CN109212442A - 具有多件式的下部插入件的nmr探头 - Google Patents

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Abstract

可调温的NMR探头，其具有盘状的下部插入件并且支撑和保持NMR探头的电构件和机械构件，其特征在于，下部插入件多件式构成并且包括两个在装配状态下彼此面状贴靠的、在机械上没有牢固相互连接的垂直于z轴线的盘状的子元件，第一子元件在材料选择和其几何结构方面满足被引导穿过下部插入件的HF和HV导线的电绝缘功能，第一子元件具有西格玛<103S/m的电导率并且满足NMR探头的构造在下部插入件上的构件的机械保持功能，第二子元件在材料选择方面承担第一子元件在NMR探头的主框架上的机械保持功能并且由可延展的塑料或金属制成，该塑料或金属分别具有高机械断裂强度σ>100N/mm2和高熔化温度Ts>250℃。因此在确保所需的HF和HV特性的同时实现抵抗热应力的高断裂强度。

Description

具有多件式的下部插入件的NMR探头
技术领域
本发明涉及一种可调温的NMR(＝核磁共振)探头，其具有围绕竖直的z轴线设置的HF(＝高频)线圈系统和垂直于z轴线设置的盘状的下部插入件，NMR探头的电构件和机械构件、尤其是HF线圈系统以及HF导线和HV(＝高压)导线借助所述下部插入件支撑和保持。
背景技术
这样的装置从DE 10 2012 217 601 B4中已知(＝参考文献1)。
NMR能谱法是强大的仪器分析学方法。在此，HF脉冲射入到处于强大的静态磁场中的测量样本中，并且对测量样本的HF反应进行测量。然后在测量样本的一定区域上、所谓的有效体积上整体地获得信息。测量样本通常包括柱形的样本管，所述样本管含有呈固态或液态形式的需研究的测量物质。样本管典型地位于旋转器(Spinner)中。样本管和旋转器借助运输系统被从磁体外运输到NMR探头中。如果样本管处于测量位置中，那么旋转器位于涡轮机内。涡轮机能够实现样本管的旋转。在测量位置中，样本管由一个或多个NMR线圈包围。最内部的NMR线圈具有内径，所述内径尽可能略大于测量样本的外径，这是因为NMR线圈的充填因数进而灵敏度与内径相关并且随着内径增加而减小。
样本的温度原则上影响NMR测量的结果。对于高质量的测量，典型地借助调温单元来调节温度并且将所述温度在在有效测量体积上在空间和时间上尽可能保持恒定。NMR测量典型地借助被加热的以及被冷却的样本来执行(如果样本应被冷却到低于室温，那么足够冷的调温流体流在入流管中得到引导并且由加热器加热到期望温度。)。有效测量体积上的空间温度梯度和样本温度的时间稳定性对NMR测量的质量具有显著影响。从DE 10 2010029 080 A1(＝参考文献2)和DE 40 18 734 C2(＝参考文献3)中已知用于将有效测量体积上的温度梯度最小化的调温单元。
例如EP 1 655616 A1或US 2006/0096301 A1描述了NMR装置，其具有冷却到&lt;100K的工作温度的NMR冷冻探头以及冷却回路，所述冷却回路具有位于绝热壳体与NMR冷冻探头之间的绝热冷却管线。
现有技术的缺点
在现有技术中已知的可调温探头中，至今始终是一件式的下部插入件主要由于HF特性的原因由例如为石英或的材料制成，但是所述材料不具有特别高的断裂强度。因此，在下部插入件的机械应力下、例如在联接用于冷却设备的杜瓦瓶时，容易引起部件断裂，这通常需要非常高的维修和更换耗费。如果传统的下部插入件不能持久地承受这些负荷，那么即使是热应力也会导致这种麻烦。
发明内容
