DE102005039087B3

DE102005039087B3 - Probenkopf für Kernresonanzmessungen

Info

Publication number: DE102005039087B3
Application number: DE102005039087A
Authority: DE
Inventors: Alexander Krahn; Peter Höfer; Frank Engelke
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: BRUKER BIOSPIN GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2025-08-05
Also published as: US20070030005A1; GB0615370D0; US7436181B2; GB2428803B; GB2428803A

Abstract

Ein Probenkopf für Kernresonanzmessungen weist einen Probenhalter (18) auf, der mit einem Stator (20) und mit einem in dem Stator (20) um eine Rotationsachse (22) drehbar (26) gelagerten, zur Aufnahme einer Probensubstanz (56) vorgesehenen Rotor (24) versehen ist. Die Rotationsachse (22) ist um einen Winkel (alpha) zu einer Längsachse (12) des Probenkopfes (10) geneigt. Der Stator (20) ist als dielektrischer Resonator ausgebildet (Fig. 2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Probenkopf für Kernresonanzmessungen, mit einem Probenhalter, der einen Stator und einen in dem Stator um eine Rotationsachse drehbar gelagerten, zur Aufnahme einer Probensubstanz vorgesehenen Rotor aufweist, wobei die Rotationsachse um einen Winkel zu einer Längsachse des Probenkopfes geneigt ist.

Ein Probenkopf der vorstehend genannten Art ist aus der EP 0 483 228 B1 oder der DE 44 42 742 C1 bekannt.

Auf dem Gebiet der Kernresonanz-Messungen (NMR) ist es bekannt, die zu untersuchende Probe rotieren zu lassen und dabei in einer Ausrichtung zum konstanten magnetischen Feld (B₀) anzuordnen, die statt der herkömmlichen 90° unter dem sog. „magischen Winkel" von 54,7° geneigt ist. Diese Meßmethode wird als „magic angle spinning" (MAS) bezeichnet.

Bei den bekannten MAS-Anordnungen der eingangs genannten Art wird zum Anregen der Kernresonanz ein hochfrequentes Magnetfeld (B₁) einer Frequenz im Bereich von maximal 300 bis 400 MHz verwendet, was für Protonen (¹H) einem konstanten Magnetfeld (B₀) zwischen 7 und 9,4 T entspricht. Hierzu wird eine Solenoidspule eingesetzt, die in dem Stator angeordnet ist und den Rotor koaxial umgibt. Die Solenoidspule erzeugt das für die NMR-Messung erforderliche hochfrequente Magnetfeld (B₁) und dient zugleich als Empfangsspule für das in der Probensubstanz erzeugte Kernresonanzsignal gleicher Frequenz.

Durch Fortschritte im Magnetbau ist es mittlerweile jedoch möglich geworden, konstante Magnetfelder (B₀) mit einer Feldstärke im Bereich von bis zu 22 T zu erzeugen, was für Protonen (¹H) einer Resonanzfrequenz von etwa 940 MHz entspricht.

In diesem Frequenzbereich sind Solenoidspulen schwierig handhabbar, weil ihre Abmessungen zu klein werden, da in ihnen keine ausreichende Hochfrequenzfeldstärke (B₁) mehr erzeugt werden kann und sie kaum abstimmbar sind. Weiterhin gehen bei derart hohen Frequenzen in Solenoidspulen die Bereiche des hochfrequenten elektrischen und des magnetischen Feldes mehr und mehr ineinander über, so dass ein immer größer werdender Anteil an Probensubstanz in den Bereich der hochfrequenten elektrischen Feldes gerät. Dies führt nicht nur bei festen, sondern insbesondere auch bei flüssigen und bei leitfähigen, z.B. bei salzhaltigen Proben zu hohen dielektrischen Verlusten sowie zu Verlusten infolge der Leitfähigkeit der Probe und damit zu einer Verschlechterung der Güte der Resonanzstruktur, was wiederum die Meßempfindlichkeit verschlechtert. Diese Gegebenheiten führen bei Probenköpfen mit MAS-Funktion bereits im Frequenzbereich ab 750 MHz (17,6 T) zu Problemen.

