DE102006034471B4 - Device for generating a graded homogeneous magnetic field - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Beaufschlagung einer Probe (3) mit einem gradierten homogenen Magnetfeld, umfassend mindestens einen magnetischen Körper (1) und eine diesen Körper umgebende Anordnung (2) mit magnetisierten Bereichen, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche, die über die Probe (3) geführt wird, mindestens ein magnetischer Südpol (1a) des magnetischen Körpers (1) an einen magnetischen Südpol (2a) eines magnetisierten Bereichs grenzt und mindestens ein magnetischer Nordpol (1b) des magnetischen Körpers (1) an einen magnetischen Nordpol (2b) eines magnetisierten Bereichs grenzt, so dass die jeweils gleichen Pole an der Oberfläche, die über die Probe (3) geführt wird, zusammentreffen.Apparatus for subjecting a sample (3) to a graded homogeneous magnetic field, comprising at least one magnetic body (1) and an arrangement (2) with magnetized areas surrounding said body, characterized in that, on the surface which projects beyond the sample (3) at least one magnetic south pole (1a) of the magnetic body (1) is adjacent to a south magnetic pole (2a) of a magnetized region and at least one north magnetic pole (1b) of the magnetic body (1) is magnetized to a north magnetic pole (2b) Area bounded so that the same poles on the surface, which is passed over the sample (3), meet.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines gradierten homogenen Magnetfelds.The The invention relates to a device for producing a graduated homogeneous magnetic field.

Stand der TechnikState of the art

Für Magnetresonanzuntersuchungen ist es notwendig, die zu untersuchende Probe einem hohen statischen Magnetfeld mit definierten Eigenschaften auszusetzen. Insbesondere wird häufig ein Magnetfeld benötigt, welches in einer Ebene möglichst homogen ist und senkrecht zu dieser Ebene einen definierten Gradienten aufweist (gradiertes homogenes Magnetfeld).For magnetic resonance examinations it is necessary that the sample to be examined has a high static To expose magnetic field with defined characteristics. Especially becomes common a magnetic field is needed which in a plane as possible is homogeneous and perpendicular to this plane a defined gradient has (graded homogeneous magnetic field).

Aus J. Mitchell, P. Blümler, P. J. McDonald, „Spatially resolved nuclear magnetic resonance studies of planar samples”, Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 48, 161 (2006), ist bekannt, dass sich hierfür beispielsweise das Streufeld eines starken supraleitenden Magneten ausnutzen lässt (Stray Field Imaging, STRAFI-Methode, siehe auch Samoilenko et al., JETP Letters 47, 417 (1998)). Nachteilig sind supraleitende Magnete groß und nicht mobil, was die Untersuchung ausgedehnter Proben erschwert. Zudem benötigen sie eine aufwendige Kühlung.Out J. Mitchell, P. Blumler, P.J. McDonald, "Spatially resolved nuclear magnetic resonance studies of planar samples ", Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 48, 161 (2006), it is known that for this for example, the stray field of a strong superconducting magnet exploit (Stray Field Imaging, STRAFI method, see also Samoilenko et al., JETP Letters 47, 417 (1998)). Disadvantageous are superconducting magnets big and not mobile, which makes the examination of extended samples difficult. In addition need They are a complex cooling.

Aus P. Glover et al., „A Novel High-Gradient Permanent Magnet for the Profiling of Planar Films and Coatings”, Journal of Magnetic Resonance 139, 90 (1990), sind Permanentmagnete mit speziellen Polschuhen bekannt (Gradient At Right Angles To Field, GARFIELD-Magnete). Diese Magnete benötigen weder eine Kühlung noch eine Energiequelle. Nachteilig muss jedoch die Probe zwischen den Polschuhen untergebracht werden, so dass die Untersuchung ausgedehnter Proben, wie etwa eines Baumstamms, auf Grund der dann nötigen Baugröße der Magnete nicht möglich ist.Out P. Glover et al., "A Novel High-Gradient Permanent Magnet for the Profiling of Planar Films and Coatings ", Journal of Magnetic Resonance 139, 90 (1990), are permanent magnets known with special pole shoes (Gradient At Right Angles To Field, GARFIELD magnets). These magnets need neither cooling nor an energy source. The disadvantage, however, the sample between the Pole shoes are housed, so that the investigation more extensive Samples, such as a tree trunk, due to the then necessary size of the magnets not possible is.

Aus Eidmann et al., „The NMR MOUSe, a mobile universal surface explorer”, Journal of Magnetic Resonance Series A 122 (1), 104–109, 1996), sind unilaterale Vorrichtungen aus mit einem Eisenjoch verbundenen Permanentmagneten bekannt, die in einem kleinen Bereich über ihrer Oberfläche ein Magnetfeld erzeugen. Diese Vorrichtungen sind so kompakt, dass sie über eine ausgedehnte Probe geführt werden können. Mit ihrer Hilfe können oberflächennahe Bereiche ortsfester ausgedehnter Proben mit Magnetresonanzmethoden untersucht werden. Nachteilig ist das Feld nicht ausreichend homogen und es lässt sich nur ein sehr kleines Probenvolumen untersuchen.Out Eidmann et al., "The NMR MOUSe, a mobile universal surface explorer ", Journal of Magnetic Resonance Series A 122 (1), 104-109, 1996), unilateral devices are associated with an iron yoke Permanent magnets known to be in a small area above their surface generate a magnetic field. These devices are so compact that she over be conducted an extensive sample can. With their help you can shallow Areas of fixed extended samples using magnetic resonance methods to be examined. The disadvantage is that the field is not sufficiently homogeneous and it leaves examine only a very small sample volume.

Aus US 2006/0061445 A1 ein Permanentmagnet bekannt, der aus Segmenten von Permanentmagneten zusammengesetzt ist. Je nach Ausrichtung der Magnetisierungsrichtung der einzelnen Permanentmagnete kann die gewünschte Magnetisierungsrichtung eingestellt und optimiert werden kann.Out US 2006/0061445 A1 a permanent magnet is known, which is composed of segments of permanent magnets. Depending on the orientation of the magnetization direction of the individual permanent magnets, the desired magnetization direction can be set and optimized.

