WO2008145167A1 - Magnetanordnung zur erzeugung eines nmr-fähigen homogenen permanentmagnetfeldes - Google Patents

Magnetanordnung zur erzeugung eines nmr-fähigen homogenen permanentmagnetfeldes Download PDF

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WO2008145167A1
WO2008145167A1 PCT/EP2007/004832 EP2007004832W WO2008145167A1 WO 2008145167 A1 WO2008145167 A1 WO 2008145167A1 EP 2007004832 W EP2007004832 W EP 2007004832W WO 2008145167 A1 WO2008145167 A1 WO 2008145167A1
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magnets
main
ring
magnetic
magnet arrangement
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PCT/EP2007/004832
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Bertram Manz
Frank Volke
Martin Benecke
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/383—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using permanent magnets

Definitions

  • the invention relates to a magnet arrangement for generating an NMR-capable homogeneous permanent magnetic field.
  • NMR imaging methods as well as corresponding devices are used i.a. for nondestructive material and structural analysis of objects that may consist of crystalline, glassy materials or soft materials, such as elastomers, or liquids or biological materials.
  • a known NMR method as well as a related device can be found in DE 199 39 626 A1, in which a transportable NMR device is described.
  • the known device provides two spaced-apart permanent magnets, which serve to generate a stationary magnetic polarization field. Between the permanent magnets, an RF coil assembly and two gradient coils are provided, the latter are used to produce one, the stationary magnetic polarization field overlying magnetic gradient field, which is operated pulsed for spatially resolved NMR measurement at time intervals.
  • the RF coil arrangement which also serves as a receiving coil in addition to the generation of the RF alternating field, high-frequency signals that are caused by nuclear resonant processes occurring in the interior of the sample, received and brought by means of an evaluation unit for visual representation.
  • the nuclear resonant processes occurring in the interior of the sample are mainly due to nuclear spin interactions of the hydrogen atoms with the stationary magnetic polarization field, which are based on a targeted energetic RF excitation by the RF alternating field, and can in the evaluation in the broadest sense with within the analyzed sample volume existing hydrogen concentration.
  • the above-described NMR device in the form of a transportable device permits a planar examination of an object by overlaying the object surface
  • the object volume to be analyzed is restricted to only a few millimeters due to the only very small penetration depth of the magnetic fields that can be generated by the NMR device. It is certainly possible to improve the penetration depth into the object to be examined by appropriate size dimensioning of the permanent magnets used, but such scaling measures are only able to insignificantly influence the actual magnetic penetration depth.
  • the NMR device is unusable by larger and thus heavier permanent magnets for portable use.
  • the invention has for its object to further form a magnet assembly for generating an NMR-enabled homogeneous permanent magnetic field, so that the arrangement is variable in size and in particular also transportable.
  • the magnetic field generated by the magnet arrangement for NMR measurements should have a particularly pronounced homogeneity and magnetic field strength.
  • the arrangement should be possible with commercial magnets as possible, so that they should be simple, inexpensive and moreover robust in handling.
  • the arrangement should in particular be miniaturized and enable NMR measurements on small objects, preferably on biological samples.
  • the magnet arrangement according to the invention for generating an NMR-capable homogeneous magnetic field is characterized by two permanent magnets, which are referred to below as main magnets. Both main magnets each have at least one magnetic surface area, wherein the magnetic surface areas of both main magnets are arranged parallel and at a distance from each other, so that the main magnets define a space on both sides by their magnetic surface areas.
  • the main magnets are each advantageously designed as Zylindervollmagnete and spatially supported such that in each case an end-side cylindrical surface, which also represents a magnetic pole, coaxial and spaced from the frontal cylindrical surface of the respective another permanent magnet is arranged, wherein the magnet poles of both coaxially opposite end faces are selected to have opposite poles, so that a substantially cylindrical, homogeneous magnetic field in the space between the two cylindrical magnetic pole surfaces can form.
  • At least two further, ring-shaped permanent magnets are provided, which are referred to below as ring magnets and which are arranged coaxially to each other and together define a ring inner space radially.
  • the ring magnets are arranged with respect to both main magnets with their inner ring surfaces facing axially on both sides of the main magnet space limited radially and thus enclose the gap radially.
  • the magnetic polarity of the ring magnets is related chosen to the magnetic polarity of the main magnets so that the magnetic fields of the main and ring magnets in the limited or enclosed by the magnet space constructively overlay, ie the magnetic flux lines of the magnetic fields from the main and ring magnets are the same orientation at least within the ring interior.
