CN117321433A - 用于高分辨率nmr应用的鸟笼式谐振器 - Google Patents

Abstract

一种鸟笼式谐振器或鸟笼衍生式谐振器(1)，该鸟笼式谐振器用于NMR实验辐照和检测并且包括位于相反的轴向端部处的两个导电的圆形的环(2)，所述环用分布在所述环(2)的圆周上的相互分离的多个平行的导电的杆(3)连结并且紧固，其中，所述环(2)的所述轴向外表面(16)以鸟笼式件的高度(BCh)轴向地间隔开，并且其中，在所述杆(3)中的每个杆与相应的环(2)之间设置有至少一个电容器，或者在环(2)中的每个环中，在相邻的导电的杆(3)之间的环区段中的每个环区段中设置有至少一个电容器。谐振器的特征在于，电容器采用轴向的电容器条(19)的形式，该电容器条在所述环(2)之间延伸并且超出所述环的外表面(16)，并在轴向两侧形成凸出部分(24)，并且特征在于，在每侧的所述凸出部分(24)的长度(SPl)是所述鸟笼式件的高度(BCh)的至少25％。

Description

用于高分辨率NMR应用的鸟笼式谐振器

技术领域

本发明涉及新的谐振器设计，特别是用于高分辨率核磁谐振(NMR)应用、特别是用于液体NMR光谱的谐振器设计。此外，本发明涉及使用这样的谐振器设计的方法以及用于制造这样的谐振器设计的方法。

背景技术

在通常的核磁谐振实验中，在磁体的孔中设置静态磁场Bo，将样品放入到该磁体的磁中心中，并且以与原子核的拉莫尔频率(Larmor frequency)对应的频率、所谓的原子核在对应磁场中的磁谐振频率对样品中的具有核自旋的原子核进行辐照并且随后或同时进行检测。通常对于目前可用的静态磁场强度，辐照频率/检测频率在兆赫至较低的千兆赫频率范围中。

对于辐照和检测，以谐振器的形式使用高效率线圈，谐振器的谐振频率适应于待被检测的原子核在对应场中的对应频率。这些谐振器的目的是针对给定的辐照功率提供尽可能高并且尽可能均匀的辐照场，并且用作用于检测的尽可能灵敏的接收器。

对于高分辨率应用，通常使用所谓的鞍形线圈，该鞍形线圈的特定谐振频率例如通过附加的外部电容元件进行调谐以进行优化。特别地，在磁谐振成像领域中还使用所谓的鸟笼式谐振器，该鸟笼式谐振器基本上由通过一组轴向条(通常为8个或多达32个金属杆)连接的两个末端轴向环构成，所述轴向杆周向地分布在环的圆周上并且连接两个环。如果在环与条的末端端部中的每个末端端部之间引入电容器，则这些鸟笼式谐振器示出低通行为，并且如果在相邻条之间的环中引入电容器，则这些鸟笼式谐振器示出高通行为。对于8个金属杆的情况，使用16个电容器。此外，混合鸟笼式谐振器是可能的，其中在环中和在条中存在电容器。

这种类型的鸟笼式谐振器聚集了对高射频(RF)性能重要的许多优点，因为这种鸟笼式谐振器示出了高灵敏度、提供了高辐照场(B1)均匀性和高效率。

US 4,694,255公开了一种NMR射频线圈，该NMR射频线圈由围绕外周均匀间隔开的多个导电区段构成，并且将一对导电回路元件互连。每个导电区段包括至少一个电抗元件，所述电抗元件可以包括可变电容元件或可变电感元件。

US 6,285,189公开了一种鸟笼式线圈，该鸟笼式线圈包括鸟笼式几何形状的多个元件，其中，元件的密度使得所述支腿的互感对总电感的贡献超过常规模型计算的45％。为了适应所期望的元件密度，从诸如可以轴向地定向或在元件之间定向的交叉指型图案之类的紧凑的结构中、或者从在圆柱形基板的相反侧部上的元件部分的布置中获得必要的电容。

US 6,735,851公开了一种超导鸟笼式线圈，该超导鸟笼式线圈具有通过使用条带形成的低通线圈配置和高通线圈配置，每个条带具有长形的蓝宝石基板，该基板在其主表面中的一个主表面上、在其整个长度上具有以波浪状图案形成的高温超导(HTS)材料层。低通线圈形成有由导电金属制成的一对环元件以及多个这样的条带，所述条带布置成彼此平行并且在沿着环中的每个环周向地间隔开的接合部处将这些环元件互连。在接合部中的每个接合部处，环元件和HTS层形成电容。高通线圈由多个这样的条带形成，每个条带具有也在条带的蓝宝石基板的另一主表面上、在彼此分离的两个端部位置处形成的HTS材料的电极。这些条带布置成彼此平行并且依次围绕中心轴线，每个条带位于包括中心轴线的平面中。相互相邻的条带对上的HTS层和电极呈紧密地面对面关系，以便用作包括电容器的鸟笼式构型的环部分。

WO-A-2019041053和对应的EP 3 655 790公开了一种NMR探头，该NMR探头包括具有两个导电环的鸟笼式谐振器以及导电环之间的多个条形连接器。连接器配备有电抗元件，该电抗元件可以单独地调谐以便补偿鸟笼式谐振器中的不对称性。

