DE102007053976B4

DE102007053976B4 - NMR-Resonator, ausgebildet als beidseitig leitfähig beschichtete, isolierende Folie, und zugehöriges niederauflösendes NMR-Spektrometer

Info

Publication number: DE102007053976B4
Application number: DE102007053976A
Authority: DE
Inventors: Diether Maier; Michael Maixner
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2027-11-14
Also published as: GB2454784A; GB0820587D0; GB2454784B; DE102007053976A1; US7795871B2; US20090121716A1

Abstract

Ein Kernspinresonanz(=NMR)-Resonator (1; 31), mit einem induktiven Abschnitt (6) und einem kapazitiven Abschnitt (6a), wobei der induktive Abschnitt (6) bandförmig ausgebildet ist und ein im Wesentlichen zylinderförmiges Untersuchungsvolumen (5) umgibt, wobei der kapazitive Abschnitt (6a) aus einem oder mehreren diskreten Kondensatoren (13; 13a, 13b, 13c, 13d) gebildet wird, und wobei die Enden (7, 8) des bandförmigen, induktiven Abschnitts (6) durch den einen oder die mehreren Kondensatoren (13; 13a, 13b, 13c, 13d) des kapazitiven Abschnitts (6a) verbunden sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Abschnitt (6) aus einer doppelseitig leitend beschichteten, dielektrischen, flexiblen Folie (2) ausgebildet ist, dass die Enden (7, 8) des bandförmigen, induktiven Abschnitts (6) überlappen, wobei die äußere Beschichtung (4) des innen liegenden Endes (7) mit der innen liegenden Beschichtung (3) des außen liegenden Endes (8) elektrisch leitend verbunden sind, dass im Bereich des innen liegenden Endes (7) des bandförmigen, induktiven Abschnitts (6) eine oder mehrere Durchkontaktierungen (10) vorgesehen sind, und dass die äußere Beschichtung (4) im Bereich des außen liegenden Endes (8) mit der inneren Beschichtung (3) im Bereich des innen liegenden Endes (7) über den einen oder die mehreren Kondensatoren (13; 13a, 13b, 13c, 13d) und die eine oder die mehreren Durchkontaktierungen (10) verbunden sind. Der erfindungsgemäße NMR-Resonator für die ...

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Kernspinresonanz(= NMR)-Resonator, mit einem induktiven Abschnitt und einem kapazitiven Abschnitt,
wobei der induktive Abschnitt bandförmig ausgebildet ist und ein zylinderförmiges Untersuchungsvolumen umgibt,
wobei der kapazitive Abschnitt aus einem oder mehreren diskreten Kondensatoren gebildet wird,
und wobei die Enden des bandförmigen, induktiven Abschnitts durch den einen oder die mehreren Kondensatoren des kapazitiven Abschnitts verbunden sind.
Ein solcher NMR-Resonator ist beispielsweise aus der DE 42 23 909 A1 bekannt.
Die Kernspinresonanz-Spektroskopie ist ein wirkungsvolles Verfahren der instrumentellen Analytik. In eine in einem statischen Magnetfeld angeordnete Probe werden HF(= Hochfrequenz)-Pulse eingestrahlt, und die HF-Reaktion der Probe wird vermessen. Aus der HF-Reaktion kann auf die Eigenschaften der Probe geschlossen werden. Zum Einstrahlen von HF-Pulsen und zum Auslesen der HF-Probenreaktion werden NMR-Resonatoren eingesetzt. Die NMR-Resonatoren müssen dabei eine auf die jeweilige Messung abgestimmte Resonanzfrequenz aufweisen.
Im Rahmen der so genannten hochauflösenden NMR werden sehr starke statische Magnetfelder eingesetzt, die in der Regel mit heliumgekühlten, supraleitenden Spulensystemen erzeugt werden. Mittels hochauflösender NMR sind detaillierte, vollständige NMR-Spektren erhältlich, die eine genaue Analyse der chemischen Zusammensetzung einer Probe, etwa die Identifikation und Mengensbestimmung von unterschiedlichen Bindungstypen, erlauben. Die Resonanzfrequenzen bezogen auf Protonen liegen typischerweise im Bereich von einigen hundert Megaherz(= MHz).
Im Rahmen der so genannten niederauflösenden NMR (auch TD-NMR genannt, TD = time domain) werden hingegen schwächere statische Magnetfelder eingesetzt, die mit Permanentmagneten erzeugt werden können. Mittels niederauflösender NMR ist eine apparativ einfache und kostengünstige Bestimmung einzelner Eigenschaften von Proben möglich, beispielsweise der Anteil einer bestimmten Substanz in einer Probe. Die Resonanzfrequenzen bezogen auf Protonen liegen typischerweise im Bereich einiger zehn MHz.
