CN108369263A - 用于产生和探测样品的磁共振的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生和探测样品(103)的磁化的设备。所述设备至少包括：用于在样品位置处提供预确定方向和强度的静态磁场(102)的器件(101)、发送设备(104)以及接收设备(104)，所述发送设备用于在所述样品位置处提供一个附加的瞬态磁场，所述接收设备用于探测所述样品(103)的磁化。根据本发明，在此，由至少两个LC振荡器构成的装置(104)既能够用作接收设备(104)也能够用作发送设备(104)、以及还能够同时用作发送设备和接收设备(104)，所述LC振荡器的振荡频率取决于所述LC振荡器的感性元件的值并且所述LC振荡器通过互连被频率同步。用于操控所述装置(104)的器件被接入，其中，所述装置(104)和用于操控的所述器件足以产生如下磁场：所述磁场能够使所述样品(103)的磁化从平衡位置偏移出来，并且所述样品位置处于所述装置(104)的近场内。为了处理所述装置(104)的输出电压，在所述设备后面以预确定的顺序连接有：用于解调的器件(106)、模数转换器和用于数字式数据处理的器件(107)。在用于数字式数据处理的所述器件(107)上提供：用于确定所述样品的磁化以及各个自旋分量的要由此求取的自旋浓度的器件以及用于输出所述磁化的器件。

Description

用于产生和探测样品的磁共振的设备
技术领域
本发明涉及一种用于产生和探测样品的磁共振的设备，该设备例如应用在电子自旋共振光谱学和核磁共振光谱学中，该设备还应用于实验物理学、化学、医学技术或地球科学中。
背景技术
在电子自旋共振光谱学(ESR，electron spin resonance spectroscopy，也称为EPR，electron paramagnetic resonance：电子顺磁共振)和核磁共振光谱学(NMR，nuclearmagnetic resonance spectroscopy)中，使样品在静态均匀的、静态非均匀的或动态的(脉冲非均匀的)磁场(通常称为B0)中经受附加的高频电磁交变场(在ESR中大多在1至263GHz之间的微波范围内)(通常称为B1)。
通过耦合适当频率和极化的交变场(B1)，引起样品的原子核排布和/或电子排布的离散自旋态的能级之间发生跃迁，这又导致在交变场中能够探测到的吸收过程。由所探测的吸收过程可以确定样品的各种材料分析信息。在此，线性极化场B1通常垂直于B0定向。
因此，能够通过ESR或NMR实验表征的样品都是可磁化的样品、即顺磁样品(不成对电子，ESR)或具有如下原子核的样品(NMR)，该原子核具有由于奇数个核子所引起的“净核自旋(Nettokernspin)”。样品不仅可以是液态的、固态的，或者也可以是气态的。在下文中，如上述介绍的那样，术语“样品”始终用于可磁化样品的意义上。
为了唯一明确地表征所述自旋态的能量差(共振能)以及所属谱线的能量差——频谱分量，可以根据ΔE＝h·ω＝γ·B0·h＝g·μB·B0(h＝普朗克常数，μB＝波尔磁子，ω＝磁场的进动角频率)选择性地使用旋磁比γ或所谓的g因子(也称为朗德因子)。在此，g因子不一定是各向同性的并且必要时必须作为张量处理。在此，频谱分量不仅取决于g因子，而且例如也取决于与相邻核自旋和电子自旋的耦合。在此，例如可以通过样品内的微观磁相互作用进一步修改自旋态的能量差，这然后可以通过所谓的完整哈密顿相互作用算子(HamiltonWechselwirkungsoperator)来描述。以下仅借助待研究的自旋态的共振情况来阐释这种复杂关系，而不再进一步阐述相应的相互作用。在共振情况下，频率相应于所谓的拉莫尔频率(Lamorfrequenz)。
在通过B1场激励的共振情况下产生所谓的拉比振荡(Rabi-Oszillation)。该拉比振荡是与外部周期性力(例如振荡的磁场)相互作用的量子力学的二能级或多能级系统中的振荡。如果激励频率接近跃迁的共振频率，则状态的占用以一个频率振荡，该频率也称为拉比频率。
通常在谐振频率或尽可能接近谐振频率的情况下进行ESR和NMR实验，除非另有说明，在下文中也以此为前提。
在所谓的“连续波(英语：continuous wave)”ESR实验或NMR实验中，在交变磁场(B1)的连续照射并且可能同时改变磁场(B0)的强度的情况下确定如下能量，该能量相应于自旋系综(Spinensemble)的不同能级之间允许的或弱禁止的跃迁(共振情况)。
在所谓的脉冲ESR实验或NMR实验中，在静态或动态的(时间上和或空间上变化的)磁场B0的情况下，借助强电磁脉冲(B1)(瞬态磁场)激励样品的宏观磁化定向围绕样品中的有效磁场方向进动，并且探测其弛豫过程以及进动频率。弛豫过程也称为瞬态(时间上变化的)磁化，或者说探测到所谓的瞬态信号。瞬态磁化在其持续时间方面受到自旋晶格弛豫时间(T1)和自旋-自旋弛豫时间(T2)的限制。对于ESR实验来说，这些时间处于亚纳秒至秒的范围内，但通常的测量窗口处于1ns至1ms之间。
为了避免激励期间的弛豫过程，由此明显简化实验的建模，施加瞬态磁场(B1(t,ω))的时间段必须短于弛豫时间。因为样品的弛豫时间在ESR的情况下可能处于亚纳秒范围内，所以对于确定的样品来说，需要持续时间在亚纳秒范围内(<1ns)的瞬态磁场。在此，瞬态磁化的持续时间通过与晶格弛豫时间(T1)以及自旋-自旋弛豫时间(T2)的关系而取决于样品。
在脉冲ESR实验或NMR实验的情况下，磁场B0可以是在位置上线性变化的磁场(梯度场)，该磁场例如用于基于磁共振的成像方法中。
以下进一步解释物理学基础。在经典力学中，磁偶极矩在磁场中受到根据的转矩因此，原则上可以以施加的外部磁场的形式影响任意的宏观磁化因为该宏观磁化是微观磁矩的组合效应的结果。ESR或NMR实验是在此方面的已知示例，在所述实验中施加外部磁场并且确定样品的磁化该样品的磁化与电子或原子核的自旋及其相互作用相关。量子力学研究表明，粒子的自旋不仅与磁偶极矩相关，而且也与轨道角动量相关，磁偶极矩与轨道角动量彼此存在根据的关系，其中γ是旋磁比，其特定于样品材料。在1/2粒子自旋的最简单待研究的情况下，假设在自旋之间不存在相互作用，可以借助简化的布洛赫方程、即没有弛豫项的布洛赫函数来描述在施加的磁场内基于自旋的宏观磁化：
由(0.1)得出，基于自旋的磁化Ms以相应于所谓的拉莫尔频率ωL＝-γ·B0的角速度实施围绕B0场的轴线的进动，该磁化与磁场B0成一个角度。例如可以通过所施加的时间上变化的、垂直于B0定向并且具有频率ωL的磁场B1来实现磁化Ms的偏转，使得Ms围绕B1场的轴线旋转。因为不平行于定向的情况相应于一种不平衡状态，所以弛豫机制导致所有横向磁化Ms⊥衰减至零并且在B0的方向上重新建立纵向磁化Ms||，这相应于平衡状态Ms0。可以借助将弛豫时间引入根据(0.1)的布洛赫方程中来考虑这种情况：