  • Both ring magnets which peripherally surround the main magnetic field generated by the main magnets, can advantageously be positioned both axially relative to the center axis of the ring or positioned independently of one another in order to achieve optimized homogenization of the magnetic field enclosed by the permanent magnet arrangement.
  • a suitable fixing mechanism is provided, which is provided at least on a ring magnet, by which the at least one ring magnet is axially positionable against the magnetic force acting between the two ring magnets.
  • both of the frontally opposed main magnets can be positioned with respect to their relative position with the aid of a suitably designed fixing mechanism.
  • a further magnet arrangement designed in accordance with the invention provides a plurality of rod-shaped permanent magnets, each having a rod longitudinal axis, referred to below as rod magnets, which in principle may have any rod cross-section, but in a particularly advantageous manner as a cylindrical Full magnets are formed.
  • the bar magnets are uniformly distributed, arranged along a circumferentially closed perimeter line with a respective rod longitudinal axis oriented perpendicular to a surface inscribable by the circumferential line, wherein the individual bar magnets have a respective rectified magnetic pole.
  • the plurality of individual bar magnets radially adjoin an inner space which at least partially surrounds the space bounded on both sides by the magnetic surface areas of both main magnets, with the magnetic fields of the main and bar magnets structurally overlapping.
  • the plurality of individual bar magnets along a circular line whose circle diameter is equal to or greater than the diameter of the advantageous circular magnetic surface areas of both axially opposed main magnets.
  • sample volume For the purpose of an NMR test on a sample, for example of seed, it is necessary to introduce the sample as centrally as possible within the volume enclosed by the two permanent magnet systems, the so-called sample volume.
  • sample volume it is necessary to provide an RF coil arrangement to generate and detect the NMR signals of the sample.
  • at least one main magnet can be displaced axially in order in this way to have a one-sided access to the magnet arrangement otherwise largely to create enclosed sample volumes. It is also possible to guide the RF coil arrangement through corresponding feedthroughs through at least one main magnet or to connect it to it.
  • the particular advantage of the structurally simple design of the magnet arrangement relates to the possibility of miniaturization, so that NMR investigations at almost any location and with simple and therefore inexpensive means are feasible.
  • the solution according to transportable permanent magnet arrangement offers a favorable implementation possibility for carrying out NMR studies that previously failed due to the high cost associated with previous solutions.
  • the mobile permanent magnet system which is designed for NMR investigations, can be used in particular in the pharmaceutical and chemical industry, for example in quality control. At the same time, investigations in the fields of biotechnology, material testing, medicine, wood and construction, food technology and composite materials, to name just a few applications, can be carried out here.
  • Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through a
  • FIG. 2 perspective view of a permanent magnet system with a
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment for realizing the permanent magnet arrangement according to the invention, with which it is possible to produce a very strong and homogeneous magnetic field without electrical components, ie. H. exclusively based on permanent magnets, which can be used for NMR investigations.
  • the permanent magnet arrangement has two so-called.
  • main magnets 1, 2 designed as solid cylinders are mounted so as to be longitudinally displaceable along their common cylinder axis 3, so that their mutual axial spacing is controllably adjustable.
  • the magnetic poles of both opposing end faces of the main magnets 1, 2 are selected to have opposite polarity.
  • ring magnets 4, 5 which are shaped and dimensioned in such a way that they radially surround a ring interior, which surrounds the ring magnet between the two main magnets 1 , 2 limited space on both sides, d. H. the ring inner surfaces of the ring magnets 4, 5 enclose the space bounded on both sides by both main magnets relative to the cylinder axis 3 in the radial direction.
  • the ring inner cross-section with the frontal cylindrical surfaces of the main magnets 1, 2 coincide, but much more is that the Ring magnets 4, 5 enclosed by both main magnets 1, 2 on both sides gap gapless or cleaved enclosing to effect in this way a significant strengthening of the two main magnet 1, 2 forming main magnetic field and also contribute to a significant homogenization of the main magnetic field.
  • the ring magnets 4, 5 are for adjustment purposes at least relative to each other and also relative to the main magnet 1, 2 axially displaceable positionable. Since the ring magnets 4, 5 have a magnetization, by which they are held together axially, it is necessary for purposes of adjustment to provide a fixing mechanism, not shown, which is able to accomplish a spatial positioning of the ring magnets 4, 5 individually. Thus, in particular by a fine adjustment of the ring magnets 4, 5 both the strength and the homogeneity of the main magnetic field forming between the two main magnets 1, 2 can be optimized.
