DE4101481C2 - Anordnung zum Kompensieren externer Magnetfeldstörungen bei einem Kernresonanzspektrometer mit supraleitender Magnetspule - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kompensieren externer Magnetfeldstörungen, insbesondere von zeitvarianten Feldstörungen in Magnetfeldern in Probenräumen von supraleitenden Magnetspulen für Messungen magnetischer Resonanz, bei der das Störfeld mittels mindestens einer Induktionsspule erfaßt, eine in die Induktionsspule induzierte Spannung einer Regel- oder Steuerstufe zugeführt und mittels eines Ausgangssignals der Regel- oder Steuerstufe ein Kompensationsstrom eingestellt wird, der mindestens eine den Probenraum umschließende Kompensationsspule durchströmt, wobei eine Kompensation von Feldstörungen erzielt wird, deren Quellen weit von der Magnetspule entfernt sind.

Derartige Vorrichtungen sind aus den DE-OS 33 08 157 und DE-OS 36 28 161 bekannt.

Für verschiedene Meßzwecke ist es erforderlich, ein Magnetfeld hoher Feldstärke und hoher Feldhomogenität zu erzeugen. Typische Anwendungsbeispiele sind Messungen der magnetischen Resonanz, d. h. der Kernresonanz oder der Elektronenspinresonanz, homogene Magnetfelder werden aber auch z. B. für die Massenspektroskopie, insbesondere die ICR- Massenspektroskopie, benötigt.

Insbesondere aus der Technik der Kernresonanz ist eine Vielzahl von Vorrichtungen bekannt, um ein von einem Elektromagneten, sei es einem Eisenmagneten, einem Luftspulenmagneten, einem supraleitenden Magnetsystem oder einer Kombination derartiger Magnete erzeugtes Magnetfeld hinsichtlich der in der Praxis auftretenden Störungen zu kompensieren.

Neben verschiedenen Techniken zur Kompensation von Homogenitätsstörungen, von denen im vorliegenden Zusammenhang nicht die Rede sein soll, ist es auch bekannt, Störungen zu kompensieren, die sich zeitvariant im Absolutbetrag des Magnetfelds, typischerweise ausgedrückt durch die magnetische Induktion B, manifestieren.

Zur Kompensation sehr niederfrequenter Feldstörungen dieser Art, sogenannter Drifterscheinungen, wird in der Technik der magnetischen Resonanz üblicherweise ein sogenannter "Feldlock" verwendet. Man bedient sich hierzu einer Referenzprobe mit ausgeprägter schmaler Kernresonanzlinie, eines sogenannten "Standards", wobei das gyromagnetische Verhältnis dieser Resonanzlinie, d. h. das Verhältnis der Resonanzfrequenz zur magnetischen Feldstärke, genau bekannt ist. Die Kernresonanz dieser Referenzlinie wird ständig angeregt, und bei beispielsweise fest eingestellter Meßfrequenz kann dann erkannt werden, ob infolge von Drifterscheinungen des magnetischen Felds eine Korrektur erforderlich ist.

Zur Kompensation etwas höherfrequenter Störungen der magnetischen Feldstärke ist es von Eisenmagneten her bekannt, eine sogenannte "Fluxstabilisation" vorzunehmen, wie sie beispielsweise in der DE-Z: Z. Instr. 67, Seiten 293 bis 300 (1959) beschrieben ist. Bei dieser bekannten Anordnung werden konzentrisch zu Polschuhen eines Eisenmagneten Induktionsspulen, sogenannte "Pickup-Spulen" verwendet, mit denen niederfrequente Schwankungen der magnetischen Feldstärke erfaßt werden können, weil derartige Feldschwankungen eine Induktionsspannung in diese Spulen induzieren. Die induzierte Spannung wird einem Verstärker zugeführt, der seinerseits einen Strom erzeugt, der einer Feldspule des Elektromagneten zugeführt wird. Auf diese Weise ist es möglich, bei Eisenmagneten Feldstörungen weitgehend auszugleichen.

Aus der bereits eingangs genannten DE-OS 33 08 157 ist eine Vorrichtung bekannt, die bei einem supraleitenden Magnetsystem mit mechanisch unmittelbar angebautem Refrigerator eingesetzt wird. Ein supraleitendes Magnetsystem besteht aus einer solenoidartigen Spule, die aus einem supraleitenden Draht gewickelt und im Innern eines Kryostaten angeordnet ist, in dem sie sich in einem Bad aus flüssigem Helium befindet. Um das innerste Gefäß mit flüssigem Helium herum befinden sich in der Regel weitere Kälteschilde und Gefäße mit flüssigem Stickstoff, um die zum Betreiben der supraleitenden Spule erforderlichen, extrem niedrigen Temperaturen bei möglichst geringen Verlusten aufrechterhalten zu können. Bei dem bekannten supraleitenden Magnetsystem wird nun ein mechanisch unmittelbar angebauter Refrigerator, d. h. ein motorisch betriebenes Kühlgerät, verwendet, von dem zwei konzentrische Kühlarme bis in das Innere des Kryostaten hineinreichen und dort vorhandene Kühlschilde bzw. mit flüssigem Stickstoff gefüllte Behälter auf niedriger Temperatur zu halten. Bei dieser bekannten Vorrichtung sind nun Maßnahmen getroffen worden, um diejenigen Störungen auszugleichen, die durch den mechanischen Antrieb des Refrigerators hervorgerufen werden. Da sich im mechanischen Antrieb metallische Teile bewegen, deren Suszeptibilität nicht vernachlässigbar ist, werden hierdurch magnetische Störsignale im Probenraum erzeugt, der sich im Innersten des Kryostaten befindet, die zwar von sehr geringer Amplitude sind, bei hochauflösenden Messungen der magnetischen Resonanz jedoch gleichwohl stören können.

Diese bekannte Vorrichtung schlägt hierzu vor, Induktionsspulen entweder unmittelbar am Refrigerator oder auch im Bereich des Probenraums, d. h. im Inneren des Kryostaten, vorzusehen, die vom Refrigerator erzeugten Störsignale dort über die in die Spulen induzierten Spannungen zu erfassen und daraus einen Kompensationsstrom für eine Kompensationsspule abzuleiten.

Für den geschilderten Anwendungsfall der Kompensation von Störungen, die von einem in unmittelbarer Nähe der supraleitenden Magnetspule angeordneten mechanischen Aggregat erzeugt werden, ist die geschilderte Vorrichtung ausreichend, weil die geschilderten Störungen während des Betriebs des Refrigerators nach Art und Auswirkung einigermaßen vorhersehbar sind, so daß mit vergleichsweise einfachen Mitteln die gewünschte Kompensation erreicht werden kann.

Neben solchen lokalen Störungen treten jedoch auch externe magnetische Störungen auf, deren Quellen weit von der Spule des supraleitenden Magnetsystems entfernt sind und die in unkontrollierter Weise auf das Magnetsystem eingestrahlt werden. Als besonders störend haben sich insbesondere schwere bewegte mechanische Teile erwiesen, wie beispielsweise Aufzüge, Straßenbahnen und dergleichen.

Während bei den eingangs genannten Eisenmagneten der magnetische Fluß in sehr guter Näherung auf das Eisenjoch konzentriert ist, sind die angesprochenen supraleitenden Magnetspulen als Solenoidspulen ohne Eisenmantel oder -kern verhältnismäßig offen mit einem recht weit ausgedehnten Streufeld. Allerdings sind die supraleitenden Magnetspulen von Spektrometern der magnetischen Resonanz in aller Regel persistent supraleitend kurzgeschlossen. Das bedeutet, daß die Magnetspule auf jede externe magnetische Störung in der Weise reagiert, daß sie den zusätzlichen magnetischen Fluß aus ihrer Bohrung herausdrängt. Beim Vorliegen einer Störung wird sich also der supraleitende Kurzschlußstrom geringfügig entsprechend erhöhen oder erniedrigen, so daß der magnetische Gesamtfluß durch die Spule konstant bleibt. Dieser Effekt verhindert bereits ohne aktive Kompensationsmaßnahmen in weitgehendem Maß das Vordringen von Störfeldern bis zum Probenort. Allerdings wird eben nicht das Feld am Probenort sondern nur der integrale Fluß durch die Magnetspule stabilisiert. Da das durch den supraleitenden Strom verursachte Feld der Magnetspule und das Störfeld i.a. unterschiedliche räumliche Verteilung haben, bleibt das Feld am Probenort beim Auftreten eines Störfeldes eben nicht konstant. Da das Feld der Magnetspule zwar am Probenort sehr homogen ist, nicht aber über die gesamte Bohrung, gilt dies insbesondere auch für räumlich homogene Störfelder.