CN-A-112162224涉及一种高介电常数超高场动物磁谐振射频探针，该探针包括线圈单元，该线圈单元包括圆柱形线圈电路基板和圆柱形内壁基板，并且内壁基板布置在线圈电路基板中。高介电常数陶瓷单元的两个端部通过陶瓷单元支承件固定在线圈电路基板与线圈内壁基板之间。所有单元彼此独立、组装灵活，并且可以有效地改善射频探针的灵敏度。多个高介电常数陶瓷块可以极大地改善中央区域中的B1场发射效率，并且避免由完全圆柱形的钛酸钡陶瓷所引起的线圈模式增加和无序的不利影响。

US-A-6118274提出了一种NMR探头，该NMR探头具有沿着探头轴线延伸的大致筒形的壳体。NMR探头可以插入到NMR光谱仪磁体的室温孔中，从而在测量区域中提供沿着探头轴线的均匀静态磁场。NMR探头包括圆柱形射频(RF)谐振器，该圆柱形射频(RF)谐振器沿着谐振器轴线定向并且产生相对于谐振器轴线横向的基本上均匀的RF磁场。根据本发明，探头轴线与谐振器轴线之间的角度不同于0度。以这种方式，谐振器的倾斜不会影响有用的RF磁场，并且所接收到的NMR信号的信噪比与倾斜角度无关。

发明内容

尽管示出了上述显著的优点，但是在过去，鸟笼式谐振器几乎没有用于高分辨率NMR光谱。原因中的一个原因是，现有技术的鸟笼式谐振器由于需要各种不同的部件来建造，而示出了相当显著的磁化率异质性。补偿磁化率、特别是对于电容元件的磁化率是不容易实现的。

因此，本发明的目的是提供一种新的鸟笼式谐振器，该鸟笼式谐振器总体上提供了鸟笼式谐振器的上述优点，但是同时该鸟笼式谐振器不会受到引入磁化率的异质性和所检测到的线宽的对应加宽的影响。

事实上，为了实现所需的辐照性能和检测性能，对于高分辨率NMR谐振器的磁补偿是强制性的。如果找到合适的合金，则能够实现金属部件的补偿。在这种情况下，补偿可以变成几乎是理想的。薄的、高导电性的(也被补偿的)层可以带回高导电性。RF电容器是广泛可用和广泛使用的，但是所有这些材料都不是磁补偿的。与金属相比，介电材料的磁补偿相当复杂。

不幸的是，需要多于一种介电材料来满足高分辨率NMR的需求、例如谐振器可以用于广泛的频率范围：300……＞1200MHz。鸟笼式谐振器一方面确保优异的RF特性，但是另一方面每个单独的设计均是窄带的(例如600MHz+/－30MHz)。该事实导致了大量的谐振器设计，并且对于每个以通常100MHz步进上升的NMR主要频率，都需要一种特殊设计。此外，根据应用，需要适应谐振器的直径以及长度。因此，电容器的电容必须在极大范围中变化，并且需要具有的相对介电常数为10……＞100的陶瓷材料，以便以某种方式使电容器成形为达到所期望的频率并且机械地装配到设计中。

在此已经发现的是，可以在不添加附加的磁补偿材料的情况下并且通过以不需要磁补偿的方式对电容器元件的介电材料的沿着Z轴线的轴向延伸部进行延长来实现磁补偿。

用于电容器的介电材料的磁补偿需要在使介电材料成形以获得最佳的相对介电常数、机械稳定性和介电损耗的同时，还必须对磁化率进行优化。在实现具有陶瓷粉末的混合物的介电材料时，这种策略是非常耗时的并且消耗成本的。

使用如在此所提出的策略，不需要磁化率的优化步骤，因此找到了一种简单且可靠的方法来减轻鸟笼式谐振器、特别是用于高分辨率应用的鸟笼式谐振器的前述缺点，同时保持鸟笼式谐振器的优点。

根据本发明的第一方面，本发明涉及一种用于NMR实验辐照和检测的鸟笼式谐振器(包括鸟笼衍生式谐振器，因此其中角度不是2pi/(没有条))，该鸟笼式谐振器包括在相反的轴向端部处的两个导电的圆形的环(注意的是，所述环可以在圆周上打开或闭合，但是优选地是闭合的，除了例如用于高通谐振器的插入电容器)，所述环用分布在所述环的圆周上的多个(至少两个、优选地至少四个)相互分离(优选地均等地分离)的平行的导电的杆来连结并且紧固。

所述环的所述轴向外表面以鸟笼式件的高度轴向地间隔开。

(低通设计)在所述杆中的每个杆与相应的环之间(即，对于每个杆，在上部环处的电容器区域与在下部环接触区域处的电容器区域)设置有至少一个电容器。优选地，在这种情况下，在相应的杆与环的内周表面之间、或在相应的杆与环的外周表面之间或在相应的杆与环的轴向面对的内表面(即环的彼此面对的表面)之间设置有至少一个电容器。

或者(高通设计)在环中的每个环中，在相邻的导电的杆之间的至少两个环区段中或在相邻的导电的杆之间的环区段中的每个环区段中设置有至少一个电容器。

在这两种情况下，电容器都是与平行的导电的杆分隔开的元件。电容器也不形成平行的导电的杆的一部分或结合到平行的导电的杆中。

优选地，电容器在下述意义上是固定元件：电容器不能在组装期间和/或由终端用户就容量方面进行调谐，因此电容器不是电抗元件的一部分或不形成电抗元件，该电抗元件可以被单独地和/或集体地进行调谐、例如通过能够相对彼此移动的电极进行调谐，例如以便补偿鸟笼式谐振器中的不对称性。