Aufgabe und LösungTask and solution

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die ein gradiertes homogenes Feld in einem größeren Probenvolumen, mit einer besseren Homogenität und mit einem konstanteren Gradienten zu erzeugen vermag als nach dem Stand der Technik.task The invention is therefore to a device available provide a graded homogeneous field in a larger sample volume, with a better homogeneity and with a more constant gradient than after State of the art.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.These The object is achieved by a device according to the main claim. Further advantageous embodiments will be apparent from the following referred back Dependent claims.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Im Rahmen der Erfindung wurde eine Vorrichtung zur Beaufschlagung einer Probe mit einem Magnetfeld entwickelt, die mindestens einen magnetischen Körper und eine diesen Körper umgebende Anordnung mit magnetisierten Bereichen umfasst. Erfindungsgemäß dreht sich die Magnetisierung in den magnetisierten Bereichen entlang mindestens eines Weges um den Körper monoton um die mittlere Magnetisierung des Körpers.in the The invention has a device for applying a Probe with a magnetic field that develops at least one magnetic body and this body surrounding arrangement with magnetized areas. Turns according to the invention the magnetization in the magnetized areas along at least one way around the body monotonous about the mean magnetization of the body.

Im speziellen Beschreibungsteil sind Ausführungsbeispiele für eine derartige Drehung angegeben. In diesen Ausführungsbeispielen ist die Magnetisierung in den magnetisierten Bereichen im Wesentlichen koplanar zur mittleren Magnetisierung des Körpers: Die durch Pfeile dargestellten Magnetisierungsrichtungen des Körpers und der magnetisierten Bereiche liegen jeweils in der Zeichenebene.in the special description part are embodiments of such Rotation specified. In these embodiments, the magnetization is in the magnetized areas substantially coplanar with the middle one Magnetization of the body: The magnetization directions of the body represented by arrows and the magnetized areas are each in the plane of the drawing.

Unter der mittleren Magnetisierung des Körpers wird das vektoriell arithmetische Mittel der Magnetisierungen aller magnetischen Domänen des Körpers verstanden. In der Regel ist ein ausgedehnter Körper mit einer definierten Magnetisierungsrichtung nicht eindomänig.Under the mean magnetization of the body becomes the vectorial arithmetic Means of magnetizations of all magnetic domains of the body Understood. As a rule, an extended body with a defined Magnetization direction not one-domed.

Es wurde erkannt, warum die unilaterale Vorrichtung nach dem Stand der Technik nur ein ungenügend homogenes Feld in einem kleinen Raumgebiet erzeugte: Die in diesem Bereich parallel zur Oberfläche der Vorrichtung verlaufenden magnetischen Feldlinien müssen in die Permanentmagnete zurückgeführt werden. Dies bewirkt Magnetfeldkomponenten, die von dem erwünschten gradierten homogenen Feld abweichen. Die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung wirkt nun überraschenderweise über die in ihr vorgesehene Drehung der lokalen Magnetisierung den unerwünschten Magnetfeldkomponenten, die durch die Rückführung der Feldlinien entstehen, entgegen. Die durch den Körper und die Anordnung bewirkten Magnetfelder addieren sich vektoriell. Das Resultat ist ein Magnetfeld, welches in einem deutlich größeren Bereich die vorteilhaften Eigenschaften eines gradierten homogenen Magnetfelds aufweist als das durch die unilaterale Vorrichtung gemäß Stand der Technik erzeugte Magnetfeld.It was recognized why the prior art unilateral device produced only insufficiently homogeneous field in a small space area: the magnetic field lines running in this area parallel to the surface of the device must be returned to the permanent magnets. This causes magnetic field components that deviate from the desired graded homogeneous field. The inventively provided arrangement now surprisingly acts on the intended in her rotation of the local magnetization unwanted magnetic field components ent by the return of the field lines stand, contrary. The magnetic fields caused by the body and the arrangement add up vectorially. The result is a magnetic field which has in a significantly larger range the advantageous properties of a graded homogeneous magnetic field than the magnetic field generated by the unilateral device according to the prior art.

So ist aus US 2006/0061445 A1 zwar ein Permanentmagnet bekannt, der aus Segmenten von Permanentmagneten zusammengesetzt ist und je nach Ausrichtung der Magnetisierungsrichtung der einzelnen Permanentmagnete die gewünschte Magnetisierungsrichtung eingestellt und optimiert werden kann. Durch das Fehlen des erfindungsgemäßen magnetischen Körpers, der eine diesen Körper umgebende Anordnung mit magnetisierten Bereichen aufweist, kann hier jedoch nur ein homogenes Magnetfeld ohne Gradient eingestellt werden.That's how it is US 2006/0061445 A1 Although a permanent magnet known, which is composed of segments of permanent magnets and depending on the orientation of the magnetization direction of the individual permanent magnets, the desired direction of magnetization can be adjusted and optimized. Due to the absence of the magnetic body according to the invention, which has an arrangement with magnetized regions surrounding this body, however, only a homogeneous magnetic field without a gradient can be set here.

Zur konkreten Auslegung der Vorrichtung können auf der Basis der erfindungs gemäßen Lösung, dass sich die Magnetisierung in den magnetisierten Bereichen entlang mindestens eines Weges um den Körper monoton um die mittlere Magnetisierung des Körpers dreht, die geläufigen Methoden der Magnetostatik verwendet werden. Unter derartigen geläufigen Methoden wird insbesondere die Lösung der Maxwellschen Gleichungen, gegebenenfalls durch numerische Optimierung, verstanden. Diese Methoden liefern jedoch nicht die erfindungsgemäße Lösung selbst, sondern nur die Designparameter spezieller Ausgestaltungen.to concrete design of the device can on the basis of the inventive solution that the magnetization in the magnetized areas along at least one way around the body monotonically rotating around the mean magnetization of the body, the common methods the magnetostatics are used. Among such common methods In particular, the solution is the Maxwell's equations, possibly by numerical optimization, Understood. However, these methods do not provide the solution according to the invention itself, but only the design parameters of special designs.

