DE3508332A1

DE3508332A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von besonders homogenen magnetfeldern

Info

Publication number: DE3508332A1
Application number: DE19853508332
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Kawanishi Hyogo Matsuda; Masao Itami Hyogo Morita; Tadatoshi Kobe Hyogo Yamada; Syunji Itami Hyogo Yamamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-03-09
Filing date: 1985-03-08
Publication date: 1985-09-12
Also published as: JPS60189905A; US4652826A; JPH0314213B2; GB8506000D0; GB2155642B; GB2155642A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von besonders

homogenen Magnetfeldern

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von besonders homogenen Magnetfeldern, die in einem räumlichen Magnetfeld eine extrem hohe Homogenität aufweisen.

Fig. 1 zeigt ein Flußdiagramm zur Bestimmung eines optimalen Ausgangssignals für eine herkömmliche Magnetfeld-Korrektureinrichtung, die sehr homogene Magnetfelder erzeugt; eine derartige Einrichtung ist beispielsweise aus der Veröffentlichung IBM Technical Disclosure Bulletin,
Band 19, Nr. 9, 1977, Seiten 3517 bis 3519 bekannt. Dort wird eine Ausgleichsspule als Magnetfeld-Korrektureinrichtung verwendet. Die Ausgleichsspule ist eine, die in

der Lage ist, in unabhängiger Weise eine Ausgangsgröße zu erzeugen, die einer gegebenen Komponente bei inhomogenen Magnetfeldkomponenten entspricht. Durch die Anbringung von vielen Ausgleichsspulen unterschiedlicher Art oder unterschiedlicher Ordnungen ist es möglich, viele Inhomogenitäten im Magnetfeld zu beseitigen.

In Fig. 1 bezeichnen das Bezugszeichen 1 eine Recheneinheit, das Bezugszeichen 2 eine Optimierungseinheit für einen primären Korrekturstrom, die von der Recheneinheit 1 getrieben ist, das Bezugszeichen 3 eine Optimierungseinheit für einen sekundären Korrekturstrom, die Bezugszeichen 4 und 5 Rückkopplungsleitungen für den Fall, wo die Optimierung nicht möglich ist, das Bezugszeichen 6 eine Optimierungsbeendigung mit der Ausgleichsspule, und die Bezugszeichen 7 magnetische Kernresonanzspektrometer. Das magnetische Kernresonanzspektrometer 7 unterwirft ein FID-Signal oder ein freies Induktionsabklingsignal, das mit einem magnetischen Kernresonanz-Impulsverfahren erhalten wird, einer Fourier-Transformation und mißt die Homogenität des magnetischen Feldes in der zu messenden Probe, und zwar aufgrund der Halbwertsbreite des Signals, das einer Fourier-Transformation unterworfen worden ist. Wenn die Homogenität des Magnetfeldes gering ist, klingt das FID-Signal rasch ab. Wenn die Homogenität des Magnetfeldes extrem gering ist, wird es schwierig, die Messung durchzuführen.

In dem Bereich, wo das Korrekturausgangssignal erzeugt wird, ist bereits ein nicht dargestelltes Rohmagnetfeld erzeugt worden, um die Magnetfeldverteilung zu korrigieren und homogen zu machen.

Zunächst wird der Schritt zur Korrektur des Magnetfeldes ausgelöst, indem man einen geeigneten Startbefehl in die Recheneinheit 1 eingibt. Das bedeutet,

in einer Gruppe von Ausgleichsspulen, die primäre Magnetfeldausgangsgrößen liefern, wird eine spezielle Ausgleichsspule mit der Recheneinheit 1 auf einen vorgegebenen Stromwert eingestellt, um die Optimierung des primären Korrekturstromes einzuleiten, wie es mit dem Bezugszeichen 2 angedeutet ist. Unter der Voraussetzung, daß die Ausgleichsspule auf einen vorgegebenen Stromwert eingestellt ist und ein Magnetfeld erzeugt, mißt das magnetische Kernresonanzspektrometer 7 die Magnetfeld-Homogenität und vergleicht sie mit der Homogenität der Anordnung unter der Voraussetzung, wo überhaupt kein Magnetfeld von der Ausgleichsspule erzeugt wird. Wenn in diesem Falle die Homogenität schlechter wird, wird die Intensität des die Ausgleichsspule durchfließenden elektrischen Stromes von der Recheneinheit 1 geändert, um die von der Ausgleichsspule erzeugte Magnetfeldintensität zu ändern. Dann wird die Homogenität des Magnetfeldes von dem magnetischen Kernresonanzspektrometer oder NMR-Spektrometer 7 in gleicher Weise wie oben gemessen und verglichen. In anderen Fällen werden sowohl die Richtung des durch die Ausgleichsspule fließenden Stromes als auch seine Intensität geändert, um sowohl die Intensität des von der Ausgleichsspule erzeugten Magnetfeldes als auch seine Richtung zu ändern, und die Homogenität des Magnetfeldes wird von dem NMR-Spektrometer 7 gemessen und verglichen.

Die Richtung des durch die Ausgleichsspule fließenden Stromes wird richtig eingestellt, wenn es durch die Messung mit dem NMR-Spektrometer 7 offensichtlich wird, daß die Homogenität des Magnetfeldes im Vergleich zu dem Fall, wo kein Strom an die Ausgleichsspule angelegt wird, besser wird, nachdem die Versuche viele Male wiederholt worden sind. Dann muß der in die Ausgleichsspule fließende Strom optimiert werden. Die Optimierung besteht darin, das von der Ausgleichsspule erzeugte

8 ·■■:■. .■':■

Magnetfeld so einzustellen, bis die Verteilung des Rohmagnetfeldes keine Magnetfeldkomponente mehr enthält, die die gleiche ist wie die von einer gegebenen Ausgleichsspule erzeugte Magnetfeldkomponente. Zuerst werden ein durch die Ausgleichsspule fließender Strom I von der Recheneinheit 1 auf den Wert I + ΔI eingestellt, und es wird eine Homogenität von oC + Δ°^ des Magnetfeldes vom NMR-Spektrometer 7 gemessen. Wenn die Homogenität des Magnetfeldes unter der Bedingung, daß der Strom I in die Ausgleichsspule fließt, den Wertochat, und wenn die Homogenität unter der Voraussetzung, daß der Strom I + Δΐ fließt, den Wert «. + Δ<χ hat, so wird der Strom um einen Betrag ΔI in die Richtung geändert, daß die Homogenität des Magnetfeldes zunimmt, vorausgesetzt daß Oi. + Δ<Χ < oc . Somit wird der durch die Ausgleichsspule fließende Strom solange geändert, bis ■—- = 0 erreicht wird.

