CH628143A5 - Vorrichtung zur bestimmung der magnetischen kernresonanz einer zu pruefenden materialprobe. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der magnetischen Kernresonanz einerzu prüfenden Materialprobe, mit einer Spule, mit einem innerhalb des Spulenkörpers gleichachsig angeordneten hohlen Rotor, in dem die zu prüfende Probe untergebracht ist, und mit Mitteln zum Antrieb des Rotors, der in35 einem Gaslager dreht.

Die Erfindung kann am besten in Spektrometern für hochauflösende Bestimmung magnetischer Kernresonanz in Festkörpern verwendet werden, die beispielsweise zur Durchführung von physikalisch-chemischen Untersuchungen der Struktur von 40 festen organischen Verbindungen, insbesondere Polymeren, bestimmt sind.

Um Spektren hochauflösender magnetischer Kernresonanz in Festkörpern zu erreichen, deren Kerne schwerer sind als die des Wasserstoffes, dies können Kohlenstoff 13c, Silizium 29Si 45 und viele andere sein, benötigt man eine schnelle Rotation (ca. 4—5 kHz) eines nichtmetallischen Rotors um seine Achse mitsamt der zu prüfenden Substanz. Die Achse schliesst mit der Richtung eines konstanten Magnetfeldes einen Winkel cp, der etwa 54°44" beträgt, ein. 50

Der Rotor der bekannten Vorrichtung ist auf einer biegsamen Achse befestigt, die durch die Mittelöffnung im Rotor hindurchgeht und im unbeweglichen Teil der Vorrichtung starr befestigt ist. Der Rotor rotiert unter Einwirkung eines Treibgases, das über Gasdüsen zu den Treibnutenrippen auf der Läuferoberflä- 55 che gelangt.

Derartige Vorrichtungen sind aber wenig empfindlich, weil die darin befindliche Probe nur einen verhältnismässig kleinen Teil des Volumens der Spule einnehmen kann. Hinzu kommt,

dass diese Vorrichtungen, wegen einer hohen Belastung, die 60 durch die Reibung in der Dreheinheit auftritt, äusserst unstabil sind und eine nur kurze Lebensdauer von z.B. einigen Stunden haben.

Eine bessere Empfindlichkeit weisen jene Vorrichtungen auf, bei denen der Rotor mitsamt der Materialprobe in einem Gasla- 65 ger dreht, das sich ausserhalb der Spule befindet. Der bewegliche Teil des Gaslagers ist konisch ausgebildet, und in dessen Oberfläche sind die Treibnuten einer Gaskleinturbine ausgeführt, die den Rotor antreibt (siehe E. A. Andrew in «Progress in Nuclear MagneticResonanceSpectroscopy»,vol. 8, ed. byJ. W. Ems-ley,J. Feeney, L. H. Sutcliffe, Pergamon Press, 1972, S. 24-27).

Der bewegliche Teil des Gaslagers dreht in einer kegelförmigen Aussparung des unbeweglichen Teiles (des Stators), und die Lage des beweglichen Teiles ist durch eine sehr komplizierte Aerodynamik in der Turbine bestimmt, die die gewünschte veränderliche Grösse des Spaltes zwischen dem beweglichen Teil und dem unbeweglichen Teil des Gaslagers sicherstellt.

Die komplizierte Ausbildung einer solchen Kleinturbine erfordert, dass sie aus einem Kunststoff, z. B. aus Polyformalde-hyd, angefertigt wird. Dies führt allerdings zum Auftreten einer Linie im Spektrum der kernmagnetischen Resonanz von Kohlenstoff 13c. Ausserdem stellt die Auswechslung der Materialprobe bei einer solchen Kleinturbine eine recht aufwendige Operation dar.

Der Rotor dieser Vorrichtung dreht stabil, nur wenn seine Drehachse senkrecht verläuft. Diese Stabilität nimmt bei einer Neigung der Drehachse schnell ab. Wie jedoch bereits erwähnt worden ist, muss die Drehachse um ein hohes Auflösungsvermögen zu erreichen, unter dem genannten Winkel zum Induktionsvektor des Magnetfeldes stehen. Die Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Induktionsvektor zur senkrecht verlaufenden Drehachse des Rotors unter einem Winkel von 54°44' steht, bewirkt, dass das Magnetsystem kompliziert ist und ausserdem erschwert dies den Einsatz eines Supraleitmagneten.

