磁体系统的制作方法

本公开涉及一种能够用于核磁共振(nmr)的磁体系统，例如超导磁体系统。

背景技术：

1、希望在各种nmr模式中获得高度均匀的磁场。这包括磁共振成像(mri)，但在nmr光谱中尤其相关。

2、nmr光谱使得能够测量关于样品的化学信息，例如它们的分子结构。通过在包含目标区域的工作体积内产生高强度、均一(也称为均匀)的磁场来实现该nmr测量过程，该工作体积通常是nmr装置中的孔。

3、为了分析样品，将样品定位在目标区域中，然后使其经受rf辐射，引起某些核的自旋进动。在移除rf辐射时，自旋返回到其静止状态，并且可以监测其进动频率，从而给出结构信息等的指示。在目标区域内需要高度均匀的磁场以获得例如化学结构的精确测量。

4、用于nmr装置的磁体系统通常包括在使用中保持在低温(例如低于100开尔文(k))的超导磁体布置。超导磁体通常被形成为限定具有中心轴的孔的螺线管，用于定位样品的工作体积沿着该中心轴布置。无限长的螺线管将在目标区域中产生完全均匀的磁场。然而，这种螺线管在实践中不能被制造，因此补偿线圈可以围绕中心轴缠绕，以校正来自螺线管的任何端部效应(特别是端部效应)，从而提高目标区域处的磁场均匀性。

5、补偿线圈(在本领域中有时也称为“加雷特(garrett)线圈”)通常与磁体串联缠绕，并且可以采用螺线管或扁平线圈的形式。这些通常被设置以校正由于磁体不能无限长的设计而引起的磁场中的任何不均匀性。对于诸如高分辨率nmr的应用，例如由于与设计相比在制造过程期间引入的偏差，螺线管磁体单独地(即使具有补偿线圈)通常也不提供期望水平的均匀性。它们也不能对例如由于磁场的环境变化引起的在磁体系统的使用期间的均匀性的变化作出反应。因此，通常使用附加的措施(如，由超导导线构造的超导匀场线圈、使用铁磁材料的无源垫片和由铜线缠绕的室温匀场线圈)来校正不均匀性的来源。

6、为了获得非常高的场强，例如高于约23.5特斯拉(t)的场强(这对于在诸如大蛋白质的结构和功能研究的应用中的非常灵敏的nmr是期望的)，需要低温超导体(lts)磁体和高温超导体(hts)磁体的组合。然而，部分地由于材料的费用(以及对于分层缠绕组，可获得更长的材料长度，同时避免在绕组本身内构造接头的需要)，hts螺线管线圈往往较短，并且它们也在高电流密度下操作。因此，如果没有补偿，它们针对其尺寸产生相对大量的不均匀性。

7、lts线圈可以被设计成补偿整个hts和lts磁体组合的不均匀性。这意味着作为单独单元的hts线圈和lts线圈保持不均匀。与lts线圈相比，保持不均匀性可能导致hts线圈的非常小的轴向偏移(例如约0.1毫米(mm))，从而导致在适当的界限之外的中心场不均匀性。此外，如果hts和lts线圈在不同的电流下运行(为了研究和/或最有效地利用材料的不同特性)，则均匀性将随着中心场的改变而显著改变，除非电流保持在固定比。这也意味着hts和lts磁体中的一者的操作电流的变化(例如，由于电源波动导致的)将导致磁体均匀性和中心场值的变化，并且如果磁场均匀性和中心场值显著变化，则补偿中心场变化的常规手段(例如“nmr锁定”)可能更难以实现。此外，补偿线圈由于产生的径向场而趋于呈现高的轴向力和压力，这可能由于由这样的力引起的移动而导致失超，尤其是在磁体的较高场区域中。然而，由hts材料制成的线圈预期对于后一种结果要稳健得多。

8、另一要点是，仅由扁平线圈构成的hts磁体将固有地在电流密度方面不均匀。由于与理论设计相比电流密度的偏差的影响，这使得很难将其用于常规nmr应用。这部分是由于电流在这种结构中流动的方式，部分是由于制造公差导致的。

