DE2755357A1 - Spule zur erzeugung von magnetfeldern hoher und extrem hoher homogenitaet - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spule zur Erzeugung von Magnetfeldern hoher und extrem hoher Homogenität.

Zur Messung von Materialeigenschaften flüssiger Medien mittels Kernresonanz, verwendet man ein möglichst homogenes statisches Magnetfeld H , das entweder durch einen Eisenmagneten, einen Permanentmagneten, durch Luftspulen oder durch supraleitende Spulen erzeugt wird, und ein magnetisches Hochfrequenzfeld 2H₁COSiJ t, wobei c die Resonanzfrequenz der untersuchten Kernspins im Feld H ist (A. Abragam, "The Principles of Nuclear Magnetism, Clarendon Press, Oxford, 1961" und A. Lösche "Kerninduktion, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin, 1957"). Ist die Homogenität von H nicht ausreichend, so besteht die Möglichkeit mit Hilfe sogenannter Kernspinechos

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den Effekt der Inhomogenität teilweise zu kompensieren und die Messung so durchzuführen, als ob das Feld H wesentlich homogener wäre (siehe die oben genannten Druckschriften). Zu diesem Zweck verwendet man eine Folge von Hochfrequenzimpulsen, deren Längen und Abstände entsprechend dem speziellen Meßproblem justiert werden. Dieses Experiment gelingt umso besser, je homogener die dazu verwendete Hochfrequenzamplitude H₁ ist. Es stellt sich also das Problem, sowohl H als auch H₁ über das zu untersuchende Substanzvolumen möglichst homogen zu machen.

Ist insbesondere das Meßvolumen der zu untersuchenden Substanz groß (ein großes Meßvolumen der zu untersuchenden Substanz ist beispielsweise bei Massendurchsatzmessungen mittels Kernresonanz gegeben), so ist H. einer normalen Zylinderspule, die in diesem Fall verhältnismäßig kurz sein müßte (Spulenlänge «* Durchmesser) inhomogen. Dies gilt auch für die von Lyddane und Ruark vorgeschlagene Spule (R.H. Lyddane, A.E. Ruark, Rev. Sei. Instr. _10, 253, 1939), welche im folgenden LR-Spule genannt wird. Die Homogenität wird in beiden Fällen umso schlechter, je größer der Durchmesser der zu untersuchenden Substanz im Verhältnis zum Spulendurchmesser ist. Der gleiche Effekt tritt auch für H_Q auf, falls dieses statische Magnetfeld durch eine Luftspule oder eine supraleitende Spule erzeugt wird. Für die Hochfrequenz-(H₁)-Sendespule gilt noch erschwerend, daß bei großem Volumen eine große Hochfrequenzleistung erforderlich ist, die zu einer hohen Hochfrequenzspannung führt. Das heißt, die Windungen der Spule müssen gut gegeneinander isoliert sein. Die LR-Spule mit zunächst nur zwei Windungen ist zwar ziemlich homogen, besitzt jedoch ein kleines H₁-FeId in ihrem Zentrum. Sieht man zwei Windungspakete für die Spule vor, in denen die Windungen dicht angeordnet sind, so wird H₁ größer, jedoch das Isolationsproblem fast unlösbar, da hierbei Schwingungsspannungen der Größenordnung 10,000 Volt auftreten.

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27-K.357

Es ist bekannt, zur Lösung der genannten Probleme eine Zylinderspule vorzusehen, welche verhältnismäßig inhomogen ist und an den Enden ein ausgeprägtes Streufeld besitzt, also an den Enden ein nicht scharf begrenztes Feld aufweist. Der Innenbereich der Spule ist nur von den Spulenenden her zugänglich. Bei hohen Hochfrequenzspannungen treten Isolationsschwierigkeiten auf. Das Feld ist im Innern der Spule axial gerichtet. Für Kernresonanz-Massendurchsatz-Messungen an einem Kreislauf bzw. Durchflußrohr sind jedoch transversale Magnetfelder H und H₁ notwendig. Die Zylinderspule weist die oben genannten Nachteile auch dann noch auf, wenn durch spezielle Anordnung der Windungen das Feld im Innern der Spule homogener gemacht wird. Eine Zylinderspule ist demnach für Kernresonanz-Massendurchsatz- -Messungen nicht geeignet, und zwar weder als Feld- noch als Hochfrequenzsendespule, kann jedoch als Hochfrequenzempfangsspule verwendet werden. Die LR-Spule besitzt zwar ein Transversalfeld und ihr innerer Bereich ist allseitig zugänglich, ist jedoch bei großen Volumina als Hochfrequenzsendespule und als Feldspule nicht homogen genug. Für große Hochfrequenzfeldstärken benötigt eine LR-Spule mehrere dicht beieinander liegende Windungen, zwischen denen dann ebenfalls Isolationsprobleme auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spule der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die eine Erzeugung hochhomogener Magnetfelder ermöglicht und insbesondere ein homogenes Magnetfeld über ein großes Meßprobenvolumen ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere (2 n) Windungen vorgesehen sind, die so ausgebildet sind, daß das Magnetfeld im Innern der Spule am homogensten ist, was dadurch erreicht wird, daß die Gleichungen

* cos

S** 909824/0530 original inspected

2 7 b B 3 5 7

cos bf
E = O (2)

yU.I

für η >· 1 erfüllt werden,

wobei R der Abstand der Drähte von der Mittelachse der Spule ist, f der Winkel, den die Verbindungslinie von der Mittelachse zum Draht im 1. Quadranten mit der x-Achse bildet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gegenüber den bekannten Zylinderspulen oder LR-Spulen besitzen die erfindungsgemäßen Spulen eine größere Homogenität und umschließen das zu messende Volumen enger als z.B. eine hochhomogene Helmholtzspule und sind daher platzsparend. Darüber hinaus läßt sich auch bei großen Meßprobenvolumina eine noch ausreichende Homogenität erzielen, was sowohl für Spulen mit einzelnen Drähten, als auch für Spulen mit Windungspaketen gilt.