根据本发明，该设计的特征还在于，介电材料(该介电材料还通过对应的电极提供所需的电容)采用轴向的电容器条或介电材料条的形式，所述电容器条或介电材料条在所述环之间延伸并且超出所述环的轴向外表面，并在所述环的轴向两侧形成所述介电材料的凸出部分。此外，该设计的特征在于，在所述环的每个轴向侧的所述凸出部分的长度是所述鸟笼式件的高度的至少15％或至少20％或至少25％。优选地，所有电容器采用这种轴向的电容器条的形式。

这样的鸟笼式谐振器不是可调谐的装置，因为环和杆固定地附接至彼此。因此，除了微小调谐之外，这样的谐振器的期望的简并谐振模式不能进行改变，然而在实践中，该微小调谐通过在被引导至这样的谐振器以及从这样的谐振器引导的布线中的对应的电感和电容器发生。例如：16个条的鸟笼式谐振器具有16个谐振、2个端部环谐振和7个简并对谐振，并且8个条的鸟笼式谐振器具有8个谐振、2个端部环谐振和3个简并对谐振。对于低通鸟笼式谐振器，通常前两个非零频率模式是所期望的模式。对于高通鸟笼式谐振器，第二个最高的频率模式通常是所期望的模式。

由于具有上述凸出部分形式的电容器介电延伸部的电容器定形状为长轴向电容器搭档的事实，因此电容器对沿着这些介电材料的条的整个长度的静态磁场的影响是相同的。这意味着在用于辐照和/或检测的相关空间体积中谐振器的电容器元件不会引入磁性不均匀性，这也意味着通常不需要对这样的鸟笼式谐振器中存在的电容器元件进行进一步的磁化率匹配。

优选地，所有电容器条具有相同的长度以及相同的宽度和相同的厚度。此外，电容器条通常具有相同的横截面形状。此外，电容器条优选地全部定位在相对于磁中心相同的轴向位置处。电容器条优选地在围绕磁中心的圆周上规率地和/或镜像对称或点对称地分布。

根据这样的鸟笼式谐振器的第一优选实施方案，所述凸出部分的长度是所述鸟笼式件的高度的至少30％、优选地至少40％或至少50％。

通常，鸟笼式件的高度BCh在15mm至35mm的范围中、优选地在20mm至27mm的范围中，并且电容器条的长度Bl在35mm至60mm的范围中、优选地在40mm至50mm的范围中，这些值是用于使用直径为3mm、5mm或10mm的样品管的液体光谱的典型高分辨率NMR设置的值。

电容器条中的每个电容器条通常具有的厚度Bt在0.05mm至1mm的范围中、优选地在0.1mm至0.5mm的范围中，并且宽度Bw在0.5mm至3mm的范围中、优选地在1mm至2mm的范围中。厚度通常选择成达到电容器中的每个电容器的对应所期望的电容。

优选地，电容器条的横截面形状为矩形，如果需要具有倒圆边缘，但也可以具有另一期望的横截面(例如u形形式)。

通常，环中的每个环具有的厚度Rt在0.5mm至3mm的范围中、优选地在0.75mm至1.5mm的范围中并且/或者宽度在0.5mm至3mm的范围中、优选地在1mm至2mm的范围中。

优选地，环的横截面形状是矩形，然而也可以是不同的形状。

优选地，环中的每个环具有的内径Rd在1mm至12mm或2mm至12mm的范围中、优选地在3mm至10mm的范围中。

优选地，两个环具有完全相同的尺寸。

至于金属条，这些金属条优选地具有圆形横截面形状或矩形横截面形状、优选地方形横截面形状，其中直径/对角线在0.2mm至2mm的范围中、优选地在0.5mm至1.25mm的范围中。条优选地在形状、材料和尺寸上全部相同。

根据又一优选实施方式，在两侧的凸出部分至少部分地嵌入屏蔽射频的材料件中，优选的是，在两端设置有带有接纳盲孔或径向槽的RF屏蔽材料的块(环)，凸出部分至少部分地穿入所述接纳盲孔或径向槽中。

优选地，这些块中的每个块的轴向高度至少等于所述凸出部分的长度、优选地是所述凸出部分的长度的至少1.5倍、更优选地是所述凸出部分的长度的至少两倍。

根据优选实施方式的所述环和/或所述杆由金属构成或至少包括金属涂层、优选地铜和银中的至少一者的涂层。

通常，所述电容器条包括下述材料或由下述材料构成：该材料具有的相对介电常数在10至1000或10至100的范围中并且/或者介电损耗小于这样的情况，即tanδ＜0.001。

优选地，电容器条包括蓝宝石或陶瓷材料或者由蓝宝石或陶瓷材料构成，该蓝宝石或陶瓷材料优选地选自包括下述各者的组：氧化铝、氧化锆、氧化钛或其混合物以及/或者氧化铝、氧化锆、氧化钛中的一者或其与碱土金属氧化物的混合物。

电容器条还可以设置有u形形式的横截面以增加电容和对电弧的阻抗。

电容器条还可以以叠层的形式设置，以增加对电弧的阻抗。这样的叠层优选地包括中央聚合物层、优选地全卤化聚合物，特别是选自以下各者的全卤化聚合物：聚氯乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、氟化乙烯-丙烯(FEP)、聚乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)、全氟弹性体(FFPM/FFKM)、碳氟化合物[氯三氟乙烯偏二氟乙烯](FPM/FKM)、含氟弹性体[四氟乙烯-丙烯](FEPM)或氯化类似物或其共混物。这样的中央聚合物层优选地具有的厚度小于50μm，或者具有的厚度在10μm至40μm的范围中。