与此相反，本发明所基于的目的是：以尽可能简单的技术措施对文首限定类型的NMR探头进行改型，从而尽可能并且尤其持久地避免上文列出的缺点，并且在确保所需的HF特性和HV特性的同时获得特别高的断裂强度以及对热应力的高耐抗性。
本发明的简短说明
这个复杂的目的以同样意外简单的有效方式通过以下方式实现，即，在具有文首限定特征的通常的NMR探头中，下部插入件多件式地构成并且包括在装配状态下彼此面状贴靠的、在机械上没有牢固地相互连接的、基本上盘状的至少两个子元件，所述子元件垂直于z轴线设置，第一子元件在其材料选择和其几何结构方面设计为，使得其满足被引导穿过下部插入件的HF导线和HV导线的电绝缘功能，其中，所述第一子元件具有西格玛&lt;103S/m的电导率，使得所述第一子元件满足NMR探头的构造在下部插入件上的构件的机械保持功能，并且所述第二子元件在其材料选择方面设计成，使得第二子元件承担第一子元件包括其构造在其上的结构件(Aufbauten)在NMR探头的主框架上的机械保持功能，并且第二子元件由可延展的塑料或金属制成，所述塑料或金属分别具有高的机械断裂强度σ&gt;100N/mm2和高的熔化温度TS&gt;250℃。
因此与通常的一件式实施方案相反，根据本发明的NMR探头具有多件式的下部插入件，其中下部插入件的各个子元件中的不同要求和功能能够彼此分开进行优化。因此在此，第一子元件设计为使得其能够最佳地满足被引导穿过下部插入件的HF导线和HV导线的电绝缘功能，而第二子元件基于其根据本发明的设计而最佳地承担第一子元件包括其构造在其上的结构件在NMR探头的主框架上的机械保持功能。此外，第二子元件特定地实现对由于对NMR探头的调温而产生的热应力的吸收，所述第二子元件尤其能够基于相应的材料选择而特别为此设计。
正是由于通过本发明开启的对下部插入件的一方面机械性能和热性能以及另一方面对HF特性和HV特性进行分开优化的可能性，赋予了研发者用于非常特殊地并且可能也是极端地设计NMR探头的特别高效的工具。
在该处要明确指出：虽然在本发明的说明书以及权利要求书中为了在语言上简单起见始终谈及“竖直的z轴线”以及在NMR线圈系统“上方”或“下方”的轴向位置，然而，在具有水平的或倾斜的z轴线的NMR系统中也能够实现本发明的优点。因此，给定的轴向位置不再必须位于NMR线圈系统的“上方”或“下方”，而是可能也在其“右侧”或“左侧”。在任何情况下，重力在本发明的作用方式中均不重要。
本发明的优选实施形式
在实践中证实根据本发明的NMR探头的特殊的实施形式，其中，第一子元件由陶瓷、玻璃陶瓷尤其是玻璃、蓝宝石或石英制成。因此，第一子元件能够主要针对HF要求和HV要求得到优化，而在其设计中对机械应力/热应力要求方面是次优先的。
有利的是根据本发明的NMR探头的一类实施形式，其中，第二子元件由可延展的材料、尤其是聚醚醚酮(＝PEEK)制成。在调温气体进入的区域中，通过这种方式尤其降低热引起的应力裂纹的风险。通过高的延展性能够明显降低应力裂纹的风险，所述应力裂纹由在主框架上的机械联接区域中产生的力引起。
根据本发明的NMR探头的另一优选实施形式的特征在于，第二子元件具有一个或多个完全贯穿盘平面的留空部，所述留空部在NMR探头的与第一子元件装配在一起的工作状态下允许沿z方向被引导穿过第一子元件的HF导线和HV导线自由通过。留空部能够自由设计，因而HF元件和HV元件尽可能远离含质子的、可延展的和受到机械负荷的“支撑元件”，这些支撑元件会造成不期望的基础信号。
特别优选的还有一类实施形式，其中存在用于对NMR探头进行调温的装置，所述装置尤其用于将NMR探头冷却到TK&lt;200K的低温温度，所述装置优选包括杜瓦瓶和引导调温气体的穿通通道。
在这类实施形式的有利的改进方案中，在第二子元件与所述引导调温气体的穿通通道之间设置有流体和/或气体密封件。
