mindestdicke der Magnetkörper wird gewährleistet, dassder magnetisch Fluss radial außerhalbder Magnetspule weitgehend innerhalb der Magnetkörper geführt wird, wodurch die Ausdehnungdes magnetischen Streufeldes der Anordnung, wie gewünscht, geringbleibt.
    [0023] Ineiner weiteren Ausführungsformwird r4 kleiner als 3 r3 gewählt.Dies unterstütztdie Ausbildung einer relativ großen magnetischen Induktioninnerhalb der/des Magnetkörpers)und führtinfolgedessen zu einer relativ großen magnetischen Polarisationder/des Magnetkörper(s).Deshalb benötigt manfür dieErzeugung optimaler Magnetfeldterme h2/h0 und h4/h0 der Magnetanordnungohne die Berücksichtigungder Feldformvorrichtung weniger Material für die/den Feldformkörper underhältso eine kompakte und kostengünstigeMagnetanordnung.
    [0024] Ineiner darüberhinaus bevorzugten Ausführungsformder Erfindung wird r4 so gewählt,dass im Betrieb der Magnetanordnung der Betrag der magnetischenInduktion B im Magnetkörperin einem radialen Bereich zwischen r3 und 1,05 r3 mindestens gleichdem Betrag der SättigungspolarisationMS des ferromagnetischen Werkstoffs ist.Die Ausnutzung der maximalen Polarisation der Magnetkörper (SättigungspolarisationMS) insbesondere im radial inneren Bereichder Magnetkörpershat zur Folge, dass zur Erzeugung optimaler Magnetfeldterme h2/h0und h4/h0 der Magnetanordnung ohne Berücksichtigung der Feldformvorrichtungnoch weniger Material für dieMagnetkörperbenötigtwird und sich somit eine besonders kompakte und kostengünstige Anordnung ergibt.
    [0025] Ineiner bevorzugten Ausführungsformwerden die Magnetkörperim Betrieb gekühltund vorzugsweise auf derselben kryogenen Temperatur gehalten wiedie supraleitende(n) Solenoidspule(n). Eine thermische Abschirmungder Magnetkörperzu der (den) Solenoidspule(n) entfällt somit.
    [0026] Der(die) Magnetkörpersind vorzugsweise starr mit einem Trägerkörper der Solenoidspule(n) verbunden,so dass trotz Auftreten großermagnetischer Kräftekeine Bewegung zwischen den einzelnen Bauteilen stattfinden kann.
    [0027] Ineiner besonders bevorzugten Ausführungsformder Magnetanordnung sind radial außerhalb des (der) Magnetkörpers) oderin einem radialen Bereich r6 ≥ 0,9r4 im äußeren Randbereichdes (der) Magnetkörpers)weitere Wicklungen aus supraleitendem Draht vorgesehen. Damit kanndie Form des magnetischen Streufelds verbessert und außerdem eineBündelungdes magnetischen Flusses im Magnetkörper erreicht werden. Dadurchwird vorteilhafterweise eine größere Magnetisierungdes (der) Magnetkörpers)bewirkt, so dass Magnetkörpermit einem kleineren Volumen fürden Aufbau der Magnetanordnung verwendet werden können. Dieweiteren Wicklungen wirken hierbei wie eine aktive Abschirmung,benötigenaber aufgrund der magnetisierten Magnetkörper wesentlich geringere Ströme (Amperewindungen)als dies bei aktiven Abschirmungen aus dem Stand der Technik derFall ist.
    [0028] Vorzugsweisesind die weiteren Wicklungen zumindest im Betrieb supraleitend kurzgeschlossen, beispielsweise bereits vor dem Laden der Magnetspule.Als Folge dessen laden sich die Wicklungen beim Laden der Solenoidspuleund beim damit verbundenen Aufmagnetisieren des Magnetkörpers induktivauf. Da der magnetische Fluss durch die weiteren Wicklungen konstantbleibt, stellen sich automatisch solche Ströme ein, die das magnetische Streufeldder Magnetanordnung minimieren. Auch während des Ladens oder Entladensder Magnetanordnung bleibt deshalb die Ausdehnung des magnetischenStreufeldes trotz der nichtlinearen Magnetisierungskennlinie derMagnetkörpergering.
    [0029] Vorteilhaftist es, wenn der (die) Magnetkörperals Tragekörperfür dieweiteren Wicklungen dient (dienen). Somit werden keine zusätzlichenTragekörperbenötigt.
    [0030] Ineiner besonders bevorzugten Ausführungsformumfassen die weiteren Wicklungen lediglich ein bis zehn Lagen vonsupraleitendem Draht. Es werden demnach nur geringe Mengen an supraleitendenDraht fürdie Wicklungen benötigt,so dass der Aufwand verglichen mit bekannten Abschirmvorrichtungenvergleichsweise gering ist.
    [0031] Ineiner weiteren Ausführungsformder Erfindung umfassen die weiteren Wicklungen mehrere axial voneinanderbeabstandete Teilwicklungen, die jeweils für sich supraleitend kurzschließbar sind.Da nun die magnetischen Flüssedurch mehrere supraleitende Kreise konstant gehalten werden können, ist esmöglich,eine örtlichangepasste und somit präzisereAbschirmung des magnetischen Streufelds vorzunehmen.