Zur Kompensation derartiger externer Störungen reichen daher weder die von Eisenmagneten bekannten Fluxstabilisatoren aus, da bei supraleitenden Solenoidspulen der Zusammenhang zwischen Fluß und Feld bei der Störung ein anderer ist als beim Feld der Magnetspule, noch die aus DE-OS 33 08 157 bekannte Vorrichtung zur Kompensation lokal erzeugter Störungen.

In der eingangs ebenfalls genannten DE-OS 36 28 161 wird vorgeschlagen, die Schwierigkeiten beim Kompensieren von Fernstörungen, die auf ein Spektrometer mit supraleitend kurzgeschlossener Magnetspule einwirken, dadurch zu beheben, daß mindestens eine Induktionsspule und mindestens zwei Kompensationsspulen vorgesehen sind und daß in der Regelstufe ein Stromteiler zum Aufteilen des Kompensationsstroms in die beiden Kompensationsspulen vorgesehen ist oder auch dadurch, daß mindestens eine Kompensationsspule und mindestens zwei Induktionsspulen vorgesehen sind und daß in der Regelstufe ein Spannungsaddierer vorgesehen ist, dem die Induktionsspannungen der mindestens zwei Induktionsspulen zuführbar sind und unterschiedlich gewichtet werden. Durch diese aus DE-OS 36 28 161 bekannten Maßnahmen entsteht jeweils ein weiterer freier Parameter, der so eingestellt werden soll, daß neben der integralen Flußkompensation auch die Änderung des Magnetfeldes am Probenort genau kompensiert wird.

Die aus DE-OS 36 28 161 bekannten Maßnahmen haben jedoch den Nachteil, daß die Induktionsspule(n) die Magnetspule des supraleitenden Magnetsystems umgeben und damit zwangsläufig mit dieser Spule magnetisch stark koppeln. In Magneten von Kernresonanzspektrometern sind die supraleitenden Spulen i.a. supraleitend kurzgeschlossen, so daß sie den magnetischen Fluß konstant halten. Jede externe magnetische Störung hat demnach eine Reaktion der Magnetspule zur Folge, d. h. eine momentane Erhöhung oder Erniedrigung des supraleitenden Kurzschlußstroms. Dies bewirkt wiederum im Außenraum eine entsprechende Änderung des magnetischen Streufelds der Magnetspule. Da die Induktionsspule um den Magneten herum verläuft, induziert dies in der Induktionsspule eine Spannung, zusätzlich zu der durch die Störung unmittelbar induzierten. Das magnetische Streufeld der Magnetspule ist ein stark inhomogenes Feld, das für große Entfernungen mit der dritten Potenz abfällt, im Nahbereich sogar noch steiler. Damit hat es einen Verlauf, der extrem verschieden ist von dem einer externen Störung, die nahezu homogen ist, wenn das störende Objekt weit weg ist, z. B. Straßenbahn, Aufzüge und dergleichen.

Besonders negativ wirken sich zudem Vibrationen des Magneten relativ zur Induktionsspule aus. Da das Hauptmagnetfeld voll durch die Induktionsspule hindurchgreift, wird auch in diesem Fall ein starkes Störsignal induziert, obwohl gar keine externe magnetische Störung vorliegt. Da dieses Störsignal aber ausgeregelt wird, entsteht gerade eine magnetische Feldstörung am Probenort. In diesem Fall bewirkt die Kompensationseinrichtung, die ja magnetische Störungen eliminieren soll, gerade eine solche Störung. Gerade im Frequenzbereich, der besonders anfällig ist, nämlich im Bereich um 1 Hz, treten mechanische Schwingungen, z. B. aufgrund von Trittschall, auf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannte Vorrichtung dahingehend weiterzubilden, daß Störungen aufgrund der Kopplung zwischen Induktionsspule und supraleitender Magnetspule weitgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Induktionsspule als kleine Spule ausgelegt ist, die supraleitende Magnetfelspule nicht umschließt und von dieser soweit beabstandet oder so positioniert ist, daß die magnetische Kopplung zwischen Magnetspule und Induktionsspule stark reduziert ist. Dadurch wirken sich Feldänderungen aufgrund von Variationen des supraleitenden Kurzschlußstroms bzw. aufgrund von mechanischen Schwingungen der Magnetspule nicht mehr nennenswert auf die Induktionsspule aus.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch vollkommen gelöst.

Wie in der bekannten Anordnung und dem bekannten Verfahren reagiert die Induktionsspule auf eine externe Störung des Magnetfeldes, im Gegensatz zur bekannten Anordnung ist jedoch ihre Reaktion auf Änderungen, die von der supraleitenden Magnetspule ausgehen, stark reduziert, so daß die Regelgröße wirklich der Störung entspricht. Zudem ist die Induktionsspule handlicher und daher leichter zu montieren.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Induktionsspulen vorgesehen, die näherungsweise symmetrisch um die Magnetspule beabstandet angeordnet sind, wobei die Induktionsspulenachsen mit der Achse der Magnetspule übereinstimmen. Die Induktionsspannungen aller Induktionsspulen werden, gegebenenfalls gewichtet, zu einem Regel- oder Steuersignal kombiniert.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß etwaige Gradienten des magnetischen Störfeldes in erster Näherung herausgemittelt werden und daß etwaige magnetische Unsymmetrien des Meßaufbaus oder der Umgebung durch die Wichtung berücksichtigt werden können. Außerdem kann durch eine Kombination von mindestens zwei Detektionsspulen ein Gesamtdetektionssignal erfaßt werden, das sowohl gegen Fluktuationen des Streufelds der Magnetspule als auch gegen Vibrationen der Magnetspule weitgehend unempfindlich ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Induktionsspulen näherungsweise in einer horizontalen Ebene angeordnet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sie beispielsweise auf dem Boden oder der Decke eines Meßlabors oder auch auf einer horizontalen Spiegelsymmetrieebene der Magnetspule angeordnet sein können.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Induktionsspulen räumlich um die Magnetspule herum angeordnet, beispielsweise acht Induktionsspulen auf den Ecken eines gedachten Würfels oder Quaders.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß räumliche Gradienten des Störmagnetfelds besonders gut erfaßt werden. Zudem können Decke und Boden eines Meßlabors zur Halterung benutzt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Induktionsspulen an einer Position angebracht, wo die achsenparallele Komponente (i.a. z-Komponente) Bz des magnetischen Streufelds der Magnetspule gerade näherungsweise Null ist. Für den Grenzfall eines Dipolfeldes entsprechen solche Positionen Anordnungen unter dem sogenannten "magischen Winkel"

d. h. auf der Oberfläche eines achsparallen Kegels mit der Kegelspitze im Zentrum der Magnetspule. Für endlich große Magnetspulen lassen sich entsprechende allgemeinere Flächen rechnerisch ermitteln.