Somit ist die Optimierung einer Ausgleichsspule unter den primären Ausgleichsspulen beendet. Dann wird eine andere Ausgleichsspule in der Gruppe von primären Ausgleichsspulen mit dem gleichen Verfahren wie oben optimiert. Wenn dann die Optimierung von sämtlichen primären Ausgleichsspulen beendet ist, wird die Optimierung des primären Korrekturstromes beendet, wie es mit dem Bezugszeichen 2 angedeutet ist. Wenn jedoch die Beziehung ^r=- = 0 nicht erfüllt ist, so bedeutet dies, daß die Optimierung nicht möglich ist. Somit wird der Recheneinheit 1 über die Rückkopplungsleitung 4 ein Signal geliefert, um die Information zu geben, daß der Korrekturstrom nicht optimiert ist, so daß der Korrekturschritt beendet wird oder das Programm zum nächsten Schritt weitergeht, obwohl die optimale Korrektur nicht erreicht worden ist.

Nachdem der primäre Korrekturstrom in der oben be-

schriebenen Weise optimiert worden ist, wird der sekundäre Korrekturstrom optimiert, wie es mit dem Bezugszeichen 3 angedeutet ist, und zwar mit dem NMR-Spektrometer, das wiederholt die Homogenität im Magnetfeld mißt, so daß die Optimierung vervollständigt wird, wie es mit dem Bezugszeichen 6 angedeutet ist.

Damit außerdem das freie Induktionsabklingsignal in ausreichendem Maße beobachtet wird, muß das Magnetfeld bereits bis zu einem gewissen Grade eine hohe Homogenität besitzen, bevor es mit den Ausgleichsspulen korrigiert wird.

Wenn die gleiche grobe Magnetfeldverteilung vorliegt und der Meßbereich breit ist, ändert sich das Magnetfeld üblicherweise mit großen Beträgen, und die Homogenität im Magnetfeld nimmt ab. Wenn daher breite Bereiche in hohem Maße zu homogenisieren sind, muß die Magnetfeldhomogenität höher sein als die grobe Magnetfeldverteilung. Sonst wird es unmöglich, die Homogenität im Magnetfeld mit dem Induktionsabklingsignal zu messen.

Es gibt zwei Arten von Ausgleichsspulen, d.h. supraleitende Ausgleichsspulen und normal leitende Ausgleichsspulen.

Die supraleitenden Ausgleichsspulen werden verwendet, wenn die Vorrichtung zur Erzeugung des Rohmagnetfeldes aus einer supraleitenden Spule besteht, und sie werden in teurem flüssigem Helium installiert. Um das von den Ausgleichsspulen erzeugte Magnetfeld einzustellen, ist es erforderlich, jederzeit einen elektrischen Strom zuzuführen, um die Heizung eines mit Heizung ausgerüsteten Schalters zu beheizen, der als Permanentschalter bezeichnet wird und der ebenfalls in dem flüssigen

Helium installiert ist. Wenn die Einstellung über ausgedehnte Zeitperioden vorgenommen wird, verdampft somit das flüssige Helium in beträchtlichen Mengen.

Die üblicherweise leitenden Ausgleichsspulen werden bei Normaltemperatur verwendet und werden hergestellt, indem man einen normalen elektrischen Draht, wie z.B. einen Kupferdraht oder einen Aluminiumdraht wickelt.

^O Gemäß einer herkömmlichen Vorrichtung zur Erzeugung von sehr homogenen Magnetfeldern mit einem Aufbau der oben beschriebenen Art wird das Magnetfeld auf der Basis des Ausprobierens homogen gemacht. Wenn die Anzahl von Ausgleichsspulen zunimmt, steigt somit die für die Korrektur erforderliche Zeit drastisch an, was es schwierig macht, ein in hohem Maße homogenes Magnetfeld rasch zu erhalten. Wenn die supraleitenden Ausgleichsspulen verwendet werden, wird außerdem teures flüssiges Helium in riesigen Mengen verbraucht, was

2Q den Einstellungsvorgang extrem kostspielig macht. Wenn die Homogenität im Rohmagnetfeld gering ist, werden die freien Induktionsabklingsignale sehr rasch abklingen, so daß es schwierig ist, das Magnetfeld in hohem Maße homogen zu machen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und

eine Vorrichtung zur Erzeugung von besonders homogenen Magnetfeldern anzugeben, die eine verbesserte und raschere Homogenisierung von Magnetfeldern ermöglichen als ₃Q dies bislang möglich war.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von besonders homogenen Magnetfeldern angegeben, bei denen die Verteilung des Rohmagnetfeldes og an zahlreichen Punkten gemessen wird, so daß in einfacher und zuverlässiger Weise ein optimales Magnet-

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feld herausgefunden wird, das mit einer Korrekturmagnetfeld-Erzeugungseinrichtung mit Computer erzeugt werden sollte, und daß dieses Korrekturmagnetfeld zur Optimierung und Erzeugung des besonders homogenen Magnetfeldes

5 verwendet wird.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein Flußdiagramm zur Homogenisierung eines Magnetfeldes gemäß dem Stande der Technik;

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Korrektur des Magnetfeldes gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung, teilweise im Schnitt, einer Vorrichtung zur Erzeugung

von besonders homogenen Magnetfeldern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Testanordnung zur überprüfung des Verfahrens gemäß der

Erfindung;

Fig. 5a, 5b und 5c schematische Darstellungen zur Erläuterung von Magnetfeldverteilungen vor der Korrektur während des Überprüfungs

testes; und in

Fig. 6a, 6b und 6c schematische Darstellungen zur Erläuterung von Magnetfeldverteilungen nach der Korrektur.

