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    EinHochfrequenz(= HF)-Resonator-System, insbesondere für einenNMR(= Kernspinresonanz)-Probenkopf, mit mindestens einen HF-Resonator, dermindestens drei jeweils nicht unterbrochene Leiterelemente (21;54, 56; 75, 76; 91-94; 111a-111d; 131, 132a-132b; 169a-169f) umfasst,die im HF-Resonator mindestens ein Fenster (57; 77a; 124, 124a)bilden, wobei nur ein Teil der Leiterelemente das mindestens eineFenster begrenzt, wobei die Leiterelemente durch elektromagnetischeFelder miteinander gekoppelt sind, wobei jedes Leiterelement jeweilseine Grenzstromdichte aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dassdie Eigenresonanzen der einzelnen Leiterelemente und/oder die elektromagnetische Kopplungzwischen den Leiterelementen so gewählt sind, dass bei Anregungdes HF-Resonator-Systems die Maximalwerte der Quotientenwerte entlangden einzelnen Leiterelementen füralle Leiterelemente im Wesentlichen gleich sind, wobei diese Quotientenwertedurch den Quotienten aus der in einem Querschnitt der Leiterelementeauftretenden mittleren Stromdichte und der jeweiligen örtlichenGrenzstromdichte definiert sind, oder dass spitzenförmige Stromüberhöhungen (143a-143f),die vorwiegend im Randbereich von Paketen von Leiterelementen (131,132a, 132b), insbesondere am Rand von Fenstern (124, 124a), entlangeinzelner Leiterelemente (132a, 132b) oder entlang Leitergruppenaus mehreren Leiterelementen (132a, 132b) vorkommen können, imWesentlichen eliminiert werden. Dadurch kann das HF-Resonator-System...
    公开号:DE102004020167A1
    申请号:DE200410020167
    申请日:2004-04-24
    公开日:2005-11-24
    发明作者:Nicolas Freytag；Daniel Marek
    申请人:Bruker Biospin AG；Bruker BioSpin SAS；
    IPC主号:G01R33-341
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Hochfrequenz(=HF)-Resonator-System, insbesonderefür einenNMR(=Kernspinresonanz)-Probenkopf, mit mindestens einem HF-Resonator,der mindestens drei jeweils nicht unterbrochene Leiterelemente umfasst, dieim HF-Resonator mindestens ein Fenster bilden, wobei nur ein Teilder Leiterelemente das mindestens eine Fenster begrenzt, wobei dieLeiterelemente durch elektromagnetische Felder miteinander gekoppeltsind, wobei jedes Leiterelement jeweils eine materialbedingte, entlangdes Leiterelements ortsabhängigeGrenzstromdichte aufweist, die im Betrieb nicht überschritten werden darf.
    [0002] Hochfrequenz-Resonator-Systemedieser Gattung sind beispielsweise aus der US 5 276 398 , entsprechend Referenzliteratur[8], bekannt.
    [0003] ZurAnalyse von Probenzusammensetzungen oder zur Strukturbestimmungvon Stoffen in Proben werden Kernspinresonanz(=NMR)-Verfahren eingesetzt.Bei diesen NMR-Verfahren ist die Probe einem starken statischenMagnetfeld ausgesetzt, und es werden transversale hochfrequenteelektromagnetische Impulse in die Probe eingestrahlt. Dabei kommtes zu einer Wechselwirkung mit den Kernspins des Probenmaterials.Die zeitliche Entwicklung dieser Kernspins der Probe erzeugt wiederumhochfrequente elektromagnetische Felder, welche in der NMR-Apparaturdetektiert werden. Aus den detektierten Hochfrequenz (=HF)-FeldernkönnenInformationen überdie Eigenschaften der Probe erhalten werden.
    [0004] ZurEinstrahlung der HF-Impulse in die Probe oder auch zur Detektionder hochfrequenten elektromagnetischen Felder aus der Probe werden HF-Resonator-Systemeeingesetzt. Ein HF-Resonatorsystem besteht aus einem oder mehrerenHF-Resonatoren. Der mindestens eine HF-Resonator ist für die NMR-Messungin unmittelbarer Näheder Probe angeordnet. Das HF-Resonatorsystemist galvanisch, kapazitiv oder induktiv an eine Sende- bzw. Empfangselektronikder NMR-Apparatur angekoppelt.
    [0005] JederHF-Resonator umfasst typischerweise mehrere ununterbrochene Leiterelemente,die miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, das heisst einStromfluss in einem der Leiterelemente geht aufgrund von elektromagnetischerKopplung mit einem Stromfluss in den übrigen Leiterelementen einher.Die Gesamtheit der Leiterelemente stellt einen HF-Schwingkreis dar,dessen Resonanzfrequenz dem NMR-Experiment (insbesondere der statischenMagnetfeldstärke)angepasst ist.
    [0006] UmNMR-Signale möglichstrauscharm detektieren zu können,ist es in der NMR bekannt, die Leiterelemente aus Hochtemperatursupraleiter(=HTS)-Material anzufertigen.Solche HF-Resonatoren könnenden Dokumenten [1] bis [10] entnommen werden. Ein Nachteil dieserResonatoren aus HTS ist es, dass die maximal handhabbare transversaleHF-Magnetfeldstärke(B1-Feldstärke)dieser HF-Resonatoren durch die kritische Stromdichte jc desHTS-Materials begrenzt ist. Je größer die handhabbare HF-Magnetfeldstärke in denHF-Resonatoren,umso kürzerkönnendie von der NMR-Apparatur verwendeten HF-Impulse sein, was die Anregungsbandbreiteerhöht.
    [0007] Esist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, HF-Resonator-Systemevorzustellen, die möglichstgroßetransversale HF-Magnetfeldstärken gestatten,und weiterhin einen weitgehend quadratischen Zusammenhang zwischeneingestrahlter Leistung und Magnetfeldanstieg im HF-Resonator aufweisen;d.h. der Resonator wird im linearen Bereich der Widerstandskennliniebetrieben.
    [0008] DieseAufgabe wird erfindungsgemäß bei einemHF-Resonator-System der eingangs vorgestellten Art dadurch gelöst, dassdie Eigenresonanzen der einzelnen Leiterelemente und/oder die elektromagnetischeKopplung zwischen den Leiterelementen so gewählt sind, dass bei Anregungdes HF-Resonator-Systemsdie Maximalwerte der Quotientenwerte entlang den einzelnen Leiterelementenfür alle Leiterelementeim Wesentlichen gleich sind, wobei diese Quotientenwerte durch denQuotienten aus der in einem Querschnitt der Leiterelemente auftretendenmittleren Stromdichte und der jeweiligen örtlichen Grenzstromdichte definiertsind, oder dass spitzenförmigeStromüberhöhungen,die vorwiegend im Randbereich von Paketen von Leiterelementen, insbesondeream Rand des mindestens einen Fensters, entlang einzelner Leiterelementeoder entlang Leitergruppen aus mehreren Leiterelementen vorkommen können, imWesentlichen eliminiert werden.
    [0009] Grundlageder vorliegenden Erfindung ist es, bei einem HF-Resonator die Stromverteilungin den einzelnen Leiterelementen einzustellen, indem die Kopplungenzwischen den einzelnen Leiterelementen des HF-Resonators gezieltgewähltwerden. Die Kopplungen könneninsbesondere durch Wahl der Längevon überlappendenLeiterabschnitten, durch Verlängernvon Leiterelementen etwa mittels mäanderförmiger Abschnitte, durch Veränderungdes Abstandes von Leiterelementen und/oder durch Verändern desQuerschnitts von Leiterelementen eingestellt werden. Um eine geeigneteGeometrie eines HF-Resonators mit einer bestimmten Stromverteilungin einem HF-Resonator zu erreichen, kann ein Simulationsprogrammeingesetzt werden, welches die Maxwell-Gleichungen löst und anschließend iterativdie Geometrie der Leiterelemente verändert.
    [0010] HF-Resonator-Systemedes Standes der Technik berücksichtigenbei der Zusammensetzung der einzelnen Leiterelemente lediglich dieEinstellung der gewünschtenResonanzfrequenz eines gesamten HF-Resonators bzw. HF-Resonator-Systems. Dadurchkommt es im Betrieb zu starken relativen Unterschieden in den Stromdichtenin den verschiedenen Leiterelementen. Leiterelemente mit einer hohenrelativen Stromdichte gelangen bei hohen HF-Magnetfeldstärken schnell in den Bereichihrer Grenzstromdichte. Die Grenzstromdichte kann etwa durch diekritische Stromdichte jc im Falle einessupraleitenden Leiterelements gegeben sein, oder auch durch einen Übergangzu nicht-linearem Widerstand, oder durch eine bei gegebener Kühlung durch ohmscheErwärmungerreichte Schmelztemperatur oder Diffusionsaktivierung bei einemnormalleitenden Leiterelement. Wird in einem Leiterelement die Grenzstromdichteerreicht, fälltdieses Leiterelement im HF-Resonator typischerweise aus, und dasKopplungsverhalten im HF-Resonator verändert sich. Die Resonanzfrequenzdes HF-Resonators wird im Allgemeinen verstimmt, und eventuell wirdder HF-Resonator irreversibel zerstört. Dabei bleiben die meistenLeiterelemente weit unterhalb ihrer jeweiligen Grenzstromdichte.
    [0011] Erfindungsgemäß ausgestalteteHF-Resonatoren weisen eine von zwei Stromverteilungsvarianten auf.
    [0012] Inder ersten Variante, die vorwiegend für Resonatoren auf planarenSubstraten erfindungsgemäß einzusetzenist, wird in jedem Leiterelement der Stromfluss entsprechend derStromtragfähigkeitdieses Leiterelements eingestellt und so die Stromtragfähigkeitdes HF-Resonators insgesamt maximiert. Die maximalen mittleren Stromdichteninnerhalb der Leiterelemente im Betrieb sind so eingestellt, dass sichdie einzelnen Leiterelemente mit steigender HF-Magnetfeldstärke gleichmäßig ihrerjeweiligen Grenzstromdichte annähern.Dadurch kann die volle Stromtragfähigkeit aller Leiterelementegenutzt werden.