Alternativ können auch mehrere Induktionsspulen so verschaltet sein, daß der das Gesamtsystem dieser Induktionsspulen durchdringende magnetische Fluß des Streufelds der Magnetspule verschwindet. Das System ist dann ebenfalls von der Magnetspule effektiv entkoppelt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sich Fluktuationen des Magnetfelds der Magnetspule nicht als entsprechende Induktionsspannungen in den Induktionsspulen äußern, d. h. die Induktionsspulen sind von der Magnetspule vollkommen entkoppelt. Zur Erzielung dieses Effekts reicht es im Grunde aus, wenn bei mindestens zwei Induktionsspulen diese von entgegengesetzten magnetischen Flüssen des Streufelds der Magnetspule durchsetzt sind, aber bezüglich eines homogenen Störfelds von gleichgerichteten magnetischen Flüssen. Die Entkopplung kann dann durch rechnerische oder auch analoge Wichtung der beiden Induktionsspannungen erfolgen.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Induktionsspulen an Positionen angebracht, wo die Ableitung der z-Komponente des Streufelds der Magnetspule nach einer vorgegebenen Raumkoordinate, insbesondere der Achsenrichtung der Magnetspule, dBz/dz verschwindet.

Wiederum im Grenzfall des Dipolfeldes, d. h. weiter Abstand zur Magnetspule, ist die z-Komponente des magnetischen Streufelds proportional zu

wobei z die achsparallele Koordinate vom Magnetspulenzentrum aus und r den Abstand zu diesem Zentrum bezeichnen.

Setzt man die Ableitung nach z Null, so erhält man

3 z · (3 r² - 5 z²) = 0,

mit den Lösungen:

Für einen festen Abstand (x, y) von der Achse der Magnetspule hat Bz bei z = 0 ein Minimum, steigt für größer werdende z an, wird unter dem magischen Winkel (z/r = ) Null, durchläuft dann bei z/r = ein positives Maximum um schließlich für weiter wachsendes z asymptotisch gegen Null zu streben. Dieses Verhalten erhält man ebenso für negative z- Werte.

Das bedeutet, eine Anordnung der Induktionsspulen auf der Spiegelsymmetrieebene der Magnetspule (z = 0) ist unempfindlich gegen Vibrationen der Magnetspule in Achsrichtung, ebenso eine Anordnung unter etwa 39 Grad (cos (39 Grad) = = 0,777).

Für den Fall einer Schwingung senkrecht zur Magnetachse, z. B. in x-Richtung, sind die Lösungen von dBz/dx = 0:

D.h. eine Induktionsspule genau auf der Achse der Magnetspule (x = 0) ist unempfindlich gegen solche Schwingungen, aber auch eine mit einer Anordnung unter etwa 63 Grad.

Entsprechende Berechnungen können auch für andere Koordinaten durchgeführt und insbesondere auch an den Fall der endlich großen Magnetspule angepaßt werden. Der Begriff "andere Koordinaten" umfaßt hier Kombinationen von Raumkoordinaten, die einer vorliegenden dominierenden Schwingungsmode angepaßt sein können.

Wiederum kann ein System von Induktionsspulen verwendet werden, das insgesamt unempfindlich ist gegen Änderungen des magnetischen Flusses aufgrund von Vibrationen der Magnetspule.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß entsprechende Schwingungen der Magnetspule relativ zu den lnduktionsspulen nicht zu Induktionsspannungen führen.

Wie oben für den Fall der induktiven Entkopplung gegen das Streufeld beschrieben, reicht es aus, wenn die durch Vibrationen der Magnetspule induzierten Spannungen in zwei Induktionsspulen entgegengesetztes Vorzeichen haben. Sie können dann rechnerisch so gewichtet werden, daß das Gesamtsystem immer noch effektiv gegen Vibrationen unempfindlich bleibt.

Besonders bevorzugt ist eine Anordnung und Verschaltung bzw. rechnerische Kombination der Spannungen von Induktionsspulen, die sowohl gegen Fluktuationen des Streumagnetfelds der Magnetspule als auch gegen Vibrationen unempfindlich ist. Dies sei für den einfachsten Fall zweier Induktionsspulen und der Vibration entlang z erläutert. Der Streufeldfluß durch Spule 1 sei PHI1, der durch Spule 2 dann PHI2. Um die erste Bedingung einzuhalten, muß gelten PHI1 = -PHI2. Die zweite Bedingung fordert dPHI1/dz = -dPHI2/dz. Als freie Parameter hat man die Positionen der Spulen, ihre Fläche und Windungszahlen, u. U. auch eine Verkippung der Spulenachsen gegen z, wobei man wiederum darauf achten sollte, daß gegenläufige Verkippungen verwendet werden, so daß keine zur z-Achse senkrechten Komponenten eines externen Störfelds aufgefangen werden. Ein weiterer Parameter ist die relative Wichtung der Spannungen der Induktionsspulen. In diesem besonders bevorzugten Fall liegt also ein System von Induktionsspulen vor, das unempfindlich ist gegen Fluktuationen des Streufelds der Magnetspule, unempfindlich gegen Vibrationen der Magnetspule, aber auf im wesentlichen homogene Störfelder anspricht.

Eine besonders einfache Anordnung zweier Detektionsspulen, die insgesamt unempfindlich sind sowohl gegen Fluktuationen des Streufelds der Magnetspule als auch gegen Vibrationen entlang der Feldachse besteht darin, zwei identische Detektionsspulen im gleichen radialen Abstand (x0) von der Achse der Magnetspule aber im entgegengesetzten axialen Abstand (+ bzw. -z0) vom Zentrum der Magnetspule (x = z = 0) unter dem magischen Winkel, d. h. auf Positionen, wo Bz verschwindet, anzuordnen. Dies ist eine besonders einfache und anschauliche, aber keineswegs die einzige derartige Anordnung.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß die Induktionsspule mit großem Umfang (wie im Stand der Technik) in Näherung koaxial zur Magnetspule angeordnet ist, daß sie aber aus zwei koaxialen Teilspulen mit nahezu demselben Durchmesser besteht, die gegeneinander geschaltet sind. Damit wird effektiv nur durch die Flußänderung im Zwischenraum zwischen den Teilspulen eine Spannung induziert. Die Anordnung wirkt wie eine Vielzahl von kleinen Einzelspulen, die im konstanten Abstand von der Magnetspule über den gesamten Umfang angeordnet sind. Der Spulenquerschnitt muß nicht kreisförmig sein, sondern er kann auch beispielsweise quadratisch sein oder eine unregelmäßige Form haben. Dadurch und über die Variation des Zwischenraums zwischen den Teilspulen kann eine "Wichtung" einzelner Raumbereiche erfolgen und damit eine Anpassung an Unsymmetrien des Meßaufbaus oder der Umgebung. Besonders bevorzugt sind wiederum die Anordnungen mit verschwindendem Bz im Zwischenraum, bzw. verschwindender Ableitung von Bz nach einer Raumkoordinate, insbesondere dBz/dz. Besonders bevorzugt ist auch die Anordnung zweier solcher Induktionsspulen, die in etwa symmetrisch zum Magnetspulenzentrum liegen oder einer Induktionsspule der genannten Art, die sich auf dem Boden oder an der Decke eines Meßraums befindet oder in der Spiegelsymmetrieebene der Magnetspule angeordnet ist.