Spulen in der Ausführungsform mit Einzeldrähten (oder Einzelwindungen) bieten im Gegensatz zu den Spulen mit Windungspaketen die Möglichkeit, die Einzelwindungen gut gegeneinander zu isolieren. Sie sind daher als Hochfrequenzspulen mit hoher Sendeleistung zur Erzeugung homogener magnetischer Hochfrequenz-

909824/0530

. ₈.

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felder geeignet. Gegenüber der bekannten LR-Spule weisen die Spulen gemäß der Erfindung außer der größeren Homogenität bei gleichem Strom eine höhere Magnetfeldstärke auf.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden zur näheren Erläuterung der Einzelheiten und Vorteile der Erfindung im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Spulenelementes einer erfindungsgemäßen Spule,

Fig. 2 einen Querschnitt des Spulenelements gemäß Fig. 1 in der x,y-Ebene,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße hochhomogene Spule bestehend aus 3 Elementen in drei Ansichten der räumlichen Ebenen,

Fig. 4 eine in z-Richtung verlängerte erfindungsaemäße hochhomogene Spule mit 3 Elementen in drei Ansichten der räumlichen Ebenen,

Fig. 5a eine weitere Ausführungsform einer hochhomogenen

Spule gemäß der Erfindung bestehend aus 4 Elementen, bei der Teile der Spulen weggelassen sind in drei Ansichten der räumlichen Ebenen,

Fig. 5b eine in z-Richtung verlängerte hochhomogene Spule mit 4 Elementen gemäß Fig. 5a in zwei Ansichten der räumlichen Ebenen,

Fig. 5c eine weitere Ausführungsform der hochhomogenen Spule gemäß Fig. 5a mit schrägen Fortsätzen an

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S 7

den Enden der Spule in drei Ansichten der räumlichen Ebenen,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen hochhomogenen Spule bestehend aus 3 Elementen, die alle in z-Richtung gleich lang sind in drei Ansichten der räumlichen Ebenen,

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen hochhomogenen Hochfrequenzspule aus 3 Elementen, bei welcher ebenfalls Teile weggelassen sind in drei Ansichten der räumlichen Ebenen, und

Fig. 8 einen Querschnitt eines Wicklungspaketes in der x,y-Ebene.

In Fig. 1 ist ein Element einer erfindungsgemäßen Spule schematisch perspektivisch dargestellt, in welcher die Richtung des Stromes I jeweils durch Pfeile angegeben ist. Fig. 2 zeigt den Querschnitt des Spulenelementes gemäß Fig. 1 in der x,y-Ebene, wobei R der Abstand der vier Drähte (oder gegebenenfalls Wicklungspakete) die alle vom gleichen Strom I durchflossen werden, angegeben in Richtung von der Mittelachse der Spule ist. / ist der Winkel, den die Verbindungslinie von der Mittelachse zum Draht (oder Wicklungspaket) im ersten Quadranten mit der x-Achse bildet. Im übrigen ist dieses Spulenelement in bezug auf die Koordinatenachsen völlig symmetrisch. Das Magnetfeld H einer aus η solchen Elementen bestehenden, in z-Richtung unendlich langen Spule, ist dann am homogensten, wenn die folgenden η Gleichungen erfüllt sind:

ⁿ cos

R³

0 (1)

- 10 -

0 9 8 2 4/0530 ^0RIG!NAL «NfiPECTED

Ll κ λ 5 7

- 10 -

cos 5f_/(

ε = 0 (2)

cos (2n+1 )γ_υ

— = 0 (η)

Sind diese Gleichungen erfüllt, dann ist gleichzeitig auch H in der Nähe der Mitte am kleinsten.

Für η = 1 ist nur Gleichung (1) erfüllbar mit f λ ~ 30°. Dies ist die LR-Spule. Für η = 2 sind die Gleichungen (1) und (2) erfüllbar, für η = 3 noch zusätzlich (3) usw.. Die Homogenität von H wird dabei bei gleichzeitigem Verschwinden von H immer besser je größer η ist (siehe die folgenden Erläuterungen). Die η Gleichungen (1) bis (n) legen die η Winkel oder die η Radien fest. In der folgenden Tabelle 1 sind für verschiedene Spulen, deren Elemente gleiche Radien besitzen, Winkel für η = 2, 3 und 4 als Beispiele angegeben, wobei η die Anzahl der Drähte pro Quadrant darstellt.

Tabelle 1

Spulen, deren Windungen (Wicklungspakete) alle vom gleichen Strom durchflossen sind und alle den gleichen Radius haben:

909324/0530 ¹¹

ORIGINAL INSPECTED

Nr. i L	η (Anzahl der Drähte pro Quadrant)	12,0000	48,0000	/3	/4
Γ"" " 1	2	24,OOOO	84,OOOO	___
2 ι	2	11,6704	26,9366
! 3	3	0,857143	24,8571	56,0562
j 4	4	9,42857	26,5714	35,1429	60,8571
: 5 i	4		50,5714	86,5714

Die folgende Tabelle 2 gibt für Spulen mit η = 2 und verenen Radien R₁ und R_ der Elei
und die Winkel f ^ und f₂ an.

schiedenen Radien R₁ und R_ der Elemente das Radienverhältnis

Tabelle 2

Spulen, deren Windungen (Wicklungspakete) alle vom gleichen Strom durchflossen werden, aber verschiedene Radien besitzen.

