Auslegung, Herstellung und Charakterisierung von mikrostrukturierten Spulen und kopplungsarmen Spulenarrays in planarer Mehrlagentechnik für mobile, unilaterale Kernspinresonanz-Systeme

Watzlaw, Jan; Mokwa, Wilfried (Thesis advisor); Blümich, Bernhard (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden mikrostrukturierte Planarspulen in einem neuartigen Mehrlagenaufbau aus¬gelegt, hergestellt und charakterisiert, welche zusammen mit dem offenen Magnetaufbau der Profil-NMR-MOUSE® (Nuclear Magnetic Resonance - MObile Universal Surface Explorer) einen mobilen, unilateralen NMR-Sensor bilden, der zur nicht-invasiven, oberflächennahen Analyse von beliebig großen Proben genutzt werden kann. Zur Designoptimierung wurde ein Optimierungsalgorithmus auf Basis von Simulationsrechnungen mit Finite-Elemente-Methoden entwickelt, über den unter Nutzung der zahlreichen Geometrieparameter des Mehrlagenaufbaus sämtliche Spuleneigenschaften an eine gewünschte Applikation angepasst werden können. Gegenüber dem bisherigen Stand der Technik konnte mit den Spulen eine stark verkürzte Totzeit des Sensors realisiert werden, was Vorteile für das Signalrauschverhältnis (SNR) pro Zeit liefert und zudem zum ersten Mal die Charakterisierung von Proben mit sehr kurzen Relaxationszeiten ermöglicht. Durch die um ein Vielfaches gesteigerte SNR/Volumen zusammen mit einer durch den Mehrlagenaufbau streng lokalisierten Sensitivität konnten gezielt kleine oberflächennahe Ausschnitte von Proben mit ansonsten lateralen Inhomogenitäten untersucht werden können. Die durchweg positiven Spuleneigenschaften ermöglichten weiterhin die Entwicklung miniaturisierter NMR-Aufbauten in Form der Mini -MOUSE. Dabei konnte der eigentliche Sensor sowohl in seiner Größe als auch seiner Masse gegenüber dem Stand der Technik drastisch reduziert werden (teils um mehr als den Faktor 80), was einen enormen Fortschritt hinsichtlich der Miniaturisierung in Richtung eines ultimativ portablen Gesamtsystems darstellt.Zudem wurden lineare sowie hexagonale, kopplungsarme Array-Anordnungen von bis zu sieben Einzelspulen entwickelt und charakterisiert, welche die vorteilhaften Eigenschaften der Einzelspulen mit einer vergrößerten sensitiven Fläche kombinieren. Eine derartige Anordnung wurde hier erstmals theoretisch und durch praktische Messungen mit mikrostrukturierten Spulen im Niederfeld bei etwa 0,4 T untersucht. Die dazu durchgeführte Analyse der mit einer Kopplung verbundenen Rauschkorrelation ergab, dass – entgegen dem Stand der Technik von Array-Spulen in der klinischen Bildgebung im Hochfeld, bei dem durch die humane Probe die dominierenden Rauschprozesse verursacht werden – hier stets das Rauschen der Spulenwiderstände dominant ist und keine indirekte Kopplung über die Probe berücksichtigt werden muss. Dadurch sind die Rauschbeiträge der einzelnen Detektoren unter Vernachlässigung der induktiven Kopplung stets unkorreliert, was gegenüber einer einzelnen Detektionsspule bei Einsatz von N Detektoren immer den maximal möglichen SNR-Gewinn eines Arrays um den Faktor √N liefert.Um die Arrays für NMR-Experimente einsetzen zu können, wurde eine rauscharme, modulare Mehrkanal-Elektronik aufgebaut und charakterisiert. Die entwickelten Vorverstärker sind dabei zusammen mit den Ankopplungsnetzwerken, die sich zwischen Spulen und Verstärkerelektronik befinden, derartig ausgelegt, dass ein nachträg¬liches Herausrechnen der Rauschkorrelation, welche durch eine residuale induktive Kopplung zwischen nicht vollständig entkoppelten Spulen im Array verursacht wird, vollständig und ohne SNR-Verlust möglich ist.Durch den Einsatz derartiger Spulen-Arrays kann bei zukünftigen Messungen an flächigen Proben nicht nur das SNR pro Volumen, sondern auch das absolut erzielbare SNR gesteigert werden. Dadurch können zum Beispiel insgesamt dünnere Proben oder im Rahmen der Erstellung von Tiefenprofilen dünnere Schichten mit gleichem SNR und somit Informationsgehalt vermessen werden. Dies kann weitere Anwendungsgebiete wie etwa in der mobilen Dünnschichtanalyse erschließen.

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