    [0013] Inder zweiten Variante, die vorwiegend für Birdcage-Resonatoren erfindungsgemäß einzusetzenist, ist im Betrieb im HF-Resonator eine bestimmte relative Stromverteilungin den einzelnen Leiterelementen vorgesehen (=Soll-Stromverteilung),etwa eine sinusoidale Stromverteilung. Diese Soll-Stromverteilungbesitzt ein Soll-Strommaximum, etwa im Maximum eines Sinus bei π/2. Im Standder Technik treten vor allem im Randbereich und an den Fenstern vonHF-Resonatoren oder allgemeiner im Randbereich von räumlich separiertenAnsammlungen von zusammengehörigenLeiterelementen (=Paketen) innerhalb eines HF-Resonators in einzelnenLeiterelementen oder Gruppen von Leiterelementen Stromflüsse auf,die weit oberhalb des Stromflusses der Leiterelemente des Soll-Strommaximumsliegen. Diese randständigenLeiterelemente erreichen ihre Grenzstromdichte bei deutlich niedrigerenHF-Magnetfeldstärkenals die Leiterelemente im Bereich des Soll-Strommaximums und begrenzen daher unnötiger Weisedie Leistungsfähigkeitdes HF-Resonators. Erfindungsgemäß werdennun die Leiterelemente so ausgelegt, dass in keinem Leiterelementder Stromfluss größer istals im Soll-Strommaximum.Insbesondere kann eine "quasi-stetige" oder glatte Stromverteilungbezüglichbenachbarter Leiterelemente eingestellt werden. Dies wird beispielsweisedurch eine Verringerung der kapazitiven Kopplung zwischen den betroffenenrandständigenLeiterelementen und dem Ring des Birdcage-Resonators und damit einegeringere Stromeinkopplung erreicht. In einem erfindungsgemäßen Resonatorkann die volle Stromtragfähigkeitder Leiterelemente im Bereich des Soll-Strommaximums genutzt werden.Im allgemeinen Falle von geometrisch unterschiedlichen Leiterelementenund/oder unterschiedlichen Grenzstromdichten in den einzelnen Leiterelementenist in der zweiten Variante erfindungsgemäß der Maximalwert der Quotientenwerteeines jeden Leiterelements kleiner oder gleich dem Maximalwert indemjenigen Leiterelement mit dem gemäß Soll-Stromverteilung größten Maximalwertder Quotientenwerte dieses Leiterelements.
    [0014] Inbeiden Varianten wird ein Ausfall (etwa Quench) einzelner Leiterelementebei relativ niedrigen HF-Magnetfeldstärken unterhalb der eigentlichenLeistungsgrenze des HF-Resonators vermieden.
    [0015] ImFolgenden soll kurz die Bestimmung des Maximalwerts der Quotientenwerteeines Leiterelements erläutertwerden: In einem Leiterelement wird im Betrieb an einem ersten Ort(bzgl. z, Koordinate entlang des Leiterelements) ein erster Querschnitt betrachtet.Senkrecht durch diesen Querschnitt fließt räumlich verteilt Strom, d.h.es existieren räumlich verschiedene,lokale Stromdichten j(x, y) (mit x, y: Koordinaten senkrecht zuz). Fürdie Bestimmung von Stromdichten wird dabei jeweils die Maximalamplitudedes betrachteten Wechselstroms zugrunde gelegt, d.h. die zeitlicheEntwicklung des betrachteten Wechselstroms innerhalb einer Periodewird außerBetracht gelassen. Nun werden die lokalen Stromdichten über dieQuerschnittsflächeintegriert und somit eine mittlere Stromdichte in dem Querschnittbestimmt. An dem Ort (bzgl. z) des Querschnitts ist eine örtlicheGrenzstromdichte gegeben. Eine Ortsabhängigkeit der Grenzstromdichteentlang z kann sich beispielsweise aufgrund von Anisotropie bezüglich desstatischen Magnetfelds ein einem gekrümmten Leiterelement ergeben.Der Quotient aus mittlerer Stromdichte und Grenzstromdichte ergibt denQuotientenwert am Ort des Querschnitts. In gleicher Weise werdenfür alleOrte (bzgl. z) entlang des Leiterelements Quotientenwerte gebildet.Der höchsteQuotientenwert wird als der Maximalwert der Quotientenwerte desLeiterelements bezeichnet. In der Regel wird der höchste Quotientenwertim Bereich eines Symmetriezentrums, insbesondere in der Mitte einesLeiterelements, gefunden.
    [0016] Ineinem einfachen Fall besitzen alle Leiterelemente einen identischenQuerschnitt und eine einheitliche, räumlich konstante Grenzstromdichte; dannsind die Maximalwerte der Quotientenwerte in den Leiterelementenproportional den maximalen Strömenin den Leiterelementen.
    [0017] ImRahmen der vorliegenden Erfindung sind die Maximalwerte der Quotientenwerteinsbesondere dann im Wesentlich gleich, wenn die Abweichung einesjeden Maximalwerts vom Mittelwert der Maximalwerte der einzelnenLeiterelemente maximal 25%, vorzugsweise maximal 10%, beträgt.
    [0018] DieMaximalwerte der Quotientenwerte entlang der einzelnen Leiterelementesind erfindungsgemäß weiterhininsbesondere dann im Wesentlichen gleich, wenn der Mittelwert derMaximalwerte der Quotientenwerte wenigstens 75%, vorzugsweise wenigstens90%, des Maximalwerts der Quotientenwerte desjenigen Leiterelementsmit dem größten Maximalwertder Quotientenwerte aller Leiterelemente beträgt. In diesem Fall wird diegesamte Stromtragfähigkeitdes HF-Resonator-Systems zu wenigstens 75% bzw. 90% ausgenutzt.
    [0019] Inden Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt es auch, wenn wenigstens75%, vorzugsweise 90%, der Leiterelemente im Wesentlichen gleichgroßeMaximalwerte der Quotientenwerte aufweisen, und die restlichen 25%,vorzugsweise 10%, der Leiterelemente kleinere Maximalwerte der Quotientenwerteaufweisen. Die restlichen Leiterelemente reduzieren in diesem Falldie Auslastung des erfindungsgemäßen Resonator-Systemsnur geringfügig.
    [0020] Für die vorliegendeErfindung werden nur Einzelresonatoren oder Bauteile, die einenmerklichen absoluten Beitrag zum B1-Feld liefern bzw. liefern sollen,als Leiterelemente angesehen. Insbesondere werden galvanisch isoliertePlättchen,die lediglich der makroskopischen Homogenisierung des Leitermaterialsdienen und nur vergleichsweise geringen Strom tragen, nicht alsLeiterelemente im Sinne der Erfindung angesehen.
    [0021] Besondersbevorzugt ist eine Ausführungsformdes erfindungsgemäßen HF-Resonator-Systems,bei der die Leiterelemente aus Supraleitermaterial, insbesondereNbTi oder Nb3Sn, gefertigt sind. SupraleitendeLeiterelemente könnenHF-Ströme verlustarmtragen, so dass das HF-Resonator-System besonders hohe Resonator-Güten erreichtund NMR-Signale mit hohem Signal zu Rauschverhalten detektiert werdenkönnen.
    [0022] Diegleichen Vorteile in stärkererAusprägungbesitzt eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der die Leiterelementeaus Hochtemperatur-Supraleitermaterial(z.B. Tl2Ba2CaCu2O8, YBa2Cu3O7-x, (Tl, Pb)Sr2Ca2Cu3O9, BiPbSrCaCuO, BiSrCaCuO, BiSrCuO oder BiSrYCuO)mit einer Sprungtemperatur > 30K gefertigt sind.
    [0023] Einevorteilhafte Ausführungsformsieht vor, dass die Leiterelemente auf einem ebenen, polyedrischenoder zylinderförmigen,dielektrischen Substrat aufgebracht sind. Das Substrat stabilisiertmechanisch den zughörigenResonator, und kann als Dielektrikum die Kopplung der Leiterelementebeeinflussen. Außerdemgestattet das Substrat die Ableitung von Wärme, insbesondere bei normalleitendenLeiterelementen, beziehungsweise die Kühlung von supraleitenden Leiterelementenunter die Sprungtemperatur des supraleitenden Materials. Ein Substrat kannerfindungsgemäß auf Ober-und Unterseite mit Leiterelementen versehen sein. Auch können zwei Substrate,die jeweils Leiterelemente aufweisen, aneinander befestigt und/odermiteinander verklebt sein.
    [0024] Beieiner bevorzugten Ausführungsformdes erfindungsgemäßen HF-Resonator-Systemsist vorgesehen, dass die Leiterelemente einen annähernd rechteckförmigen Querschnittaufweisen, insbesondere mit einer Dicke zwischen 200 nm und 1 μm und/odereiner Breite zwischen 2 μmund 50μm.Der rechteckförmigeQuerschnitt ist leicht herzustellen und die rechnergestützte Bestimmungvon erfindungsgemäßen Geometrienfür Leiterelementeist bei dieser Grundform besonders einfach.
    [0025] Besondersvorteilhaft sind bei einer Ausführungsformdie Grenzstromdichten in allen Leiterelementen eines HF-Resonatorsgleich groß.Dies kann beispielsweise durch einen geeigneten, einheitlichen,isotropen Werkstoff füralle Leiterelemente erreicht werden.
    [0026] Vorteilhaftist weiterhin eine Ausführungsform,bei der die Leiterelemente eines HF-Resonators am Ort ihrer jeweiligenmaximalen Quotientenwerte jeweils identische Querschnitte aufweisen.In diesem Fall ist am Ort des maximalen Quotientenwerts die mittlereStromdichte in jedem Leiterelement proportional zum dortigen Stromfluss,wodurch wiederum die Bestimmung einer erfindungsgemäßen Geometrievon Leiterelementen erleichtert wird.
    [0027] Besondersbevorzugt wird eine Ausführungsform,bei der ein oder mehrere Leiterelemente einen mäanderförmigen Abschnitt aufweisen,insbesondere wobei der mäanderförmige Abschnittim Bereich der Basis eines U-förmigenLeiterelements angeordnet ist. Mäanderförmige Abschnittegestatten die gezielte, vornehmliche Änderung der Induktivität eineseinzelnen Leiterelements, beziehungsweise der Stehwelleneigenschaftenund damit dessen Resonanzfrequenz.
    [0028] Ebensobesonders bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der verschiedeneLeiterpaare unterschiedliche kapazitive Überlappungen besitzen. Leiterpaarewerden durch benachbart angeordnete Leiterelemente gebildet. DurchEinstellung von Überlappungslängen anparallel verlaufenden Abschnitten der Leiterelemente mit fixiertemAbstand kann die kapazitive Kopplung zwischen diesen Leiterelementen gezielteingestellt werden. Eine solche Überlappung kannauch in den beiden Endbereichen eines einzigen Leiterelementes gebildetwerden (1a E), bzw. über die gesamte Länge einesElementes verteilt sein (1a: Fund G).
    [0029] Ebensobesonders bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der das Verhältnis zwischenBreite des Leiterelementes und des Abstandes zu benachbarten Leiterelementenim Bereich der Überlappungenfür verschiedeneLeiterpaare unterschiedlich ist. Breite und Abstand der Leiterelementekönnenauch unabhängigvoneinander bei unterschiedlichen Leiterpaaren erfindungsgemäß unterschiedlicheingestellt sein. Diese Geometrien gestatten eine gezielte Einstellungder Kopplung zwischen den Leiterelementen.
    [0030] Erfindungsgemäß ist weiterhinein HF-Resonator-System, das dadurch gekennzeichnet ist, dass derHF-Resonator vier Sets von ineinander geschachtelten U-förmigen Leiterelementenumfasst, wobei die U-förmigenLeiterelemente eines jeden Sets in eine gleiche Richtung zum Zentrumdes HF-Resonators hin geöffnetsind, dass innerhalb jedes Sets bei weiter außen liegenden U-förmigen Leiterelementendie Enden der Schenkel gegenüberden Enden der Schenkel von weiter innen liegenden U-förmigen Leiterelementenzurückgesetzt sind, dassjeweils zwei Sets mit den Öffnungsrichtungen ihrerU-förmigenLeiterelemente aufeinander zu zeigen und in einer Ebene angeordnetsind, wobei die U-förmigenLeiterelemente der beiden Sets einer jeden Ebene nicht ineinandergreifen, und wobei die Öffnungsrichtungender U-förmigen Leiterelementeder ersten Ebene gegenüberden Öffnungsrichtungender U-förmigenLeiterelemente der zweiten Ebene um 90° gedreht sind.