Zunächst wird das Verfahren zur Korrektur des Magnetfeldes gemäß der Erfindung näher erläutert. Wenn eine gekerbte Solenoidspule oder Zylinderspule verwendet wird, um ein besonders homogenes Magnetfeld mit geringen inhomogenen Magnetfeldkomponenten zu erzeugen, so ist das erzeugte Magnetfeld Bz in der Nähe des Zentrums der Spule gegeben durch die folgende Gleichung:

Βχζγ, θ) » B₀ + C^P₆(CO* θ) (X)⁶ ♦ C₈P₈(COf θ) (J)⁸ +··· (1),

wobei a den Radius der Solenoidspule bezeichnet, Pn ein Legendre-Polynom n-ter Ordnung bezeichnet

und £n eine durch die Form der Spule bestimmte Konstante angibt.

Die Gleichung (1) gibt an, daß ein besonders homogenes

Magnetfeld erzeugt wird, das keine inhomogenen Magneton

feldkomponenten enthält, die kleiner als fünfter Ordnung

sind.

Da jedoch eine obere Grenze bei der Genauigkeit zur Herstellung der Spule existiert und die Umgebung zur

Installation der Spule nicht vollständig unmagnetisch gemacht werden kann, wird nicht das Magnetfeld erzeugt werden, das durch die Gleichung {1) gegeben ist. Stattdessen ist zu berücksichtigen, daß Magnetfeldkomponenten erzeugt werden, die ein inhomogenes Magnetfeld mit

Termen enthalten, die kleiner als fünfter Ordnung sind.

Nachstehend wird eine Magnetfeldverteilung diskutiert, wo eine Anzahl von schwachen und inhomogenen Magnetfeldkomponenten in einem homogenen Magnetfeld enthalten sind, das sich räumlich nicht ändert. Außerdem wird

nachstehend ein Verfahren zur Beseitigung von inhomogenen Magnetfeldkomponenten erläutert.

Ein gegebenes Magnetfeld B läßt sich durch die nachstehende Gleichung unter Berücksichtigung des skalaren Potentials 0 ausdrücken:

B =- V0 (2) ,

wobei, unter Verwendung einer orthogonalen Kugelausdehnung, 0 üblicherweise durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:

0 - -? Ϊ yVJicoe Θ) [A* co· 100 + B? lin m0] ...(3),

wobei An und Bn Konstanten sind und y, θ und 0 in Polarkoordinaten ausgedrückte Variable sind.

Wenn das Magnetfeld zu korrigieren ist, werden im allgemeinen kartesische Koordinaten verwendet, da sie leicht in die Ausgangswerte der Magnetfeld-Korrekturspule umgesetzt werden können. Somit wird nachstehend die Darstellung in kartesischen Koordinaten verwendet.

Nachstehend wird der Fall betrachtet, wo eine Hauptmagnetfeldkomponente Bo, die sich nicht räumlich ändert, durch die Z-Achse gegeben ist, und eine gegebene inhomogene Magnetfeldkomponente B¹ der Hauptmagnetfeld-

komponente Bo überlagert ist, und zwar gemäß der Bedingung |bo + Β·] / I Bo I <3C 1. Hierbei gilt

|Bo+B'| - Bo + B¹Z + ^><x * »Ύ² ₊ ...

2 Bo

i BO + B¹Z ,

Somit wird die inhomogene Magnetfeldkomponente durch

die Komponente Z in derselben Richtung wie das Hauptmagnetfeld repräsentiert. Die Magnetfeldkomponente in Richtung der Z-Achse ist gegeben durch die nachstehende Umwandlungsgleichung:

Bz * -(?0γ cos θ - 70Θ Sin Θ)

- -cos θ |Ä ♦ ^>ln 9 H '" ^U)-

Durch Einsetzen der Gleichung (2) in die Gleichung (4) werden die Komponenten von der Seite der niedrigeren Ordnungen durch kartesische Koordinaten repräsentiert.

,2 1/2 2,

Bz * Bo + A₁X + A₂y + A₃Z + A₄ iz - _?(x - Y 1

+ A₇xy + Ag Cx² - y²!

²⁰ + AgzCz² - jx² - |y²)

2 2 2,

+ A₁₀xC4*< - χ - y ) + A_L1y 14t² - x² - y²) + A₁₂XIx² - 3y²)

+ A₁₅ZIx² - y²) + ··· 15).

Das bedeutet, Bz wird als überlagerung von sämtlichen Termen in der Gleichung (5) angegeben. In Gleichung (5) sind andere Terme als der erste Term Magnetfeldkomponenten, die einer räumlichen Änderung unterliegen. 3^ Zur hohen Homogenisierung des Magnetfeldes ist es wesentlich, daß diese inhomogenen Magnetfeldkomponenten nicht

enthalten sind. Um die inhomogenen Magnetfeldkomponenten zu entfernen, wird das Magnetfeld unter Verwendung einer Ausgleichsspule korrigiert, die eine spezielle Spule mit einer Magnetfeldkomponente ist, welche in Übereinstimmung mit einer Variablen von nur einem Term unter den Termen in Gleichung (5) ist. Die Ausgleichsspule ist in der Lage, eine unabhängige Magnetfeldkomponente zu erzeugen, und macht es möglich, irgendeine Magnetfeldverteilung zu korrigieren. Die an der Solenoidspule anzubringende Ausgleichsspule besteht aus einem Paar von kreisförmigen Spulen oder einer Kombination von sattelartigen Spulen. Die Komponenten und Amplituden des inhomogenen Magnetfeldes können nicht bestimmt werden, wenn nicht das Magnetfeld, das tatsächlich erzeugt wird, gemessen wird.

um ein sehr homogenes Magnetfeld zu erhalten, muß daher eine Anzahl von Ausgleichsspulen vorbereitet werden. Somit ist eine immense Laborarbeit erforderlich, um die Magnetfeldverteilung einzustellen und zu justieren und einen optimalen Einstellungswert zu bestimmen, um ein

20 sehr homogenes Magnetfeld zu erhalten.

