DE102010018868A1

DE102010018868A1 - Resonance unit for biological sample head for NMR-spectroscopy examination, has capacitor filled with dielectric and comprising recess to hold sample in area of node for harmonic processing of electromagnetic alternating field

Info

Publication number: DE102010018868A1
Application number: DE201010018868
Authority: DE
Inventors: Dr. Witter Raiker
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-03

Abstract

The unit has a capacitor whose electrodes (1, 1') are designed as a resonator for harmonic processing of a high frequency electromagnetic alternating field that is produced by a coil. The capacitor is partially filled with a dielectric (2) whose dielectric constant exhibits value that ranges from 10 to 10000. The capacitor has a recess (3) for holding a sample to be examined in an area of a node for harmonic processing of the high frequency electromagnetic alternating field. The dielectric is utilized as ferroelectric such as barium titanate or lead-zirconate-titanate.

Description

Die Erfindung betrifft eine Resonanzeinheit für einen Probenkopf für Kernresonanzuntersuchungen sowie einen Probenkopf, der eine derartige Resonanzeinheit umfasst.The invention relates to a resonance unit for a probe head for nuclear magnetic resonance examinations and to a probe head comprising such a resonance unit.

Die Kernresonanz-Spektroskopie (nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR-Spektroskopie) basiert auf dem Nachweis von Wechselwirkungen zwischen Molekülen in einer zu untersuchenden Probe und diese beaufschlagende hochfrequente elektromagnetische Felder. Sie ermöglicht Aussagen über die elektronische Umgebung der Atome und ihrer Wechselwirkungen mit Nachbaratomen und dient somit der Charakterisierung der Struktur und Dynamik von Molekülen.Nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) is based on the detection of interactions between molecules in a sample to be investigated and these high-frequency electromagnetic fields. It makes possible statements about the electronic environment of the atoms and their interactions with neighboring atoms and thus serves to characterize the structure and dynamics of molecules.

Die in der NMR eingesetzten hochfrequenten elektromagnetischen Felder werden üblicherweise mittels stromdurchflossenen Spulen erzeugt. Diese besitzen sowohl magnetische als auch elektrische Feldkomponenten, wobei letztere im Allgemeinen zu einer unerwünschten Ohmschen Erwärmung der Probe führen. Insbesondere bei wässrigen Proben, die biologische Substanzen enthalten, führen die elektrischen Feldkomponenten zu einer Veränderung oder Zerstörung des Materials. Daher existieren seit langem verschiedene Ansätze zur Verringerung der Größe der elektrischen Feldkomponente am Ort der Probe.The high-frequency electromagnetic fields used in NMR are usually generated by means of current-carrying coils. These have both magnetic and electric field components, the latter generally resulting in undesired ohmic heating of the sample. In particular, in aqueous samples containing biological substances, the electric field components lead to a change or destruction of the material. Therefore, various approaches have long existed for reducing the size of the electric field component at the location of the sample.

Eine Maßnahme, die Höhe des elektrischen Felds am Probenort zu verringern, ist eine Abschirmung durch geeignete Materialien. Nachteilig hieran ist der Platzbedarf für die hierfür benötigten Abschirmkomponenten wie z. B. Kupferfolien, Silberbleche oder goldbedampfte Scheiben.One measure to reduce the height of the electric field at the sample site is shielding by suitable materials. The disadvantage of this is the space required for the required shielding components such. As copper foils, silver sheets or gold vaporized discs.

Aus D. Kajfez und P. Guillon, Dielectric Resonators, Seite 16–42, Artech House, 1984 , ist es bekannt, die Komponenten des elektrischen Felds am Probenort durch den Einsatz eines dielektrischen Resonators zu verringern. Da die Resonanzfrequenz jedoch von der Geometrie und den Dimensionen des Resonators abhängt, lässt sich ein derartiger dielektrischer Resonator jedoch nicht auf eine beliebige Frequenz abstimmen. Ein weiteres Beispiel hierfür liefert die DE 10 2005 039 987 B3 , die einen Probenkopf für Kernresonanzmessungen mit einem kompakten Probenhalter, der einen Stator und einen zur Aufnahme der Probe vorgesehenen Rotor umfasst, offenbart, wobei der Stator als dielektrischer Resonator ausgebildet ist.Out D. Kajfez and P. Guillon, Dielectric Resonators, pages 16-42, Artech House, 1984 , it is known to reduce the components of the electric field at the sample location by the use of a dielectric resonator. However, since the resonant frequency depends on the geometry and dimensions of the resonator, such a dielectric resonator can not be tuned to any frequency. Another example provides the DE 10 2005 039 987 B3 discloses a probe core for nuclear magnetic resonance measurements with a compact sample holder comprising a stator and a rotor provided for receiving the sample, wherein the stator is formed as a dielectric resonator.