  • the volume enclosed by both main magnets and the ring magnets 4, 5 shown in FIG. 1 corresponds to the sample volume for carrying out NMR investigations, which can be carried out in a manner known per se.
  • the solution-based permanent magnet arrangement can be miniaturized in an advantageous manner.
  • sample volumes down to the ⁇ m range can be realized, in which the smallest objects can be examined by NMR technique. It is also possible to form the sample volume by suitable dimensioning of the magnets in the cm range, ie with sample volumes of up to 200 cm 3 .
  • FIG. 1 As an alternative to the use of the ring magnets 4, 5 shown in FIG. 1, another embodiment for realizing the permanent magnet arrangement according to the invention is shown in FIG. Thus, it is assumed in this case that instead of the ring magnets, a plurality of individual cylinder-shaped bar magnets 6 along a circular line 7 is arranged distributed evenly, wherein the magnetic polarity of the individual bar magnets 6 is the same orientation to the main magnet 1, 2 as shown in Figure 2. Not necessarily, it is necessary to form the bar magnets 6 cylindrical. Thus, deviating from the circular shape magnetic cross sections are conceivable.

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Abstract

Beschrieben wird eine Magnetanordnung zur Erzeugung eines NMR-fähigen homogenen Permanentmagnetfeldes. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Permanentmagnete, im Folgenden als Hauptmagnete bezeichnet, vorgesehen sind, die jeweils einen Magnetpoloberflächenbereich aufweisen, dass die Magnetpoloberflächenbereiche parallel und mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, so dass die Hauptmagnete durch ihre Magnetoberflächenbereiche einen Zwischenraum beidseitig begrenzen, dass die Magnetpoloberflächen der Hauptmagnete jeweils eine zueinander entgegengesetzte Magnetpolung aufweisen, dass wenigstens zwei ringförmige Permanentmagnete vorgesehen sind, im Folgenden als Ringmagnete bezeichnet, die zueinander koaxial angeordnet sind und gemeinsam einen Ringinnenraum radial umgrenzen, und dass die Ringmagnete derart relativ zu den zwei Hauptmagneten angeordnet sind, dass der Ringinnenraum den Zwischenraum zumindest bereichsweise einschließt und dass sich die Magnetfelder der Haupt- und Ringmagnete konstruktiv überlagern.

Description

Magnetanordnung zur Erzeugung eines NMR-fähigen homogenen
Permanentmagnetfeldes
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetanordnung zur Erzeugung eines NMR- fähigen homogenen Permanentmagnetfeldes.
Stand der Technik
NMR-bildgebende Verfahren sowie auch entsprechende Vorrichtungen dienen u.a. zur zerstörungsfreien Material- und Strukturuntersuchung von Objekten, die aus kristallinen, glasigen Werkstoffen oder aus weichen Materialien, wie beispielsweise Elastomere, oder Flüssigkeiten oder aus biologischen Materialien bestehen können.
Ein bekanntes NMR-Verfahren sowie auch eine diesbezügliche Vorrichtung ist der DE 199 39 626 A1 zu entnehmen, in der eine transportable NMR-Vorrichtung beschrieben ist. Die bekannte Vorrichtung sieht zwei voneinander beabstandet angeordnete Permanentmagnete vor, die zur Erzeugung eines stationären magnetischen Polarisationsfeldes dienen. Zwischen den Permanentmagneten sind eine HF-Spulenanordnung sowie zwei Gradientenspulen vorgesehen, letztere dienen zur Erzeugung eines, das stationäre magnetische Polarisationsfeld überlagernden magnetischen Gradientenfeldes, das zur ortsaufgelösten NMR-Messung in zeitlichen Abständen gepulst betrieben wird.
Mit Hilfe der HF-Spulenanordnung, die neben der Erzeugung des HF-Wechselfeldes zugleich auch als Empfangsspule dient, werden hochfrequente Signale, die durch im Inneren der Probe auftretende kernresonante Prozesse hervorgerufen werden, empfangen und mittels einer Auswerteeinheit zur bildlichen Darstellung gebracht. Die im Inneren der Probe auftretenden kernresonanten Prozesse sind überwiegend auf Kernspin-Wechselwirkungen der Wasserstoffatome mit dem stationären magnetischen Polarisationsfeld zurückzuführen, die auf einer gezielten energetischen HF-Anregung durch das HF-Wechselfeldes beruhen, und können in der Auswertung im weitläufigsten Sinne mit der innerhalb des untersuchten Probenvolumens vorhandenen Wasserstoffkonzentration ins Verhältnis gebracht werden.