    [0032] Ineiner weiteren Ausführungsformsind die weiteren Wicklungen mit der (bzw. den) Solenoidspule(n)supraleitend in Reihe geschaltet oder schaltbar. Die Wicklungenkönnensomit vom Netzgerätder Solenoidspule mitgeladen werden.
    [0033] Ineiner weiteren Ausführungsformder erfindungsgemäßen Magnetanordnungsind die weiteren Wicklungen ständigmit der (bzw. den) Solenoidspule(n) elektrisch verbunden. Durchdie weiteren Wicklungen fließtdann der gleiche Strom wie durch die Solenoidspule. Vorteilhaftdaran ist, dass lediglich ein Netzgerät sowohl zum Laden der Solenoidspuleals auch zum Laden der weiteren Wicklungen benötigt wird.
    [0034] Ineiner weiteren Ausführungsformsind die weiteren Wicklungen und die Solenoidspule (n) elektrischvoneinander isoliert. Die Strömedurch die weiteren Wicklungen sind dann unabhängig vom Strom durch die Solenoidspuleund können,falls gewünscht,entsprechend klein gewähltwerden. Dies ermöglichtdie Verwendung von dünnerenund somit preisgünstigerensupraleitenden Drähtenfür die Wicklungen.
    [0035] Eineweitere Ausführungsformder erfindungsgemäßen Magnetanordnungsieht in einem radialen Bereich r8 > r4 und gegebenenfalls r8 > r6 eine ferromagnetischeUmmantelung um die Magnetanordnung vor. Diese ferromagnetische Ummantelung kannsowohl als zusätzlicheAbschirmung gegenüber äußeren Feldernals auch zur Unterdrückungdes magnetischen Streufeldes dienen.
    [0036] Vorzugsweisehandelt es sich bei der erfindungsgemäßen Magnetanordnung um eineHochfeldmagnetanordnung, wobei insbesondere die maximale axialeKomponente Bz der magnetischen Induktiongrößer als6T (Tesla) ist. Die Vorteile der Erfindung kommen hierbei besondersgut zur Geltung, da die Erzeugung einer hinreichend guten Homogenität bei hohenMagnetfeldern mit einfachen konventionellen Magnetanordnungen besondersschwierig ist.
    [0037] Dievorliegende Erfindung betrifft auch eine NMR-, MRI- oder ICR-Apparatur, die eineerfindungsgemäße Magnetanordnungumfasst. NMR, MRI und ICR sind in der Medizin und in der Forschungweit verbreitete Verfahren, die homogene Magnetfelder verlangen.Daher besteht ein großerBedarf, Apparaturen zur Durchführungdieser Verfahren zu verbessern und kostengünstig herzustellen. Dies wirddurch die erfindungsgemäße Magnetanordnungrealisiert.
    [0038] Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einererfindungsgemäßen Magnetanordnung,wobei die weiteren Wicklungen gezielt auf einen gewünschtenBetriebsstromwert geladen werden. Dies ermöglicht eine individuelle Anpassungdes magnetischen Streufelds.
    [0039] Beieiner besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrenswerden oder sind vor dem Beladen der Solenoidspule (n) mit ihremvorgesehenen Betriebsstrom die weiteren Wicklungen supraleitendkurzgeschlossen und frieren dadurch (jeweils) ihren magnetischenFluss ein. So könnenbeim Laden der Solenoidspule in den kurz geschlossenen Windungenstets genau die Strömeinduziert werden, die das magnetische Streufeld minimieren.
    [0040] Ineiner Abwandlung wird bereits ein (kleiner) positiver oder negativerStrom in die weiteren Wicklungen eingespeist und supraleitend kurzgeschlossenfür denFall, dass dies eine bessere Streufeldunterdrückung bewirkt.
    [0041] Alternativkann der Strom durch die weiteren Wicklungen (oder die Ströme im Fallmehrerer Kreise) unabhängigvom Hauptstrom auf einen berechneten oder per Messung bestimmtenoptimalen Wert eingestellt und eingefroren werden.
    [0042] WeitereVorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und derZeichnung. Ebenso könnendie vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmaleje fürsich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Diegezeigten und beschriebenen Ausführungsformensind nicht als abschließendeAufzählungzu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderungder Erfindung.