Auf dem Gebiet der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR) sind für die dort verwendeten Mikrowellen-Frequenzen, insbesondere im X-Band (ca. 9-12 GHz) diverse Resonanzstrukturen bekannt. Neben den üblicherweise verwendeten Hohlraumresonatoren werden in der ESR auch sog. „Split-Ring" Resonatoren eingesetzt, wie sie zum Beispiel in der US 4,446,429 und der US 5,744,957 beschrieben sind. Daneben ist es in der ESR auch bekannt, dielektrische Resonatoren aus Saphir einzusetzen, beispielsweise aus einem Aufsatz von Biehl, R. „Sensitivity Enhancement in EPR – The Dielectric Ring TE 011 Cavity", BRUKER Report, 1/1986, S. 45-47, sowie aus der DE 30 29 754 C2 und der DE 41 25 655 C2 . Bei all diesen bekannten Anordnungen hat die jeweils genannte Resonanzstruktur ausschließlich die Funktion, einen elektrischen Ersatz für die herkömmlichen Hohlraumresonatoren darzustellen, weitere Funktionen, insbesondere mechanische Hilfsfunktionen, sind nicht vorgesehen.

Aus der US 2003/0052678 A1 ist ein NMR-Probenkopf zum Einsatz in einer Ultrazentrifuge beschrieben. Die Anordnung enthält einen hohlzylindrischen Stator, der aus einem elektrisch leitfähigen, jedoch unmagnetischen Werkstoff besteht. In dem Stator befindet sich ein Rotor, der aus einem elektrisch nicht-leitfähigen und unmagnetischen Werkstoff hergestellt ist. Ein elektrischer Leiter erstreckt sich entlang der Mittelachse des zylindrischen Stators. Die Probe befindet sich dabei im Rotor. Der Stator und der elektrische Leiter erzeugen dabei gemeinsam das hochfrequente Magnetfeld, das zur Anregung der Kernresonanz benötigt wird. Der die Probe enthaltende Rotor dreht sich im Stator und ist dort über ein Luftlager gehalten, das zwischen Stator und Rotor ausgebildet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen MAS-Probenkopf der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden. Der Probenkopf soll insbesondere auch bei hohen Frequenzen von über 750 MHz betreibbar sein, d.h. er soll ausreichende Abmessungen zur Aufnahme einer Probe aufweisen, ein ausreichend hohes hochfrequentes Magnetfeld (B₁) erzeugen und leicht abstimmbar sein. Ferner soll das elektrische Feld im Probenvolumen so gering wie möglich sein, so dass die erwähnten Verluste in der Probe ebenfalls so gering wie möglich sind.

Bei einem Probenkopf der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Stator als dielektrischer Resonator ausgebildet ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Die Erfindung macht sich nämlich nicht nur die Eigenschaften eines dielektrischen Resonators als Resonanzstruktur zu Nutze, sie nutzt den Resonator vielmehr auch als mechanisches Bauelement, indem sie ihm zusätzlich die Funktion des Stators zuweist. Auf diese Weise ist es möglich, einen besonders kompakten Probenkopf zu bauen, was bei MAS-Probenköpfen wegen der geneigten Anordnung von Stator und Rotor durchaus nicht selbstverständlich ist.

Ein dielektrischer Resonator, der im TE₀₁-Schwingungsmodus betrieben wird, zeichnet sich durch eine wesentlich bessere räumliche Separation zwischen dem im vorliegenden Zusammenhang unerwünschten elektrischen und dem erwünschten magnetischen Hochfrequenzfeld aus. Daher sind die dielektrischen Verluste, insbesondere in flüssigen und salzhaltigen Proben geringer, was die Güte der Resonanzstruktur und die Empfindlichkeit der Messung verbessert.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der dielektrische Resonator im wesentlichen die Form eines Hohlzylinders auf, dessen Achse mit der Rotationsachse zusammenfällt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die hochfrequenztechnische und die mechanische Funktion bei minimalem Platzbedarf vereinigt werden können.

