CN101263397A - 轴向受约束的nmr rf探针线圈 - Google Patents

轴向受约束的nmr rf探针线圈 Download PDF

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Abstract

一种NMR谐振结构由轴向导体(54a、54b、54c和54d)和端部部件(50、51)构成，所述端部部件(50、51)支承所述各导体以形成具有合需电拓扑结构的线圈结构(8)，其中诸端部部件将选定轴向导体(电感器)之间的RF互连与对遍布于诸端部部件的轴向界限之外的RF场的轴向约束功能相结合，并且如果有需要则在该谐振结构上构成一选定电容61。

Description

轴向受约束的NMR RF探针线圈
背景技术
本发明涉及核磁共振(NMR)装置并尤其涉及与研究中的样本的原子核的RF耦合。这是宽泛地称为NMR探针的控制灵敏区内RF场的分布的模块的功能。使灵敏区内的样本紧耦合到灵敏区内产生的RF辐射以致自旋激发并且后续随着样本原子核的退激而使其发射。此探针的核心是RF线圈并且这类线圈在典型使用中的显著性质是在由线圈界定的整个灵敏体积内部获得的RF场的同质程度。还希望将线圈的RF场分布约束至灵敏体积内一有限的区域，因为极化磁场的空间变化在灵敏体积外并未被消除。
限制NMR线圈的RF场的空间分布是多个现有技术著作的课题。为此目的令人尤其感兴趣的是与本发明共同受让的US专利6,008,650和5,192,911。大体上这些著作描述为保护谐振装置的灵敏体积不受到其外部的RF影响或减少该线圈在灵敏体积外的RF场而实现的屏蔽。例如，希望屏蔽样本延伸超出灵敏体积的部分不受源自线圈或线圈引线的辐射的影响。这样做不能保护样本的同一部分(位于可能略微不同的极化场中)不受到因主要分布在灵敏体积里但并非完全在其中的RF场而产生的辐射的影响。一般来说这些屏蔽配置包括传导部件，所述传导部件通常为圆柱形，与样本轴同轴并且轴向偏离RF线圈的中心区域。这种屏蔽主要衰减在屏蔽结构外的轴向区域中的RF场的径向分量。
另一种解决在灵敏体积外不希望有的样本激发的问题的方法是基于物理地限制样本体积以使其与探针线圈的轴向延伸范围一致。为了避免磁化率中有轴向不连续性，现有技术利用磁化率匹配于样本的插栓并将其插入样本容器中以将样本限定在与探针线圈一致的希望的区域。这种方法公开于与本发明共同受让的授予Zens的US4,549,136。
RF谐振腔在NMR装置领域内是公知的并且此类谐振器有效地包含内部RF场并因此屏蔽样本体积不受到腔外的RF影响。这种NMR谐振腔的一个代表例公开于与本发明共同受让的US4,607,224。尽管腔结构提供了对场分布的轴向约束和径向约束，但却丧失从这类谐振器外对样本施加独立RF场的能力。这是自旋解耦和多种复谐振技术的必要手段。
发明内容
一种新颖的RF谐振器结构以包括对在由线圈界定的灵敏体积中产生的RF偶极子场的轴向受约束的RF谐振器(或“线圈”)为其特征。这种约束起到屏蔽物理样本位于灵敏体积之外的那些部分的作用。这对于放置在长管中的液态样本而言是常见情形。这种轴向约束还起到线圈中形成该线圈的轴向电感部件之间的方位角互连的传导部件的作用。该新颖的线圈是一种“开放式”结构；即在该“开放式”线圈外可设置第二同轴线圈以独立地辐射位于这两个谐振器的公共轴上的样本管。