    [0031] DiesesHF-Resonator-System weist im Wesentlichen gleiche Maximalwerte derQuotientenwerte füralle Leiterelemente auf.
    [0032] Beieiner erfindungsgemäßen Ausgestaltung diesesHF-Resonator-Systems sind die beiden Ebenen parallel benachbartangeordnet und durch eine dielektrische Schicht miteinander verbunden.
    [0033] Erfindungsgemäß ist weiterhinein HF-Resonator-System, das vorsieht, dass der HF-Resonator zweiSets von U-förmigenLeiterelementen umfasst, wobei die U-förmigen Leiterelemente jedesSets jeweils ineinander geschachtelt und in eine gleiche Richtunggeöffnetsind, dass die Öffnungsrichtungender U-förmigenLeiterelemente der beiden Sets aufeinander zu zeigen, dassdie Schenkel der U-förmigenLeiterelemente der beiden Sets ineinander greifen, wobei in jeden Zwischenraumzwischen zwei benachbarten Schenkeln von Leiterelementen eines Setsgenau ein Schenkel eines Leiterelements des anderen Sets eingreift, unddass die Eingriffstiefe der Schenkel der U-förmigen Leiterelemente in dieZwischenräumeim HF-Resonator in einem inneren Bereich, der an das Fenster angrenzt,von innen nach außenabnimmt.
    [0034] Auchdieses HF-Resonator-System weist im Wesentlichen gleiche Maximalwerteder Quotientenwerte füralle Leiterelemente auf.
    [0035] Beieiner Ausgestaltung dieses HF-Resonator-Systems nimmt die Eingriffstiefeder Schenkel der U-förmigenLeiterelemente in die Zwischenräumeim HF-Resonatorin einem äußeren Bereichvon innen nach außenwieder zu. Dadurch wird die Stromtragfähigkeit im äußeren Bereich besser in denResonator eingebunden, insbesondere im Falle von vielen Leiterelementenje Set.
    [0036] Besondersbevorzugt ist eine Ausführungsformeines erfindungsgemäßen HF-Resonator-Systems,welche mehrere baugleiche HF-Resonatoren, insbesondere 2 oder 4baugleiche HF-Resonatoren umfasst. Diese Ausführungsform kann als einfache, planareHelmholzanordnung verwendet werden, die besonders gute Feldhomogenität bezüglich B1aufweist.
    [0037] Weiterhinerfindungsgemäß ist einHF-Resonator-System, das vorsieht, dass der HF-Resonator mindestensein Set von geraden, parallelen Leiterelementen umfasst, dassin einem mittleren Bereich des Sets die Leiterelemente jeweils gleichlang sind, und dass in außenliegenden Bereichen des Sets weiter außen liegende Leiterelementegegenüber weiterinnen liegenden Leiterelementen verkürzt sind.
    [0038] Beidieser Ausführungsformwerden spitzenförmigeStromüberhöhungen imaußenliegenden Leiterelementen, also im Randbereich des Sets, eliminiert.Ein typisches Set ist eine Stange eines Birdcage-Resonators. Einsolches Set stellt auch ein Paket von Leiterelementen im Sinne derErfindung dar.
    [0039] EineAusgestaltung dieses HF-Resonator-System ist dadurch gekennzeichnet,dass das HF-Resonator-System als Birdcage-Resonator, insbesondereHybrid-Birdcage-Resonatorausgebildet ist und mehrere Sets von geraden, parallelen Leiterelementenumfasst. In diesem Fall werden Stromüberhöhungen an jeder Außenseiteeines jeden Sets eliminiert, und der Birdcage-Resonator wird inseiner Leistungsfähigkeitdurch den Stromfluss des Leiterelements bzw. der Leiterelementeam Maximum seiner sinusartigen Stromverteilung bestimmt.
    [0040] Besondersbevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen HF-Resonator-Systems,wobei das HF-Resonator-System Teil eines NMR-Probenkopfes ist undeine zu messende Probe aufweist, wobei die Leiterelemente auf einem odermehreren ebenen, polyedrischen oder zylinderförmigen, dielektrischen Substratenplatziert sind und die räumlicheAnordnung der Leiterelemente so gewählt ist, dass das im aktivenVolumen der Probe erzeugte HF-Magnetfeld möglichst homogen ist. Erfindungsgemäß wird alsoder zu bestimmenden Anordnung der Leiterelemente eine weitere zuoptimierende Größe beigegeben,nämlichdie Homogenitätdes zu erzeugenden transversalen HF-Magnetfeldes. In der rechnergestützten Berechnungkann dies dadurch erfolgen, dass zunächst die Bedingungen für den imeinfachsten Fall identischen Stromfluss in jedem Leiterelement eingestelltund festgehalten werden, wobei alle Leiterelemente denselben Querschnittaufweisen sollen. Nun werden die Leiterelemente dergestalt auf denSubstraten platziert, dass unter der Bedingung gleicher Maximalströme in allen Leiterelementeneine maximale Feldhomogenitäterreicht wird. Zuletzt werden dann die (insbesondere kapazitiven)Kopplungen zwischen den Elementen so eingestellt, dass im Betriebauch wirklich im Wesentlichen gleich große Maximalströme in denLeiterelementen fließen.Ist dieser kapazitive Stromübertragzwischen Leiterelementen lokalisiert, dann ist sein Einfluss aufdie Feldhomogenitätvernachlässigbar.Andernfalls muss ein iterativer Prozess durchlaufen werden. Regelmäßig istzur Homogenisierung des Feldes außen mehr Stromfluss als innenerforderlich, so dass die Leiterdichte in HF-Resonatoren nach außen hin erfindungsgemäß vergrößert wird.
    [0041] Vorteilhaftist weiterhin eine Ausführungsform,bei der benachbarte Leiterelemente an Orten gleichen elektrischenPotentials galvanisch miteinander verbunden sind. Die galvanischeVerbindung kann bevorzugt an Symmetriepunkten der Leiterelementeerfolgen. Die Verbindungspunkte können weiterhin zur Einkopplungin oder zur Auskopplung aus einem HF-Resonator verwendet werden.
    [0042] EineAusführungsformsieht vor, dass alle Leiterelemente einen rechteckförmigen Querschnitt miteinheitlicher Breite und einheitlicher Höhe aufweisen, wobei Breiteund Höhesenkrecht zur Hauptstromflussrichtung der Leiterelemente verlaufen.Diese Ausführungsformist besonders einfach herzustellen und zu berechnen.
    [0043] Einebevorzugte Ausführungsform,insbesondere fürHF-Resonator-Systeme aus Supraleiter, enthält Plättchen, die keinen oder kaumStrom tragen. Diese Plättchenkönneninsbesondere so platziert werden, dass eine makroskopisch homogene Verteilungdes Leitermaterials erreicht wird.
    [0044] Vorteilhaftist auch eine Ausführungsform deserfindungsgemäßen HF-Resonator-Systems,bei der der HF-Resonator wenigstens 10 Leiterelemente, bevorzugtwenigstens 20 Leiterelemente aufweist. In diesem Fall kann durchdie erfindungsgemäße Lehre einebesonders großeLeistungsfähigkeitdes HF-Resonator-Systemserreicht werden.
    [0045] Bevorzugtist auch eine Ausführungsform, beider die Leiterelemente zumindest teilweise unterschiedliche Eigenresonanzenaufweisen. In diesem Fall kann die Anordnung der Leiterelementebesonders frei gestaltet werden.
    [0046] Weiterhinbevorzugt ist eine Ausführungsform,bei der die Leiterelemente des HF-Resonators lediglich ineinandergeschachtelt sind. Insbesondere sind die Leiterelemente nicht verschachtelt.Ineinander geschachtelt bedeutet, dass weiter innen liegende Leiterelementevollständiginnerhalb eines Bereichs liegen, den weiter außen liegende Leiterelementeumreißen.Anders gesagt stellt sich eine Abfolge von Leiterelementen im Resonatorvon innen nach außenein, etwa von einem Fenster wegwärts.Im Falle eines Verschachtelns liegt ein Abschnitt eines ersten Leiterelementszwischen zwei Abschnitten eines zweiten Leiterelements, wobei diebeiden Abschnitte des zweiten Leiterelements im Resonator einerseitsweiter außenund andererseits weiter innen liegen als der Abschnitt des erstenLeiterelements. Das Ineinander Schachteln erleichtert im Vergleich zumVerschachteln die Einstellung der Stromverteilung in den Leiterelementenund damit im Resonator.
    [0047] Schließlich istauch eine Ausführungsform bevorzugt,die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Leiterelemente ausschließlich vomlinienförmigen Grundtypund/oder vom U-förmigenGrundtyp und/oder vom offen ringförmigen Grundtyp sind. DieseGrundtypen sind besonders einfach herzustellen und in ein erfindungsgemäßes HF-Resonator-Systemzu integrieren. Dabei könnendie Leiterelemente besagter Grundtypen Abwandlungen wie mäanderförmige Abschnitteaufweisen. Alternativ oder zusätzlichkann vorgesehen sein, den HF-Resonator eines erfindungsgemäßen HF-Resonator-Systemsfrei von Leiterelementen des spiralförmigen Grundtyps auszugestalten.Die Verwendung von einfachen, insbesondere nicht-spiralförmigen Leiterelementengestattet eine verbesserte Stromauslastung der Leiterelemente.
    [0048] Inden Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zumDesign eines erfindungsgemäßen HF-Resonator-Systemsmit homogener Stromauslastung, umfassend folgende Schritte: 1. Auslegen eines beliebigen HF-Resonator-Systems,insbesondere gemäß dem Standder Technik, vorzugsweise gemäß [1-8]; 2. Berechnung der Stromverteilung im HF-Resonator-System für die gewünschte Resonanz-Mode; 3. Rechnerische Bestimmung der Maximalwerte Qi derQuotientenwerte entlang der einzelnen Leiterelemente i; 4. Korrektur der Eigenresonanzen der einzelnen Leiterelementeund/oder der elektromagnetischen Kopplung durch Anpassen der Längen, und/oderder Verhältnissezwischen Abstand und Breite der kapazitiven Überlappungen zu benachbartenLeiterelementen, und/oder durch Ersetzen gerader durch mäanderförmige Leiterabschnitte, wobeidiese Änderungenproportional zur jeweiligen Abweichung des in Schritt 3 berechneten WertesQi von einem konstanten Referenzwert erfolgen,wobei der Referenzwert vorzugsweise gleich dem kleinsten, größten oderdem durchschnittlichen Wert der in Schritt 3 berechneten Qi-Werte ist; 5. Wiederholen der Schritte 2 bis 4 solange, bis alle WerteQi im Wesentlichen gleich dem gewählten Referenzwertsind.