其中，t＝时间，场方向上的单位向量。
在M.Prisner等人的文章1《Pulsed EPR Spectroscopy：BiologicalApplications》(物理化学年度评论52期，2001年，第279-313页)中提供了关于对生物样品的脉冲ESR实验的概述，并且在R.Benn和H.Grünther的文章2《Modern Pulse Methods inHigh-Resolution NMR Spectroscopy》(应用化学国际版，第22卷，1983年，第350-380页)中提供了关于脉冲NMR实验的概述。
在DE 42 23 909 C2中公开一种用于医学技术的用于测量磁共振的设备，在该设备中，螺线管线圈(Solenoid-Spule)用于产生磁场B0。用作发送或接收装置的装置由裂环谐振器(Spaltringresonator)构成。此外，设置有用于探测共振信号的耦合装置，该耦合装置由耦合回路实现。其他电路单元补全该设备。
在DE 44 12 064 A1中公开一种称为电子自旋共振脉冲光谱仪的设备。该设备具有用于产生采样信号(测量信号)B1的第一微波振荡器以及用于产生较低微波频率的辅助信号的第二微波振荡器。附加地设置有第一混合器和脉冲整形通道，它们用于产生具有适用于电子自旋共振脉冲实验的脉冲长度的混合信号，还设置有用于探测的谐振器。
在US 2014/0210473 A1中公开一种电子自旋共振光谱仪，其配备有作为发送和接收设备的探针头(Tastspitze)。在此，用于发送设备的激励场(B1)在该发送设备外部产生并且借助合适的装置引导到探针头中。该光谱仪也可以在脉冲模式中运行，其中，脉冲和信号的检测持续一段时间，但这无法实现时间分辨地检测样品的瞬态磁化。
在T.Yalcin和G.Boero的文章3《Single-chip detector for electron spinresonance spectroscopy》(科学仪器评论79期，2008年，第094105-1-6页)中公开一种方法，借助该方法能够将LG振荡器用于连续波ESR实验。该方法基于如下原理：流过所述LC振荡器的线圈的电流产生了样品所经受的连续(连续波)微波磁场(B1)。该场(B1)影响样品的磁化，这又可以在LC振荡器中作为频率的变化被探测到。在B1场的频率(取决于样品)足够低的情况下，在线性样品内，B场与磁场强度H1彼此成比例。这相应于样品的实数的(reellwertige)相对磁导率μr和磁化率χm，其关系是μr＝1+χm。在B1场的更高频率的情况下，在B1场与场强H1之间可能产生时移。对于正弦形时间变化过程的特殊情况，根据
μr ＝μ′r-j·μ″r和χm ＝χ′m-j·χ″m，
可以将该时移映射成样品的复数的磁导率和复数磁化率。
复数的磁导率和磁化率例如在N.Bloembergen和R.V.Pound的文章4《RadiationDamping in Magnetic Resonance Experiments》(物理评论，第95(1)卷，1954年，第8-12页)中进一步描述。在考虑样品的复数磁化的情况下，引入静态磁场B0与微波磁场B1以及与样品的磁化Ms之间的关系，所述关系将根据H1＝B1/μ0(μ0＝磁常数)的微波场强H1与连续波激励下的自旋系综的静态磁化Mx联系起来：Mx＝(χ′·cos(ωosc0·t)+χ″·sin(ωosc0·t))·2H1，其中，ωosc0是磁场强度H1的频率(自由振荡频率)，t是时间。在激励的条件下，振荡器的自由振荡频率必须相应于或接近拉莫尔频率。在磁化的样品的影响下，对于足够小的自旋系综(即非线性效果能够被忽略)，振荡频率相对于自由振荡频率的变化相应于如下项：
其中，η＝填充因子。该项由一阶泰勒近似得出，其中，较高阶在少量准确性损失下能够被忽略。
ESR实验或NMR实验面临的一个挑战是，借助集成电路技术实现成所谓的“单芯片”(单芯片处理器)实施方案，与传统实施方案相比，该实施方案用户友好地、微型化地、成本有利地并且高能效地构型实验应用。
EPR设备或NMR设备中的微型化探测器在由探测器检测的体积中所需的自旋数量方面改善了其检测极限(Nachweisgrenze)，借此能够可靠地探测磁化，也就是说，自旋灵敏度得以改善。在此，自旋灵敏度与线圈直径/探测器直径成比例缩放。各向同性地缩放三个数量级(在相同的B0场和相同温度的情况下)会带来两个数量级的增加。在此，对于具有几十至几百微升的有效体积的容积谐振器来说，自旋灵敏度在约1011自旋的数量级中变动，对于具有约一纳升的有效体积的微型化线圈来说，自旋灵敏度在约108自旋的数量级中变动，这意味着微型化线圈相对于容积线圈改善几个数量级。相反地，过度微型化同时带来如下缺点：对于可靠地确定低自旋浓度、或样品中较大体积的磁化或整个样品的磁化来说，测量结果无效，即浓度灵敏度丧失。在此，直径是100μm(～100pl敏感体积)的线圈的浓度灵敏度约为1mmol/l至几百mmol/l。
在J.Anders等人的文章5《A single-chip array of NMR receivers》(磁共振杂志201期，2009年，第239-249页)中公开一种方案，该方案利用了微型化的优点并且同时补偿体积中的检测损失的缺点。所提出的设备包括由八个独立通道构成的装置，所述通道分别由检测线圈、调谐电容器、低噪声放大器以及50Ω隔离放大器构成。每个检测线圈具有500μm的直径，由此得到1mm×2mm的有效(探测器)面积。该设备的缺点在于，样品中的自旋激励未被集成(每个线圈)。此外，每个线圈需要一个完整的接收设备(至少包括：低噪声前置放大器、混频器、其他放大器、ADC转换器)，因此该设备变得昂贵。
在此，微型化一般应理解为：在集成电路技术、例如CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor：互补金属氧化物半导体)中实施，或在集成电路技术的数量级或更小数量级中实施。
许多由现有技术已知的用于ESR和NMR测量的设备的另一缺点在于其高能耗。这由如下引起：除了少数几个在集成电路技术中实现的微型化设备以外，所述系统是设计用于50Ω环境的，由此造成用于产生附加的交变场(B1)的相对较大的功率。此外，还应争取进一步简化目前提出的系统，以便能够更加成本有利地和节省空间地实施该系统。
发明内容
