DE102018117894A1

DE102018117894A1 - Mehrschalige Abschirmkabine und Verfahren zum Herstellen einer mehrschaligen Abschirmkabine

Info

Publication number: DE102018117894A1
Application number: DE102018117894.8A
Authority: DE
Inventors: Gerd Rauscher; Manuel Demper; Maximilian STAAB; Niklas VOLBERS
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2020-01-30
Also published as: US20200037475A1; US12075602B2

Abstract

Mehrschalige Abschirmkabine wird bereitgestellt, die eine äußere Schale mit einer ersten weichmagnetischen Legierung mit einer Anfangspermeabilität µund einer Maximalpermeabilität µaufweist, und eine innere Schale mit einer zweiten weichmagnetischen Legierung mit einer Anfangspermeabilität µund einer Maximalpermeabilität µaufweist. Die äußere Schale umhüllt die innere Schale und µ> µund µ> µ.

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrschalige Abschirmkabine und ein Verfahren zum Herstellen einer mehrschaligen Abschirmkabine.
Magnetische Abschirmkabinen (MSR) dienen dazu, magnetische Störfelder von außen abzuschirmen, indem das zu schirmende Volumen von einem hochpermeablen Material umgeben wird. Der magnetische Fluss wird dann vorzugsweise durch diesen weichmagnetischen Werkstoff geleitet.
Magnetische Abschirmkabinen werden beispielsweise im medizinischen und Forschungsbereich verwendet, um magnetisch empfindliche Geräte wie Magnet-Enzephalographie-Systeme (MEG) gegenüber externen magnetischen Feldern abzuschirmen. Die Leistungsfähigkeit einer Abschirmkabine wird mithilfe des Schirmfaktors S sowie des sogenannten Restfelds angegeben.
Das Verhältnis von äußerem Feld H_a zum inneren Feld H_i innerhalb des abgeschirmten Volumens wird auch als Schirmfaktor S bezeichnet, d.h. $S = H_{a} / H_{i},$
wobei bei guter Schirmwirkung H_i « H_a gilt.
Der Schirmfaktor S ist abhängig von geometrischen Faktoren, wie z.B. der Dicke der Schirmwand oder der Größe des zu schirmenden Volumens. Als Materialgröße ist die Permeabilität µ_r ausschlaggebend. Für eine einfache Kugelschale mit Durchmesser D und Dicke d gilt z.B. $S = \frac{4}{3} \frac{μ_{r} d}{D} + 1.$
S ist bei gegebener Geometrie näherungsweise proportional zur Permeabilität: $S \approx c o n s t \cdot μ_{r} .$
Als Material für Abschirmkabinen werden daher typischerweise hochpermeable Werkstoffe aus der Klasse der 80%-igen NiFe-Legierungen verwendet, beispielsweise MUMETALL® mit der nominellen Zusammensetzung 77 % Ni 4,5% Cu 3,3% Mo, Rest Fe (Angaben in Gew.%).
Da die Schirmwirkung einer einzelnen Lage begrenzt ist, werden Abschirmkabinen typischerweise aus mehreren Schalen mit MUMETALL®, beispielsweise bis zu sieben Schalen, hergestellt. Bei ausreichend hohem Abstand der Einzelschalen ergibt sich hinsichtlich des Schirmfaktors eine näherungsweise multiplikative Wirkung. Im analytisch lösbaren Kugelschalenmodell berechnet sich bei zwei Schalen 1 (außen) und 2 (innen) mit Schirmfaktoren S₁ und S₂ sowie zwei Durchmessern D₁ und D₂ mit D₂<D₁ eine Gesamtschirmwirkung Sges wie folgt: $S_{ges} = S_{1} \cdot S_{2} \cdot [1 - {(\frac{D_{2}}{D_{1}})}^{3}] + S_{1} + S_{2} + 1 \approx S_{1} \cdot S_{2}$
Weiterhin können noch zusätzlich eine oder mehrere Schalen aus einem elektrisch sehr leitfähigen Material vorhanden sein, um eine zusätzliche Abschirmwirkung bei höheren Frequenzen (effektiv bereits bei f ≥ 1 Hz) zu erzielen. Ein Beispiel dafür ist die Verwendung einer zusätzlichen Schale aus Aluminium.
Aufgabe ist es, bei einer mehrschaligen Abschirmkabine eine bessere Schirmwirkung zu erzielen.
Erfindungsgemäß wird eine mehrschalige Abschirmkabine bereitgestellt, die eine äußere Schale mit einer ersten weichmagnetischen Legierung, die eine Anfangspermeabilität µ_i1 und eine Maximalpermeabilität µ_max1 aufweist, und eine innere Schale mit einer zweiten weichmagnetischen Legierung aufweist, die eine Anfangspermeabilität µ_i2 und eine Maximalpermeabilität µ_max2 aufweist. Die äußere Schale umhüllt die innere Schale.