Dabei weist vorzugsweise der Rotor einen sich entlang der Rotationsachse erstreckenden, im wesentlichen zylindrischen Rotationskörper auf, der mit einer axialen Ausnehmung zur Aufnahme einer Probenanordnung versehen ist.

Auch diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Platzbedarf minimal ist, weil die Probe eng in dem Rotor angeordnet ist.

Die Probenanordnung kann in diesem Falle ein eine Probensubstanz enthaltendes Probengefäß oder die Probensubstanz selbst sein.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Rotor zwei entlang der Rotationsachse im Abstand voneinander angeordnete Turbinenscheiben auf, die in dem dielektrischen Resonator gelagert sind, wobei Mittel zum Zuführen eines Lager- und Antriebsgases zu den Turbinenscheiben vorgesehen sind.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Rotor mit minimalem Aufwand und Platzbedarf im Stator gelagert und angetrieben werden kann.

Die Turbinenscheiben sind dabei vorzugsweise in Stirnflächen des Hohlzylinders eingelassen.

Weiterhin wird eine besonders gute Wirkung dadurch erzielt, dass Mittel zum Einstellen einer Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators vorgesehen sind. Die Mittel sind vorzugsweise als elektrisch leitfähige Scheiben ausgebildet, die an den Stirnflächen des Hohlzylinders relativ, z.B. quer zur Rotationsachse verschiebbar sind.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Resonanzfrequenz des Resonators in einfacher Weise eingestellt werden kann. Mit der vorstehend genannten vorzugsweisen Anordnung von verschiebbaren leitfähigen Scheiben kann die Resonanzfrequenz des Resonators beispielsweise von einer Grundfrequenz von 700 MHz durch Vorbeischieben der Scheiben um etwa 50 MHz auf 750 MHz angehoben werden, so dass bei vergleichbaren Abmessungen eine höhere effektive Resonanz- und damit Betriebsfrequenz erreicht wird.

Wenn die Probensubstanz eine erste Kernart (¹H) mit einer ersten Kernresonanzfrequenz (X) enthält, die mit der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators übereinstimmt, kann vorzugsweise in dem Stator mindestens eine Sende-/Empfangsanordnung zum Einstrahlen eines hochfrequenten Magnetfeldes einer zweiten Frequenz enthalten sein, die einer zweiten Kernresonanzfrequenz (Y) einer zweiten, ebenfalls in der Probensubstanz enthaltenen Kernart (¹³C; ¹⁵N; ³¹P) entspricht.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass mit dem erfindungsgemäßen Probenkopf auch Mehrfachresonanz-Messungen durchgeführt werden können, bei denen beispielsweise in an sich bekannter Art eine Kernart gesättigt und die andere Kernart beobachtet wird.

In diesem Zusammenhang ist bevorzugt, wenn die Sende-/Empfangsanordnung als Solenoidspule ausgebildet ist, deren Achse mit der Rotationsachse zusammenfällt.

Auch diese Bauweise trägt zur Kompaktheit der Anordnung bei.

Bei einer ersten Variante des vorgenannten Ausführungsbeispiels ist die Solenoidspule im Innenraum des Hohlzylinders angeordnet, bei einer zweiten Variante hingegen in einer in einer Innenumfangsfläche des Hohlzylinders eingebrachten inneren Ausnehmung.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, dass die eine oder auch mehrere Solenoidspulen zum Anregen einer zweiten und ggf. noch einer dritten Kernart je nach Bauweise kompakt untergebracht werden können.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können diverse Maßnahmen zum Homogenisieren des hochfrequenten Magnetfeldes (B₁) vorgesehen werden.

Bei einer ersten Variante ist eine innere Ausnehmung in eine Innenumfangsfläche des Hohlzylinders eingebracht, bei einer zweiten Variante eine äußere Ausnehmung in eine Außenumfangsfläche des Hohlzylinders, wobei in gemeinsamer Fortbildung dieser Varianten die innere und die äußere Ausnehmung miteinander fluchten.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass durch eine spezielle Formgebung des Resonatorkörpers, nämlich eine Querschnittsverminderung des Hohlzylinders im mittleren Bereich, eine Homogenisierung des B₁-Feldes stattfindet, weil der Verlauf der Feldlinien gleichmäßiger und paralleler wird.

