本發(fā)明涉及一種NMR(核磁共振)設備中的磁體裝置，所述磁體裝置具有用于沿z-軸方向生成均勻磁場的超導磁體線圈系統(tǒng)，其中所述超導磁體線圈系統(tǒng)布置于具有內部He管的He罐中，內部He管在操作時盛裝有用于冷卻所述線圈的液態(tài)氦并且以機械方式剛性地連接至所述He罐，其中具有內部輻射屏蔽管的輻射屏蔽裝置在一定距離處包圍所述He罐，以便降低液態(tài)氦的蒸發(fā)率，并且由軟磁性材料所構成的場成形裝置布置于所述內部He管與所述內部輻射屏蔽管之間的空間中，以便調整所述均勻磁場(即勻場)。

在JP 3737636 B2中公開這樣的裝置。

背景技術：

超導磁體系統(tǒng)的應用領域包括不同的應用區(qū)域，特別是磁共振方法。為了在這樣的方法中獲得良好的分辨率，樣品體積中的磁場必須具有較高的均勻度?？赏ㄟ^場生成磁體線圈的幾何布置使超導磁體的基本均勻性最優(yōu)化。

經常地，在磁體線圈中設置其中未纏繞有金屬絲的間隙(所謂的槽口結構)，以便改進磁場的均勻性。然而，結果是，失去了用于磁體繞組的寶貴的空間，這使磁體更昂貴并且增加雜散磁場。在根據US 6,617,853B2所述的裝置中，由于設置充當磁體線圈中的某些槽口結構的作用的一個或多個軟磁環(huán)，用于高分辨率頻譜學的超導磁體構造得更緊湊。

可以以一系列球諧函數在樣品體積中將根據US 6,617,853 B2所述的裝置的磁場的z-分量展開：

其中，根據設計，系數A_nm(其中m≠0)以及所有的系數B_nm消失。由于磁體裝置中的制造公差，系數A_nm以及B_nm與所計算的值不同。通常使用勻場線圈(均可用它們自己的電流使它們激勵)來校正這些未消失的系數。在其中所述系數與它們所期望的值極為不同的情況下，可能是因為在某些勻場線圈中所需要的電流過高并且不能按照需要校正磁體裝置的磁場。替代地，可能是因為，由于未為磁場設置勻場線圈，不能校正在以一系列球諧函數將磁場展開的過程中的有問題的系數。在這樣的情況下，需要對磁體系統(tǒng)(其中必須替換磁體裝置的部分)進行昂貴的修理。

設置由軟磁性材料所構成的合適的場成形裝置，以便改進磁場均勻性而不需要纏繞新的磁體線圈。

在DE 10 16 505 A1中描述了由金屬片或箔所構成的不同類型的場成形裝置。在JP 4384220 B2中具體規(guī)定了其中金屬片或箔具有切割的矩形窗口的特殊情況。在DE 10 2012 220 126 A1中也公開了金屬片中的不連續(xù)的孔。

特別地形成的場成形裝置還可具有免除以上所描述的超導磁體線圈中的槽口結構的目的，以便使磁體更緊湊，例如如在DE 10 104 054 C1中所解釋說明的。

在JP 3737636 B2中討論了場成形裝置的另一個重要的方面，在引言中引用了JP 3737636 B2：軟磁性材料的飽和磁化強度為依賴溫度的。這種依賴性在高溫(比如，例如室溫)條件下是特別顯著的。由于可變的飽和磁化強度，場成形裝置的較小的溫度變化則引起工作體積中的場的改變，這可能不利地影響NMR測量。

為了克服這一缺陷，有人提出將場成形裝置容置于He罐中。由于場成形裝置的較低的溫度以及通過液態(tài)氦對它的冷卻，形成用于穩(wěn)定狀態(tài)的理想的先決條件。然而，由于只能在測量工作體積中的場之后設置場成形裝置的大小，所以在可將場成形裝置安裝于氦罐中之前，必須在第一磁體測試之后加熱低溫恒溫器并且將所述低溫恒溫器完全地拆除。這樣的操作耗費時間和金錢。