特别优选的是这类实施形式的变型形式，其特征在于，在NMR探头的已装配的工作状态下，盘状的第一子元件以面F靠置在盘状的第二子元件上，所述面F的大小选择为，使得所述引导空气的穿通通道也通过各子元件流体密封地和/或气体密封地密封，尤其是F&gt;0.10cm2。
还优选的是根据本发明的NMR探头的实施形式，其特征在于，各子元件沿着z轴线具有连续的凹部，其尤其用于实施微调电容器和/或NMR线圈腿和/或梯度供应导线和/或温度感测器。
本发明的其它有利的实施形式的特征在于，盘状的第一子元件经由第二子元件机械地固定到NMR探头的主框架上。
在实践中也得到证实的是根据本发明的NMR探头的下述实施形式，其中第一子元件的材料不具有敞开的孔隙并且不含氢。
尤其有利的是本发明的下述实施形式，其中第一子元件的损耗系数tanδ小于0.01。
还优选的是本发明的下述实施形式，其中第一子元件的介电常数ε小于10。
根据本发明的NMR探头的优选的实施形式此外可以设定：存在HF屏蔽管，所述HF屏蔽管沿z方向优选至少两件式地、尤其多件式地构成。
在这些实施形式的有利的改进方案中，屏蔽管的第一子部段沿z方向具有一致的长度，所述第一子部段在NMR探头的工作状态下包围测量样本，而屏蔽管的第二子部段构造为沿z方向具有可选的任意长度。
在本发明的范围中还包括一种NMR测量装置，其具有上述类型的根据本发明的NMR探头，所述NMR测量装置也可以包括NMR磁体系统、垫片系统、涡轮机以及用于将样本管从NMR磁体系统外部运输至该样本管在NMR探头中的测量位置中的设备。根据本发明的多件式的下部插入件尤其在NMR探头、NMR磁体和运输设备的整体系统中用于承载，这是因为这种组合允许样本管的自动更换，这例如在高通量NMR应用中是非常重要的。根据本发明的装置对于这些应用做出重要贡献，这是因为所述装置通过将保持和固定与一方面吸收机械应力以及另一方面吸收热应力的功能物理分离，能够实现各个功能部件的有针对性的个体优化，由此能够防止在运行中NMR探头的后续损坏。
从说明书和附图中获得本发明的其它优点。同样根据本发明，上文提及的特征和还将列出的特征能够分别单独地应用或以任意组合的方式应用。所示出和的描述的实施形式不应被理解为穷举，而是具有用于描述本发明的示例性特征。
本发明的详细说明和附图
附图说明
在附图中示出本发明并且借助实施例详细阐述本发明。附图中：
图1示出根据本发明的NMR探头的一种实施形式的示意性侧视图，其具有固定在主框架上的盘状的多件式的下部插入件；
图2从斜下方示出盘状的多件式的下部插入件的一种实施形式的立体视图；
图3示出根据现有技术的具有一件式下部插入件的传统的NMR探头的示意性侧视图。
具体实施方式
本发明涉及在NMR测量装置的可调温探头中的特殊的下部插入件的结构，所述NMR测量装置通常具有NMR磁体系统、垫片系统、涡轮机以及用于将样本管从NMR磁性系统外部运输到该样本管在NMR探头中的测量位置中的设备。
如图3中所示出的，根据现有技术的这种NMR探头1通常包括围绕没有在附图中示出的NMR磁体系统的竖直的对称轴线z设置的HF线圈系统2以及垂直于z轴线设置的盘状的下部插入件3，借助所述下部插入件支撑和保持NMR探头1的电构件和机械构件、尤其是HF线圈系统2以及HF和HV导线。