    [0049] Weiterhinfällt inden Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Design eineserfindungsgemäßen HF-Resonator-Systemsohne spitzenförmigeStromüberhöhungen,umfassend folgende Schritte: 1. Auslegen einesbeliebigen HF-Resonator-Systems, insbesondere gemäß dem Standder Technik, vorzugsweise gemäß [9-10]; 2. Berechnung der Stromverteilung im HF-Resonator-System für die gewünschtenResonanz-Mode; 3. Rechnerische Bestimmung der Maximalwerte Qi derQuotientenwerte entlang der einzelnen Leiterelemente i; 4. Selektion der Leiterelemente k in den Randbereichen, wo spitzenförmige Stromüberhöhungen auftreten,deren Maximalwerte der Quotientenwerte gleich Qk sind; 5. Korrektur der Eigenresonanzen der einzelnen Leiterelementek und/oder der elektromagnetischen Kopplung durch Anpassen der Längen, und/oderder Verhältnissezwischen Abstand und Breite der kapazitiven Überlappungen zu benachbartenLeiterelementen, und/oder durch Ersetzen gerader durch mäanderförmige Leiterabschnitte, wobeidiese Änderungenproportional zur jeweiligen Abweichung des in Schritt 3 berechneten WertesQk von einem Referenzwert erfolgen, wobeider Referenzwert kleiner als der größte Qi-Wertausserhalb der selektionierten Randbereiche ist; 6. Wiederholen der Schritte 2 bis 5 solange, bis alle WerteQk kleiner oder gleich dem gewählten Referenzwertsind.
    [0050] WeitereVorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und derZeichnung. Ebenso könnendie vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmaleerfindungsgemäß jeweils einzelnfür sichoder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden.Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht alsabschließendeAufzählungzu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderungder Erfindung.
    [0051] DieErfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielennäher erläutert. Eszeigen:
    [0052] 1a Beispielefür Grundtypenvon Leiterelementen (nicht vollständig);
    [0053] 1b Beispielefür HF-Resonatoren,die aus den Grundtypen von Leiterelementen gemäß 1a zusammengesetztsind;
    [0054] 2a einenHF-Resonator mit verteilten Kapazitäten gemäß dem Stand der Technik;
    [0055] 2b dieStromverteilung im HF-Resonator gemäß 2a inder Schnittebene II-II';
    [0056] 3a einenHF-Resonator mit verteilten Kapazitäten mit drei Fingerchen proFinger gemäß dem Standder Technik;
    [0057] 3b dieStromverteilung im HF-Resonator gemäß 3a inder Schnittebene III-III';
    [0058] 4a–4b Oberseiteund Unterseite eines HF-Resonators auf Basis eines doppelseitigbeschichteten Substrats nach dem Stand der Technik;
    [0059] 4c dieStromverteilung in der Oberseite des HF-Resonators von 4a/4b inder Schnittebene IV-IV';
    [0060] 5a einenerfindungsgemäßen HF-Resonatorauf Basis ineinander geschachtelter U-förmiger Leiterelemente mit verringerter Überlappungin einem mittleren Bereich;
    [0061] 5b dieStromverteilung im erfindungsgemäßen HF-Resonatorgemäß 5a entlangder Schnittebene V-V';
    [0062] 6a einenHF-Resonator des Standes der Technik auf Basis ineinander geschachtelter U-förmiger Leiterelementemit nach außenhin gleichmäßig zunehmendem Überlappbereich;
    [0063] 6b dieStromverteilung im HF-Resonator gemäß 6a entlangder Schnittebene VI-VI';
    [0064] 7a–7b Oberseiteund Unterseite eines erfindungsgemäßen HF-Resonators auf Basis eines doppelseitigbeschichteten Substrats mit nach außen offenen, V-artig ausgebildetenUnterbrechungsbereichen zwischen U-förmigen Leiterelementen;
    [0065] 7c dieStromverteilung im erfindungsgemäßen HF-Resonatorgemäß 7a/7b entlangder Schnittebene VII-VII';
    [0066] 7d eine überlagerteDarstellung der Oberseite und der Unterseite des erfindungsgemäßen HF-Resonatorsvon 7a/7b zur Veranschaulichung desFensters;
    [0067] 8a–8b Oberseiteund Unterseite eines HF-Resonators auf Basis eines doppelseitigbeschichteten Substrats mit rechteckförmig ausgebildeten Unterbrechungsbereichenzwischen U-förmigen Leiterelementennach dem Stand der Technik;
    [0068] 8c dieStromverteilung im HF-Resonator gemäß 8a/8b entlangder Schnittebene VIII-VIII';
    [0069] 9a–9b Oberseiteund Unterseite eines erfindungsgemäßen HF-Resonators auf Basis eines doppelseitigbeschichteten Substrats mit nach außen offenen, U-artig ausgebildeten Unterbrechungsbereichenzwischen U-förmigenLeiterelementen, wobei die innersten und äußersten Leiterelemente verkürzt sind;
    [0070] 10a einen erfindungsgemäßer HF-Resonator auf Basisvon ineinander geschachtelten U-förmigen Leiterelementen, beidem an den kurzen Seiten die Breite der Leiterelemente von einemmittleren Bereich der Leiterelemente zum inneren und äußeren Randdes Resonators hin zunimmt;
    [0071] 10b einen erfindungsgemäßen HF-Resonator auf Basisvon ineinander geschachtelten U-förmigen Leiterelementen, beidem an den kurzen Seiten der Abstand zwischen den Leiterelementen voneinem mittleren Bereich der Leiterelemente zum inneren und äußeren Randhin abnimmt;
    [0072] 10c einen erfindungsgemäßen HF-Resonator auf Basisvon ineinander geschachtelten U-förmigen Leiterelementen, wobeiein Teil der U-förmigen Leiterelementean ihren Basen mäandertörmige Abschnitteaufweisen;
    [0073] 11a–11b erfindungsgemäße HF-Resonatoren mit galvanischenVerbindungen von einzelnen Leiterelementen;
    [0074] 12a einen Hybrid-Bridcage-Resonator mit sechsStangen in perspektivischer Darstellung, zu dem Ausgestaltungender Stangen in den 13a/13b gemäß der Erfindungund in den Figuren 14a/14b gemäß dem Standder Technik beschrieben sind;
    [0075] 12b eine Querschnittdarstellung des Hybrid-Birdcage-Resonatorsvon 12a in der Schnittebene XII-XII', mit Kennzeichnungdes Darstellungsbereichs der Stromverteilungen von 13b/14b;
    [0076] 13a ein Paket von Leiterelementen (=Stange) einesHybrid-Birdcage-Resonatorswie in 12a/12b gemäß der Erfindung;
    [0077] 13b die Stromverteilung in vier Paketen von Leiterelementeneines Hybrid-Birdcage-Resonators mit Stangen wie in 13a gemäß der Erfindung;
    [0078] 14a ein Paket von Leiterelementen (=Stange) einesHybrid-Birdcage-Resonatorswie in 12a/12b gemäß dem Standder Technik;
    [0079] 14b die Stromverteilung in vier Paketen von Leiterelementeneines Hybrid-Birdcage-Resonators mit Stangen wie in 14a gemäß dem Stand derTechnik;
    [0080] 15a–15b erfindungsgemäße HF-Resonatoren auf Basisgeschachtelter U-förmiger Leiterelementemit nach außenhin abnehmendem Abstand der Leiterelemente zur Verbesserung derFeldhomogenität;
    [0081] 15c eine Anordnung von planaren Resonatoren, dieerfindungsgemäß entsprechend 15a/15b gestaltet sind;
    [0082] 16a–16b Oberseite und Unterseite eines erfindungsgemäßen HF-Resonators auf Basis einesdoppelseitig beschichteten Substrats mit nach außen offenen, V-artig ausgebildetenUnterbrechungsbereichen zwischen U-förmigen Leiterelementen undgalvanischen Verbindungen der U-förmigen Leiterelemente auf Symmetrieebenen.
    [0083] ImBereich der Kernspinresonanz(=NMR)-Probenköpfe sind derzeit entweder Helmholz-/Birdcagespulenaus Normalmetall oder bei Verwendung von supraleitendem Materialplanare Helmholzspulen bzw. Hybrid-Birdcage-Resonatoren in Gebrauch.
    [0084] PlanareHelmholzspulen werden bislang aus einer geraden Anzahl planarerResonatorten zusammengesetzt, wobei folgende Resonatortypen verwendetwerden: 1. Spiralen (vgl. Grundtyp "e" in 1b) [1,7,8] 2. Spulen mit verteilten Kapazitäten (vgl. Grundtyp "c" in 1b) [3,4] 3. Spulen mit lokalisierten Kapazitäten (vgl. Grundtypen "a", "b", "d" in 1b) [2,3,4]
    [0085] Dererste Resonatortyp hat relativ niedrige Resonanzfrequenzen, eineVariante mit höhererResonanzfrequenz ist in [1] beschrieben. Der zweite Resonatortyphat hohe Resonanzfrequzenzen, und der dritte Resonatortyp kann imGegensatz zum zweiten in z-Richtung den maximalen Strom tragen,da der Abfall in lokalisierten Kapazitäten oben und unten stattfindet,wo im Durchschnitt nur der halbe Strom pro Leiterbahn fließt.
    [0086] Jederdieser Resonatortypen kann als aus einer Anzahl N (N ≥ 1) von Leiterelementeni zusammengesetzt beschrieben werden. Als Leiterelement sei hierein zusammenhängendesStück Leiterbahn definiert,das selbst auch als ein Resonator aufgefasst werden kann. Jedesdieser Leiterelemente hat eine bestimmte Resonanzfrequenz fi, die durch die verteilten Kapazitäten (z.B.bei Elementen vom Typ E) und Induktivitäten gegeben ist beziehungsweise beifehlender oder sehr geringer kapazitiver Kopplung zwischen den beidenEndbereichen des Elementes (z.B. bei Elementen vom Typ A, B, C,D aber auch F und G) durch die Stehwelle auf der Länge des Elementes.
    [0087] BeimZusammensetzen der Leiterelemente zu einem HF-Resonator bildet sicheine Vielzahl von Moden des Gesamtresonators. Hierbei sind die Resonanzfrequenzendieses Gesamtresonators durch die Resonanzfrequenzen der einzelnenLeiterelemente sowie die Kopplungen (induktive und kapazitive) zwischenden Leiterelementen gegeben.
    [0088] AlsBeispiel sind in der 1a verschiedene Grundtypen vonLeiterelementen (=Grundelemente) gezeigt. Im Stand der Technik werdenvor allem Leiterelemente der Grundtypen gerade Line A, U-förmig B,offene Ringe C, D und Spirale F verwendet. Ein im Rahmen der Erfindungerkannter Grundtyp ist der MäanderG. Die Grundelemente könnenzusammengesetzt werden wie in 1b beispielhaftdargestellt, etwa (B + B) oder (2A + 2B) oder (E + E) usw. Hierbei istjegliche Form von Skalierung und Drehung aller Grundelemente, sowieVerrundungen von Ecken und geraden Teilstücken möglich.