本发明的任务在于，说明一种用于产生和探测样品的磁共振的设备，与现有技术相比，该设备具有高自旋灵敏度，同时，该设备相对于现有技术具有更高的浓度灵敏度，并且该设备附加地被简化和节能地构造。
该任务通过权利要求1的设备来解决。有利的实施方式是从属权利要求的主题。
根据本发明的设备中的用于产生预确定方向的磁场的器件例如通过超导磁体或任意实施方案的电磁体或永磁体实现。所产生的磁场是静态的并且相应于用于磁化适用于磁化的样品的磁场B0。在此，只要根据共振条件来选择进行激励的B1磁场的频率，则磁场可以具有任意强度。
样品可以是固态、气态和液态的样品。液态样品例如可以在玻璃毛细管中被置于平面结构上(例如CMOS技术中)。对于B1的直至所谓的X频带(大约10GHz)的较低频率，LC振荡器的线圈也可以实现成容积线圈，可以将具有液态样品的毛细管引入到所述容积线圈中，或者该LC振荡器的线圈可以与用于将样品输送到探测器中的(微)流体系统组合。替代地，也可以将该设备浸入或引入到待测量的液体、气体或固体中或以其他的方式(例如喷溅)与待测量的液体、气体或固体联系起来。因此，相变和聚合态的变化(过渡)是可检测的。
样品位置是设备中的如下位置：在所述位置处布置有样品，并且在所述位置处不仅施加磁场(B0)而且必要时也施加瞬态磁场(B1)。在此，可以设置有用于固定和存放样品的器件。
由至少两个LC振荡器构成的装置要么分别作为唯一功能构造成接收设备或发送设备，要么同时构造成发送和接收设备(这意味着实现两种功能的设备)。
在该装置仅构造成接收设备的情况下，则发送设备由从现有技术已知的器件、例如线圈、导线带(Leitungsstreifen)、谐振器或天线构成。
在该装置仅构造成发送设备的情况下，则接收设备由从现有技术已知的器件、例如谐振器、天线、线圈或导线带构成。
在该装置同时构造成发送设备和接收设备的情况下，不需要其他器件作为用于(除磁场B0之外)操纵样品磁化的发送设备以及作为用于探测样品磁化的接收设备。
尤其有利的是发送设备和接收设备两者都由一个共同的装置实现的实施方案，因为该实施方案能够实现特别简化的、节省成本和节省空间的结构。
在此，在上述所有三种情况下，该装置中的每个LC振荡器相应于该装置的使用分别承担如下三种功能中的一个：接收设备、发送设备或发送设备与接收设备的组合。
LC振荡器如此设计，使得其振荡频率取决于LC振荡器的感性元件的值。满足该要求的LC振荡器例如是：Hartley振荡器、Colpitts振荡器或Armstrong振荡器或LC谐振回路振荡器(LC-Tank-Oszillator)。在此，LC振荡器不仅可以实施成具有固定工作频率的LC振荡器，而且也可以通过使用可调谐的(电的或机械的)电感和/或电容设计用于整个频带。
在此，根据本发明如此选择LC振荡器的装置，使得样品或样品位置处于LC振荡器的近场内。
在此，对于根据本发明的设备，近场可以理解为LC振荡器的如下场：在该场内，B1场的旋转、以及由于div B＝0所以整个B1场决定性地由感性元件中的电流密度J所确定：(μ0＝磁场常数)。与此相反，在远场中发生波传播，并且B1场和E1场(电场)相互产生： 其中，∈0＝电场常数，t＝时间。因此对于近场适用：因为在近场范围内还不存在波，所以可以最大程度地独立于E1场产生B1场。通过这种情况，E1场能够被优化或可以将其保持得小。小E1场使样品中的电损耗以及由于样品发热产生的损耗最小化，这是根据本发明的设备的优点。
在LC振荡器的数量多于两个的情况下，LC振荡器的装置的空间构型实施成由单个LC振荡器优选以行和列的形式构成的平面复合系统(借用英语也称为“Array”：阵列)。LC振荡器相互之间的任意布置也是可实施的。在此包括单行或单列的特殊情况。在此，表征为“平面的”除了平面实施方案以外还包括具有和不具有边缘的任意曲面(例如圆柱面、圆锥面、球面)。
取决于微型化的程度实现了高自旋灵敏度，对于单个LC振荡器来说，该微型化程度至少可以实现直至20μm的尺寸。通过由多个频率同步的LC振荡器构成的装置，取决于LC振荡器的数量，能够实现高浓度灵敏度，因为由此增加了接收设备的有效面积。通过使该装置中的LC振荡器的频率同步(频率锁定)确保，实现对样品磁化的协同的、均匀的操纵，并且借助对该装置的振荡频率的共同读取来实现协同探测，以用于作为该装置的所有LC振荡器的总和并且因此作为有效面积的总和来确定样品的(由操纵引起的)磁化的变化。
在此，各个LC振荡器的可实现的微型化程度取决于制造技术和线圈的实施方案的选择。除了LC振荡器中已知的线圈以外，所述线圈的可能的实施方案例如是由超导材料构成的线圈或带状线(例如纳米导线)形式的线圈，其中，能够实现纳米范围内的数量级。理论上，线圈在原子或分子水平上的实施方案也是可设想的。
在此，频率同步(频率锁定，英语：frequency locking)表示，LC振荡器通过电路技术器件而强制性地具有相同的自由振荡频率。
在一种实施方式中，LC振荡器的频率同步通过作为耦合网络的互连(Verschaltung)实现。“通过耦合网络互连”表示，通过无源的或有源的电路元件将振荡器的振荡信号馈送到阵列的一个或多个其他振荡器中。这样做的效果是，所有振荡器的输出信号以相同的频率振荡。在此，振荡信号的相位取决于耦合网络。这具有如下优点：由此使振荡器在其频率上同步，并且通过适当选择耦合网络可能还能够调节振荡器的振荡信号之间的期望固定相移。取决于耦合网络的类型，该相位噪声与单个振荡器的相位噪声相比会由此降低。在无源耦合网络的情况下，功率消耗比有源网络更低。
在另一实施方式中，LC振荡器的频率同步通过网络互连(Netzwerkverschaltung)来实现，其中，每个LC振荡器具有一个附加的输入端，并且，至少一个另外的LC振荡器的输出电压馈送到该附加的输入端中，其中，LC振荡器至少分别在两侧彼此互连。这样做的效果也是：所有振荡器的输出信号以相同的频率振荡。相位同样取决于耦合网络。在此，这也具有如下优点：由此使振荡器在其频率上同步，并且通过适当选择网络互连可能还能够调节振荡器的振荡信号之间的期望固定相移。因为在最接近的情况中涉及单向网络，所以该结构比在无源耦合网络情况下更简单。
在下一实施方式中，LC振荡器的实施方案通过LC-VCO(Voltage ControlledOscillator：压控振荡器)实现。使用LC-VCO能够实现独立地调节振荡器的频率和幅度，并且因此能够实现独立地调节B1场的频率和幅度，这对于优化实验条件是有利的。独立地调节振荡器的频率和幅度是通过了解残留耦合实现的，该残留耦合通过对相应背景信号的单次测量被确定并且随后被消除，或在测量期间通过相应补偿被消除。