Ein entsprechender Effekt lässt sich bei einer dritten Variante erreichen, bei der der Stator in Richtung der Rotationsachse geschichtet aus Werkstoffen unterschiedlicher Dielektrizitätszahl (ε_r) ausgebildet ist oder gemäß einer vierten Variante nebeneinander Schichten aus dielektrischen Werkstoffen und von Luft vorgesehen sind.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass durch eine gezielte räumliche Verteilung der Dielektrizität ebenfalls eine Homogenisierung des B1-Feldes stattfindet.

Dies gilt vor allem dann, wenn der Stator, ausgehend von einer auf dessen halber Länge befindlichen radialen Mittenebene zu beiden Seiten hin dielektrisch symmetrisch ausgebildet ist.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung besteht der dielektrische Resonator aus einer Keramik mit einer Dielektrizitätskonstante (ε_r) von mehr als 150, insbesondere von mehr als 450.

Hierzu wird vorzugsweise die Keramik aus der Familie der Titanate ausgewählt und ist insbesondere ein Bariumtitanat oder ein Strontiumtitanat.

Diese Dielektrizitätswerte und Werkstoffe haben sich in Versuchen als sehr geeignet erwiesen, um einen dielektrischen Resonator für die hier interessierenden Anwendungen im genannten Frequenzbereich zu realisieren.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1: eine äußerst schematisierte Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Probenkopfes;
2: in vergrößertem Maßstab eine Schnittdarstellung durch einen Probenhalter, wie er in dem Probenkopf gemäß 1 verwendet werden kann;
3: eine Ansicht des Probenhalters von 2 entlang seiner Achse;
4: in verkleinertem Maßstab eine erste Variante eines Stators, wie er in 2 abgebildet ist; und
5: eine zweite Variante dazu.
In 1 bezeichnet 10 als ganzes einen Probenkopf, wie er für Kernresonanzmessungen verwendet werden kann. Der Probenkopf 10 ist von im wesentlichen zylindrischer Gestalt und hat eine Längsachse 12. Der Probenkopf 10 ist von einem Gehäuse 14 umschlossen und kann in eine Bohrung eines supraleitenden Magneten eingesetzt werden. Dann stimmt die Längsachse 12 mit der Richtung des konstanten Magnetfeldes B₀ überein.
Mittels Befestigungselementen 16 ist an dem Gehäuse 14 oder an einer Tragstruktur des Probenkopfes 10 ein Probenhalter 18 befestigt. Der Probenhalter 18 enthält einen Stator 20 sowie einen im Stator 20 um eine Rotationsachse 22 drehbar gelagerten Rotor 24. Die Drehung des Rotors 24 um die Rotationsachse 22 ist mit einem Pfeil 26 angedeutet.
Die Rotationsachse 22 ist zur Längsachse 12 und damit zur Richtung des konstanten Magnetfeldes um einen Winkel α geneigt. Dieser Winkel α ist der sog. „magische Winkel" und beträgt 54,7°.
In 2 und 3 sind in vergrößertem Maßstab weitere Einzelheiten des Probenhalters 18 dargestellt.
Eine im wesentlichen ringförmige Halterung 28 umgibt und hält einen Hohlzylinder 30, der eine Außenumfangsfläche 32, eine Innenumfangsfläche 34 sowie beidendige Stirnflächen 36a und 36b aufweist.