    [0089] Gemäß des Standesder Technik geschieht die Zusammensetzung der Leiterelemente miteiner einzigen Randbedingung: die Grundfrequenz des resultierendenResonators soll gezielt eingestellt werden.
    [0090] ImRahmen der Erfindung wurde jedoch erkannt, dass es zwei weitereRandbedingungen, die fürNMR-Spulen und insbesondere HTS-Spulen auf planaren und polyedrischenSubstraten wichtig sind, gibt: 1. Die maximalenStrömein jedem Leiterelement; 2. Die Homogenitätdes resultierenden B1-Feldes.
    [0091] EinSupraleiter trägtStrom nur bis zur kritischen Stromdichte jc mitgeringem Widerstand. NMR-Spulen sollen transversale B-Felder mitmaximaler Stärkeerzeugen, um möglichstkurze Pulse zu gestatten. Hierbei ist es folglich wichtig, den maximal möglichenStrom im Resonator zu haben, was bedeutet, dass alle Leiterelementeden selben maximalen Strom tragen sollen (Dies gilt allerdings unterder vereinfachenden Annahme einer gleichen Stromtragfähigkeitaller Leiterelemente; sind unterschiedliche Stromtragfähigkeitenin verschiedenen Leiterelementen gegeben, so soll der Quotient ausmaximalem Strom im Leiterelement und Stromtragfähigkeit des Leiterelementsfür alleLeiterelemente im Wesentlichen gleich sein. Sind sogar die Stromtragfähigkeiten entlangeines einzelnen Leiterelements variabel, so muss auf die Maximalwerteder Quotientenwerte abgestellt werden, vgl. oben). Beginnen nämlich einzelneLeiterelemente einen höherenmaximalen Strom als den kritischen Strom tragen zu müssen, dann quenchtder Supraleiter lokal. Dies führtin der Regel zum Verstimmen der Resonanzfrequenz des Gesamtresonatorsund einer deutlichen Verschlechterung der HF-Anpassung, wodurches unmöglichwird, höhereStrömeim Resonator zu induzieren. Dies kann auch schon bei Strömen deutlichunterhalb eines Quenches auftreten, wenn der HF-Widerstand des Supraleitersbeginnt anzusteigen (nichtlineare IU-Kennlinie/Widerstandskennliniedes Supraleiters). In diesem Falle soll die Stromdichte, bei deren ÜberschreitenNichtlinearitätenauftreten, als Grenzstromdichte aufgefasst werden. Des Weiterenliegen deutlich niedrigere Spannungen über den Kapazitäten desResonators an, wenn dieselbe transversale B-Feldstärke miteinem Resonator mit optimierter Stromverteilung anstatt eines Resonatorsmit deutlich höherenStrömenin einzelnen Leiterelementen erzeugt wird. Dadurch kann auch Spannungsdurchschlägen vorgebeugtwerden.
    [0092] DasAbstellen auf den maximalen Strom im Leiterelement erfolgt in Hinblickdarauf, dass innerhalb eines Leiterelements Strommaxima und Spannungsmaximaunterschiedlicher Stärkeabwechseln; fürdie Bestimmung des maximal möglichenStroms in einem Leiterelement ist das globale Strommaximum im Leiterelementheranzuziehen (Variiert die Stromtragfähigkeit auch entlang einesLeiterelements, so ist der maximale Quotientenwert aus Strom, d.h.mittlerer Stromdichte, und Stromtragfähigkeit, d.h. Grenzstromdichte,für jedesLeiterelement heranzuziehen und auf einen im Wesentlichen gleichenWert einzustellen, vgl. wiederum oben).
    [0093] Beiden gemäß des Standesder Technik realisierten Resonatoren (2a bis 4c)ist eine homogene Stromverteilung nicht verwirklicht.
    [0094] Beispielhaftdargestellt ist dazu in 2a ein Resonatormit verteilten Kapazitäten,der aus einer Vielzahl von Resonatoren (Leiterelemente) 21 vom TypC von 1a zusammengesetzt ist. 2b zeigtden durch die einzelnen Leiterelemente fließenden maximalen Strom, wieer in der Schnittebene II-II' von 2a vorliegt.Nach oben aufgetragen ist der temporelle Maximalwert des Betrages(=Maximal-Amplitude) des Wechsel-Stromflusses "I" ineiner geschnittenen Leiterbahn in willkürlichen Einheiten (mit derRechtswertachse als Null-Linie), nach rechts aufgetragen ist diePosition "P" der jeweiligen Leiterbahnauf der Schnittebene II-II'.Der Strom fließt vorallem auf der Außenseitedes Resonators. Bei steigendem Gesamtstrom werden außen liegende Leiterelementequenchen, währendinnere Leiterbahnen noch weit unterhalb ihrer Stromtragfähigkeitbleiben.
    [0095] Fallsjeder Finger 22 noch in „Fingerchen" 23a–23c unterteiltwird, vgl. 3a, fließt hauptsächlich Strom auf den beiden äußerstender Fingerchen eines Fingers, vgl. 3b, unddie Stromverteilung bei einem Schnitt durch den Resonator (aus Gründen derVereinfachung seien Schnitte immer auf einer Symmetrieachse, womaximale Strömeauftreten) hat ein starkes Maximum nach außen hin. Dabei sinkt der maximaleStrom, der durch den Resonator getragen werden kann, gegenüber derAusführungsform von 2a ab.Als Fingerchen eines Fingers werden gleichartige, parallel ausgerichtete,benachbarte Leiterelemente verstanden; die Gesamtheit dieser Fingerchenwird als Finger bezeichnet.
    [0096] EineVariante eines Resonators mit verteilten Kapazitäten ist eine Spule auf doppelseitigbeschichtetem Substrat, die ein ähnlichesVerhalten zeigt wie der Resonator gemäß 2a. 4a und 4b stellenOber- und Unterseite eines beidseitig mit HTS-Material beschichtetenSubstrates dar (bzw. zwei Substrate, die mittels Dielektrikum aufeinandergelegtwerden). Der Stromfluss erfolgt wiederum vorwiegend im Außenbereich(4c); die inneren Leiterelemente werden nicht ausgelastet.
    [0097] DieErfindung besteht nun in ihrer ersten Variante darin, durch Anpassender Leiterelemente und ihrer Kopplungen den Strom so über denResonator zu verteilen, dass die Stromverteilung homogen ist, d.h. der maximale Strom in jedem Leiterelement ist gleich groß, und gegebenenfallsauch dass die Stromverteilung im Resonator so definiert ist, dass dasdadurch erzeugte magnetische Feld B1 möglichst homogen wird. EineKombination der beiden Lösungenist eine Gleichverteilung der Maximalströme bei einer geometrischen Verteilungder Leiterelemente, die die Homogenität des erzeugten HF-Feldes imBereich der NMR-Probe optimiert.
    [0098] Einaus den Grundelemententen zusammengesetzter HF-Resonator bestehteigentlich aus sehr vielen kapazitiv und induktiv gekoppelten Einzelresonatoren(=Leiterelementen).
    [0099] DieStromverteilung kann wunschgemäss eingestelltwerden, indem die Eigenfrequenzen der Einzelresonatoren (durch Anpassender Stehwelleneigenschaften bzw. der Induktivitäten und kapazitiven Kopplungzwischen den Endbereichen der Leiterelemente) sowie die kapazitivenund induktiven Kopplungen zwischen den Einzelresonatoren angepasstwerden. Es soll von diesen Methoden insbesondere diejenige (bevorzugte)gezeigt werden, bei der hauptsächlichdie kapazitiven Kopplungen verändertwerden um den Strom z.B. homogen zu verteilen.
    [0100] Dazuzeigen die 5a und 6a jeweils HF-Resonatorenauf Basis ineinandergeschachtelter U-förmiger Leiterelemente. Dieerfindungsgemäße Ausführungsformeines Resonators gemäß 5a weistzwei Sets 51, 52 von U-förmigen Leiterelementen auf.Die Leiterelemente eines jeweiligen Sets 51, 52 sindparallel ausgerichtet. Die Schenkel der Leiterelemente der beidenSets 51, 52 zeigen aufeinander zu und greifenineinander ein, so dass ein Schenkel des einen Sets jeweils zwischenzwei Schenkel des anderen Sets greift, mit Ausnahmen am innerenund äußeren Rand.Ein Teil der Leiterelemente, nämlich dieLeiterelemente 54 und 58 am inneren Rand des Resonators,begrenzen ein im Zentrum des Resonators liegendes Fenster 57.In einem inneren Bereich 53 der Leiterelemente, der sichvom innersten Leiterelement 54 einige Leiterelemente nachaußenerstreckt, nimmt die gegenseitige Eingriffstiefe der Leiterelementevon innen nach außenhin ab. In einem äußeren Bereich 55,der sich von einem äußersten Leiterelement 56 einigeLeiterelemente nach innen erstreckt, nimmt die gegenseitige Eingrifftiefevon außennach innen hin ab. Im Stand der Technik hingegen, siehe 6a,erstrecken sich die Schenkel der U-förmigen Leiterelemente gemäß dem Raumangebotzwischen den umgebenden Schenkeln im Wesentlichen bis zur jeweilsgegenüberliegendenBasis. In anderen Ausführungsformendes Standes der Technik sind alle Schenkel gleich lang [2-8].
    [0101] Inder erfindungsgemäßen Ausführungsform von 5a sinddie Schenkellängender Leiterelemente mit bestimmten Längen gewählt, um den Stromfluss in denLeiterelementen zu nivellieren. Der Stromfluss durch die Leiterbahnenin der mittigen Schnittebene V-V',wo in diesem Fall auch die maximalen Ströme in jedem Leiterelement auftreten,ist in 5b dargestellt. Alle Stromstärkewertein 5b sind innerhalb von ca. 5% Abweichung gleich.Im Stand der Technik von 6a tretendie jeweils maximalen Strömein der Symmetrieebene VI-VI' auf. DiezugehörigeStromverteilung, vgl. 6b, zeigt ein Maximum beim zweitäußerstenLeiterelement und einen starken Abfall der maximalen Ströme zu deninnengelegenen Leiterelementen hin. Das innerste Leiterelement zeigtdabei etwa einen Stromstärkewertvon 40% des maximalen Stromstärkewertsdes zweitäußerstenLeiterelements.
    [0102] Leiterelemente,die in der Ausführungsform desStandes der Technik von 6b zuwenig Stromfluss hatten, haben eine zu diesem Defizit grob proportionallängereSchenkellängebzw. Eingriffstiefe (entsprechend größerer kapazitiver Kopplung)in der Ausführungsformvon 5a als das zweitäußerste Leiterelement, welchesden maximalen Stromfluss in 6b hatte.