Ein NMR-Resonator stellt im Wesentlichen einen Schwingkreis dar, der einen kapazitiven Abschnitt (mit Kapazität C) und einen induktiven Abschnitt (mit Induktivität L) umfasst. Die Resonanzfrequenz f des NMR-Resonators bestimmt sich dabei gemäß der Formel
Durch geeignete Wahl von L und C kann daher die Resonanzfrequenz eines NMR-Resonators eingestellt werden.
Die eingangs erwähnte DE 42 23 909 A1 zeigt in 4 einen NMR-Resonator mit einem C-förmig gebogenen, geschlitzten Metallblech („Spaltring"), dessen Enden mit einem oder mehreren Kondensatoren verbunden sind. NMR-Resonatoren diesen und ähnlichen Typs werden gegenwärtig auch in der niederauflösenden NMR eingesetzt, beispielsweise bei der Vermessung von Protonen in einem 40 MHz-Magneten. Die Resonanzfrequenz kann bei obigem Resonatortyp durch eine geeignete Wahl der der Kapazität C (also des oder der Kondensatoren) eingestellt werden.
Für manche Anwendungen der niederauflösenden NMR werden jedoch besonders geringe Resonanzfrequenzen benötigt. Für die Vermessung von C13-Atomen im oben genannten 40 MHz-Magneten wird beispielsweise ein NMR-Resonator mit einer Resonanzfrequenz von ca. 10 MHz benötigt.
Wird bei dem aus der DE 42 23 909 A1 bekannten Resonatortyp die Kapazität C erhöht, um die Resonanzfrequenz in den Bereich um 10 MHz zu senken, verschlechtert sich die Qualität der NMR-Messergebnisse deutlich.
Ein anderer NMR-Resonator mit einem spiralförmig gebogenen, bandförmigen Abschnitt ist beispielsweise aus der DE 10 2005 024 773 B3 , 2 bekannt. Eine Kontaktierung des innen liegenden Endes des bandförmigen Abschnitts erfolgt über einen axial herausgeführten Leiter. Dieser NMR-Resonator weist jedoch eine geringe mechanische Stabilität auf und ist nur schwer präzise zu fertigen. Auch ist das nutzbare Untersuchungsvolumen durch die Spiralform recht klein.
Weiterhin sind auch NMR-Resonatoren bekannt, die als induktiven Abschnitt eine Solenoidspule mit zahlreichen Windungen aufweist. Solche NMR-Resonatoren benötigen im Inneren der Solenoidspule einen Stützkörper, um die Leiterwindungen zu stabilisieren, insbesondere gegenüber akustischen Schwingungen. Der Stützkörper schränkt das nutzbare Untersuchungsvolumen stark ein. Dieser Resonatortyp ist ebenfalls relativ aufwändig zu fertigen.
Aus der WO 2006/137742 A1 ist eine MRI-Spulenanordnung bekannt geworden, die aus zwei konzentrisch angeordneten Spulen besteht, wobei die äußere Spule relativ zu der inneren axial und radial beweglich angeordnet ist. Die innere Spule umfasst eine beidseitig leitend beschichtete, dielektrische Folie, wobei die äußere Beschichtung eine radiale Unterbrechung aufweist, und eine elektrische Verbindung zwischen äußerer und innerer Beschichtung vorgesehen ist. Die Enden der Folie können überlappen, wobei die elektrische Verbindung im Bereich des Überlapps eingerichtet ist.
Durch Relativbewegung der beiden Spulen können die Eigenschaften des Resonatorsystems verändert werden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen NMR-Resonator für die niederauflösende NMR bereitzustellen, der einfach aufgebaut ist und bei niedrigen Resonanzfrequenzen qualitativ verbesserte NMR-Messungen ermöglicht.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen NMR-Resonator der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der induktive Abschnitt aus einer doppelseitig leitend beschichteten, dielektrischen, flexiblen Folie ausgebildet ist, dass die Enden des bandförmigen, induktiven Abschnitts überlappen, wobei die äußere Beschichtung des innen liegenden Endes mit der innen liegenden Beschichtung des außen liegenden Endes elektrisch leitend verbunden sind, dass im Bereich des innen liegenden Endes des bandförmigen, induktiven Abschnitts eine oder mehrere Durchkontaktierungen vorgesehen sind, und dass die äußere Beschichtung im Bereich des außen liegenden Endes mit der inneren Beschichtung im Bereich des innen liegenden Endes über den einen oder die mehreren Kondensatoren und die eine oder die mehreren Durchkontaktierungen verbunden sind.