Es sei betont, dass die Empfindlichkeit einer solchen Vorrichtung nicht ausreichend hoch ist. Denn die Materialprobe nimmt nur einen geringen Teil der ganzen Spaltenbreite des Magneten ein. Der übrige Teil des Spaltes dient nur zur Aufnahme der Gaslagereinheit.

Der Zweck der Erfindung ist die Empfindlichkeit der genannten Vorrichtung auf durch feste Körper erzeugte Signale bei magnetischer Kernresonanz zu verbessern sowie eine gleichmäs-sige Drehung des Rotors zu erreichen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung zur Bestimmung der magnetischen Kernresonanz derart zu verbessern, dass beim geneigten und nicht vertikalen Verlauf der Drehachse des Rotors eine stabile Drehung des Rotors, eine hohe Empfindlichkeit der Vorrichtung sowie ein leichter Austausch der Materialprobe möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei der Vorrichtung der genannten Art so erfindungsgemäss gelöst, wie dies im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definiert ist. Dies ermöglicht ein grösseres nützliches Volumen der Materialprobe infolge einer besseren Ausnützung der Spaltbreite des Eisenmagneten bzw. der Mittelöffnung des Supraleitmagneten und des Volumens der Spule für kernmagnetische Resonanz zu erreichen. Dies ergibt eine höhere Empfindlichkeit und ein besseres Auflösungsvermögen des Spektro-meters für kernmagnetische Resonanz. Dank der konstanten Breite des Spaltes im Gaslager werden eine stabile Anordnung sowie eine gleichmässige Rotation des Rotors der Vorrichtung erreicht. Der Rotor mitsamt der Materialprobe lässt sich leicht herausziehen und er kann aus anorganischen Stoffen (Keramik, Glas, Quarzui a.) hergestellt werden, so dass in den Spektren die unerwünschten Linien nicht auftreten. Ein derartiger Rotor ist geeignet zur Messung von Spektren in Verfahren zur hochauflösenden Untersuchung magnetischer Kernresonanz in Festkörpern, die stückig, pulverförmig oder die sich in flüssiger Phase befinden.

Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 im Längsschnitt die vorliegende Vorrichtung zur Bestimmung der kernmagnetischen Resonanz;

Fig. 2 schematisch die Vorrichtung nach Fig. 1 die sich im Spalt zwischen den Polen eines Magneten befindet, und

Fig. 3 perspektivisch eine Ausführungsform der Vorrichtung, die eine Spule mit zwei Wicklungen aufweist.

Die Vorrichtung enthält eine Spule 1 (Fig. 1), welche auf einen Körper 2 gewickelt ist. Der Spulenkörper 2 ist aus einem nichtmagnetischen Werkstoff mit einer geringen Wärmedehnzahl, z. B. aus Keramik, Glas oder Quarz hergestellt.

In der Mitte des Spulenkörpers 2 ist ein länglicher und durchgehender Hohlraum 3 ausgeführt, der in der dargestellten Ausführungsform zylinderförmig ist. Gleichachsig mit diesem Hohlraum 3 befindet sich in diesem ein Rotor 4, der die Form eines Hohlzylinders hat und der mindestens an einem Ende mit einem abnehmbaren Deckel 5, beispielsweise aus Teflon versehen ist. Fig. 1 zeigt einen Rotor 4, der beiderends mit den Deckeln 5 versehen ist. Die Deckel 5 sind konisch, sie können aber auch zylinderförmig sein. Im Innenraum des Rotors 4 befindet sich die zu prüfende Materialprobe 6, z. B. eine organische Verbindung, die Kerne des Kohlenstoffes 13c enthält.