这种场限定/互连结构在机械上为线圈支承或线圈架的端部部件并且在提供实现集总电容的平台和支持非常靠近于线圈本身的可调(微调)电容方面另有裨益。这种场限定结构优选为传导面-电介质-传导面的复合结构以提供与线圈结构并联的选定电容值。线圈的一个端部部件优选地包括由另一导体构成的第三电容部件，它轴向地偏离于面朝外的传导面，轴向地处于线圈的灵敏体积之外并且是为允许精确的轴向平移而设以提供电容微调。在一优选配置中，RF激发源通过靠近线圈的轴向电感部件的环路电感耦合到该线圈。
遵循由端部部件结合电感部件构成的RF线圈的一般化结构，就可利用端部部件之一或其两者的互连功能来产生各种类型的RF谐振器。
附图说明
图1是这种新颖的探针线圈的背景的简单说明。
图2a示出这种新颖的线圈的基本方面。
图2b示出有进一步结构增强的该基础结构。
图2c示出形成固定电容的复杂端部部件。
图2d示出以同轴螺纹杆实现的可调电容。
图2e是使用磁耦合环路的优选配置。
图2f是图2a、b的线圈的有效电路。
图3比较常规线圈与本发明的轴向受约束线圈的信号强度的轴向分布。
图4是表现本发明的轴向约束特征的鸟笼式线圈。
图5a示出用于实现一对同轴线圈的端部部件。
图5b是通过图5a的端部部件的一个截面。
图6是图2a、b的鞍形线圈的2导体(电感)实施例。
具体实施方式
图1从概念上诠释出本发明的背景(相同的附图标记出现在几张图中以表示相同的对象)。NMR探针9被设置在超导磁体10的孔11中。待分析的样本呈现在被插入到探针9中的样本容器(未示出)内。探针9电感耦合到样本的核自旋以便通过至少第一RF激发通道12激发并另外单独地通过接收通道14实现信号获取。激发和接收功能经常通过相关器13共用同一探针线圈来进行非并发操作，但也经常采用多个线圈来提供不同的功能，例如自旋解耦、场频锁定等。接收通道通常包括前置放大器和RF解调器、相位检测器、模数转换(ADC)和各种信号处理装置，连同数字处理器15来实现求平均、傅立叶变换、存储等。类似地，处理器15控制激发通道12和接收通道14。最近，这些功能中有一些被结合到直接数字接收器中，但这些变化对于理解或操作本发明的探针而言不是关键的。
探针9的必要组成部分是一个或多个例如线圈的谐振结构，用来将样本分子的核自旋耦合到激发通道12和接收通道14。本发明的轴向受约束RF线圈8的基本要素在图2a中示出。彼此面对的传导平面端部部件50和51各自由分块50a和50b、以及51a和51b构成。这些分块具有共同的边界(在这里图示为盘形端部部件的直径，但不局限于这种几何形状)。(每个端部部件的)每对分块跨过此共同的边界位移以形成界定相应分块并在其间提供电绝缘的狭缝52和52’。孔53和53’被形成在各端部部件中并且它们沿轴向对齐以接纳NMR样本容器。狭缝52和52’被设置成有角度偏移。这里，该角度偏移作为一简单情形被示出为90°。傍轴导体54a、54b、54c和54d作为一简单实施例例被示出。这些傍轴导体54a、54b、54c和54d的长度允许它们延伸得充分超过灵敏体积的界限。优选地，在使线圈增量居中的情况下，傍轴导体总长度大约为线圈本身的轴向延伸范围的3倍。这种配置很大程度上消除了总磁化率的轴向相关的不连续性。参见共同受让的授予Hill和Zens的US 4’517’516。
第一对相邻的这样的导体54a和54b被设置成使得在一端，导体54a和54b的相邻端共同连接于同一分块50a，而在该对相邻导体的另一端，这两个导体连接于不同的分块51a和51b，从而形成该线圈的一个环路。第二对傍轴导体54c和54d以类似方式连接于分块51b以及50a和50b。这种配置的电拓扑结构可直接被认为是具有如下附加特征的鞍形线圈：每个端部部件提供显著的屏蔽以在RF场存在于那些端部部件50、51之外时约束该RF场不合需的轴向延伸。为简明起见，单匝鞍形线圈是便于说明的模型。一匝以上的鞍形线圈是本讨论简单直接的扩展。