Bei der niederauflösenden NMR wird die Qualität einer NMR-Messung durch die Güte des verwendeten NMR-Resonators begrenzt. Die Güte eines NMR-Resonators wird dabei vor allem durch zwei Einflussgrößen bestimmt:

1) die ohmschen Verluste (Widerstand R) im induktiven Abschnitt, und
2) die dielektrischen Verluste (Verlustfaktor tan δ) im kapazitiven Abschnitt. In der Regel dominiert einer der beiden Einflussgrößen die Resonatorgüte; die andere Einflussgröße ist dann praktisch unerheblich.

Beim Resonatortyp der DE 42 23 909 A1 wird die Güte durch die zweite Einflussgröße, d. h. die dielektrischen Verluste im kapazitiven Abschnitt, dominiert. Beim Übergang zu niedrigeren Resonanzfrequenzen ist eine Erhöhung der Kapazität C erforderlich, d. h. es müssen mehr oder größere Kondensatoren eingesetzt werden. Dadurch erhöhen sich die dielektrischen Verluste im elektrischen Schwingkreis des Resonators. Da die dielektrischen Verluste die Güte dieses Resonatortyps dominieren, verschlechtert sich dann aber unmittelbar die Resonatorgüte.
Die Erfindung schlägt demgegenüber ein NMR-Resonatordesign vor, welches einen bandförmigen und im Wesentlichen im Querschnitt ringförmigen induktiven Abschnitt mit erhöhter Induktivität L aufweist. Durch die beidseitige leitfähige Beschichtung der dielektrischen Folie und die zugehörigen elektrischen Verbindungen werden effektiv zwei Leiterschleifen eingerichtet, womit eine Vervierfachung der Induktivität L gegenüber einer einfachen Ringanordnung mit nur einer Leiterschleife – wie aus DE 42 23 909 A1 bekannt – erreicht wird. Die geringfügige Zunahme ohmschen Verluste (Widerstand R) im verlängerten induktiven Abschnitt verschlechtert die Resonatorgüte beim erfindungsgemäßen Resonatordesign nicht merklich. Verglichen mit diesem Stand der Technik kann durch das erfindungsgemäße Design mit gleichem C im Schwingkreis (und entsprechend näherungsweise gleicher Resonatorgüte) eine Absenkung der Resonanzfrequenz um einen Faktor 2 erfolgen, oder aber bei gleicher Resonanzfrequenz (mit gevierteltem C bei vervierfachtem L) eine deutliche Verbesserung der Resonatorgüte erreicht werden. Experimentell wurde bei einer jeweils gleichen Resonanzfrequenz von 10 MHz mit einem erfindungsgemäßen NMR-Resonator mit zwei effektiven Leiterschleifen eine ca. 3-fach verbesserte Güte gegenüber einem herkömmlichen NMR-Resonator mit nur einer Leiterschleife erzielt.
Das erfindungsgemäße Resonatordesign ist sehr einfach und kostengünstig zu fertigen; zur Herstellung der Folie können bekannte lithographische Prozesstechniken, insbesondere auch Drucktechniken, eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße NMR-Resonator kann dann im Wesentlichen durch ein Zusammenbiegen (ringförmiges Schließen mit Überlapp) der beschichteten Folie und anschließendes Anbringen der Kondensatoren und weiteren elektrischen Verbindungen erfolgen. Der Resonator ist besonders kompakt und platzsparend; es stellt sich insbesondere ein gutes Verhältnis von Probendurchmesser zu Luftspalt (des umgebenden Magneten) ein. Das einfache, ringförmig geschlossene Resonatordesign erlaubt eine gute mechanische Stabilität. Bei geeigneter Auslegung des erfindungsgemäßen NMR-Resonators ist dieser selbsttragend, insbesondere ist kein Stützkörper für elektrische Leiter erforderlich. Die Beschichtungen (und damit die elektrischen Leiter) haften unmittelbar auf der bandförmigen Folie, wodurch der NMR-Resonator mikrofonisch stabil ausgebildet wird; dadurch werden Störungen der NMR-Messung durch akustische Schwingungen des NMR-Resonators bzw. dessen elektrischen Leitern weitestgehend vermieden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Resonators liegt die Resonanzfrequenz des NMR-Resonators in einem Bereich zwischen 1 MHz und 100 MHz, vorzugsweise zwischen 5 MHz und 20 MHz. In diesem Frequenzbereich kann der erfindungsgemäße NMR-Resonator bei vergleichsweise geringem konstruktivem Aufwand eine besonders hohe Resonatorgüte zur Verfügung stellen. Man beachte, dass mit dem erfindungsgemäßen NMR-Resonator insbesondere C13-Atome gut vermessen werden können, deren Messfrequenzen deutlich niedriger sind als die Messfrequenzen von Protonen bei gleichem statischen Magnetfeld.