各个LC-VCO的电路装置优选如下实施。差分电容二极管(变容二极管)和差分电感用于构造LC振荡回路。两个交叉耦合的晶体管通过两个节点之间的负电阻和非线性确保差分输出(即输出电压)中的稳定振荡。通过差分电容二极管确保调谐特性。例如通过操纵LC-VCO的电压供给来实现振荡幅度随时间的变化。LC-VCO的这种简单实施方案确保了低功耗、低空间需求，并且还确保在低温(直至冷冻)的情况下工作。
借助连接在LC振荡器装置后面的解调装置来检测LC振荡器装置的振荡频率的变化。该解调借助频率解调器来实现。取决于所选择的转换器或解调器，在转换或解调之前或之后借助相应的器件实现将模拟信号转换成数字信号。
借助连接在LC振荡器装置后面的器件来检测振荡幅度的变化。该装置中的各个LC振荡器的幅度不通过耦合被同步。因此，能够分别在每个单个的LC振荡器处量取如下信号，该信号相应于该LC振荡器的灵敏体积中的样品磁化。由此，可以附加地获得实现空间分辨率的信号。在此应该考虑，LC振荡器的幅度受到LC振荡器内部的耦合影响，必须在幅度方面对所述信号进行校正。可以借助简单的器件在各个LC振荡器处量取幅度调制信号。为此，针对每个LC振荡器仅需要一个用于(在连续波实验的情况下通常kHz范围的)该信号的放大器，该信号通过固有解调(在使用电流源给LC振荡器供电的情况下，该固有解调直接存在于在基带内)在LC振荡器中的节点处被量取。在此，无须将该信号从拉莫尔频率下混频。除了电路的复杂性之外，由此还优化了功率消耗。
取决于所选择的转换器，在转换或解调之前或之后实现将模拟信号转换成数字信号。
在连续波模式中，用于确定样品的频谱分量的器件实现相应于项(0.3)的频谱分量的确定，该器件被提供在用于数字式数据处理的器件上。
在此，在连续波中使用该装置能够作为发送设备、接收设备或作为发送和接收设备来实现。然而，对于仅用作接收设备应该考虑：LC振荡器在运行中始终还产生B1场(见上文)，该B1场必要时可操纵性地作用在样品上。
为了实施用于操控的器件，在连续波模式中有两种可能性可供使用。在第一种可能性中，将用于产生第一波形并且必要时产生第二波形的器件用作用于操控LC振荡器装置的器件，该第一波形作为控制电压被馈送到LC振荡器中，该第二波形用于调节包络线。所述器件例如是数模转换器，其由个人计算机、FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、微控制器、“任意波形”发生器或用于简单斜坡或脉冲的函数发生器所控制。使用所述波形来执行通过相应于所提供的B0场的谐振频率的频率扫描，其中，kHz范围内的正弦形信号能够被叠加在扫描上，以便必要时借助锁相放大器执行相敏探测。第二种可能性是T.Yalcin和G.Bero在文章3中描述的用于传统场调制的器件，借助该器件将直流电压施加到LC振荡器的控制电压输入端上。
所述设备也能够用于产生和探测样品的瞬态磁化。用于产生和探测瞬态磁化的以下实施方案涉及：将LC振荡器装置同时既用作发送设备又用作接收设备。对于其他两种情况——分别仅用作发送设备或仅用作接收设备，应该仅考虑涉及相应功能的部分。然后相应地通过已知器件实现发送设备或接收设备。
LC振荡器中的瞬态磁场B1(t,ω)(具有受时间限制变化的频率ω的磁场)通过适当地将电压馈送到压控电容(变容二极管)中而产生。在此，瞬态磁场是通过在受限的持续时间上改变LC振荡器中的频率产生的磁场。在此，变化的形式不受限制，并且例如可以呈阶梯形、锯齿形或尖峰。
在此，瞬态磁场B1(t,ω)能够缩短到比瞬态磁化短如此多的时间段上，使得脉冲期间的弛豫效应能够被忽略。因为样品在ESR情况下的瞬态磁化可能处于亚纳秒范围内，所以对于确定的样品来说，也需要持续时间处于亚纳秒范围内(<1ns)的瞬态磁场。在此，瞬态磁化的持续时间通过与自旋晶格弛豫时间(T1)以及与自旋-自旋弛豫时间(T2)的关系而取决于样品。
此外，在根据本发明的解决方案中，有利地，可以在施加瞬态磁场期间探测样品的瞬态磁化，因为与从现有技术中已知的基于谐振器的ESR探测器的情况不同，不需要保护探测电子装置免受强电磁激励脉冲的影响。这基于如下事实：在使用LC振荡器作为发送和接收设备时，用于激励样品中的磁化的B1场在振荡器自身中由线圈中的电流所产生。在此，由于电流非常良好地转换成B1场(毕奥-萨伐尔定律，近场)中，所以对于大于1mT的B1场来说，运行中产生的电流(视线圈尺寸而定，所述电流处于10mA至200mA)就是足够的，这又能够实现所需的短脉冲(10mT相应于约1ns的脉冲长度)。在此，振荡器在用于产生常见场强的运行中不会损坏或发生不可逆变化。该测量的时间分辨率和灵敏度得以改善。这主要通过如下实现：测量可以更早开始(甚至还在激励/脉冲期间)，并且因此可以在开始出现明显弛豫效应之前就开始。
相应于样品的要求和样品中自旋系综的期望操纵来选择瞬态磁场的持续时间、数量和形状。
在最简单的情况下，应根据样品如此选择脉冲长度，使得将样品中的磁化倾斜θ＝90°(θ＝γ·B1·τ脉冲，τ脉冲＝施加谐振B1场的持续时间，γ＝旋磁比)，因为如此使磁化在确定情况下最大化，这也由根据本发明的LC振荡器探测到。然而一般来说，如果这对于分别专用的实验是有利的，则也可以调节或使用任意其他旋转角。
借助根据本发明的设备可以使B1场的强度变得足够大，以便例如产生τ脉冲处于亚纳秒范围内的90°脉冲长度(θ＝90°)，使得由此结合在激励期间探测的可能性，即使对于具有短T2弛豫时间的样品也可以直接测量所谓的拉比振荡。在此，通过适当选择振荡器电源电压或振荡器静止电流、以及通过适当选择与由频率决定的电容成比例的线圈电感来调节B1场的强度。
馈送在用于激励自旋系综的压控LC振荡器的压控电感或电容上的电压以时间相关的波形形式存在。时间相关的波形通过如下方式进行表征：所述波形包含电压强度的受限持续时间的变化。电压的变化导致压控LC振荡器中产生具有变化的频率的瞬态磁场B1(t,ω)。在此，取决于变容二极管的实现方式，电压的升高或降低要么会导致频率降低、要么会导致频率升高。在比谐振频率低的振荡频率情况下运行LC振荡器的优点是：LC振荡器整体上可以设计用于较低的振荡频率。在比谐振频率高的振荡频率情况下运行LC振荡器的优点是：简化信号解调。在此，所述变化的形式同样不受限制并且例如可以呈阶梯形、锯齿形或尖峰。频率的选择取决于样品的谐振频率情况下所需的功率密度。相应于通过样品预确定的对瞬态磁场的要求来选择时间相关的波形的持续时间、数量和形状(见上文)。