In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist die Kompensationsspule koaxial zur Magnetspule und besitzt einen Durchmesser, der groß ist gegen den der Magnetspule.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn zwei koaxiale Kompensationsspulen vorliegen, deren Durchmesser, Abstand und Windungszahlen so gewählt werden, daß im Bereich der Magnetspule ein möglichst homogenes Kompensationsfeld erzeugt werden kann, insbesondere ist eine Helmholtz-Anordnung bevorzugt. Durch lokale Gegebenheiten des Meßlabors kann es durchaus vorkommen, daß aus Platzgründen die exakte Helmholtz-Anordnung nicht verwirklicht werden kann, so daß über veränderte Abstände, Durchmesser und Windungszahlen ein neues Optimum unter den einschränkenden Randbedingungen gefunden werden muß. Selbstverständlich kann die Homogenität noch weiter erhöht werden dadurch, daß man die Anzahl der Kompensationsspulen weiter erhöht, beispielsweise auf vier in der Art einer Doppel- Helmholtz-Anordnung. Wesentlich ist dabei immer, daß man über den Bereich der Magnetspule möglichst ein homogenes (Fern-)Feld erzeugt, das auf die Magnetspule genauso wirkt, wie eine Störung, die von einer weit entfernten Quelle stammt. Dann "reagiert" nämlich die supraleitend kurzgeschlossene Magnetspule in gleicher Weise auf Störung und Korrekturfeld.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Induktionsspule(n) und der eben geschilderten Anordnung der Kompensationsspule(n) wird demnach eine Störung, die durch eine weit entfernte Störquelle verursacht wird, ohne störende Überlagerung von Beiträgen der Magnetspule erfaßt und in ein am Ort der Magnetspule homogenes Korrekturmagnetfeld umgesetzt, das dort dem Störfeld entgegenwirkt. Da sich also im Kompensationsfall am Ort der Magnetspule zwei gleich große, näherungsweise homogene Felder entgegengesetzt überlagern, gibt es in guter Näherung keine "Reaktion" dieser Magnetspule, d. h. Störterme mit der extrem niederen Symmetrie des magnetischen Streufelds treten nicht oder nur in stark abgeschwächter Form auf, insbesondere bei der symmetrischen Anordnung mehrerer Induktionsspulen, die noch in der Lage ist, über Gradienten zu mitteln.

Die Maßnahme, das Kompensationsfeld als näherungsweise homogenes Feld über das Volumen der Magnetspule zu erzeugen und nicht nur über das Volumen der Probe, hat den Vorteil, daß, abgesehen von Termen höherer Ordnung, die gesamte supraleitende Magnetspule im Kompensationsfall kein Störfeld "sieht". In diesem Fall spielen naturgemäß Reaktionen der Spule keine Rolle. Im ungünstigen Fall könnten nämlich bei zeitlich veränderlichem Störfeld neben dem Feldverdrängungseffekt auch resonanzartige Erscheinungen auftreten, d. h. elektromagnetische Schwingungen oder magnetisch angeregte mechanische Schwingungen.

In Analogie zu den Anordnungen nach DE-OS 36 28 161, auf deren gesamten Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich verwiesen werden soll, ist es ebenfalls möglich, durch die exakte Positionierung einer, oder praktisch einfacher, durch die Kombination von zwei Induktionsspulen, zu erreichen, daß der insgesamt induzierten Spannung "Null" das durch eine Störung und durch Kompensationsspule(n) im Bereich der Magnetspule erzeugte Feld "Null" entspricht. Im Fall nur einer Induktionsspule muß diese an einem Ort positioniert sein, wo das durch die Kompensationsspule erzeugte Kompensationsfeld denselben Wert hat wie im Bereich der Magnetspule (andererseits darf sie sich ja gerade nicht "im Bereich der Magnetspule" befinden). Sinngemäß läßt sich diese Überlegung selbstverständlich auf mehrere Induktions- bzw. Kompensationsspulen, d. h. die obengenannten Anordnungen, übertragen. Wie bereits erwähnt, können noch Anpassungen an örtliche Unsymmetrien vorgenommen werden, was für einen gegebenen Aufbau rechnerisch, aber vorzugsweise vor Ort experimentell, erfolgen kann.

Induktions- und Kompensationsspulensätze bilden jetzt einen Regelkreis mit der gesamten Induktionsspannung als Regelgröße, die auf Null gehalten wird.

Es können auch Einzelspannungen separat erfaßt, digitalisiert und rechnerisch zu einem Regelsignal verarbeitet werden. Die Ansteuerung der Kompensationsspule(n) erfolgt dann über einen oder mehrere Digital-Analog-Wandler. Dies hat den Vorteil, daß Wichtungen nicht über Windungszahlen, Positionsveränderungen oder Potentiometerschaltungen erfolgen müssen, sondern bequem softwaremäßig durchgeführt und optimiert werden können.

Alternativ kann auch ganz von einer echten Regelung abgesehen und zu einer bloßen Steuerung übergegangen werden. In einem Rechner sind nur noch Datenfelder gespeichert, die angeben, mit welchen Korrekturströmen durch die Kompensationsspule(n) auf welche Spannungen in den Induktionsspulen geantwortet werden muß. Es kann in das Steuerverhalten ein Frequenzgang eingearbeitet sein, der insbesondere etwaige Phasenverschiebungen aufgrund einer Resteinwirkung der supraleitenden Magnetspule berücksichtigen kann. Während für eine echte Regelung eine magnetische Kopplung zwischen Induktionsspule(n) und Kompensationsspule(n) unerläßlich ist, kann auf die Kopplung in diesem Fall verzichtet werden, ja diese ist sogar im Grund unerwünscht, da sie bei der Steuerung rechnerisch mitberücksichtigt werden muß.

Mit einer räumlichen Anordnung der Induktionsspulen können auch Gradienten des externen Störfelds erfaßt werden. Im Gegensatz zum homogenen Anteil der Störung reagiert die supraleitende Magnetspule nicht auf diese Gradienten, da der Mittelwert des Feldes eines konstanten Gradienten über das Spulenvolumen verschwindet, also den magnetischen Fluß durch die Spule nicht ändert. Am Ort der Probe kann die Anwesenheit eines Gradienten aber durchaus störend sein, wenn dieser über das Probenvolumen mit einer nennenswerten Feldverschiebung verbunden ist, er bewirkt dann nämlich für die Zeit seines Einwirkens eine entsprechende inhomogene Verbreiterung der Kernresonanzlinie. In einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, die räumlichen Gradienten über die Induktionsspulen (mit) zu erfassen (im einfachsten Fall entspricht der Gradient des Störfelds in Richtung der Verbindungslinie zweier Induktionsspulen der Differenz der durch diese beiden Spulen gemessenen Störfeldwerte dividiert durch ihren Abstand) und über Korrekturgradientenspulen, die in Kernresonanzspektrometern in aller Regel innerhalb der Magnetspule vorhanden sind, zu kompensieren. Aufgrund ihrer Antisymmetrie koppeln diese Korrekturgradientenspulen ebenfalls nicht mit der Magnetspule.

Die Steuerschaltung kann auch eine Einrichtung zum Erkennen lokaler Störungen enthalten, die sich primär in einer oder zumindest nur in einem Teil der Induktionsspulen bemerkbar machen. In diesem Fall, der durch den Vergleich aller induzierten Einzelspannungen erkannt wird, kann entweder auf einen entsprechenden Korrekturstrom durch die Kompensationsspule(n) ganz verzichtet werden oder der Korrekturstrom berücksichtigt die Störung in Form einer nicht-linearen Wichtung der Induktionssignale in vorgegebener Abhängigkeit von der relativen Größe der in den einzelnen Induktionsspulen induzierten Spannungen. Als Faustregel gilt dabei, daß der Kompensationsstrom überproportional geringer werden muß, je mehr das induzierte Signal auf eine (einige) Induktionsspule(n) beschränkt ist, also eine nur lokale Störung vorliegt, die zwar stark auf eine Induktionsspule einwirkt, die aber bis zur Magnetspule bereits deutlich abgefallen ist.

Insbesondere im Fall der reinen Steuerung kann die Kompensationsspule auch innerhalb der Magnetbohrung der Magnetspule im unmittelbaren Probenbereich angeordnet sein, da ja bei einer bloßen Steuerung keine meßbare Rückwirkung des Korrekturfelds auf die Induktionsspule(n) notwendig ist. Dies hat den Vorteil, daß die Kompensationsspule ebenfalls klein und handlich ist und direkt auf die Probe wirkt und daß in Kernresonanzspektrometern eine solche Spule ohnehin vorhanden ist.