Zwar erlaubt die vorstehend beschriebene NMR-Vorrichtung in Ausbildung eines transportablen Gerätes eine flächenhafte Untersuchung eines Objektes durch Überstreifen der Objektoberfläche, doch ist das zu analysierbare Objektvolumen durch die nur sehr geringe Eindringtiefe der durch die NMR-Vorrichtung erzeugbaren Magnetfelder auf nur wenige Millimeter beschränkt. Sicherlich ist es möglich, durch entsprechende Größendimensionierung der eingesetzten Permanentmagnete die Eindringtiefe in das zu untersuchende Objekt zu verbessern, doch vermögen derartige Skalierungsmaßnahmen die tatsächliche magnetische Durchdringungstiefe nur unwesentlich zu beeinflussen. Darüber hinaus wird die NMR-Vorrichtung durch größere und damit schwerere Permanentmagnete für den portablen Einsatz unbrauchbar.
Eine andere Magnetanordnung zur Erzeugung eines möglichst homogenen, stationären Magnetfeldes für die Nutzung von NMR-Untersuchungen ist in der US 6,489,872 B1 beschrieben, die im wesentlichen aus zwei hohlzylinderförmig ausgebildete Permanentmagnete besteht, die koaxial jedoch axial voneinander beabstandet angeordnet sind. Zur Durchführung einer NMR-Untersuchung werden zwischen beiden Permanentmagneten, also jeweils außerhalb der von den jeweiligen Hohlzylindermagneten umfassten Raumbereichen, wenigstens eine HF-Spule sowie eine zu untersuchende Probe vorgesehen.
Eine weitere alternative Anordnung zur Erzeugung eines NMR-fähigen Permanentmagnetfeldes ist in der US 2006/0055404 A beschrieben, bei der gemäß eines Ausführungsbeispiels eine Vielzahl einzelner Permanentmagnete auf der Konkavseite einer parabolisch geformten Fläche, die vorzugsweise zugleich auch kontrolliert verformbar ist, angeordnet ist. Mit dieser Magnetanordnung ist es möglich im Wege konstruktiver räumlicher Überlagerung von einer Vielzahl einzelner Permanentmagnetfelder eine lokale Magnetfeldüberhöhung innerhalb eines räumlich begrenzten sehr kleinen Raumbereiches zu schaffen, innerhalb dem sich die für die NMR-Untersuchung erforderlichen Magnetfeldbedingungen einstellen.
Eine gleichfalls auf dem vorstehenden Prinzip der konstruktiven Magnetfeldüberlagerung basierende weitere NMR-Magnetanordnung ist der US 2006/0097725 A1 zu entnehmen, bei der eine Vielzahl zylinderförmig ausgebildeter Permanentmagnete ringförmig und axial zueinander geneigt angeordnet sind, so dass sich die Einzelmagnetfelder zu einem weitgehend homogenen Magnetfeld längs einer gemeinsamen Symmetrieachse konstruktiv überlagern. Mit einer derartigen Anordnung, die eine einseitig zugängliche Probenuntersuchung ermöglicht, können in besonders vorteilhafter Weise flüssige Proben im Wege einer NMR-Untersuchung analysiert werden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Magnetanordnung zur Erzeugung eines NMR-fähigen homogenen Permanentmagnetfeldes derart weiter zu bilden, so dass die Anordnung in der Größe variabel und insbesondere auch transportabel ist. Das mit der Magnetanordnung erzeugte Magnetfeld für NMR-Messungen soll über eine besonders ausgeprägte Homogenität und Magnetfeldstärke verfügen. Die Anordnung soll mit möglichst handelsüblichen Magneten realisierbar sein, so dass sie einfach, kostengünstig und darüber hinaus robust in der Handhabung sein soll. Die Anordnung soll insbesondere miniaturisierbar sein und NMR-Messungen an kleinen Objekten, vorzugsweise an biologischen Proben ermöglichen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 4 angegeben. Den Lösungsgedanken vorteilhafte weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Die lösungsgemäße Magnetanordnung zur Erzeugung eines NMR-fähigen homogenen Magnetfeldes zeichnet sich durch zwei Permanentmagnete aus, die im Folgenden als Hauptmagnete bezeichnet werden. Beide Hauptmagnete verfügen jeweils über wenigstens einen Magnetoberflächenbereich, wobei die Magnetoberflächenbereiche beider Hauptmagnete parallel und mit einem Abstand zueinander derart angeordnet sind, so dass die Hauptmagnete durch ihre Magnetoberflächenbereiche einen Zwischenraum beidseitig begrenzen. Wie die weiteren Ausführungen, insbesondere unter Bezugnahme auf ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel zeigen werden, sind die Hauptmagnete in vorteilhafter weise jeweils als Zylindervollmagnete ausgebildet und derart räumlich gelagert, dass jeweils eine stirnseitige Zylinderoberfläche, die zugleich einen Magnetpol darstellt, koaxial und beabstandet zur stirnseitigen Zylinderoberfläche des jeweils anderen Permanentmagnets angeordnet ist, wobei die Magnetpolungen beider sich koaxial gegenüberliegenden Stirnseiten gegenpolig gewählt sind, so dass sich ein weitgehend zylinderförmiges, homogenes Magnetfeld im Zwischenraum zwischen beiden zylinderförmigen Magnetpolflächen ausbilden kann.