Der Hohlzylinder 30 besteht aus einem Werkstoff mit hoher Dielektrizitätszahl ε_r. Als Werkstoff kommen hierfür Keramiken in Betracht, wie man sie auch für Kondensatoren verwendet, beispielsweise aus der Familie der Titanate, insbesondere Barium- oder Strontiumtitanat. Mit derartigen Werkstoffen lassen sich Dielektrizitätszahlen ε_r von 150 (Bariumtitanat) bis über 450 erzielen.
Ein Hohlzylinder aus einem derartigen Werkstoff ist ein dielektrischer Resonator, dessen Resonanzfrequenz sich aus den Abmessungen und der Dielektrizitätszahl ε_r des verwendeten Werkstoffs bestimmen lässt. Die Resonanzfrequenz ist so ausgelegt, dass sie im wesentlichen der Resonanzfrequenz einer ersten Kernart entspricht, die mit dem erfindungsgemäßen Probenkopf 10 gemessen werden soll, insbesondere Protonen (¹H).
Die Ankopplung des dielektrischen Resonators, beispielsweise auf induktivem Wege über eine in seiner Nähe angeordnete Schleife, ist dem Fachmann bekannt und daher nicht dargestellt.
In den Stirnflächen 36a und 36b sind zylindrische Ausnehmungen 38a und 38b vorgesehen. In diesen Ausnehmungen 36a und 36b sind Turbinenscheiben 40a und 40b eingesetzt. Die Turbinenscheiben 40a und 40b sind an ihrem Umfang mit Turbinenflächen 42a und 42b versehen. Kanäle 44a und 44b führen in dem Hohlzylinder 30 zu den Turbinenflächen 42a und 42b. Die Kanäle 44a und 44b sind an Zuleitungen 46a und 46b bzw. an Ableitungen 48a und 48b für ein Lager- und Antriebsgas, beispielsweise Luft oder Stickstoff, angeschlossen. Die Kanäle 44a und 44b sind in dem Hohlzylinder 30 vorzugsweise so kurz wie möglich ausgebildet, um die Ausbreitung der hochfrequenten Felder nicht zu stören. Es ist auch möglich, die Turbinenflächen 42a und 42b von außerhalb des Hohlzylinders mit Antriebsgas zu versorgen.
Die Turbinenscheiben 40a und 40b sitzen drehfest an den Enden eines im wesentlichen zylindrischen Rotationskörpers 50. Der Rotationskörper 50 weist eine zentrale und axiale Ausnehmung 52 auf, die von mindestens einer Seite zugänglich ist. In diese Ausnehmung 52 kann ein Probengefäß 54 eingesetzt werden, das eine Probensubstanz 56 enthält. Die Probensubstanz 56 kann aber auch unmittelbar in die Ausnehmung 52 eingefüllt werden.
Eine Solenoidspule 60 ist um den Rotationskörper 50 herum angeordnet. Sie dient als Hochfrequenz-Sende- und Empfangsspule und wird mit einem Signal einer Frequenz betrieben, die der Resonanzfrequenz einer zweiten Kernart entspricht, die gleichfalls an den Messungen mit dem erfindungsgemäßen Probenkopf 10 beteiligt ist, insbesondere ¹³C, ¹⁵N oder ³¹P.
Zur Frequenzabstimmung des dielektrischen Resonators dienen zwei elektrisch leitfähige Scheiben 62a und 62b, die parallel zu und dicht neben den Stirnflächen 36a und 36b angeordnet und relativ, z.B. senkrecht zur Rotationsachse 22 verschiebbar sind, wie mit Pfeilen 64a und 64b angedeutet. Wenn der dielektrische Resonator gemäß den 2 und 3 zum Beispiel auf eine Grundfrequenz von 700 MHz ausgelegt ist, kann durch Verschieben der Scheiben 70a und 70b diese Frequenz um etwa 50 MHz auf dann 750 MHz hochgezogen werden.