9、鉴于这些困难，为了获得更精确、更高分辨率的nmr数据，期望进一步提高目标区域处的磁场均匀性和均匀性的稳定性。

技术实现思路

1、根据第一方面，提供了一种用于(即，适于)在目标区域中生成均匀磁场的磁体系统，该磁体系统包括：第一磁体，其由低温超导体(lts)材料形成并且被形成(诸如被缠绕)以便限定中心轴，所述第一磁体被布置成在使用中在位于中心轴上(upon)的目标区域中生成第一磁场，所述第一磁场具有第一水平的均匀性；第二磁体，其由高温超导体(hts)材料形成并且被布置成在使用中在目标区域中生成第二磁场，所述第二磁场具有第二水平的均匀性，其中第一磁场的第一水平的均匀性高达百万分之(parts per million，ppm)10(即，10ppm)，并且第二磁场的第二水平的均匀性高达10ppm，目标区域中的第一磁场和第二磁场的组合在使用中生成具有高达10ppm的所得均匀性的所得磁场，并且其中第一磁体和第二磁体是独立的电流电路。

2、已经发现，通过以这种方式配置磁体系统，即使当在第一超导磁体和第二超导磁体中的一个或另一个中存在不均匀性的原因(诸如磁体的偏移或磁体中的电流变化)时，所得均匀性也能够保持在期望的参数内。这是通过校正第一超导磁体和第二超导磁体中的每个超导磁体本身的不均匀性(即，通过实现高达特定水平的均匀性)来实现的。

3、在没有这种布置的情况下，当两个超导磁体作为单独的电流电路运行(run)时，每个超导磁体将有助于目标区域处的总的不均匀性(所得均匀性)。这导致总的不均匀性是第一超导磁体和第二超导磁体中的每一个的不均匀性的比例和。

4、在这种情况下，将需要校正两个这种超导磁体中的一个的不均匀性。这通过应用补偿线圈来实现，该补偿线圈与两个超导磁体中的一个串联运行，并且由此与相应的一个超导磁体处于相同的电流电路中。使用该原理，一个超导磁体的不均匀性被设计为消除两个超导磁体中的另一个的不均匀性，以便满足所得均匀性水平规格。在类似的情况下，如果多个超导磁体串联(电)连接，例如形成同一电流电路的一部分，则施加到超导磁体中的一个的均匀性的任何变化或影响超导磁体中的一个的均匀性的任何变化对多个超导磁体中的其它超导磁体中的每一个的均匀性具有间接影响。

5、与根据第一方面的磁体系统不同，如果在对两个超导磁体中的一个的所得均匀性水平的贡献中存在变化，则不再完全地或以相同的程度校正整个组件的不均匀性。这种变化的原因可能是例如由于至少一个超导磁体的操作电流的相对偏移或变化。校正将不是那么完全的原因是因为取消将不再是那么完全或不再能够是那么完全。然而，在不应用我们已经发现的情况下，不可能减小校正程度的这种变化。

6、相反，通过采用根据第一方面的布置，将改变均匀性的变化(诸如由磁体的移动或操作电流的变化引起的变化)对发生变化的磁体的均匀性没有影响，或者仅影响发生变化的磁体的均匀性。因此，对例如所得磁场的均匀性的任何影响都显著地受到限制。因此，这减少了具有非独立均匀性的磁体系统中的不均匀性的任何原因，否则如果这些均匀性是相互依赖的，则会产生不可接受的整体均匀性水平。这样，磁体的整体均匀性得到改善，并且磁体系统被制造得更能够适应不均匀性的原因。

