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Lic. Alejandra Patricia Cork
Resonancia Magnética Nuclear
08 de Marzo, 2010    Imanes en RMN

Imanes en Espectrómetros de RMN

inteRMnet


Imanes en Espectrómetros de RMN

por Dr. Emilio Lorenzo


 Fuente: http://www.intermnet.ua.es/inteRMNet/webju03/imanes.htm

Introducción

    Para la mayoría de aplicaciones de la RMN se precisan imanes que generen un campo magnético intenso, de elevada homogeneidad (véase Tabla 1), y gran estabilidad.

Tabla 1. Requistos de Homogeneidad

RMN de sólidos 1 parte en 104
RMI 1 parte en 107
RMN de líquidos 1 parte en 109

    En RMN de líquidos de alta resolución, con la tecnología que disponemos en la actualidad nos es imposible construir imanes que satisfagan por sí mismos los requerimientos de las técnicas de RMN. Es por ello que el imán principal del equipo está auxiliado por bobinas criogénicas y otras que operan a temperatura ambiente (bobinas de shim); además de contar con sistemas de lock campo-frecuencia autorreguladores de la homogeneidad.

 

Tipos de imanes

Los imanes pueden ser de tres tipos:

a) Imanes permanentes: Constituidos por polos cilíndricos, construidos de un material magnetizable y con una envoltura de hierro para cerrar el circuito magnético. La magnetización suele hacerse por paso de corriente a través de unas bobinas que rodean al imán. Cuando se ha logrado el campo deseado cesa el flujo de corriente. Resultan campos de 1.4 T aproximadamente (frecuencia de resonancia del protón ~60 MHz)

b) Electroimanes: Similar a los anteriores pero en este caso la corriente se hace pasar de forma continua. Normalmente resultan campos del orden de 2.3 T (frecuencia de resonancia del protón ~100 MHz), la geometría de los polos, naturaleza de los materiales y el consumo eléctrico son los determinantes de la fuerza del campo magnético resultante. *

Los equipos que emplean electroimanes tienen una masa muy grande; así por ejemplo un equipo de 2.3 T  y de 30 cm de diámetro de polo,  tiene una masa de 2000 Kg.

* Los electroimanes son capaces de alcanzar campos magnéticos del orden de 35 T, pero a costa de un elevadísimo consumo eléctrico. 

c) Imanes superconductores: Los más extensamente empleados. Constituidos por múltiples capas de un solenoide, un arrollamiento helicoidal de cable, de material superconductor. El sistema está sumergido en un baño de helio líquido. El criostato de helio líquido se diseña con un acceso para la muestra a temperatura ambiente; el diámetro del imán depende del tipo de muestra y aplicación como puede apreciarse en la Tabla 2.

Diámetro de los imanes
RMN de alta resolución 50-100 mm
RMI hasta 1 m

    Los materiales que constituyen el solenoide son superconductores del tipo II, que pueden soportar altos valores de campo magnético sin perder la superconductividad. Se emplean extensamente aleaciones de elementos metálicos que presentan buenas propiedades superconductoras y además posean otras propiedades físicas (ductilidad, maleabilidad, resistencia a la tensión, etc) y químicas, como es, la eliminación sencilla  de impurezas paramagnéticas (que reducen las propiedades superconductoras). Un superconductor se define con exactitud dando tres parámetros: a) su densidad de corriente crítica Jc, b) su temperatura crítica Tc, y su cota superior de campo magnético H2c. H2c y Tc son parámetros característicos del material, mientras que Jc depende fuertemente de la microestructura. Un nuevo material superconductor, útil en RMN, deberá permitir una densidad de corriente lo suficientemente grande como para proporcionar un campo magnético de la intensidad deseada y deberá ser capaz de soportar un campo magnético grande sin destruir su carácter superconductor; así por ejemplo, con aleaciones de Nb, Al y Ge se han llegado a alcanzar valores de H2c de 410 kG (41 T) en el punto de ebullición del helio. En lo referente a la temperatura crítica, es interesante diseñar sistemas que posean una Tc lo más alta posible.

    Las aleaciones del tipo Nb3Sn y Nb-Ti se emplean extensamente en la construcción de imanes de RMN, las primeras en campos superiores a 9.4 T (400 MHz para protón) y las segundas en campos inferiores a 9.4 T. Para frecuencias de protón de 1 GHz o superiores se está apostando por una serie de nuevos superconductores de niobio tipo Nb3Al y Nb3(Xx, Al1-x) con X=Ge, Ga, Be, B y Cu; el estudio de su proceso de fabricación está aún en sus inicios .