Zum Durchführen der Messung wird das Probengefäß 54 mit der Probensubstanz 56 in die Ausnehmung 52 des Rotationskörpers 50 eingesetzt. Der Probenkopf 10 wird dann in den Magneten einge setzt. Nun wird das Lager- und Antriebsgas auf die Turbinenflächen 42a und 42b geleitet, so dass sich der Rotor 24 im Stator 20 dreht. Der elektrische Abgleich erfolgt durch entsprechende Ankopplung des Hochfrequenzsignals an den dielektrischen Resonator und durch Frequenzabstimmung mittels der Scheiben 70a und 70b.
In dem Hohlzylinder 30 des dielektrischen Resonators bildet sich nun ein hochfrequentes elektrisches Feld aus, dessen Feldlinien um die Rotationsachse 22 herum verlaufen, und zwar im torischen Bereich zwischen der Außenumfangsfläche 32 und der Innenumfangsfläche 34 des Hohlzylinders 30, d.h. dort, wo sich keine Probensubstanz 56 befindet. Das hochfrequente Magnetfeld B₁ hingegen bildet Feldlinien, die den Rotationskörper 50 und damit auch die Probensubstanz 56 axial durchsetzen und sich dann im Außenraum schließen. Damit ist die Feldstärke des hochfrequenten Magnetfeldes B₁ am Ort der Probensubstanz 56 homogen und maximal.
Um die Homogenität des hochfrequenten Magnetfeldes B₁ noch weiter zu verbessern, kann auf unterschiedliche Weise vorgegangen werden, die in den 4 und 5 dargestellt sind, wo gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen und abgewandelte Elemente durch Hinzufügen eines Apostroph gekennzeichnet sind.
Die Vorgehensweisen haben gemeinsam, dass der leicht gekrümmte Verlauf der magnetischen Feldlinien im Bereich der Probensubstanz 56 linearisiert und die Verteilungsdichte der Feldlinien homogenisiert wird.
Beim Ausführungsbeispiel der 4 wird dies zum einen dadurch erreicht, dass in die Innenumfangsfläche 34' eine innere Ausnehmung 66, beispielsweise eine Ringnut, eingebracht ist. Zum anderen kann alternativ oder zusätzlich eine äußere Ausnehmung 68 in der Außenumfangsfläche 32' vorgesehen werden. Wenn beide Ausnehmungen 66 und 68 vorgesehen sind, kann eine fluchtende Anordnung verwendet werden, andere Anordnungen sind jedoch ebenfalls möglich. Durch die Materialschwächung des Hohlzylinders 30' im mittleren Bereich wird die angestrebte Homogenisierung des hochfrequenten Magnetfeldes B₁ erreicht.
Wenn eine innere Ausnehmung 66 vorgesehen wird, kann diese zugleich als Aufnahme für die Solenoidspule 60' dienen.
Beim Ausführungsbeispiel der 5 wird in zwei Varianten eine geschichtete Bauweise des Hohlzylinders 30'' mit Scheiben unterschiedlicher Dielektrizitätszahl ε_r eingesetzt.
Im oberen Teil von 5 sind axial nebeneinander drei Scheiben 70a, 70b und 70c symmetrisch zu einer Mittelebene 72 vorgesehen. Die mittlere Scheibe 70a hat dabei eine etwas niedrigere Dielektrizitätszahl ε_r1 als die beiden äußeren Scheiben 70b und 70c, die beide die selbe, etwas höhere Dielektrizitätszahl ε_r2 aufweisen.
Im unteren Teil von 5 sind axial nebeneinander drei Scheiben 74a, 74b und 74c vorgesehen, zwischen denen sich Luftspalte 76a und 76b befinden. Die Scheiben 74a, 74b und 74c bestehen vorzugsweise aus dem selben Werkstoff, d.h. sie haben die selbe Dielektrizitätszahl ε_r.
Beide in 5 gezeigten Varianten bewirken durch einen vorbestimmten Verlauf der Dielektrizitätszahl ε_r entlang der Achse 22' bzw. 22'', dass das magnetische Hochfrequenzfeld B₁ dort homogenisiert wird.