Für solche Fälle wird die Lösung der Gleichungen (1) bis (n) auch für verhältnismäßig kleine η bereits sehr schwierig.

0,782 815 3012

Für η = 2 ergibt sich:

a) R₂ZR₁ *■ 1 ·

In diesen Fällen gibt es nur für R₂ZR₁ reelle Lösungen von (1) und (2).

Für verschiedene Werte von R₂ZR₁ ergeben sich folgende

f-Werte:

Ö09B2A/0530

ORIGINAL INSPECTED

	/Ί	f2	Bemerkungen
0,95	8,38253 49,3487 82,5033	46,9686 14,4420 23,6182	Hier existieren drei mögliche Wertepaare für f -ι und ψ ο
0,9	51,2535 80,4528	16,3884 23,1825
0,8	59,4925 71,9462	19,7383 21,8256	In diesen Fällen gibt es nur zwei mögliche Werte paare für y 1 und
0,79	61 ,6354 69,7791	20,1928 21 ,5149
0,785	63,4433 67,9594	20,5274 21 ,2491	In diesem Grenzfall existiert nur noch ein mögliches Wertepaar für y' und f2
0,783	65,0409 66,3570	20,7972 21,0062
0,7828153012	65,6987	20,9030

b) R₂Zr₁ ^- ι·

In diesen Fällen gibt es für beliebige Werte von R_ZR. reelle Lösungen von (1) und (2). Für große Werte von R-ZR₁ wird jedoch ein Winkel f immer fast 90°, so daß diese Spulen praktisch nicht mehr verwendbar sind. Im einzelnen ergibt sich:

909824/0530

ORIGINAL INSPECTED

Il

257

R₂ZR₁

Bemerkungen

1,05

14,3391 47,0129 85,1337

49,2739 8,6O81C 24,3451

Hier existieren noch drei mögliche Wertepaare für Ψ. und γ~

1,1

16,0607 86,0126

50,8522 24,6620

Hier gibt es nur noch zwei mögliche Wertepaare für γ. und J^₂

,25435

19,8521 87,7377

59,9960 25,5043

In diesem Grenzfall existieren gerade noch zwei mögliche Wertepaare für^₁ u

1,4

88,6056

26,1512

89,9999

29,9013

In diesen Fällen gibt es nur noch ein mögliches Wertepaar für Ψ. und jf„. Mit wachsendem R-/R.
ψ_ gegen 30

geht xP. gegen

Die folgende Tabelle 3 schließlich zeigt einige charakteristische Werte einer Computerberechnung, die den Wert der relativen Feldabweichung (H -H _Q)/E _Q (H _Q ist der Feldwert in der Mitte) für einige Spulen der Tabelle 1 mit η = 2, 3 und 4 im Vergleich zu der Feldabweichung der LR-Spule (n = 1) angibt. Es zeigt sich deutlich, daß die letztere den ersteren sowohl in bezug auf die Feldstärke in der Mitte als auch in bezug auf die Homogenität bei gleicher Distanz von der Mitte deutlich unterlegen ist.

Tabelle 3

Numerische Werte der relativen Feldabweichung im Innern der Spulen 1, 3 und 4 der Tabelle 1. Die Spulen wurden für die Berechnung unendlich lang angenommen und für die Winkel 'f

der Stromfäden wurden die theoretischen Optimalwerte der Tabelle 1 verwendet.

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ORIGINAL INSPECTED

Die Tabelle gibt die Feldabweichungen im Vergleich zur LR- -Spule an. Zunächst wird das Feld H im Mittelpunkt der Spulen nach (A.7) in willkürlichen Einheiten angegeben (bezeichnet mit H ). Um das Feld in brauchbaren Einheiten zu ο

erhalten, müssen diese Werte mit Ι/27Γ multipliziert (I = Strom pro Windung) und durch den Spulenradius R dividiert werden.

Dann werden die Winkel fu der Spulendrähte angegeben und anschließend die Werte der relativen Feldabweichungen (H -H )/H in Abhängigkeit von den Koordinaten f = r/R und V . Für kleine r wurde die Reihe (A.4b) benützt, für große J (-^ 0,5) die genaue Formel (A. 2b). Die kleinen Abweichungen für ξ =0,5 in beiden Teilen A und B der Tabelle, insbesondere für die Werte der Spule mit vier Drähten, sind auf die Ungenauigkeit des Computers bei der Anwendung von (A.2b) zurückzuführen. Die aus der Reihe erhaltenen Werte sind die besseren.

-

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Tabelle

03 O CO OO ro

CD Ol CO

0

A)

Berechnet mit Reihe (A.4b)

1

2

3

-6,341O9E-O9

t

4

B) Berechnet

1

6,

\

mit Formel

(A.2b)

12,

1

/

4

N

r =45

Anzahl der Drähte pro Quadran

3,4641

6,58911

9,71686

-6,32515E-O9

12,8478

Anzahl der

3,4641

\

Drähte pro

Quadrant

o.