     Normalmente los hilos SC están contenidos en una matriz de cobre o bronce. Concéntricos con el eje del hilo se disponen los filamentos de material SC en un número que va desde el medio centenar (Nb-Ti) hasta varios miles (Nb3Sn). Con estos últimos es posible alcanzar campos de hasta 21 T de la homogeneidad requerida en RMN. Con la tecnología actual es imposible fabricar un hilo SC de unos 250 Km, la longitud  requerida para un equipo de 900 MHz; es por ello que los fabricantes han desarrollado técnicas de soldadura de baja resistencia de los extremos de los hilos SC. Estas técicas se emplean con los diferentes tipos de aleaciones. 

    

Detalle de los cables SC. Cortesía de BRUKER ESPAÑOLA. 

    El imán está constituido por varias capas de material superconductor (SC) enrollado según una disposición solenoidal, de modo que se refuerce la intensidad del campo magnético en el eje central del mismo. Suele ser habitual emplear bobinados distintos, diferentes tipos de aleación, en la construcción de un mismo imán, atendiendo a criterios de homogeneidad y fuerza del campo magnético que se desea alcanzar.

  

Detalle de las bobinas SC. Cortesía de BRUKER ESPAÑOLA. 

    Normalmente, un imán SC de RMN o RMI se impregna en fábrica con una resina epoxi que confiere al material una especial rigidez frente a las dilataciones bruscas y en todas direcciones que se derivan de un quench; si estas deformaciones llegaran a producirse la bobina superconductora sería dañada irreversiblemente, perdiendo los requisitos de homogeneidad que exige la RMN y RMI. Al mismo tiempo la rigidez proporcionada por estas resinas permite al imán soportar las tremendas tensiones y el stress al que se ve sometido, debido a la tremenda cantidad de energía almacenada en el mismo (nótese que un equipo de RMN de 900 MHz que opere a temperatura ambiente y de unos 65 mm de diámetro es capaz de almacenar una energía de 27 MJ [unos 6.4 kg de TNT] ). El diseño del imán y su geometría resulta decisivos a la hora de establecer la cantidad de energía que deberá acumular si se desea un campo magnético de determinada potencia (así por ejemplo en un equipo de 900 MHz de 54 mm de diámetro se reduce la energía almacenada en el solenoide superconductor a 17 MJ [unos 4 kg de TNT] ). Tradicionalmente, en imanes de menor campo, se han venido empleando ceras como tales agentes de reforzamiento de los imanes.

Impregnación de las bobinas SC. Cortesía de BRUKER ESPAÑOLA.       

 

Ya que se almacena una enorme cantidad de energía en un imán superconductor, en caso de fallo de las propiedades superconductoras (el material pase a poseer una resistencia no nula al paso de corriente) toda esta energía debe ser disipada de una forma rápida y ordenada. Los fabricantes de imanes SC de resonancia magnética emplean grandes esfuerzos en el estudio de medios eficaces de disipación de energía en el imán, sin producirle daño, en caso de quench.

    Normalmente, los imanes SC están sumergidos en un baño de helio líquido (2.2 K). En los últimos años, la tendencia ha sido la de emplear crioenfriadores que eliminan la necesidad de realizar rellenos periódicos de helio líquido; además permiten el uso de imanes SC en ambientes "hostiles", tales como desiertos o bosques de zonas húmedas. Los criostatos actuales suelen emplear dispositivos de enfriamiento de superfluidos basados en la expansión adiabática Joule-Thompson (JT) [una válvula controlada por un pequeño motor y un intercambiador de calor, la válvula se controla por un dispositivo mecánico que puede ser controlada por ordenador]. Estos enfriadores minimizan notablemente las pérdidas de helio líquido. Los diseños suelen emplear dos camisas exteriores a la del imán que contienen He líquido y N2 líquido; la primera empleada como reserva del He líquido y la segunda como escudo térmico del sistema. Estas camisas se encuentran separadas por una cámara hueca, con una presión total de unas 0.02 atm.

Interior del recipiente Dewar que contiene el imán SC de alto campo (>700 MHz). El baño de helio líquido se encuentra a presión atmosférica y sólo la unidad de enfriamiento Joule-Thompson opera a presión reducida. Cortesía de BRUKER ESPAÑOLA.   