因为一旦LC振荡器接通，电流就流过LC振荡器的线圈，所以也直接产生B1场。然而B1场的幅度需要一定时间才达到所期望的值。因此，将LC振荡器从第一频率切换到第二频率(谐振频率)是有利的，该第一频率离谐振频率足够远以便在样品中不引起激励，因为这样振荡过程会减小到可忽略的极短的幅度变化。在此，对于不应发生样品磁化的激励的时间，通常应该将LC振荡器恒定地运行在第一频率下，以便避免或显著减小振荡过程。
如在连续波模式中那样，将在此时间相关的第一波形作为控制电压提供给LC振荡器。
在必要时借助其他电路元件的情况下，将在此同样时间相关的第二波形馈送到LC振荡器的电源电压上，该第二波形足以用于调节LC振荡器的瞬态磁化的包络线。通过能够自由选择的包络，主要能够实现增加瞬态磁场激励的均匀带宽，由此许多谱线能够均匀地被激励。
由各个LC振荡器产生的瞬态磁场B1(t,ω)至少分别在频率和包络(包络线)上足以使B0场中的样品磁化从其平衡位置偏移出来。这例如适用于用于探测拉比振荡、自旋回波的实验，或在简单FID(free induction decay：自由感应衰减)测量的情况下，适用于单个脉冲。
将用于产生时间相关的第一和第二波形(这些波形被馈送到LC振荡器中)的器件用作用于操控LC振荡器装置的器件。所述器件例如是数模转换器，其由个人计算机、FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、微控制器、“任意波形”发生器或用于简单斜坡或脉冲的函数发生器所控制。
与作用在样品上的瞬态磁场B1(t,ω)同时地和/或与该瞬态磁场存在时间顺序地探测样品的(瞬态)磁化的时间相关的变化。样品磁化的变化引起LC振荡器的感性元件的变化，这可以作为LC振荡器在同一输出电压中的振荡频率和/或振荡幅度的变化被探测。为此，量取LC振荡器的输出电压，并且必要时在内部电压节点处直接量取振荡器的幅度解调信号。
借助连接在LC振荡器装置后面的用于解调的器件来检测振荡频率和/或振荡幅度中的变化。在此，如分别相应于实施方式那样，要么借助频率解调器要么借助幅度解调器来实现解调。频率解调器与幅度解调器的组合相应于另一实施方式。根据所选择的转换器或调制器，在转换或解调之前或之后实现将模拟信号转换成数字信号。
将经转换的和/或经解调的数字信号提供给用于数字式数据处理的器件。为了求取谐振能量，在那里将这些数字信号输入到线圈的瞬态电感和瞬态电阻模型中以用于求取样品的原始谱线，该谐振能量例如通过朗德因子(g因子/g张量)或样品的谐振频率与B0的比例表示。
线圈的瞬态电感和瞬态电阻模型在文件号是DE 10 2015 120 644.7的德国专利申请中被详细推导。根据该模型，LC振荡器(该LC振荡器在其线圈的可激励的区域内具有具有时间上变化的磁化的样品)的频率根据如下项提出：
其中，C＝线圈的电容，L0＝线圈的与样品无关的电感，ΔL样品＝线圈的电感的与样品相关的变化。
根据线圈的瞬态电感和瞬态电阻模型，其中，对于样品在瞬态磁场中的可探测的电感，线圈的电感L(t)由L0与ΔL样品(t)的组合所替代：L(t)＝L0(t)+ΔL样品(t)，L0是线圈电感的与样品无关的表达，ΔL样品(t)是线圈电感的与样品相关的表达，对于L0、ΔL样品和R样品(线圈中由样品的磁化而引起的时间上变化的损耗)提出以下表达：
其中，V＝体积，Vs＝样品体积，＝单位磁场，i(t)＝与线圈的电压降v(t)相关的电流，＝宏观磁化、样品磁化。参量L0可以直接通过线圈的几何形状求取。
由等式(1.5)得出，随时间变化的磁化的存在导致样品中的电感发生变化，该变化与上述磁化在整个样品上的积分成比例，其根据如下等式在感应线圈中的电流上标准化：
因为与样品相关的电感ΔL样品与样品磁化的积分(在线圈中的电流上标准化)成比例，所以样品的在时间上变化的磁化能够通过检测LC振荡器的振荡频率的瞬时值(ωosc,χ)所求取。附加地，在ωosc0±ωi的情况下，电感的与样品相关的频谱分量(该频谱分量由与样品相关部分的电感变化ΔL样品所引起)导致以调制频率ωosc0±ωi调制振荡器的频率，并且因此在ωosc0±(ωosc0±ωi)的情况下产生振荡器的电压中的频谱分量。这些频谱分量能够通过常用的频率解调(FM：频率调制)求取，由此也能够确定样品的电感ΔL样品并且因此也能够确定样品的磁化或相关频谱分量以及谐振特性。因此，样品的磁化强度和动态能够以高时间分辨率求取。
振荡器的振荡幅度强烈取决于线圈的电阻。一般而言，可以由下列项推导出LC振荡器的通过电流源偏置的振荡幅度Aosc：
其中，Reff＝线圈的有效电阻，R0＝欧姆线圈电阻，R样品,tot＝由样品感应出的线圈电阻。
在具有用于给交叉耦合的晶体管对馈电的电流源的LC-谐振回路-VCO的情况下，等式(1.8)变得更加具体：
其中，n＝下阈值范围内的发射系数，IBIAS＝振荡器的直流静态电流(偏置电流)。
函数(1.8)和(1.9)的提出基于以下基础：在大多数实验条件下，线圈电阻R0明显大于由样品感应出的线圈电阻R样品,tot的变化。与由样品感应出的电感变化ΔL样品不同，由样品感应出的电阻R样品,tot变化导致线圈的振荡频率的幅度调制，该幅度调制在ωosc0±(ωosc0±ωi)的情况下引起振荡器的电压中的频谱分量，这些频谱分量又可以借助常用的幅度解调(AM：幅度解调)求取，并且因此也可以求取磁化或相关频谱分量以及谐振特性。
通过相应地选择参数，在线圈的瞬态电感和瞬态电阻模型中提出的函数和关系也适用于连续波模式。
相应地，可以根据传统的FM或AM解调在ωosc0±ωi的频率情况下探测磁化的频谱分量，并且因为振荡频率ωosc0是已知的，所以可以在频率ωi的情况下唯一明确地并且定量地分配频谱分量。
FM和AM解调在执行中的复杂程度可能不同，使得在此导致探测器硬件中的区别。在LC谐振回路振荡器的情况下，例如存在具有固有AM解调的节点，在该节点处可以量取该AM解调。CMOS-LC振荡器中的幅度探测的基础在P.Kinget的文章6《Amplitude detectioninside CMOS LC oscillators,2006 IEEE International Symposium on Circuits andSystems》(第1-11卷，Proceedings 2006，第5147-5150页中)给出。对于FM解调，例如使用锁相环(模拟或数字)或所谓的Teager能量算子。
检测两种频谱(输出电压的频率和幅度)具有如下优点：可以进行固有的“基线校准”，也就是说，在两个频谱中的都出现的频谱分量应被理解为真的，而所有其他频谱分量则涉及所谓的测量伪像(Messartefakte)。