8478

90

30

12

11,6704

-6,3O74OE-O9

0,857143

30

\

2

3

24,

857143

H ο

0

48

26,9366

-1,63458E-O6

24,8571

58911

9,71686

35,

8571

Winkel

ΐ-45

56,0562

-1,62O97E-O6

35,1429

12

11,6704

60,

1429

90

-1,59999E-O6

60,8571

48

26,9366

8571

0

LR-Spule

Spulen der Tabelle 1 1 3

-4,227O4E-O5

4

LR-Spule

56,0562

4

Λ=45

-1,O1OOOE-O4

6,17933E-O7

-4,17385E-O5

8,08118E-Il

/

\

90

1,0000OE-04

6,19962E-13

-4,O25O1E-O5

-6,17985E-13

Spule 1

α der Tabelle 3

y

0

-9,9OOO1E-O5

-6,17934E-O7

-4,258O3E-O4

-7,95756E-Il

S=0,1 ν

1^=45

-1,66389E-O3

3,94492E-O5

-4,22337E-O4

8,46532E-O8

90

l,6O0O0E-03

2,52793E-09

-3,88698E-O4

-2,52822E-O9

-1,5361OE-O3

-3,94543E-O5

-7,95837E-O8

S=O, 2 1

-8,82257E-O3

4,4431OE-O4

5,06611E-06

8,O9946E-O3

3,258O1E-O7

-3,26315E-O7

-7,37638E-O3

-4,44972E-O4

-4,4O495E-O6

S-0,3 1

-0,0295749

2,41591E-O3

9,47021E-05

N.

0,0255828

1,O1O36E-O5

-1,O156OE-O5

\

-0,0215925

-2,43718E-O3

-7,35385E-O5

5=0,4 *

/

\

/1

co cn

Fortsetzung zu Tabelle

	f-o.	5 V =	O	A) Berechnet	mit Reihe (A.4b)	-2,55731Ε-Ο3	9.4 336ΟΕ-Ο4	\ /	\	B)	LR-Spule	,Ο769231	Berechnet mit	Spulen	1	Formel (A.2b)	Tabelle 1	9,	4	μ	0302 38	C
			45		Spulen der Tabelle 1	-2,59Ο45Ε-Ο3	-1,43329Ε-Ο4				-0	,Ο6224Ο6		516O7E-O3	der	3	-1,	4 33O3E-O4		0790128	I .. Λ.
			90	LR-Spule	1 3 4	-2,1864ΟΕ-Ο3	-6,26452Ε-Ο4	\/		0	,047619		415O1E-O4		55722E-O3	-6,	434O9E-O4		Ο388Ο62
			O	-0,0769231	8,51624E-O3		/\		-0	,168399	8,	83687E-O3	-2,	59O48E-O3	6,	26385E-O4		749445
	J=O,	6 J =	30	0,0622407	1,41454Ε-Ο4	χ	/ \	-0	,116911	1,	021176	-2,	18642E-O3	3,	38378E-O3		338185
			45	-0,0476191	-8,83687Ε-Ο3	/	/ \	0	,127147	-8,	O330115	-2,	0111631	-i.	656O3E-O3
			60			/ \	0	,0173352	0,	17O28E-O3	-o,	79226E-O3	-i,	2O616E-O3
			90	\			0	,Ο87ΟΟ32	-ο,	Ο3Ο4945	5,	Ο117735	-3,	1O585E-O3
co		7 J =	O	\		\	-0	,32ΟΟ91	1,	0242143	-o,	O1487E-O3	0,	41219E-O3
O	J=O,		30	\		\	-0	,269393	0,	0325376	7,	55255E-O3	0,	0337505		116678
to OO			45			0	,22317	-ο,	0926566	-8,	Ο4Ο3588	-6,	0183438	314218
NJ			6O		0	,14827Ε-Ο3	ο,	452O8E-O3	-o,	022895	-2,	95199E-C 3	0885185
			90		2	,138778	-ο,	0775596	0,	Ο443853	-o,	9 3O4OE-O3
		8 J =	O		-0	,532225	6,	05 36604	-o,	Ο29Ο899	0,	0132561
CT	J=O,		35		-0	,7Ο8266	0,	Ο155288	0,	0253665	0,	155616
			45		0	,318962	-ο,	247584	-o,	135225	-o,	0949845
C			55		0	,0359565	-ο,	0227773	-o,	46157E-O3	-o,
			90		0	,199844	-ο,	236565	-5,	146395	-0,
		9 J" =	O		-0	,775441	ο,	1ΟΟ2 32	-o,	Ο198623	O,
	J=O,		35		-0	,55039	0,	31726	O,	0598057	0,
			45		1	,291377	-ο,	56317	-o,	427135	-o,
			55	/	0	,0548428	-ο,	0316952	-o.	Ο298Ο44	-o,
			90	/	-0	,266048	-ο,	547715	-o,	404494
			/	-0	-ο,	162768	-o,	109403
		/	0,	0,	115847
		/	-ο,	-o.

Für im Vergleich zu sämtlichen Radien R„ in z-Richtung sehr

lange Spulen, sind die bisherigen Definitionen ausreichend. Für kürzere Spulen muß der Einfluß der Querverbindungen der Elemente nach Fig. 1 berücksichtigt werden. Dabei sind drei Fälle zu unterscheiden:

