CH666753A5

CH666753A5 - Hochfrequenzsonde fuer ein gyromagnetisches resonanzspektrometer.

Info

Publication number: CH666753A5
Application number: CH1222/84A
Authority: CH
Inventors: Howard D W Hill; Albert P Zens
Original assignee: Varian Associates
Priority date: 1983-04-08
Filing date: 1984-03-12
Publication date: 1988-08-15
Also published as: JPH0354315B2; US4517516A; JPS59190642A; GB8408854D0; GB2137759B; DE3408346A1; JPH0688863A; JPH0718918B2; DE3408346C2; GB2137759A

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzsonde gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine HF-Spulenstützeinrichtung gemäss dem Patentanspruch 4.

Bei den üblichen Untersuchungsgeräten kernmagnetischer Resonanz wird eine Probe in einem Raumkörper eingesetzt, der sich innerhalb eines homogenen Bereichs eines Magnetfeldes befindet. Die Erregung und Wahrnehmung der Resonanz erfolgt mit Hilfe einer entsprechend angeordneten Spule (oder Spulen), die normalerweise gegenüber der Probe einen Abstand hat und diese vorzugsweise umhüllt. Bei der modernen Fourier Transformations-Resonanzspektroskopie ist es üblich, dass die Probe in einer zylindrischen Hülse enthalten ist, die innerhalb einer einzigen Spule koaxial angeordnet ist. Ferner sind Einrichtungen vorgesehen, um die Probenhülse rasch um ihre Achse in Umdrehung zu versetzen, damit möglicherweise vorhandene restliche Inhomogenitäten des Magnetfeldes gemittelt werden können.

Die materielle Umgebung des Probenraumkörpers bei bekannten Vorrichtungen kann eine Anzahl von Substanzen enthalten, wie den Probenbehälter, der üblicherweise aus Glas besteht und möglicherweise als Begrenzer ein Absperrorgan aus Nylon oder einem ähnlichen inerten Material enthält, einen leitfähigen Werkstoff, der den Hochfrequenzspulenleiter bildet und bei dem es sich üblicherweise um Kupfer, Aluminium, Silber, Gold oder Platin oder eine Kombination dieser Stoffe handelt, einen Spulenrahmen zum Abstützen der Spule, ein Bindemittel zum Befestigen des Leiters am Spulenrahmen, eine oder mehrere Öffnungen im Spulenrahmen, die das Zusammenwirken von Spulenwicklungskomponenten ermöglichen, und schliesslich Luft, die in alle zur Verfügung stehenden Räume eindringt. Diese Stoffe, die sich von der Probe und dem Lösungsmittel selbst unterscheiden, haben verschiedene magnetische Suszeptibilitäten und beeinflussen das Signal durch Ändern der Magnetfeldverteilung in der ganzen Probe. Die relative Umdrehung der Probe und des Hochfrequenzfeldes bewirkt, dass die Quellen magnetischer Störungen von nichtzylindrischer Geometrie gemittelt werden, wodurch der Mittelwert eine äquivalente zylindrische Symmetrie erzeugt. Mit einigen dieser Störungsquellen haben sich bekannte Kompensationssysteme befasst. So betrifft US-PS 3 091 732 Werkstoffe für Spulen und Bindemittel zum Befestigen der Spule am Spulenrahmen. Diese Werkstoffe sollten eine an Luft angenäherte magnetische Suszeptibilität haben, da diese Bauelemente notwendigerweise in Luft eintauchen.

Die Inhomogenität aufgrund der im aktiven Volumen des Spektrometers vorhandenen Struktur kann durch Schaffung eines Materials kompensiert werden, dessen magnetische Eigenschaften mit denen des Lösungsmittels identisch sind, wodurch die axiale Homogenität über das Probenvolumen hinweg eingehalten werden kann. Weitere Bemühungen gelten der Kompensation der geometrischen axialen Verteilung bei Stoffen, aus denen eine Sattelspule hergestellt ist.

Gemäss dem Stand der Technik wird als Rahmen, der die Hochfrequenz-Sondenspule abstützt, ein Zylinder aus Glas oder ähnlichem Werkstoff benutzt. Es hat Vorteile, die Spule an der Innenfläche des Rahmens anzubringen, um eine engere Kopplung mit der Probe zu erhalten; aber es bleibt weiterhin notwendig, Zugang zu den Spulenanschlüssen zu haben. Dazu können in dem Rahmen Öffnungen vorgesehen sein, oder die Zuleitungen zu der (Sattel)-Spule müssen längs des Rahmens geführt sein, wobei eine Isolierung am Kreuzungspunkt nötig ist, der sich notwendigerweise bei einer Sattelspulenkonstruktion einstellt. Wenn der Leiter ausdrücklich so hergestellt ist, dass er eine gewünschte magnetische Suszeptibilität hat, ist die aufgrund der Öffnungen oder Isolierstoffe entstehende axiale magnetische Diskontinuität relativ wichtig. Jede derartige Diskontinuität innerhalb des aktiven Probenbereichs, die kürzer ist als die axiale Erstreckung des aktiven Bereichs, verursacht eine signifikante Störung. Bei einer in Umdrehung versetzten Probe kann die Diskontinuität azimuthal gemittelt werden. Verlängert sich die Diskontinuität in axialer Erstreckung, so wird durch die bevorzugte zylindrische Mittelung die Störung homogenisiert und in Effekt ausgeschaltet.