    [0043] Eszeigen:
    [0044] 1 eineschematische Darstellung einer Magnetspulenanordnung mit einer aktivenAbschirmung nach dem Stand der Technik;
    [0045] 2 eineschematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Magnetanordnungumfassend eine Solenoidspule und einen strukturierten Magnetkörper;
    [0046] 3 eineschematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Magnetanordnungumfassend eine Solenoidspule und vier Magnetkörper;
    [0047] 4 einebesonders bevorzugte Ausführungsformder erfindungsgemäßen Magnetanordnungumfassend eine Solenoidspule und zwei Magnetkörper und eine Feldformvorrichtung;
    [0048] 5a einSchaltbild einer Spulenanordnung mit einer Solenoidspule und mehrerenkurzgeschlossenen weiteren Wicklungen;
    [0049] 5b einSchaltbild einer Spulenanordnung mit einer Solenoidspule und mehrerenmit der Solenoidspule verbindbaren weiteren Wicklungen;
    [0050] 6 dieKonturlinie r(z) konstanter relativer Abweichung der Magnetfeldstärke derMagnetanordnung aus 4;
    [0051] Tab.1Ausführungsbeispieleiner erfindungsgemäßen Magnetanordnungmit Abmessungen, Stromdichten bzw. der magnetischen Polarisation derKomponenten
    [0052] Tab.2Feldstörungenh2 z0 2,h4 z0 4,..., der Magnetanordnung nach Tabelle 1 ohne Feldformvorrichtungan einer axialen Position z0 mit z0 = 0,05 m, bezogen auf das von der Magnetanordnungbei z = 0 erzeugte Magnetfeld H0
    [0053] Tab.3die mittleren axialen Positionen für die Befestigung von Plättchen aufeinem zylindrischen Trägerder Feldformvorrichtung der Magnetanordnung nach Tabelle 1;
    [0054] Tab.4die Belegung der Eisenplättchender Feldformvorrichtung nach Tabelle 3; und
    [0055] Tab.5die theoretische Feldstörungenh2, h4, ..., derMagnetanordnung nach Tabelle 1 mit Feldformvorrichtung nach denTabellen 3 und 4.
    [0056] 1 zeigtdie wesentlichen Bestandteile einer herkömmlichen rotationssymmetrischenMagnetspulenanordnung. In einem zweiteiligen Tragekörper 106a, 106b sindWickelkammern 107, 108, 109, 110, 111 eingearbeitet.In diese Wickelkammern sind erste Magnetwicklungen 101, 102, 103 undzweite Magnetwicklungen 104, 105 jeweils aus Supraleiterdraht gewickelt.Die ersten Magnetwicklungen 101, 102, 103 dienenhauptsächlichder Erzeugung eines starken Magnetfelds in einem Untersuchungsvolumen, dasbeispielsweise bei Magnetspulenanordnungen für Magnetresonanzapparaturendas Symmetriezentrum der Magnetspulenanordnung umgibt. Die zweitenMagnetwicklungen 104, 105 dienen hauptsächlich derMinimierung des magnetischen Streufelds in der äußeren Umgebung der Magnetspulenanordnungmittels einer Rückführung desmagnetischen Flusses (aktive Abschirmung). Die Richtung des elektrischenStroms in den zweiten Magnetwicklungen 104, 105 istdeshalb gegenläufigzu der Richtung des elektrischen Stroms in den ersten Magnetwicklungen 101, 102, 103.Die Spulen zur Minimierung des Streufelds in der in 1 gezeigtenAnordnung besitzen eine Vielzahl an supraleitenden Windungen, wodurchsich ein nicht unerheblicher Kostenfaktor ergibt. Des weiteren werdensowohl fürdie Magnetwicklungen 101, 102, 103 zurErzeugung des starken Magnetfelds im Untersuchungsvolumen als auchfür diezweiten Magnetwicklungen 104, 105 zur Abschirmungdes magnetischen Streufelds Tragekörper 106a, 106b benötigt, diedas Gewicht und die radiale Ausdehnung der Gesamtanordnung erhöhen.
    [0057] 2 zeigtden Aufbau einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung,die zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes lediglich eine Solenoidspule 1 umfasst,die sich im Bereich zwischen r1 und r2 erstreckt, und von einemstrukturierten Magnetkörper 2 umgebenist. Die Solenoidspule 1 ist auf einen Spulenkörper aufgewickelt.Der Magnetkörper 2 unddie Solenoidspule 1 sind auf Tragekörper 3, 4 montiert undso positioniert, dass sowohl der Magnetkörper 2 als auch dieSolenoidspule 1 rotationssymmetrisch zur Achse 5 derMagnetanordnung angeordnet sind. Der Magnetkörper 2 wird durchdas von der Solenoidspule 1 erzeugte Magnetfeld entgegender Richtung der magnetischen Induktion im Bereich der Achse 5 magnetisiertund verstärktsomit das Gesamtmagnetfeld der Anordnung. Der Magnetkörper 2 istin einem radialen Bereich zwischen r3 und r4 angeordnet, so dassder Unterschied zwischen r4 und r3 die Dicke des Magnetkörpers 2 definiert.Die Dicke ist so groß zuwählen,dass eine zur Homogenisierung geeignete Strukturierung des Magnetkörpers 2 vorgenommenwerden kann. Der Betrag von r3 bzw. r4 ist abhängig von der Größe der Solenoidspule 1,wobei vorzugsweise r3 < 1,3r2 und 3 r3 > r4 > 1,5 r3 zu wählen ist.Durch eine geeignete Strukturierung des Magnetkörpers 2 in seinemradial inneren Bereich, wie beispielsweise in 2 gezeigt,lassen sich unerwünschteStörtermeder magnetischen Feldstärke (h2, h4, h6,...) kompensieren. Neben der Homogenisierung des Magnetfelds imUntersuchungsvolumen bewirkt der Magnetkörper 2 zusätzlich eineAbschirmung des von der Magnetanordnung erzeugten Streufeldes. DieseAbschirmung kann durch eine geeignete Wahl des Außendurchmessersr4 des Magnetkörpers 2 beeinflusstwerden. Zusätzlichkönnen weitereWicklungen 6 außerhalbdes Magnetkörpers 2 angeordnetsein, die zur Flussführungund damit der Verbesserung der Abschirmung des Streufelds dienenund im Zusammenhang mit den 6a und 6b näherbeschrieben werden.