Für einen gegebenen Körper lässt sich, beispielsweise mit Finite-Elemente-Rechnung und Parameteroptimierung, eine Anordnung kreieren, die den unerwünschten Feldkomponenten in der erfindungsgemäßen Weise entgegen wirkt. In eine solche Rechnung können weitere anwendungsrelevante Randbedingungen einfließen. Derartige Randbedingungen können beispielsweise darin bestehen, dass bestimmte Formen von Magneten einfacher herzustellen sind als andere.For one given body let yourself, For example, with finite element calculation and parameter optimization, a Create arrangement that the unwanted field components in the manner according to the invention counteracts. In such an invoice, further application-relevant boundary conditions incorporated. Such boundary conditions can For example, there are certain forms of magnets easier to make than others.

Wird die Vorrichtung an eine Probe angelegt, so wird in einem Raumgebiet in dieser Probe ein gradiertes homogenes Magnetfeld erzeugt. Die genaue Ausdehnung dieses Feldes, seine Stärke und sein Gradient hängen von der konkreten Ausgestaltung des Körpers ab.Becomes the device is applied to a sample, so is in a space area generates a graded homogeneous magnetic field in this sample. The exact extension of this field, its strength and its gradient depend on the concrete design of the body.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Körper eine mindestens in einem Teilbereich nicht von der Anordnung umgebene, im Wesentlichen plane, vorzugsweise plane Oberfläche auf. Diese Oberfläche kann über die zu untersuchende ausgedehnte Probe geführt werden. Dadurch wird der Abstand des Körpers zur Probe minimiert, so dass die Stärke des in der Probe erzeugten gradierten homogenen Feldes maximiert wird. Das Feld ist in einem bestimmten Raumgebiet homogen in einer Ebene parallel zur planen Oberfläche und weist in diesem Raumgebiet senkrecht zu dieser Oberfläche einen konstanten Gradienten auf. Ist der Körper parallel zu seiner planen Oberfläche magnetisiert, so kann mit einer passenden Anordnung über etwa die halbe Ausdehnung seiner planen Oberfläche und in einem von der Stärke seiner Magnetisierung abhängigen Tiefenbereich in der Probe ein gradiertes homogenes Feld B mit einer relativen Abweichung ΔB/B von der Homogenität von weniger als 10–5 erzeugt werden. Die Magnetisierung des Körpers muss für derartige Ergebnisse streng parallel zur planen Oberfläche sein.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the body has an at least in a partial region not surrounded by the arrangement, substantially planar, preferably planar surface. This surface can be passed over the extended sample to be examined. This minimizes the body to sample distance, thus maximizing the strength of the graded homogeneous field generated in the sample. The field is homogeneous in a certain spatial area in a plane parallel to the plane surface and has a constant gradient perpendicular to this surface in this spatial area. If the body is magnetized parallel to its plane surface, then with a suitable arrangement over approximately half the extent of its plane surface and in a depth range in the sample which depends on the strength of its magnetization, a graded homogeneous field B with a relative deviation ΔB / B of Homogeneity of less than 10 -5 are generated. The magnetization of the body must be strictly parallel to the plane surface for such results.

Vorteilhaft schließt die Anordnung bündig mit der planen Oberfläche des Körpers ab. Dann kann die Vorrichtung als Ganzes definiert über eine ebene Probe geführt werden, ohne dass sie verkippen kann. Zudem haben Simulationen ergeben, dass sich mit einer derartigen Anordnung die unerwünschten Feldkomponenten des Körpers am besten kompensieren lassen. Dadurch werden die Abweichungen des Magnetfelds von der gewünschten gradierten homogenen Form vermindert.Advantageous includes the arrangement flush with the flat surface of the body from. Then the device can be defined as a whole via a level sample passed without being able to tip over. In addition, simulations have revealed that with such an arrangement, the unwanted Field components of the body best compensated. As a result, the deviations of Magnetic field of the desired graded homogeneous form diminished.

Die erfindungsgemäß erhöhte Qualität und Ausdehnung des gradierten homogenen Magnetfelds sind besonders ausgeprägt, wenn das Vektorprodukt aus dem mittleren Magnetisierungsvektor des Körpers mit der Normalen auf der planen Oberfläche des Körpers in einem rechtwinkligen, insbesondere rechtshändigen, Koordinatensystem die Achse bildet, um die sich die ortsabhängige Magnetisierung in den magnetisierten Bereichen dreht. Was hierunter zu verstehen ist, verdeutlicht 1 im Speziellen Beschreibungsteil. Bei einem rechtshändigen Koordinatensystem sollte sich die ortsabhängige Magnetisierung in mathematisch positiver Drehrichtung und bei einem linkshändigen Koordinatensystem in mathematisch negativer Drehrichtung drehen.The inventively increased quality and extent of the graded homogeneous magnetic field are particularly pronounced when the vector product from the mean magnetization vector of the body with the normal on the planar surface of the body in a rectangular, in particular right-handed, coordinate system forms the axis around which the location-dependent magnetization rotates in the magnetized areas. What is meant by this clarifies 1 in particular part of description. In a right-handed coordinate system, the location-dependent magnetization should rotate in a mathematically positive direction of rotation and in a left-handed coordinate system in a mathematically negative direction of rotation.