Zur Beeinflussung der magnetischen (induktiven) Kopplung zwischen Induktions- und Kompensationsspule(n) können Hilfsspulen eingesetzt werden, indem man beispielsweise eine solche Hilfsspule in die Nähe einer Induktionsspule bringt aber sie parallel oder in Serie zu einer Kompensationsspule schaltet oder umgekehrt. Indem man den ersten Fall realisiert, kann man auch für eine echte Regelung die Kompensationsspule im Innern der Magnetspule anordnen von wo aus sie als sehr kleine Spule zwar sehr stark auf die Probe aber praktisch nicht auf die Induktionsspule einwirkt. Schaltet man nun zur Kompensationsspule eine Hilfsspule in Serie und bringt diese in die Nähe der Induktionsspule (oder einer weiteren Spule im Induktionsspulenkreis), so kann man recht einfach die induktive Kopplung zwischen Induktions- und Kompensationskreis verändern, d. h. optimieren.

Da die magnetischen Störfelder eine kleine Amplitude haben und da die interessierenden Frequenzen sehr niedrig sind, kann die Induktivität der Induktionsspulen durch einen ferro- oder ferrimagnetischen Kern vergrößert und dadurch ihre Nachweisempfindlichkeit gesteigert werden.

Das Auffinden optimierter Regel- bzw. Steuerparameter kann dadurch geschehen, daß man eine externe Störung simuliert, die die in die Induktionsspulen induzierten Spannungen digitalisiert und abspeichert und die Störung des eingangs erwähnten Feldlocks beobachtet. Hierbei kann die Regelung bzw. Steuerung noch ausgeschaltet sein, d. h. es fließt kein Strom durch die Kompensationsspule(n). Aus dem zeitlichen Verlauf der Störung des NMR-Lock-Signals kann nun ein erster Regel- bzw. Steuerparametersatz gewonnen werden, mit dem in einem zweiten Experiment, bei jetzt eingeschalteter Regelung bzw. Steuerung, gearbeitet wird. Aus der jetzt verbleibenden Reststörung des Feldlocksignals können die Parameter verfeinert werden. Dies kann einige Male iterativ wiederholt werden, bis die Reststörung minimiert ist. Die so erhaltenen Regel- bzw. Steuerparameter werden abgespeichert. Dieses Verfahren kann nun für unterschiedliche simulierte externe Störungen durchgeführt werden, was letzlich zu einem experimentell ermittelten Kennlinienfeld für den Zusammenhang zwischen den detektierten Induktionsspannungen und den Kompensationsströmen führt. Anstelle der simulierten externen Störfelder kann man auch tatsächliche Störfelder ausnutzen. In diesem Fall schafft man ein in dieser Beziehung "lernfähiges" Spektrometer der magnetischen Resonanz. Eine erste Störung erzeugt einen ersten Parametersatz. Jede weitere Störung ergänzt bzw. ändert diesen Satz wieder.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Abbildungen näher erläutert werden.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein supraleitendes Magnetsystem mit einer Kompensationsanordnung zur Kompensation einer Störung durch ein magnetisches Fernfeld nach DE-OS 36 28 161 (dort Fig. 7);

Fig. 2 eine supraleitende Magnetspule eines supraleitenden Magnetsystems mit einer erfindungsgemäßen Kompensationsanordnung schematisiert in a) einer Seitenansicht und b) einer Draufsicht;

Fig. 3a-c schematisierte Schaltskizzen von Ausführungsbeispielen einer supraleitend kurzgeschlossenen Magnetspule und erfindungsgemäßen Kompensationsanordnungen;

Fig. 4 eine supraleitende Magnetspule eines supraleitenden Magnetsystems mit einer erfindungsgemäßen Kompensationsanordnung schematisiert in einer Seitenansicht, wobei sich die Induktionsspule der Kompensationsanordnung an einer Position mit verschwindender achsparalleler Komponente Bz des Streumagnetfelds der Magnetspule befindet;

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine supraleitende Magnetspule umgeben von einer Kompensations- und Induktionsspulenanordnung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 den Verlauf der achsparallelen z-Komponente des magnetischen Streufelds Bz (a) und seiner Ableitung nach z dBz/dz (b) eines idealen Dipols für festen Abstand (x0 = 1) von der Dipolachse in Abhängigkeit von z jeweils in willkürlichen Einheiten.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Vorrichtung zum Kompensieren externer Magnetfeldstörungen (50), die auf den Bereich der Magnetspule eines supraleitenden Magnetsystems im Innern eines Kryostaten (60) einwirken nach dem Stand der Technik, wie er in DE-OS 36 28 161 beschrieben ist. Die supraleitend kurzgeschlossene Magnetspule (nicht gezeigt) befindet sich im Innern einer Raumtemperaturbohrung des Kryostaten (60). Ihre Symmetrieachse (58) stimmt mit der des Kryostaten (60) überein. Der Kryostat (60) besitzt eine Raumtemperaturbohrung (nicht gezeigt) entlang der Symmetrieachse (58), in der sich im Zentrum der Magnetspule der Probenraum (nicht gezeigt) befindet. Direkt um den Kryostaten (60) herum ist etwa in Höhe des Probenraums eine Induktionsspule (61) angeordnet. Eine weitere, zur ersten (61) und der Magnetspule koaxiale (58) Induktionsspule (62) befindet sich zusammen mit einer Kompensationsspule (63) auf dem Boden (64) unterhalb des Kryostaten (60), ebenfalls koaxial (58) zu den Induktionsspulen (61, 62) und der Magnetspule im Kryostaten (60). Die Induktionsspulen (61, 62) liegen in Reihe zwischen einer Masse (69) über einen Vorwiderstand (70) an einem Integrier-Verstärker (71). Die Spannungsaddition kann über ein Potentiometer (72) eingestellt werden. Der Integrier-Verstärker (71) führt der Kompensationsspule (63) einen Kompensationsstrom zu, der in vorgegebener Weise von den Induktionsspannungen der Induktionsspulen (61, 62) abhängt. Der Durchmesser der Kompensationsspule (63) ist groß gegen die Abmessungen des Probenraums im Innern des Kryostaten (60). Daher ist das von dieser Spule erzeugte Kompensationsfeld am Probenort einer Fernstörung sehr ähnlich.

Da die Stör- und Kompensationsfelder um viele Größenordnungen kleiner sind als das Feld der Magnetspule am Probenort, genügt es, nur die achsparallele Komponenten der jeweiligen Felder zu betrachten, da der Betrag des Gesamtfelds sich zwar grundsätzlich als die vektorielle Summe aller Beiträge ergibt, man aber mit hinreichender Genauigkeit quadratische Beiträge vernachlässigen kann.

Da alle Spulenachsen in Fig. 1 mit der Achse (58) der Magnetspule zusammenfallen, ist die induktive Kopplung dieser Spulen (61, 62, 63) untereinander aber insbesondere auch zur supraleitend kurzgeschlossenen Magnetspule sehr groß, d. h. anschaulich, das von der Magnetspule erzeugte Streufeld greift voll durch die Spulen (61, 62, 63) hindurch. Insbesondere reagieren die Induktionsspulen (61, 62) auf Fluktuationen des supraleitenden Kurzschlußstroms und auf Vibrationen der Magnetspule im Kryostaten (60) relativ zu diesen Induktionsspulen (61, 62).