    [0103] DiesesPrinzip funktioniert auch bei den anderen Typen von Resonatoren.Als weiteres Beispiel wird ein beidseitiger Resonator gezeigt (Summeder Strömeauf beiden Seiten ist überallkonstant) – in den 7a bis 7c gemäss der Erfindung,in den 8a bis 8c gemäß Standder Technik: Der Resonator gemäß der Erfindung, vgl. 7a, 7b,besteht aus vier Sets 71–74 von innerhalbeines Sets parallel ausgerichteten, U-förmigen Leiterelementen, wobeidie Sets 71, 72 auf der Oberseite eines Substratsin einer ersten Ebene und die Sets 73, 74 aufder Unterseite des Substrats auf einer zweiten Ebene angeordnetsind. Die Schenkel der Leiterelemente der beiden Sets einer Ebenezeigen aufeinander zu. Die Öffnungsrichtungender Schenkel der Leiterelemente von Oberseite und Unterseite sindgegeneinander um 90° rotiert.Die innersten Leiterelemente 75, 76 umschließen undbegrenzen rechteckförmigein Fenster 77a des Resonators, beispielhaft gezeigt für die Oberseitein 7a. Im Bereich des Fensters 77a, bevorzugtim Bereich eines Zentrums 77 ist die zu messende Probeanzuordnen. Bei einem Resonatorsystem, bestehend aus mindestenseinem Resonatorpaar ist die Probe bevorzugt im Zentrum des Raumeszwischen den mindestens zwei Resonatoren im Bereich des Fenstersangeordnet (siehe 15c). Zwischen den Enden dergegenüberliegendenSchenkel der Leiterelemente einer Ebene bleiben jeweils dreieckförmige Freiräume 78, 79.Dabei sind die Enden von weiter außen gelegenen Schenkeln inSchenkelrichtung weiter beabstandet als Enden von weiter innen liegendenSchenkeln. Die Stromverteilung in der Symmetrieebene VII-VII', wo die maximalenStrömeauftreten, ist in 7c dargestellt. Der Stromflussist im Wesentlichen in allen Leiterelementen gleich. In 7d istzur Illustration des Bereichs des Fensters 77a eine Überlagerungder Sets 71 bis 74 in der Substratebene gezeigt.Die Sets 73, 74 von Leiterelementen der Unterseitesind nur gestrichelt eingezeichnet und werden größtenteils von den Sets 71, 72 derOberseite überdeckt.
    [0104] ImStand der Technik, vgl. 8a, 8b, sinddie Abständezwischen gegenüberliegenden Schenkelnvon U-förmigenLeiterelementen einer Ebene überallgleich groß,dementsprechend sind die zugehörigenFreiräume 81, 82 rechteckförmig. Dermaximale Stromfluss in den Leiterelementen ist von außen nachinnen abnehmend, siehe 8c.
    [0105] EineAusführungsformeines erfindungsgemäßen HF-Resonatorsentsprechend 7a, 7b, jedochmit deutlich mehr Leiterelementen ist in den 9a, 9b dargestellt.Die Maximalströmesind hier in allen Leiterbahnen im Wesentlichen gleich groß. Am Randist jeweils ein Leiterelement gekürzt, um die „spitzenförmige Stromüberhöhung" zu beschneiden,vergleichbar wie beim Birdcage, siehe dazu weiter unten. Betroffenist das jeweils innerste, an das Fenster angrenzende Leiterelement 91, 92 sowiedas äußerste Leiterelement 93, 94.Bei noch mehr Elementen kann auch mehr als ein Leiterelement zukürzensein. Die Freiräume 95, 96 fallenhier grob U-förmigoder halbkreisförmigaus.
    [0106] ImRahmen der vorliegenden Erfindung können etwaige Knicke in Leiterelementen,etwa an rechtwinklig aneinander anschließenden Leiterabschnitten einesLeiterelements, abgerundet ausgebildet sein. Des Weiteren können auchgerade Abschnitte von Leiterelementen durch rund ausgebildete Abschnitteersetzt sein.
    [0107] sDasVerfahren das zur Bestimmung der Elemente angewandt wird ist Folgendes:Es wird ein Resonator oder Resonator-System zunächst willkürlich, z.B. gemäss 8a/8b,ausgelegt. Dann wird die Stromverteilung für die relevante Resonanzmode berechnet.Aus dieser werden die Korrekturen für die kapazitiven Kopplungenbestimmt. D.h. die Differenz zwischen einem Referenzwert und dertatsächlichen maximalenStromdichte wird bestimmt und die Kapazitäten der Leiterelemente mitzu niedrigen Strömen proportionalzu dieser Differenz erhöht,derer mit zu hohen Strömenentsprechend erniedrigt (Im Falle ungleicher Leiterquerschnitteoder unterschiedlicher Grenzstromdichten werden entsprechend dieQuotientenwerte und nicht die Absolutwerte der Ströme in derAnpassung verwendet). Soll eine homogene Stromverteilung erreichtwerden, dann ist dieser Referenzwert für alle Leiterelemente derselbe.Sollen spitzenförmigeStromüberhöhungen inRandbereichen eliminiert werden, dann kann jedem Leiterelement imRandbereich ein Referenzwert zugeordnet werden, der kleiner alsder globale Maximalwert (Soll-Strommaximum) der restlichen Leiterelemente ist.Die Referenzwerte könnenso gewähltwerden, dass jede beliebige Stromverteilung eingestellt werden kann,insbesondere die Soll-Stromverteilung, die maximale Feld-Homogenität für ein gegebenesResonator-System erzielt. Bei der Anpassung der elektromagnetischenKopplungen und Eigenresonanzen der Leiterelemente ist darauf zuachten, dass die Resonanzfrequenz der betrachteten Resonanzmode beider richtigen Frequenz verbleibt. Dies wird im Falle homogener Stromverteilungnäherungsweisedann erreicht, wenn als Referenzwert zur Anpassung der Stromdichtender Mittelwert der Maximalströmeverwendet wird. Schließlichwird die Stromverteilung erneut berechnet. In der Regel benötigt manweniger als fünfIterationen um in allen Leiterelementen weniger als 5% Abweichungenvom mittleren Strom zu haben und die Resonanzfrequenz einzustellen.Bei Anpassen der Induktivitätengilt das Verfahren natürlichebenso.
    [0108] Grundsätzlich stehenerfindungsgemäß mehrereWege offen, um in einem Leiterelement die Stromdichte anzupassen:Die kapazitiven Kopplungen zwischen den Leiterelementen können entweder durchVeränderungder Längeder Finger in den Fingerkondensatoren (vgl. 5a, 5b, 7a, 7b)oder durch Ändernder Breite der Finger bei gleichem Abstand (vgl. 10a) oder des Abstandes bei gleicher Fingerbreite(vgl. 10b) oder durch jede Kombinationaus diesen drei Möglichkeitenangepasst werden.
    [0109] DieStromverteilung lässtsich ebenfalls durch Anpassen der Induktivitäten der einzelnen Leiterbahnenhomogenisieren bzw. wunschgemässeinstellen. Eine Erhöhungder Induktivitätkann z.B. durch Vergrößern einzelnerSchlaufen erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit zur Vergrößerung der Induktivität kann durchlokale Mäander(d.h. mäanderförmige Abschnitte 101, 102)entweder innerhalb der Fingerkondensatoren oder außerhalb,vgl. 10c, der Fingerkondensatorenoder eine Kombination der beiden erfolgen.
    [0110] Grundsätzlich istes im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, einzelne Leiterelemente anausgewähltenPunkten miteinander galvanisch zu verbinden. Soll dabei die Stromverteilungnicht verändertwerden sind geeignete Verbindungspunkte zum Beispiel Orte gleichenelektrischen Potentials im Betrieb des Resonators. Solche Orte gleichenelektrischen Potentials finden sich regelmäßig auf Symmetrieebenen vonResonatoren. Werden in einem Resonator die Ströme homogenisiert und eine galvanischerVerbindung der Elemente an Orten gleichen Potentials durchgeführt, so ändert sichdie Stromverteilung nur unwesentlich (abhängig von der Breite der Verbindung).So kann beispielsweise der Resonator von 7a, 7b erfindungsgemäß vier Verbindungselemente 161–164 jeweilsin der Mitte der Sets 165–168 aufweisen, wiein 16a und 16b dargestelltist. Das Verbindungselement 161 verbindet beispielsweisedie sechs paarweise benachbarten Leiterelemente 169a–169f.
    [0111] WeitereAusführungsformenmit galvanischen Verbindungen einzelner Elemente sind in den 11a und 11b dargestellt.Bei diesen Verbindungen handelt es sich nicht um Verbindungen in Symmetrieebenen,wodurch die Verteilung der Strömewesentlich von der galvanischen Kopplung abhängt. Die Kapazitäten undInduktivitätender Leiterelemente sowie ihre Kopplungen mit anderen Elementen müssen indiesem Fall unter der Rahmenbedingung einer galvanischen Kopplungangepasst werden.
    [0112] 11a zeigt einen erfindungsgemäßen Resonator mit vier Leiterelementen 111a–111d.Das Leiterelement 111b ist U-förmig, während die Leiterelemente 111a, 111c und 111d U-förmig mitMäanderstrukturenan der Basis sind. Die Mäanderstrukturen dienender Anpassung des Stromes in den Leiterelementen 111a–111d.Mäanderstrukturenkönnen grundsätzlich auchalternativ oder zusätzlichan den Schenkeln vorgesehen sein. Die linksseitigen Schenkel derLeiterelemente 111a–111d sindan ihren Enden mit einem ersten Verbindungselement 112 verbunden,und die rechtsseitigen Schenkel sind an ihren Enden mit einem zweitenVerbindungselement 113 verbunden. Resonanzfrequenz diesesResonators wird durch eine feste oder variable Kapazität 114 inForm eines Chips oder Trimmers zwischen den als Anschlussbeinendienenden Elementen 112, 113 eingestellt. DieStromverteilung ist hierbei übereinen weiten Frequenzbereich weitestgehend homogen.
    [0113] 11b zeigt einen erfindungsgemäßen Resonator mit insgesamt 24 Leiterelementen.Die Sets 115a und 115b von Leiterelementen sindmit einem Verbindungselement 116 an den Enden der Leiterelementeverbunden; das Set 115c ist mit einem Verbindungselement 117 verbunden,und das Set 115d ist mit einem Verbindungselement 118 verbunden. Zwischenden Verbindungselementen 117 und 118 ist auchhier eine als Chip oder Trimmer ausgestaltete Kapazität 119 eingebaut,um die Resonanzfrequenz des Resonators einstellen zu können. Hierbei funktioniertdie Homogenisierung der Ströme über einenbestimmten Bereich der Kapazität 119 (Frequenzbereichdes Resonators). Die Anpassung der Ströme in den einzelnen Beinenerfolgt durch kapazitive Anpassung. Hier wurden erneut nur aus Gründen derVereinfachung der Simulationsrechnung die Längen angepasst, anstatt dasVerhältnisLeiterbahnbreite zu Leiterbahnabstand anzupassen. Die Sets von Leiterelementenlinks, 115a/c, und rechts, 115b/d, wurden obenund unten zusammengeschaltet. Dies muss nicht so sein. Es kann auchnur am Anschlussbein der Kapazität 119 mittelsder Verbindungselemente 117, 118 zusammengeschaltetwerden und die Leiterbahnen oben können ohne galvanische Verbindungweitergezogen werden. In diesem Falle müssen allerdings die Kopplungenzwischen den Leiterelementen neu angepasst werden.