此RF线圈的替换电拓扑结构是通过端部部件50、51之一或其两者的恰适设计而获得的。例如，如果用未开狭缝的平面导体代替图2a的端部部件50，则传导(电感)部件54a和54b被共同连接于线圈的该端部部件并且结果所得的结构支持在样本轴的相对侧上有两个RF电流环路：第一环路包括传导部件54a和54b，并联于包含传导部件54c和54d的第二环路。
图2b示出这种形式的优选实施例的另一结构。(为清楚表示，图2a中已有的所有附图标记在图2b中不予以重复)。在傍轴导体54a、54b、54c和54d径向的外侧添加非传导的傍轴杆60，傍轴导体在这里以阴影线示出以帮助眼睛识别。杆60提供结构稳定性以及对电容耦合于端部部件51的可调电容器极板62的支承(在图2d中更具体地示出)。尤佳的是端部部件51具有图2c所示的复合结构，即附加的一个或多个平面传导部件57、57’由介电层(或空间)58隔开以构成选定的固定电容并形成端板51的传导屏蔽面。这种结构可由分立组件形成，例如标准印刷电路板或铜片以及薄平面蓝宝石电介质或简单间隙形成。根据电路要求，可在两个端部部件中的任何一个或两者处实现此电容。图2c示出端部部件51结构的用于支持谐振探针线圈的集总电容的的进一步扩展。图2c的电容是通过使面向外(面向线圈8的灵敏体积外)的导体57具有由狭缝56界定的分块构造来实现的。在狭缝56和52的取向正交的情况下，电容器端部部件61各分块传导面形成并联的两对串联电容器。图2f的有效电路是通过由端板50提供的虚线连接完成的。为下面讨论的各个目的设置其它孔59，图中对其中之一给出附图标记。显然端板50和/或51起到RF场约束、线圈部件互连、和电容元件实现等多重作用。狭缝59之一用来导纳来自RF源的反馈图2e所示的。优选地，在一优选配置中，在RF源与线圈之间采用电感耦合环路来进行激发以使来自引线的电感损耗最小化。这些电感环路引线彼此非常接近并因此易于提供分布寄生电感效应的对消。
图2d示出一种用于实现可调(微调)电容器极板88的精确位移的机械调谐连杆。这种连杆是通过图2d中以简化形式示出的差动螺纹同轴杆结构来实现的。不动螺母80相对于构成探针支承和外壳结构一部分的轴架82固定。螺纹外杆84由外力转动以作电容调整，并因而沿轴向在不动螺母80的螺纹T1中平移。外杆84具有与内螺纹杆83匹配的螺纹孔T2，如果T1和T2具有相同的螺距指向，则内螺纹杆83进而沿轴向朝着不动螺母80平移。通过悬臂连杆86，可调电容器极板88以与外杆84的转动呈精确的驱力减降关系(取决于相对螺距T1和T2)地行进。线圈8方便地参照图2a的形式，其上添加有止动件90和91以及附加的一组绝缘杆92和94。绝缘杆92和94与绝缘杆60的区别在于它们关于可调极板88固定并且被可滑动地支承以穿过端部部件50和51中适宜的孔55。
可调极板88包括类似于端部部件分块的分块结构。极板88诸分块与附近的端部部件的面对分块的相对取向在为一致的相对取向时对应于微调电容的简单串联连接，并且在为正交相对取向时对应于并联连接。
通过差动螺纹杆实现的驱力减降是已知的。差动螺纹同轴杆无需多重的杆件和常规的齿轮就能取得极好的驱力减降并同时取得合需的转动-平移转换。这种结构对于NMR探针必要的紧凑结构而言是理想的。以凡利安Chemagnetics双谐振HXMAS和三重谐振HXYMAS为品名销售的一类已知的魔角自旋的NMR探针采用类似的驱利减降连杆以精确地调整自旋轴倾斜度。