1) Spulen, die bezüglich sämtlicher Koordinatenachsen nur in der Nähe der Mitte für kleine x,y und ζ homogen sein müssen. Hier bietet sich als Lösung an, einfach in der y, z-Ebene die gleichen Winkel zu verwenden wie in der x, y-Ebene. Ein Beispiel für die Spule 3 der Tabelle 1 ist in Fig. 3 dargestellt, in welcher auch die bifilaren Verbindungen zwischen den Wicklungen und zur Zuleitung des Stromes I dargestellt sind. Eine solche Spule ist in allen Koordinatenrichtungen gleich homogen. Man kann auch die Spule in z-Richtung verlängern und trotzdem in der y, z-Ebene die gleichen Winkel verwenden wie in der x, y-Ebene (siehe Fig. 4). Die in den Fortsätzen an den Wicklungsenden der Spulenelemente auftretenden Ströme in y-Richtung tragen in der Nähe des Zentrums nicht zum Magnetfeld bei. Hieraus ergeben sich die in Fig. 5a bis 5c dargestellten Ausführungsformen für die Spule 4 der Tabelle 1: Diese Spule hat in der x, y-Ebene die vier Winkel der Tabelle 1. In der y, z-Ebene hingegen haben die Windungen paarweise die Winkel 12° und 48° einer Spule mit η = 2. Sie ist aber so lang, daß die Homogenität in der Nähe der Mitte immer noch sehr gut bleibt (siehe auch nachstehende Eröjterungen).

2) Spulen, die in der x, y-Ebene möglichst homogen sind und die ferner in der z-Richtung möglichst bis zu ihrem Ende homogen bleiben und dann sehr schnell auf das Feld Null abfallen, die also ein in z-Richtung scharf begrenztes Feld besitzen.Solche Spulen lassen sich stets nur mit einer gewissen Näherung konstruieren. Fig. 6 gibt ein Beispiel für η = 3. Die Winkel in der x, y-Ebene sind wieder die der Tabelle 1. Die in der y, z-Ebene sind durch (1) festgelegt, wobei darauf geachtet wurde, (2) möglichst klein zu machen. Nähere Angaben und Erläuterungen hierzu finden sich ebenfalls in den nachstehenden Erläuterungen. Eine solche Spule wird immer homogener, je

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- 18 ORIGINAL INSPECTED

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länger sie ist. Wenn nötig, lassen sich an den Enden Abschirmungen oder Leitbleche anbringen, die das Streufeld der Querverbindungen konzentrieren und außerhalb der Spule rasch zum Verschwinden bringen.

3) Bei der Verwendung solcher Spulen als Hochfrequenzspulen, lassen sich die Querverbindungen generell abschirmen. Die Winkel in der y, z-Ebene sind dann von untergeordneter Bedeutung. Es ist jedoch darauf zu achten, daß die Abschirmungen genügend kapazitätsarm sind, und daß der ganze Aufbau der Spule genügend symmetrisch ist, so daß durch parasitäre Blindströme und damit verbundene Ungleichheit der felderzeugenden Längsströme, die guten Eigenschaften der Spule nicht zerstört werden. Eine Ausführungsform einer solchen Spule ist in Fig. 7 dargestellt, in welcher die Abschirmungen schematisch gestrichelt angedeutet sind. Die Verbindungen und Zuleitungen sind wieder weggelassen.

Werden solche Spulen mit nur einem Draht pro Element, wie in den Fig. 3 bis 7 dargestellt, zur Erzeugung magnetischer Hochfrequenzfelder verwendet, so haben die einzelnen Windungen (jedes Spulenelement nach Fig. 1 besitzt zwei Windungen) große Abstände voneinander und lassen sich bei großen Schwingungsspannungen gut. voneinander elektrisch isolieren. Sie können daher bei großer HF-Leistung verwendet werden, wie sie z.B. in der HF-Sendespule bei der Kernresonanz-Massendurchsatz-Messung an einem Reaktorkreislauf auftritt. Infolge der Geometrie dieses speziellen Problems sind die Spulen der Art 1) (Fig. 3 bis 5) hierfür ungeeignet. Die Spulen der Arten 2) (Fig. 6) und 3) (Fig. 7) sind beide für dieses Problem geeignet. Jedoch ermöglicht die Spule

der Fig. 7 wegen des größeren Winkels 'f * in der y, z-Ebene, eine bessere Ausnutzung des Spulenvolumens, da hier der Durchmesser eines in der Spule angeordneten Kreislaufrohres im Verhältnis zum Spulendurchmesser größer sein kann als bei der Spule nach Fig. 6.

In allen diesen Spulen lassen sich die in den Figuren darge-

909824/0530 " ¹⁹ "

stellten Einzeldrähte durch Wicklungspakete ersetzen, ohne daß sich die Homogenität verschlechtert. Voraussetzung ist, daß diese Pakete die Segmentform gemäß Fig. 8 haben, wobei für parallele Bündel ein und derselben Spule bei gleichem mittlerem Radius der Bündel, alle η Bündel gleiche ΔΫ und Λ R besitzen. Eine ausführliche Erläuterung und Begründung hierfür findet sich ebenfalls in den nachstehenden Erläuterungen zu näheren Einzelheiten.

Diese Modifikation ist insbesondere zur Erzeugung von magnetischen Gleichfeldern, die über große Volumina homogen sind, interessant. Es läßt sich nämlich dann die Windungszahl und damit die Amperewindungszahl (also die Feldstärke) beträchtlich erhöhen. Die Spulen lassen sich entweder als Luftspulen oder für hohe Felder als supraleitende Spulen konstruieren.