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die flexible Folie aus Teflon gefertigt ist. Teflon ist ein robustes Material mit einer gleichzeitig ausreichenden Flexibilität für die Fertigung des erfindungsgemäßen NMR-Resonators. Eine typische erfindungsgemäße Dicke der Folie beträgt 0,1 bis 1 mm. Darüber hinaus ist Teflon (Polytetrafluorethen) wasserstofffrei und stört daher die NMR-Messung von Protonen nicht; es tritt kein Grundsignal bei der Vermessung von Protonen auf.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die leitenden Beschichtungen der Folie frei von ferromagnetischem Material sind. Dadurch werden Magnetfeldverzerrungen bei der NMR-Messung vermieden.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die leitenden Beschichtungen der Folie Kupfer und/oder Silber enthalten. Diese Materialien haben eine hohe spezifische elektrische Leitfähigkeit und lassen sich gut verarbeiten. Eine typische Dicke einer einfachen Kupferbeschichtung beträgt 20 bis 100 μm, bevorzugt ca. 35 μm.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist auf den leitenden Beschichtungen der Folie ein Schutzüberzug aufgebracht. Als Beschichtung eignet sich beispielsweise Lötstopplack. Falls ein wasserstofffreier Schutzüberzug notwendig ist, um ein H-Grundsignal zu vermeiden, kann als Schutzüberzug auch eine Teflondispersion aufgetragen werden. Der Schutzüberzug verhindert eine Korrosion der Beschichtungen, insbesondere bei silberhaltigen Beschichtungen. In der Regel wird der Schutzüberzug der Einfachheit halber über der gesamten Folie, also auch über nicht beschichtete Bereiche, aufgebracht.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der das Untersuchungsvolumen einen Rauminhalt im Bereich zwischen 0,1 cm³ und 10 cm³ hat. Für diese kleinen Rauminhalte hat sich das erfindungsgemäße NMR-Resonatordesign besonders bewährt. Ein typischer Durchmesser eines Untersuchungsvolumens beträgt hierbei 0,2 bis 1 cm.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Anzahl der Durchkontaktierungen zwischen 3 und 10 beträgt. Mittels der Anzahl und Position der Durchkontaktierungen kann die Stromverteilung in den Beschichtungen (auf der Außen- und der Innenseite der Folie) beeinflusst werden; mit der angegebenen Anzahl kann eine ausreichende Verteilungsfunktion bei geringem Fertigungsaufwand erreicht werden. Man beachte, dass erfindungsgemäß bevorzugt maximal 50% der axialen Breite des induktiven Abschnitts für Durchkontaktierungen bzw. deren Materialabtrag bei den Beschichtungen eingesetzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Resonators ist dieser so ausgebildet, dass sich im Betrieb eine axiale Verteilung des HF-Stroms auf dem bandförmigen, induktiven Abschnitt ergibt, bei der die HF-Stromdichte in den axial außen liegenden Bereichen des bandförmigen induktiven Abschnitts relativ zum axial innen liegenden Bereich erhöht ist. Durch eine solche Stromverteilung kann eine verbesserte Homogenität der magnetischen Komponente des HF-Feldes im Untersuchungsvolumen erreicht werden. Die im axialen Randbereich des induktiven Abschnitts erhöhten Stromdichten kompensieren die in axialer Richtung nicht-unendliche Ausdehnung des induktiven Abschnitts.
Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung des HF-Stroms eingestellt ist mittels

– einer entsprechenden axialen Verteilung der Positionen der Durchkontaktierungen,
– und/oder einer entsprechenden axialen Verteilung von Kapazitätswerten der Kondensatoren,
– und/oder einer entsprechenden axialen Verteilung von teil-umlaufenden Schlitzen in der Beschichtung der flexiblen Folie. Durch die genannten Maßnahmen kann die Stromverteilung auf einfache Weise eingestellt werden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die doppelseitig beschichtete Folie als gedruckte Schaltung gefertigt ist. Dadurch ist der erfindungsgemäße NMR-Resonator besonders einfach und kostengünstig zu fertigen. Es können bekannte Standardverfahren der Lithographie eingesetzt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass die gedruckte Schaltung Koppelstrukturen zum Ein- und/oder Auskoppeln von HF-Energie umfasst. Dadurch werden die Koppelstrukturen in den erfindungsgemäßen NMR-Resonator auf einfache Weise integriert; separate Koppelstrukturen (etwa Spulen) sind nicht notwendig. Dadurch wird nicht nur die Fertigung verbilligt, sondern auch die mechanische Stabilität des gesamten NMR-Resonators verbessert und ein besonders kompakter, platzsparender Gesamtaufbau erreicht.