7、目标区域可以具有大约0.5厘米(cm)直径的球形体积(diameter sphericalvolume，dsv)至大约2cm dsv(诸如1cm dsv)的尺寸。目标区域通常可以以中心轴的中心点为中心，该中心点通常是第一磁体(并且通常也是第二磁体)的几何中心。通常通过考虑球形目标区域内的磁场的z分量(即bz)(其为主磁场方向)的磁场强度相对于该区域中心处的场的变化来测量本文所指的均匀性。例如，在目标区域中具有高达10ppm的均匀性的磁场具有在目标区域内的任何位置处变化小于百万分之10的bz分量(即，目标区域内的最大场与目标区域内的最小场之间的差小于该区域的原点处的场值的10ppm)。

8、可以根据球面谐波分析区域(例如目标区域)上的磁场变化。在该区域中任何点处的磁场是分量的总和。另外，该区域上的总体均匀性(例如，上文提到的10ppm)由该区域内的最大变化来限定。场的每个分量(即球面谐波)将不同地贡献于均匀性。以z2分量为例，这随着沿轴的距离的平方而变化，因此在+1cm和-1cm处将具有相同的值。考虑1cm dsv，该分量的最大值将在+/-0.5cm处，并且因此如果z2是对不均匀性的唯一贡献，则4ppm/cm2的z2(每个分量具有单位ppm/cmn，其中n是分量球面谐波阶次)将对应于在1cm dsv上的1ppm的值。

9、尽管均匀性值可以被描述为正值或负值，但是上述第一均匀性和/或第二均匀性和/或所得均匀性可以被认为是绝对值。因此，这些旨在包括所述水平的正的和负的均匀性，例如对于所述三种均匀性中的一种、两种或每一种为正的或负的10ppm。除了均匀性或球面谐波值被具体地陈述为负或者在与陈述为负的均匀性相同的上下文中陈述之外，本文公开的所有均匀性可以被认为是绝对值，并且因此意图涵盖所述水平的正和负均匀性。作为其一部分，可以理解，就ppm而言均匀性的数值越小(即越接近零)，均匀性越好。因此，±1ppm的均匀性优于±10ppm的均匀性，±10ppm的均匀性又优于±100ppm的均匀性。因此，与所述均匀性值有关的术语“高达”旨在表示均匀性能够在从零(包括零)到所述均匀性值(包括所述均匀性值)的范围内。

10、用术语“lts材料”来表示超导材料，它在每平方毫米100安培(100a/mm2)的工程临界电流密度下，在4.2k下允许最大场强最高约22t。这包括诸如铌-钛(nbti)和铌-锡(nb3sn)的材料。通过在4.2k以下操作lts材料，可以为lts材料提供一些性能增强，然而，对于nbti和nb3sn，这仅将最大场强极限提高了约2t至2.5t。nb3sn的工程临界电流密度在约20t以上的场强处突然下降，使得该材料在约20t以上效率低得多，并且在约23.5t以上在4.2k处不可使用。

11、术语“hts材料”是指在30t甚至40t以上(在约4.2k或以下的温度，通常在约4.2k以上的温度，例如8k、20k、77k或90k)显示出名义上可用的超导性质的超导材料。这种材料包括稀土钡铜氧化物(rebco)和铋锶钙铜氧化物(bscco，例如bscco 2212或bscco 2223)。

12、如从上文可以看出，hts材料与lts材料相比具有更高的临界场，因此由hts材料形成的第二磁体使得能够在目标区域处产生更高的磁场。这是因为，为了提供能够产生远高于约20t(例如大于23.5t)的场强的可用磁体系统，利用当前技术，需要hts材料。然而，由于这比lts材料昂贵几个数量级，因此磁体系统通常是混合磁体系统，其中由lts绕组提供前15t至20t。

13、相比于lts材料，hts材料在更高的温度下保持超导，但通常最方便的是在使用中将第一磁体和第二磁体保持在共同的温度。因此，第一磁体和第二磁体可以包含在相同的低温容器内，例如杜瓦容器，该低温容器被配置为在使用中将第一磁体和第二磁体冷却到共同的温度。典型地，低温容器填充有液氦，以在使用中将第一磁体和第二磁体冷却到大约4k(例如4.2k)。然而，诸如脉冲管制冷机的无冷却剂的制冷机可以替代地用于冷却第一磁体和/或第二磁体。