Die erste und zweite Legierung weisen somit unterschiedliche Maximalpermeabilitäten und unterschiedliche Anfangspermeabilitäten auf und können auch unterschiedlichen Zusammensetzungen aufweisen.
In der erfindungsgemäßen Abschirmkabine wird die Permeabilität der einzelnen Schalen in Bezug auf die Position der Schale in der Abschirmkabine angepasst, sodass die äußere Schale eine höhere maximale Permeabilität als die innere Schale , d.h. µ_max2 < µ_max1 und die innere Schale eine höhere Anfangspermeabilität als die äußere Schale, d.h. µ_i1 < µ_i2, hat. Mit der erfindungsgemäßen mehrschaligen Abschirmkabine wird neben der Schirmung von magnetischen Wechselfeldern das Restfeld in der Kabine reduziert.
Die Anfangspermeabilität bezeichnet hierin µ_r bei einer Aussteuerung von H=0,1 A/m.
Die erfindungsgemäße mehrschalige Abschirmkabine kann mehr als zwei Schalen aufweisen, beispielsweise bis zu sechs oder mehr Schalen und kann n Schalen aufweisen, wobei n eine natürliche Zahl bezeichnet, wobei n ≥ 1. Die n Schalen der Abschirmkabine, sind in Abständen und im Wesentlich konzentrisch um einen Mittelpunkt der Abschirmkabine angeordnet. Jede Schale ist von der/den benachbarten Schale/n getrennt angeordnet.
In Bezug auf den Mittelpunkt der Kabine kann die innere Schale mit der zweiten weichmagnetischen Legierung die innerste Schale sein und den von externen Magnetfeldern abgeschirmten Innenraum der Abschirmkabine direkt begrenzen. Die äußere Schale mit der ersten Legierung kann direkt um die innere Schale herum angeordnet werden oder eine oder mehrere weitere Schalen können zwischen der inneren Schale und der äußeren Schale angeordnet werden. Die weiteren Schalen können dieselbe Legierung wie die äußere Schale aufweisen, nämlich die erste Legierung. Es ist auch möglich, dass in Bezug auf den Mittelpunkt der Kabine die innere Schale innerhalb der äußeren Schale angeordnet ist, jedoch nicht die innerste Schale ist.
Die mehrschalige Abschirmkabine kann auch mehr als eine Schale mit der zweiten weichmagnetischen Legierung aufweisen.
In manchen Ausführungsbeispielen weist die mehrschalige Abschirmkabine ferner eine oder mehrere Schalen aus einem nicht magnetischen Material, das elektrisch leitend ist, auf, um eine zusätzliche Abschirmwirkung bei höheren Frequenzen f, beispielsweise bei f ≥ 1 Hz zu erzielen. Beispielsweise kann die mehrschalige Abschirmkabine eine oder mehrere Schalen aus Aluminium aufweisen.
Das Restfeld errechnet sich aus dem vor Ort gemessenen (statischen) Erdfeld und dem statischen Schirmfaktor S_DC: $H_{Rest} = H_{Erdfeld} / S_{DC}$
Bei typischerweise H_Erdfeld=32 A/m werden im Zentrum einer normalen zweischaligen Kabine aus MUMETALL® etwa H_Rest=0,064 A/m gemessen. Dies entspricht S_DC=500. Untersuchungen an vielschaligen Kabinen haben gezeigt, dass sich durch den Einsatz zusätzlicher Schalen das Restfeld nicht beliebig reduzieren lässt. Ein limitierender Faktor ist das remanente magnetische Streufeld der Abschirmbleche selbst. Dieses lässt sich prinzipiell durch eine Entmagnetisierung der Wände der Abschirmkabine reduzieren. Aufgrund des komplexen Aufbaus und der Kabinengeometrie wird bisher eine optimale Entmagnetisierung nicht erreicht. Erfindungsgemäß wird somit für die innerste Schale einer Abschirmkabine ein Material mit geringer Remanenz verwendet, sodass sich unabhängig von einer durchgeführten Entmagnetisierung der Kabine der negative Einfluss der Abschirmkabine selbst reduziert.
Durch die Wahl unterschiedlicher weichmagnetischer Materialien für die verschiedenen Schalen wird erfindungsgemäß eine bessere Schirmwirkung gewähreistet. Dadurch können zum einen technisch anspruchsvollere Spezifikationen bezüglich des Schirmfaktors und des Restfelds erfüllt werden. Des Weiteren ist es möglich, anstelle einer besseren Schirmung bei gleichem Materialeinsatz auch die gleiche Schirmwirkung bei verringertem Materialeinsatz zu erreichen.
Die Auswahl der Legierungen der jeweiligen Schalen basiert darauf, dass die verschiedenen Schalen einer Abschirmkabine unterschiedlichen Feldstärken ausgesetzt sind. Da die Permeabilität feldstärkeabhängig ist, kann je nach Schale durch geeignete Wahl des Materials die optimale Permeabilität erzielt werden. Durch die Erhöhung mindestens eines einzelnen Schirmfaktors steigt somit der Schirmfaktor der Gesamtkabine ebenfalls stark an.