Die US 4,446,429 A beschreibt einen so genannten Loop-Gap-Resonator, der eine elektrisch leitfähige Schleife (loop), die eine zentrale Achse umgibt, umfasst, wobei die Schleife eine Vielzahl von Schlitzen (gaps) aufweist, die die Schleife in eine Vielzahl von Segmenten unterteilen. Somit bildet sich ein Resonator aus, worin die Schleife das induktive Element und die Schlitze das kapazitive Element darstellen, die zusammen die Resonanzfrequenz bestimmen. Sind die Schlitze symmetrisch um die zentrale Achse angeordnet, ist es möglich, hierdurch die Komponenten des elektrischen Felds zu verringern.The US 4,446,429 A describes a so-called loop-gap resonator comprising an electrically conductive loop surrounding a central axis, the loop having a plurality of slots which divide the loop into a plurality of segments. Thus, a resonator forms, wherein the loop represents the inductive element and the slots the capacitive element, which together determine the resonant frequency. If the slots are arranged symmetrically about the central axis, it is possible to reduce the components of the electric field.

In der US 5,539,315 A wird der Betrags des äußeren elektrischen Felds dadurch verringert, dass eine innere Spule, die einen Loop-Gap-Resonator mit nur einer Schleife und einem Schlitz ausbildet, durch eine äußere Spule mit mehreren Windungen umgeben ist. Die innere Spule schirmt das elektrische Feld der äußeren Spule zum Zentrum, an dem sich die Probe befindet, hin ab.In the US 5,539,315 A The amount of external electric field is reduced by surrounding an inner coil forming a loop gap resonator with only one loop and one slot by an outer coil having a plurality of turns. The inner coil shields the electric field of the outer coil to the center where the sample is located.

Aus B. Dillmann, R. Elbayed, H. Zeiger, M. C. Weingertner, M. Piotto, F. Engelke, J. Mag. Res. 187, S. 10–18, 2007 , ist es bekannt, die Komponenten des elektrischen Felds durch den Einsatz von zwei spiralen Spulen, die um einen Loop-Gap-Resonator angeordnet sind, weiter zu verringern.Out Dillmann, R. Elbayed, H. Zeiger, MC Weingertner, M. Piotto, F. Engelke, J. Mag. Res. 187, p. 10-18, 2007 , It is known to reduce the components of the electric field by the use of two spiral coils, which are arranged around a loop-gap resonator on.