Fig. 2a zeigt schematisiert in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform einer supraleitend kurzgeschlossene Magnetspule (1) eines Magnetsystems mit einer erfindungsgemäßen Anordnung von acht kleinen Induktionsspulen (2a-h) an den Ecken eines gedachten Quaders um das Zentrum (32) der Magnetspule (1) und zwei zur Magnetspule (1) koaxiale Kompensationsspulen (3a, 3b) in Helmholtz-Anordnung. Die Achsenrichtungen (z) aller Spulen (1, 2, 3) stimmen überein. Im Gegensatz zu den Verhältnissen im Stand der Technik (Fig. 1) sind die Durchmesser der Induktionsspulen (2a-h) klein gegen ihren Abstand zur Magnetspule (1), wobei dieser Abstand seinerseits wieder groß ist gegen die Abmessungen der Magnetspule (1). Entsprechend ist die induktive Kopplung der Induktionsspulen (2a-h) an die Magnetspule (1) und die Empfindlichkeit gegen Vibrationen der Magnetspule (1) sehr stark verringert. Insbesondere kann die Kopplung, wie oben im Text beschrieben, durch exaktes Einstellen der Positionen der Induktionsspulen (2a-h) minimiert werden. Damit die erwünschte Kopplung an eine (weitgehend homogene) Fernstörung hinreichend erhalten bleibt, können die Windungszahlen der kleinen Induktionsspulen erhöht werden und/oder sie können einen ferro- oder ferrimagnetischen Kern besitzen. Um Unsymmetrien der Umgebung auszugleichen, können Positionen, Windungzahlen usw. von der exakt symmetrischen Wahl abweichen. Zudem kann die Kopplung zwischen Induktionsspulen (2a-h) und Kompensationsspulen (3a, b) mit Hilfe kleiner Zusatzspulen (4a-h) verändert werden, die im Beispiel der Fig. 2 in enger Nachbarschaft zu den entsprechenden Induktionsspulen (2a-h) angeordnet, elektrisch aber mit den Kompensationsspulen (3a, b) verschaltet sind.

In wegen der Übersichtlichkeit nicht gezeigter Weise können die Induktionsspulen (2a-h) entweder einfach in Serie geschaltet und die gesamte induzierte Spannung einem Regel- oder Steuergerät zugeführt werden, oder über Schaltungen analog zu der in Fig. 1 gezeigten noch individuell gewichtet werden. Ein daraus abgeleiteter Kompensationsstrom wird daraufhin den Kompensationsspulen (3a, b) und gegebenenfalls den Zusatzspulen (4a-h) zugeführt.

Alternativ können auch die Induktionsspannungen einzeln oder in Gruppen zusammengefaßt einer Regel- oder Steuereinheit zugeführt werden. Vorzugsweise werden dort die Einzelsignale digitalisiert und einem Rechner zugeführt, der nach einem vorgegebenen Algorithmus aus den Induktionsspannungen Werte für Kompensationsströme ableitet. Über einen oder mehrere Analog-Digitalwandler und Verstärker werden die Kompensationsspulen (3a, 3b) mit den so gewonnenen Strömen beschickt.

Durch Differenzbildung einzelner Induktionsspannungen können Gradienten eines Störfelds (Bz) nach allen Raumkoordinaten, d. h. dBz/dx, dBz/dy und dBz/dz ermittelt werden. Daraus können wiederum Korrekturströme für Gradientenspulen (5), die i.a. im Innern der Magnetspule (1) angeordnet sind, ermittelt werden. Wenn die Gradientenspulen (5) mit diesen Korrekturströmen beschickt werden, werden im Probenraum Magnetfeldgradienten aufgrund einer nicht-homogenen Störung in erster Ordnung eliminiert.

Die in Fig. 2 gezeigte Helmholtz-Anordnung der Kompensationsspulen (3a, 3b) erzeugt ein besonders homogenes Kompensationsfeld, das möglichst über den gesamten Bereich der Magnetspule (1) in Näherung homogen ist. Es versteht sich, daß diese Anordnung nur beispielhaften Charakter hat. So kann zur weiteren Verbesserung der Homogenität die Anzahl der Kompensationsspulen erhöht werden (z. B. Doppel- Helmholtz-Anordnung). Andererseits kann von der exakten Helmholtz-Anordnung abgewichen werden um Unsymmetrien der Umgebung auszugleichen oder weil aus Platzgründen bestimmte Positionen der Spulen nicht realisiert werden können. So sind Lösungen denkbar, wo die Spulen (3a, 3b) unterschiedlichen Abstand vom Magnetspulenzentrum, unterschiedlichen Durchmesser und unterschiedliche Windungszahl haben. Auch die Form der Spulen kann von der Kreisform abweichen. Grundsätzlich kann unter Inkaufnahme einer Homogenitätsverschlechterung eine der Spulen (3a, 3b) entfallen.

Fig. 2b zeigt die Anordnung aus Fig. 2a in einer Draufsicht.

Eine mögliche elektrische Verschaltung der Induktionsspulen (2a-h), Kompensationsspulen (3a, b), Zusatzspulen (4a-h) und der supraleitenden Magnetspule (1) aus Fig. 2 zeigt Fig. 3a. Die Induktionsspulen (2a-h) sind in Serie geschaltet. Das induzierte Gesamtsignal erreicht über Leitungen (12a, b) einen Analog-Digital- Wandler (ADC, 7), der das Signal digitalisiert und an einen Rechner (6) weitergibt. Dieser gibt nach einem vorgegebenen Regel- oder Steueralgorithmus Steuersignale an einen Digital-Analog-Wandler (DAC, 8), wo diese über einen Verstärker (9) in einen Kompensationsstrom umgewandelt werden, der über Leitungen (13a, b, c) in Serie geschalteten Zusatzspulen (4a-h), die induktiv an die entsprechenden Induktionsspulen (2a-h) gekoppelt sind, und den Kompensationsspulen (3a, b) zugeführt wird. Grundsätzlich genügt eine Zusatzspule (z. B. 4h), die an eine der Induktionsspulen (z. B. 2h; oder eine mit den Induktionsspulen in Serie geschaltete weitere Hilfsspule) induktiv koppelt. Die Kompensationsspulen (3a, b) koppeln induktiv mit der supraleitend kurzgeschlossenen Magnetspule (1). Fig. 3b zeigt eine alternative Anordnung mit acht Induktionsspulen (2a-h), nur einer Kompensationsspule 3 und einer Zusatzspule (4) in induktiver Kopplung mit der Kompensationsspule (3) aber elektrisch verschaltet mit den Induktionsspulen (2a-h). Wie bereits erwähnt können die Zusatzspule(n) (4) auch entfallen, insbesondere, wenn der Rechner (6) das vom ADC (7) kommende Eingangssignal nur zur Steuerung des vom DAC (8) über Verstärker (9) ausgehenden Ausgangsstroms nach einem vorgegebenen Algorithmus verwendet und nicht einfach das Eingangssignal auf Null regelt. Wie in Fig. 3a koppelt die Kompensationsspule (3) induktiv mit der supraleitend kurzgeschlossenen Magnetspule (1). Fig. 3c zeigt die Verschaltung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Die Induktionsspannungen von acht Induktionsspulen (2a-h) werden einzeln über eine ADC- Stufe (7′) erfaßt, digitalisiert und an den Rechner (6) weitergegeben. Dieser berechnet nach vorgegebenen Algorithmen mit Hilfe dieser Werte der Induktionsspannungen Werte für Kompensationsströme, die über eine DAC-Stufe (8′) und Verstärker (9′, 9x, 9y, 9z) der Kompensationsspule (3) und weiteren drei Gradientenkompensationsspulen (5x, 5y, 5z) zugeführt werden. Die Kompensationsspule (3) koppelt induktiv mit der supraleitend kurzgeschlossenen Magnetspule (1). Wegen ihrer Antisymmetrie koppeln dagegen die Gradientenkompensationsspulen (5x, 5y, 5z) nicht. Die Gradientenkompensationsspulen (5x, y, z) werden sich im allgemeinen im Innern der Magnetspule (1) befinden und das Zentrum der Magnetspule, d. h. den Probenraum umgeben. Die Kompensationsspule (3) kann auch so angeordnet werden (beispielsweise als kleine Helmholtz- Spule) und kann daher wie die Induktionsspulen klein und handlich bleiben. Falls man die Kopplung zwischen Magnetspule (1) und Kompensationsspule (3) verringern oder eliminieren will, kann man im Abstand vom Probenraum, aber noch innerhalb der Magnetbohrung, eine weitere Spule (30) anbringen und diese mit entgegengesetztem Wicklungssinn in Serie mit der Kompensationsspule (3) schalten. Bei entgegengesetzt gleicher Kopplung der Einzelspulen (3, 30) an die Magnetspule verschwindet die Gesamtkopplung, es bleibt aber im Probenraum ein Kompensationsfeld übrig.