作為一種可能的解決方案，DE 10 2012 220 126 A1還提出將場成形裝置冷卻至液態(tài)氦的溫度，以便改進場成形裝置的磁性能。作為這種解決方案的一種替代方案，在DE 10 2012 220 126 A1提出的是，將場成形裝置容置于磁體裝置的、處于室溫條件下的區(qū)域中，所以，在操作狀態(tài)中，容易從外部接近場成形裝置的構件并且可修改場成形裝置的構件而無需加熱磁體線圈系統(tǒng)。

作為一種替代的解決方案，在于引言中所引用的JP 3737636 B2中，提出的是，將場成形裝置膠接至包圍He罐的氮罐的內部管。該內部管具有使室溫內部管的輻射遠離He罐的任務并且因此在下文中還被稱為內部輻射屏蔽管。通過低溫恒溫器的合適的設計，在第一磁體測試之后僅僅需要加熱低溫恒溫器并且不需要完全地將低溫恒溫器拆除。

然而，遺憾的是，這種表面上理想的解決方案具有JP 3737636 B2的作者已經明顯地忽略的主要的缺點：即，當氮填充高度發(fā)生改變時，氮罐運動，并且具有所安裝的場成形裝置的內部管自然地也與它一起運動。然而，這種運動現(xiàn)在引起工作體積中的磁場均勻性的顯著的變化，這在很多應用中是無法接受的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的

相反地，本發(fā)明以以下目的為基礎：用簡單的技術措施顯著地增加具有在引言中所限定的種類的場成形裝置的超導磁體裝置中的工作體積中的磁場均勻性而無需增加磁體裝置的體積，其中——例如，為了改裝的目的或者為了調節(jié)的目的——還能從外部容易地接近場成形裝置而無需對低溫恒溫器的、特別地對He罐或磁體裝置的復雜的拆除。

本發(fā)明的簡要描述

通過在引言中所提到的種類的磁體裝置以同等程度的非常簡單的且有效的方式實現(xiàn)該目的，所述磁體裝置的特征在于，場成形裝置固定于內部He管與內部輻射屏蔽管之間的空間中，以使得它與He罐處于剛性機械接觸同時不會觸碰所述內部輻射屏蔽管。因此通過本發(fā)明避免了現(xiàn)有技術的以上所提到的缺點，因為場成形裝置與氮罐機械地分離但是設置于He罐外部。

與現(xiàn)有技術相比，另外的優(yōu)點：

由于超導磁體線圈系統(tǒng)同樣剛性地連接至He罐，防止了場成形裝置的、相對于超導磁體線圈系統(tǒng)的運動，其結果是，工作體積中的均勻性保持穩(wěn)定。

場成形裝置至He罐的良好的熱接觸并非絕對必要的，因為即使沒有與He罐熱接觸它的溫度也能由于內部He管與內部輻射屏蔽管的聯(lián)合輻射而自我改變。在操作狀態(tài)中，所述內部管都處于非常恒定的低溫溫度，其結果是，場成形裝置的溫度同樣保持高度穩(wěn)定。

這使得能夠實現(xiàn)用于將場成形裝置固定至He罐的很多不同的選擇。本文中所使用的材料并不一定必須具有良好的導熱性。只要保證至He罐的剛性機械連接，較差的熱接觸表面也是可允許的。

本發(fā)明的優(yōu)選的實施例和改進

在大多數低溫恒溫器中，內部輻射屏蔽管以機械方式剛性地固定并且與液態(tài)氮罐熱接觸(即在可換熱的意義上接觸)。熱接觸給予內部輻射屏蔽管它的較低的溫度。該較低的溫度對于輸入至He罐的較低的輻射是決定性的，通過這一點使He損失最小化。