Die Erfindung verwendet das Verfahren der kleinsten Quadrate, um leicht optimale Werte zur Korrektur des Magnetfeldes zu finden. Das heißt, die von der Hauptspule erzeugte Rohmagnetfeldverteilung wird ausgedrückt durch eine homogene Magnetfeldkomponente Bo, viele Ausgleichsspulenfunktionen des Magneten und andere Terme, die auf der Methode der kleinsten Quadrate beruhen. In diesem Falle läßt sich das Magnetfeld Bz an einem gegebenen Punkt ausdrücken durch die folgende Gleichung:

B2(x, y, χ)·Βο+ A₁If₁ + *₂f₂ + ... + a_nf_n + RnIx, y, z) . ..(6),

wobei f₁, f₂/ ·-·, f Magnetfeld-Ausgangsfunktionen der

(C

Ausgleichsspulen bezeichnen, a.., ..., a , Amplituden bezeichnen und Rn einen Rest angibt, der nicht mit einer Ausgleichsspulenfunktion ausgedrückt werden kann.

Hierbei bedeutet der Ausdruck Rohmagnetfeld die Verteilung des Magnetfeldes vor der Korrektur.

Wenn die Ausgleichsspulen erregt werden, kann die Gleichung (6) folgendermaßen ausgedrückt werden:

Bz(X, y, z) ■ Bo + U₁f₁ - ^f₁) + (*2^C2 " ^b2*2* ⁺ ·* "

+ U-f- - b-t_) + Rn(x, y, z) η η η η

+ J₁ R'mCx, y, ζ) ...(7)_y

wobei R'm eine andere Fehlermagnetfeldkomponente als f₁ bis f angibt, die in einem kleinen Wert im Magnetfeldausgang von jeder der Ausgleichsspulen enthalten ist.

Wenn der Erregerstrom so eingestellt ist, daß das aus der Verteilung des Rohmagnetfeldes erhaltene Magnetfeld a f vollständig durch den Magnetfeldausgang b f der Ausgleichsspulen beseitigt wird, d.h. wenn der Erregerstrom so eingestellt ist, daß a = b gilt, dann läßt sich das Magnetfeld an einem gegebenen Punkt aus-

drücken als:

η BzCx, y, z) · Bo ♦ sn(x, y, z) J₁ R'm(x, y» z) ...(8)

Es ist aber nicht praktikabel, eine sehr große Anzahl

von Ausgleichsspulen einzubauen. Im allgemeinen werden somit etwa zehn Ausgleichsspulen verwendet, um inhomogene Magnetfeldkomponenten niedriger Ordnungen zu beseitigen. Innerhalb eines derartigen praktischen Bereiches gilt die Beziehung |Rn| <£ büLR'm , wobei kein Problem im Hinblick auf die Präzision der Magnetfeld-

ausgänge der Ausgleichsspulen vom Standpunkt der Korrektur der Magnetfeldverteilung auftritt.

Ein Minimalwert R^min und Maximalwert R^max des Restes im

η η

Meßbereich sind numerisch ermittelt worden. Somit kann angenommen werden, daß die in diesem Augenblick erhaltene Magnetfeldhomogenität oc vor der Korrektur der Magnetfeldverteilung durch die Ausgleichsspulen angegeben werden kann durch die nachstehende Gleichung

a» B max - B min

B max + B min ,max

no

Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm zur Erläuterung des oben beschriebenen Verfahrens, wie das Magnetfeld sehr stark homogenisiert wird, wobei der Schritt 11 die Messung der Verteilung des Rohmagnetfeldes

2Q angibt, der Schritt 12 die Verteilung des Rohmagnetfeldes mit einem Polynom auf der Basis von Gleichung (6) ausdrückt, der Schritt 13 die Bestimmung eines Ausgleichsspulen-Erregerstromes bezeichnet, der sich aus dem Polynom-Ausdruck beim Schritt 12 ermitteln läßt, der Schritt 14 die Erregung der Ausgleichsspule gemäß dem bestimmten Ausgleichsspulenstrom bezeichnet, der Schritt 15 die Homogenität im Magnetfeld durch Messung der Verteilung des Magnetfeldes bezeichnet, und der Schritt 16 die Beendigung der hohen Homogenisierung

gQ des Magnetfeldes ausdrückt. Außerdem wird beim Schritt 17 die Homogenität im Magnetfeld von der Restmagnetfeldkomponente angenommen, nachdem der Ausgleichsspulen-Erregerstrom im Schritt 13 bestimmt worden ist.

gg Die Verteilung des Rohmagnetfeldes wird beim Schritt 11 an einer Vielzahl von Koordinatenpunkten gemessen;

/IS ·:

das bedeutet, das Magnetfeld in einem Bereich, der klein genug ist, um als Punkt angesehen zu werden, wird an jedem der Koordinatenpunkte gemessen. Die gemessene Verteilung des Rohmagnetfeldes wird mit einem Polynom ausgedrückt,

,- wie z.B. durch die Gleichung (6) beim Schritt 12. Durch die Wahl von η Arten von Ausgleichsspulen zur Korrektur des Magnetfeldes können die Funktionen f.. bis f als konkrete Variable ausgedrückt werden. Die Werte a₁ bis

a werden so bestimmt, daß der Ausdruck T"R für sämtn ·*— η

_ liehe gemessenen Punkte minimal wird, und werden durch die Gleichungen für die Fälle ausgedrückt, wo die Ausgleichsspulen wie in Gleichung (7) erregt werden. Dann werden die Werte b.. bis b so bestimmt, daß die Beziehung

a - b = 0 für η = 1, 2 ..., η gilt, wobei der Ausn η

._ gleichsspulen-Erregerstrom im Schritt 13 bestimmt wird Ib

und die Ausgleichsspule sofort beim Schritt 14 erregt wird. Die Homogenität des Magnetfeldes wird beim Schritt 15 bestätigt durch Messung der Verteilung des Magnetfeldes, das mit den Erregungsausgangssignalen der Ausgleichsspulen korrigiert ist. Die Homogenitäto< im Magnetfeld kann angenommen werden als gegeben durch die Gleichung (9) von einem Maximalwert und einem Minimalwert der Restmagnetfeldkomponente Rn zu dem Zeitpunkt, wenn der Erregerstrom der Ausgleichsspule bestimmt ist.