应当理解图2a-f中所示的例子代表由受设置在样本的相对侧上的电感部件支承的RF电流偶极子构成的线圈的简单例。通过分块的数目和布置的适当扩展，可获得更多的线圈匝数。图2a、2b、2c和2f中示出一种常见的并且在这里为优选形式的鞍形线圈，即面对的电流环路的并联提供横向的RF磁场并横切样本管和极化场的轴。已构造出在700MHz工作的以上述谐振线圈为特征的NMR探针。端部部件的互连功能被轻易地改造以提供这些环路的串联连接——如果需要这样的结构。此外，其它形式的谐振器(如下所述)能有利地使用本发明的多功能端部部件结构来支持合需的电拓扑结构。互连的几何形状不局限于弧形分块，而是能容易地针对不同的RF场配置作适应性改变。是否两个端部部件均实现合需的电容是设计选择的问题。分块结构的理想结果是减少涡电流的影响。
作为上述固定和可变电容的结构的结果，这些电抗元件被设置在非常靠近线圈的位置。由此减少寄生电抗元件(可归因于引线)。图2a和2b的结构与诸如公知的Alderman-Grant谐振器及其派生物的结构形成对比。这些以及本发明的结构对LC谐振器件表现出最小电感。然而，Alderman-Grant型谐振器是从通过带狭缝的管的轴向延伸提供的分布电容得到其容抗。在例如魔角自旋的某些应用中，延伸的轴向结构与超导磁体孔的空间限制冲突。此外，同时代的魔角自旋装置采用沿自旋轴偏移的一对气体轴承。在这种配置中通常采用的常规形式的Alderman-Grant谐振器要求(沿自旋轴)有相当的物理长度才能提供需要的电容。这再次与磁体孔的空间限制冲突，因为孔轴与自旋轴大约成54°角。本发明的结构相比常规Alderman-Grant谐振器表现出减少的空间延伸度。
图3是轴向场受约束的线圈(曲线75)与具有相同轴向和径向尺寸的常规线圈(曲线77)的信号强度的轴向分布的比较。该数据是使用包含大约1mm轴向延伸范围的水滴的标准样本管获得的。该水滴沿刻度前进选定的位移以获得每个数据。观察到两条曲线在相同的轴向坐标上到达零信号，正如对相同总尺寸的线圈可以预料到的那样。在这两个线圈的灵敏体积内信号因变于轴向位移有相似的平坦响应，但是本发明的线圈结构的平坦区域的轴向延伸范围更大，并且在灵敏体积外的信号衰减率上也可以发现区别，其中轴向受约束的线圈表现出更为陡峭的信号降落。这种行为反映出本发明的线圈的开孔端部部件相比完全开放的(例如未屏蔽的)常规线圈的对比。图3中标绘出的具体例的特征是孔为6mm且线圈外径为12mm，从而相比表现出实质上透明的轴向界限的常规线圈0％的屏蔽形成了标称75％的屏蔽。尽管表面上相对线圈直径较小的孔将得到RF场的轴向制约的更好量度，然而这种状况同样意味着较小的填充系数，因而意味着较低的信号振幅。
可采用本发明的多用途端部部件来实现图4所示的鸟笼式谐振器。为清楚起见，示出一种4辐鸟笼式谐振器，但应当理解辐数目不构成限定。开狭缝的端部部件270和271以使得各狭缝呈平行取向的方式设置。即，对比图2a的鞍形线圈，各端部部件的诸分块取向一致。例如，电感部件54a在传导(电感)部件54a的相应端与分块260和262电接触。如图所示，相邻电感部件54b和54d通过片形电容器254、255耦合到电感部件54a。每个电感部件在各端部部件处直接连接于唯一性分块。作为片形电容器的替换方案，可将端部部件设计成通过第一和第二分块传导面包夹一电介质的复合结构来实现耦合电容，其中通过界定狭缝的分块的转动来建立合需的电容。每个端部部件的面对内部的分块保持一对一的关联，并与相应傍轴导体一起形成公知的鸟笼式网络。
在所讨论的所有例子中，端部部件结构的传导面一般表现出由狭缝限定和界定的分块区域。如此，当将有源探针埋入磁体10的极化场中时，涡电流效应被最小化。