14、术语“独立电流电路”旨在表示分离的电路，因此在它们之间没有任何接头或物理连接作为电路的一部分。这样，独立的电流电路可以是(彼此)不接合的。这并不排除一个电路可由例如另一个电路感应充电，或者对于每个电路使用相同的电源，只要存在允许保持电流电路的独立性的某种机制(例如分压器)即可。

15、当讨论均匀性的变化或不均匀性增加的原因时，使用术语“偏移”。术语“偏移”旨在表示线圈、磁体或磁体的一部分相对于其被设计定位的位置和/或相对于另一线圈、磁体或磁体的一部分的移动或错位。例如，线圈的大约1mm或0.5mm的轴向偏移是线圈在与线圈和/或磁体或磁体系统的中心轴同轴的方向上从线圈的预期位置的移动或定位，这是由于在使用中线圈所经受的力或由于一些其它原因导致的物理移动导致的，或者由于在构造期间(无意地)被不正确地定位导致的。这种偏移可能是制造公差、构造技术或如上所述的线圈所经受的力的结果。

16、第一磁体在目标区域中可具有高达1ppm的均匀性。附加地或替代地，第二磁体可以在目标区域中具有高达1ppm的均匀性。当第一磁体和第二磁体中的每一个具有高达1ppm的均匀性时，所得磁场可以具有高达1ppm的均匀性。因此，通常，第一水平的均匀性可以高达1ppm，第二水平的均匀性可以高达1ppm，并且所得均匀性可以高达1ppm。这允许磁体系统适用于nmr应用，所得磁场的精确的总均匀性通常取决于来自第一磁体和第二磁体的相对所得场贡献。

17、作为“完美”系统中的比较，例如其中第一磁体和第二磁体各自是完美均匀的系统，任一磁体的位置或电流的变化的影响将对组合磁体的均匀性具有零影响。根据本文公开的方面的磁体系统的目的是尽可能接近这种完美解决方案来实现。实际上，考虑到日常实用性，这意味着限制了这种磁体系统适于应用所需的变化(例如限制到1ppm或10ppm的均匀性极限)。

18、磁体系统还可以包括控制系统，其被布置成在第一磁体中提供第一电流，并且在第二磁体中提供第二电流，并且其中第一电流和第二电流被彼此独立地控制。这提供了将分离的电流给予独立的电流电路的手段以及控制供应给第一磁体和第二磁体中的每一个的电流的能力。

19、磁体系统可以(仅)具有单个电源，第一磁体和第二磁体中的每一个并联连接到该单个电源以便提供独立的电流电路。如上所述，这可以使用分压器来实现。替代地，单个电源可以连接到第一磁体或第二磁体中的仅一个，如第一磁体，其可以被布置成在使用中对第二磁体感应地充电，同时仍然允许维持独立的电流电路。然而，通常，磁体系统还可以包括被布置成在使用中向第一磁体提供电力的第一电源和被布置成在使用中向第二磁体提供电力的第二电源，第一电源和第二电源彼此独立。这进一步将独立的电流电路彼此分离，使得更容易提供对每个电流电路的独立控制并且减少第一磁体和第二磁体之间的非预期耦合。

20、第一磁体可以包括块状超导体或各种磁体几何形状。通常，第一磁体可以是缠绕磁体。这样，第一磁体可包括第一补偿螺线管磁体。这允许第一磁体的均匀性的更高的精度和可预测性。

21、第一磁体可包括由超导体材料形成的多个螺线管，所述多个螺线管围绕中心轴(并且在孔的外部)缠绕，其中每个所述螺线管设置在相应的径向位置处。第一磁体的最外螺线管可由nbti形成。nbti比nb3sn和hts材料相对不易碎，并且便宜得多，因此在磁体系统的径向更远离中心轴的较低场区域是期望的。

22、第一磁体可以被设计成具有完全基于例如一个或多个螺线管(例如层缠绕螺线管)的使用的适当的均匀性。典型地，第一补偿螺线管磁体包括至少一个螺线管和第一补偿线圈的组，该第一补偿线圈的组被布置成在使用中补偿至少一个螺线管。

