DE102012200726A1

DE102012200726A1 - Schwebe-Substrat-Schaltungen und Kernmagnetische-Resonanz-Sonden, die dieselben verwenden

Info

Publication number: DE102012200726A1
Application number: DE102012200726A
Authority: DE
Inventors: Sean T. Burns
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2012-08-23
Also published as: JP2012173286A; US20120212224A1; US8587314B2

Abstract

Eine Kernmagnetische-Resonanz(NMR)-Sondenschaltungsanordnung umfasst eine oder mehrere Sondenschaltungen, die in Signalkommunikation mit einer oder mehreren jeweiligen Probenspulen steht bzw. stehen, die zum Senden und/oder Empfangen von Funkfrequenz(RF)-Energie an eine und/oder von einer interessierenden Probe konfiguriert ist bzw. sind. Eine oder mehrere der Sondenschaltungen weist bzw. weisen eine Schwebesubstratkonfiguration auf, bei der variablen Kondensatoren ein gemeinsames dielektrisches Substrat, das durch einen Luftspalt von einer Masseebene getrennt ist, gemeinsam nutzen. Jeder variable Kondensator umfasst eine Elektrode, die durch eine seitens eines Benutzers betätigte Einstellvorrichtung bewegbar ist. Eine oder mehrere der Sondenschaltungen kann bzw. können eine vielfach resonante oder Breitbandkonfiguration aufweisen und kann bzw. können einen oder mehrere einzelne Kanäle aufweisen. Ein oder mehrere der variablen Kondensatoren ermöglicht bzw. ermöglichen ein Abstimmen auf Resonanzfrequenzen ausgewählter Kerne. Ein oder mehrere andere variable Kondensatoren kann bzw. können eine Impedanzanpassung ermöglichen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Kernmagnetische-Resonanz(NMR)-Sonden (NMR = nuclear magnetic resonance) und auf eine Schaltungsanordnung, die bei NMR-Sonden verwendet wird, insbesondere eine Schaltungsanordnung, die zur Impedanzanpassung und Frequenzabstimmung verwendet wird.
Bei einem Kernmagnetische-Resonanz(NMR)-Spektrometer wird eine Probe in einer NMR-Sonde positioniert, die sich in einer Bohrung eines (üblicherweise supraleitenden) Magneten befindet und in ein durch den Magneten erzeugtes, eine hohe Stärke (üblicherweise mehrere Tesla) aufweisenden statischen Magnetfeldes B₀ eingetaucht ist. In der Magnetbohrung ist die Probe von einer oder mehreren Probenspulen umgeben. Diese Spulen legen ein gepulstes Magnetfeld B₁ (das üblicherweise orthogonal zu dem B₀-Feld ist), das im Funkfrequenz(RF)-Bereich (RF = radio frequency) (z. B. 40–900 MHz) schwingt, an die Probe an. Die Spulen sind dahin gehend abgestimmt, einen oder mehrere gewünschte Arten von NMR-aktiven Kernen der Probe resonant anzuregen. Die Resonanzbedingung ist erfüllt, wenn die Frequenz der angelegten RF-Energie gleich der Resonanz- (bzw. Larmor)frequenz v₀ des bestrahlten NMR-aktiven Kerns ist, was von der Art des Kerns und der Stärke des B₀-Feldes abhängt. Bei Resonanz transferiert das B₁-Feld elektromagnetische Energie effizient an den Kern und bewirkt eine Veränderung des Energiezustands. Während des Verzögerungsintervalls zwischen Pulsen emittiert der Kern infolge dieser Störung ein RF-Zeitbereichssignal, das als Abfall der freien Induktion (FID – free-induction decay) bekannt ist. Der FID fällt in dem Intervall ab, während sich der angeregte Kern zu seinem Gleichgewichtszustand zurück entspannt. Der FID wird durch die Spule (dieselbe Spule, die zur Anregung verwendet wird, oder eine andere Spule) als ein NMR-Antwortsignal aufgenommen. Elektronik des NMR-Spektrometers verstärkt und verarbeitet das NMR-Antwortsignal, einschließlich eines Umwandelns des Signals von dem Zeitbereich in den Frequenzbereich mittels Fourier-Transformation, um ein NMR-Spektrum im Frequenzbereich zu ergeben. Das Spektrum besteht aus einer oder mehreren Spitzen (einem oder mehreren Peaks), deren Intensität den Anteil jeder erfassten Frequenzkomponente darstellt. Somit können NMR-Spektren nützliche Informationen liefern, die die interessierende Molekularstruktur, Position und Häufigkeit bei interessierenden chemischen, biochemischen und biologischen Spezies angeben.