Die Vorrichtung enthält auch Mittel zum Drehen des Rotors 4. Diese Mittel sind als profilierte Aussparungen 7 in den Aussenflächen der Deckel 5 ausgeführt. Solche Aussparungen 7 können z. B. durch Fräsen hergestellt werden, und sie dienen als Treibnuten radialer Kleinturbinen. Im Spulenkörper 2 sind tangentiale Kanäle 8 für die Zuführung eines Gasstromes zu den Treibnuten 7 der Kleinturbinen ausgeführt.

Zwischen der zylinderförmigen Aussenfläche des Rotors 4 und der zylinderförmigen Innenfläche des Hohlraumes 3, d. h. der Innenfläche des Spulenkörpers 2, ist ein Spalt 9 vorhanden. Über Kanäle 10 im Spulenkörper 2 wird Druckgas zur Erzeugung eines Gaspolsters zwischen den genannten Flächen zugeführt. Das Druckgas hat jeweils eine Temperatur, die für das Thermo-statieren der Probe 6 erforderlich ist. Diese Temperatur kann im Bereich von - 150 bis + 200° C liegen.

Der Spulenkörper 2, die Spule 1 und der Rotor 4 befinden sich in einem Gehäuse 11 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff. Dieses Gehäuse 11 weist Öffnungen 12,13 auf, über welche unter Ausnützung auch der Kanäle 8,10 der Hohlraum des Spulenkörpers 2 mit einer Druckgasquelle (nicht dargestellt) in Verbindung steht. Das Gehäuse 11 ist auch mit Öffnungen 14 versehen, durch die der Hohlraum 3 mit der Umgebung verbunden ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, befindet sich das Gehäuse 11 in einer Sonde 15, die im Spalt 16 zwischen den Polen N und S eines Elektromagneten angeordnet ist. Das Gehäuse 11 ist in der Sonde 15 derart befestigt, dass die Drehachse des Rotors 4 zum Induktionsvektor H0 des unveränderlichen Magnetfeldes unter einem Winkel cp von etwa 54°44' steht. Die Richtung des Geschwindigkeitsvektors V des Rotors 4 und die des Induktionsvektors H0 sind mit entsprechenden Pfeilen im oberen Teil der Fig. 2 gezeigt.

Gemäss Fig. 2 ist die Sonde 15 im Spalt eines Elektromagneten angeordnet. Die Sonde 15 kann jedoch auch in einem Supraleitmagneten eingesetzt werden. In diesem Fall braucht man nur die Form der Sonde 15 an die Form der Mittelöffnung des Supraleitmagneten anzupassen.

Die vorgeschlagene Bauart der Vorrichtung ermöglicht eine Spule zu benützen, die aus zwei Wicklungen mit zueinander senkrechten Windungen besteht. In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung mit zwei solchen Wicklungen 1', 1" abgebildet, wobei die Wicklung 1' als Senderwicklung und die Wicklung

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1" als Empfängerwicklung dienen. Das Gehäuse der Vorrichtung ist zur besseren Deutlichkeit der Zeichnung nicht dargestellt.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Die die Materialprobe 6 aufweisende und in der Sonde 15 befestigte Vorrichtung wird in den Spalt 16 des Elektromagneten N—S hineingeführt. Über die Rohrleitung 17 fliesst das eine erforderliche Temperatur aufweisende Druckgas von einer Quelle (in der Zeichnung nicht gezeigt) in den Spalt 9 des Gaslagers, um hier ein Gaspolster zu bilden. Über eine Rohrleitung 18 gelangt das Treibgas zu den Treibnuten 7 der Gasturbinen, so dass eine schnelle und konstante Drehung des Rotors 4 erreicht wird. Die Drehzahl des Rotors 4 lässt sich durch die Änderung des Druckes des die Kleinturbinen antreibenden Gases einstellen. An die Spule 1 wird eine hochfrequente Spannung, z. B. impulsartig von einem Hochfrequenzgenerator (auf den Zeichnungen nicht abgebildet) zugeführt. Dadurch wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das auf die zu prüfende Substanz einwirkt. Bei der Übereinstimmung der Frequenz des Generators mit der Larmor-Frequenz der Präzession der zu prüfenden Kerne wird in der Spule 1 ein Signal entsprechend der kernmagnetischen Resonanz induziert, das mittels eines Koaxialkabels 19 zur Empfangsapparatur (nicht gezeigt) übertragen wird.