    [0114] DieErfindung lässtsich auch auf andere Spulentypen anwenden: z.B. auf die Hybrid-Spule gemäß [9].
    [0115] 12a zeigt beispielhaft einen Hybrid-Birdcage-Resonatorin einer perspektivischen Ansicht. Dieser Resonator weist insgesamtsechs Stangen auf, von denen drei Stangen 121c, 121d, 121e in 12a sichtbar sind. Die Stangen bestehen jeweils ausmehreren geraden, parallel ausgerichteten Leiterelementen. Zur Vereinfachungsind die einzelnen Leiterelemente der Stangen 121c–121e in 12a nicht einzeln dargestellt, sondern es istnur deren Bereich markiert. Die Stangen 121c–121e werdenvon zwei Metallfolien 123 überlappt. In der 12b ist eine Schnittdarstellung entlang der EbeneXII-XII' von 12a gezeigt. Die sechs Stangen 121a–121f undzwei Fenster 124 sind alle regelmäßig um das Zentrum des Hybrid-Birdcage-Resonatorsangeordnet. Der Pfeil 122 zeigt die Darstellungsrichtungeiner Ortskoordinate P in den 13b/14b, in denen die Verteilung der Amplituden dermaximalen Wechselströmein den Leiterelementen im Betrieb eines erfindungsgemäßen Birdcage-Resonators(13b) und eines Birdcage-Resonators gemäß Standder Technik (14b) dargestellt ist. Grundsätzlich können auchdie Zwischenräume 124a zwischenbenachbarten Stangen 121a–121f als weiterekleine Fenster angesehen werden.
    [0116] DieStangen sind in den 13a/13b für den erfindungsgemäßen Birdcage-Resonator und 14a/14b für einen Birdcage-Resonatorsdes Standes der Technik näherbeschrieben. Die Stangen 136, 146 bestehen auseiner Vielzahl von geraden, näherungsweisein einer Ebene liegenden, parallel ausgerichteten Leiterelementen 131, 132a, 132, 141 (DieDarstellung der Leiterelemente 131, 132a, 132, 141 istin der Mitte unterbrochen, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen). DieLeiterelemente 131, 132a, 132, 141 werdenoben und unten mit galvanisch isolierten Plättchen 138a, 145 fortgesetzt,um die Magnetisierungseffekte so gering wie möglich zu halten [9, 10]). DieLeiterelemente 131, 132a, 132, 141 sindaus HTS-Material gefertigt und sind hier auf ein Substrat aufgebracht,das zugleich als Dielektrikum dient. Die Leiterelemente befindensich in 12b auf der Innenseite der Stangen 121a-121f, sodass kein galvanischer Kontakt der Leiterelemente mit der Metallfolie 123 gebildetwird.
    [0117] ImStand der Technik (14a) weisen die Leiterelemente 141 eineidentische Längeauf und werden an den Enden von Metallfolien 123 überlappt, diedurch ein Dielektrikum beabstandet sind, wodurch Kapazitäten gebildetwerden, die füralle Leiterelemente 141 identisch sind. Im Bereich derEnden der Leiterelemente 141 sind galvanisch isolierte Plättchen 145 angeordnet,die eine makroskopisch homogene Verteilung von Supraleitermaterialgemäß [10] bewirken.Mehrere Stangen 146, die mittels Metallfolie 123 odermetallischem Ring zusammengesetzt sind, bilden einen Hybrid-Birdcage-Resonator.
    [0118] Beidiesem Hybrid-Birdcage-Resonator des Standes der Technik ist dieglobale Stromverteilung überdie Stangen des Birdcages näherungsweisesinusoidal, vgl. 14b, die die Ströme in vierStangen 146a–146d symmetrischzu einem der Fenster 124 für den Fall des Birdcage-Resonatorsmit sechs Stangen zeigt. Die Ortskoordinate P entspricht dem Pfeil 122 in 12b; die in 14b äußeren Stangen 146a, 146d,entsprechend 121a, 121d in 12b,sind dabei nur zur Hälftedargestellt. Allerdings ist der Strom an den Kanten der Stangen 146a–146d wesentlichhöher alszum Zentrum der Stangen 146a–146d hin. An denPositionen 143a–143d liegtdie Stromstärkeoberhalb der Stromstärkeder Maxima 144a, 144b der sinusförmigen Stromverteilungim Resonator. An diesen Positionen 143a–143d liegen somitspitzenförmigeStromüberhöhungen vor,die bei hoher Belastung des Resonators zu einem vorzeitigen lokalenQuench führenkönnen.Weitere Stromspitzen mit einer geringeren Amplitude als die derMaxima 144a, 144b liegen an den Positionen 143e und 143f vor.
    [0119] Beieiner erfindungsgemäßen Birdcage-Resonatorspule,vgl. die Darstellung einer entsprechenden Stange 136 in 13a, ist jede Stange in viele Leiterelemente 131, 132a, 132b unterteilt;die Stange 136 bildet somit ein Set von Leiterelementen.Die Leiterelemente 131, 132a, 132b sindvon mittels Dielektrika beabstandeten Metallfolien 123 überlappt.Im Bereich der Enden der Leiterelemente 131, 132a, 132b sindwiederum galvanisch isolierte Plättchen 138a zurmakroskopischen Homogenisierung des Supraleitermaterials vorgesehen,vgl. [10]. Die Kapazität,die zwischen den einzelnen Leiterelemente 131, 132a, 132b undder Metallfolie 123 gebildet wird, ist hier so angepasst,dass die Stromverteilung global sinusförmig ist, d.h. die spitzenförmigen Stromüberhöhungen sindeliminiert. Dies führtauch zu verbesserter Homogenitätdes B1-Feldes. Die Anpassung erfolgt in diesem Beispiel über eineVerkürzungder äußeren, d.h.randständigenLeiterelemente 132a, 132b gegenüber denweiter innen liegenden Leiterelementen 131, die eine einheitlicheLänge aufweisen.Die Verkürzungist dabei bei den weiter außenliegenden Leiterelementen 132a stärker ausgeprägt als beiden weiter innen liegenden Leiterelementen 132b. Im gezeigtenFall sind lediglich die jeweils beiden äußeren Leiterelemente 132a, 132b verkürzt. Beimehr Leiterelementen in der Stange (d.h. bei einem größerem Paketvon Leiterelementen) könnenauch größere Gruppenvon Leiterelementen verkürztsein. Alternativ kann auch die Breite der Leiterelemente 131, 132a, 132b verändert werden,ebenso wie die Schichtdicke oder das Material des KapazitätsbildendenDielektrikums.
    [0120] Durchdie erfindungsgemäße Kapazitätsanpassungwerden die an den Randpositionen der Stangen auftretenden Strommaxima 133 abgeschwächt, vgl.die Stromverteilung in 13b auf denvier Stangen 136a–136d (entsprechend 121a–121d in 12b) symmetrisch zu einem der beiden großen Fenster 124 eineserfindungsgemäßen Birdcage-Resonatorsmit insgesamt sechs Stangen. Insbesondere sind die Beträge der Strommaxima 133 kleinerals die Beträgeder Stromstärkender Maxima 134a, 134b der sinusförmigen Soll-Stromverteilung.
    [0121] Alternativkann erfindungsgemäß der Strom über alleLeiterbahnen eines Birdcage-Resonators (auf jeder Stange oder aufallen Stangen) gleichverteilt eingestellt werden, was zur höchsten Stromtragefähigkeitführenwürde aberdie B1-Homogenität derSpule reduzieren würde.
    [0122] Alsweitere Nebenbedingung der Auslegung der Stromdichten in den Leiterelementeneines HF-Resonators kann ein homogenes B1-Feld eingeführt werden.
    [0123] Während inden zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen eine hohe Dichtevon Leiterbahnen bzw. Leiterelementen in gewissem Maße als Nebenbedingungberücksichtigtwurde, kann diese Nebenbedingung durch die Nebenbedingung der hohenB1-Feldhomogenitätersetzt werden.
    [0124] Daim Allgemeinen HF-Strömeim Außenbereichder Leiterelemente fließen,ist es vorteilhaft, Leiterelemente mit kleinem Querschnitt zu verwenden,um eine Verfälschungdes Magnetfelds durch lokale Stromverteilungen im Leiterelementgering zu halten. Die Leiterelemente können dann in Berechnungen alslinienförmigangenommen werden.
    [0125] EineAnordnung von Resonatoren wie in 15c gezeigt,kann leicht mit verbesserter Feldhomogenität ausgestattet werden. DieResonatorpaare 151, 152 und 153, welcheum die zu vermessende Probe 154 angeordnet sind, können dannerfindungsgemäß entsprechend 15a/15b ausgestaltet sein. Um maximaleFeldhomogenitätin der x-y Ebene zu erreichen, muss man mehr Strom außen alsinnen in einem Resonator haben. Bei gleich großen Strömen in jedem Leiterelementwird erfindungsgemäß die Dichteder Leiterelemente nach außenhin, d. h. von der Probe weg, erhöht.
    [0126] Umbei HF-Resonatoren ein höheres HF-Magnetfeldund damit einen größeren Gesamtstromim HF-Resonator handhaben zu können,werden erfindungsgemäß die Leiterelemente,aus denen sich der HF-Resonator zusammensetzt, so gewählt undangeordnet, dass die maximale Stromdichte, die in einem Betriebszustandentlang eines beliebigen Leiterelements auftritt, dividiert durchdie maximal verträglicheStromdichte am Ort der maximalen Stromdichte in diesem Leiterelementim Wesentlichen einen bestimmten Sollwert einnimmt, der für alle Leiterelementeim HF-Resonator gleich ist. Für wenigeLeiterelemente insbesondere im Randbereich des HF-Resonators kannauch ein reduzierter Sollwert vorgesehen sein. Alternativ wird beiHF-Resonatoren,bei denen eine bestimmte Soll-Stromverteilung in typischerweisegleichartigen Leiterelementen vorgesehen ist, durch erfindungsgemäße Auswahlund Anordnung der Leiterelemente gewährleistet, dass der Stromflussin jedem beliebigen Leiterelement maximal so groß ist wie der Stromfluss in demjenigenLeiterelement mit der höchstenStromstärkegemäß Soll- Stromverteilung.Dadurch werden lokale, spitzenförmigeStromüberhöhungen,wie sie etwa am Rand von Stangen bei Birdcage-Resonatoren auftretenkönnen,vermieden.
    [0127] Beierfindungsgemäßen supraleitendenResonatoren kann ein vorzeitiger lokaler Quench von einzelnen Leiterelementenvermieden, sowie der lineare Bereich der Widerstandskennlinie wesentlich erweitertwerden, und bei erfindungsgemäßen normalleitendenResonatoren bewirkt die gleichmäßigere Stromdichteverteilungeine höherenResonatorgüte(Q-Wert).