Idealerweise sind die Magnetisierung des Körpers und die Drehrichtung der ortsabhängigen Magnetisierung in den magnetisierten Bereichen derart aufeinander abgestimmt, dass an der planen Oberfläche mindestens ein magnetischer Südpol des Körpers an einen magnetischen Südpol eines magnetisierten Bereichs grenzt und mindestens ein magnetischer Nordpol des Körpers an einen magnetischen Nordpol eines magnetisierten Bereichs grenzt.Ideally are the magnetization of the body and the direction of rotation of the location-dependent magnetization in the magnetized areas matched to one another such that at the flat surface at least one magnetic south pole of the body to a magnetic south pole a magnetized area is adjacent and at least one magnetic North pole of the body adjacent to a magnetic north pole of a magnetized region.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die mittlere Magnetisierung des Körpers dem auf seiner planen Oberfläche durch die Anordnung bewirkten Magnetfeld bis auf eine Abweichung von 10 Grad oder weniger, insbesondere bis auf eine Abweichung von 5 Grad oder weniger, entgegen gerichtet ist. Um dies zu erzielen, wird man für einen gegebenen Körper in der Regel einen parametrisierten Ansatz für die Anordnung machen und die freien Parameter mit einem Optimierungsverfahren bestimmen.In particular, it is advantageous if the mean magnetization of the body is directed against the magnetic field caused by the arrangement on its planar surface, to a deviation of 10 degrees or less, in particular to a deviation of 5 degrees or less. To achieve this, one becomes in for a given body usually make a parameterized approach to the arrangement and determine the free parameters with an optimization method.

Um mit Wechselfeldern Magnetresonanzen in der zu untersuchenden Probe anregen zu können, ist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auf der planen Oberfläche des Körpers beziehungsweise der Anordnung eine Spule angeordnet. Diese weist insbesondere eine Dicke von weniger als 2 mm, bevorzugt weniger als 1 mm auf, damit der Abstand zwischen Körper und Probe nicht unnötig vergrößert wird. Das durch den Körper bewirkte Magnetfeld nimmt quadratisch mit diesem Abstand ab. Hauptanwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Kernspinresonanzuntersuchungen (NMR). Bei diesen Untersuchungen wird im Interesse eines vorteilhaften Signal-Rausch-Verhältnisses ein besonders starkes und in der Ebene besonders homogenes Feld benötigt.Around with alternating fields magnetic resonance in the sample to be examined to be able to stimulate is in a particularly advantageous embodiment of the invention the plane surface of the body or the arrangement arranged a coil. This points in particular a thickness of less than 2 mm, preferably less than 1 mm, so that the distance between body and sample is not unnecessarily increased. That through the body caused magnetic field decreases quadratically with this distance. Main application the device according to the invention are nuclear magnetic resonance (NMR). In these investigations is in the interest of a favorable signal-to-noise ratio a particularly strong and particularly homogeneous field needed.

Sowohl für den Körper als auch für die Anordnung haben sich in der Simulation zylindrische und ellipsoidale Formgebungen besonders bewährt, wobei die ellipsoidale Form ausdrücklich auch die Kreisform umfasst. Alternativ kann die Anordnung quaderförmig ausgestaltet sein mit einer Aussparung, in die der Körper eingreift. In der Simulation ist dies mit keinem nennenswerten Qualitätsverlust verbunden. Jedoch lässt sich eine solche Anordnung besonders einfach und präzise durch mechanische Bearbeitung herstellen. Dies gilt im Besonderen dann, wenn auch der Körper eine Quaderform aufweist.Either for the body as well as for the arrangement have in the simulation cylindrical and ellipsoidal Shaping particularly proven, with the ellipsoidal form express also includes the circular shape. Alternatively, the arrangement can be configured cuboid be with a recess in which the body engages. In the simulation this is associated with no significant loss of quality. however let yourself Such an arrangement particularly simple and precise by mechanical processing produce. This is especially true when the body is one Has cuboid shape.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Anordnung und/oder der Körper Permanentmagnete. Diese benötigen weder Energiequelle noch Kühlung zur Aufrechterhaltung des Magnetfelds und sind somit mobil einsetzbar. Als Materialien für die Permanentmagnete sind insbesondere ferromagnetische Materialien aus der Gruppe Ferrit, NdFeB, SmCo5, Sm2Co17 oder AlNiCon (n = 2 – 9) geeignet.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the arrangement and / or the body comprise permanent magnets. These need neither energy source nor cooling to maintain the magnetic field and are therefore mobile to use. Particularly suitable materials for the permanent magnets are ferromagnetic materials from the group ferrite, NdFeB, SmCo 5 , Sm 2 Co 17 or AlNiCo n (n = 2 - 9).

Die Herstellung der Vorrichtung wird besonders vereinfacht, wenn die Anordnung eine Anzahl nominell identischer Permanentmagnete umfasst. Unter nominell identischen Magneten werden Magnete verstanden, die in ihren magnetischen Eigenschaften nur um Fertigungstoleranzen von einem gemeinsamen Wert abweichen beziehungsweise um diesen streuen. In diesem Fall lässt sich die Genauigkeit verbessern, indem eine größere Anzahl Magnete hergestellt wird. Hiervon wird für die Anordnung eine Auswahl derjenigen Magneten getroffen, deren Eigenschaften den nominellen Werten am nächsten liegen.The Production of the device is particularly simplified when the Arrangement comprises a number of nominally identical permanent magnets. Under nominally identical magnets are understood to mean magnets which are in their magnetic properties only to manufacturing tolerances of deviate from or spread around a common value. In this case lets Improve the accuracy by making a larger number of magnets becomes. This will be for the arrangement hit a selection of those magnets whose properties closest to the nominal values.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an jedem Ort im Körper das durch die Anordnung bewirkte Magnetfeld geringer als das lokale Koerzitivfeld des Körpers. Dann liefert die Anordnung lediglich das Gegenfeld, das die unerwünschten Feldkomponenten des Körpers kompensiert, ohne die Magnetisierung des Körpers selbst zu beeinflussen. Das Magnetfeld B0 der Anordnung und das Koerzitivfeld BC des Körpers stehen typischerweise in einem Verhältnis B0/BC zwischen 0,2 und 0,6.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the magnetic field caused by the arrangement is lower than the local coercive field of the body at any location in the body. Then the arrangement provides only the opposing field which compensates for the unwanted field components of the body without affecting the magnetization of the body itself. The magnetic field B 0 of the array and the coercive field B C of the body are typically in a ratio B 0 / B C between 0.2 and 0.6.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung mehrere Körper mit unterschiedlich starken mittleren Magnetisierungen. Von der Stärke der Magnetisierung hängt es ab, in welcher Tiefe in der zu untersuchenden Probe sich der nutzbare Bereich mit dem gradierten homogenen Feld bildet. Werden die unterschiedlichen Körper benachbart angeordnet, lassen sich Informationen aus unterschiedlichen Tiefen in der Probe abfragen, indem die Vorrichtung relativ zur Probe bewegt wird.In a further advantageous embodiment of the invention the device has several bodies with different mean magnetizations. Of the Strength the magnetization depends at what depth in the sample to be examined is the usable range with the graded homogeneous field forms. Become the different bodies arranged adjacent, information can be from different Interrogate depths in the sample by moving the device relative to the Sample is moved.

Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:following the object of the invention is explained in more detail with reference to figures, without that the subject of the invention is limited thereby. It is shown:

1: Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 : Embodiment of the device according to the invention.

2: Durch die Vorrichtung aus 1 bewirkte Magnetfeldverteilung. 2 : Through the device 1 caused magnetic field distribution.

3: Verlauf der z-Komponente Bz(z) des Magnetfelds als Funktion von z in verschiedenen Höhen x über der Vorrichtung aus 1. 3 : Course of the z-component B z (z) of the magnetic field as a function of z at different heights x over the device 1 ,

4: Abhängigkeit der Eigenschaften des gradierten homogenen Feldes von der konkreten Ausgestaltung der Vorrichtung aus 1. 4 : Dependence of the properties of the graded homogeneous field on the concrete design of the device 1 ,

5: Quaderförmige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 5 : Cuboid embodiments of the device according to the invention.

6: Ausführungsbeispiel der Spule. 6 : Embodiment of the coil.

1 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der magnetische Körper 1 ist ein Permanentmagnet in Form eines Halbzylinders mit einem magnetischen Südpol 1a und einem magnetischen Nordpol 1b. Die Anordnung 2 hat ebenfalls die Form eines Halbzylinders und enthält identische Permanentmagnete 2c mit jeweils einem magnetischen Südpol 2a und einem magnetischen Nordpol 2b. Die Anordnung 2 weist eine Aussparung auf, in die der magnetische Körper 1 eingepasst ist; somit umgibt die Anordnung 2 den Körper 1. Der Körper 1 weist eine nicht von der Anordnung 2 umgebene plane Oberfläche auf, mit der die Anordnung bündig abschließt. Somit weist die gesamte Vorrichtung eine plane Oberfläche auf, die über die zu untersuchende Probe 3 geführt werden kann. 1 shows a section through an embodiment of the device according to the invention. The magnetic body 1 is a permanent magnet in the form of a half-cylinder with a magnetic south pole 1a and a magnetic north pole 1b , The order 2 also has the shape of a half-cylinder and contains identical permanent magnets 2c each with a magnetic south pole 2a and a magnetic north pole 2 B , The order 2 has a recess into which the magnetic body 1 is fitted; thus surrounds the arrangement 2 the body 1 , The body 1 does not have one of the arrangement 2 surrounded flat surface with which the arrangement is flush. Thus, the entire device has a flat surface over the sample to be examined 3 can be performed.

Die Pfeile geben die lokalen Richtungen der magnetischen Flussdichte (Magnetfeld) B an. Hier wie auch in den folgenden Figuren ist innerhalb von magnetisierter Materie (Körper oder magnetisierte Bereiche) nur das durch die lokale Magnetisierung M bewirkte lokale Magnetfeld B eingezeichnet. Im Folgenden wird im Zusammenhang mit Materie an Stelle des lokalen Magnetfeldes B die hierzu proportionale lokale Magnetisierung M diskutiert: Ein Magnetfeld kann grundsätzlich auch von außen aufgeprägt sein, während die Magnetisierung eine Eigenschaft ist, die der Materie innewohnt.The Arrows indicate the local directions of magnetic flux density (Magnetic field) B on. Here as well as in the following figures is within of magnetized matter (body or magnetized areas) only by the local magnetization M caused local magnetic field B drawn. The following will be in the context of matter instead of the local magnetic field B the proportional local magnetization M is discussed: A Magnetic field can basically also from the outside imprinted be while magnetization is a property inherent in matter.

Der Körper 1 ist homogen magnetisiert; in ihm weist die lokale Magnetisierung an jedem Ort vom Südpol 1a zum Nordpol 1b. Auch in den Permanentmagneten 2c der Anordnung 2 weist die lokale Magnetisierung jeweils vom Südpol 2a zum Nordpol 2b. Sie steht dabei jeweils senkrecht auf der Trennebene zwischen Südpol 2a und Nordpol 2b. Da diese Trennebene sich beim Übergang von einem Permanentmagneten 2c zum nächsten im Raum dreht, dreht sich bei diesem Übergang auch die ortsabhängige Magnetisierung. In der gesamten Anordnung 2 dreht sich die ortsabhängige Magnetisierung monoton um die mittlere Magnetisierung des Körpers 1.The body 1 is homogeneously magnetized; in it, the local magnetization points to every location of the South Pole 1a to the north pole 1b , Also in the permanent magnets 2c the arrangement 2 indicates the local magnetization from the south pole 2a to the north pole 2 B , It stands each perpendicular to the dividing plane between the South Pole 2a and North Pole 2 B , Because this parting plane is at the transition from a permanent magnet 2c Turning to the next in space, the location-dependent magnetization also rotates at this transition. In the whole arrangement 2 The location-dependent magnetization monotonically rotates around the mean magnetization of the body 1 ,

Rechts in 1 ist das Koordinatensystem eingezeichnet, welches in diesem Speziellen Beschreibungsteil im Folgenden verwendet wird. Das Vektorprodukt aus der mittleren Magnetisierungsrichtung des Körpers 1 mit der Normalen auf der planen Oberfläche des Körpers 1 liegt offensichtlich auf der negativen y-Achse und bildet somit die Achse, um die sich die ortsabhängige Magnetisierung in den magnetisierten Bereichen in positiver Drehrichtung dreht.Right in 1 the coordinate system is shown, which will be used in this special description section below. The vector product from the mean magnetization direction of the body 1 with the normal on the plane surface of the body 1 is obviously on the negative y-axis and thus forms the axis about which the location-dependent magnetization rotates in the magnetized areas in the positive direction of rotation.