Fig. 4 zeigt schematisch in einer Seitenansicht eine supraleitende Magnetspule (1) mit der vertikalen z- Achse als Symmetrieachse. Im Außenraum sind die Feldlinien des magnetischen Streufelds durch gekrümmte Linien angedeutet. Eine gestrichelte Linie (21) zeigt an, wo in der Schnittebene die z-Komponente des Streufelds verschwinden, die Feldlinien also horizontal verlaufen. Wegen der Rotationssymmetrie der Anordnung repräsentiert die Linie (21) eine um die z-Achse rotationssymmetrische Fläche. An einer Feldlinie (22) ist schematisch die Aufspaltung des Vektors des lokalen Streufelds in zwei Komponenten Bz und Bx angedeutet.

Eine Induktionsspule (2) mit ihrer Spulenachse parallel zu z zur Detektion eines externen Störfelds ist in diesem Beispiel so plaziert, daß an ihrem Ort keine z- Komponente des Streufelds vorliegt, d. h. sie befindet sich auf der erwähnten gestrichelten Linie (21). In dieser Anordnung induziert eine Änderung des Stroms durch die Magnetspule (1) in der Induktionsspule (2) keine Spannung.

Wie im Text erwähnt können anstelle der Linie (21), bzw. der entsprechenden rotationssymmetrischen Flächen, solche Linien (Flächen) gefunden werden, auf denen die Ableitungen der z-Komponente des Streufelds nach vorgegebenen Raumkoordinaten, insbesondere dBz/dz, verschwinden, was bedeutet, daß eine auf einer solchen Linie plazierte Induktionsspule (2) unempfindlich ist gegen Vibrationen der Magnetspule (1) entlang dieser Raumkoordinate.

Fig. 5 zeigt in der Draufsicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Induktionsspule aus mindestens einem Paar von koaxialen Teilspulen (2a′, 2b′) mit etwas verschiedenen Radien (ra′, rb′) besteht. Im Ausführungsbeispiel hat die Kompensationsspule (3) einen noch etwas größeren Radius (r3). Alle drei Spulen (2a′, 2b′, 3) umgeben koaxial die Magnetspule (1), deren Radius (r1) klein ist gegen die Radien ra′, rb′ und r3. Die Differenz der Radien rb′-ra′ ist klein gegen ra′. Die Teilspulen (2a′, 2b′) sind in Antiserie geschaltet, d. h. nur eine magnetische Flußänderung im radialen Bereich (20) zwischen ra′ und rb′ induziert insgesamt eine Spannung. Dieser Bereich (20) ist aber weit von der Magnetspule (1) entfernt, so daß ihr Einfluß schon stark reduziert ist. Zudem kann die Position der mindestens zwei Teilspulen (2a′, 2b′) axial so gewählt werden, daß sich Fluktuationen der axialen Komponente des Streufeldes der Magnetspule (1) aufgrund von Stromfluktuationen oder Vibrationen verschwinden, wie weiter oben beschrieben.

Fig. 6a zeigt die Abhängigkeit der z-Komponente des Streufelds eines magnetischen Dipols von der achsparallelen Koordinate z für einen festen Abstand x0 = 1 von der Achse. Für z = 0 ist das Feld negativ und betragsmäßig am größten. Bz steigt mit wachsendem z steil an und wechselt etwa bei z = 0.7 das Vorzeichen. Etwa bei z = 1.2 erreicht Bz ein positives Maximum, das jedoch betragsmäßig fünfmal kleiner ist als das Minimum bei z = 0, und fällt darauf für noch größere z-Werte asymptotisch gegen Null ab. Der Nulldurchgang bei etwa z = 0.7 entspricht gerade dem oben erwähnten magischen Winkel. Die Funktion Bz(z) ist symmetrisch in z, d. h. Bz hat für entsprechende positive und negative z-Werte den gleichen Wert.

Fig. 6b zeigt die Ableitung dBz(z)/dz. Sie steigt von Null bei z = 0 zunächst steil an, erreicht bei etwa z = 0.36 ein positives Maximum, fällt dann wieder steil ab, wechselt bei etwa z = 1.2 das Vorzeichen, hat ein negatives Minimum bei etwa z = 1.7 und geht dann asymptotisch gegen Null. Die Funktion dBz(z)/dz ist antisymmetrisch in z, d. h. sie wechselt bei z = 0 ihr Vorzeichen.

Aus den Abb. 6a und b sieht man, daß es leicht möglich ist, sogar für festes x0 zwei Positionen zu finden, wo Bz = 0 ist und dBz/dz entgegengesetztes Vorzeichen hat (z = +/-0.7). Die Kombination zweier identischer Detektionsspulen an diesen Positionen ist also besonders günstig. Dies ist jedoch nur ein Spezialfall. Durch Variation von Windungszahl und Querschnitt der Detektionsspulen und ihre Anordnung auf Positionen mit beliebigem radialem Abstand können viele weitere Kombinationen gefunden werden, die die Bedingung erfüllen, daß der effektive Gesamtfluß des Streufelds und seine Ableitung nach einer Koordinate verschwinden. Diese Überlegungen lassen sich auf reale, von der idealen Dipolform abweichende, Streufelder verallgemeinern und bei Verwendung einer Mehrzahl von Detektionsspulen auf die Kompensation der Ableitungen nach mehreren (verallgemeinerten) Koordinaten erweitern. Dadurch wird es möglich, ein Gesamtdetektionsspulensystem zu entwerfen, das unempfindlich ist gegen Fluktuationen des Streufelds und alle relevanten Schwingungsmoden. Die Kombination der in den einzelnen Detektionsspulen induzierten Spannungen muß nicht analog erfolgen, sondern kann auch durch einen Rechner, dem die Einzelspannungen in digitalisierter Form zugeführt werden, bewerkstelligt werden. In diesem Fall kann dann der Regel- oder Steueralgorithmus noch wesentlich flexibler gestaltet werden.

Claims (25)

1. Vorrichtung zum Kompensieren der axialen (z; 58) Komponenten externer zeitvarianter Feldstörungen (50) in dem Magnetfeld, das in dem Probenraum einer supraleitenden Magnetspule (1) mit hoher Feldhomogenität herrscht, mit einer oder mehreren Induktionsspulen (2, 2a-h) zum Erfassen der axialen (z; 58) Komponenten des Störfeldes (50), einem auf die in den Induktionsspulen (2, 2a-h) induzierten Spannungen ansprechenden Steuergerät (6, 7, 8, 9, 7′, 8′, 9′) und mindestens einer den Probenraum umschließenden Kompensationsspule (3, 3a, 3b), der ein mittels des Ausgangssignals des Steuergeräts (6, 7, 8, 9, 7′, 8′, 9′) eingestellter zeitvarianter Kompensationsstrom (i_Komp) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspulen (2, 2a-h) den Probenraum nicht umschließen, vom Zentrum (32) der Magnetspule (1) beabstandet sind, wobei ihre Durchmesser wesentlich kleiner als dieser Abstand sind, und daß sie so angeordnet sind, daß ihre gesamte magnetische Kopplung mit der Magnetspule (1) in guter Näherung verschwindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Induktionsspulen (2, 2a-h) vorgesehen sind, die so dimensioniert bzw. ihre induzierten Spannungen so kombiniert werden, daß ihre gesamte magnetische Kopplung mit der Magnetspule (1) in guter Näherung verschwindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus der Verschiebung (z) mindestens einer der Induktionsspulen (2, 2a-h) in Achsenrichtung (z; 58) relativ zum Zentrum (32; z = 0) der Magnetspule (1) und dem Abstand (r) der Induktionsspule (2, 2a-h) vom Zentrum (32; r = 0) etwa 0,577 ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Induktionsspulen (2, 2a-h) vorgesehen sind, die von entgegengesetzten magnetischen Flüssen des Streufelds der Magnetspule (1) durchsetzt sind, aber bezüglich eines homogenen Störfelds von (50) von gleichgerichteten magnetischen Flüssen.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Position mindestens einer der Induktionsspulen (2, 2a-h) so gewählt wird, daß auf ihrer Position in Näherung die Ableitung der z-Komponente des magnetischen Streufelds (B_z) der Magnetspule (1) nach einer vorgegebenen verallgemeinerten Koordinate verschwindet, wodurch Vibrationen der Magnetspule (1) relativ zur Induktionsspule (2, 2a-h) entlang dieser verallgemeinerten Koordinate keine Spannung in der Induktionsspule (2, 2a-h) induzieren.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinate die Achsenrichtung (z; 58) der Magnetspule (1) ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Induktionsspulen (2, 2a-h) verwendet werden, deren induzierte Spannungen durch das Steuergerät (6, 7, 8, 9, 7′, 8′, 9′, 9x, 9y, 9z) kombiniert werden.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß acht Induktionsspulen (2, 2a-h) vorgesehen sind, die sich näherungsweise an den Ecken eines gedachten Quaders befinden.