结合恰当设计的端部部件，电感部件已被示出可用来实现鞍形线圈(图2a、b)和鸟笼式(图4)谐振器。端部部件的互连功能可以被配置成实现电串联RF环路应当是显而易见的。单对傍轴导体(电感器)可被互连以形成Alderman-Grant式谐振器。
尽管附图和讨论暗示线圈外径与轴向屏蔽/端部部件的外部尺寸的一致性，但这不是必要的。如上所述，在填充系数(相对于径向线圈延伸范围有大孔)与轴向制约(相对于径向线圈尺寸有小孔)的平衡上存在折衷。为了反映这种考虑，在另一实施例中，傍轴导体(电感部件)被分布在接近样本容器外部尺寸的半径上，同时轴向屏蔽物表现出比线圈的径向尺寸大一些的径向尺寸。
作为实践，NMR探针采用多个谐振装置以耦合到分析样本分子中出现的多个不同的核自旋。出于这种目的的同轴设置的多个线圈可将所描述的结构用作(径向)内线圈、(径向)外线圈，或者这两个线圈可共享该新颖的结构。图5a是具有由狭缝152和152’分开的内线圈分块对153和153’的端部部件51”的一个表面。外线圈分块151和151，类似地由狭缝154和154’分开并且环形狭缝155将内、外线圈端部部件隔绝。孔53容纳样本管。一般要求这两个线圈在分隔很远的频率下谐振。这两个线圈的固定电容在第一实例中受它们各自的几何面积限制。如有必要，通过在一个或另一个线圈的一个或另一个端部部件上实现适当的电容就可获得进一步总相对电容。可通过如图5b所示地在各同轴线圈的端部部件的相对表面之间形成不同的介电物质来获得额外的总变化。如图所示(作为示例)，单独的单片电介质部分160和162被设置成与内分块153、153’对齐以给内部线圈的电路提供合需的电容，并且另一电介质162被选择来实现外部线圈的合需电容。为同轴线圈中的一个实现合需的集总电容的另一种方法包括交替设置与分块151、151’对齐的电介质片162和(通常连通的)传导面(未示出)以给外部线圈电路提供合需的电容。传导表面151和251是集总电容的外表面。内部电容或外部电容的独立可调电容可通过图2d所示地实现的一对独立的同轴调节连杆获得。用于支承傍轴导体的孔对外部线圈而言附图标号为170，对内部线圈而言附图标号为172。
在一优选实施例中，每个傍轴导体54a、54b、54c和54d通过将每个这样的导体设置成有微小方位角偏移的电并联导体对而得以加倍。正如由“810o/90o”方法(参见Vaugn J.B.Jr，光谱学，第10卷，36页(1995))确定的那样，发现RF均一性提高并且电感略为降低，这某种程度上允许更高的频率性能。
在另一实施例中，本发明扩展至图6所示的2电感器式谐振器。每个傍轴导体对(第一对54a与54d、以及第二对54c与54b)的分隔被简并以产生各个呈方位角分布的、与端部部件50和51组合的傍轴导体(电感器)54’ad和54’cb。导体54’ad和54’cb在一端开有狭缝(狭缝63)，其中狭缝63与端部部件狭缝52’一致以限制涡电流传播。此谐振结构所需的电容以图2c的方式由端部部件51支持，其中一这样的端部部件被配置成收容呈方位角分布的傍轴导体。
这里提及的孔和线圈横截面不应当被理解成限于特定的形状。尽管NMR测量广泛采用圆形横截面的样本容器和圆形横截面的线圈，然而椭圆形和矩形对于静态样本表现出某些优势。参见共同受让的US专利6,917,201，也不应将傍轴导体解释成限于任何特定的横截面形状。