这样的叠层还包括至少两个外部陶瓷层，所述外部陶瓷层包括蓝宝石或陶瓷材料或者由蓝宝石或陶瓷材料构成，该蓝宝石或陶瓷材料优选地选自包括下述各者的组：氧化铝、氧化锆、氧化钛或其混合物以及/或者氧化铝、氧化锆、氧化钛中的一者或其与碱土金属氧化物的混合物或其合金，其中优选地，至少一个或两个陶瓷层具有的厚度在50μm至500μm的范围中、优选地在150μm至350μm的范围中。

通常，这样的谐振器包括相等数目的杆和电容器条，但是也可以通过例如条的数目是电容器条的数目的两倍的方式来实现设计。

这样的谐振器通常还包括2个至12个杆和/或电容器条、优选地6个至10个杆和/或电容器条、最优选地8个杆和/或电容器条。

根据又一优选实施方式，对于低通鸟笼式谐振器，在所述杆的每个末端端部与相应的环之间设置有至少一个电容器条，并且该电容器条设置在相应的环的径向内表面上，并且相应的杆设置在相应的电容器条的径向内侧部上。

优选地，电容器条与杆由在环之间的区域中的大部分区域中的空气间隙间隔开。

在电容器条中的每个电容器条与对应的径向相邻杆之间以及/或者在电容器条中的每个电容器条与相应的环的径向内表面之间处可以设置中间导电层或中间介电层、优选地是中间导电层。

根据另一优选实施方式，对于高通鸟笼式谐振器，在环中的每个环中，在相邻的导电的杆之间的环区段中的每个环区段中设置有至少一个电容器条，并且所述电容器条和所述杆优选地(例如点对称地或镜像对称地)均等地分布在环的圆周上。优选地，在杆与电容器条之间存在自由中间空间(空气间隙)。

同样，在电容器条中的每个电容器条与对应的环区段之间处可以设置中间导电层或中间介电层、优选地是中间导电层。

电容器条优选地采用径向地布置或切向地布置的板条的形式，所述板条具有例如矩形的横截面，其中周向厚度Bt在0.1mm至0.5mm的范围中并且径向宽度Bw在1mm至3mm的范围中、优选地在1.2mm至2.5mm的范围中。

特别地通过选择电容器的尺寸和材料可以将这样的鸟笼式谐振器的具有所需谐振频率的期望模式适配成在300MHz至1200MHz的范围中、优选地在600MHz至1000MHz的范围中。

根据本发明的又一方面，本发明涉及一种核磁谐振探针，该核磁谐振探针包括如上详述的鸟笼式谐振器。

此外，本发明涉及如上详述的鸟笼式谐振器的用途，该鸟笼式谐振器用于使用优选地在至少1特斯拉的静态磁场下的核磁谐振来测量液体样品，其中，所述样品中的液体的轴向长度(H)大于所述电容器条的轴向长度(Bl)，并且其中，优选地，谐振器具有的谐振频率在300MHz至1200MHz的范围中、优选地在600MHz至1000MHz的范围中。

此外，本发明涉及用于一种用于制造如上所述的鸟笼式谐振器的方法。

对于低通谐振器设计，优选地，在本方法中设置环，将电容器条以限定的方式、优选地周向分布的方式连接至内周表面，优选地焊接至内周表面，并且将杆优选地以使得至少在两个环之间的中央部分中、在每个电容器条与相应的杆之间存在自由间隙的方式连接、优选地焊接至相应的电容器条的径向内侧部。

对于高通谐振器设计，优选地，将环区段各自焊接至杆的末端端部，并且通过在相邻的区段之间定位电容器条(设置电容器条可以首先通过凸出部分在两端附接至上述RF屏蔽块)、优选地通过焊接在相邻区段之间定位电容器条将区段连结，其中优选地，至少在两个环之间的中央部分中、在电容器条与杆之间存在自由间隙。

本发明的其他实施方式在从属权利要求中列出。

附图说明

下面参照附图描述本发明的优选实施方式，附图是出于说明本发明的当前优选实施方式的目的，而不是出于限制本发明的目的。在附图中：

图1示出了NMR探针内的总体RF线圈设置；

图2示出了一种现有技术的低通鸟笼式谐振器，其中，在a)中给出了示意性侧视图，以及在b)中给出了从环中的一个环的中央到内表面上的视图；

图3示出了一种现有技术的高通鸟笼式谐振器，其中，在a)中给出了示意性侧视图，并且在b)中给出了从环中的一个环的中央到内表面上的视图；

图4示出了根据本发明的低通鸟笼式谐振器，其中，在a)中给出了轴向截面，并且在b)中给出了穿过末端环中的一个末端环的径向截面；

图5示出了根据本发明的高通鸟笼式谐振器，其中，在a)中给出了示意性侧视图，并且在b)中给出了从环中的一个环的中央到内表面上的视图；

图6在每种情况下于示意性侧向表示中示出了从现有技术的高通鸟笼式谐振器(左)到根据本发明的高通鸟笼式谐振器(中)以及到具有用于电容器条的凸出部分的RF屏蔽的实现方式(右)的演变；