Die erfindungsgemässe Hochfrequenzsonde ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet. Eine Umdrehung der Probe führt zur Mittelung der Diskontinuität in azimuthaler Richtung, während die Länge des Schlitzes die axiale Kontinuität sicherstellt. Wenn der Schlitz eine gleichbleibende •Breite hat, ist die gemittelte magnetische Suszeptibilität von der axialen Koordinate unabhängig.

Die erfindungsgemässe HF-Spulenstützeinrichtung ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 4 gekennzeichnet. In der Stützeinrichtung kann eine Sattelspule angeordnet sein. Die auf diese Weise erhaltene offene Konstruktion der Stützeinrichtung erlaubt Zugang zu den Sattelspulen leitungen und ermöglicht unter dem Gesichtspunkt einer in Umdrehung versetzten Spule eine im Mittel zylindrische Symmetrie.

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Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem anstelle des bekannten Glaszylinders hohle rohrförmige Glieder vorgesehen sind, kann im Innern dieser Hohlkörper für zusätzliche Kompensation zum Erzielen magnetischer Homogenität gesorgt werden. In dem gewünschten Gebilde ist insbesondere eine schraubenlinienförmige Spule enthalten, die, längs der Achse gemessen, den zentralen Bereich des aktiven Volumens der Sonde einnimmt. Um die (aufgrund der Spule) in diesem zentralen Bereich vorherrschende durchschnittliche Suszeptibilität über einen beträchtlichen axialen Bereich über die Spule hinaus zu erhalten, ist in jeden der Hohlkörper ein Material von spezieller magnetischer Suszeptibilität so eingesetzt, dass es sich von den Hohlkörperenden nach innen zum mittleren Bereich erstreckt und in der Nähe der schraubenlinienförmigen Spule endet. Das Material kann so gewählt sein, dass es eine Suszeptibilität ermöglicht, die über die (gedachte) zylindrische Oberfläche gemittelt,

eine axiale Kontinuität zwischen dem zentralen Bereich und den angrenzenden Bereichen gewährleistet.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Gesamtschema der Erfindung;

Fig. 2 ein einfaches Beispiel zur Verwirklichung des Prinzips der Erfindung ;

Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ;

Fig. 4A, 4B und 4G ein Ausführungsbeispiel mit zusätzlicher axialer Kompensation ;

Fig. 5a und 5b ein Vergleich von Spektren, die mit und ohne Erfindung erhalten wurden.

In Fig. 1 ist ein kernmagnetisches Resonanzspektrometer 30 als schematisches Blockschaltbild gezeigt und weist einen symbolisch durch Pole 31 gekennzeichneten Hoch-Feldmagneten auf, der einen Luftspalt hat, in dem eine Sonde 32 angeordnet ist. An der Oberseite der Sonde ist eine Dreheinrichtung 33 befestigt, die die hier nicht gezeigte Probenhülse aufnimmt. Die Dreheinrichtung33 unterstützt das Drehen der Probenhülse in dem Magnetfeld, was von einer Luftquelle 34 hervorgerufen wird, die mit der Dreheinrichtung 33 verbunden ist, um diese in Umdrehung zu versetzen. Mit der Sonde 32, die hier nicht gezeigte Spulen zum Erregen und Wahrnehmen von Resonanzspektren der Probe in der Probenhülse enthält, ist ein HF-Sender/Empfänger in einem Signalprozessor 35 verbunden. Zum Signalprozessor gehört auch eine Einrichtung zur Ausgabe des Spektrums der untersuchten Probe, was symbolisch durch eine Anzeigeeinrichtung 36 angedeutet ist.

In Fig. 2 ist ein bekannter zylindrischer Spülenrahmen 40 gezeigt, in dessen Innenraum eine Sattelspule abgestützt ist, von der ein Teil 42 gezeigt ist. Ein Schlitz 44 hat eine axiale Erstreckung, die die Länge der Spule übersteigt. Wenn eine Probe im Innern der Spule um eine Achse 46 in Umdrehung

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versetzt wird, wird'die magnetische Suszeptibilität des Spulenrahmens 40 und des Schlitzes 44 azimuthal gemittelt, und dieser Mittelwert ist axial kontinuierlich.