    [0058] Wiein 3 gezeigt, könnenstatt eines strukturierten Magnetkörpers 2 auch mehrere(hier vier) rotationssymmetrische Magnetkörper 2 um die Solenoidspule 1 angeordnetsein. Die einzelnen Magnetkörpersind überTragekörper 4a, 4b, 4c, 4d, 4e starrmiteinander und mit dem Tragekörper 3 derSolenoidspule 1 verbunden, so dass sich die Magnetkörper 2 nichtunter Einwirkung der magnetischen Kräfte gegeneinander und gegendie Solenoidspule bewegen können.
    [0059] 4 zeigteine besonders bevorzugte Ausführungsformder Erfindung. Die hier gezeigte Magnetanordnung umfasst eine Solenoidspule 1,zwei Magnetkörper 2 ausEisen, zwei die Magnetkörper 2 direktumschließendeweitere Wicklungen 6 sowie eine radial innerhalb der Solenoid spule 1 liegenden Feldformvorrichtung 8.Die Magnetkörper 2 sindmit mechanischen Halterungen 4a, 4b, 4c zueinem einzigen mechanischen Teil verbunden. Die mechanischen Halterungenkönnenbeispielsweise aus unmagnetischem Stahl bestehen und müssen soausgelegt sein, dass sie die magnetisch bedingte Anziehungskraftzwischen den Magnetkörpern 2 aufnehmenkönnen.Die Anordnung der Magnetkörper 2 erfolgtsymmetrisch zur Mittelebene quer zur Achse 5 der Magnetanordnung.Die Magnetkörper 2 sindvorzugsweise als Kreisringe mit rechteckigem Querschnitt ausgebildetund in axial äußeren Bereichen derMagnetanordnung angeordnet, so dass die Grenzflächen der Magnetkörper 2 relativweit vom Untersuchungsvolumen entfernt sind. Dies ist besondersvorteilhaft, da in diesem Fall die Grenzflächen der Magnetkörper hinsichtlichder Homogenitätim Untersuchungsvolumen nahezu keinen störenden Einfluss haben und dieMagnetkörper 2 außerdem einenerwünschtenpositiven Beitrag zu dem Magnetfeldterm h2/h0 liefern.
    [0060] Nebender Homogenisierung des Magnetfelds im Untersuchungsvolumen derMagnetanordnung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch geeignet,das magnetische Streufeld außerhalbder Magnetanordnung zu minimieren. Um eine weitere Reduzierung desStreufelds vorzunehmen, sind bei den Anordnungen aus 2 bis 4 ineinem Bereich r6 > 0,9r4 radial außerhalbder Magnetkörper 2 weiteresupraleitende Wicklungen 6 angeordnet. Die Magnetkörper 2 können dabeials Tragekörperfür die Wicklungen 6 dienen,so dass diese direkt auf die Magnetkörper 2 aufgewickeltwerden können.Die Wicklungen 6 bestehen aus axial voneinander beabstandetenTeilwicklungen, die jeweils in einer Wickelkammer angeordnet sind.Die Magnetkörper 2 können dazuim radial äußeren BereichAusnehmungen aufweisen, in denen die Wickelkammern für die weiterenWicklungen 6 aufgenommen werden können. Somit werden keine weiterenTragekörperfür dieweiteren Wicklungen 6 benötigt. Neben der Reduzierung desmagnetischen Streufelds dienen die Wicklungen 6 auch zurDämpfungvon externen Störungendes Magnetfeldes im Arbeitsvolumen.
    [0061] 5a zeigtein Schaltbild einer Spulenanordnung mit einer Solenoidspule 1 undweiteren Wicklungen 6, die radial außerhalb der Solenoidspule 1 angeordnetsind. Die supraleitenden Spulenkreise sind in diesem Fall berührungslos,so dass in den Wicklungen 6 und in der Solenoidspule 1 voneinanderunabhängigeStrömefließen.Der Strom durch die Wicklungen 6 kann daher, je nach Auslegung, rechtklein sein und dementsprechend die wenigen Wicklungen 6 ausdünnemsupraleitendem Draht hergestellt werden. Die Wicklungen 6 werdenz.B. vor dem Laden der Solenoidspule 1 kurzgeschlossen. Während desLadevorgangs der Solenoidspule 1 werden die Magnetkörper 2 aufmagnetisiertund die Wicklungen 6 laden sich induktiv auf. Dies istvorteilhaft, da beim Laden oder Entladen der Solenoidspule 1 dieMagnetisierung der Magnetkörper 2 inFolge von Hysterese und Sättigungdes Werkstoffs dem Strom in der Solenoidspule 1 nicht proportionalfolgt. Infolgedessen wäredas magnetische Streufeld einer Magnetanordnung, die nur aus derSolenoidspule 1 und den Magnetkörpern 2 besteht, nichtminimal. In den kurzgeschlossenen supraleitenden Wicklungen 6 werdenjedoch stets genau die Strömeinduziert, die den magnetischen Fluss und damit weitgehend das Feldprofilkonstant halten. Die Wicklungen 6 wirken dabei wie dieAbschirmspulen einer aktiven Abschirmung, werden jedoch massiv durchdas magnetisierte Eisen der Magnetkörper 2 unterstützt, das denHauptanteil der Abschirmung übernimmt.Andererseits übernimmtder Strom durch die Wicklungen 6 diese Aufgabe immer mehr,je weiter das Eisen in die Sättigunggerät.