图7示出了根据本发明的具有用于电容器条的凸出部分的RF屏蔽块的高通鸟笼式谐振器；以及

图8示出了根据本发明的两个其他谐振器，在a)和b)中分别是第一实施方式的上部环和下部环，并且在c)和d)中分别是第二实施方式的上部环和下部环。

具体实施方式

图1示出了在高分辨率NMR光谱装置中的、特别是用于分析液体样品的高分辨率NMR光谱装置中的根据本发明的谐振器的典型环境。强静态磁场由超导磁体(未图示)产生，该超导磁体具有中央竖向孔14，在该中央竖向孔14中产生沿着轴线Z的强磁场。在沿着Z轴线的磁中央12的区域中，存在用于影响静态磁场的均匀性的匀场线圈10，并且这些匀场线圈10安装在位于孔14的下部部分中的匀场管11上。

通常被指定为NMR探针13的实际NMR探头通常从下方插入到该匀场单元的中央孔中。磁中央12的区域中的NMR探针13从径向外部到内部包括一组梯度屏蔽线圈9、随后是一组梯度线圈8，以用于在需要时为测量提供临时梯度。实际的(液体)NMR样品5、通常是具有3mm、5mm或10mm(外径)的典型直径的玻璃管从上方插入通过孔并且定位在NMR线圈7内，沿着Z轴线在该NMR线圈7上方和下方跟随的是射频(RF)屏蔽件6。

NMR线圈7是实际的谐振器，其一方面用于以与待测量的原子核的拉莫尔频率相对应的射频以及对应的测量序列的辐照周期来辐照样品，并且另一方面用于接收在对应的测量序列的检测周期中从原子核发射的信号。对于这两种功能、并且特别是对于检测周期，静态磁场的均匀性对于获得尽可能窄的线宽是非常重要的，因此重要的是，对应的线圈设计不损害静态磁场的均匀性并且另一方面提供如测量所需的尽可能可控的辐照磁场B1。

通常对于液体测量，这些谐振器采用所谓的鞍形线圈的形式。鞍形线圈系统可以通过在筒形表面上折叠两个相等的矩形线圈来构造。每个线圈携带相同的电流，并且流动电流的方向可以设置为亥姆霍兹(Helmholtz)配置或反亥姆霍兹(anti-Helmholtz)配置。已知的是，使用前一种配置可以产生在给定方向上的均匀磁场，并且第二种配置可以用于产生线性场梯度。螺旋形设计或谐振腔也是可能的。

鸟笼式谐振器提供了一种不同类型的谐振器。该谐振器特别是在MRI的应用中是公知的。鸟笼式线圈与鞍形线圈、螺旋结构和类似结构在本质方式上的区别在于在组成电流回路之间采用相移来提供适当的电流分布。对于鸟笼式谐振器，相移将围绕线圈的圆周从0至2π离散分布。每个元件的相移具有相当的频率依赖性并且以离散频率对鸟笼式谐振器进行调谐以实现所期望的相移约束。附加目标是实现正交驱动鸟笼式线圈，以便将传输时的功率效率和信号接收期间的信噪比最大化。

这种类型的谐振器聚集了对于高RF性能重要的许多优点：高灵敏度、高B1场均匀性、高效率。

图2和图3图示了两种基本类型的鸟笼式谐振器，在图2的情况下，示出了通常为300MHz至1200MHz的低通谐振器，并且在图3中图示了频率为至少600MHz的高通谐振器。

如这些附图中所图示的，鸟笼式谐振器通常包括对称地围绕磁体的磁中央12、沿着Z轴线偏移的两个金属环2。这些环2由整数数目的、通常为8个金属杆3连结，所述金属杆3电连接至与Z轴线平行地布置并且平行于彼此的环。

对于如图2中所图示的低通谐振器的情况，为了在环2的相应内表面15上、在对应的杆3所定位的每个位置处形成谐振器，在相应的环2与相应的杆3之间设置有电容器4。从电学角度而言，这样的鸟笼式谐振器表示为一系列电容器、电感、用于每个竖向结构的电容器，以及具有电容器的这些杆中的每个杆之间的电感。

对于如图3中所图示的高通谐振器的情况，为了在金属杆中的每个金属杆之间的环中形成谐振器，设置有电容器4，因此环的圆周被分成由电容器连结的单独的区段。在这种情况下从电学角度而言，鸟笼式谐振器表示为条的电感，并且在两个条之间沿着环圆周存在电容器和电感的序列。

在金属杆3之间存在中间空间18，这样的鸟笼式谐振器的轴向高度BCh通常在20mm至27mm的范围中，环的内径Rd通常在5.5mm至10mm的范围中，环的径向宽度Rw通常在1mm至2mm的范围中，并且环的轴向厚度Rt通常在0.5mm至2mm的范围中、通常在1mm的范围中。金属杆3通常具有圆形横截面以及在0.5mm至1.5mm的范围中、通常在1mm的范围中的直径。环和杆由金属制成。

所有金属部件由高导电性的材料制成或优选地由高导电性的材料制成，该高导电性最优化的为300MHz至1200MHz，该材料优选地是Cu和Ag。由于射频(300MHz至1200MHz)的典型趋肤深度，仅20μm的表面金属层能够用于导电(趋肤效应)。因此，具有足够大以降低电阻率的大的趋肤深度面积(线周长*趋肤深度)是重要的。

电容器4通常是一种具有的相对介电常数为e＝10至1000的低介电损耗材料。电容器通常由陶瓷材料制成，该陶瓷材料具有低介电损耗、高介电常数、温度稳定性并且允许通过焊接形成明确限定的金属与陶瓷界面。