在样品的瞬态磁化的情况下，用于确定样品的频谱分量的器件(该器件例如以计算机程序的形式被提供在用于数字式数据处理的器件上)包括相应于项(1.1)或/和(1.8)的项，其中，如相应于实施方式那样，考虑线圈的瞬态电感和瞬态电阻模型的项(1.2)至(1.6)。在以连续波模式实验的情况下，用于确定样品的频谱分量的器件包括相应于项(0.3)的项。
在连续波模式中并且在样品的瞬态磁化情况下求取的频谱分量用于确定：确定的自旋系综的频谱分量的自旋浓度(也是时间上振动的)以及该自旋系综的谐振能量，该谐振能量例如通过朗德因子(g因子/g张量)或样品的谐振频率与B0的比例所表示并且借助适用于此的器件输出，所述器件同样被提供在用于数字式数据处理的器件上。然后，所输出的信息例如能够用于过程控制和质量控制以及能够用于提供图像的磁共振成像术(Magnetresonanztomographie)。
对于一些应用、例如在瞬态实验的情况下，并且为了抑制伪像，在ESR和NMR实验中需要有针对性地调节所激励的B1场的相位，以便有针对性地调节相干转移路径(英语：coherence transfer pathway)。这可以在将根据本发明的LC振荡器装置在功能上用作接收设备的情况下，通过如下方式实现：将LC振荡器中的至少一个实现成压控振荡器，以便例如借助锁相环来实现与外部参考频率的如此同步，使得例如相应于一种实施方式那样，该装置中的所有LC振荡器都跟从参考频率。然后，例如可以借助模拟乘法器通过在两个不同参考频率之间进行切换来实现脉冲实验，所述参考频率相应于谐振中的或谐振之外的装置的振荡频率。附加地，可以通过在具有相同频率(谐振)和不同相位的不同参考信号之间进行切换来实现所谓的相位循环。所述不同相位例如可以有利地通过较高参考频率的分频器产生。通过相位循环、即借助不同相位的脉冲进行连续激励可以有针对性地抑制或读取相应于确定跃迁的信号。
根据本发明的LC振荡器装置能够以集成电路技术、即完全借助有源元件实施。分立部件的数量被降低并且可能不需要其他外部部件。这能够实现成本有利的、低功率的并且可能便携式的设备。对于根据本发明的设备有利的是各个电路元件的对称可实施性和高可重复性，例如该设备能够以MEMS技术实现。由此可以降低干扰信号(特别在幅度探测的情况下)。
此外，通过根据本发明的由频率同步的LC振荡器构成的装置改善了噪声。LC振荡器的在频率中同步的装置表现出单个振荡器的特性，该振荡器的噪声由注入振荡器(主)所决定。
根据本发明的设备首次借助改善的自旋灵敏度和改善的浓度灵敏度在连续波模式中以及在样品的瞬态磁化情况下实现样品的磁化的产生和探测。借助在装置中的各个LC振荡器处量取幅度调制的信号，必要时，空间分辨信号也附加地可供使用。此外，该设备能够相对于现有技术简化地实施并且可以在没有大开销的情况下匹配于不同的样品环境。简化的实施是部件减少的结果，因为不是装置中的每个LC振荡器为了频率调制都需要用于信号处理的器件，此外，发送设备和接收设备能够实施在一个装置中、即能够实施成具有两个功能的设备。所需的用于信号处理的器件的减少是由如下事实造成的：该装置中的LC振荡器是同步的并且因此仅须确定装置的输出电压的频率。此外，自旋的激励以集成形式实现，也就是说，装置中的每个LC振荡器充当发送设备。
根据本发明的设备能够用于执行标准ESR和NMR实验的所有领域，尤其也能够用于医学技术的成像方法(磁共振成像，MRT)。
附图说明
将在实施例中并且根据附图进一步阐述本发明。
附图示出：
图1：用于产生和探测磁共振的设备的示意图；
图2：作为平面复合系统的LC振荡器装置的示意图；
图3：互连成耦合网络的LC振荡器装置的示意图；
图4：用于产生和探测瞬态磁化的LC-VCO的结构；
图5：互连成网络的LC振荡器装置的示意图；
图6：用于在根据图5的装置中产生和探测瞬态磁化的LC-VCO的结构；
图7示出用于产生和探测磁共振的设备的示意图，在该设备中，所述装置既用作发送设备也用作接收设备，并且磁场B0是可调的；
图8：用于产生和探测磁共振的设备的示意图，在该设备中，所述装置既用作发送设备也用作接收设备，并且磁场B0是可调的；
图9：作为控制电压的函数的、LC振荡器装置的共同振荡频率的模拟；
图10：在如图7所示的连续波实验中，在调谐场强时，由四个LC振荡器构成的装置的共同振荡频率的特性的模拟，其中，每个LC振荡器分别具有具有不同g因子和不同样品浓度的样品；
图11：在如图8所示的连续波实验中，在调谐LC振荡器的自由振荡频率时，由四个LC振荡器构成的装置的共同振荡频率的特性，其中，每个LC振荡器分别具有具有不同I因子和不同的样品浓度的样品；
图12：列和行形式的互连成耦合网络的LC振荡器的平面布置的示意图；
图13：列和行形式的互连成网络的具有辅助输入端的LC振荡器的平面布置的示意图；
图14：嵌入到具有两个参考振荡器的锁相环中的LC振荡器装置的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于产生和探测样品磁化的设备的示意图。磁体101在布置有样品103的样品位置处提供静态磁场B0 102，该磁体例如可以是超导磁体、任意实施方案的电磁体、永磁体或内部的样品固有的磁体(例如偶极场)。磁场B0 102在样品103中感应出相应于样品103的磁化率的磁化。LC振荡器的装置104产生附加的磁场B1。通过时间相关的波形和时间相关的第二波形来操控LC振荡器的装置104，所述时间相关的波形用作控制电压V(tun,ωosc)，装置104中的振荡器的频率由该控制电压所确定，所述时间相关的第二波形V(tun,Aosc)用于操纵装置104中的LC振荡器的振荡幅度(未示出)。这些时间相关的波形例如可以由个人计算机/数字式数据处理设备(未示出)所提供并且通过数模转换器(未示出)转换。将LC振荡器的装置104的输出电压V(osc,out)105提供给FM解调器106、通过模数转换器(未示出)转换、然后递交给数据处理器件107，由该数据处理输出所求取的值。将关于样品103的信息输出用于进一步处理、例如用于成像或过程控制，所述信息包含在LC振荡器的装置的输出电压105的频率中(例如谐振能量)。
由装置104的LC振荡器内部的通电线圈产生的磁场被用于操纵样品103的磁化。所引起的样品的磁化变化又导致线圈电感的变化。然后，各个线圈中的变化导致由频率同步的LC振荡器构成的装置104的频率变化。因此，由频率同步的LC振荡器构成的装置104是具有扩展的有效面积的发送设备。此外，该装置同时也是用于样品中引起的磁化变化的接收设备，该磁化变化能够通过装置104的振荡频率确定，所述振荡频率是耦合的、频率同步的LC振荡器的共同振荡频率。