    [0062] 5b zeigtein Schaltbild einer anderen Spulenanordnung, die in verschiedenenModi betrieben werden kann. Die weiteren Wicklungen 6 sind hierbeimit supraleitenden Schaltern 9 versehen. Die Wicklungen 6 sindmit der Solenoidspule 1 in Serie geschaltet. Dies ermöglicht eingemeinsames Laden der Solenoidspule 1 und der Wicklungen 6 über die Anschlüsse A1 undA3. In diesem Fall fließtin den Wicklungen 6 derselbe Strom wie in der Solenoidspule 1.Darüberhinaus könnendie Wicklungen 6 über dieAnschlüsseA2 und A3, sowie die Solenoidspule 1 über die Anschlüsse A1 undA2 auch unabhängig voneinandergeladen werden. Durch gezieltes Laden der Wicklungen 6 aufeinen gewünschtenBetriebsstromwert ist eine individuelle Anpassung des magnetischenStreufelds möglich(aktive Abschirmung). Das Prinzip der aktiven Abschirmung ist ausdem Stand der Technik bereits bekannt. Üblicherweise werden dazu jedochWicklungen 110, 111 (1) benötigt, dieaus einer großenAnzahl an Lagen mit supraleitendem Material aufgebaut sind. DieKosten für einederart abgeschirmte Apparatur sind daher bei konventionellen Magnetanordnungensehr hoch. Aufgrund des Abschirmeffekts der erfindungsgemäßen Magnetkörper 2 sindjedoch in der Regel fürdie weiteren Wicklungen 6 lediglich eine bis zehn o Lagen mitsupraleitendem Material notwendig. Mit der in 5b gezeigtenSchaltung könnendie Wicklungen 6 beziehungsweise die Solenoidspule 1 durchSchließender Schalter 9 beziehungsweise des Schalters 10 imkurzgeschlossenen Zustand betrieben werden, so dass das Streufeldminimiert und jeweils ein magnetischer Fluss eingefroren werdenkann. Mit einer Spulenanordnung, die gemäß 5b geschaltenist, könnenalso wahlweise die Wicklungen 6 kurzgeschlossen, externaufgeladen, oder aber (teilweise) zusammen mit der Solenoidspule 1 aufgeladenwerden. Bei der Auslegung des Systems ist zu berücksichtigen, dass die weiterenWicklungen 6 auch einen Einfluss auf das im Untersuchungsvolumenherrschende Feld haben. Aufgrund der Anordnung der Wicklungen 6 im äußeren Bereichder Magnetanordnung und der geringen Anzahl an Wicklungen ist dieserEinfluss jedoch klein.
    [0063] Diegeometrischen Abmessungen und Eigenschaften eines Beispiels derin 4 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnungsind in den Tabellen 1-5 dargestellt und spezifiziert. In Tabelle1 sind Komponenten einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit Angabeihrer axialen und radialen Abmessungen, der Stromdichten und Polarisationender Wicklungen bzw. Magnetkörperund Feldformvorrichtung aufgelistet. Die Anordnung erzeugt ein homogenesMagnetfeld entsprechend einer Induktion von 7,009 T.