23、因此，可以提供这样的补偿线圈，用于校正由第一磁体的设计和结构(即，由于不是无限长的螺线管)引起的目标区域处的磁场不均匀性。

24、例如，第一磁体可具有与第一螺线管电串联连接的第一对补偿线圈。第一对补偿线圈还可设置在距离中心轴的径向位置处，该径向位置比第一螺线管离中心轴的径向位置更近。

25、第一螺线管和第一对补偿线圈可由nb3sn形成。nb3sn是期望的，因为它能够在高磁通密度下保持超导。因此，补偿线圈可以用于磁体系统的高场区域中。

26、第二磁体可以是任何合适的磁体几何形状，或者包括任何合适的磁体几何形状，例如块状超导体、铁磁材料、电阻性电磁体、或者超导线或带。通常，第二磁体包括线圈的组，例如位于中心轴上(并且通常在孔的外部)的线圈的组，其中每个线圈可以设置在相应的径向位置处。该线圈的组可以是一个或多个螺线管和/或一个或多个扁平线圈。螺线管可以是层缠绕螺线管。使用线圈的组允许第二磁体的均匀性的更大精度和可预测性。

27、第二磁体可以相对于第一磁体同轴地位于中心轴上，并且在第一磁体的径向内部。这使磁体系统的整体尺寸最小化，并允许对目标区域中的所得磁场的贡献尽可能大。

28、第二磁体可包括第二补偿螺线管磁体，第二补偿螺线管磁体包括至少一个螺线管和第二补偿线圈的组，第二补偿线圈的组在使用中操作以便向至少一个螺线管提供补偿，并且根据定位该第二补偿线圈的组，其中r0是至少一个螺线管的内半径，并且rp是(该第二补偿线圈的组)相应补偿线圈的中心的半径，并且zp是所述补偿线圈的中心的轴向位置。通常，该第二补偿线圈的组作为第二磁体的电流电路的一部分(电)串联连接。这能够补偿由至少一个螺线管产生的场的不均匀性。因此，可以提供这种补偿线圈用于校正由第二磁体的设计引起的目标区域处的磁场不均匀性。

29、可以根据定位第二补偿线圈的组。

30、第二补偿螺线管磁体的至少一个螺线管可包括从轴向中心对称地轴向地朝远离目标区域的方向延伸的初级(层缠绕)螺线管线圈，该第二补偿线圈的组是扁平线圈并且被定位成在初级螺线管线圈的轴向端部处邻近初级螺线管线圈。在这种情况下，r0可以是初级螺线管线圈的内半径。

31、由于与理论设计相比电流密度的偏差的影响，仅由扁平线圈构成的线圈组在电流密度方面固有地不均匀，使得更难以用于例如传统的nmr应用。这部分是由于电流在这种结构中流动的方式导致，部分是由于制造公差导致。然而，在磁体的目标区域看到的这些效应的幅度随着离中心的距离而迅速减小。因此，所描述的布置提供了一种简单的装置，其提供具有期望均匀性的补偿的第二磁体，而不需要使用技术上具有挑战性且昂贵的层缠绕hts补偿线圈。

32、扁平线圈在本领域中是已知的并且出现，其中导体围绕原点并沿着公共平面以螺旋形式向外缠绕。在当前情况下，原点沿着磁体系统的中心轴定位，并且平面垂直于中心轴。虽然原则上可以仅使用单个扁平线圈，但是实际上多个扁平线圈能够沿着磁体的轴向方向堆叠。例如，当堆叠两个扁平线圈时，这形成“双扁平线圈”。这发生在以下情况：线圈缠绕有导体，该导体从一个扁平线圈的外部螺旋进入第二扁平线圈的最内部位置，然后导体从第二扁平线圈的最内部位置径向向外缠绕，第二扁平线圈与第一扁平线圈同轴地布置并且在与第一扁平线圈相同的方向上缠绕。如果另外的扁平线圈缠绕到相同的堆叠上，则每个线圈以相同的方式在径向最内部位置或径向最外部位置连接到相邻的线圈，这取决于对于从其延续的扁平线圈来说螺旋的端部所处的位置。以这种方式(以及对于如此连接的多个扁平线圈的任何布置)，形成了连接的扁平线圈堆叠。