在其它低溫恒溫器中，通過與低溫冷凍機熱接觸使內部輻射屏蔽管達到它的操作溫度。該溫度可能比液態(tài)氮的溫度更低，這另外地降低He損失。這樣的低溫恒溫器還具有的優(yōu)點是，它們不需要用于液態(tài)氮的空間，這使得能夠設計更緊湊的低溫恒溫器。

在根據本發(fā)明所述的磁體裝置中，包含由軟磁性材料所構成的圓柱形主體的場成形裝置也是有利的。這樣的主體具有要被設置于內部He管與內部輻射屏蔽管之間的理想的形狀。這樣的主體的生產也是相對簡單的。

圓柱形主體中的非旋轉對稱的(non-cylindrical symmetrical)切口具有為工作體積中的磁場的勻場操作(shim)提供很大的靈活性的優(yōu)點。這些切口可為或者可不為通孔。通孔更容易生產；然而，非通孔為場成形裝置的設計給予更多靈活性。

以上所描述的根據本發(fā)明所述的場成形裝置必須被布置成使得它的、相對于超導磁體線圈系統(tǒng)的位置總是被良好地限定并且在操作狀態(tài)中及時保持恒定。存在實現(xiàn)該條件的很多方式。

一種可能性是使用支撐管，通過所述支撐管設置場成形裝置的至少某些部分。通常，這些部分組成具有或不具有切口的一個或多個圓柱體。優(yōu)選地，它們很好地機械地連接至所述支撐管。在豎直系統(tǒng)的情況下，固有的重量可為該機械連接部。在具有切口的圓柱體的情況下，其取向也是重要的?；ユi連接部可為這個問題的解決方案。替代地，還可將支撐管焊接或膠接至所述一個或多個圓柱體。例如，支撐管可以旋擰到He罐的底部。用在場成形裝置的每一側上的支撐管的解決方案也是可能的。

另一種可能性是通過夾持機構將場成形裝置的至少某些部分連接至內部He管。通過該解決方案可省略支撐管。通過合適的設計，若需要，則可進一步將場成形裝置的這些部分移除。

在本發(fā)明的其它實施例中，可將場成形裝置的至少某些部分膠接至內部He管的外表面。這種解決方案具有的優(yōu)點是，場成形裝置的這些部分相對于磁體線圈系統(tǒng)機械地穩(wěn)定地設置。然而，必須確保的是，所使用的粘合劑適合于低溫應用。

在根據本發(fā)明所述的磁體裝置的另一個有利的實施例中，場成形裝置包含布置于載體管上的、由軟磁性材料所構成的箔。如同以上所描述的支撐管，所述載體管機械地連接至He罐?？蓡为毜卦O計由軟磁性材料所構成的每個箔，這與用一個或多個圓柱體的解決方案相比在設計方面給予更大的范圍。

特別地有利地，本發(fā)明可與磁體線圈系統(tǒng)一同使用，所述磁體線圈系統(tǒng)包含用高溫超導材料所纏繞的至少一個線圈。在具有高溫超導體(特別地帶狀導體)的磁體的情況下，較差的均勻性是主要問題。造成該問題的一個原因是，這些導體中的超導層通常為幾毫米寬，因此使超導電流不均勻地分布。與用傳統(tǒng)的低溫超導體(其中載流細絲通常具有百分之幾毫米的直徑)相比，這導致工作體積中的更大的潛在的場不均勻性。除此之外，用來改進均勻性的電致動低溫勻場線圈比高溫超導體徑向地更加遠離磁體軸線定位。當用電流操作它們時，在高溫超導體中引起遮蔽工作體積中的勻場線圈的磁場的電流。低溫勻場線圈因此常常不能夠補償工作體積中的磁場不均勻性并且必須尋求替代的解決方案。

其中磁體線圈系統(tǒng)具有主動屏蔽裝置的一個實施例也是優(yōu)選的。該主動屏蔽裝置減小磁體裝置的雜散磁場，所以能在實驗室里獲得用于其它應用的更多的空間。