电容器的电容由以下等式C＝ε*ε₀*A/d给出，其中，对于400MHz至800MHz(低通)，A通常为1mm²至3mm²，并且d在0.1mm至0.5mm的范围中。电容器4还可以安装在交替设置(仅8个而不是16个电容器)中。

如上所述，阻碍鸟笼式谐振器的广泛使用的主要问题中的一个主要问题在于单独的构建块的磁化率匹配是困难的。这意味着对于鸟笼式谐振器，难以提供窄线宽所需的期望的磁场均匀性。

根据本发明，为了实现用于高分辨率NMR的鸟笼式谐振器，添加了一个关键特征、即对陶瓷部件进行磁补偿，这对于获得所需的窄线形(分辨率)是强制性的。

本发明的要点通过图6中所给出的内容来最好地说明。

如上所述，在鸟笼式谐振器的上下文中，磁化率匹配的关键挑战是电容器元件4的磁化率匹配。这些电容器元件的磁化率匹配即使不是不可能的，也是很困难的。本发明的思想是确保电容器元件4全部沿着测量相关样品量所在的Z轴线延伸成使得不需要由于电容器元件的存在而进行附加的磁化率匹配，因为电容器元件4在Z轴线的整个测量相关的延伸部上延伸。

作为起点，从如图3中所图示的高通设置开始，参见图6左部的高通设计。

在第一步骤中，根据本发明，所有电容器以其比鸟笼式线圈长得多、通常等于或长于40mm的方式沿着z轴线扩展(参见图6中部)。这种适应消除了材料补偿的需要以实现沿着Z轴线的均匀磁场。将环切割成单独的区段的初始的16个小电容器4转变成8个长的陶瓷条带19。

在可选的但是非常期望的第二步骤中，器件25以RF屏蔽块的形式设置以机械地稳定所有陶瓷条带，或者更确切地稳定陶瓷条带的延伸超出相应的环的外表面16的凸出部分24，该凸出部分例如固定在顶部RF屏蔽件和底部RF屏蔽件上(参见图6右部)。

通常，这一步骤随后是在陶瓷条带的表面上(两个侧部上)施加金属垫20，并且将陶瓷条带焊接到金属设计中。

这样的谐振器的期望模式的频率可以通过交换介电材料来容易地改变。市售的是具有的相对介电常数在10与＞100之间的低损耗陶瓷材料。

在图4中图示了低通鸟笼式谐振器设计的这种构思如何在实践中实现。环2与以上所描述的相同，然而在这种情况下，环不是经由对应的内表面15连结至电容器4，而是环2通过径向内表面21连接至电容器条19。这些电容器条19的径向内侧部跟随是金属杆3，该金属杆3相比于根据图2的常规设计中的金属杆长环的厚度Rt的两倍。同样地，杆3被定位成尽可能靠近样品以用于产生高功率输入和高灵敏度的辐照和检测。电容器条19的轴向长度Bl约等于样品管中的液体的高度H。在样品管的外表面与条3之间仅存在小的间隙d，并且优选地，在杆3与相应的相关联的电容器条19之间存在空气间隙23。电容器条19具有的厚度Bt的范围与以上给出的常规电容器设计的范围相同，并且电容器条19由陶瓷材料制成。电容器条的宽度Bw是如上所详述的。电容器条19还可以是层状结构、特别是为了避免电弧的层状结构。这可以通过具有下述夹层结构来实现：该夹层结构带有陶瓷或另一介电材料的外层以及塑料材料、优选地PTA或PTFE的中间层，该塑料材料比通常的陶瓷介电材料具有高得多的约50,000V范围内的电弧电压，其中，在此处对于应用所关注的频率的电弧电压在约10,000V的范围中。在这样的设置中，塑料层的厚度通常低于50μm，并且外部陶瓷介电层的厚度适于对应的期望电容，外部陶瓷介电层的厚度通常在约250μm的范围中。

为了在两侧附接电容器条19，设置有中间层补片20，该中间层补片20可以是金属垫或仅是焊接材料层。环、条和电容器的尺寸和材料可以根据以上针对常规设计所给出的来选择。

在图5中图示了高通鸟笼式谐振器设计的该构思如何在实践中实现。在这种情况下，电容器条19定位在相应的环2的区段27之间。电容器条19以凸出部分24的形式延伸超出对应的环的外表面16。如上所述，并且该高通鸟笼式谐振器设计也适用于低通鸟笼式谐振器设计，凸出部分被保持在RF屏蔽块25中(进一步参见以下图7中的描述和示图)。电容器条19的尺寸与如上详述的低通谐振器的尺寸相同。在横截面视图中，电容器条19在这种情况下以其长轴线径向的方式定向，并且电容器条19以规律的间隔与对应的环相交。

如上所述，为了稳定性并且还为了屏蔽目的，电容器条19的凸出部分24被保持在RF屏蔽块25中，如图7中针对高通鸟笼式谐振器设计所图示的。这些RF屏蔽块25采用环的形式，(在屏蔽块环25的径向宽度与电容器条19的宽度Bw大致相同的情况下)所述环设置有一组接纳盲孔26或槽。

如上所述，鸟笼式谐振器的不同设计也是可能的。在图8中示出了高通谐振器的两个附加的实施方式。在a)和b)中分别示意性地示出了第一实施方式的上部环和下部环。在该实施方式中，上部环和下部环被电容器条19中断，而在这种情况下，电容器条不是径向定向的而是切向定向的。这些电容器条19还包括延伸超出谐振器的上表面和下表面的凸出部分24。在这种情况下，在上部环中附加地设置两个间隙。