In P. L. Gor'kov, E. Y. Chekmenev, C. Li, M. Cotten, J. J. Buffy, N. N. Traaseth, G. Veglia und William W. Brey, Using low-E resonators to reduce RF heating in biological samples for static solid-state NMR up to 900 MHz, J. Mag. Res. 185, S. 77–93, 2007 , werden die Komponenten des elektrischen Felds durch den Einsatz eines so genannten Low-E Resonators verringert, wozu besonders ausgestaltete Spulen mit separaten Resonatoren für verschiedene Frequenzen eingesetzt werden. Ein Aufheizen der Probe wird durch einen Loop-Gap Resonator verringert, der ein homogenes Magnetfeld mit geringen elektrischen Feldkomponenten erzeugt. Innerhalb des Loop-Gap Resonators ist eine an die geometrische Form der Probe angepasste Spule mit einer Vielzahl von Windungen als Nachweisspule eingebracht. Nachteilig hieran sind die fehlende Möglichkeit zur Miniaturisierung sowie die Beschränkung auf einen abgegrenzten Frequenzbereich.In PL Gor'kov, EY Chekmenev, C. Li, M. Cotten, JJ Buffy, NN Traaseth, G. Veglia, and William W. Brey, Using low-E resonators to reduce RF heating in biological samples for static solid state NMR up to 900 MHz, J. Mag. Res. 185, pp. 77-93, 2007 , the components of the electric field are reduced by the use of a so-called low-E resonator, using specially designed coils with separate resonators for different frequencies. Heating of the sample is reduced by a loop-gap resonator, which generates a homogeneous magnetic field with low electric field components. Within the loop gap resonator, a coil with a multitude of turns adapted to the geometric shape of the sample is introduced as a detection coil. Disadvantages of this are the lack of opportunity for miniaturization and the restriction to a delimited frequency range.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Resonanzeinheit für einen Probenkopf für Kernresonanzuntersuchungen sowie einen Probenkopf, der eine derartige Resonanzeinheit umfasst, vorzuschlagen, die die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen.Proceeding from this, it is the object of the present invention to propose a resonance unit for a probe head for nuclear magnetic resonance examinations and a probe head comprising such a resonance unit, which do not have the mentioned disadvantages and limitations.

Insbesondere soll eine Resonanzeinheit für einen Probenkopf für Kernresonanzuntersuchungen bereitgestellt werden, die über einen einfachen, leicht zu miniaturisierenden Aufbau verfügt, die über einen möglichst weiten Frequenzbereich abstimmbar ist und die sich durch eine hohe Homogenität der magnetischen Feldkomponente bei gleichzeitigem Minimum der elektrischen Feldkomponente am Probenort auszeichnet.In particular, a resonance unit for a probe head for nuclear magnetic resonance investigations is to be provided, which has a simple, easy to miniaturizing structure which can be tuned over the widest possible frequency range and which is characterized by a high homogeneity of the magnetic field component with simultaneous minimum of the electric field component at the sample location ,

Diese Aufgabe wird mit Blick auf die Resonanzeinheit durch die Merkmale des Anspruchs 1 und mit Blick auf den Probenkopf durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. This object is achieved with a view to the resonance unit by the features of claim 1 and with respect to the probe head by the features of claim 6. The subclaims describe advantageous embodiments of the invention.

Die Resonanzeinheit, die für den Einsatz in einem Probenkopf, der für Kernresonanzuntersuchungen geeignet ist, vorgesehen ist, enthält einen Kondensator, dessen Elektroden als Resonator für eine Harmonische eines von einer Spule erzeugten hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds ausgelegt sind. Unter einer Harmonischen wird hierbei ein ganzzahliges Vielfaches einer Grundfrequenz verstanden. Auf die genaue Form der Geometrie des Kondensators kommt es hierbei nicht an, solange gewährleistet ist, dass die Elektroden einen geeigneten Resonanzraum ausbilden. Vorzugsweise sind daher die Elektroden als ebene oder gewickelte Platten ausgebildet.The resonance unit, which is intended for use in a probe head suitable for nuclear magnetic resonance studies, includes a capacitor whose electrodes are designed as resonators for a harmonic of a high-frequency alternating electromagnetic field generated by a coil. A harmonic is understood to be an integer multiple of a fundamental frequency. The exact shape of the geometry of the capacitor is not important here, as long as it is ensured that the electrodes form a suitable resonance space. Preferably, therefore, the electrodes are formed as flat or wound plates.

Erfindungsgemäß ist der Kondensator im Bereich zwischen den ihn begrenzenden beiden Elektroden zumindest teilweise mit einem ersten Dielektrikum gefüllt, dessen Dielektrizitätskonstante einen Wert im Bereich 100 bis 10000 aufweist. Weiterhin befindet sich im Bereich eines Knotens der im Resonator ausgebildeten Harmonischen der elektrischen Feldkomponente des Wechselfelds eine Aussparung, die sich zur Aufnahme einer zu untersuchenden Probe eignet. Bevorzugt ist hierbei die Aussparung in der Mitte zwischen den beiden Elektroden eingebracht, wo die 1. Harmonische der elektrischen Feldkomponente einen Knoten, d. h. ein Minimum, besitzt.According to the invention, the capacitor in the area between the two electrodes delimiting it is at least partially filled with a first dielectric whose dielectric constant has a value in the range from 100 to 10000. Furthermore, in the region of a node of the harmonics of the electric field component of the alternating field formed in the resonator there is a recess which is suitable for receiving a sample to be examined. Preferably, in this case, the recess is introduced in the middle between the two electrodes, where the first harmonic of the electric field component is a node, d. H. a minimum, owns.