根據本發(fā)明所述的磁體裝置的這樣的實施例也是有利的，在該實施例中，場成形裝置為完全地磁飽和的并且僅僅軸向地(沿z軸方向)使場成形裝置磁化。在這種情況下，對由場成形裝置所產生的場的計算是特別容易的且精確的。

根據本發(fā)明所述的磁體裝置的這樣的實施例也是有利的，在該實施例中，已經使場成形裝置的部分經受表面處理，特別地已經使這些部分激勵。該表面處理形成最佳的防腐蝕保護，其特別地對于由軟鐵所構成的部分是不可缺少的。

根據本發(fā)明所述的磁體裝置的一個特別優(yōu)選的實施例的特征在于，場成形裝置包括由磁性材料所構成的多個元件。這為使場成形裝置最優(yōu)化提供更多的自由度。

一種用于生產根據本發(fā)明所述的、以上所描述的種類的磁體裝置的方法也落入本發(fā)明的范圍內，所述方法的特征在于，通過電火花腐蝕將非旋轉對稱的切口中的至少某些移除。用電火花腐蝕可實現(xiàn)較高的機械精確度。

替代地，在所述方法的另一個變形中，可以提供的是，通過蝕刻物質將非旋轉對稱的切口中的至少某些移除?？赏ㄟ^適當地覆蓋場成形裝置的、不需要隨后的精整加工的區(qū)域在酸槽中通過刻蝕工藝以簡單的方式將材料移除。必須改變刻蝕時間，以使得將正確的厚度的材料移除。

通過方法的這樣一種變形提供另一種替代方案，在該變形中，通過電解作用將非圓周地對稱的切口中的至少某些移除。其中，如在方法的上述變形中，使用電解槽代替酸槽。

最后，在方法的另一種變形中，還可通過研磨或銑削將非旋轉對稱的切口中的至少某些移除。研磨和銑削為每一位嚴謹的工程師所掌握的古老的方法。此外，不需要專用的與設備相關的儀器來執(zhí)行這些工藝。

在根據本發(fā)明所述的磁體裝置的、具有呈通過場成形裝置的通孔的形式的非旋轉對稱的切口的實施例中，還可用激光束切割所述孔。激光方法的一個顯著的優(yōu)點是非常高的機械精度，這使得能夠非常精確地生產更復雜的指定的形狀。

可根據說明書以及附圖理解本發(fā)明的另外的優(yōu)點。同樣，根據本發(fā)明，以上所陳述的特征以及進一步所解釋說明的特征在每一種情況下可以以它們自身的能力單獨地應用或者以任何組合共同地應用。所示出和描述的實施例不應當被理解為結論性的列舉，相反地，它們具有用于示例說明本發(fā)明的示例性特征。