._ Durch Vergleichen der Homogenität des Magnetfeldes, 25

das beim Schritt 17 angenommen wird, mit der Homogenität des Magnetfeldes, das beim Schritt 15 bestätigt wird, kann bestätigt werden, ob das Magnetfeld richtig korrigiert worden ist. Wenn auch experimentell bestätigt wird, daß das Verfahren zur Korrektur des Magnetfeldes gemäß der Erfindung richtig und in Ordnung ist, braucht die Homogenität des Magnetfeldes nicht beim Schritt 15 bestätigt zu werden, d.h. der Schritt 15 kann übergangen werden.

Nachstehend wird eine Ausführungsform gemäß der Erfindung näher erläutert. In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen 21 eine supraleitende Hauptspule, die ein Gleichstrom-Rohmagnetfeld erzeugt, und das Bezugs-

zeichen 22 eine supraleitende Hauptspule, die ein Gleichstrom-Korrekturmagnetfeld erzeugt, um die Verteilung des Rohmagnetfeldes zu korrigieren, das von der supraleitenden Hauptspule 21 erzeugt wird. Die beiden Spulen 21 und 22 werden durch Eintauchen in flüssiges Helium in nicht dargestellter Weise gekühlt, um den supraleitenden Zustand aufrechtzuerhalten. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet einen magnetischen Kernresonanz-Impulsmeßfühler, der das Magnetfeld an einem vorgegebenen Koordinatenpunkt mißt und der auf einer Meßfühler-Montageplatte 24 angeordnet ist. Die Meßfühler-Montageplatte 24 ist mit einer Meßfühler-Bewegungseinrichtung 25 ausgerüstet, so daß der magnetische Kernresonanz-Impulsmeßfühler zu jedem Punkt in der Bohrung der supraleitenden Hauptspule 21 bewegt werden kann. Der magnetische Kernresonanz-Impulsmeßfühler 23 ist an eine Hochfrequenz-Sende /Empfangs-Schaltung 26 angeschlossen und mit einem Computer 28 über einen Eingabe/Ausgabe-Bus 27 verbunden. Eine weitere Verbindung ist über einen Eingabe/Ausgabe-Bus 29 zu einer Ausgleichsspulen-Erregungsversorgung 30 vorgesehen, von der ein Gleichspannungs-Ausgangsanschluß an die supraleitende Ausgleichsspule 22 angeschlossen ist. Die Meßfühler-Bewegungseinrichtung 25 ist an den Computer 28 über einen Eingabe/Ausgabe-Bus 31 angeschlossen. Die Koordinatenachsen x, y und ζ sind in Fig. 3 eingetragen.

Das von der supraleitenden Hauptspule 21 an einem gegebenen Koordinatenpunkt (X₁, γ^, z^) erzeugte Magnetfeld wird von dem magnetischen Kernresonanz-Impulsmeßfühler gemessen, der sich an diesem Koordinatenpunkt befindet. In Abhängigkeit von den Befehlen, die von dem Computer 28 über den Eingabe/Ausgabe-Bus 31 gegeben werden, bewegt die Meßfühler-Bewegungseinrichtung 25 den magnetischen Kernresonanz-Impulsmeßfühler 23 in dreidimensionaler Weise, so daß er zu jedem Punkt in der

ZC-. ■■■":'"

j Bohrung der supraleitenden Spule 21 gebracht werden kann. Der magnetische Kernresonanz-Impulsmeßfühler 23 erhält von der Hochfrequenz-Sende/Empfangs-Schaltung 26 Hochfrequenzsignale, die zur Messung des Magnetfeldes auf der Grundlage des magnetischen Kernresonanzverfahrens erforderlich sind, und erzeugt eine magnetische Kernresonanz in der Probe im Meßfühler. Die durch das Phänomen der Resonanz erzeugten Signale werden wieder von der Hochfrequenz-Sende/Empfangs-Schaltung aufge-

jg fangen, wo sie verarbeitet werden, und ihre Daten werden über den Eingabe/Ausgabe-Bus 27 in den Computer 28 eingegeben. Der Computer 28 ist auch über den Eingabe/ Ausgabe-Bus 31 mit der Meßfühler-Bewegungseinrichtung 25 verbunden. Somit wird der Computer 28 mit den

je Koordinaten versorgt, wo das Magnetfeld gemessen wird, und mit Werten des Magnetfeldes bei diesen Koordinaten. In Abhängigkeit von den Befehlen vom Computer 28 ändert der magnetische Kernresonanz-Impulsmeßfühler 23 seine Position nacheinander, um das Magnetfeld an den er-

2Q forderlichen Koordinatenpunkten zu messen. Diese Daten werden alle in den Computer 28 eingegeben.

In dem Augenblick, wo die Messung des Magnetfeldes beendet ist, findet der Computer bereits auf der Basis dieser Meßdaten das Korrekturmagnetfeldausgangssignal, das für die supraleitende Ausgleichsspule erforderlich ist, um die Verteilung des Magnetfeldes zu korrigieren. Dann wird entsprechend den Umwandlungswerten des Magnetfeldes in elektrischen Strom, die vorher ermittelt wor-

_g0 den sind, der elektrische Strom von der Ausgleichsspulen-Erregungsversorgung 30 über den Eingabe/Ausgabe-Bus 29 an die supraleitende Ausgleichsspule 22 angelegt, um ein Korrekturmagnetfeld zu erzeugen, üblicherweise wird die supraleitende Spule mit einem permanenten

„c Strombetriebsartsystem betrieben, das die Energieversorgung nur im Augenblick der Erregung oder Ent-

magnetisierung erfordert. Somit ist ein mit Heizung ausgerüsteter Schalter, ein sogenannter permanenter Stromschalter, in flüssigem Helium installiert, und der elektrische Strom darf zur Heizung nur in dem Augenblick der Erregung oder Entmagnetisierung fließen. Die Ausgleichsspulen-Erregungsversorgung 30 enthält eine Versorgung für die Heizung. Der Strom beginnt, in dem Augenblick zur Heizung zu fließen, wenn der Computer 28 ein Korrekturmagnetfeldausgangssignal ..Q für die supraleitende Ausgleichsspule 22 ableitet, d.h. in dem Augenblick, wo der Computer 28 einen Strom für die supraleitende Ausgleichsspule 22 ableitet.