Zusätzlich sind wenigstens zwei weitere, ringförmig ausgebildete Permanentmagnete vorgesehen, die im Folgenden als Ringmagnete bezeichnet werden und die zueinander koaxial angeordnet sind und gemeinsam einen Ringinnenraum radial umgrenzen. Die Ringmagnete sind in Bezug zu beiden Hauptmagneten mit ihren Ringinnenflächen dem von den Hauptmagneten axial beidseitig begrenzten Zwischenraum radial zugewandt angeordnet und umschließen somit den Zwischenraum radialwärts. Die magnetische Polung der Ringmagnete ist in Bezug zur Magnetpolung der Hauptmagnete derart gewählt, so dass sich die Magnetfelder der Haupt- und Ringmagnete in dem von den Magneten begrenzten bzw. umschlossenen Raum konstruktiv überlagern, d. h. die Magnetflusslinien der Magnetfelder seitens der Haupt- und Ringmagnete sind zumindest innerhalb des Ringinnenraumes gleich orientiert.
Durch das lösungsgemäße zusätzliche Vorsehen eines das durch die sich axial gegenüberliegenden Hauptmagnete erzeugten Hauptmagnetfeld peripher von radial von außen umschließenden zweiten Magnetfeldes, wird einerseits die Magnetfeldstärke des Hauptmagnetfeldes erhöht, andererseits die Magnetfeldstärkeverteilung homogenisiert, wodurch innerhalb des von den beiden Magnetoberflächenbereichen der Hauptmagnete axial begrenzten Zwischenraumes ein überaus homogenisiertes Magnetfeld generiert werden kann.
Beide Ringmagnete, die das durch die Hauptmagnete erzeugte Hauptmagnetfeld peripher umschließen, können in vorteilhafter Weise sowohl axial zur Ringmittenachse positioniert bzw. unabhängig voneinander positioniert werden, um auf diese Weise einen optimierte Homogenisierung des von der Permanentmagnetanordnung umschlossenen Magnetfeldes zu erreichen. Hierzu dient ein geeigneter Fixiermechanismus, der zumindest an einem Ringmagnet vorgesehen ist, durch den der wenigstens eine Ringmagnet entgegen der zwischen beiden Ringmagneten wirkenden Magnetkraft axial positionierbar ist.
In gleicher weise können auch beide sich stirnseitig gegenüberstehende Hauptmagnete mit Hilfe eines geeignet ausgebildeten Fixiermechanismuses bzgl. ihrer Relativlage positioniert werden.
Eine weitere lösungsgemäß ausgebildete Magnetanordnung sieht anstelle der vorstehend beschriebenen Ringmagnete eine Vielzahl stabförmig ausgebildeter, jeweils über eine Stablängsachse verfügende Permanentmagnete vor, im Folgenden als Stabmagnete bezeichnet, die grundsätzlich über einen beliebigen Stabquerschnitt verfügen können, doch in besonders vorteilhafter Weise als zylinderförmige Vollmagnete ausgebildet sind. Die Stabmagnete sind hierbei gleich verteilt, längs einer in sich geschlossenen Umfangslinie mit jeweils einer senkrecht zu einer durch die Umfangslinie einbeschreibbaren Fläche orientierten Stablängsachse angeordnet, wobei die einzelnen Stabmagnete über eine jeweils gleichgerichtete Magnetpolung verfügen. Gleichsam zum vorstehend beschriebenen Fall der Verwendung zweier Ringmagneten, grenzt auch die Vielzahl der einzelnen Stabmagnete einen Innenraum radial ein, der den beidseitig durch die Magnetoberflächenbereiche beider Hauptmagnete begrenzten Zwischenraum zumindest bereichsweise umschließt, wobei sich die Magnetfelder der Haupt- und Stabmagnete konstruktiv überlagern.