Von allen Schalen einer Abschirmkabine ist die Außenschale der höchsten magnetischen Feldstärke H₁ ausgesetzt, d.h. der äußeren Feldstärke, die durch magnetische Störfelder gegeben ist. Hingegen liegt die folgende zweite Schale bereits selbst in dem von der Außenschale abgeschirmten Bereich. Damit reduziert sich die effektive Feldstärke auf einen Wert H₂ « H₁. Dieses Prinzip setzt sich bei den folgenden Schalen fort, sodass gilt: $H_{1} ≫ H_{2} \dots ≫ H_{n}$
Die Schirmfaktoren der Außenschale (S₁) sowie der Innenschalen (S₂ bis S_n) sind bei gegebener Geometrie proportional zur Permeabilität, die wiederum abhängig von der Feldstärke ist: $\begin{matrix} S_{1} = c_{1} \cdot μ (H_{1}), & S_{2} = c_{2} \cdot μ (H_{2}), & \dots, & S_{n} = c_{n} \cdot μ (H_{n}) \end{matrix}$
Zur Optimierung des Gesamtschirmfaktors $S_{g e s} \approx S_{1} \cdot S_{2} \cdot \dots \cdot S_{n}$
wird nun für weiter innen liegende Schalen ein Material verwendet, das bei niedriger Feldstärke eine höhere Permeabilität zeigt. Somit weist die erfindungsgemäße mehrschalige Abschirmkabine eine äußere Schale mit einer ersten weichmagnetischen Legierung auf, die eine Anfangspermeabilität µ_i1 und eine Maximalpermeabilität µ_max1 aufweist, und eine innere Schale mit einer zweiten weichmagnetischen Legierung auf, die eine Anfangspermeabilität µ_i2 und eine Maximalpermeabilität µ_max2 aufweist. Dabei werden die Verhältnisse µ_max2 < µ_max1 und µ_i1 < µ_i2 eingehalten.
In einem Ausführungsbeispiel weist die erste weichmagnetische Legierung für die äußere Schale ein Verhältnis von B_r/B_s von größer als 0,5, und die zweite weichmagnetische Legierung für die innere Schale ein Verhältnis von B_r/B_s von kleiner als 0,5 auf.
In einem Ausführungsbeispiel weisen die erste weichmagnetische Legierung und die zweite weichmagnetische Legierung NiFe-basierte Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzungen, beispielsweise 80%-NiFe-Legierungen auf. Beispielsweise liegt die Zusammensetzung sowohl der ersten weichmagnetischen Legierung als auch der zweiten weichmagnetischen Legierung innerhalb des Bereichs 70 bis 82 Gew.-% Nickel, bis zu 11 Gew.-% Kupfer, bis zu 6,5 Gew.-% Molybdän, Rest Eisen und weitere Zusätze, wobei der Eisenmindestgehalt 9 Gew.-% beträgt. Die Zusätze, wie beispielsweise Mangan, Silizium und Kohlenstoff, sind bis zu einem Gesamtanteil von 1 % enthalten. Die ersten und zweiten Legierungen weisen unterschiedliche Zusammensetzungen auf, sodass die Verhältnisse µ_max2 < µ_max1 und µ_i1 > µ_i2 dabei eingehalten werden.
Die erste weichmagnetische Legierung für die äußere Schale kann zum Beispiel 76 bis 78 Gew.-% Nickel, 4,0 bis 5,0 Gew.-% Kupfer, 2,8 bis 4,5 Gew.-% Molybdän und mindestens 13 Gew.-% Eisen, oder 79 bis 81 Gew.-% Nickel, 4,6 bis 5,6 Gew.-% Molybdän, und mindestens 13 Gew.-% Eisen enthalten.
Ein Beispiel einer kommerziell erhältlichen Legierung, die für die äußere Schale geeignet ist, ist MUMETALL®.
Die zweite weichmagnetische Legierung für die innere Schale kann zum Beispiel 80 bis 82 Gew.-% Nickel, 5,5 bis 6,5 Gew.-% Molybdän und mindestens 10 Gew.-% Eisen, oder 77 bis 79 Gew.-% Nickel, 4 bis 5 Gew.-% Kupfer, 4 bis 5 Gew.-% Molybdän und mindestens 10 Gew.-% Eisen enthalten. Ein Beispiel einer kommerziell erhältlichen Legierung, die für die innere Schale geeignet ist, ist ULTRAVAC® 816. Eine weitere geeignete Legierung ist ULTRAPERM® 91R.