9. Vorrichtung zum Kompensieren der axialen (z; 58) Komponenten externer zeitvarianter Feldstörungen (50) in dem Magnetfeld, das in dem Probenraum einer supraleitenden Magnetspule (1) mit hoher Feldhomogenität herrscht, mit mindestens einer Induktionsspule (20) zum Erfassen der axialen (z; 58) Komponenten des Störfeldes (50), die in guter Näherung mit der Magnetspule (1) koaxial ist, einem auf die in der Induktionsspule (20) induzierte Spannung ansprechenden Steuergerät (6, 7, 8, 9, 7′, 8′, 9′) und mindestens einer den Probenraum umschließenden Kompensationsspule, (3), der ein mittels des Ausgangssignals des Steuergeräts (6, 7 8, 9, 7′, 8′, 9′) eingestellter zeitvarianter Kompensationsstrom (i_Komp) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (20) aus zwei in Reihe geschalteten, gegensinnigen Teilspulen (2a′, 2b′) besteht, deren Durchmesser (2r_a′, 2r_b′) groß sind gegen die Differenz (2r_b′ - 2r_a′) dieser Durchmesser und daß sich der Zwischeraum zwischen den Windungen der Teilspulen (2a′, 2b′) in einem Bereich außerhalb der Magnetspule (1) befindet, in dem die axiale (z; 58) Komponente des Streufelds der Magnetspule (1) einen kleinen Wert hat, wodurch die magnetische Kopplung mit der Magnetspule (1) in guter Näherung verschwindet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus der Verschiebung (z) der Induktionsspule (20) in Achsenrichtung (z; 58) relativ zum Zentrum (32; z = 0, r = 0) der Magnetspule (1) und dem Abstand der Windungen der Induktionsspule (20) vom Zentrum (32) etwa 0,577 ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionen der Teilspulen (2a′, 2b′) der Induktionsspule (20) so gewählt werden, daß im Bereich des Zwischenraums zwischen den Windungen der Teilspulen (2a′, 2b′) in Näherung die Ableitung der z-Komponente (B_z) des magnetischen Streufelds der Magnetspule (1) nach einer vorgegebenen verallgemeinerten Koordinate verschwindet oder daß die Induktionsspannungen mehrerer Induktionsspulen (20) zu einem Gesamtsignal so kombiniert werden, daß das durch eine Bewegung der Magnetspule (1) entlang der verallgemeinerten Koordinate induzierte Gesamtsignal verschwindet, wodurch Vibrationen der Magnetspule (1) relativ zur Induktionsspule (20) entlang dieser verallgemeinerten Koordinate keine Spannung in der Induktionsspule (20) induzieren bzw. kein Gesamtsignal erzeugen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinate die Achsenrichtung (z; 58) der Magnetspule (1) ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Induktionsspulen (2, 2a-h, 20) verwendet und diese so dimensioniert und positioniert bzw. ihre induzierten Spannungen so kombiniert werden, daß Fluktuationen des Streufelds der Magnetspule (1) und Vibrationen der Magnetspule (1) entlang einer oder mehrerer vorgegebener verallgemeinerter Koordinaten im Gesamtsystem der Induktionsspulen (2, 2a-h, 20) in guter Näherung effektiv keine Induktionsspannung hervorrufen bzw. daß die einzelnen induzierten Spannungen durch das Steuergerät (6, 7, 8, 9, 7′, 8′, 9′) zum Gesamtsignal Null kombiniert werden.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationspule (3, 3a, 3b) die Magnetspule (1) umschließt und von dieser beabstandet ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Kompensationsspulen (3, 3a, 3b) vorgesehen sind, deren Positionen, Querschnitte und Windungszahlen so gewählt sind, daß sich unter Berücksichtigung gegebener Randbedingungen ein Kompensationsfeld erzielen läßt, das über das Volumen der Magnetspule (1) möglichst homogen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspulen (3, 3a, 3b) in der Art von Helmholtz- oder Doppel-Helmholtz-Spulen angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspannungen der Induktionsspulen (2, 2a-h, 20) im Steuergerät (6, 7, 8, 9, 7′, 8′, 9′) zu einem Regelsignal verarbeitet werden, das durch Beschicken der Kompensationsspulen (3, 3a, 3b) mit Strömen ständig auf Null geregelt wird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß durch exakte relative Positionierung, definierte Wahl der Spulenform oder durch den Einsatz von zur Kompensations- (3, 3a, 3b) und/oder Induktionsspule (2, 2a-h, 20) parallel oder in Serie geschalteten Hilfsspulen (4, 4a-h) die magnetische Kopplung zwischen Kompensations- (3, 3a, 3b) und Induktionsspule (2, 2a-h, 20) so eingestellt ist, daß die dem Steuergerät (6, 7, 8, 9, 7′, 8′, 9′, 9x. 9y, 9z) zugeführte Gesamtinduktionsspannung Null gerade der Gesamtmagnetfeldänderung Null im Bereich der Magnetspule (1) entspricht.

19. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (6, 7, 8, 9, 7′, 8′, 9′, 9x, 9y, 9z) einen Rechner (6) enthält, dem die Induktionsspannungen der Induktionsspulen (2, 2a-h, 20) in digitalisierter Form zugeführt werden, und der daraus nach einem Regel- oder Steueralgorithmus (f(U_ind)) mit Hilfe vorab gespeicherter Parameter einem oder mehreren Digital-Analog-Wandler (8, 8′) Ausgabedaten zuführt, die in Kompensationsströme (i_Komp) für die Kompensationsspulen (3, 3a, 3b) umgewandelt werden.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Induktionsspulen (2, 2a-h, 20) vorhanden sind aus deren Induktionsspannungen ein Maß für die Größe eines Gradienten des Störfelds (50) ermittelt und bei der Steuerung berücksichtigt wird (9x, 9y, 9z).

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß drei Gradienten (dBz/dx, dBz/dy, dBz/dz) ermittelt und bei der Steuerung berücksichtigt werden (9x, 9y, 9z).

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß Gradienten-Kompensationsspulen (5, 5x, 5y, 5z) vorgesehen sind, die derart angesteuert werden (i_{Grad x}, i_{Grad y}, i_{Grad z}), daß sie die ermittelten Gradienten des Störfelds (50) kompensieren.

23. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationsspule (3, 3a, 3b) im Innern der Bohrung des Magneten (1) angeordnet ist.

24. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des Regel- bzw. Steueralgorithmus' (f(U_ind), f′(U₁, U₂, . . .), f″(U₁, U₂, . . .), f′′′(U₁, U₂, . . .)) dadurch ermittelt wurden, daß in einem iterativen Verfahren die zeitliche Störung eines Kernresonanzsignals durch Störfelder (50) jeweils minimiert wurde.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß sie Teil eines Kernresonanzspektrometers ist und daß die Parameter während des Betriebs des Kernresonanzspektrometers zumindest teilweise ständig neu optimiert werden.