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Grundlagen der modernen kernmagnetischen Resonanz

Statisches homogenes Magnetfeld B0

Jedes NMR-Gerät besitzt als Basiseinheit einen Magneten, der je nach Anwendung für ein spezifiziertes Volumen ein starkes homogenes Magnetfeld der magnetischen Flussdichte B0 erzeugt. Um Magnetfelder zu erzeugen, die sehr große Magnetfeldstärken aufweisen ( > 2,5 T ) reichen normale Eisenmagneten oder wassergekühlte Elektromagneten nicht aus. Mit Hilfe von supraleitfähigen Materialien (das sind Stoffe, die keinen Innenwiderstand aufweisen) können Spulen konstruiert werden, die eine Magnetfeldstärke bis derzeit 21 T besitzen. Zum Vergleich: Das Magnetfeld der Erde nimmt Werte zwischen 30 μT und 60 μT an ( 1 μT = 10 6 T ). Diese eingesetzten Materialien müssen jedoch bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, damit sie ihre Supraleitfähigkeit behalten. Die nötigen Tieftemperaturen werden mit flüssigem Helium erreicht.

Typisch für die NMR-Spektrometer sind Vertikalmagneten. Die Spulenachse und damit der Feldvektor B0 stehen senkrecht zum Laborboden. Typisch für die bildgebende NMR (MRI, Magnetic Resonance Imaging) sind Horizontalmagneten. Die Spulenachse und damit der Feldvektor B0 sind parallel zum Laborboden.

Abb.1
Supraleitender Magnet eines NMR-Geräts
Abb.2
Schematische Darstellung eines supraleitenden Magneten eines NMR-Geräts

Die supraleitende Spule ist von einem System konzentrischer Dewar-Schalen umgeben, um ihre tiefe Temperatur mit möglichst geringem Verbrauch der Kühlmittel zu erhalten (flüssiges Helium und flüssiger Stickstoff). Die Raumtemperaturbohrung ist die innere, zylinderförmige Öffnung des Magneten. Von unten wird der Probeneinsatz eingeführt, der die Messprobenhalterung, die Sende-/Empfangsspule und den HF-Schwingkreis enthält. Von oben wird das NMR-Röhrchen eingebracht.

Abb.3
Supraleitender Draht

Die B0-Spule eines NMR-Magneten wird mit einem Draht aus einer supraleitenden Legierung gewickelt. Je nach Feldstärke (und Preis) beträgt dessen Länge bis zu 170km! Mit einem externen Stromversorgungsgerät wird die Spule einmalig auf eine bestimmte Stromstärke gebracht und verbleibt dann wegen der Supraleitung bei dem eingestellten Feld. Dieser Vorgang wird als "den Magneten auf Feld bringen" bezeichnet.

Abb.4
Abbildungen aus dem Herstellungsprozess eines supraleitenden NMR-Magneten

  • Spulenkörper des Magneten (oben links)
  • Halterung in einer Drehbank zur Wicklung der B0-Spule (oben rechts)
  • nahezu fertiggestellte B0-Spule (unten links)
  • obere Ende des Kryomagneten mit dem Einfüllstutzen für die Kühlmittel, die elektrischen Anschlüsse zum Laden des Magneten sowie die Öffnung der Raumtemperaturbohrung (unten rechts)

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