Weitere strukturelle Merkmale der inneren Schalen und äußeren Schale können bestimmt werden, um die magnetische Abschirmung weiter zu verbessern. In einem Ausführungsbeispiel weisen die innere Schale und die äußere Schale jeweils eine Basisplatte und zumindest eine Blechlage aus der ersten Legierung bzw. zweiten Legierung auf. Die Basisplatte kann aus einem vibrationsdämpfenden Material wie mitteldichter Holzfaser (MDF) bestehen.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Blechlage aus mehreren auf der Basisplatte nebeneinander angeordneten Blechen gebildet. Die Blechlagen können zumindest zwei übereinander angeordnete Blechlagen aufweisen, wobei diese Lagen jeweils aus mehreren nebeneinander angeordneten Blechen bestehen, und die Bleche benachbarter Lagen kreuzweise zueinander verlaufen. Die Bleche benachbarter Lagen können miteinander mittels eines Klebers befestigt werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Kleber ausgewählt, um eine Vibrationsdämpfungswirkung auszuüben, um die magnetische Abschirmung weiter zu verbessern. Der Kleber kann flexibel, elastisch oder viskoelastisch sein. In einem Ausführungsbeispiel weist der Kleber ein Silan-modifiziertes Polymer oder Polyurethan auf.
In einem Ausführungsbeispiel sind die innere Schale und die äußere Schale jeweils aus mehreren Paneelen gebildet, wobei zumindest eines der Paneele eine Linearabmessung größer 0,8 m aufweist.
Ein Verfahren zum Herstellen einer mehrschaligen Abschirmkabine wird auch bereitgestellt. Mehrere erste Paneele werden zusammengebaut, um eine äußere Schale herzustellen, wobei die ersten Paneele eine erste weichmagnetische Legierung aufweisen, die eine Anfangspermeabilität µ_i1 und eine Maximalpermeabilität µ_max1 aufweist. Mehrere zweite Paneele werden zusammengebaut, um eine innere Schale herzustellen, wobei die zweiten Paneele eine zweite weichmagnetische Legierung aufweisen, die eine Anfangspermeabilität µ_i2 und eine Maximalpermeabilität µ_max2 aufweist, wobei µ_max2 < µ_max1 und µ_i1 < µ_i2. In der zusammengebauten Abschirmkabine umhüllt die äußere Schale die innere Schale.
Die äußere bzw. äußerste Schale kann zunächst zusammengebaut und danach die zweiten Paneele zu einer inneren Schale innerhalb der äußeren Schale zusammengebaut werden, sodass in der fertigen Abschirmkabine die äußere Schale die innere Schale umhüllt. Das heißt, die mehreren Schalen der Abschirmkabine können von außen nach innen gebaut werden. Es ist jedoch möglich, das Verfahren umgekehrt durchzuführen, sodass zunächst die zweiten Paneele zu einer inneren Schale zusammengebaut und danach die ersten Paneele zu einer äußeren Schale außerhalb der inneren Schale zusammengebaut werden, um die innere Schale mit der äußeren Schale zu umhüllen.
Zum Herstellen eines ersten Paneels kann eine erste Abschirmlage bestehend aus mindestens einem Blech aus der ersten weichmagnetischen Legierung auf einer nichtmagnetischen Basisplatte mittels eines Klebers befestigt werden. Ähnlich kann zum Herstellen eines zweiten Paneels eine zweite Abschirmlage bestehend aus mindestens einem Blech aus der zweiten weichmagnetischen Legierung auf einer nichtmagnetischen Basisplatte mittels eines Klebers befestigt werden.
Der Kleber kann ein flexibler Kleber, beispielsweise ein elastischer Kleber oder ein viskoelastischer Kleber wie ein Silan-modifizierter-Polymer- (SMP)-Kleber oder ein Polyurethan-Kleber sein.
In einem Ausführungsbeispiel werden zum Herstellen eines ersten Paneels für die äußere Schale mehrere Bleche aus der ersten Legierung nebeneinander auf die Basisplatte mittels des Klebers befestigt, um eine erste Blechlage der ersten Abschirmlage zu bilden. Mehrere Bleche aus der ersten Legierung können nebeneinander auf die erste Blechlage mittels des Klebers befestigt werden, um eine zweite Blechlage der ersten Abschirmlage zu bilden, wobei die Bleche der zweiten Blechlage kreuzweise zu den Blechen der ersten Blechlage verlegt werden.
Dieses Verfahren kann auch verwendet werden, um ein zweites Paneel für die innere Schale herzustellen. Mehrere Bleche aus der zweiten Legierung werden nebeneinander auf die Basisplatte mittels des Klebers befestigt, um eine ersten Blechlage der zweiten Abschirmlage zu bilden. Mehrere Bleche aus der zweiten Legierung können nebeneinander auf die erste Blechlage mittels des Klebers befestigt werden, um eine zweite Blechlage der zweiten Abschirmlage zu bilden, wobei die Bleche der zweiten Blechlage kreuzweise zu den Blechen der ersten Blechlage verlegt werden.
Die Basisplatte kann ein vibrationsdämpfendes Material wie mitteldichte Holzfaser (MDF) aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel weist zumindest eines der ersten Paneele oder der zweiten Paneele eine Linearabmessung größer 0,8 m auf. Die mehrschalige Kabine kann einen Boden aufweisen, auf dem die mehreren Schalen aufgebaut sind.