In Fig. 3 ist in teilweiser Projektion eine Sattelspule 60 mit einem Radius R-r gezeigt, die in einem Käfig 62 aufgenommen ist, der aus einer Vielzahl paralleler Stäbe oder hülsenartiger Glieder 64,66,68,70 besteht. Die Stäbe oder Hülsen bestehen vorzugsweise aus Glas oder Keramik oder einem ähnlichen Werkstoff, der kein Resonanzsignal in dem untersuchten Frequenzspektrum liefert. Diese Glieder haben längs des Umfanges des Radius R einen Abstand voneinander und bilden eine gedachte, eingeschriebene, kreisförmige Begrenzung mit dem Radius R-r, wobei r den Radius eines hülsenförmigen Gliedes 64, 66 usw. bezeichnet. Der Käfig 62 hat Stirnplatten 72 und 74, die Löcher aufweisen, welche auf dem Kreis mit dem Radius R gebohrt sind, um die Stäbe oder hülsenförmigen Glieder aufzunehmen. Die Länge des Käfigs ist gross im Vergleich zur tatsächlichen Länge des aktiven Volumens, welches im wesentlichen von der axialen Erstreckung der HF-Sondenspule bestimmt ist.

Fig. 4A zeigt im Querschnitt eine Sattelspule 60 oder alternativ eine schraubenlinienförmige Spule 86, die von einem oder mehreren der Glieder 64,66 usw. abgestützt ist. In Fig. 4B und 4C ist eine Projektion aus einem Längsschnitt für eine solenoidartige Spule 86 und eine Sattelspule 60 gezeigt. Die Glieder 64,66 usw. sind vorzugsweise Hohlkörper, in die Ausgleichskörper 82 eingesetzt sind, so dass sie jeweils die durchschnittlichen magnetischen Suszeptibilitätseigen-schaften der Spule und der Spulenrahmenkonstruktion axial verlängern, zumindest so wie sie über die zylindrische Oberfläche mit dem Radius R-r gemittelt wird. Das Material der Ausgleichskörper 82 ist so gewählt, dass es insgesamt die gewünschte mittlere magnetische Suszeptibilität ergibt. Infolgedessen wird die axiale Kontinuität der magnetischen Suszeptibilität hergestellt, und die damit erhaltenen Spektren zeichnen sich durch bessere Auflösung und wirksame Empfindlichkeit aus, was mit einem Magnetfeld einhergeht, welches reduzierte inhärente Gradianten zeigt.

Fig. 5a und 5b bieten einen Vergleich des Teils des protonentkoppelten uC-Signals von Dioxan, welches mit einer bekannten Sonde erhalten wurde, die eine in einer Glasröhre mit einem Radius von 5,4 mm abgestützte Spule aufweist (Fig. 5a). Bei Fig. 5b ist in einem Spulenkäfig gemäss der Erfindung eine identische HF-Sattelspule abgestützt (2,2 cm Länge, 5,5 mm Radius), und es ist der gleiche Spektralbereich des gleichen Moleküls bei der gleichen Konzentration gezeigt, um die Auswirkung der Erfindung deutlich zu machen. Die gleiche Spitze ist mit der gleichen statistischen Präzision eingetragen (Anzahl der Äusschwingvorgänge). Bei Betrachtung ergibt sich, dass die Auflösung deutlich verbessert ist und dass die hoch- und niederfrequenten Ausläufer gemäss Fig. 5a in der Spitze gemäss Fig. 5b deutlich unterdrückt sind.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

666 753 PATENTANSPRÜCHE

1. Hochfrequenzsonde für ein gyromagnetisches Spektro-meter, gekennzeichnet durch a) einen Probenbehälter zur Aufnahme einer zu analysierenden Probe,

b) eine Dreheinrichtung zur raschen Umdrehung des Probenbehälters um eine Drehachse,

c) eine Hochfrequenzspule zum Erregen und Wahrnehmen gyromagnetischer Resonanz in der Probe,

d) eine HF-Spulenstützeinrichtung, die die Hochfrequenzspule axial ausgerichtet mit der Drehachse im Abstand von derselben hält und mindestens einen axial ausgerichteten Schlitz in einer Seitenwand hat, dessen axiale Länge sich im wesentlichen über die axiale Länge der Hochfrequenzspule erstreckt.

2. Hochf requenzsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule im Innern der Spulenstützeinrich-tung angeordnet ist.

3. Hochfrequenzsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Spulenstützeinrichtung eine axial symmetrische Anordnung aus steifen axialen Stützgliedern aufweist, die in einer Ebene quer zur Symmetrieachse angeordnet sind und von denen jedes einzelne Glied sich parallel zu der Achse streckt und dass die Enden der axialen Glieder mittels Platten befestigt sind, wodurch eine offene Konstruktion zum Stützen der Hochfrequenzspule geschaffen ist.

4. H F-Spulenstützeinrichtung für eine Hochfrequenzsonde nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine axial symmetrische Anordnung aus steifen axialen Stützgliedern, die auf dem Umfang eines Kreises in einer Ebene quer zur Symmetrieachse angeordnet sind, von denen jedes Glied sich parallel zu der Achse und in gleichbleibendem Abstand von derselben versetzt erstreckt und wobei je zwei benachbarte Glieder einen axial ausgerichteten Schlitz begrenzen, dessen axiale Länge sich im wesentlichen über die axiale Länge der Hochfrequenzspule erstreckt und durch ebene Platten, die die Enden der Stützeinrichtung bilden, wodurch eine offene Konstruktion zum Stützen der Hochfrequenzspule geschaffen ist (Fig. 3).