33、第二磁体还可包括次级螺线管线圈，其相对于初级螺线管线圈同轴地布置在中心轴上，并且在初级螺线管线圈的径向内部(但是通常在孔的外部)。这允许在保持期望的均匀性水平的同时实现增加的场强。

34、第二补偿线圈可包括位于初级螺线管线圈的每个端部的轴向外部且与初级螺线管线圈至少部分径向重叠的补偿线圈，和/或位于初级螺线管线圈的每个轴向端部处的初级螺线管线圈的径向外部的补偿线圈。与上述效果类似，这限制了扁平线圈对高次谐波的影响，同时允许实现第二磁体的改善的磁场均匀性。

35、每个第二补偿线圈可相对于初级螺线管线圈反向缠绕。然而，通常，每个第二补偿线圈可相对于初级螺线管线圈正向缠绕。这使得每个第二补偿线圈向目标区域贡献正的零阶场。

36、根据第二方面，提供了一种用于在目标区域中生成均匀磁场的磁体系统，该磁体系统包括：第一磁体，其由超导材料围绕中心轴以圆柱形形状形成，所述第一磁体被布置成在使用中在位于中心轴上的目标区域中生成第一磁场；以及补偿线圈的组，其在使用中操作以便提供第一磁场的均匀性，其中第一磁体从轴向中心对称地轴向地朝远离目标区域的方向延伸，并且补偿线圈的组是扁平线圈，根据定位该扁平线圈，其中r0是第一磁体的内半径，rp是相应扁平线圈的中心的半径，以及zp是所述扁平线圈的中心的轴向位置。

37、该补偿线圈的组可以被定位成在第一磁体的轴向端部处邻近第一磁体。

38、补偿线圈可以包括位于第一磁体的每个端部的轴向外部且与第一磁体至少部分径向重叠的补偿线圈，和/或在第一磁体的每个轴向端部处位于第一磁体的径向外部的补偿线圈。

39、根据第二方面的磁体系统还可以包括第二磁体，所述第二磁体相对于第一磁体同轴地布置在中心轴上，并且在第一磁体的径向内部，并且可选地，第一磁体可以是第一螺线管线圈和/或第二磁体可以是第二螺线管线圈。

40、每个第二补偿线圈可相对于初级螺线管线圈被正向缠绕。

41、第二方面的磁体系统可以提供第一方面的第二磁体，并且可以包括或结合上面关于第一方面的第二磁体描述的任何单独的特征或特征的组合。另外或可选地，第二方面的磁体系统可以由hts材料形成。

42、本文描述的磁体系统特别适合于高场，并且通常被布置成在目标区域中产生超过20t的磁场，优选地超过25t。mri系统通常使用更大的样本，因此在这些系统中通常更相关地实现更大目标区域上的均匀性。因此，在1cm dsv目标区域上具有极高程度的均匀性通常与mri系统无关。因此，根据至少第一方面的磁体系统特别适用于nmr光谱学，并且通常在目标区域中产生低于5ppm的均匀性，例如低于1ppm。因此，第三方面是一种nmr光谱仪，其包括根据第一方面或第二方面的磁体系统，在nmr光谱仪中，所述磁体系统通常包括诸如超导垫片(shim)的附加部件以进一步提高均匀性。nmr光谱仪还可包括低温冷却系统，其被配置为在nmr光谱仪的操作期间将磁体系统冷却到100k以下，例如10k以下。冷却系统可以被配置为将磁体系统冷却到5k以下，诸如冷却到4.2k或更低(即，在一些示例中，冷却到大约2k)。该磁体系统还适用于其它nmr系统，例如傅立叶变换质谱仪ftmr(也称为傅立叶变换离子回旋共振ft-icr)。