Bevorzugt ist in einer Weiterentwicklung dieser Weiterbildung vorgesehen, dass die Koppelstrukturen in den axialen Randbereichen der Folie ausgebildet sind. In der Regel ist der induktive Abschnitt bzw. die zugehörige beidseitige Beschichtung auf der Folie axial in einem mittleren Bereich angeordnet, und die Koppelstrukturen sind auf der Folie axial seitlich (auf einer Seite oder auch zu beiden Seiten) des induktiven Abschnitts angeordnet und von diesem durch einen nicht beschichteten Spalt beabstandet. Die Koppelstrukturen auf der Folie sind auf einfache Weise automatisch koaxial mit dem induktiven Abschnitt ausgerichtet. Die axial seitliche Anordnung der Koppelspulen ist weiterhin sehr kompakt und verbraucht insbesondere in radialer Richtung keinen zusätzlichen Platz gegenüber dem induktiven Abschnitt.
Bevorzugt ist es dabei, wenn die Koppelstrukturen an beiden axialen Randbereichen der Folie weitestgehend symmetrisch ausgebildet sind. Dies verbessert die Magnetfeldhomogenität im Untersuchungsvolumen.
Bei einer anderen Weiterentwicklung umfassen die Koppelstrukturen Leiterbahnen auf beiden Seiten der Folie. Dadurch kann bei den Koppelstrukturen eine erhöhte Induktivität genutzt werden, um die Ein- und Auskopplung zu verbessern.
Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, die vorsieht, dass das Material der flexiblen Folie sowie die Dicke der flexiblen Folie sowie das Material der Beschichtungen sowie die Dicke der Beschichtungen so ausgewählt sind, dass der NMR-Resonator selbsttragend ist. Durch eine geeignete Materialwahl und Dicke bei Folie und Beschichtung kann bei dem im Wesentlichen ringförmigen, erfindungsgemäßen Resonatordesign leicht eine hohe Steifigkeit im geschlossenen Zustand erreicht werden. Für den Normalbetrieb des NMR-Resonators (d. h. für übliche NMR-Messungen) ist kein Tragekörper im Inneren der geschlossenen Folie notwendig, um die Leiterbahnen ortsfest zu halten. Ggf. vorhandene Koppelstrukturen auf der Folie sind ebenfalls ausreichend fest.
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ein niederauflösendes NMR-Spektrometer, umfassend einen erfindungsgemäßen NMR-Resonator. Der erfindungsgemäße NMR-Resonator ist dabei typischerweise im Inneren eines Permanentmagneten des NMR-Spektrometers angeordnet. Niederauflösende NMR-Spektrometer werden auch als Time Domain Spektrometer oder Benchtop-Spektrometer bezeichnet. Insbesondere kann ein erfindungsgemäßer NMR-Resonator in einem Gerät des Typs „Minispec" der Firma Bruker BioSpin GmbH, Rheinstetten, DE, eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße NMR-Spektrometer kann bei niedrigen Resonanzfrequenzen kostengünstig qualitativ gute NMR-Messungen bereitstellen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen oberen Abschnitt eines erfindungsgemäßen NMR-Resonators in schematischer Schrägansicht;
2 eine schematischen Querschnitt durch den NMR-Resonator von 1 auf axialer Höhe einer Durchkontaktierung;
3 eine schematische Darstellung der außen liegenden und innen liegenden Seite einer Folie eines erfindungsgemäßen NMR-Resonators im abgewickelten Zustand, einschließlich elektrischer Verschaltung.
Die 1 und 2 zeigen beispielhaft einen erfindungsgemäßen NMR-Resonator 1 in einer schematischen Schrägansicht und einer Querschnittsansicht. Der NMR-Resonator 1 umfasst als Grundkörper (Trägerkörper) eine flexible Folie 2 aus einem Isolatormaterial (hier Teflon), welche näherungsweise zu einem Zylindermantel (hier Kreiszylindermantel) gebogen ist. Die Folie 2 umschließt ein näherungsweise kreiszylinderförmiges Untersuchungsvolumen 5 für eine Probe (nicht dargestellt).
Auf der radial inneren Seite der Folie 2 ist eine flächige, innere Beschichtung 3 aus Kupfer aufgebracht, und auf der radial äußeren Seite der Folie 2 ist eine flächige, äußere Beschichtung 4 aus Kupfer aufgebracht. Diese doppelseitige Beschichtung 3, 4 der Folie 2 bildet einen bandförmigen induktiven Abschnitt 6 des NMR-Resonators 1.
Die Folie 2 bzw. der bandförmige induktive Abschnitt 6 weist zwei sich überlappende Enden, nämlich ein innen liegendes Ende 7 und ein außen liegendes Ende 8 auf. Eine Überlappung besteht dabei nur über einen geringen Teil (bevorzugt 1/10 oder weniger) des Umfangs der kreiszylindermantelförmig gebogenen Folie 2. Der bandförmige induktive Abschnitt 6 ist kapazitiv mittels mehrerer Kondensatoren 13 (bevorzugt MLCC-Kondensatoren mit möglichst geringen dielektrischen Verlusten, MLCC = multilayer ceramic chip capacitor) geschlossen; die Kondensatoren 13 bilden einen kapazitiven Abschnitt 6a des NMR-Resonators 1 aus. Man beachte, dass die Kondensatoren 13 diskrete elektronische Bauteile sind, und nicht etwa Luftspalten der Resonatorgeometrie.