Die in Fig. 3 veranschaulichte Ausführungsform des Signalgebers ermöglicht, das in der Wicklung 1" induzierte Signal der kernmagnetischen Resonanz von der zur Wicklung l1 zugeführten HF-Spannung besser abzutrennen.

Zur Auswechslung der zu prüfenden Probe muss man die Sonde 15 mit dem Signalgeber aus dem Spalt 16 des Magneten entfernen, den Rotor 4 aus dem Hohlraum 3 des Spulenkörpers 2 herausziehen und, nachdem einer der Deckel 5 abgenommen ist, die zu prüfende Materialprobe austauschen.

Die Prüfungen der Vorrichtung ergaben, dass der Rotor 4 bei Frequenzen bis 5 kHz (im Temperaturbereich von — 150 bis + 200° C) bei jeder Lage der Drehachse desselben stabil läuft. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, diese Vorrichtung in Spektrometern für kernmagnetische Resonanz mit beliebigen Magneten (einschliesslich der Supraleitmagneten) einzusetzen. Es ist auch eine hohe Dauerstabilität der Drehung des Rotors (die Änderung der Drehachse des Rotors überstieg nicht 1 % in der Stunde) erreicht worden. Dies ermöglicht die Untersuchung von Festkörpern nach dem Verfahren der hochauflösenden kernmagnetischen Resonanz, und zwar unter einer dauernden Speicherung von Signalen der kernmagnetischen Resonanz, sowie die Anwendung von hochfrequenten Impulsfolgen, die mit der Frequenz entsprechend der Drehachse des Rotors synchronisiert sind.

Gegenüber der bekannten, in einem Gaslager gelagerten Vorrichtung, nimmt die Empfindlichkeit der vorliegenden Vorrichtung zumindest um das dreifache zu, wodurch die Messdauer um den Faktor von ca. 10 reduziert ist.

Als Bestandteil des Spektrometers der hochauflösenden kernmagnetischen Resonanz in Festkörpern eignet sich die Vorrichtung zur Untersuchung der Struktur von Molekülen der mikrodynamischen Eigenschaften von Festkörpern, Polymeren, Plasten u.a. sowohl in Laboratorien, als auch in der Industrie. Beispielsweise kann die Analyse von polymeren Stoffen in chemischen Betrieben laufend durchgeführt werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Vorrichtung zur Bestimmung der magnetischen Kernresonanz einer zu prüfenden Materialprobe, mit einer Spule, mit einem innerhalb des Spulenkörpers gleichachsig angeordneten 5 hohlen Rotor, in dem die zu prüfende Probe untergebracht ist, und mit Mitteln zum Antrieb des Rotors, der in einem Gaslager dreht, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaslagerzwischen der Aussenfläche des Rotors (4) und der Innenfläche des Spulenkörpers (2) gebildet ist und dass dem zwischen diesen Flächen 10 vorhandenen Spalt (9) ein Gas unter Druck zur Bildung eines Gaspolsters im Lager zugeführt werden kann.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   dass die Innenfläche des Spulenkörpers (2) zylinderförmig ist,

   dass der Rotor (4) als Hohlzylinder ausgebildet ist, dass minde- 15 stens ein Ende des Rotors (4) mit einem abnehmbaren konischen Deckel (5) versehen ist, dass dessen Aussenfläche die Mittel zum Antrieb des Rotors aufweisen, dass diese Mittel als Aussparungen (7) ausgebildet sind, die die Treibnuten einer radialen Kleinturbine darstellen und dass im Spulenkörper (2) Kanäle 20 (10,8) für die Zuführung des Gasstromes zum Spalt (9) zwischen Rotor (4) und Spulenkörper (2) sowie zu den Treibnuten der Kleinturbine ausgeführt sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas eine Temperatur hat, die zum 25 Thermostatieren der zu prüfenden Materialprobe notwendig ist.

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