Wie die weitere Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die entsprechenden Ausführungsbeispiele zeigen wird, ist die Vielzahl der einzelnen Stabmagnete längs einer Kreislinie angeordnet, deren Kreisdurchmesser gleich oder größer ist als der Durchmesser der vorteilhaft kreisförmig ausgebildeten Magnetoberflächenbereiche beider sich axial gegenüberliegender Hauptmagnete.
Zu Zwecken einer NMR-Untersuchung an einer Probe, bspw. von Saatgut, gilt es die Probe möglichst mittig innerhalb des von beiden Permanentmagnetsystemen umschlossenen Volumens, des so genannten Probenvolumens, einzubringen. Zusätzlich im Probenvolumen gilt es eine HF-Spulenanordnung vorzusehen, um die NMR-Signale der Probe zu erzeugen und zu erfassen. Für das Be- und Entladen der Permanentmagnetanordnung mit der entsprechenden zu untersuchenden NMR- Probe sowie auch der HF-Spulenanordnung in bzw. aus dem Probenvolumen kann wenigstens ein Hauptmagnet axial verschoben werden, um auf diese Weise einen einseitigen Zugang zu dem ansonsten von der Magnetanordnung weitgehend umschlossenen Probenvolumen zu schaffen. Auch ist es möglich die HF- Spulenanordnung durch entsprechende Durchführungen durch wenigstens einen Hauptmagneten zu führen bzw. mit diesem zu verbinden.
Durch geeignete Materialwahl für die vorstehend bezeichneten Permanentmagnete bzgl. Haupt- und Ring- bzw. Stabmagnete ist es möglich, Feldstärken von wenigstens einem Tesla innerhalb des Probenvolumens zu generieren. Bspw. bieten sich für die Realisierung der Permanentmagnete NdFeB-Legierungen an, mit denen eine magnetische Remanenz von ca. 1 Tesla realisierbar ist.
Der besondere Vorteil der an sich konstruktiv einfach ausgebildeten Magnetanordnung betrifft die Möglichkeit der Miniaturisierung, so dass NMR- Untersuchungen an nahezu beliebigen Orten und mit einfachen und somit kostengünstigen Mitteln durchführbar sind. Insbesondere im On-line-Betrieb für Anwendungen im Life- und Material-Wissenschaftsbereich bietet die lösungsgemäße transportabel ausgebildete Permanentmagnetanordnung eine günstige Realisierungsmöglichkeit zur Durchführungen von NMR-Untersuchungen, die bislang aufgrund der mit hohen Kosten verbundenen bisherigen Lösungen scheiterten. Das mobile Permanentmagnetsystem, das für NMR-Untersuchungen konzipiert ist, lässt sich insbesondere in der pharmazeutischen und chemischen Industrie, bspw. bei der Qualitätskontrolle anwenden. Gleichsam können hiermit auch Untersuchungen im Bereich der Biotechnologie, Materialprüfung, Medizin, Holz- und Baubereich, Lebensmitteltechnologie sowie bei Verbundwerkstoffen, um nur einige Anwendungsfälle zu nennen, durchgeführt werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisierte Längsschnittdarstellung durch ein
Permanentmagnetsystem sowie Fig. 2 perspektivische Darstellung eines Permanentmagnetsystem mit einer
Vielzahl einzelner Stabmagnete, angeordnet längs einer Kreislinie. Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel zur Realisierung der lösungsgemäßen Permanentmagnetanordnung dargestellt, mit dmr es möglich ist, ein sehr starkes und homogenes Magnetfeld ohne elektrische Komponenten, d. h. ausschließlich auf Basis von Permanentmagneten, zu erzeugen, das für NMR-Untersuchungen genutzt werden kann. So weist die Permanentmagnetanordnung zwei sog. Hauptmagnete 1 , 2 auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils als Vollzylindermagnete ausgebildet sind. Beide Hauptmagnete 1 , 2 sind koaxial längs einer gemeinsamen Zylinderachse 3 derart angeordnet, dass ihre einander zugewandten kreisförmigen Stirnseiten 11 , 22 beabstandet voneinander und in axial vollständig gegenseitiger Überlappung positioniert sind, so dass sie beidseitig einen ansonsten zylinderförmigen Zwischenraum begrenzen.
Es sei angenommen, dass die als Vollzylinder ausgebildeten Hauptmagnete 1 , 2 längs ihrer gemeinsamen Zylinderachse 3 längs verschiebbar gelagert sind, so dass ihr gegenseitiger axialer Abstand kontrolliert einstellbar ist.