    [0064] Diein 4 gezeigte bevorzugte Ausführungsform der Magnetanordnungweist eine radial innerhalb der Solenoidspule 1 liegendenFeldformvorrichtung 7 auf. Diese erlaubt die Befestigungvon kleinen Feldformelementen aus Eisen an vorzugsweise 15 axialund je 40 in Umfangsrichtung verteilten Positionen auf der Oberfläche einesZylinders mit dem Radius r5, der beispielsweise zu r5 = 0,07 m gewählt werdenkann. Die Magnetanordnung erzeugt aufgrund der einfachen Geometrieder Solenoidspule 1 ohne die Feldformvorrichtung 7 theoretischund praktisch ein inhomogenes und für die Anwendung der Magnetanordnungin NMR-, MRI- oder FTMS- Apparaturen nicht brauchbares Magnetfeld.Tabelle 2 zeigt Feldstörungenh2 z0 2,h4 z0 4,..., der Magnetanordnung nach Tabelle 1 ohne Feldformvorrichtungan einer axialen Position z0 mit z0 = 0,05 m, bezogen auf das von der Magnetanordnungbei z = 0 erzeugte Magnetfeld h0. Die Wahlvon z0 = 0,05 m entspricht ungefähr der radialenAusdehnung des näherungsweise kugelförmigen Bereichsum das Zentrum z = 0, in dem die Magnetanordnung einschließlich derFeldformvorrichtung relative Feldstörungen von weniger als 10 ppmerzeugen soll. Erst die geeignete Verteilung von Feldformelementen,beispielsweise in Form rechteckiger Plättchen aus Eisen, erzeugt einhomogenes Magnetfeld mit relativ großer räumlicher Ausdehnung, das für die genanntenAnwendungen in ausgezeichneter Weise geeignet ist. Tabelle 3 zeigt diemittleren axialen Positionen fürdie Befestigung von Plättchenaus Eisen mit Abmessungen 14 mm × 10 mm × 0,2 mm auf einem zylindrischenTrägerder Feldformvorrichtung. Zu jeder axialen Position sind 40 gleichmäßig über denUmfang verteilte azimutale Positionen vorgesehen. Die Plättchen befindensich auf einem mittleren Zylinderradius r5 = 70 mm. Die Feldformvorrichtungkann beispielsweise in eine für bilderzeugendeNMR- Verfahren oder lokalisierte NMR- Spektroskopie erforderlicheGradientenspulenanordnung integriert sein oder alternativ an der Raumtemperaturbohrungdes Kryostaten der Magnetanordnung befestigt sein. Die Belegungder Eisenplättchender Feldformvorrichtung nach Tabelle 3 auf den 15 axialen, mit A,B, C, ..., gekennzeichneten und den 40 azimutalen Positionen, diemit 1, 2, 3, ..., gekennzeichnet sind, ist in Tabelle 4 dargestellt.
    [0065] Beidieser Belegung erzeugt die gesamte Magnetanordnung ein homogenesMagnetfeld. Die in Tabelle 2 aufgelisteten Feldstörungen derMagnetanordnung ohne Feldformvorrichtung werden durch diese Belegungzu den in Tabelle 5 aufgelisteten restlichen Feldstörungen umgewandelt.Die Plättchen besitzeninsgesamt eine Masse von 3,42 kg.
    [0066] In 6 istdie Konturlinie r(z) konstanter relativer Abweichung der Magnetfeldstärke von+/– 5 ppmbezogen auf das Feld im Zentrum einer Magnetanordnung nach den Tabellen1-5 in einem Quadranten der Bohrung dargestellt. Innerhalb der Konturlinie istdie relative Abweichung der Magnetfeldstärke kleiner als +/– 5 ppm.In dem Bereich z < 3cm ist dieser Bereich durch die Feldformvorrichtung mit dem relativklein gewähltenRadius r5 = 7 cm begrenzt. Solche Feldformvorrichtungen 7 sindvon herkömmlichen Magnetanordnungenfür MRI-Apparaturen bekannt und dienen dabei der Korrektur von Inhomogenitäten desMagnetfeldes infolge von geometrischen Abweichungen der Wicklungender Magnetapparaturen von den theoretisch idealen Anordnungen aufgrund praktischunvermeidlicher mechanischer Toleranzen der verwendeten Spulenkörper unddes verwendeten Supraleiterdrahtes. Die Berechnungsmethoden geeigneterVerteilungen von Feldformelementen zur Korrektur von ursprünglichenInhomogenitätendes Magnetfelds, wie man sie aus Messungen ermitteln kann, sinddem Fachmann fürdie Konstruktion herkömmlicherMagnetapparaturen fürMRI- Apparaturen bekannt. Es ist jedoch erstaunlich zu sehen, mit welchgeringen Mengen an Feldformelementen die theoretisch erwartetenInhomogenitätender erfindungsgemäßen Magnetanordnungenohne die Berücksichtigungder Feldformvorrichtung 7 nach dem Ausführungsbeispiel kompensiertwerden können. Umdie Menge an Feldformelementen in der Feldformvorrichtung geringzu halten und gleichzeitig großeArbeitsvolumina mit hoher Homogenität des Magnetfelds zu erhalten,ist es vorteilhaft, wenn die Magnetanordnung ohne Berücksichtigungder Feldformvorrichtung 7 einen negativen Magnetfeldtermh4/h0 und einen positiven Magnetfeldterm h2/h0 erzeugt. Diese Magnetfeldtermelassen sich durch die Wahl der axialen Begrenzungen z1 und z2 derSole noidspule 1 sowie der beiden Magnetkörper 2 sowiedes inneren Radius r3 der Magnetkörper 2 in der genanntenWeise einstellen. Die entsprechenden Methoden sind dem Fachmannfür dieKonstruktion herkömmlicherMagnetanordnungen bekannt. Durch das Miteinbeziehen der Feldformvorrichtungin die Auslegung des Systems ergibt sich eine verkürzte Bauform derMagnetanordnung. Eine derartige Feldformvorrichtung 7 kannauch aus ferromagnetischen Folien oder Blechen aufgebaut sein, diezur Homogenisierung des Magnetfelds im Untersuchungsvolumen geeigneteAusstanzungen aufweisen, wie dies bereits aus der US 2002/0,140,535A1 bekannt ist. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wennder mit (–1) multiplizierteQuotient aus den Magnetfeldtermen h2 und h4 mindestens gleich demhalben Quadrat des Radius r5 der Feldformvorrichtung ist. Dann lassen sichin besonders großenUntersuchungsvolumina Magnetfelder großer Homogenität mit besonders kleinenMengen an Feldformelementen in der Feldformvorrichtung erzeugen.Bei dem in den Tabellen 1-5 beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt der Quotientaus den Magnetfeldtermen (–h2/h4) etwa 91 cm2, ist also deutlich größer als 0,5 r52 =24,5 cm2. Wie 5 zeigt,beträgtDurchmesser des homogenen Volumens mit einer relativen Feldstörung von wenigerals 10 ppm etwa 14 cm. Die benötigteMenge von Feldformelementen aus Eisen nach Tabelle 5 beträgt 3,42kg.