Die Magnetisierung des Körpers und die Drehrichtung der ortsabhängigen Magnetisierung sind in den magnetisierten Bereichen derart aufeinander abgestimmt, dass am Rand der planen Oberfläche der magnetische Südpol 1a des Körpers an einen magnetischen Südpol 2a eines Permanentmagneten 2c grenzt. Der magnetische Nordpol 1b des Körpers grenzt an einen magnetischen Nordpol 2b eines Permanentmagneten 2c.The magnetization of the body and the direction of rotation of the location-dependent magnetization are coordinated in the magnetized areas such that at the edge of the planar surface of the magnetic south pole 1a of the body to a magnetic south pole 2a a permanent magnet 2c borders. The magnetic north pole 1b of the body is adjacent to a magnetic north pole 2 B a permanent magnet 2c ,

Die Magnetisierungen der magnetisierten Bereiche sind offensichtlich Tangentialvektoren. Diese stehen senkrecht auf den Mittelsenkrechten, die in den magnetisierten Bereichen den magnetischen Südpol 2a vom Nordpol 2b trennen.The magnetizations of the magnetized regions are obviously tangent vectors. These are perpendicular to the mid-perpendicular, which in the magnetized areas of the magnetic south pole 2a from the north pole 2 B separate.

2 zeigt die Magnetfeldverteilung, die durch die Vorrichtung aus 1 bewirkt wird. Über dem Körper 1 ist deutlich ein Bereich mit einem gradierten homogenen Feld zu erkennen. Die Pfeile zeigen jeweils in die Richtung des homogenen Magnetfeldes und geben durch ihre Länge dessen Stärke an. Offensichtlich ist die mittlere Magnetisierung des Körpers 1 dem auf seiner planen Oberfläche durch die Anordnung 2 bewirkten Magnetfeld bis auf eine Abweichung von weniger als 10 Grad entgegen gerichtet. 2 shows the magnetic field distribution passing through the device 1 is effected. Over the body 1 is clearly an area with a graded homogeneous field to recognize. The arrows each point in the direction of the homogeneous magnetic field and indicate its strength by its length. Obviously, the mean magnetization of the body 1 that on its plane surface through the arrangement 2 caused magnetic field up to a deviation of less than 10 degrees counteracted.

In 3 ist die z-Komponente Bz(z) des Magnetfelds als Funktion von z dargestellt. Dargestellt ist der Wertebereich zwischen z = –r/4 und z = +r/4, wobei r der Radius der zylindrischen Anordnung 2 ist und der Nullpunkt von z in der Mitte der planen Oberfläche des Körpers 1 liegt. Die übereinander gezeichneten Kurven entsprechen Verläufen von Bz(z) in verschiedenen äquidistanten Höhen x über der Vorrichtung. Die oberste und die unterste Kurve zeigen erste Abweichungen von der Homogenität in Form eines flachen Extremums bei z = 0. Somit gibt der dargestellte Bereich für die Höhe x in etwa die Ausdehnung des nutzbaren gradierten homogenen Bereichs in x-Richtung an. Am Rand des dargestellten Bereichs in z-Richtung (z = +/–r/4) zeigen sich ebenfalls Abweichungen von der Homogenität. Somit gibt der dargestellte Bereich von z = –r/4 bis z = +r/4 in etwa die Ausdehnung des nutzbaren gradierten homogenen Bereichs in z-Richtung an. Es fällt außerdem auf, dass sich das homogene Niveau von Bz(z) linear mit der Höhe x ändert. Der Gradient von Bz in x-Richtung ist also konstant.In 3 the z-component B z (z) of the magnetic field is shown as a function of z. Shown is the range of values between z = -r / 4 and z = + r / 4, where r is the radius of the cylindrical array 2 is and the zero point of z in the middle of the plane surface of the body 1 lies. The curves drawn on top of each other correspond to courses of B z (z) in different equidistant heights x over the device. The top and bottom curves show first deviations from the homogeneity in the form of a flat extremum at z = 0. Thus, the range shown for the height x approximately indicates the extent of the usable graded homogeneous region in the x-direction. Deviations from the homogeneity also show up at the edge of the area shown in the z-direction (z = +/- r / 4). Thus, the range shown from z = -r / 4 to z = + r / 4 approximately indicates the extent of the usable graded homogeneous region in the z-direction. It is also noticeable that the homogeneous level of B z (z) changes linearly with height x. The gradient of B z in the x-direction is therefore constant.

4 zeigt, wie die Eigenschaften des gradierten homogenen Magnetfelds von der konkreten Ausgestaltung der Vorrichtung aus 1 abhängen. In Teilbild a wurde auf der Ordinatenachse das Verhältnis r1/r2 zwischen dem Radius r1 des zylindrischen Körpers 1 und dem Radius r2 der zylindrischen Anordnung 2 variiert. Die linke Abszissenachse gibt das Verhältnis d/r1 an, wobei d die Entfernung von der planen Oberfläche zur Mitte des nutzbaren gradierten homogenen Bereichs ist. Die rechte Abszissenachse gibt die Stärke des gradierten homogenen Magnetfelds in der Einheit Tesla in der Mitte des gradierten homogenen Bereichs an. Die Pfeile geben jeweils an, welche Kurve welcher Abszissenachse zugeordnet ist. Die Angabe von Verhältnissen d/r1 und r1/r2 verdeutlicht die Skalierbarkeit der Vorrichtung. 4 shows how the properties of the graded homogeneous magnetic field of the specific embodiment of the device 1 depend. In sub-image a, the ratio r 1 / r 2 between the radius r 1 of the cylindrical body was determined on the ordinate axis 1 and the radius r 2 of the cylindrical arrangement 2 varied. The left axis of abscissa indicates the ratio d / r 1 , where d is the distance from the planar surface to the center of the usable graded homogeneous region. The right axis of abscissa indicates the magnitude of the graded homogeneous magnetic field in the unit Tesla in the middle of the graded homogeneous area. The arrows indicate in each case which curve is assigned to which axis of abscissa. The specification of ratios d / r 1 and r 1 / r 2 illustrates the scalability of the device.