尽管已结合具体实施例和示例对本发明进行了说明，然而本领域内技术人员鉴于上面的教义可作出其它的修改和变形。应当理解，本发明能以与所具体描述的方式不同的其他方式来实践，这仍落在所附权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种NMR探针线圈，包括：
第一和第二平面传导端部部件，至少一个所述端部部件包括沿所述端部部件所处平面中的轨迹隔开的至少一对共面分块；
所述端部部件被设置成面对面地对齐并且彼此隔开以在其间界定出一轴向间隔；
在所述第一和第二端部部件之间延伸的至少2n个傍轴导体，n是正整数，所述各导体呈规则方位角间隔地设置并具有第一和第二端；
第一对相邻的所述傍轴导体的相邻第一端电连接于所述第一端部部件的同一分块，并且各所述傍轴导体的相邻的第二端连接于所述第二端部部件的选定部分；并且
每个所述端部部件进一步包括中心孔，所述各中心孔对齐，从而使样本容器可被插入于其间。
2.如权利要求1所述的NMR探针线圈，其特征在于，所述第二端部部件包括由与所述第一端部部件的分块结构相似的分块结构构成的平面导体，并且其中所述第二端部部件分块关于所述第一端部部件的分块是转动了的，藉此相邻的各对所述傍轴导体和与之相通的所述分块能够支持RF电流环路，由此所述端部部件和所述傍轴导体构成一鞍形线圈。
3.如权利要求1所述的NMR探针线圈，其特征在于，所述第二端部部件包括由与所述第一端部部件的分块结构相似的分块结构构成的平面导体，并且其中所述第二端部部件分块关于与所述第一端部部件的分块是对齐的，从而仅有一个傍轴导体与任一所述分块相通，相邻的共面分块电容耦合，由此所述傍轴导体和与之相通的所述分块构成一鸟笼式线圈。
4.如权利要求1所述的NMR探针线圈，其特征在于，还包括在所述线圈与外部装置之间互通RF信号的RF耦合装置。
5.如权利要求4所述的NMR探针线圈，其特征在于，至少一个所述端部部件包括设置在一对平面传导面之间的电介质，每个所述传导面与所述狭缝一致地分块，藉此所述端部部件提供一固定的电容。
6.如权利要求5所述的NMR探针线圈，其特征在于，还包括靠近一个所述平面传导面的第三传导面以及差动螺纹杆，所述差动螺纹杆被配置成提供改变所述第三传导面与所述一个平面传导面的分隔的调整装置。
7.如权利要求4所述的NMR探针线圈，其特征在于，所述耦合装置包括设置在至少一个所述傍轴导体附近的电感耦合环路。
8.如权利要求1所述的NMR探针线圈，其特征在于，每个所述傍轴导体包括至少一对间隔开的、轴向延伸的、以同一分块构成并联电连接的平行导体，藉此所述傍轴导体的电感降低。
9.如权利要求1所述的NMR探针线圈，其特征在于，还包括多个平行于所述传导部件的非传导杆，所述杆被支承在所述端部部件的孔中并且分布在所述端部部件的周缘上。
10.一种用于研究样本的NMR系统，包括：
用于建立和维持有选定特性的磁场的磁体；
至少一个RF能量源，用来激发所述样本的选定核自旋谐振；
接收器，用来检测和处理核自旋谐振信号；以及
RF探针，所述RF探针将所述RF能量源和所述接收器耦合到所述样本的核自旋；
所述RF探针包括轴向延伸的谐振器，所述谐振器具有用于耦合到所述样本的轴向电感部件、以及包含传导面的平面端部部件，所述传导面垂直于所述轴，至少一个所述端部部件包括沿所述端部部件所处平面中的轨迹隔开的至少一对共面的分块，所述轨迹形成狭缝，其中所述电感部件和所述端部部件包括包围所述样本的灵敏体积，所述端部部件被设置成制约由所述电感部件与所述RF能量源相通而形成的RF场并支持选定的所述电感部件之间的互连并提供可与所述电感部件组合以支持谐振电路的选定电容。
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