附圖說明

在附圖中示出本發(fā)明并且參考示例性實施例更詳細地解釋說明本發(fā)明。在附圖中：

圖1示出通過根據本發(fā)明所述的磁體裝置的徑向的一半的豎直剖視示意圖，其中場成形裝置通過支撐管固定至氦罐的底部；

圖2示出支撐管與場成形裝置；

圖3示出通過根據本發(fā)明所述的磁體裝置的徑向的一半的豎直剖視示意圖，其中場成形裝置通過夾持機構固定至內部He管；

圖4示出通過根據本發(fā)明所述的磁體裝置的徑向的一半的豎直剖視示意圖，其中場成形裝置包含安放于固定至氦罐的底部的載體管上的箔；

圖5示出通過根據本發(fā)明所述的磁體裝置的徑向的一半的豎直剖視示意圖，所述磁體裝置具有He罐、輻射屏蔽罐以及具有液態(tài)氮的罐；

圖6示出通過根據本發(fā)明所述的磁體裝置的徑向的一半的豎直剖視示意圖，所述磁體裝置具有He罐以及輻射屏蔽罐，用低溫冷凍機使所述輻射屏蔽罐達到它的操作溫度；

圖7示出具有通孔的場成形裝置；以及

圖8示出具有非通孔的場成形裝置。

具體實施方式

圖1示出通過根據本發(fā)明所述的磁體裝置的徑向的一半的豎直剖視示意圖，其中場成形裝置P通過支撐管P0固定至氦罐的底部。超導磁體線圈系統(tǒng)C以機械方式剛性地連接至He罐H1的底部。例如，支撐管P0可被用螺釘擰緊或被膠接至He罐的底部。然而，螺紋連接是更有利的，因為它可被再一次釋放。場成形裝置P可被焊接或膠接至支撐管P0。卡銷式連接器也是可能的。替代地，可將場成形裝置P夾持于兩個支撐管之間。

在圖2中示出在組裝之前的支撐管P0和場成形裝置P。在此示例中，場成形裝置P為具有切口A的圓柱體。

圖3示出通過根據本發(fā)明所述的磁體裝置的徑向的一半的豎直剖視示意圖，其中場成形裝置P通過夾持機構P1固定至內部He管H。在此種布置方式中不需要支撐管。夾持機構P1可由與場成形裝置P相同的或不同的材料構成。當選擇相同的材料時，場成形裝置P以及夾持機構P1可由單一的工件構成。然而，在場成形裝置P的設計方面必須考慮夾持機構P1對工作體積中的磁場均勻性的影響。

圖4示出通過根據本發(fā)明所述的磁體裝置的徑向的一半的豎直剖視示意圖，其中場成形裝置P包含安放于固定至氦罐的底部的載體管P0上的箔。還可以以疊置的方式將多個箔布置于載體管上，優(yōu)選地用適合于低溫的膠條實現(xiàn)。所述箔可采取不同的形式。例如，它們可具有圖案不同的孔。它們可覆蓋載體管的整個圓周或者僅僅一部分。優(yōu)選地，載體管包括用于附接軟磁箔的槽。這確保了軟磁箔在插入載體管時保持不受損害。

圖5示出通過根據本發(fā)明所述的磁體裝置的徑向的一半的豎直剖視示意圖，所述磁體裝置具有超導磁體線圈系統(tǒng)C、He罐H1、輻射屏蔽罐S2以及具有液態(tài)氮的罐S1。在這種情況下，內部輻射屏蔽管S并非輻射屏蔽罐S2的部分但是以導熱方式連接至氮罐S1。具有內部管R的室溫罐R1包圍氮罐S1。在操作時，真空存在于所述罐之間的空間中。還示出了超導磁體線圈系統(tǒng)C的對稱軸線z以及圍繞平面z＝0的工作體積AV。

圖6示出通過根據本發(fā)明所述的磁體裝置的徑向的一半的豎直剖視示意圖，所述磁體裝置具有超導磁體線圈系統(tǒng)C、He罐H1以及輻射屏蔽罐S2，用低溫冷凍機CC使所述輻射屏蔽罐S2達到它的操作溫度。輻射屏蔽罐S2熱連接至內部輻射屏蔽管S。如在以上附圖中，還示出具有內部管R的室溫罐R1、對稱軸線z以及圍繞平面z＝0的工作體積AV。

在圖7中示出具有通孔A的場成形裝置P。通孔A在形式和尺寸方面被確定成使得工作體積中的磁場為盡可能均勻的。

最后，圖8示出具有非通孔A的場成形裝置P。例如可通過刻蝕工藝或通過電火花腐蝕產生這些非通孔A。

附圖標記

C 磁體線圈系統(tǒng)

H 內部He管

H1 He罐

S 內部輻射屏蔽管

S1 具有液態(tài)氮的罐

S2 輻射屏蔽罐

P 場成形裝置

P0 支撐管/載體管

P1 夾持機構

A 切口

AV 工作體積

R 室溫內部管

R1 室溫罐

CC 低溫冷凍機