    [0067] Dievorliegende Erfindung ermöglichteine kompakte und kostengünstigeBauweise einer Magnetanordnung zur Messung magnetischer Resonanz, mitHilfe derer, insbesondere bei der Erzeugung hoher Magnetfelder (B > 6 T), die Homogenität des Magnetfeldsin einem Untersuchungsvolumen und gleichzeitig die Zuverlässigkeitder Magnetanordnung verbessert werden kann.
    权利要求:
    Claims (31)
    [1] Koaxiale Magnetanordnung zur Erzeugung einesMagnetfelds in einem Untersuchungsvolumen, das geeignet ist zurMessung magnetischer Resonanz, mit mindestens einer supraleitendenSolenolidspule (1) oder mit radial ineinander geschachtelten Solenoidspulen(1), wobei die Windungen der Solenoidspule(n) (1)in einem radialen Bereich um die Achse (5) der Magnetanordnungzwischen r1 und r2 mit r1 < r2angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass dieWindungen von mindestens einem rotationssymmetrischen Magnetkörper (2)aus einem ferromagnetischen Werkstoff umgeben sind, der sich über einenradialen Bereich zwischen r3 und r4 mit r3 < r4 erstreckt, wobei gilt r2 < r3 < 1,3 r2 und r4 > 1,3 r3 und dassder (bzw. die) rotationssymmetrische(n) Magnetkörper (2) derart strukturiert,dimensioniert und positioniert ist (bzw. sind), dass das Magnetfeld imUntersuchungsvolumen homogenisiert und das magnetische Streufeldaußerhalbder Magnetanordnung weitgehend unterdrückt ist.
    [2] Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass eine Feldformvorrichtung (7) aus ferromagnetischemMaterial in einem radialen Bereich r5 < r1 angeordnet ist, dass der (bzw.die) rotationssymmetrische(n) Magnetkörper (2) derart strukturiert,dimensioniert und positioniert ist (bzw. sind), dass in Zusammenwirkungmit der Feldformvorrichtung (7) das Magnetfeld im Untersuchungsvolumenhomogenisiert ist, und dass durch den (bzw. die) Magnetkörper (2)das magnetische Streufeld außerhalbder Magnetanordnung weitgehend unterdrückt ist.
    [3] Magnetanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Feldformvorrichtung (7) mindestens 3, vorzugsweisemindestens 10 ringförmigangeordnete Elementgruppen umfasst, wobei jede Elementgruppe mindestens6, vorzugsweise mindestens 12 in Umfangsrichtung auf dem jeweiligenRingumfang verteilte Einzelelemente umfasst.
    [4] Magnetanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,dass die Feldformvorrichtung (7) eine zylinderförmig gebogeneferromagnetische Folie mit Ausstanzungen umfasst.
    [5] Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis4, dadurch gekennzeichnet, dass die Solenoidspule(n) (1),die Magnetkörper(2) und die Feldformvorrichtung (7) im Betriebim Untersuchungsvolumen zusammen ein Magnetfeldprofil erzeugen,dessen z-Komponente in einer Reihenentwicklung entlang der z-Achseum das Symmetriezentrum des Untersuchungsvolumens h= h0 + h2z2 + h4z4 +... + h2nz2n beträgt, unddass der gemeinsame Beitrag von der Solenoidspule(n) (1)und Magnetkörper(2) zum Magnetfeldterm der 2. Ordnung positiv und zum Magnetfeldterm der4. Ordnung negativ ist, währendder Beitrag der Feldformvorrichtung (7) zum Magnetfeldtermder 2. Ordnung negativ und zum Magnetfeldterm der 4. Ordnung positivist.
    [6] Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis5, dadurch gekennzeichnet, dass der mit (–1) multiplizierte Quotientaus den Magnetfeldtermen h2 und h4 mindestens gleich dem halben Quadrat des Radiusr5 der Feldformvorrichtung (7) ist
    [7] Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass genau 2 Magnetkörper (2) vorgesehensind, die insbesondere als Kreisringe mit rechteckigem Schnittprofilausgeführtund symmetrisch zu einer Mittelebene quer zur Achse (5)der Magnetanordnung angeordnet sind.