In Teilbild b wurde auf der Ordinatenachse das Remanenzfeld BR des Körpers 1 variiert. Die linke Abszissenachse gibt die Entfernung d des gradierten homogenen Bereichs von der planen Oberfläche an. Die rechte Abszissenachse gibt die Stärke des gradierten homogenen Magnetfelds an. Die Pfeile geben jeweils an, welche Kurve welcher Abszissenachse zugeordnet ist. Das Verhältnis r1/r2 beträgt hier 0,4 und das Remanenzfeld BR der Anordnung 2 beträgt 1,4 Tesla.In field b, the remanence field B R of the body became on the ordinate axis 1 varied. The left axis of abscissa indicates the distance d of the graded homogeneous area from the plane surface. The right axis of abscissa indicates the strength of the graded homogeneous magnetic field. The arrows indicate in each case which curve is assigned to which axis of abscissa. The ratio r 1 / r 2 here is 0.4 and the remanence field B R of the arrangement 2 be carries 1.4 tesla.

5 zeigt quaderförmige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In Teilbild a besteht die Anordnung 2 aus im Wesentlichen trapezförmigen Blöcken 2c aus magnetischem Material, die jeweils einen magnetischen Südpol 2a und einen magnetischen Nordpol 2b aufweisen. Die Blöcke bilden eine gemeinsame Aussparung, in die der quaderförmige Körper 1 eingreift. Dieser Körper 1 ist ein Permanentmagnet mit einem magnetischen Südpol 1a und einem magnetischen Nordpol 1b. Die Pfeile geben wie in 1 jeweils Magnetisierungsrichtungen an. In der Anordnung 2 dreht sich die Magnetisierung monoton um die mittlere Magnetisierung des Körpers 1. Die Magnetisierungen der magnetisierten Bereiche 2c sind auch hier, wie bei der Vorrichtung aus 1, Tangentialvektoren. Diese stehen senkrecht auf den Mittelsenkrechten, die in den magnetisierten Bereichen (Blöcken) 2c den magnetischen Südpol 2a vom Nordpol 2b trennen. 5 shows cuboidal configurations of the device according to the invention. In sub-picture a, the arrangement exists 2 from essentially trapezoidal blocks 2c made of magnetic material, each with a magnetic south pole 2a and a magnetic north pole 2 B exhibit. The blocks form a common recess into which the cuboid body 1 intervenes. This body 1 is a permanent magnet with a magnetic south pole 1a and a magnetic north pole 1b , The arrows give as in 1 each magnetization directions. In the arrangement 2 The magnetization rotates monotonically around the mean magnetization of the body 1 , The magnetizations of the magnetized areas 2c are also here, as with the device 1 , Tangential vectors. These are perpendicular to the perpendicular bisectors, which are in the magnetized areas (blocks) 2c the magnetic south pole 2a from the north pole 2 B separate.

An Stelle eines quaderförmigen Körpers 1 kann auch ein zylindrischer Körper 1 gewählt werden. Dann sind allerdings die trapezförmigen Blöcke 2c, aus denen die Anordnung 2 besteht, schwieriger zu fertigen. Es ist aber auch möglich, im Interesse einer einfacheren Fertigung quaderförmige an Stelle trapezförmiger Blöcke zu verwenden. Dies ist allerdings mit Qualitätseinbußen verbunden.In place of a cuboid body 1 can also be a cylindrical body 1 to get voted. Then, however, are the trapezoidal blocks 2c that make up the arrangement 2 exists, more difficult to manufacture. But it is also possible to use cuboid instead of trapezoidal blocks in the interest of easier production. However, this is associated with quality losses.

In Teilbild b weisen alle Blöcke 2c, aus denen die Anordnung 2 zusammengesetzt ist, eine Quaderform auf. Diese Bauweise ist vorteilhaft, da Permanentmagnete sich in Quaderform besonders einfach und präzise durch mechanische Bearbeitung herstellen lassen.In field b, all blocks have 2c that make up the arrangement 2 is composed of a cuboid shape. This construction is advantageous since permanent magnets can be produced in cuboid shape particularly simply and precisely by mechanical processing.

6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Flachspule, die für Magnetresonanzuntersuchungen auf dem Körper 1 angeordnet werden kann. Die graue Linie in der Bildmitte symbolisiert eine elektrische Verbindung, die die Spulenwicklungen kreuzt, ohne an den Kreuzungspunkten mit ihnen leitend verbunden zu sein. Die Spule besteht aus in Reihe geschalteten gegenläufig gewickelten Mäandern, was sie unempfindlich gegen externe elektromagnetische Störungen macht: Jede äußere Störung induziert in den beiden Spulen entgegengesetzt gerichtete Ströme, die sich gegenseitig aufheben. Die Spule hat eine Ausdehnung von etwa 14 mm × 26 mm. Sie ist als gedruckte Schaltung auf einem handelsüblichen Trägermaterial ausgeführt, welches beispielsweise in Dicken von 1,5 mm, aber auch 0,75 mm erhältlich ist. 6 shows an embodiment of a flat coil, which is used for magnetic resonance examinations on the body 1 can be arranged. The gray line in the center of the picture symbolizes an electrical connection that crosses the coil windings without being conductively connected to them at the crossing points. The coil consists of serially connected counter-wound meanders, making them insensitive to external electromagnetic interference: each external disturbance induces oppositely directed currents in the two coils which cancel each other out. The coil has an extension of about 14 mm × 26 mm. It is designed as a printed circuit on a commercially available carrier material, which is available for example in thicknesses of 1.5 mm, but also 0.75 mm.