Erfindungsgemäß werden die Eigenschaften und Zusammensetzungen der ersten und zweiten Legierungen der äußeren Schale bzw. inneren Schale ausgewählt, so dass µ_max2 < µ_max1 und µ_i1 < µ_i2. In einem Ausführungsbeispiel sind µ_max1 > 250.000, 100.000 ≤ µ_max2 ≤ 350.000, 20.000 ≤ µ_i1 ≤ 80.000 und µ_i2 > 80.000. Die Legierung für die innere Schale kann ein Verhältnis von B_r/B_s von kleiner als 0,5 und die Legierung für die äußere Schale ein Verhältnis von B_r/B_s von größer als 0,5 aufweisen.
Die erste weichmagnetische Legierung für die äußere Schale und die zweite weichmagnetische Legierung für die innere Schale können NiFe-basierte Legierungen, beispielsweise 80%-NiFe-Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzungen aufweisen.
In einem Ausführungsbeispiel enthält die erste weichmagnetische Legierung für die äußere Schale 76 bis 78 Gew.-% Nickel, 4,0 bis 5,0 Gew.-% Kupfer, 2,8 bis 4,5 Gew.-% Molybdän und mindestens 13 Gew.-% Eisen, oder 79 bis 81 Gew.-% Nickel, 4,6 bis 5,6 Gew.-% Molybdän, und mindestens 13 Gew.-% Eisen. In einem Ausführungsbeispiel enthält die zweite weichmagnetische Legierung für die innere Schale 80 bis 82 Gew.-% Nickel, 5,5 bis 6,5 Gew.-% Molybdän und mindestens 10 Gew.-% Eisen, oder 77 bis 79 Gew.-% Nickel, 4 bis 5 Gew.-% Kupfer, 4 bis 5 Gew.-% Molybdän und mindestens 10 Gew.-% Eisen.
Zusammengefasst wird eine mehrschalige Abschirmkabine bereitgestellt, bei der die Eigenschaften der Schale abhängig von der Position in der mehrschaligen Konstruktion ausgewählt sind, um die Abschirmung im Innenraum zu verbessern und insbesondere das magnetische Restfeld im Innenraum zu verringern.
Ausführungsbeispiele werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Abschirmkabine mit zwei Schalen.
2 zeigt Hysteresekurven ausgewählter 80%-NiFe-Legierungen.
3 zeigt µ(H)-Kurven ausgewählter 80%-NiFe-Legierungen.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer mehrschaligen Abschirmkabine 1 mit zwei Schalen 2, 3, um die Erfindung darzustellen. Die Abschirmkabine 1 ist jedoch nicht auf zwei Schalen 2, 3 begrenzt und kann mehr als zwei Schalen aufweisen, beispielsweise sechs oder sieben Schalen.
Jede Schale 2, 3 der Abschirmkabine 1 wird aus einem Boden 4, Wänden 5 und einer Decke 6 aufgebaut, um einen Raum vollständig zu umschließen. Die äußere Schale 2 umhüllt die innere Schale 3 vollständig und hat somit größere lineare Abmessungen als die innere Schale 3. Die Schalen 2, 3 sind typischerweise voneinander getrennt. Ferner weist die Abschirmkabine 1 eine Tür 7 auf, um Zugang zu dem abgeschirmten Innenraum 8 der Abschirmkabine zu ermöglichen.
Die Schalen 2, 3 weisen jeweils eine Basisplatte 9 auf, auf der eine oder mehrere Blechlagen 10 aus einem hochpermeablen weichmagnetischen Material aufgebracht sind, um eine Abschirmkabine 1 zu bilden. Die Blechlagen 10 können jeweils mehrere nebeneinanderliegende Bleche 11 aufweisen. Die Bleche 11, 11' benachbarter Lagen 10, 10' können kreuzweise zueinander liegen. Die Basisplatte 9 kann ein vibrationsdämpfendes Material wie mitteldichte Holzfaser (MDF) aufweisen. Die Bleche 11, 11' können mittels eines Klebers auf der Basisplatte 9 bzw. darunter liegenden Blechlage 10 befestigt werden. In einem Ausführungsbeispiel ist der Kleber ein viskoelastischer Kleber, wie ein Silan-modifiziertes Polymer oder Polyurethan. Typischerweise weisen die Schalen 2, 3 jeweils mehrere Paneele auf, die jeweils eine Basisplatte 9 mit Blechlagen 10 aufweisen, die mit Verbindungsstücken zusammengebaut sind, um die Schale 2, 3 zu bilden.
Erfindungsgemäß wird das hochpermeable Material der Blechlagen 10,10' bzw. der Bleche 11, 11' der Schalen 2, 3 abhängig von der Position der Schale in der Abschirmkabine 1 in Bezug auf den Mittelpunkt 12 der Abschirmkabine 1 und somit abhängig von dem Magnetfeld, dem die Schale ausgesetzt ist, ausgewählt. Somit weist zumindest eine der Schalen, beispielsweise die innere Schale 3, eine andere Zusammensetzung auf als die weiteren Schalen, beispielsweise die äußere Schale 2.