Vorzugsweise wird ein erstes Dielektrikum eingesetzt, das Bariumtitanat (BaTiO₃), kurz BTO, das eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von 1250 bis 10000 besitzt, oder Blei-Zirkonat-Titanat (Pb(Zr_xTi_1–x)O₃), kurz PZT, enthält.Preferably, a first dielectric is used, the barium titanate (BaTiO ₃ ), short BTO, which has a dielectric constant in the range of 1250 to 10,000, or lead zirconate titanate (Pb (Zr _x Ti _1-x ) O ₃ ), PZT short , contains.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Raum im Kondensator zwischen den Elektroden, der nicht mit dem ersten Dielektrikum gefüllt ist, ganz oder teilweise mit einem zweiten Dielektrikum gefüllt, dessen Dielektrizitätskonstante einen Wert von mindestens 100 und von höchstens 10000 besitzt.In a preferred embodiment, the space in the capacitor between the electrodes, which is not filled with the first dielectric, completely or partially filled with a second dielectric whose dielectric constant has a value of at least 100 and at most 10,000.

In einer besonderen Ausgestaltung wird der zwischen den Elektroden schließlich ggf. verbleibende Raum im Kondensator zumindest teilweise mit einem dritten Dielektrikum gefüllt, dessen Dielektrizitätskonstante einen Wert von 100, bevorzugt von 10, nicht übersteigt. Hierfür eignen sich insbesondere Vakuum oder Umgebungsluft, die vorzugsweise durch stetigen Austausch zusätzlich zur Kühlung der Probe eingesetzt werden.In a particular embodiment, the space eventually remaining in the capacitor between the electrodes is at least partially filled with a third dielectric whose dielectric constant does not exceed a value of 100, preferably 10. For this purpose, in particular vacuum or ambient air, which are preferably used by continuous exchange in addition to the cooling of the sample.

Die erfindungsgemäße Resonanzeinheit lässt sich in erster Linie in einem Probenkopf verwenden, der für Kernresonanzuntersuchungen geeignet ist. Zur Abstimmung der Resonanzeinheit dienen vorzugsweise drei entsprechend dimensionierte abstimmbare Kapazitäten und ggf. eine abstimmbare Induktivität.The resonance unit according to the invention can be used primarily in a probe head which is suitable for nuclear resonance investigations. For tuning the resonance unit preferably serve three appropriately sized tunable capacitances and possibly a tunable inductance.

Die erfindungsgemäße Resonanzeinheit für einen Probenkopf für den Einsatz bei Kernresonanzuntersuchungen verfügt über einen einfachen, leicht zu miniaturisierenden Aufbau, ist über einen weiten Frequenzbereich abstimmbar und weist am Probenort eine hohe Homogenität der magnetischen Feldkomponente auf, während die elektrische Feldkomponente am Probenort sehr gering ist, wodurch eine Erwärmung der Probe weitgehend vermieden wird.The resonance unit according to the invention for a probe head for use in nuclear magnetic resonance studies has a simple, easy to miniaturized structure, is tunable over a wide frequency range and has a high homogeneity of the magnetic field component at the sample location, while the electric field component at the sample location is very low, thereby a warming of the sample is largely avoided.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment and the figures. Hereby show:

1a) Erfindungsgemäße Resonanzeinheit für einen Probenkopf für Kernresonanzuntersuchungen und b) Ersatzschaltbild; 1a ) Resonance unit according to the invention for a probe head for nuclear resonance investigations and b) equivalent circuit diagram;

2a) erfindungsgemäße Resonanzeinheit mit zwei dielektrischen Schichten und b) Ersatzschaltbild; 2a ) Resonance unit according to the invention with two dielectric layers and b) equivalent circuit diagram;