本发明的特征在于，所述下部插入件3多件式地构造并且包括至少两个在装配状态下彼此面状贴靠的、机械上不相互牢固连接的、基本上盘状的子元件3.1；3.2，所述子元件垂直于z轴线设置，使得第一子元件3.1在其材料选择和其几何结构方面设计为，使得所述第一子元件满足被引导穿过下部插入件3的HF和HV导线的电绝缘功能，其中，所述第一子元件3.1具有西格玛&lt;103S/m的电导率，使得所述第一子元件3.1满足NMR探头1的构造在下部插入件3上的构件的机械保持功能，并且所述第二子元件3.2在其材料选择方面设计成，使得第二子元件3.2承担第一子元件3.1包括其构造在其上的结构件在NMR探头1的主框架7上的机械保持功能，并且所述第二子元件由可延展的塑料或金属制成，所述塑料或金属分别具有高的机械断裂强度σ&gt;100N/mm2和高的熔化温度TS&gt;250℃。
图1示出下述实施形式，其中在第二子元件3.2上方的这种盘状的子元件3.1机械地固定在NMR探头1的主框架7上。
如在图2中非常清楚地可见，在根据本发明构造的下部插入件3的情况下，第二子元件3.2具有一个或多个留空部4，所述留空部完全贯穿盘平面，所述留空部在NMR探头1的与第一子元件3.1装配在一起的工作状态下允许被引导穿过第一子元件3.1的HF和HV导线沿z方向自由通过。
在附图的图示中没有详细示出的是(因为相对已知的现有技术中没有作明显修改)用于对NMR探头1进行调温的装置，所述装置尤其是用于将NMR探头冷却到TK&lt;200K的低温温度，所述装置优选包括杜瓦瓶。如图2所示出的那样，所述调温装置可以具有引导调温气体的穿通通道5。在所述穿通通道5与所述第二子元件3.2之间设置有流体和/或气体密封件。
在NMR探头1的已装配的工作状态下，盘状的第一子元件3.1以面F靠置在盘状的第二子元件3.2上，所述面F的大小选择为，使得引导空气的穿通通道5也由子元件3.1；3.2流体密封和/或气体密封地密封，尤其是F&gt;0.10cm2。
子元件3.1；3.2沿着z轴线具有连续的凹部6，这些尤其用于实现微调电容器和/或NMR线圈腿和/或梯度供应导线和/或温度感测器。
在所述附图的视图中没有特意示出的是本发明的下述实施形式，其中存在HF屏蔽管，所述HF屏蔽管沿z方向优选至少两件式地、尤其多件式地构成。在此，屏蔽管的第一子部段沿z方向具有一致的长度，所述第一子部段在NMR探头1的工作状态下包围测量样本，而屏蔽管的第二子部段构造为沿z方向具有可选的任意长度。
第一子元件3.1可以由陶瓷、玻璃陶瓷尤其是玻璃、蓝宝石或石英制成。此外，第一子元件3.1的材料应不具有敞开的孔隙并且不含氢。第一子元件3.1的损耗系数tanδ应小于0.01，其介电常数ε小于10。
第二子元件3.2应由可延展的材料制成、尤其是聚醚醚酮(＝PEEK)。
附图标记列表：
1 可调温的NMR探头
2 HF线圈系统
3 盘状的下部插入件
3.1 第一子元件
3.2 第二子元件
4 在第二子元件中的贯穿的留空部
5 引导调温空气的穿通通道
6 子元件的连续的凹部
7 NMR探头的主框架
z 磁体线圈装置的对称轴线
参考文献列表：
为了评估专利性所引用的公开出版物：
[1] DE 10 2012 217 601 B4
[2] DE 10 2010 029 080 A1
[3] DE 40 18 734 C2
[4] EP 1 655 616 A1
[5] US 2006/0096301 A1

Claims (15)

1.可调温的NMR探头(1)，其具有围绕竖直的z轴线设置的HF线圈系统(2)和垂直于z轴线设置的盘状的下部插入件(3)，NMR探头(1)的电构件和机械构件、尤其是HF线圈系统(2)以及HF和HV导线借助所述下部插入件支撑和保持，
其特征在于，
所述下部插入件(3)多件式地构成并且包括在装配状态下彼此面状贴靠的、在机械上没有牢固地相互连接的且基本上盘状的至少两个子元件(3.1；3.2)，所述子元件垂直于z轴线设置，使得第一子元件(3.1)在其材料选择和其几何结构方面设计为，使得该第一子元件满足被引导穿过所述下部插入件(3)的HF和HV导线的电绝缘功能，其中，所述第一子元件(3.1)具有西格玛&lt;103S/m的电导率，
