Comparative study of helical-cut notch–coil magnets for fast-field-cycling nuclear magnetic resonance

Abstract

In this manuscript we describe an -helical-cut notch–coil magnet system designed for fast switching of the magneticfield. An attempt was made to determine the extent to which such a magnet configuration can be efficiently used for fast-field-cycling (FFC) nuclear magnetic resonance (NMR) instruments. In addition to the typical technical requirements (high field-to-power ratio, adequate electric performance for fast-switching of the magnetic field and NMR-compatible magnetic fieldhomogeneity), a tunable homogeneity within the sample volume and more uniform heat dissipation along the magnet body areincluded. A helical-cut notch–coil machined in metallic cylinders with external movable pieces was found to fit these require-ments very well. A key factor for the optimization of the magnet parameters is the use of a novel calculation procedure based ona more realistic model that consider a magnet geometry with broken azimuthal symmetry. The aim of this paper is to theoret-ically compare the proposed geometry with other existing designs. No particular prototype is presented here. A clear under-standing of the notch–coil performance was found to be an essential step for its further consideration as a potential autoadaptive(electronically controlled) magnet system for FFC applications.Nous décrivons ici un système magnétique, comportant une bobine avec une coche hélicoïdale, destiné a`unecommutation cyclique rapide du champ magnétique. Nous tentons de déterminer si cette configuration serait efficace dans uninstrument de résonance magnétique nucléaire (RMN) a`cycle rapide du champ. En plus des exigences techniques habituelles(haut rapport champ/puissance, bonne performance électrique dans la commutation rapide du champ magnétique et unehomogénéité de champ compatible avec des mesures de RMN), nous incluons une homogénéité ajustable du champ magnétiquedans le volume de l’échantillon et une dissipation plus uniforme de la chaleur le long de l’aimant. Nous trouvons qu’une bobineavec une coche hélicoïdale usinée dans des cylindres métalliques avec pièces extérieures déplaçables remplit très bien cesexigences. Un facteur clé dans l’optimisation des paramètres de l’aimant est l’utilisation d’une nouvelle procédure de calculbasée sur un modèle réaliste qui considère une géométrie d’aimant dont la symétrie azimutale est brisée. Notre objectif ici estde comparer théoriquement la géométrie que nous proposons avec d’autres existant déja`. Nous ne présentons aucun prototype.Une compréhension claire de la performance d’une bobine avec coche est une étape essentielle pour évaluer son potentielcomme système magnétique.