Wie aus 2, die eine Querschnittsansicht der 1 senkrecht zur axialen Richtung zeigt, am besten ersichtlich, verbindet im Überlappbereich ein Lötkontakt 9 die äußere Beschichtung 4 des innen liegenden Endes 7 mit der inneren Beschichtung 3 des äußeren Endes 8 in elektrisch leitender Weise.
Weiterhin sind im Bereich des innen liegenden Endes 7, nämlich kurz vor dem Überlappbereich, Durchkontaktierungen 10 in der Folie 2 vorgesehen. Diese Durchkontaktierungen 10 weisen jeweils eine Bohrung durch die Folie 2 auf, durch die die innere Beschichtung 3 im Bereich des innen liegenden Endes 7 kontaktiert wird, insbesondere mittels eines Lötkontakts 11. Um die Durchkontaktierungen 10 weist die Kupferbeschichtung an der Außenseite der Folie 2 zur Isolation einen ringförmigen Spalt 12 auf; der Spalt 12 weist einen Durchmesser D in axialer Richtung auf. Der Lötkontakt 11 ist an einen Kondensator 13 angeschlossen, der an seinem anderen Ende mittels eines weiteren Lötkantakts 14 an die äußere Beschichtung 4 im Bereich des außen liegenden Endes 8 angeschlossen ist.
Insgesamt ergibt sich damit ein elektrischer Schwingkreis im NMR-Resonator mit folgender Abfolge: Kondensator 13 – äußere Beschichtung 4 im Bereich des außen liegenden Endes 8 – ringförmige Leiterschleife auf der äußeren Beschichtung 4 – äußere Beschichtung 4 im Bereich des inneren Endes 7 – Lötkontakt 9 – innere Beschichtung 3 im Bereich des äußeren Endes 8 – ringförmige Leiterschleife auf der inneren Beschichtung 3 – innere Beschichtung 3 im Bereich des innen liegenden Endes 7 – Durchkontaktierung 10 – Lötkontakt 11 – Kondensator 13. Insgesamt wird also zwei mal eine ringförmige Leiterschleife durchlaufen.
Die Folie 2 ragt über das axiale Ende 15 (siehe 1) der Beschichtungen 3, 4 hinaus. Axial seitlich der Beschichtungen 3, 4 sind Koppelstrukturen 16 auf der Folie 2 aufgebracht, insbesondere umfassend ringförmige Leiterbahnen 17 auf der Außenseite der Folie 2 und ringförmgie Leiterbahnen 18 auf der Innenseite der Folie 2. Die Koppelstrukturen 16 dienen zum Ein- und Auskoppeln von HF-Energie während einer NMR-Messung einer Probe, die im Untersuchungsvolumen 5 angeordnet ist. Die Koppelstrukturen 16 umfassen eigene Durchkontaktierungen 19.
Die Fertigung eines erfindungsgemäßen NMR-Resonators erfolgt beispielsweise als gedruckte Schaltung, wobei die Vorder- und Rückseite einer zunächst ebenen, flexiblen Folie mit Kupfer beschichtet werden. Dann werden die Durchkontaktierungen gebohrt und anschließend in einem galvanischen Verfahren mit Kupferhülsen versehen, welche die leitenden Verbindungen der beiden Kupferseiten bewirken. Die so vorbereitete Folie wird nun mit lichtempfindlichem Lack beschichtet. Durch Belichtung durch die Fotovorlage der gewünschten Struktur, Entwickeln und Abätzen wird diese auf die Kupferschicht übertragen. Die Abätzung der belichteten Bereiche erfolgt dabei komplett. Dieses Verfahren wird für beide Seiten der Folie durchgeführt. Nach abwaschen des lichtempfindlichen Schutzlackes mit dem entsprechenden Lösungsmittel weist die Folie die gewünschten Strukturen auf. Auch andere Methoden zur Herstellung der Folie, wie zum Beispiel Fräsen und Sputtern, sind möglich, wobei die zuerst geschilderte die kostengünstigste ist.
Durch die Beschichtung der flexiblen Folie mit Kupfer ist diese deutlich versteift. Sie kann jedoch noch mit geringem Kraftaufwand verformt werden; die Kupferbeschichtungen auf beiden Seiten bewirken hierbei eine bleibende Verformung. Die beschichtete Folie wird üblicherweise in eine Kreiszylindermantelform gebracht (siehe 1); dabei kann zeitweilig eine kreiszylinderförmige Verformungshilfe eingesetzt werden. Nun schließen sich Lötarbeiten für die Kontaktierungen, insbesondere bei den Durchkontaktierungen und den Kondensatoren, an.