 

    Cuando se adquiere un equipo de RMN, el imán suele llegar de fábrica a temperatura ambiente. El técnico debe llevar a cabo un proceso de enfriamiento del mismo, empleando helio líquido y casi siempre también nitrógeno líquido. Este proceso suele durar varios días, así por ejemplo un equipo de 900 MHz puede requerir unas 2 semanas para tener el superconductor a una temperatura de unos 4 K y a costa de un consumo de 104 l de nitrógeno líquido y 7500 l de helio líquido. El proceso de excitación del solenoide SC, pasando corriente desde un potenciostato a través del mismo para transformarlo en un imán SC, requiere mucho tiempo debido a la gran inductancia del imán (más de 1000 H en un 900 MHz); al final del mismo circulará una corriente de varios cientos de amperios que originará el campo magnético.

    A pesar de los notables avances logrados por la ciencia de los materiales en el estudio de nuevos SC; aleaciones con muy buenas propiedades mecánicas (ductilidad y maleabilidad) y físicas (mejora en las propiedades SC); la tecnología actual es incapaz de proporcionar un hilo SC que genere un campo magnético de las condiciones requeridas en RMN. Partiendo de esto, los imanes se diseñan con sistemas de bobinas de crioshim que, por paso de corrientes a través de las mismas, permiten corregir las inhomogeneidades que pudiera poseer el campo magnético generado por el soleide principal. El técnico, una vez ha excitado el solenoide principal, debe excitar con el potenciostato estas bobinas de modo que el campo final resulte con la homogeneidad suficiente. 

    En materia de seguridad frente a campos magnéticos (estáticos) intensos, un equipo de 500 MHz puede llegar a borrar una tarjeta con banda magnética a una distancia de 3 m, o lo que es más importante detener un estimulador cardiaco (o similar) lo cual obliga a situar un equipo de RMN en una zona aislada o de acceso restringido. Es por ello que desde hace unos pocos años los fabricantes de estos equipos han hecho notables esfuerzos por construir imanes apantallados.

 

Distribución de líneas de 5 G del campo magnético en imanes apantallados y no apantallados. Cortesía de BRUKER ESPAÑOLA.       

    Una metodología útil ha sido la de emplear otros arrollamientos de superconductor que generan campos magnéticos que se oponen al campo magnético principal y prácticamente lo neutralizan fuera del recipinte Dewar que contiene al imán. Sin embargo, esta metodología resulta muy cara cuando se aplica a altos campos (800 MHz o mayores) debido a que requiere una mayor longitud del solenoide superconductor principal, llegando a encarecer hasta un 30 % el valor del imán. En campos mayores de 800 MHz los fabricantes de imanes SC están empleando sistemas de apantallamiento pasivo mediante el uso de estructuras especiales que rodean el imán. Evidentemente, al mismo tiempo, estas medidas de seguridad garantizan la realización óptima de experimentos de RMN o RMI frente a fuentes electromagnéticas externas. 

 

Principio de Apantallamiento activo: las bobinas interior y exterior crean un campo magnético muy homogeneo en el centro del imán y prácticamente se anula en el exterior. Cortesía de BRUKER ESPAÑOLA.       

 

    El diseño de los criostatos de RMN o RMI suele tener en cuenta una serie de medidas de anti-vibración. Estos sistemas hacen que cualquier perturbación mecánica (de bombas de alto vació, vibraciones externas, etc) sea directamente absorbida por las paredes del Dewar y no pasen al criostato. Una disposición habitual en los equipos de RMN de 900 MHz es una jaula cilíndrica, constituida por soportes amortiguadores de vibración,  que rodea la circunferencia del Dewar del equipo de RMN; esta estructura soporta el criostato por su centro de gravedad. La estructura del criostato requiere una gran rigidez, en parte debido a las tremendas condiciones mecánicas que debe soportar ante un hipotético quench, que viene acompañada por una masiva evaporación de helio líquido.

Agradecimientos


Agradecemos a BRUKER ESPAÑOLA el material visual aportado que ha sido vital en la construcción de este seminario.


 

 

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publicado por alejandracork a las 04:07 · Sin comentarios  ·  Recomendar
 
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Lic. Alejandra Cork

Licenciada en Producción de Bioimágenes
Profesora de Enseñanza Superior en Producción de Bioimágenes
Docente de la Facultad de Ciencias de la Vida y la Salud
Universidad Autónoma de Entre Ríos
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