Claims (16)

Vorrichtung zur Beaufschlagung einer Probe (3) mit einem gradierten homogenen Magnetfeld, umfassend mindestens einen magnetischen Körper (1) und eine diesen Körper umgebende Anordnung (2) mit magnetisierten Bereichen, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche, die über die Probe (3) geführt wird, mindestens ein magnetischer Südpol (1a) des magnetischen Körpers (1) an einen magnetischen Südpol (2a) eines magnetisierten Bereichs grenzt und mindestens ein magnetischer Nordpol (1b) des magnetischen Körpers (1) an einen magnetischen Nordpol (2b) eines magnetisierten Bereichs grenzt, so dass die jeweils gleichen Pole an der Oberfläche, die über die Probe (3) geführt wird, zusammentreffen.Device for applying a sample ( 3 ) with a graded homogeneous magnetic field comprising at least one magnetic body ( 1 ) and an arrangement surrounding this body ( 2 ) with magnetized areas, characterized in that at the surface, which over the sample ( 3 ), at least one magnetic south pole ( 1a ) of the magnetic body ( 1 ) to a magnetic south pole ( 2a ) of a magnetized region and at least one magnetic north pole ( 1b ) of the magnetic body ( 1 ) to a magnetic north pole ( 2 B ) of a magnetized region, so that the respective same poles on the surface, the above the sample ( 3 ), meet. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Körper (1) mit einer mindestens in einem Teilbereich nicht von der Anordnung (2) umgebenen planen Oberfläche.Device according to claim 1, characterized by a body ( 1 ) with at least a partial area not of the arrangement ( 2 ) surrounded plan surface. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Anordnung (2), die bündig mit der planen Oberfläche des Körpers (1) abschließt.Device according to claim 2, characterized by an arrangement ( 2 ), which are flush with the plane surface of the body ( 1 ) completes. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vektorprodukt aus dem mittleren Magnetisierungsvektor des Körpers (1) mit der Normalen auf der planen Oberfläche des Körpers (1) in einem rechtwinkligen, insbesondere rechtshändigen, Koordinatensystem die Achse bildet, um die sich die ortsabhängige Magnetisierung in den magnetisierten Bereichen dreht.Device according to one of claims 2 to 3, characterized in that the vector product from the mean magnetization vector of the body ( 1 ) with the normal on the plane surface of the body ( 1 ) in a right-angled, in particular right-handed, coordinate system forms the axis about which the location-dependent magnetization rotates in the magnetized regions. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Magnetisierung des Körpers (1) dem auf seiner planen Oberfläche durch die Anordnung (2) bewirkten Magnetfeld bis auf eine Abweichung von 10 Grad oder weniger, insbesondere bis auf eine Abweichung von 5 Grad oder weniger, entgegen gerichtet ist.Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the mean magnetization of the body ( 1 ) on its plane surface through the arrangement ( 2 ) is directed counter to a deviation of 10 degrees or less, in particular to a deviation of 5 degrees or less. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine auf der planen Oberfläche des Körpers (1) beziehungsweise der Anordnung (2) angeordnete Spule.Device according to one of claims 2 to 5, characterized by a on the flat surface of the body ( 1 ) or the arrangement ( 2 ) arranged coil. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Spule mit einer Dicke von weniger als 2 mm, bevorzugt weniger als 1 mm.Apparatus according to claim 6, characterized by a coil having a thickness of less than 2 mm, preferably less than 1 mm. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen zylindrischen oder ellipsoidalen Körper (1).Device according to one of claims 1 to 7, characterized by a cylindrical or ellipsoidal body ( 1 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine zylindrische oder ellipsoidale Anordnung (2).Device according to one of claims 1 to 8, characterized by a cylindrical or ellipsoidal arrangement ( 2 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine quaderförmige Anordnung (2) mit einer Aussparung, in die der Körper (1) eingreift.Device according to one of claims 1 to 7, characterized by a cuboidal arrangement ( 2 ) with a recess into which the body ( 1 ) intervenes. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen quaderförmigen Körper (1).Apparatus according to claim 10, characterized by a cuboid body ( 1 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Anordnung (2) und/oder einen Körper (1) umfassend Permanentmagnete (2c).Device according to one of claims 1 to 11, characterized by an arrangement ( 2 ) and / or a body ( 1 ) comprising permanent magnets ( 2c ). Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Permanentmagnete (2c) umfassend ein ferromagnetisches Material aus der Gruppe Ferrit, NdFeB, SmCo5, Sm2Co17 oder AlNiCon (n = 2 – 9).Device according to claim 12, characterized by permanent magnets ( 2c ) comprising a ferromagnetic material from the group ferrite, NdFeB, SmCo 5 , Sm 2 Co 17 or AlNiCo n (n = 2 - 9). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, gekennzeichnet durch eine Anordnung (2) umfassend nominell identische Permanentmagnete (2c).Device according to one of claims 12 to 13, characterized by an arrangement ( 2 ) comprising nominally identical permanent magnets ( 2c ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Ort im Körper (1) das durch die Anordnung (2) bewirkte Magnetfeld geringer ist als das lokale Koerzitivfeld des Körpers (1).Device according to one of claims 12 to 14, characterized in that at each location in the body ( 1 ) that by the arrangement ( 2 ) caused magnetic field is lower than the local coercive field of the body ( 1 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch mehrere Körper (1) mit unterschiedlich starken mittleren Magnetisierungen.Device according to one of claims 1 to 15, characterized by a plurality of bodies ( 1 ) with different mean magnetizations.
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