图2中示出由频率同步的LC振荡器202构成的装置2104的概图，该装置用作发送设备或接收设备以及用作由两者构成的组合。LC振荡器的几何布置以行(l)和列(k)(l，k)(借用英语也称为“Array”：阵列)的形式实现成由单个LC振荡器202构成的平面复合系统。在装置2104的输出电压203中确定各个(l×k)耦合的、频率同步的LC振荡器202的共同振荡频率ωosc,阵列。在读取电子装置204中解调和处理该共同频率，该读取电子装置例如可以包括FM和AM解调器、模数转换器以及数据处理设备。可以从外部由单个或一组控制电压V调谐206来控制LC振荡器的装置2104的共同振荡频率。
图3中示出用于对装置3104中的各个LC振荡器202进行频率同步的可能互连的一种实施例。在此，将每个单个振荡器(1,2,…,n)202的输出端305馈送到另一振荡器202的输出端304中。这通过耦合网络302实现，该耦合网络确保，各个振荡器202的输出端通过网络区域(s1,s2,…,sn)304馈送到单个或多个其他振荡器202中。为简单起见，在图3中仅示出如下情况：其中，将各个振荡器202的输出端馈送到各个其他振荡器202中。耦合网络302通过所谓的“注入锁定”(通过提供/注入频率进行闭锁/同步)来确保频率同步，该注入锁定导致网络302中的所有振荡器202在频率ω(osc,阵列)的情况下振荡。
图4中示出LC-VCO的结构，该LC-VCO如相应于一种实施方式那样，在根据本发明的用于产生和探测磁化的设备中用作LC振荡器。差分电容二极管(变容二极管)402和差分电感404用于构成LC振荡回路。两个交叉耦合的晶体管401通过两个节点405/406之间的负阻和非线性确保差分输出(即输出电压)中的稳定振荡。通过具有控制电压403的差分电容二极管402确保调谐特性(Abstimmungseigenschaft)。例如通过操纵LC-VCO的电压供给来实现振荡幅度的时间相关的变化。通过调制电源电压来实现振荡幅度。LC-VCO的这种简单的实施方案确保了低功耗、低空间需求，并且还确保在低温(直至冷冻)的情况下工作。
图5中示出用于对装置5104的各个LC振荡器(1,2,…,n)202进行频率同步的可能互连的另一实施例。在此，装置5104的每个振荡器202具有一个附加的输入端505，一个或多个其他振荡器的输出信号504被馈送到该附加输入端中。用于馈电的连接502在各个振荡器之间交替实现并且引起装置5104的共同振荡频率ω(osc,阵列)。
图6中示出一种LC振荡器，其例如可以使用在根据图5的装置中。该振荡器相应于具有负阻的LC谐振回路振荡器，该负阻由交叉耦合的晶体管对401给定。在此，LC谐振回路由感性元件404和容性元件402构成，该容性元件由输入端403馈送的控制电压V调谐电压控制。在晶体管栅极处提供可用于频率同步的附加输入端606/607。振荡器的输出电压在节点405/406处量取，该输出电压用于将所述输入端馈送到该装置的其他振荡器上。
图7中示出将根据本发明的设备用于场调制实验的一种实施例。在此，LC振荡器的装置7104同时用作发送设备和接收设备，该发送设备用于操纵样品(未示出)的磁化，该接收设备用于探测样品磁化的变化。在此，通过输出电压的频率ω(osc,阵列)705的变化来实现样品的磁化变化的探测。该实验在调谐静态B0场702期间执行。通过使用可变的场磁体701来实现所述调谐，场磁体的场由一个附加的调制场Bm702b调制，该调制场由调制线圈701b产生。这允许借助锁相放大器709对借助FM解调器706解调的输出信号进行相敏探测。借助常用模数转换器710对锁相放大器的输出信号进行数字化以用于其他处理。这在数据处理设备707中进行，在该数据处理设备上提供：计算机程序形式(未示出)的用于基于线圈的瞬态电感和瞬态电阻模型来确定样品的频谱分量的器件，以及用于输出所求取的值的器件(同样未示出)。功率放大器711提供如下电流(大多在几十mA至几百mA之间)：需要该电流来产生足够大的(与样品相关的、大多在几μT至几百μT之间的)调制磁场Bm。由数据处理设备707通过控制信号来控制控制单元712，以便执行B0场的频率扫描。
图8中示出将根据本发明的设备用于瞬态磁场实验的另一实施例。在此，使用由频率同步的LC振荡器801构成的装置来产生瞬态磁场。该瞬态磁场是在使用一个或多个时间相关的波形的情况下产生的，这些波形用作装置801中的LC振荡器的控制电压812，并且由数字式数据处理设备807所提供以及借助数模转换器811转换。将所述一个或多个控制电压812馈送到LC振荡器的控制电压的一个输入端、多个输入端或所有输入端中。由此在装置801的LC振荡器中产生的瞬态磁场被用于操纵样品的磁化(未示出)。通过装置804的输出电压805的振荡频率ω(osc,阵列)的变化来探测样品的磁化变化。为此，将装置的输出电压805在FM解调器806中解调，接下来在模数转换器810中数字化并且然后提供给数据处理设备807。在数据处理设备807中提供：计算机程序形式(未示出)的用于基于线圈的瞬态电感和瞬态电阻模型来确定样品的频谱分量的器件，以及用于输出所求取的值的器件(同样未示出)。
图9中示出根据图5和图6的由频率同步的LC振荡器构成的装置的输出电压的振荡频率ω(osc,阵列)与控制电压的相关性的模拟。如明显可看出的那样，该装置的输出电压的振荡频率随着装置中的各个LC振荡器的控制电压变化而变化。
图10中示出根据图5和图6的由四个频率同步的LC振荡器构成的装置的输出电压的振荡频率的变化Δω(osc,阵列)的模拟。该变化是在ESR实验期间在连续波模式中由四个分别具有不同g因子的样品引起的，所述样品布置在LC振荡器的装置的有效面积的区域内。在此，该实验结构相应于图7中的实验结构。如由附图可看出的那样，在静态磁场B0变化期间，四个不同样品的磁化的相应变化能够在LC振荡器装置的输出电压的振荡频率中确定。在此，磁场B0和B1必须满足样品的谐振条件。
图11中同样示出根据图5和图6的由四个频率同步的LC振荡器构成的装置的输出电压的振荡频率的变化Δω(osc,阵列)的模拟。该变化是在具有瞬态磁场的ESR实验期间由四个分别具有不同g因子的样品引起的，所述样品布置在LC振荡器的装置的有效面积的区域内。在此，该实验结构相应于图8中的实验结构。如由图11可看出的那样，在控制电压变化期间，四个不同样品的磁化的相应变化能够在整个装置的振荡频率中确定，该控制电压基于合适的时间相关的波形在LC振荡器中引起瞬态磁场。在此，磁场B0和B1必须满足样品的谐振条件。