    Literaturliste
    [1] Wong et al. US 6590394 B2 07/03[2] Withers US 6556013 B2 04/03[3] Brey et al. US5619140 A 04/97[4] Brey et al. US5594342 A 01/97[5] Withers US 5585723A 12/96[6] Brey et al US5565778 A 10/96[7] Withers et al. US5351007 A 9/94[8] Withers et al. US5276398 01/94[9] Marek DE 19733574A1 02/99[10] Marek DE 10150131 A1 04/03
    权利要求:
    Claims (21)
    [1] Hochfrequenz(=HF)-Resonator-System, insbesonderefür einenNMR(=Kernspinresonanz)-Probenkopf, mit mindestens einem HF-Resonator, der mindestensdrei jeweils nicht unterbrochene Leiterelemente (21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)umfasst, die im HF-Resonator mindestens ein Fenster (57; 77a; 124, 124a) bilden,wobei nur ein Teil der Leiterelemente das mindestens eine Fenster(57; 77a; 124, 124a) begrenzt, wobeidie Leiterelemente durch elektromagnetische Felder miteinander gekoppeltsind, wobei jedes Leiterelement (21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)jeweils eine materialbedingte, entlang des Leiterelements (21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)ortsabhängigeGrenzstromdichte aufweist, die im Betrieb nicht überschritten werden darf, dadurchgekennzeichnet, dass die Eigenresonanzen der einzelnenLeiterelemente (21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)und/oder die elektromagnetische Kopplung zwischen den Leiterelementen(21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)so gewähltsind, dass bei Anregung des HF-Resonator-Systems die Maximalwerteder Quotientenwerte entlang den einzelnen Leiterelementen (21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)für alleLeiterelemente (21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)im Wesentlichen gleich sind, wobei diese Quotientenwerte durch denQuotienten aus der in einem Querschnitt der Leiterelemente (21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a– 132b; 169a–169f)auftretenden mittleren Stromdichte und der jeweiligen örtlichenGrenzstromdichte definiert sind, oder dass spitzenförmige Stromüberhöhungen (143a–143f),die vorwiegend im Randbereich von Paketen von Leiterelementen (131, 132a, 132b),insbesondere am Rand des mindestens einen Fensters (124, 124a), entlangeinzelner Leiterelemente (132a, 132b) oder entlangLeitergruppen aus mehreren Leiterelementen (132a, 132b)vorkommen können,im Wesentlichen eliminiert werden.
    [2] HF-Resonator-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Leiterelemente (21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)aus Supraleitermaterial, insbesondere NbTi oder Nb3Sn,gefertigt sind.
    [3] HF-Resonator-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Leiterelemente (21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial mit einer Sprungtemperatur > 30 K gefertigt sind.
    [4] HF-Resonator-System nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterelemente (21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)auf einem ebenen, polyedrischen oder zylinderförmigen, dielektrischen Substrataufgebracht sind.
    [5] HF-Resonator-System nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterelemente (21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)einen annäherndrechteckförmigenQuerschnitt aufweisen, insbesondere mit einer Dicke zwischen 200 nmund 1 μmund/oder einer Breite zwischen 2 μm und50μm.
    [6] HF-Resonator-System nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzstromdichten in allen Leiterelementen (21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)eines HF-Resonators gleich groß sind.
    [7] HF-Resonator-System nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterelemente (21; 54, 56, 58; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)eines HF-Resonators am Ort ihrer jeweiligen maximalen Quotientenwertejeweils identische Querschnitte aufweisen.
    [8] HF-Resonator-System nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Leiterelemente (21; 54, 56; 75, 76; 91–94; 111a–111d; 131, 132a–132b; 169a–169f)einen mäanderförmigen Abschnitt(101, 102) aufweisen, insbesondere wobei der mäanderförmige Abschnittim Bereich der Basis eines U-förmigenLeiterelements (111a, 111c, 111d) angeordnet ist.
    [9] HF-Resonator-System nach einem der Ansprüche 1 bis7, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Leiterpaare unterschiedlichekapazitive Überlappungenbesitzen.
    [10] HF-Resonator-System nach einem der Ansprüche 1 bis7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Breite und Abstandfür verschiedeneLeiterpaare unterschiedlich ist.
    [11] HF-Resonator-System insbesondere nach einem derAnsprüche1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Resonator vier Sets(71–74)von ineinander geschachtelten U-förmigen Leiterelementen (75, 76)umfasst, wobei die U-förmigenLeiterelemente eines jeden Sets (71–74) in eine gleicheRichtung zum Zentrum (77) des HF-Resonators hin geöffnet sind, dassinnerhalb jedes Sets (71–74) bei weiter außen liegendenU-förmigen Leiterelementendie Enden der Schenkel gegenüberden Enden der Schenkel von weiter innen liegenden U-förmigen Leiterelementen zurückgesetztsind, dass jeweils zwei Sets (71, 72; 73, 74)mit den Öffnungsrichtungenihrer U-förmigenLeiterelemente aufeinander zu zeigen und in einer Ebene angeordnetsind, wobei die U-förmigenLeiterelemente der beiden Sets (71, 72; 73, 74)einer jeden Ebene nicht ineinander greifen, und wobei die Öffnungsrichtungender U-förmigen Leiterelementeder ersten Ebene gegenüberden Öffnungsrichtungender U-förmigenLeiterelemente der zweiten Ebene um 90° gedreht sind.
    [12] HF-Resonator-System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,dass die beiden Ebenen parallel benachbart angeordnet und durcheine dielektrische Schicht miteinander verbunden sind.
    [13] HF-Resonator-System insbesondere nach einem derAnsprüche1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Resonator zwei Sets(51, 52) von U-förmigen Leiterelementen (54, 56)umfasst, wobei die U-förmigenLeiterelemente jedes Sets (51, 52) jeweils ineinandergeschachtelt und in eine gleiche Richtung geöffnet sind, dass die Öffnungsrichtungender U-förmigenLeiterelemente der beiden Sets (51, 52) aufeinanderzu zeigen, dass die Schenkel der U-förmigen Leiterelemente der beidenSets (51, 52) ineinander greifen, wobei in jedenZwischenraum zwischen zwei benachbarten Schenkeln von Leiterelementeneines Sets (51, 52) genau ein Schenkel eines Leiterelementsdes anderen Sets (52, 51) eingreift, und dassdie Eingriffstiefe der Schenkel der U-förmigen Leiterelemente in die Zwischenräume im HF-Resonatorin einem inneren Bereich (53), der an das Fenster (57)angrenzt, von innen nach außenabnimmt.
    [14] HF-Resonator-System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,dass die Eingriffstiefe der Schenkel der U-förmigen Leiterelemente in dieZwischenräumeim HF-Resonator in einem äußeren Bereich(55) von innen nach außenwieder zunimmt.
    [15] HF-Resonator-System nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere baugleiche HF-Resonatoren,insbesondere 2 oder 4 baugleiche HF-Resonatoren umfasst.
    [16] HF-Resonator-System insbesondere nach einem derAnsprüche1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der HF-Resonator mindestensein Set von geraden, parallelen Leiterelementen (131, 132a, 132b)umfasst, dass in einem mittleren Bereich des Sets die Leiterelemente(131) jeweils gleich lang sind, und dass in außen liegendenBereichen des Sets weiter außenliegende Leiterelemente (132a) gegenüber weiter innen liegendenLeiterelementen (132b) verkürzt sind.
    [17] HF-Resonator-System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,dass es als Birdcage-Resonator, insbesondere Hybrid-Birdcage-Resonator ausgebildetist und mehrere Sets von geraden, parallelen Leiterelementen (131, 132a, 132b)umfasst.
    [18] HF-Resonator-System nach einem der vorhergehendenAnsprüche,das Teil eines NMR-Probenkopfes ist und eine zu messende Probe (154)aufweist, wobei die Leiterelemente auf einem Substrat gemäß Anspruch4 platziert sind und die räumliche Anordnungder Leiterelemente so gewähltist, dass das im aktiven Volumen der Probe (154) erzeugte HF-Magnetfeld möglichsthomogen ist.
    [19] HF-Resonator-System nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Leiterelemente (111a–111d; 169a–169f)galvanisch miteinander verbunden sind, insbesondere an Orten gleichenelektrischen Potentials.
    [20] Verfahren zum Design eines HF-Resonator-Systemsmit homogener Stromauslastung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend folgendeSchritte: 1. Auslegen eines beliebigen HF-Resonator-Systems; 2.Berechnung der Stromverteilung im HF-Resonator-System für die gewünschte Resonanz-Mode; 3.Rechnerische Bestimmung der Maximalwerte Qi derQuotientenwerte entlang der einzelnen Leiterelemente i; 4.Korrektur der Eigenresonanzen der einzelnen Leiterelemente und/oderder elektromagnetischen Kopplung durch Anpassen der Längen, und/oderder Verhältnissezwischen Abstand und Breite der kapazitiven Überlappungen zu benachbartenLeiterelementen, und/oder durch Ersetzen gerader durch mäanderförmige Leiterabschnitte,wobei diese Änderungenproportional zur jeweiligen Abweichung des in Schritt 3 berechnetenWertes Qi von einem konstanten Referenzwerterfolgen, wobei der Referenzwert vorzugsweise gleich dem kleinsten,größten oder demdurchschnittlichen Wert der in Schritt 3 berechneten Qi-Werteist; 5. Wiederholen der Schritte 2 bis 4 solange, bis alle WerteQi im Wesentlichen gleich dem gewählten Referenzwertsind.
    [21] Verfahren zum Design eines HF-Resonator-Systemsohne spitzenförmigeStromüberhöhungen nacheinem der Ansprüche1-19, umfassend folgende Schritte: 1. Auslegen eines beliebigenHF-Resonator-Systems; 2. Berechnung der Stromverteilung imHF-Resonator-System fürdie gewünschtenResonanz-Mode; 3. Rechnerische Bestimmung der MaximalwerteQi der Quotientenwerte entlang der einzelnenLeiterelemente i; 4. Selektion der Leiterelemente k in denRandbereichen, wo spitzenförmigeStromüberhöhungen auftreten,deren Maximalwerte der Quotientenwerte gleich Qk sind; 5.Korrektur der Eigenresonanzen der einzelnen Leiterelemente k und/oderder elektromagnetischen Kopplung durch Anpassen der Längen, und/oderder Verhältnissezwischen Abstand und Breite der kapazitiven Überlappungen zu benachbartenLeiterelementen, und/oder durch Ersetzen gerader durch mäanderförmige Leiterabschnitte,wobei diese Änderungenproportional zur jeweiligen Abweichung des in Schritt 3 berechnetenWertes Qk von einem Referenzwert erfolgen,wobei der Referenzwert kleiner als der größte Qi-Wertaußerhalbder selektionierten Randbereiche ist; 6. Wiederholen der Schritte2 bis 5 solange, bis alle Werte Qk kleineroder gleich dem gewähltenReferenzwert sind.
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    2019-10-22| R081| Change of applicant/patentee|Owner name: BRUKER SWITZERLAND AG, CH Free format text: FORMER OWNER: BRUKER BIOSPIN AG, FAELLANDEN, CH |
    2019-10-22| R082| Change of representative|Representative=s name: KOHLER SCHMID MOEBUS PATENTANWAELTE PARTNERSCH, DE |
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    申请号 | 申请日 | 专利标题
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