还可能的是并且这在c)和d)中图示出，在c)和d)中分别示意性地示出了第二实施方式的上部环和下部环，电容器条19仅中断下部环的导电性。这些电容器条19还包括延伸超出谐振器的上表面和下表面的凸出部分24。在这种情况下，在上部环中附加地设置两个间隙。

附图标记列表

1鸟笼式谐振器

2金属环

3金属杆

4电容器

5NMR样品

6RF屏蔽件

7NMR线圈、谐振器

8梯度线圈

9梯度屏蔽线圈

10匀场线圈

11匀场管

12磁中心

13NMR探针

14暖磁体孔

15 2的轴向面对的内表面、内表面

16 2的外表面

17 2的外周表面、径向外表面

18 3之间的中间空间

19电容器条

20 3与19之间的中间层、金属垫

21 2的内周表面、径向内表面

22 1的内部空间

23 3与19之间的间隙

24 19的突出超出16的凸出部分

25RF屏蔽块

26 25中的接纳盲孔

27环区段

28环中的间隙

Bl 19的轴向长度

Bt 19的厚度

Bw 19的宽度

BCh鸟笼式件的高度

Ct电容器厚度

d样品与线圈之间的间隙

H NMR样品中的液体的高度

MRd金属杆直径

Rd环内径

Rt环厚度

Rw环宽度

SPl凸出部分的长度

Z Z轴线

Claims (15)

1.一种鸟笼式谐振器(1)，所述鸟笼式谐振器用于核磁谐振实验辐照和检测并且包括位于相反的轴向端部处的两个导电的圆形的环(2)，所述环(2)用分布在所述环(2)的圆周上的相互分离的至少2个平行的导电的杆(3)连结并且紧固，

其中，所述环(2)的所述轴向外表面(16)以鸟笼式件的高度(BCh)轴向地间隔开，

并且其中，

在所述杆(3)中的每个杆与相应的所述环(2)之间，优选地在相应的所述杆(3)与所述环(2)的内周表面(21)之间，或在相应的所述杆(3)与所述环(2)的外周表面(17)之间，或在相应的所述杆(3)与所述环(2)的轴向面对的内表面(15)之间设置有至少一个电容器，

并且/或者在所述环(2)中的一个环或两个环中，在相邻的导电的杆(3)之间设置有至少一个电容器，

其特征在于，

所述电容器、优选地所有电容器采用轴向的电容器条(19)的形式，所述电容器条(19)在至少两个电极之间提供相应的电容，所述电容器条(19)在所述环(2)之间延伸并且超出所述环(2)的外表面(16)，并在所述环(2)的轴向两侧形成凸出部分(24)，并且

其特征在于，在每个轴向侧的所述凸出部分(24)的长度(SPl)是所述鸟笼式件的高度(BCh)的至少15％。

2.根据权利要求1所述的鸟笼式谐振器，其中，所述凸出部分的所述长度(SPl)是所述鸟笼式件的高度(BCh)的至少20％、25％或30％、优选地至少40％或至少50％，

并且/或者其中，所述鸟笼式件的高度(BCh)在15mm至35mm的范围中、优选地在20mm至27mm的范围中，并且所述电容器条(19)的长度(Bl)在35mm至60mm的范围中、优选地在40mm至50mm的范围中。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的鸟笼式谐振器，其中，所述电容器条(19)中的每个电容器条具有的厚度(Bt)在0.05mm至1mm的范围中、优选地在0.1mm至0.5mm的范围中，并且宽度(Bw)在0.5mm至3mm的范围中、优选地在1mm至2mm的范围中，其中优选地，所述电容器条的横截面形状为矩形或u形形状；

并且/或者其中，所述环(2)中的每个环具有的厚度(Rt)在0.5mm至3mm的范围中、优选地在0.75mm至1.5mm的范围中，并且宽度在0.5mm至3mm的范围中、优选地在1mm至2mm的范围中，其中优选地，所述环的横截面形状为矩形，

并且/或者，所述环(2)中的每个环具有的内径在2mm至12mm的范围中、优选地在3mm至10mm的范围中，

并且/或者，所述条(2)中的至少一个条或每个条具有圆形横截面形状或矩形横截面形状、优选地方形横截面形状，其中直径或对角线在0.2mm至2mm的范围中、优选地在0.5mm至1.25mm的范围中。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的鸟笼式谐振器，其中，在两侧的所述凸出部分(24)至少部分地嵌入屏蔽射频的材料件中，优选地，在两端设置有带有接纳盲孔(26)的RF屏蔽材料的块(25)，所述凸出部分(24)至少部分地穿入所述接纳盲孔(26)中，

其中优选地，这些块(25)中的每个块的轴向高度至少等于所述凸出部分(24)的所述长度(SPl)、优选地是所述凸出部分(24)的所述长度(SPl)的至少1.5倍、更优选地是所述突出部分(24)的所述长度的至少两倍。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的鸟笼式谐振器，其中，所述环(2)和所述杆(3)由金属构成或至少包括金属涂层、优选地铜或银中的至少一者的涂层，

并且/或者其中，所述电容器条(19)包括下述材料或由下述材料构成：该材料具有的相对介电常数在10至1000或10至100的范围中并且/或者介电损耗小于这样的情况，即tanδ＜0.001，