In einem Ausführungsbeispiel weist die äußere Schale 2 eine Blechlage 10' aus einer ersten weichmagnetischen Legierung mit einer Anfangspermeabilität µ_i1 auf, die niedriger ist als die mit einer Anfangspermeabilität µ_i2 einer zweiten weichmagnetischen Legierung der Blechlage 10 der inneren Schale 3.
Dabei kann die maximale Permeabilität µ_max1 der ersten Legierung höher als die maximale Permeabilität µ_max2 der zweiten Legierung sein. Diese Kombination von Eigenschaften ermöglicht, eine mehrschalige Abschirmkabine 1 bereitzustellen, die eine verbesserten Abschirmfaktor und/oder ein geringeres Restfeld im Innenraum 8 aufweist.
Die Faktoren, die bei der Auswahl der Legierungen für die Blechlagen 10, 10' bzw. Belche 11, 11' zu berücksichtigen sind, werden nun anhand der 2 und 3 näher erläutert.
2 zeigt Hysteresekurven ausgewählter 80%-NiFe-Legierungen. Im Vergleich zu MUMETALL® (durchgezogene Linie) besitzt ULTRAVAC® 816 (gepunktete Linie) eine runde Hystereseschleife. ULTRAVAC® 80 (gestrichelte Linie) besitzt eine leicht runde Schleife.
Bisher wird zur Schirmung von kleinen Aussteuerungen, wie sie in Abschirmkabinen gefordert werden, MUMETALL® für sämtliche Schalen verwendet. Ein möglicher Werkstoff anstelle von MUMETALLO für eine Innenschale kann z.B. ULTRAVAC® 816 sein, da es eine relativ runde Schleife aufweist, wie in 2 dargestellt, d.h. das Verhältnis von Remanenz zu Sättigung ist niedrig.
3 zeigt µ(H)-Kurven ausgewählter 80%-NiFe-Legierungen. Eingezeichnet sind auch die Aussteuerungen der Wände H₁, H₂, H₃ einer theoretischen dreischaligen Kabine. Die µ(H)-Kurve der 3 zeigt, dass die Permeabilität eines Materials abhängig von der Aussteuerung ist. Die Aussteuerung, der das Material in einer mehrschaligen Abschirmkabine ausgesetzt wird, ist wiederum abhängig von seiner Position in der Kabine, da die äußeren Schalen die inneren Schalen bereits abschirmen. Die exakte Aussteuerung der Schale ist somit stark ortsabhängig, außerdem hängt sie von der Größe der Schale und deren Wanddicke ab. Folglich können durch eine positionsabhängige Verwendung unterschiedlicher Materialien unterschiedlicher Permeabilität Abschirmkabinen aus mehreren Schalen unterschiedlicher Materialien Vorteile in ihrer Gesamtschirmwirkung haben.
Als Beispiel wird im Rahmen der Messung einer fertigen Abschirmkabine von außen ein Magnetfeld erzeugt, das im Zentrum des Kabinenraums H_Ext=1,1 A/m betrüge, stünde dort keine Abschirmkabine. Es lässt sich abschätzen, dass die äußere Schale mit H₁≈0,08-0,3 A/m ausgesteuert wird (schraffiert dargestellter Bereich H₁ in 3). Wie in 3 dargestellt, hat bei größeren Aussteuerungen MUMETALLO durchschnittlicher Qualität eine höhere Permeabilität als die beiden dargestellten ULTRAVAC®-Werkstoffe, für die gezeigten Kurven ab etwa H≥0,15 A/m. Für die äußere Schale 2 ist somit MUMETALL® geeignet.
Wie auch in der 3 gezeigt, wird die zweite Schale H₂ von außen nun aufgrund der Abschirmwirkung der äußeren Schale H₁ vielfach schwächer ausgesteuert, beispielsweise H₂≈0,02-0,04 A/m. In dieser Größenordnung besitzt ULTRAVAC® 816 in der Darstellung der 3 bereits die größte Permeabilität und bietet somit eine bessere Abschirmung. Die innen liegende Schale H₃ wird noch schwächer ausgesteuert (H₃≈0,002-0,004 A/m). Für vielschalige Kabinen sind demnach die Austeuerungen der Innenschalen sehr klein. Entscheidend ist für diese Schalen daher vor allem eine hohe Anfangspermeabilität des Materials.
Wie aus 3 ersichtlich ist, fällt die Permeabilität von ULTRAVAC® 816 (gepunktete Linie) zu kleineren Aussteuerungen hin nur schwach. Im Vergleich dazu zeigt sich bei der Kurve für MUMETALL® (durchgezogene Linie), dass bei der kleinsten gemessenen Aussteuerung von H=0,03 A/m die Anfangspermeabilität niedriger liegt als für ULTRAVAC® 816. Folglich ist ULTRAVAC® 816 geeigneter für die innere Schale bzw. die innerste Schale, da es die größte Permeabilität aufweist und somit eine bessere Abschirmung bietet. Für die Außenschale hingegen kann weiterhin ein Material mit höherer Permeabilität bei höheren Feldstärken verwendet werden, d.h. ULTRAVAC® 80 oder MUMETALL®.