Nähere Erläuterungen zur Konstruktion der verschiedenen Spulen:

A. Sehr lange Spulen

An der Stelle x,y des in z-Richtung unendlich ausgedehnt angenommenen Spulenelements gemäß Fig. 2 betragen die Komponenten der magnetischen Feldstärke, wenn alle vier Drähte vom gleichen Strom I durchflossen werden:

^Hx - "W" V ^Hy - TT- ^hy ^{und H}z ⁼ ° ^(Α·¹⁾ Die geometrischen Anteile sind gegeben durch:

_{h =} b + y ₊ b + y _ b - y ₊ b - y ^x (a+x)²+(b+y)² (a-x)²+(b+y)² (a-x)²+(b-y)² (a+x)²+(b-y)²

(A.2a)

" ²⁰ "

ORIGINAL INSPECTED

a + x a-x a-x a + x /* ->i_\

— ₊ — _r + 2 ⁺ 2 2 ^(A'^2b)

(a+x) +(b+y) (a-x) +(b+y) (a-x) +(b-y) (a+x) +(b-y)

wobei a = R'cos^' und b = R'si

oder in Zylinderkoordinaten (r, ~^ , z) :

4 2 . - l-2cos2^ + _s ²cos2,-- J

h = - -—- v. cosy sin2v = 7 £·

14 2 cos2 ~+2 (l+os^+cos4' ) 4 2 2;"+v

1-4 ^ cos2, cos2 ~+2 y. (l+cos^+cos4' ) -4 * cos2v cos2;."+v

2 ,4 ,6

1-f- (1+2COS2/ ) cos2^'+ a (2cos2_r +cos4 ·" ) - ι" cos2 ' *

1i

1-4 I₅ cos2^cos2?"+2 j (l+cos4-+cos4.")-4 _(> cos2, cos2 :" + ^ mit ^ = r/R.

Die Reihenentwicklung dieser beiden Ausdrücke bezüglich des Koordinatenursprungs liefert:

h = 4 Σ cos /"(2v+ 1)_; /sin (2,/)_S ^2> (A.4a)

4 2Γ cos /~(2Λ +Dy_7 cos (2/'.Mv^²' (A.4b)

Diese Ausdrücke gelten für ein einziges Spulenelement. Die Aufsummierung über η solcher Elemente, die alle vom gleichen Strom durchflossen werden, liefert:

_n cos/_~{2v + -\)y 7\ K = ⁴ZiZ 2ΤΤΪ ^- sin(2^) r²" (A.5a)

^hy ^{= 4}Z]E 2TTi ⁷^-/ cos(2^) τ^ίν (A.5b)

- 21 -

90982A/0530 original inspected

ί ι . . ι57

Diese Reihenentwicklungen gelten nur, wenn r kleiner als sämtliche R ist. Um h für möglichst großes r gleich seinem

Wert im Ursprung zu machen, d.h. eben um möglichst homogenes h zu haben, müssen die Glieder mit kleinen Potenzen von r verschwinden. Es muß also für das Glied der Ordnung 2V gelten:

L oos/ (2^+1) YJ

Für η Spulenelemente führt dies auf die obigen für die Konstruktion der homogenen Spulen angegebenen η Bestimmungsgleichungen (1) ... (n). In h bleibt dabei das Glied O-ter Ordnung stehen. Dies bestimmt die Feldstärke H in der Spulenmitte. Es ist

COS

L- ιά η\

f\ -γ

In h verschwindet das Glied O-ter Ordnung, h ist im Mittelpunkt immer Null ( dies folgt bereits aus der Symmetrie). Aus der Gleichheit der Koeffizienten der Glieder gleicher Ordnung in beiden Reihen (A.5a)und (A.5b) folgt ferner, daß h für größeres η immer besser über immer größere Bereiche verschwindet, während h gleichzeitig über diese größeren Bereiche immer homogener wird. Die Feldstärke in der Spulenmitte

Ηχ	= 0	4	T 11 = 1	cos γ
Hy	I " TT			V

(A.8)

909824/0530

ORIGINAL INSPECTED

λ / · · b

wird in A/m erhalten, wenn I in A und die R in m gemessen werden. '

Falls die Ströme der einzelnen Wicklungen nicht gleich sind, können die η Bestimmungsgleichungen leicht entsprechend modifiziert werden, wobei jeweils der u-te Ausdruck mit dem entsprechenden Strom I multipliziert werden muß.

Falls es sich an den Stellen R , W nicht um einzelne Drähte,

sondern um Drahtbündel (Wicklungspakete) handelt, so müssen die Gleichungen (A.1) bis (A.8) über den Bündelquerschnitt integriert werden. Hierbei treten Ausdrücke auf von der Form:

"cos l_ (2^+1 ) y /

—x — dy" dR

V"^v - 77 (A.9)

R dy dR

Diese Ausdrücke sind über den Bündelquerschnitt zu integrieren. Haben die Bündel den in Fig. 8 dargestellten Querschnitt, dann lassen sich die fraglichen Integrale leicht integrieren und man erhält für den Koeffizienten der Glieder von der Ordnung 2v für das u-te Wicklungspaket:

R +AR
uo u

^/ f ⁷ cos / (2ϋ +1) £._ / C

μ,ι> 4ΔΚ ΔΨ R I / ^-T

Γ μ /μ μο / / _R2 >>

,·> 4AR Δ* R_ / / 2? ^d^ ^äR-

(A. 1O)

- 23 -

909824/0530 _L

und somit

cos (2

//ίο j , "//¹I I

1 +

(A. 11)

Hierbei wurde der .AR -abhängige Anteil in eine Reihe nach

.7» I

Potenzen von entwickelt. Diese in der geschweiften Klammer

stehende Reihe hat für alle η Wicklungspakete dieselbe Form.