Zur Verifizierung oder Prüfung der Erfindung wird die Anordnung gemäß Fig. 4 verwendet. Dabei sind die supraleitende Hauptspule 21 mit einem Innendurchmesser von 1 m und einer Länge von 1,86 m und zehn Arten (Z⁰, Z¹, Z², Z³, X, Y, ZX, ZY, XY, X²-Y²)

_ΟΛ von supraleitenden Ausgleichsspulen 22 installiert.

AU

Das Experiment zur Korrektur des Magnetfeldes wurde durchgeführt mit einem Magnetfeld, dessen Wert im Zentrum auf 0,35 T eingestellt war. Die Koordinatenachsen (x, y, z) und die Hauptmagnetfeldkomponente Bo sind durch Pfeile angegeben. Ein Kubus von 0,3 m mit dem Ursprung als Zentrum wird als Bereich gewählt, wo das Magnetfeld in hohem Maße homogen sein soll, und die Magnetfeldverteilungen in den drei repräsentativen Ebenen, d.h. bei z=-0,15m, z=0 und _n ζ = 0,15 m in dem Bereich sind in den Fig. 5a, 5b und 5c dargestellt. Messungen werden an sieben Punkten auf jeder Achse unter Beibehaltung eines Abstandes von 50 mm durchgeführt und an 343 Punkten in dem Kubus aufgenommen. Jede Zeichnung betont nur die inhomogenen Magnetfeldkomponenten, die dem Hauptmagnetfeld überlagert sind. Mit den Ausgleichsspulenfunktionen als

ZZ -

Variablen werden die kleinsten Quadrate auf der Basis der Magnetfeldkomponenten von Ausgleichsspulen in der nachstehenden Tabelle 1 berechnet, um die folgende Gleichung zu erhalten:

B(X, y, z) - 0.349944351 - 0.16 χ 10~³x + 0.34 χ 10~⁴y -0.79 x 10*⁴z - 0.20 x 10~³{z² - y(x²+y²)} ^1U -0.15 x 10 ⁴zx + 0.73 χ 10 *zy - 0.68 χ 10

xy + 0.33 x 10"⁴(x²-y²) - 0.13 χ 10"⁴z (z²-

x² - j y²) + R(x, y, z) (T) ...(10)

R^mt* « 4.7 χ 10"⁶ (T) Rⁿⁱⁿ - -1.3 X ΙΟ"¹ (T)

Gemäß Gleichung (10) werden die Ausgleichsspulen er-

regt, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das die gleichen Koeffizienten und Absolutwerte aber mit entgegengesetzten Vorzeichen besitzt. Da es hier das Hauptziel ist, das Magnetfeld in hohem Maße zu homogenisieren, wird eine Korrektur der nullten Ordnung nicht vorgenommen.

Somit enthält die Gleichung (10) keine Korrektur für

die Terme nullter Ordnung. Die Magnetfelder, die von den Ausgleichsspulen durch die hindurchfließenden Ströme erzeugt werden, sind durch die Berechnung vorher ermittelt worden. Somit wird der elektrische Strom gemäß

diesen Werten zugeführt, um das Magnetfeld zu korrigieren.

Die Fig. 6a, 6b und 6c zeigen Magnetfeldverteilungen nach der Korrektur, und zwar durch Messung mit dem magnetischen Kernresonanz-Impulsverfahren. Zu Zwecken des leichten Vergleiches ist das Magnetfeld in denselben Ebenen verteilt wie die Magnetfeldverteilungen vor

der Korrektur gemäß Fig. 5a, 5b und 5c. Es erscheint einsichtig, daß die Korrektur der Magnetfeldverteilung mit den Ausgleichsspulen dazu beiträgt, die Amplituden der inhomogenen Magnetfeldkomponenten zu reduzieren, und daß die Verteilungskurven, die sich in unregelmäßiger Weise ändern, zur Glättung der positiven und negativen Vorzeichen beim Magnetfeldgradienten beitragen. Aus diesen Tatsachen läßt sich entnehmen, daß das Magnetfeld nahezu vollständig korrigiert wird.

Als nächstes werden die Ergebnisse der Berechnung mit den Versuchsergebnissen verglichen. Die angenommenen Homogenitäten im Magnetfeld, die durch Berechnung ermittelt worden sind, unddie durch das Korreturexperij^g ment gefundenen Werte sind in der nachstehenden Tabelle zusammengestellt. In Tabelle 2 bezeichnet die Zeile (1) Werte in einem Kubus von a = 0,1 m, die Zeile (2) Werte in einem Kubus von a = 0,2 m und die Zeile (3) Werte in einem Kubus von a = 0,3 m. Verglichen mit der Homo-2Q genität in der Magnetfeldverteilung vor der Korrektur sind die Werte nach der Korrektur gemäß Tabelle 2 so klein, daß davon ausgegangen werden kann, daß das Magnetfeld in wirksamer Weise korrigiert ist. Nach der Korrektur ist jedoch die Homogenität, die experimentell gefunden wurde, geringer als der angenommene Wert. Dies beruht auf den Gründen, daß der Strom, der in der Ausgleichsspule fließt, nicht aufgrund des experimentell gefundenen Wertes bestimmt wird, sondern auf der Basis des berechneten Ausgangssignals, was eine leichte Differenz ergibt, daß eine Grenze hinsichtlich der Meßgenauigkeit besteht und daß die Ausgestaltung einen Fehler von 1 % beim Fließen des elektrischen Stromes in der Ausgleichsspule impliziert. Wenn diese in den Experimenten enthaltenen Fehler eliminiert werden, wird der angenommegg ne Wert in bessere Übereinstimmung mit dem experimentell gefundenen Wert kommen. Es ist wichtig, sicherzustellen,