Eine schematische Darstellung der Außenseite 32 und der Innenseite 33 einer rechteckigen Folie 2 eines erfindungsgemäßen NMR-Resonators 31 (ähnlich dem in 1 gezeigten NMR-Resonator) im abgewickelten (ebenen) Zustand zeigt die 3. Dunkel dargestellt sind auf der Folie 2 jeweils leitende Bereiche (Kupferbeschichtungen); zusätzlich zeigt die 3 auch die elektrischen Verbindungen und Verschaltungen im fertigen Zustand. Die im fertigen Zustand jeweils innen liegenden Enden 7 und außen liegenden Enden 8 (vgl. 1, 2) der beiden Seiten 32, 33 sind markiert. Die axiale Richtung verläuft in 3 von oben nach unten.
Den größte Teil der Außenseite 32 der Folie 2 ist mit einer äußeren Beschichtung 4 aus Kupfer bedeckt. Im Bereich des innen liegenden Endes 7 sind elektrische Kontakte 34 (vgl. auch Lötkontakt 9 in 2) zum außen liegenden Ende 8 einer inneren Beschichtung 3 der Innenseite 33 vorgesehen. Am innen liegenden Ende 7 der inneren Beschichtung 3 sind Durchkontaktierungen 10 vorgesehen, über die innere Beschichtung 3 über Kondensatoren 13a, 13b, 13c, 13d mit der äußeren Beschichtung 4 im Bereich des äußeren Endes 8 verbunden wird.
Zur Einstellung der axialen Stromdichte innerhalb der inneren Beschichtung 3 und der äußeren Beschichtung 4 weisen die beiden axial außen angeschlossenen Kondensatoren 13a und 13c einen höheren Kapazitätswert auf als die axial innen angeschlossenen Kondensatoren 13b und 13d. Weiterhin beträgt die Summe der axialen Durchmesser D der isolierenden Bereiche (Beschichtungsspalte) der Durchkontaktierungen 10 (vgl. auch 1) bevorzugt maximal 50% der axialen Breite AB der Beschichtung 3, um einen ausreichenden Stromfluss über die gesamte Breite der Beschichtungen 3, 4 zu gewährleisten. Im gezeigten Beispiel mit vier gleichen Durchkontaktierungen 10 lautet diese Bedingung 4·D ≤ 0,5·AB.
Axial seitlich der inneren und äußeren Beschichtung 3, 4 sind Koppelstrukturen 16a, 16b vorgesehen. Über die Kontakte 35 und 36 (Ankopplung Anfang/Ende) können die Koppelstrukturen 16a, 16b an die Elektronik eines NMR-Spektrometers angeschlossen werden. Man beachte, dass die Koppelstrukturen 16a, 16b insgesamt acht in Serie verschaltete Leiterschleifen umfassen, wovon vier auf der Außenseite 32 und vier auf der Innenseite 33 der Folie 2 verlaufen. Die Koppelstrukturen 16a, 16b sind (ebenso wie die innere und äußere Beschichtung 3, 4) auf der Folie 2 als Kupferbeschichtung belassen. Die Koppelstrukturen 16a verlaufen an der in 3 axial unteren Seite, und die Koppelstrukturen 16b an der axial oberen Seite der Folie 2. Die Koppelstrukturen 16a und 16b (insbesondere die Positionen der Leiterbahnen) sind im Wesentlichen spiegelsymmetrisch bezüglich einer senkrecht zur axialen Richtung verlaufenden Spiegelebene, die den NMR-Resonator 31 mittig teilt (nicht eingezeichnet). Die Koppelstrukturen 16a, 16b umfassen insgesamt vier Durchkontaktierungen 37.
Zusammenfassend schlägt die Erfindung vor, bei einem NMR-Resonator mit einem hülsenförmigen, induktiven Abschnitt einen isolierenden Hülsenträger mit jeweils einer leitfähigen Beschichtung auf der Außenseite und der Innenseite vorzusehen, und die beiden Beschichtungen seriell mit gleichgerichtetem Stromfluss zu verschalten. Die überlappenden Enden des Hülsenträgers werden über Kondensatorbauteile kapazitiv geschlossen. Bei diesem NMR-Resonator kann mit dem mechanisch stabilen und einfachen Aufbau einer einfachen Hülse eine Nutzung von zwei Leiterschleifen erfolgen, so dass eine erhöhte Induktivität erreicht wird. Damit können bei NMR-Resonatoren für niedrige Frequenzen (um 20 MHz und darunter) geringere Kapazitäten verwendet werden, wodurch dielektrische Verluste im NMR-Resonator vermindert werden, und die Qualität von NMR-Messungen gesteigert werden kann.