Zur Ausbildung eines zwischen beiden Hauptmagneten 1 , 2 wirkenden möglichst homogenen und starken Magnetfeldes sind die Magnetpolungen beider sich gegenüberliegender Stirnseiten der Hauptmagnete 1 , 2 gegenpolig gewählt.
Zur Verstärkung des sich zwischen beiden Hauptmagneten 1 , 2 ausbildenden Hauptmagnetfeldes sowie auch zu dessen Homogenisierung sind zwei weitere Magnete vorgesehen, sog. Ringmagnet 4, 5, die derart geformt und dimensioniert sind, dass sie einen Ringinnenraum radial umschließen, der den zwischen beiden Hauptmagneten 1 , 2 beidseitig begrenzten Zwischenraum umfasst, d. h. die Ringinnenflächen der Ringmagnete 4, 5 umschließen den von beiden Hauptmagneten beidseitig begrenzten Zwischenraum relativ zur Zylinderachse 3 in radialer Richtung.
Nicht notwendigerweise muss der Ringinnenquerschnitt mit den stirnseitigen Zylinderflächen der Hauptmagnete 1 , 2 koinzidieren, wesentlich vielmehr ist, dass die Ringmagnete 4, 5 den von beiden Hauptmagneten 1 , 2 beidseitig begrenzten Zwischenraum spaltlos oder spaltbehaftet umschließen, um auf diese Weise eine deutliche Stärkung des zwischen beiden Hauptmagneten 1 , 2 sich ausbildenden Hauptmagnetfeld zu bewirken und überdies zu einer deutlichen Homogenisierung des Hauptmagnetfeldes beizutragen.
Die Ringmagnete 4, 5 sind zu Justagezwecken zumindest relativ zueinander sowie auch relativ zu den Hauptmagneten 1 , 2 axial verschiebbar positionierbar. Da die Ringmagnete 4, 5 eine Magnetisierung aufweisen, durch die sie axial zusammengehalten werden, gilt es zu Zwecken der Justage einen nicht weiter dargestellten Fixiermechanismus vorzusehen, der eine räumliche Positionierung der Ringmagnete 4, 5 einzeln zu bewerkstelligen vermag. So lassen sich insbesondere durch eine Feinjustage der Ringmagnete 4, 5 sowohl die Stärke als auch die Homogenität des zwischen beiden Hauptmagneten 1 , 2 sich ausbildenden Hauptmagnetfeldes optimieren.
Das von sämtlichen Magneten, d. h. von beiden Hauptmagneten sowie den in Figur 1 dargestellten Ringmagneten 4, 5 eingeschlossene Volumen entspricht dem Probenvolumen zur Durchführung von NMR-Untersuchungen, die in an sich bekannter Weise durchgeführt werden können.
Die lösungsgemäße Permanentmagnetanordnung lässt sich in vorteilhafter Weise miniaturisieren. So sind Probenvolumina bis hinab in den μm-Bereich realisierbar, in dem kleinste Objekte mittels NMR-Technik untersucht werden können. Auch ist es möglich, das Probenvolumen durch geeignete Dimensionierung der Magnete in den cm-Bereich, d. h. mit Probenvolumina von bis zu 200 cm3 auszubilden.
Alternativ zur Verwendung der in Figur 1 dargestellten Ringmagnete 4, 5 ist in Figur 2 eine weitere Ausführungsform zur Realisierung der lösungsgemäßen Permanentmagnetanordnung dargestellt. So sei in diesem Fall angenommen, dass anstelle der Ringmagnete eine Vielzahl einzelner zylinderförmig ausgebildeter Stabmagnete 6 längs einer Kreislinie 7 gleich verteilt angeordnet ist, wobei die magnetische Polung der einzelnen Stabmagnete 6 gleich orientiert ist zu den Hauptmagneten 1 , 2 wie in Figur 2 dargestellt. Nicht notwendigerweise ist es nötig die Stabmagnete 6 zylinderförmig auszubilden. So sind auch von der Kreisform abweichende Magnetquerschnitte denkbar.