in welchem Ausmaß die Ausgleichsspulen effektiv verwendet werden. Zu diesem Zweck wird daher die Magnetfeldverteilung nach der Korrektur gemessen, und das Ergebnis nach der Korrektur des Magnetfeldes wird beurteilt, indem man das Verfahren der kleinsten Quadrate auf der Basis der Ausgleichsspulenfunktionen anwendet. Die nachstehend angegebene Tabelle 3 gibt die Koeffizienten der Gleichungen der Magnetfeldverteilungen an, die mit dem Verfahren der kleinsten Quadrate erhalten wurden. Aus Tabelle 3 ergibt sich, daß die Ausgleichsspule erster Ordnung die inhomogenen Magnetfeldkomponenten bis herab auf einige Prozent verringert, daß die Ausgleichsspule zweiter Ordnung diese Komponenten herab auf einige Zehntel Prozent verringert, und daß die Ausgleichsspule dritter Ordnung nicht wirksam ist, um das Magnetfeld zu korrigieren. Die Anzahl von Spulen bzw. Wicklungen zur Bildung der supraleitenden Ausgleichsspule 22 nimmt mit dem Anwachsen der Ordnung zu, so daß es schwierig wird, den elektrischen Strom einzustellen, und der berechnete Ausgangswert hat die Tendenz, daß er vom gefundenen Wert abweicht. Wenn außerdem die Ordnung der Komponenten zunimmt, resultiert ein Anwachsen der Fehler auch aus einer geringen Differenz im eingestellten Strom, was es schwierig macht, den Ausgleichsspulenstrom präzise einzustellen.

Obwohl sich das oben beschriebene Ausführungsbeispiel auf den Fall bezieht, wo der Rohmagnetfeld-Generator und der Korrekturmagnetfeld-Generator beide von supraleitenden Spulen gebildet werden, können diese beiden Spulen auch normal leitende Spulen oder Permanentmagneten sein, wie sich von selbst versteht. Außerdem können Kombinationen von einigen dieser drei Magnetfeldgeneratoren verwendet werden, d.h. supraleitende Spulen, normal leitende Spulen und

35 Permanentmagneten.

Auch wenn bei der oben beschriebenen Ausführungsform das Magnetfeld mit dem magnetischen Kernresonanz-Impulsverfahren gemessen wurde, kann das Magnetfeld selbstverständc lieh auch in anderer Weise bestimmt werden, etwa mit dem CWNMR Verfahren oder unter Verwendung eines Hall-Elementes.

Selbst wenn bei der oben beschriebenen Ausführungsform ein unbemanntes vollautomatisches Meßsystem unter Verwendung eines Computers angegeben worden ist, besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, ein nicht voll automatisches Meßsystem zu verwenden. D. h. ein System, bei dem bei der Messung der Verteilung des Magnetfeldes das Magnetfeld an jedem der Koordinatenpunkte auf einem

, _ Aufzeichnungspapier aufgezeichnet wird und die so aufgelb

zeichneten Daten in einen Computer eingegeben werden, der nur arbeitet, um die Verteilung des Magnetfeldes in Form eines Polynomes anzugeben; die Ausgleichsspulen-Erregungsversorgung kann von Hand entsprechend einem Korrekturstrom für die Ausgleichsspule betätigt werden, der auf diese Weise geliefert wird. Wenn somit Handbetrieb oder Off-Line-Betrieb vorliegen, kann die Verteilung des Magnetfeldes in Form eines Polynoms ausgedrückt werden. Dies kann mit einem Computer geringer Leistungsfähigkeit

__ erfolgen, der keine Funktionen zur Steuerung der ver-Zb

schiedenen Einrichtungen bestitzt. Somit kann die Vorrichtung zur Erzeugung eines sehr homogenen Magnetfeldes mit geringen Kosten realisiert werden.

Gemäß der Erfindung wird somit das Ausgangssignal der 30

Ausgleichsspule nicht durch Ausprobieren bestimmt, sondern sofort von einem Computer aufgrund der Messung der Magnetfeldverteilung erzeugt. Somit kann die erforderliche Zeit zur hohen Homogenisierung des Magnetfeldes drastisch

reduziert werden, und flüssiges Helium wird in kleinen 35

Mengen von der supraleitenden Ausgleichsspule verbraucht.

Außerdem nimmt die erforderliche Zeit zur hohen

Homogenisierung des Magnetfeldes sehr wenig zu, obwohl eine Erhöhung der Arten von Ausgleichsspulen erfolgt.

Tabelle 1

Ordnung	Bezeichnung	Ilagnetfeldausgang
0	Q Ausgleichs- 2 spule
	X	^bl«
1	V	b₂y
	Z Z²	b₄U²-0.5<x²+y²H
	2X	b.zx
2	ZY	b₆zy
3	XY *x²-²** Z³	b_?xy b_a(x²-y²) b₉z(z² - 1.5X² - 1.5y²)

" ^9 ^: Konstanten

Tabelle 2

0.1a

1.2

Berechneter

I

Wert

(T)

2.6

α

ίο-«

!lach der Korrektur

B^(T)

3

.6

O

ίο-«

Vor der
Korrektur

0.2«

1.8

IK

-6

η

ΙΟ⁷

4.8

χ

ΙΟ"«

Experimenteller Wert

0.3498796

1

.3

X

ΙΟ"⁵

Experimen
teller Wert

0.3a

4.7

χ 10"«

-1.

χ

»⁷

2.5

χ

ΙΟ"⁵

B-^(T)

0.3498764

3

.5

X

ΙΟ"⁵

α

(1)

χ ΙΟ"⁶

-1.