3a) Stärke des magnetischen Felds und b) Stärke des elektrischen Felds über die Resonanzeinheit; 3a ) Strength of the magnetic field and b) strength of the electric field across the resonance unit;

4 Gütegraphik (S₁₁-Parameter) einer Resonanzeinheit (Simulation) a) ohne Spule b) mit rechts und links je einer Spule mit einer Induktivität von 45 nH. 4 Quality graph (S ₁₁ parameter) of a resonance unit (simulation) a) without coil b) with right and left one coil each with an inductance of 45 nH.

1a) zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Resonanzeinheit zum Einsatz in einem Probenkopf, der für Kernresonanzuntersuchungen entsprechend ausgestattet ist. Zwei plattenförmig ausgestaltete Elektroden 1, 1' bilden einen Kondensator, der von einer Spule mit mehreren Wicklungen umgeben ist. Der Raum zwischen den beiden Elektroden 1, 1' ist weitgehend mit einem ersten Dielektrikum 2 gefüllt, wofür Bariumtitanat (BTO), dessen Dielektrizitätskonstante im Bereich von 1250 bis 10000 liegt, ausgewählt wurde. 1a ) schematically shows an embodiment of a resonance unit according to the invention for use in a probe head, which is equipped for nuclear resonance examinations accordingly. Two plate-shaped electrodes 1 . 1' form a capacitor, which is surrounded by a coil with several windings. The space between the two electrodes 1 . 1' is largely with a first dielectric 2 for which barium titanate (BTO), whose dielectric constant is in the range of 1250 to 10,000, has been selected.

Der von den beiden Elektroden 1, 1' gebildete Kondensator dient gleichzeitig als Resonator zur Verstärkung der ersten Harmonischen des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds, das von einem Wechselstrom erzeugt wird, der an die Spule angelegt ist. Das so erzeugte hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld bildet sowohl räumlich als auch zeitlich veränderliche magnetische und elektrische Feldkomponenten aus. Während für Kernresonanzuntersuchungen möglichst hohe und homogene magnetischen Feldkomponenten erwünscht sind, bewirken die elektrischen Feldkomponenten eine unerwünschte Ohmsche Erwärmung der Probe. Daher ist hier zwischen den beiden Elektroden 1, 1' im Bereich des Knotens der ersten Harmonischen der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Wechselfelds eine Aussparung 3, die nicht mit dem Dielektrikum 2 gefüllt ist, zur Aufnahme einer zu untersuchenden Probe vorgesehen.The one of the two electrodes 1 . 1' The capacitor formed simultaneously serves as a resonator for amplifying the first harmonic of the high-frequency alternating electromagnetic field generated by an alternating current applied to the coil. The high-frequency electromagnetic alternating field thus generated forms both spatially and temporally variable magnetic and electrical field components. While for Nuclear magnetic resonance studies as high and homogeneous magnetic field components are desired, the electric field components cause an undesirable ohmic heating of the sample. Therefore, here is between the two electrodes 1 . 1' in the region of the node of the first harmonic of the electrical component of the alternating electromagnetic field, a recess 3 that does not interfere with the dielectric 2 is filled, provided for receiving a sample to be examined.

In 1b) ist schematisch ein Ersatzschaltbild einer Resonanzeinheit dargestellt, worin der Resonator aus 1a) eingebaut ist. Die erfindungsgemäße Resonanzeinheit besitzt hierbei sowohl eine kapazitive Komponente C₀ als auch eine abstimmbare induktive Komponente L. Die Abstimmung erfolgt, wie in der Kernspinresonanz üblich, über die drei abstimmbaren Kapazitäten C₁, C₂ bzw. C₃ bzw. die abstimmbare induktive Komponente L.In 1b ) is shown schematically an equivalent circuit diagram of a resonance unit, wherein the resonator of 1a ) is installed. The resonance unit according to the invention in this case has both a capacitive component C ₀ and a tunable inductive component L. The vote takes place, as usual in nuclear magnetic resonance, on the three tunable capacitances C ₁ , C ₂ and C ₃ and the tunable inductive component L. ,