图12中示出用于对平面布置12104中的各个LC振荡器202进行频率同步的可能互连的一种实施例。在此，将每个单个振荡器202的输出端305馈送到另一振荡器202的输出端中。这通过耦合网络来实现，该耦合网络确保，各个振荡器202的输出端通过网络区域309馈送到单个或多个其他振荡器202中。在此，307是连接矩阵，其将装置12104的l×k个振荡器输出端与l×k个耦合网络308连接。耦合网络308通过所谓的“注入锁定”(通过提供/注入频率进行闭锁/同步)来确保频率同步，该注入锁定引起耦合网络308中的所有振荡器202在频率ω(osc,阵列)的情况下振荡。
图13中示出用于对平面布置13104中的各个LC振荡器202进行频率同步的可能互连的另一实施例。在此，装置13104的每个振荡器202具有一个附加的输入端505，将一个或多个其他振荡器的输出信号504馈送到该附加输入端中。用于馈送的连接在各个振荡器之间交替实现并且引起装置13104的共同振荡频率ω(osc,阵列)。连接矩阵307将装置13104的l×k个振荡器输出端与具有l×k个网络区域309的l×k个耦合网络308连接。通过用于馈电的连接矩阵307的连接在各个振荡器之间交替实现并且引起装置13104的共同振荡频率ω(osc,阵列)。
图14中示出嵌入到锁相环1402中的根据本发明的LC振荡器装置14104。为了实现锁相环，必须将LC振荡器中的至少一个实现成压控振荡器。锁相环1402确保，在ESR或NMR实验中的一个激励脉冲(瞬态磁场)序列的情况下，在接通LC振荡器的装置14104期间，在接近或等于谐振频率的激励频率与远离谐振频率的频率之间，彼此相继的脉冲的相位信息不会丢失。相位相干性得以确保，其方式是：可以从两个不同的源(振荡器ωres1405、ωoff 1406)中选择参考频率ωref 1404，该参考频率在频率ωres/N或ωoff/N的情况下连续运行，其中，N＝锁相环1402的分频因子，ωres是接近或等于谐振频率的频率，ωoff是远离谐振频率的频率。借助适当的乘法器1407来实现在两个频率之间进行选择。如果锁相环1402的参考频率1404在ωoff/N与ωres/N之间切换，则锁相环1402中的LC振荡器装置14104的频率由于锁相环1402中的负反馈而相应地在ωoff与ωres之间切换。因为用作源的振荡器1405/1406连续在相同频率下运行、即这些振荡器不改变其频率，所以它们的相位在如下两个时间段之间也不发生改变，在所述时间段内，这些振荡器的频率被馈送到装置中，这对于ωres的时间段是特别重要的。因为锁相环1402通过其负反馈结构借助参考振荡器的相位来补偿装置14104的相位，所以(在忽略短振荡过程的情况下)确保，激励脉冲的序列在其相位方面是相干的。此外，为了确保激励脉冲序列与不同脉冲序列(相位循环)中的相干切换，可以借助用于如下参考频率的两个附加源来扩展根据图14的电路，所述参考频率以90°的相位差相对于图14中的源运行。因此，能够实现在旋转坐标系(rotating frame of reference)的x′方向和y′方向上进行激励。此外，可以扩展电路，以便能够实现其他方向上的激励，其方式是：添加具有相应相位差的其他参考频率源。附加地设置有输出端1403，在该输出端上能够直接量取频率解调的信号。

Claims (9)

1.一种用于产生和探测样品(103)的磁化的设备，所述设备至少具有：用于在样品位置处提供预确定方向和强度的静态磁场(102)的器件(101)、发送设备(104)以及接收设备(104)，所述发送设备用于在所述样品位置处提供一个附加的磁场，所述接收设备用于探测所述样品(103)的磁化，其中，
·由至少两个LC振荡器(202)构成的装置(104)既能够用作接收设备也能够用作发送设备、以及还能够同时用作发送设备和接收设备，所述LC振荡器的振荡频率取决于所述LC振荡器(202)的感性元件的值，并且所述LC振荡器通过互连被频率同步并且通过控制电压而强制性地具有相同的振荡频率，
·用于操控所述装置(104)的器件被接入，其中，
□所述装置(104)和用于操控的所述器件足以产生如下磁场：所述磁场能够使所述样品(103)的磁化从平衡位置偏移出来，
□并且所述样品位置处于所述装置(104)的近场内，
·为了处理所述装置(104)的输出电压，在所述设备后面以预确定的顺序连接有：用于解调的器件(106)、模数转换器和用于数字式数据处理的器件(107)，其中，
□在所述用于数字式数据处理的器件(107)上提供：用于确定所述样品(103)的磁化以及各个自旋分量的要由此求取的自旋浓度的器件以及用于输出所述磁化的器件。
2.根据权利要求1所述的设备，
其特征在于，
所述LC振荡器的装置(104)的互连实施成耦合网络(308)。
3.根据权利要求1所述的设备，
其特征在于，
所述LC振荡器(202)的装置(104)的互连实施成网络，其中，每个LC振荡器(202)具有一个附加的输入端(505)，并且，至少一个另外的LC振荡器的输出电压馈送到所述附加的输入端中，其中，所述LC振荡器(202)至少分别在两侧彼此互连。
4.根据以上权利要求中任一项所述的设备，
其特征在于，
所述LC振荡器实施成LC-VCO。
5.根据以上权利要求中任一项所述的设备，
其特征在于，
●所述装置(104)和用于操控的所述器件足以产生如下瞬态磁场：所述瞬态磁场能够使所述样品(103)的磁化从平衡位置偏移出来，
●用于确定所述样品的磁化的频谱分量的所述器件基于线圈的瞬态电感和瞬态电阻的物理模型。
6.根据权利要求5所述的设备，
其特征在于，
用于调制的所述器件是频率解调器，并且用于基于线圈的瞬态电感和瞬态电阻的所述物理模型来确定所述样品(103)的磁化的频谱分量的所述器件相应地包括如下项：
其中，C＝所述线圈的电容，L0＝所述线圈的与样品无关的电感，ΔL样品＝所述线圈的与样品相关的电感变化。
7.根据权利要求5所述的设备，
其特征在于，
用于调制的所述器件是幅度解调器，并且用于基于线圈的瞬态电感和瞬态电阻的所述物理模型来确定所述样品(103)的磁化的频谱分量的所述器件相应地包括如下项：
其中，Reff＝所述线圈的有效电阻，R0＝欧姆线圈电阻并且R样品,tot＝由所述样品感应出的线圈电阻。
8.根据权利要求6和7所述的设备，
其特征在于，
用于调制的所述器件包括频率解调器和幅度解调器，并且用于基于线圈的瞬态电感和瞬态电阻的所述物理模型来确定所述样品(103)的磁化的频谱分量的所述器件相应地包括如下项：
和
9.根据以上权利要求中任一项所述的设备，
其特征在于，
所述LC振荡器的装置(14102)集成在锁相环(1402)中。
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