Claims

NMR-Resonator (1; 31), mit einem induktiven Abschnitt (6) und einem kapazitiven Abschnitt (6a), wobei der induktive Abschnitt (6) bandförmig ausgebildet ist und ein zylinderförmiges Untersuchungsvolumen (5) umgibt, wobei der kapazitive Abschnitt (6a) aus einem oder mehreren diskreten Kondensatoren (13; 13a, 13b, 13c, 13d) gebildet wird, und wobei die Enden (7, 8) des bandförmigen, induktiven Abschnitts (6) durch den einen oder die mehreren Kondensatoren (13; 13a, 13b, 13c, 13d) des kapazitiven Abschnitts (6a) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Abschnitt (6) aus einer doppelseitig leitend beschichteten, dielektrischen, flexiblen Folie (2) ausgebildet ist, dass die Enden (7, 8) des bandförmigen, induktiven Abschnitts (6) überlappen, wobei die äußere Beschichtung (4) des innen liegenden Endes (7) mit der innen liegenden Beschichtung (3) des außen liegenden Endes (8) elektrisch leitend verbunden sind, dass im Bereich des innen liegenden Endes (7) des bandförmigen, induktiven Abschnitts (6) eine oder mehrere Durchkontaktierungen (10) vorgesehen sind, und dass die äußere Beschichtung (4) im Bereich des außen liegenden Endes (8) mit der inneren Beschichtung (3) im Bereich des innen liegenden Endes (7) über den einen oder die mehreren Kondensatoren (13; 13a, 13b, 13c, 13d) und die eine oder die mehreren Durchkontaktierungen (10) verbunden sind.
NMR-Resonator (1; 31) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des NMR-Resonators (1; 31) in einem Bereich zwischen 1 MHz und 100 MHz, vorzugsweise zwischen 5 MHz und 20 MHz, liegt.
NMR-Resonator (1; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Folie (2) aus Teflon gefertigt ist.
NMR-Resonator (1; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Beschichtungen (3, 4) der Folie frei von ferromagnetischem Material sind.
NMR-Resonator (1; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Beschichtungen (3, 4) der Folie (2) Kupfer und/oder Silber enthalten.
NMR-Resonator (1; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den leitenden Beschichtungen (3, 4) der Folie (2) ein Schutzüberzug aufgebracht ist.
NMR-Resonator (1; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersuchungsvolumen (5) einen Rauminhalt im Bereich zwischen 0,1 cm³ und 10 cm³ hat.
NMR-Resonator (1; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Durchkontaktierungen (10) zwischen 3 und 10 beträgt.
NMR-Resonator (1; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NMR-Resonator (1; 31) so ausgebildet ist, dass sich im Betrieb eine axiale Verteilung des HF-Stroms auf dem bandförmigen, induktiven Abschnitt (6) ergibt, bei der die HF-Stromdichte in den axial außen liegenden Bereichen des bandförmigen induktiven Abschnitts (6) relativ zum axial innen liegenden Bereich erhöht ist.
NMR-Resonator (1; 31) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung des HF-Stroms eingestellt ist mittels – einer entsprechenden axialen Verteilung der Positionen der Durchkontaktierungen (10), – und/oder einer entsprechenden axialen Verteilung von Kapazitätswerten der Kondensatoren (13; 13a, 13b, 13c,13d), – und/oder einer entsprechenden axialen Verteilung von teil-umlaufenden Schlitzen in der Beschichtung (3, 4) der flexiblen Folie (2).
NMR-Resonator (1; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die doppelseitig beschichtete Folie (2) als gedruckte Schaltung gefertigt ist.
NMR-Resonator (1; 31) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gedruckte Schaltung Koppelstrukturen (16; 16a, 16b) zum Ein- und/oder Auskoppeln von HF-Energie umfasst.
NMR-Resonator (1; 31) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelstrukturen (16; 16a, 16b) in den axialen Randbereichen der Folie (2) ausgebildet sind.
NMR-Resonator (1; 31) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelstrukturen (16; 16a, 16b) an beiden axialen Randbereichen der Folie (2) symmetrisch ausgebildet sind.
NMR-Resonator (1; 31) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelstrukturen (16; 16a, 16b) Leiterbahnen (17, 18) auf beiden Seiten der Folie (2) umfassen.
NMR-Resonator (1; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der flexiblen Folie (2) sowie die Dicke der flexiblen Folie (2) sowie das Material der Beschichtungen (3, 4) sowie die Dicke der Beschichtungen (3, 4) so ausgewählt sind, dass der NMR-Resonator (1; 31) selbsttragend ist.
Niederauflösendes NMR-Spektrometer, umfassend einen NMR-Resonator (1; 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.