2a) zeigt schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Resonanzeinheit. Auch hier bilden zwei plattenförmig ausgestalteten Elektroden 1, 1' mit einer Fläche von jeweils 12,4 mm × 2,5 mm und einem Abstand von 2 mm einen Kondensator, der von einer Spule mit mehreren Wicklungen umgeben ist, die bei Wechselstromdurchfluss ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt. Ebenso ist im Bereich des Knotens der ersten Harmonischen der elektrischen Komponente des Wechselfelds zwischen den beiden Elektroden 1, 1' eine Aussparung 3 zur Aufnahme der zu untersuchenden Probe vorgesehen. Um die Aussparung 3 befindet sich hier ein drittes Dielektrikum 5 mit einer Dielektrizitätskonstante von 2,08. Hieran angrenzend ist zwischen den Elektroden 1,1' jeweils ein zweites Dielektrikum 4, 4' vorhanden, dessen Dielektrizitätskonstante einen Wert von 1000 aufweist. Der verbleibende Raum zwischen den Elektroden 1,1' ist dann mit dem ersten Dielektrikum 2, 2' mit einer Dielektrizitätskonstante von 850 gefüllt. 2a ) schematically shows a preferred embodiment of a resonance unit according to the invention. Again, form two plate-shaped electrodes 1 . 1' with a surface of 12.4 mm × 2.5 mm and a distance of 2 mm, a capacitor surrounded by a coil with several windings, which generates an alternating electromagnetic field at AC flow. Likewise, in the region of the node of the first harmonic of the electrical component of the alternating field between the two electrodes 1 . 1' a recess 3 provided for receiving the sample to be examined. To the recess 3 there is a third dielectric here 5 with a dielectric constant of 2.08. Adjacent to this is between the electrodes 1 . 1' each a second dielectric 4 . 4 ' present, whose dielectric constant has a value of 1000. The remaining space between the electrodes 1 . 1' is then with the first dielectric 2 . 2 ' filled with a dielectric constant of 850.

In 2b) ist schematisch ein Ersatzschaltbild einer Resonanzeinheit dargestellt, worin der Resonator aus 2a) eingebaut ist. Die erfindungsgemäße Resonanzeinheit besitzt auch hier sowohl eine kapazitive Komponente als auch eine induktive Komponente. Die Abstimmung erfolgt, wie in der NMR üblich, auch hier über drei abstimmbare Kapazitäten, wofür Kondensatoren mit der Kapazität 5 pF (C₁), 0,1 pF (C₂) bzw. 1 pF (C₃) eingesetzt wurden.In 2 B ) is shown schematically an equivalent circuit diagram of a resonance unit, wherein the resonator of 2a ) is installed. The resonance unit according to the invention here also has both a capacitive component and an inductive component. The tuning is carried out, as usual in NMR, here also over three tunable capacitances, for which capacitors with the capacity 5 pF (C ₁ ), 0.1 pF (C ₂ ) and 1 pF (C ₃ ) were used.

Wie 3a) zeigt, besitzt die erfindungsgemäße Resonanzeinheit am vorgesehenen Probenort im Bereich der Aussparung 3 ein Maximum der magnetischen Feldkomponente des elektromagnetischen Wechselfelds, das außerdem eine ausreichende Homogenität für Kernresonanzuntersuchungen aufweist. 3a) zeigt den Verlauf des Absolutwerts der magnetischen Feldkomponente in A/m durch einen Querschnitt durch eine Resonanzeinheit gemäß 2a).As 3a ), the resonance unit according to the invention has at the intended sample location in the region of the recess 3 a maximum of the magnetic field component of the alternating electromagnetic field, which also has sufficient homogeneity for nuclear magnetic resonance studies. 3a ) shows the profile of the absolute value of the magnetic field component in A / m through a cross section through a resonance unit according to FIG 2a ).