Haben also alle η Wicklungspakete das gleiche Ay =Δ,Υ

Λ Α?

das gleiche Verhältnis — ι so können in der Summe über die Wicklungspakete nach den Gleichungen (1) ... (n) jeweils die Reihe in der geschweiften Klammer von (A.11) und der Ausdruck

ausgeklammert werden, und die aus Wicklungspaketen bestehenden Spulen sind ebenfalls dann am homogensten, wenn die Gleichungen (1) bis (n) für die Mittelpunkte der Wicklungspakete erfüllt sind.

B. In z-Richtung begrenzte Spulen

Abgesehen von Spulen, die in der y,z-Ebene die gleichen Winkel besitzen wie in der x,y-Ebene (Fig. 3 und 4), bietet sich für η = 4 noch die Möglichkeit, in dery, z-Ebene paarweise die Winkel für η = 2 zu benützen. Hat z.B. die Spule 4 der

- 24 -

909824/0530 original inspected

Tabelle 1 in der x,y-Ebene den Radius R und in der y,z-Ebene die Radien R₁ , ^ 3 R , so ist sie über einen Zylinder vom Radius 0,15 R und der Länge 0,3 R in der Mitte immer noch hochhomogen, wenn in der z,y-Ebene die Winkel γ ^ = 12 und

*' O

f ~ = 48 benützt werden. Solche Spulen zejgen Fi/. 5a bis c, in welchen die Verbindungen zwischen den Windungen und die Zuleitung aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen sind. In Fig. 5a ist in der x,y-Ebene das erste Störglied der Reihe (A.4b) im Vergleich zum Glied 0-ter Ordnung von der Größenordnung

/= 0,15 «*5,8·1Ο~ (dies entspricht auch ungefähr der ^x/ y

maximalen relativen Feldabweichung für 9 - 0,15). In der z,y- -Ebene hingegen ist das Störglied von der Größenordnung

i= (0, 15/3) ⁶ <=« 1,56·1Ο~⁸. Diese Störglieder müssen mit y, ζ

dem durch die betreffenden Spulenteile im Zentrum erzeugten Feld H gewichtet werden. Da der Feldbeitrag der Drähte der z,y-Ebene wegen des größeren Radius um einen Faktor 3 kleiner

ist als der aus den Drähten der x,y-Ebene, bleibt also eine

-9
ungefähre Abweichung von 5,2-10 , so daß beide Ebenen etwa

gleich zur Inhomogenität beitragen. Fig. 5b zeigt eine ähnliche Spule, die da etwas länger (4,5-R ), in einem etwas längeren Bereich homogen ist. Ihr Hauptvorteil ist jedoch, daß der innere Bereich in z-Richtung gesehen voll zugänglich ist, d.h./ daß ein ziemlich dickes Rohr darin angeordnet werden kann, was für die Konstruktion eines Kryostaten für solch eine supraleitende Spule wichtig ist. Diese beiden Spulen haben noch den Nachteil, daß einige der Drähte parallel zur y-Achse, die in der bisherigen Betrachtung nicht berücksichtigt wurden, in der Nähe des Zentrums störende Feldkomponenten in χ und z-Richtung erzeugen. Diesen Nachteil vermeidet die Spule gemäß Fig. 5c durch schräge Fortsätze an den Spulenenden. In diesem Fall sind in der Nähe der Mitte nur die Drähte in χ und z-Richtung für das Feld bestimmend und diese Spule besitzt demnach eine FeIdabweichung von weniger als 10 über den Zylinder vom Radius 0,15-R und der Länge 0,3*R .

- 25 -

909874/053 0 _{0RIGINAL 1N6pECTED}

Allerdings weist die Spule diese Homogenität nur auf, wenn die Winkel auf weniger als + 0,001 genau eingehalten werden, was in der Praxis Schwierigkeiten bereitet. Bei der Anwendung einer solchen Spule als Kryomagnet für Kernresonanzzwecke wird jedoch die Probe auf jeden Fall um die z-Achse schnell rotieren. Da nun die ganzen Störterme proportional zu cos2v>$(1<: f^oo ) sind, werden sie durch eine solche Rotation ausgemittelt, da der Mittelwert über den cos über volle Perioden immer verschwindet. Aus diesem Grund sind diese Spulen, auch wenn sie den theoretisch möglichen Wert der Homogenität nicht erreichen, immer noch sehr gut zur Erzeugung von H -Feldern für Kernresonanzexperimente geeignet.

Verwendet man solche Spulen zur Erzeugung weniger homogener Felder über größere Volumina, so besitzt die Spule gemäß Fig. 5c beispielsweise in der x,y-Ebene für $ =0,6 eine FeId-

-3 ^x'^v

abweichung von 6x10 und in z-Richtung für 9 =0,6/3 eine

-5 ^v'^z

solche von ca. 6x10 . Bei derartig großen Volumina sind die Winkel von untergeordneter Bedeutung. Selbst bei Abweichungen der Winkel von + 1 von den optimalen Werten, wird die Homogenität in diesem Volumen (Zylinderradius 0,6 R , Länge 1,2R) nicht wesentlich verschlechtert.

