Aktive Magnetfeldkompensation

Aktive Magnetfeldkompensationsanlage
MACOM II®

Magnetische Störfelder im Forschungsbereich (Elektronenmikroskopie) und im Medizinbereich (Kernspintomographie) beseitigen

Hintergrund

Die Auflösung bildgebender Verfahren in den Bereichen Elektronenmikroskopie und Kernspintomographie wurde in den letzten Jahren deutlich verbessert. Allerdings sind die Anlagen damit auch empfindlicher gegenüber Umwelteinflüssen geworden. Dies betrifft neben Vibrationen, Temperatur und Schallwellen insbesondere auch die Einwirkung von Magnetfeldern. Nachdem sich Forschungsinstitute häufig in innerstädtischen Bereichen befinden, sind Einflüsse von Straßenbahnen, U-Bahnen, elektrischen Leitungen, Energiekabeln etc. in der Regel nicht zu vermeiden: Die magnetischen Störfelder, die diese Anlagen in den Aufstellungsräumen für empfindliche Geräte erzeugen, sind oft um Größenordnungen höher als die für diese Geräte zulässigen Werte.

Eine Abschirmung der Störfelder durch metallische Kabinen oder in Räumen, die mit Metallblechen ausgekleidet sind, ist zwar grundsätzlich möglich, in der Regel aber deutlich teurer als eine Störfeldreduktion durch eine aktive Magnetfeld-Kompensationsanlage.

Prinzip

Magnetfelder sind Vektorfelder. Überlagert man einem störenden Feldvektor einen gleich großen, aber entgegengesetzt gerichteten Feldvektor, so führt dies zu einer Auslöschung des Feldes. In der Praxis wird durch die Anwendung dieser Interferenz zwar keine vollständige Auslöschung des Störfelds, aber immerhin eine erhebliche Reduktion erreicht. Hierzu wird das vorherrschende Magnetfeld mit einer Sonde gemessen, mittels einer stromdurchflossenen Spulenanordnung im Raum ein entsprechendes Gegenfeld erzeugt. Eine Regelungseinheit sorgt dafür, dass der Stromfluss stets den Änderungen des Störfelds angepasst wird.

Realisierung

Um Störfelder beliebiger Kurvenform zu kompensieren, ist eine Feldreduktion in einem möglichst großen Frequenzbereich erforderlich. Dies wird durch einen speziell entwickelten und patentierten1 Sensor erreicht, der das magnetische Störfeld von 0 Hz (Gleichfelder) bis zu Frequenzen von einigen 100 kHz misst. Dieses Sensorsignal wird einer analogen Regelungseinheit zugeführt; ein Breitband-Leistungsverstärker erzeugt die Ströme für das entsprechende Gegenfeld. So werden sowohl sehr langsame Feldänderungen – wie sie beispielsweise durch bewegte Metallkonstruktionen wie Fahrstühle, Stahltüren oder Kraftfahrzeuge in der Umgebung erzeugt werden – als auch sehr schnelle Feldänderungen – hervorgerufen beispielsweise durch Schaltvorgänge in der Elektroinstallation – effektiv reduziert.

Für Spezialanwendungen sind verschiedene Abwandlungen des Standardgeräts entwickelt worden.

  • Bei Kernspintomographen kann aufgrund der starken Eigenfelder die Messsonde nicht in der Nähe des Gerätes installiert werden. Hierfür ist eine modifizierte Anlage MACOM II MR verfügbar, bei der die Sonde außerhalb des Untersuchungsraumes platziert werden kann.
  • Für Transmissionselektronenmikroskope ist eine Sondenplatzierung in der Nähe der Mikroskopsäule nicht möglich, da dort starke Eigenfelder durch die Magnetlinsen entstehen. Hier wurde eine Version mit zwei Sonden geschaffen, die unterschiedliche Frequenzbereiche abdecken. Dadurch kann zumindest für 50 Hz-Felder eine deutliche Verbesserung der Kompensationswirkung erreicht werden.
  • Für Sonderanlagen mit höherfrequenten Eigenfeldern kann der Frequenzbereich der Kompensationsanlage so eingeschränkt werden, dass diese Eigenfelder die Kompensationswirkung nicht beeinträchtigen.

Das Konzept der Anlage erlaubt ferner die Steuerung über einen externen Rechner, der über eine serielle Schnittstelle angeschlossen werden kann. Auch ein Anschluss über die vorhandene Ethernetschnittstelle ist möglich, so dass die Kompensationsanlage direkt an ein firmeneigenes Intranet oder das Internet angeschlossen werden kann. Dann können über jeden an dieses Netzwerk angeschlossenen Rechner alle Parameter eingestellt und alle Daten abgefragt werden. Auf Wunsch kann die Anlage so auch von Müller-BBM weltweit betreut werden, ohne dass die Anwesenheit von Mitarbeitern vor Ort erforderlich ist.

Um rasch und ohne bauliche Maßnahmen im Raum die Wirkungsweise der Kompensationsanlage zu prüfen, steht auch eine mobile Anlage zur Verfügung, die innerhalb weniger Stunden auf- und wieder abgebaut werden kann. Diese Anlage kann auch eingesetzt werden, um Einflüsse unterschiedlicher Umgebungsparameter zu untersuchen. Dies ist sinnvoll, wenn z. B. Schwingungen, Luftschall und Magnetfelder gleichermaßen auf die zu schützende Anlage einwirken und unklar ist, welcher der Einflüsse tatsächlich zu Störungen führt. Durch die mobile Kompensationsanlage kann der Einfluss des Magnetfelds sofort eliminiert werden um festzustellen, ob dieser Parameter ursächlich für die Störungen war.

Technische Daten2

Feldreduktionswirkung

0 bis 1 kHz: < 60 dB

1 bis 5 kHz: 20 bis 60 dB

10 bis 50 kHz: 0 bis 20 dB

Rauschen (0 bis 100 kHz) < 1 nT
Langzeitsabilität < 1 μT
Maximales Störfeld ca. 10 T
Ausgangsstrom 3 x 3 A
Anzeigen (0 bis 100 kHz) Flussdichte oder Ausgangsstrom
PC-Schnittstelle RS232
Leistungsaufnahme max. 270 W
Bauform 19′′-4HE-Einschub oder Tischgehäuse

1 Patentnummer: 10224582 beim Deutschen Patent- und Markenamt
2 Die Angaben beziehen sich auf den Ort der Sonde und auf Raumabmessungen von 4m x 4m x 3m.

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