Es kommen für die Innenschale(n) auch andere Materialien mit einer ähnlichen Charakteristik wie ULTRAVAC® 816 in Frage. Ein Beispiel ist die Legierung ULTRAPERM® 91 R, die im Gegensatz zu ULTRAVAC® 816 eine Cu-haltige 80%-NiFe-Legierung darstellt, aber ähnliche Permeabilitäts- und Remanenzverläufe aufweist.

Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung und magnetischen Eigenschaften einiger Beispiele für verwendbare 80% NiFe-Werkstoffe. Tabelle 1

Werkstoff	Nominelle Zusammensetzung	µ_i	µ_max	B_s/T	Br/T
MUMETALL®	Fe Ni77 Cu4.5 Mo3.3	60.000	500.000	0,78	0,45 - 0,55
ULTRAVAC® 80	Fe Ni80 Mo5.0	70.000	350.000	0,73	0,30 - 0,40
ULTRAPERM® 91 R	Fe Ni78 Cu4.5 Mo4.5	100.000	250.000	0,66	0,20 - 0,40
ULTRAVACO 816	Fe Ni81 Mo6	100.000	200.000	0,65	0,20 - 0,40

Die erfindungsgemäße mehrschalige Abschirmkabine 1 kann n Schalen aufweisen, wobei n eine natürliche Zahl bezeichnet und n ≥ 2 ist. Zumindest zwei der n Schalen weisen eine weichmagnetische Legierung auf, wobei eine in Bezug auf den Mittelpunkt 12 innere angeordnete Schale 3 eine weichmagnetische Legierung mit einer höheren Anfangspermeabilität aufweist als eine weichmagnetische Legierung einer in Bezug auf den Mittelpunkt 12 äußeren Schale 2. Diese äußere Schale 2 kann eine weichmagnetische Legierung mit einer höheren Maximalpermeabilität aufweisen als die weichmagnetische Legierung der inneren Schale 3. Eine oder mehrere weiteren Schalen können zwischen dieser äußeren und inneren Schalen 2, 3 angeordnet werden, die jeweils weichmagnetische Legierungen aufweisen. Eine oder mehrere Schalen können auch außerhalb dieser äußeren Schale 2 und/oder innerhalb der inneren Schale 3 angeordnet werden. Die mehrschalige Abschirmkabine 1 kann auch eine oder mehrere Schalen mit einem nicht magnetischen elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem Metall, wie Aluminium oder einer Legierung aufweisen.

Claims

Mehrschalige Abschirmkabine, die eine äußere Schale mit einer ersten weichmagnetischen Legierung, die eine Anfangspermeabilität µ_i1 und eine Maximalpermeabilität µ_max1 aufweist. eine innere Schale mit einer zweiten weichmagnetischen Legierung, die eine Anfangspermeabilität µ_i2 und eine Maximalpermeabilität µ_max2 aufweist, aufweist, wobei die äußere Schale die innere Schale umhüllt und µ_max1 > µ_max2 und µ_i2 > µ_i1.
Abschirmkabine nach Anspruch 1, wobei µ_max1 > 250.000, 100.000 ≤ µ_max2 ≤ 350.000, 20.000 ≤ µ_i1 ≤ 80.000 und µ_i2 > 80.000.
Abschirmkabine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die erste weichmagnetische Legierung für die äußere Schale ein Verhältnis von B_r/B_s von größer als 0,5 und die zweite weichmagnetische Legierung für die innere Schale ein Verhältnis von B_r/B_s von kleiner als 0,5 aufweist.
Abschirmkabine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste weichmagnetische Legierung und die zweite weichmagnetische Legierung Ni-Fe-basierte Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzungen, vorzugsweise unterschiedliche 80%-NiFe-Legierungen aufweisen.
Abschirmkabine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste weichmagnetische Legierung für die äußere Schale 76 bis 78 Gew.-% Nickel, 4,0 bis 5,0 Gew.-% Kupfer, 2,8 bis 4,5 Gew.-% Molybdän und mindestens 13 Gew.-% Eisen, oder 79 bis 81 Gew.-% Nickel, 4,6 bis 5,6 Gew.-% Molybdän, und mindestens 13 Gew.-% Eisen enthält.
Abschirmkabine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite weichmagnetische Legierung für die innere Schale 80 bis 82 Gew.-% Nickel, 5,5 bis 6,5 Gew.-% Molybdän und mindestens 10 Gew.-% Eisen, oder 77 bis 79 Gew.-% Nickel, 4 bis 5 Gew.-% Kupfer, 4 bis 5 Gew.-% Molybdän und mindestens 10 Gew.-% Eisen enthält.
Abschirmkabine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die innere Schale und die äußere Schale jeweils eine Basisplatte aus einem vibrationsdämpfenden Material und zumindest eine Blechlage aus der ersten Legierung bzw. zweiten Legierung aufweist.