    [8] Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis6, dadurch gekennzeichnet, dass genau 4 Magnetkörper (2) vorgesehensind, die insbesondere als Kreisringe mit rechteckigem Schnittprofilausgeführt sind.
    [9] Magnetanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass die Solenoidspule(n) (1) und die Magnetkörper (2)im Betrieb ohne Berücksichtigungweiterer magnetfelderzeugender Elemente im Untersuchungsvolumenein Magnetfeldprofil erzeugen, dessen z-Komponente in einer Reihenentwicklungentlang der z-Achse um das Symmetriezentrum des Untersuchungsvolumens h = h0 + h2z2 + h4z4 +... + h2nz2n beträgt, unddass die Magnetkörper(2) so positioniert und dimensioniert sind, dass die Magnetfeldtermeder 2., 4. und 6. Ordnung verschwinden (h2 = h4 = h6 = 0).
    [10] Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Magnetanordnung unter Berücksichtigungaller ferromagnetischen Elemente mindestens eine Magnetanordnung 10.Ordnung mit einer Restwelligkeit < 10–5 imUntersuchungsvolumen bildet.
    [11] Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass der bzw. die Magnetkörper (2) aus weichmagnetischemMaterial, insbesondere aus Eisen oder magnetischem Stahl aufgebautist (sind).
    [12] Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass r4 größer als1,5·r3gewähltwird.
    [13] Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass r4 kleiner als 3·r3 gewählt wird.
    [14] Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass r4 so gewähltwird, dass im Betrieb der Magnetanordnung der Betrag der magnetischenInduktion B im Magnetkörper(2) in einem radialen Bereich zwischen r3 und 1,05 r3 mindestensgleich dem Betrag der SättigungspolarisationMS des ferromagnetischen Werkstoffs ist.
    [15] Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass der (bzw. die) Magnetkörper (2) im Betriebgekühlt, vorzugsweiseauf derselben kryogenen Temperatur gehalten wird (werden), wie diesupraleitende(n) Solenoidspule(n) (2).
    [16] Magnetanordnung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet,dass der (bzw. die) Magnetkörper(2) starr mit einem Tragekörper (3) der Solenoidspule(n)(1) verbunden ist (sind).
    [17] Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass radial außerhalbdes (der) Magnetkörper(2) oder in einem radialen Bereich r6 ≥ 0,9·r4 im äußeren Randbereich des (der)Magnetkörper(2) weitere Wicklungen (6) aus supraleitendemDraht vorgesehen sind.
    [18] Magnetanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,dass die weiteren Wicklungen (6) zumindest im Betrieb supraleitendkurzgeschlossen sind.
    [19] Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 17 oder18, dadurch gekennzeichnet, dass der (die) Magnetkörper (2)als Tragekörperfür dieweiteren Wicklungen (6) dient (dienen).
    [20] Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis19, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Wicklungen (6)lediglich ein oder zwei Lagen von supraleitendem Draht umfassen.
    [21] Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis120, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Wicklungen (6)mehrere axial voneinander beabstandete Teilwicklungen umfassen,die jeweils fürsich supraleitend kurzschließbarsind.
    [22] Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis21, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Wicklungen (6)mit der (bzw. den) Solenoidspule(n) (1) supraleitend inReihe geschaltet oder schaltbar sind.
    [23] Magnetanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,dass die weiteren Wicklungen (6) ständig mit der (bzw. den) Solenoidspule(n)(1) elektrisch verbunden sind.
    [24] Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis21, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Wicklungen (6)und die Solenoidspule(n) (1) elektrisch voneinander isoliertsind.
    [25] Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass in einem radialen Bereich r8 > r4 und ggf. r8 > r6 eine ferromagnetischeUmmantelung um die Magnetanordnung vorgesehen ist.
    [26] Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Magnetanordnung eine Hochfeld-Magnetanordnung ist,wobei insbesondere die maximale axiale Komponente Bz dermagnetischen Induktion größer als6T ist.
    [27] NMR-Apparatur, MRI-Apparatur oder ICR-Apparatur,dadurch gekennzeichnet, dass die Apparatur eine Magnetanordnungnach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
    [28] Verfahren zum Betrieb einer Magnetanordnung nacheinem der Ansprüche17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Wicklungen(6) gezielt auf einen gewünschten Betriebsstromwert geladenwerden.
    [29] Verfahren zum Betrieb einer Magnetanordnung nacheinem der Ansprüche17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Beladen der Solenoidspule(n)(1) mit ihrem vorgesehenen Betriebsstrom die weiteren Wicklungen(6) supraleitend kurzgeschlossen sind oder werden und dadurch(jeweils) einen magnetischen Fluss einfrieren.
    [30] Verfahren zum Betrieb einer Magnetanordnung nacheinem der Ansprüche17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein (kleiner) positiveroder negativer Strom in die weiteren Wicklungen (6) eingespeistund supraleitend kurzgeschlossen wird.
    [31] Verfahren zum Betrieb einer Magnetanordnung nacheinem der Ansprüche17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom durch die weiteren Wicklungen(6) unabhängigvom Hauptstrom auf einen berechneten oder per Messung bestimmtenoptimalen Wert eingestellt und eingefroren werden.
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