Bezugszeichenliste ,2 Hauptmagnete 1,22 Stirnseitige Flächen der Hauptmagnete
Zylinderachse ,5 Ringmagnete
Stabmagnete
Kreislinie

Claims

Patentansprüche
1. Magnetanordnung zur Erzeugung eines NMR-fähigen homogenen Permanentmagnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Permanentmagnete, im Folgenden als
Hauptmagnete bezeichnet, vorgesehen sind, die jeweils einen
Magnetpoloberflächenbereich aufweisen, dass die Magnetpoloberflächenbereiche parallel und mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, so dass die Hauptmagnete durch ihre Magnetoberflächenbereiche einen Zwischenraum beidseitig begrenzen, dass die Magnetpoloberflächen der Hauptmagnete jeweils eine zueinander entgegengesetzte Magnetpolung aufweisen, dass wenigstens zwei ringförmige Permanentmagnete vorgesehen sind, im
Folgenden als Ringmagnete bezeichnet, die zueinander koaxial angeordnet sind und gemeinsam einen Ringinnenraum radial umgrenzen, dass die Ringmagnete derart relativ zu den zwei Hauptmagneten angeordnet sind, dass der Ringinnenraum den Zwischenraum zumindest bereichsweise einschließt und dass sich die Magnetfelder der Haupt- und Ringmagnete konstruktiv überlagern.
2. Magnetanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ringmagnete koaxial mit jeweils sich gegenseitig anziehender Magnetpolung angeordnet sind.
3. Magnetanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringmagnete mit einem Fixiermechanismus verbunden sind, durch den die Ringmagnete axial entgegen der zwischen beiden Ringmagneten wirkenden Magnetkraft positionierbar sind.
4. Magnetanordnung zur Erzeugung eines NMR-fähigen homogenen Permanentmagnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Permanentmagnete, im Folgenden als
Hauptmagnete bezeichnet, vorgesehen sind, die jeweils einen
Magnetpoloberflächenbereich aufweisen, dass die Magnetpoloberflächenbereiche parallel und mit einem Abstand zueinander angeordnet sind, so dass die Hauptmagnete durch ihre Magnetoberflächenbereiche einen Zwischenraum beidseitig begrenzen, dass die Magnetpoloberflächen der Hauptmagnete jeweils eine zueinander entgegengesetzte Magnetpolung aufweisen, dass eine Vielzahl stabförmig ausgebildete, jeweils über eine Stablängsachse verfügende Permanentmagnete, im Folgenden als Stabmagnete bezeichnet, vorgesehen ist, dass die Stabmagnete gleich verteilt längs einer in sich geschlossenen Umfangslinie mit jeweils senkrecht zu einer durch die Umfangslinie einbeschreibbaren Fläche orientierten Stablängsachsen und mit jeweils gleichgerichteter Magnetpolung angeordnet sind und gemeinsam einen Innenraum radial umgrenzen, dass die Stabmagnete derart relativ zu den zwei Hauptmagneten angeordnet sind, dass der Innenraum den Zwischenraum zumindest bereichsweise einschließt, und dass sich die Magnetfelder der Haupt- und Stabmagnete konstruktiv überlagern.
5. Magnetanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabmagnete zylinderförmig ausgebildet sind,
6. Magnetanordnung nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die in sich geschlossene Umfangslinie, längs der die Stabmagnete gleich verteilt angeordnet sind, eine Kreislinie ist.
7. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetoberflächenbereiche beider Hauptmagnete jeweils eben ausgebildet sind.
8. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetoberflächenbereiche beider Hauptmagnete in senkrechter Projektion zu ihren Magnetpoloberflächenbereichen vollständig überlappend angeordnet sind.
9. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmagnete als Zylindermagnete ausgebildet sind und der Magnetpoloberflächenbereich eines Hauptmagneten jeweils einer kreisflächenförmigen Stirnseite des Zylindermagneten entspricht.
10. Magnetanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen beiden Zylindermagneten zylinderförmig ist und eine axiale Erstreckung aufweist, die dem Abstand beider Zylindermagnete entspricht, längs der sich die Ringmagnete oder die Stabmagnete erstrecken, d.h. der Zwischenraum wird axial vollständig von den Ringoder Stabmagneten umschlossen.
11. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmagnete derart dimensioniert sind, dass der Zwischenraum einem Volumen von 0,0005 cm3 bis 200 cm3 entspricht.
12. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Hauptmagnet axialverschieblich, d.h. im Wesentlichen senkrecht zum Magnetoberflächenbereich gelagert ist.
13. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt- und Ring- oder Stabmagnete aus NdFeB- Legierung bestehen.
14. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Hauptmagnet wenigstens einen den Magnetoberflächenbereich passierenden Durchführungskanal aufweist.
15. Magnetanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der von den Ringmagneten eingeschlossene Ringinnenraum eine Querschnittsfläche aufweist, die größer ist als der Magnetoberflächenbereich.
16. Magnetanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Umfangslinie einbeschriebene Fläche größer ist als der Magnetoberflächenbereich.
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