Abschirmkabine nach Anspruch 7, wobei die Basisplatte aus Mitteldichter Holzfaser (MDF) besteht.
Abschirmkabine nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Blechlage aus mehreren auf der Basisplatte nebeneinander angeordneten Blechen gebildet wird.
Abschirmkabine nach Anspruch 9, die zumindest zwei übereinander angeordnete Blechlagen aufweist, wobei diese Lagen jeweils aus mehreren nebeneinander angeordneten Blechen bestehen, und die Bleche benachbarter Lagen kreuzweise zueinander verlaufen und miteinander mittels eines Klebers befestigt sind.
Abschirmkabine nach Anspruch 10, wobei der Kleber ein Silan-modifiziertes Polymer oder Polyurethan aufweist.
Abschirmkabine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die innere Schale und die äußere Schale jeweils aus mehreren Paneelen gebildet sind und zumindest eines der Paneele eine Linearabmessung größer 0,8 m aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer mehrschaligen Abschirmkabine, das Folgendes aufweist: Zusammenbauen mehrerer erster Paneele, um eine äußere Schale herzustellen, wobei die ersten Paneele eine erste weichmagnetische Legierung aufweisen, die eine Anfangspermeabilität µ_i1 und eine Maximalpermeabilität µ_max1 aufweist, und Zusammenbauen mehrerer zweiter Paneele, um eine innere Schale herzustellen, wobei die zweiten Paneele eine zweite weichmagnetische Legierung aufweisen, die eine Anfangspermeabilität µ_i2 und eine Maximalpermeabilität µ_max2 aufweist, wobei die äußere Schale die innere Schale umhüllt und µ_max1 > µ_max2 und µ_i2 > µ_i1.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei zum Herstellen eines ersten Paneels eine erste Abschirmlage, bestehend aus mindestens einem Blech aus der ersten weichmagnetischen Legierung, auf einer nichtmagnetischen Basisplatte mittels eines Klebers befestigt wird und zum Herstellen eines zweiten Paneels eine zweite Abschirmlage, bestehend aus mindestens einem Blech aus der zweiten weichmagnetischen Legierung, auf einer nichtmagnetischen Basisplatte mittels eines Klebers befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Kleber ein Silan-modifizierter-Polymer- (SMP)-Kleber oder ein Polyurethan-Kleber ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, wobei mehrere Bleche nebeneinander auf die Basisplatte mittels des Klebers befestigt werden, um eine erste Blechlage der ersten Abschirmlage zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei mehrere Bleche nebeneinander auf die erste Blechlage mittels des Klebers befestigt werden, um eine zweite Blechlage der ersten Abschirmlage zu bilden, wobei die Bleche der zweiten Blechlage kreuzweise zu den Blechen der ersten Blechlage verlegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei mehrere Bleche nebeneinander auf die Basisplatte mittels des Klebers befestigt werden, um eine ersten Blechlage der zweiten Abschirmlage zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei mehrere Bleche nebeneinander auf die erste Blechlage mittels des Klebers befestigt werden, um eine zweite Blechlage der zweiten Abschirmlage zu bilden, wobei die Bleche der zweiten Blechlage kreuzweise zu den Blechen der ersten Blechlage verlegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die Basisplatte ein vibrationsdämpfendes Material aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei die Basisplatte Mitteldichte Holzfaser (MDF) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei µ_max1 >250.000, 100.000 ≤ µ_max2 ≤ 350.000, 20.000 ≤ µ_i1 ≤ 80.000 und µ_i2 > 80.000.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, wobei die Legierung für die innere Schale ein Verhältnis von B_r/B_s von kleiner als 0,5 und die Legierung für die äußere Schale ein Verhältnis von B_r/B_s von größer als 0,5 aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, wobei die erste weichmagnetische Legierung für die äußere Schale und die zweite weichmagnetische Legierung für die innere Schale NiFe-Basierte Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzungen, vorzugsweise unterschiedliche 80%-NiFe-Legierungen aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 24, wobei die erste weichmagnetische Legierung für die äußere Schale 76 bis 78 Gew.-% Nickel, 4,0 bis 5,0 Gew.-% Kupfer, 2,8 bis 4,5 Gew.-% Molybdän und mindestens 13 Gew.-% Eisen, oder 79 bis 81 Gew.-% Nickel, 4,6 bis 5,6 Gew.-% Molybdän, und mindestens 13 Gew.-% Eisen enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 25, wobei die zweite weichmagnetische Legierung für die innere Schale 80 bis 82 Gew.-% Nickel, 5,5 bis 6,5 Gew.-% Molybdän und mindestens 10 Gew.-% Eisen, oder 77 bis 79 Gew.-% Nickel, 4 bis 5 Gew.-% Kupfer, 4 bis 5 Gew.-% Molybdän und mindestens 10 Gew.-% Eisen enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 26, wobei zumindest eines der ersten Paneele oder der zweiten Paneele eine Linearabmessung größer 0,8 m aufweist.