Wie in 3b) dargestellt, besitzt die erfindungsgemäße Resonanzeinheit am vorgesehenen Probenort im Bereich der Aussparung 3 demgegenüber ein Minimum der elektrischen Feldkomponente des elektromagnetischen Wechselfelds. 3b) zeigt den Verlauf des Absolutwerts der elektrischen Feldkomponente in V/m durch einen Querschnitt durch eine Resonanzeinheit gemäß 2a). Auf diese Weise wird die Ohmsche Erwärmung am Probenort minimiert.As in 3b ), the resonance unit according to the invention has at the intended sample location in the region of the recess 3 In contrast, a minimum of the electric field component of the alternating electromagnetic field. 3b ) shows the profile of the absolute value of the electric field component in V / m through a cross section through a resonance unit according to FIG 2a ). In this way the ohmic heating at the sample location is minimized.

In 4 sind Simulationen der Gütegraphik (S₁₁-Parameter) der Resonanzeinheit gemäß 2a) dargestellt. Unter Berücksichtigung der hierfür gewählten Parameter ergibt sich eine Resonanz der Resonanzeinheit in einer für die NMR-Spektroskopie geeigneten Form gemäß 4a) ohne Spulen bei ca. 590 MHz bzw. gemäß 4b) mit jeweils einer rechts und links an der Resonanzeinheit angeordneten Spule 10, 15 mit Anschlüssen 11, 12, 13, 14 und einer Induktivität von jeweils 45 nH bei ca. 600 MHz. Hieraus ist ersichtlich, dass der Einsatz von Spulen die Resonanzfrequenz beeinflusst. Folglich lässt sich durch einen Einsatz von abstimmbaren Spulen geeigneter Induktivität auf einfache Weise eine Resonanzeinheit, die über einen weiten Frequenzbereich abstimmbar ist, aufbauen.In 4 are simulations of the quality graphics (S ₁₁ parameters) of the resonance unit according to 2a ). Taking into account the parameters selected for this, a resonance of the resonance unit results in a form suitable for NMR spectroscopy 4a ) without coils at about 590 MHz or according to 4b ) each having a right and left arranged on the resonance unit coil 10 . 15 with connections 11 . 12 . 13 . 14 and an inductance of 45 nH each at about 600 MHz. It can be seen that the use of coils affects the resonant frequency. Consequently, by using tunable coils of suitable inductance, it is easy to construct a resonance unit which can be tuned over a wide frequency range.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102005039987 B3 [0005]
US 4446429 A [0006]
US 5539315 A [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

D. Kajfez and P. Guillon, Dielectric Resonators, pages 16-42, Artech House, 1984 [0005]
Dillmann, R. Elbayed, H. Zeiger, MC Weingertner, M. Piotto, F. Engelke, J. Mag. Res. 187, p. 10-18, 2007 [0008]
PL Gor'kov, EY Chekmenev, C. Li, M. Cotten, JJ Buffy, NN Traaseth, G. Veglia, and William W. Brey, Using low-E resonators to reduce RF heating in biological samples for static solid state NMR up to 900 MHz, J. Mag. Res. 185, pp. 77-93, 2007 [0009]

Claims

Resonance unit for a probe head for nuclear magnetic resonance investigations, comprising a capacitor whose electrodes ( 1 . 1' ) are designed as a resonator for a harmonic of a high-frequency alternating electromagnetic field generated by a coil, which at least partially with a first dielectric ( 2 ), whose dielectric constant has a value of 100 to 10,000, and in the region of a node of the harmonic of the electric field component of the alternating electromagnetic field, a recess ( 3 ) for receiving a sample to be examined.

Resonance unit according to claim 1 with a ferroelectric as the first dielectric ( 2 ).

Resonance unit according to claim 2 with barium titanate or lead zirconate titanate as a ferroelectric.

Resonance unit according to one of claims 1 to 3, wherein the capacitor between the electrodes ( 1 . 1' ) at least partially with a second dielectric ( 4 . 4 ' ) whose dielectric constant has a value of at least 100 and at most 10,000.

Resonance unit according to one of claims 1 to 4, wherein the between the electrodes ( 1 . 1' ) remaining space in the capacitor at least partially with a third dielectric ( 5 ) whose dielectric constant does not exceed 100.

A probe head for nuclear magnetic resonance studies, comprising a resonance unit according to one of claims 1 to 5.