χ

ΙΟ⁷

X

0.3498821

0.349U689

X

5.1 κ 10~⁵

(2)

χ 10"«

i^m

X

0.3498855

«.7 χ JO"⁵

C3>

.8

0.3498932

l.l κ 10~⁴

.6

.3

OO CO O3 K)

Taba]le 3

Ordnung	Typ	X y S	Vor der Korrektur (A)	Nach der Korrektur (B)	1B/A1
Erste IT/kl	2 2 2 *S -.5<x+y)* SX y χ²-»²*	-0.157784 χ 1O~³ 0.335424 χ 1ST⁴ -0.789541 χ UT⁴	-0.875583 χ 10~⁵ -0.207139 χ 10"⁵ 0.891007 χ 10"⁶	5.5 χ 1Q~² 6.2 χ 1O'² 1.1 χ 10~²
Zweite	a(x²-1.5x²-1.5y²)	-0.203531 χ 10~³ -0.150949 χ 10~³ 0.735409 χ 10"⁴ -0.675666 χ lOT⁴ 0.330904 χ MT⁴	-0.160401 χ 10~³ -0.115136 χ 1O"⁴ 0.159563 χ 10~⁴ -0.148039 χ 10~⁴ -0.231282 χ 1O"⁵	7.9 χ ΙΟ"¹ 7.6 χ 10~² 2.2 χ IO~¹ 2.2 χ 10~^l 7.0 χ J0~²
Dritte ItVi	-0.181378 χ 10"⁴	-0.371589 χ 10"⁴	2.0

Claims

Meissner, Bolte & Pär

Patentanwälte · European Patent Attorneys München ■ Bremen

Meissner, Bolte & Partner, Postfach 8606 24, D-SlXK) München

Anmelder:

Mitsubishi Denki K. K. 2-3, Marunouchi 2-chome, Chiyodaku

Tokyo, Japan

Dr. Eugen Popp Dipi -ing. Dipi-Wimch -ins WolfE.Sfydan. Phys Dr. Ulrich Hrabai Uipi.-Chem. Hans Meissner Dtpi.-ing .'bis vmn Erich Bolte Dtpi.-Ing.

BÜRO MÜNCHEN/ML'NICH OFFICE:

Widenmayerstraße 48 Postfach/P.O. Box 860624 D-8000 München 86 Telefon: (089) 222631 Telex: 5 213222 epod Te!ekopierer:(089)22172I

Ihr Zeichen Your ref.

Ihr Schreiben vom Your letter of

Unser Zeichen Our ref.

M/SOG-111-DE

Datum Dale

8. März 1985 Sj/sz

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von besonders homogenen Magnetfeldern

Patentansprüche

Verfahren zur Erzeugung von besonders homogenen Magnetfeldern, bei dem ein Rohmagnetfeld erzeugt wird und bei dem die Inhomogenitäten dieses Rohmagnetfeldes mit einem Korrekturmagnetfeld kompensiert werden, so daß sich insgesamt ein sehr homogenes Magnetfeld ergibt, dadurch gekennzeichnet , daß die dreidimensionale Feldverteilung des Rohmagnetfeldes durch Bestimmung einer Vielzahl von lokalen Magnetfeldwerten an vorgegebenen Koordinaten

gemessen wird, daß die Feldverteilungen durch Polynome dargestellt werden, die eine räumlich unveränderliche Komponente, eine räumlich veränderliche Komponente und

eine vernachlässigbare Restkomponente enthalten, daß 5

aus den Termen der räumlich veränderlichen Komponenten des Magnetfeldes die Erregerströme berechnet werden, mit denen die jeweiligen Inhomogenitäten durch Ausgleichsspulen kompensierbar sind, und daß bei vorgegebener Anzahl von Ausgleichsspulen nur diejenigen mit einem Erregerstrom beaufschlagt werden, die wirksam zur Erzeugung des Korrekturmagnetfeldes beitragen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturmagnetfeld erst dann erzeugt wird, wenn die Erregerströme der Ausgleichsspulen vorher bestimmt worden sind.
3. Vorrichtung zur Erzeugung von besonders homogenen

Magnetfeldern, mit einer Einrichtung zur Erzeugung 20

eines Rohmagnetfeldes, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (23 bis 28) zur Messung des von der Einrichtung (21) erzeugten Verteilung des Rohmagnetfeldes,

durch eine Recheneinrichtung (28), welche jede der 25

Einrichtungen (21, 23 bis 25) steuert und die gemessene

Verteilung des Magnetfeldes berechnet,

und durch eine Einrichtung (22, 30) zur Erzeugung eines Korrekturmagnetfeldes, wobei die Verteilung des

von der Meßeinrichtung (23 bis 28) gemessenen Roh-30

magnetfeldes in drei Komponenten aufgeteilt wird, die eine Magnetfeldkomponente ohne räumliche Änderung, eine Ausgangsfunktionskomponente für die Einrichtung zur Erzeugung des Korrekturmagnetfeldes sowie eine weitere Komponente umfassen, wobei aus der Amplitude

der Ausgangsfunktionskomponente der Einrichtung zur

Erzeugung des Korrekturmagnetfeldes ein Magnetfeldausgangssignal ermittelt wird, welches an die Einrichtung (22) anzulegen ist, um das Korrekturmagnetfeld zu erjzeugen, und wobei die Einrichtung zur Erzeugung des Korrekturmagnetfeldes an eine Versorgung (30) angeschlossen ist, die die Einrichtung zur Erzeugung des Korrekturmagnetfeldes mit dem vorgegebenen Erregerstrom zur Erzeugung des Korrekturmagnetfeldes und damit zur Erzeugung des besonders homogenen Gesamtmagnetfeldes versorgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (22, 30)

. _c zur Erzeugung des Korrekturmagnetfeldes eine Vielzahl von Ausgleichsspulen (22) aufweist, die jeweils mit vorgegebenen Erregerströmen beaufschlagbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen magnetischen Kernresonanz-Impulsmeßfühler aufweist, der an eine Hochfrequenz-Sende/Empfangs-Schaltung angeschlossen ist und der an vorgegebenen Koordinaten

im zu messenden Raum die jeweiligen Magnetfeldkomponenten _oc. aufnimmt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungen (30) der jeweiligen Ausgleichsspulen (22)

an einen Rechner (28) angeschlossen sind, der die 30

Durchführung der Magnetfeldmessung steuert und die Erregerströme für die jeweiligen Ausgleichsspulen vorgibt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da-

durch gekennzeichnet , daß die Aus-

gleichsspulen (22) und/oder die Hauptspule (21) zur Er-

zeugung des Rohmagnetfeldes supraleitende Spulen sind, und daß die Schalter für die supraleitenden Spulen (21,22) mit Heizungen versehen sind, die nur beim Einschalten und Ausschalten der jeweiligen Spule mit Strom beaufschlagt sind.