Claims

Probenkopf für Kernresonanzmessungen, mit einem Probenhalter (18), der einen Stator (20) und einen in dem Stator (20) um eine Rotationsachse (22) drehbar (26) gelagerten, zur Aufnahme einer Probensubstanz (56) vorgesehenen Rotor (24) aufweist, wobei die Rotationsachse (22) um einen Winkel (α) zu einer Längsachse (12) des Probenkopfes (10) geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (20) als dielektrischer Resonator ausgebildet ist.
Probenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Resonator im wesentlichen die Form eines Hohlzylinders (30) aufweist, dessen Achse mit der Rotationsachse (22) zusammenfällt.
Probenkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (24) einen sich entlang der Rotationsachse (22) erstreckenden, im wesentlichen zylindrischen Rotationskörper (50) aufweist, der mit einer axialen Ausnehmung (52) zur Aufnahme einer Probenanordnung versehen ist.
Probenkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenanordnung ein eine Probensubstanz enthaltendes Probengefäß (54) ist.
Probenkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenanordnung eine Probensubstanz (56) ist.
Probenkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (24) zwei entlang der Rotationsachse (22) im Abstand voneinander angeordnete Turbinenscheiben (40a, 40b) aufweist, die in dem dielektrischen Resonator gelagert sind, und dass Mittel zum Zuführen eines Lager- und Antriebsgases zu den Turbinenscheiben (40a, 40b) vorgesehen sind.
Probenkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenscheiben (40a, 40b) in Stirnflächen (36a, 36b) des Hohlzylinders (30) eingelassen sind.
Probenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Einstellen einer Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators vorgesehen sind.
Probenkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Resonator im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders (30) aufweist, dessen Achse mit der Rotationsachse (22) zusammenfällt, und dass die Mittel als elektrisch leitfähige Scheiben (62a, 62b) ausgebildet sind, die an den Stirnflächen (36a, 36b) des Hohlzylinders (30) relativ (64a, 64b) zur Rotationsachse (22) verschiebbar sind.
Probenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Probensubstanz (56) eine erste Kernart (¹H) mit einer ersten Kernresonanzfrequenz (X) enthält, die mit der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators übereinstimmt, und dass in dem Stator (20) mindestens eine Sende-/Empfangsanordnung zum Einstrahlen eines hochfrequenten Magnetfeldes einer zweiten Frequenz enthalten ist, die einer zweiten Kernresonanzfrequenz (Y) einer zweiten, ebenfalls in der Probensubstanz (56) enthaltenen Kernart (¹³C; ¹⁵N; ³¹P) entspricht.
Probenkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-/Empfangsanordnung als Solenoidspule (60) ausgebildet ist, deren Achse mit der Rotationsachse (22) zusammenfällt.
Probenkopf nach Anspruch 2 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Solenoidspule (60) im Innenraum des Hohlzylinders (30) angeordnet ist.
Probenkopf nach Anspruch 2 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Solenoidspule (60') in einer in einer Innenumfangsfläche (34') des Hohlzylinders (30') eingebrachten inneren Ausnehmung (66) angeordnet ist.
Probenkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 7, 9, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Ausnehmung (66) in eine Innenumfangsfläche (34') des Hohlzylinders (30') eingebracht ist.
Probenkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 7, 9 oder 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Ausnehmung (68) in eine Außenumfangsfläche (32') des Hohlzylinders (30') eingebracht ist.
Probenkopf nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und die äußere Ausnehmung (66, 68) miteinander fluchten.
Probenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (30'') in Richtung der Rotationsachse (22) geschichtet (70a, 70b, 70c) aus Werkstoffen unterschiedlicher Dielektrizitätszahl (ε_r) ausgebildet ist.
Probenkopf nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass nebeneinander Schichten (74a, 74b, 74c, 76a, 76b) aus dielektrischen Werkstoffen und von Luft vorgesehen sind.
Probenkopf nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (20''), ausgehend von einer auf dessen halber Länge befindlichen radialen Mittenebene (72) zu beiden Seiten hin dielektrisch symmetrisch ausgebildet ist.
Probenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Resonator aus einer Keramik mit einer Dielektrizitätskonstante (ε_r) von mehr als 150, insbesondere von mehr als 400, besteht.
Probenkopf nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik aus der Familie der Titanate ausgewählt und insbesondere ein Bariumtitanat oder ein Strontiumtitanat ist.