所述第一子元件(3.1)满足所述NMR探头(1)的构造在所述下部插入件(3)上的构件的机械保持功能，并且
所述第二子元件(3.2)在其材料选择方面设计成，使得所述第二子元件(3.2)承担所述第一子元件(3.1)包括构造在其上的结构件在所述NMR探头(1)的主框架(7)上的机械保持功能，并且所述第二子元件由可延展的塑料或金属制成，所述塑料或金属分别具有高的机械断裂强度σ&gt;100N/mm2和高的熔化温度TS&gt;250℃。
2.根据权利要求1所述的NMR探头，其特征在于，所述第一子元件(3.1)由陶瓷、玻璃陶瓷尤其是玻璃、蓝宝石或石英制成。
3.根据权利要求1或2所述的NMR探头，其特征在于，所述第二子元件(3.2)由可延展的材料、尤其是聚醚醚酮(＝PEEK)制成。
4.根据上述权利要求之一所述的NMR探头，其特征在于，所述第二子元件(3.2)具有一个或多个完全贯穿盘平面的留空部(4)，所述留空部在所述NMR探头(1)的与所述第一子元件(3.1)装配在一起的工作状态下允许被引导穿过所述第一子元件(3.1)的HF和HV导线沿z方向自由通过。
5.根据上述权利要求之一所述的NMR探头，其特征在于，设置有用于对所述NMR探头(1)进行调温的装置，所述装置尤其用于将所述NMR探头冷却到TK&lt;200K的低温温度，所述装置优选包括杜瓦瓶和引导调温气体的穿通通道(5)。
6.根据权利要求5所述的NMR探头，其特征在于，在第二子元件(3.2)与所述引导调温气体的穿通通道(5)之间设置有流体或气体密封件。
7.根据权利要求5或6所述的NMR探头，其特征在于，在所述NMR探头(1)的已装配的工作状态下，盘状的所述第一子元件(3.1)以面F靠置在盘状的所述第二子元件(3.2)上，所述面F的大小选择为，使得引导空气的穿通通道(5)也通过子元件(3.1；3.2)流体密封地地密封，尤其F&gt;0.10cm2。
8.根据上述权利要求之一所述的NMR探头，其特征在于，所述子元件(3.1；3.2)沿着所述z轴线具有连续的凹部(6)，这些凹部尤其用于实现微调电容器和/或NMR线圈腿和/或梯度供应导线和/或温度感测器。
9.根据上述权利要求之一所述的NMR探头，其特征在于，盘状的所述第一子元件(3.1)经由所述第二子元件(3.2)机械地固定在所述NMR探头(1)的主框架(7)上。
10.根据上述权利要求之一所述的NMR探头，其特征在于，所述第一子元件(3.1)的材料不具有敞开的孔隙并且不含氢。
11.根据上述权利要求之一所述的NMR探头，其特征在于，所述第一子元件(3.1)的损耗系数tanδ小于0.01。
12.根据上述权利要求之一所述的NMR探头，其特征在于，所述第一子元件(3.1)的介电常数ε小于10。
13.根据上述权利要求之一所述的NMR探头，其特征在于，设置有HF屏蔽管，所述HF屏蔽管沿z方向优选至少两件式地、尤其多件式地构成。
14.根据权利要求13所述的NMR探头，其特征在于，所述屏蔽管的第一子部段沿z方向具有一致的长度，所述第一子部段在所述NMR探头(1)的工作状态下包围测量样本，而所述屏蔽管的第二子部段构造为沿z方向具有可选的任意长度。
15.NMR测量装置，具有根据上述权利要求之一所述的NMR探头(1)，所述NMR测量装置具有NMR磁体系统、垫片系统、涡轮机以及用于将样本管从所述NMR磁体系统外部运输至该样本管在所述NMR探头(1)中的测量位置中的设备。
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