C. Spulen mit definierter Begrenzung in z-Richtung

Wie Fig. 6, in der die Verbindungen zwischen den Windungen und die Zuleitung weggelassen sind, zeigt, gelten für solche Spulen in der y,z-Ebene statt der Gleichungen (1) bis (n) die Gleichungen

3 '

cos (3^₁)cos*Y =0 (C. 1)

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809824/0530

'NSPECTED

2Γ cos (5)^) cos V = O (C. 2)

λ*

usw. Tatsächlich läßt sich (C.2) z.B. für η = 3 nicht mehr zum Verschwinden bringen, wenn gleichzeitig (C.1) verschwindet. Optimale Winkel, die in Fig. 6 dargestellt sind, sind:

f\ = 19,5913°, f₂ = 5O°, f\ = 53°

Für diese Winkel gilt:

cos (3?·) cos³/"' = 7-lcf⁷ und 5Z cos(5/' )cosV' = -0,1471

^ ' 1 ^{Λί A}

Somit ist die Feldabweichung in z-Richtung für f = 0,6 ca. 2%, für $' = 0,8 ca. 6% und für P = 0,9 ca. 9%. Die Spule gemäß Fig. 6 besitzt insgesamt über einen Zylinder vom Radius 0,75 R und der Länge 0,9 L eine maximale Feldabweichung von etwa 9%. Spulen gemäß der Ausführungsform nach Fig. 6 sind demnach geeignet als Hochfrequenzsendespule für Massendurchsatzmessungen.

Zusammengefaßt zeigt sich, daß die vorstehend und im Zusammenhang mit den Tabellen und Erläuterungen näher beschriebenen Spulen vor allem den Vorteil einer größeren Homogenität gegenüber bisher verwendeten Spulen (Zylinderspulen, LR-Spulen) besitzen. Sie umschließen das zu messende Volumen enger als z.B. eine hochhomogene Helmholtzspule und sind daher platzsparend. Vor allem lassen sie sich so konstruieren, daß sie auch bei großem Meßprobenvolumen noch ziemlich homogen sind (siehe Tabelle 3). Dies gilt sowohl für Spulen mit einzelnen Drähten, wie in den Fig. 1 bis 7 dargestellt, als auch für Spulen mit Wicklungspaketen nach Fig. 8.

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909824/0530

- 27 - 27oo357

Spulen in der Ausführungsform mit Einzeldrähten (oder Einzelwindungen) ermöglichen eine gute gegenseitige Isolierung der Einzelwindungen und sind daher insbesondere als Hochfrequenzspulen mit hoher Sendeleistung zur Erzeugung homogener magnetischer Hochfrequenzfelder geeignet. Darüber hinaus unterscheiden sie sich in Aufbau und Wirkung von bekannten LR-Spulen.

Verwendet man an Stelle der einzelnen Windungen Wicklungspakete mit dem vorstehend beschriebenen Querschnitt, so lassen sich diese Spulen als Feldspulen zur Erzeugung von H entweder als Luftspulen oder als supraleitende Spulen verwenden. Sie dienen dann entweder zur Erzeugung relativ homogener H_Q-Felder über große Volumina, oder zur Erzeugung extrem homogener Felder über kleine Volumina. Die Geometrie dieser Spulen läßt sich je nach Verwendungszweck so gestalten, daß das Magnetfeld an den Spulenenden einen großen Gradienten hat, also verhältnismäßig scharf räumlich begrenzt ist.

909824/0530

L e e r s e i t e

Claims (9)

1. HOFFMANN · EITLS <$: JPAIiTNEIi 2Ί bb J 5

   FAT K N TAN WALTE

   OR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) ■ Dl PL.-I N G. W. E ITLE ■ D R. RER. NAT. K. HOFFMANN ■ D I Pl.-I NG. W. LEH N

   DIPl.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) ■ D-8000 MO N C H E N 81 ■ TELEFON (089) 911087 · TE LE X 05-29619 (PATH E)

   29 758

   Europäische Atomgemeinschaft "EURATOM" Kirchberg / Luxemburg

   Spule zur Erzeugung von Magnetfeldern hoher und extrem

   hoher Homogenität

   Patentansprüche

   Spule zur Erzeugung von Magnetfeldern hoher und "extrem hoher Homogenität, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere (2 n) Windungen vorgesehen sind, die so ausgebildet sind, daß das Magnetfeld im Innern der Spule am homogensten ist, was dadurch erreicht wird, daß die Gleichungen

   cos

   0 (1)

   >³ cos

   IA

   = 0 (2)

   90982/./0530

   ORIGINAL INSPECTED

   ft _

   Σ.

   cos(2n+1

   — = 0 (η)

   2n+1

   für η > 1 erfüllt werden,

   wobei R der Abstand der Drähte von der Mittelachse der Spule ist, ψ der Winkel, den die Verbindungslinie von der Mittelachse zum Draht im 1. Quadranten mit der x-Achse bildet.
2. 2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur bestimmte aus den Gleichungen (1) bis (n) erhaltene Winkel und Radien vorgesehen sind, wobei die übrigen Winkel und Radien variabel sind.
3. 3. Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der einzelnen Windungen aus Windungspaketen in Segmentform bestehende Wicklungen vorgesehen sind (Fig. 8).
4. 4. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei ungleichen Strömen in den einzelnen Windungen oder Wicklungspaketen die η Gleichungen derart modifiziert werden, daß jeweils der u-te Ausdruck mit dem entsprechenden Strom I multipliziert wird.
5. 5. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß schräge Fortsätze an den Spulenenden vorgesehen sind.
6. 6. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für Spulen mit definierter Begrenzung in z-Richtung in der y,z-Ebene die Gleichungen

   9 0 9 π 7 /./ η 5 3 0 - 3 -

   η
   \ cos Of) · cos³^ ' = O

   η _

   cos (5 f^%) · cos⁵/ = O

   Z¹

   erfüllt sind.
7. 7. Spule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optimalen Winkel jf'^ = 19,5913°,

   f₂ = 50°, f\ = 53° sind.
8. 8. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebenen

   Radien R die Winkel Ψ um + 10° streuen. u I u —
9. 9. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegebenen Winkeln γ die Radien R um + 10 % streuen. ^/

   90S824/0530