并且/或者其中，所述电容器条(19)包括蓝宝石或陶瓷材料或者由蓝宝石或陶瓷材料构成，所述蓝宝石或陶瓷材料优选地选自包括下述各者的组：氧化铝、氧化锆、氧化钛或其混合物以及/或者氧化铝、氧化锆、氧化钛中的一者或其与碱土金属氧化物的混合物，

并且/或者其中，在所述环(2)中的每个环中，在相邻的导电的所述杆(3)之间的环区段(27)中的至少两个环区段或每个环区段中设置有至少一个电容器。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的鸟笼式谐振器，其中，所述电容器条(19)以叠层的形式设置，这样的叠层优选地包括中央聚合物层、优选地全卤化聚合物，特别是选自以下各者的全卤化聚合物：聚氯乙烯(PVF)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、全氟烷氧基聚合物(PFA)、氟化乙烯-丙烯(FEP)、聚乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)、全氟弹性体(FFPM/FFKM)、碳氟化合物[氯三氟乙烯偏二氟乙烯](FPM/FKM)、含氟弹性体[四氟乙烯-丙烯](FEPM)或氯化类似物或其共混物，所述中央聚合物层优选地具有的厚度小于50μm、更优选地具有的厚度在10μm至40μm的范围中，并且

这样的叠层包括至少两个外部陶瓷层，所述外部陶瓷层包括蓝宝石或陶瓷材料或由蓝宝石或陶瓷材料构成，所述蓝宝石或陶瓷材料优选地选自包括下述各者的组：氧化铝、氧化锆、氧化钛或其混合物以及/或者氧化铝、氧化锆、氧化钛中的一者或其与碱土金属氧化物的混合物，其中优选地，至少一个陶瓷层或两个陶瓷层具有的厚度在50微米至500微米的范围中、优选地在150微米至350微米的范围中。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的鸟笼式谐振器，其中，所述鸟笼式谐振器以高通谐振器、低通谐振器或高通谐振器和低通谐振器的混合的形式成形，其中，所述电容器和金属条在由所述环限定的xy平面中点对称或镜像对称地分布，

并且/或者其中，所述鸟笼式谐振器包括相等数目的杆(3)和电容器条(19)。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的鸟笼式谐振器，其中，所述鸟笼式谐振器包括2个至12个杆(3)和/或电容器条(19)、优选地6个至10个杆(3)和/或电容器条(19)、最优选地8个杆(3)和/或电容器条(19)。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的鸟笼式谐振器，其中，在所述杆(3)的每个末端端部与相应的所述环(2)之间设置有至少一个电容器条(19)，并且其中，所述电容器条(19)设置在相应的所述环(2)的径向内表面(21)上，并且相应的所述杆(3)设置在相应的所述电容器条(19)的径向内侧部上，

其中优选地，在所述环(2)之间的区域中的大部分区域中，所述电容器条(19)和所述杆(3)间隔开，

并且/或者其中，在所述电容器条(19)中的每个电容器条与对应的径向相邻的所述杆(3)之间以及/或者在所述电容器条(19)中的每个电容器条与相应的所述环(2)的所述径向内表面(21)之间设置有形成电极(20)的中间导电层。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的鸟笼式谐振器，其中，在所述环(2)中的每个环中，在相邻的导电的所述杆(3)之间的所述环区段(27)中的至少两个环区段或每个环区段中设置有至少一个电容器条(19)，并且其中，优选地，所述电容器条(19)和所述杆(3)均等地分布在所述环(2)的圆周上，其中优选地，在所述杆(3)与所述电容器条(19)之间存在自由中间空间(23)。

11.根据权利要求10所述的鸟笼式谐振器，其中，所述电容器条(19)采用径向地布置或切向地布置的板条的形式，所述板条具有矩形横截面，其中周向厚度(Bt)在0.1mm至0.5mm的范围中并且径向宽度(Bw)在1mm至3mm的范围中、优选地在1.2mm至2.5mm的范围中。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的鸟笼式谐振器，其中，所述鸟笼式谐振器的谐振频率在300MHz至1200MHz的范围中、优选地在600MHz至1000MHz的范围中。

13.一种核磁谐振探针(13)，所述核磁谐振探针(13)包括根据前述权利要求中的任一项所述的鸟笼式谐振器。

14.根据前述权利要求1至12中的任一项所述的鸟笼式谐振器的用途，所述鸟笼式谐振器用于使用优选地在至少1特斯拉的静态磁场下的核磁谐振来测量液体样品，其中，在所述样品中的液体的轴向长度(H)大于所述电容器条(19)的所述轴向长度(Bl)，并且其中，优选地，所述谐振器具有的谐振频率在300MHz至1200MHz的范围中、优选地在600MHz至1000MHz的范围中。

15.一种用于制造根据前述权利要求1至12中的任一项所述的鸟笼式谐振器的方法，其中，

设置所述环(2)，将所述电容器条(19)以均等地周向分布的方式连接、优选地焊接至内周表面(21)，并且将所述杆(19)优选地以使得至少在两个所述环(2)之间的中央部分中、在每个电容器条(19)与相应的所述杆(3)之间存在自由间隙(23)的方式连接、优选地焊接至相应的所述电容器条(19)的径向内侧部，

或者将环区段各自焊接至杆(3)的所述末端端部，并且通过在相邻的区段之间定位电容器条(19)、优选地通过焊接在相邻的区段之间定位电容器条(19)将区段连结，其中优选地，至少在两个所述环之间的中央部分中、在所述电容器条(19)与所述杆(3)之间存在自由间隙(23)。