Die NMR-Sonde umfasst die Spule(n) und eine NMR-Sondenschaltung. Die NMR-Sondenschaltung sieht eine RF-Kommunikation zwischen der Spule bzw. den Spulen und der zugeordneten Elektronik des NMR-Spektrometers (z. B. RF-Sende- und -Empfangsschaltungsanordnung) vor. Die NMR-Sondenschaltung kann dazu konfiguriert sein, mehr als einen Sondenkanal zu liefern, wobei jeder Sondenkanal zum resonanten Anregen eines anderen Typs eines Kerns konfiguriert ist. Allgemein dient eine NMR-Sondenschaltung dazu, die Impedanz der Probenspule bei einer oder mehreren Resonanzfrequenzen anzupassen, eine Abstimmung in einem schmalen Band in der Nähe (unterhalb und oberhalb) dieser Frequenzen vorzusehen und verschiedene Sondenkanäle voneinander zu isolieren. Eine NMR-Sonde weist üblicherweise zwei Probenspulen auf, die um die Probe herum koaxial verschachtelt sind. Bei einer üblichen Konfiguration wird jede Probenspule mit einer doppelten Resonanz versehen, was zu insgesamt vier Resonanzen (Kanälen) in der Sonde führt, während bei anderen Konfigurationen mehr oder weniger Kanäle möglich sind. Wie oben erwähnt wurde, entspricht jede Resonanz der Larmor-Frequenz eines in der Probe enthaltenen interessierenden Kerns. Einer der Kanäle kann jedoch zum Bestrahlen der Deuterium(²H bzw. „D”)-Spezies eines Locking-Mittels abgestimmt sein, um ein Referenzsignal zu erzeugen, das zum Versetzen der Drift des B₀-Feldes verwendet wird (Deuterium-Feldfrequenz-Locking bzw. Deuterium-Locking). Umweltvariablen wie beispielsweise Probenmitteldielektrik, Temperatur usw. können das Abstimmen der Sonde beeinflussen. Die Feldstärke variiert ebenfalls etwas von einem Magneten zum anderen, was bewirkt, dass dieselben Kerne bei jedem Magneten bei etwas unterschiedlichen Frequenzen schwingen. Aus diesen Gründen muss die Sondenschaltung ein Mittel zum Einstellen (Abstimmen) der Resonanzfrequenz der Probenspule unmittelbar vor dem Durchführen eines NMR-Experiments vorsehen. Diese Abstimmung wird üblicherweise mit variablen Kondensatoren bewerkstelligt.
Bei einer herkömmlichen NMR-Sondenschaltung werden einzelne Schaltungskomponenten direkt aneinander gelötet und somit in einer dreidimensionalen Freiformkonfiguration angeordnet. Die Freiformkonfiguration wird bisher als vorteilhaft angesehen, da sie Induktanz, Streukapazität und parasitäre Verluste allgemein minimiert und dabei die Kapazität einer Handhabung hoher Spannungen aufrechterhält. Obwohl eine derartige Konfiguration somit zu einer hohen Leistungsfähigkeit führen kann, erfolgt dies zum Preis langer Entwurfszyklen (z. B. durch Entwickeln von Prototypen), einer schlechten Reproduzierbarkeit und einer aufwendigen und zeitraubenden Reparatur. Außerdem kann eine Kopplung zwischen dicht gepackten Schaltungen zu zusätzlichen Leistungsfähigkeits- und Entwurfsproblemen führen. Diese Schaltungen müssen sorgfältig abgestimmt und eingestellt werden, um richtig zu funktionieren.
Bei manchen NMR-Spektrometern werden Komponenten der Sonde (z. B. Probenspulen, Schaltungskomponenten und/oder Vorverstärker) mittels einer Wärmeleitung an einen Wärmeaustauscher, der ein Tieftemperaturfluid wie beispielsweise flüssigen Stickstoff oder flüssiges/gasförmiges Helium enthält, auf tiefe Temperaturen gekühlt (üblicherweise bis auf 20 K). Dagegen kann die NMR-Probe bei Raumtemperatur oder einer anderen Nicht-Kryotemperatur gehalten werden. Tieftemperatur-Sonden verringern ein Wärmerauschen, indem sie den elektrischen Widerstand der Probenspulen verringern und somit bei hohen Q-Faktoren arbeiten können. NMR-Sondenschaltungen, die die herkömmliche Freiformarchitektur aufweisen, verwenden üblicherweise Chipkondensatoren, die bei Kryotemperaturen anfällig für ein Strukturversagen (und somit einen Betriebsausfall) sind.
Angesichts des Vorstehenden besteht ein fortlaufender Bedarf an NMR-Sondenschaltungen, die die oben erwähnten Probleme angehen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kernmagnetische-Resonanz-Sondenschaltungsanordnung mit verbesserten Charakteristika zu liefern.
Diese Aufgabe wird durch eine Kernmagnetische-Resonanz-Sondenschaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Um die vorstehenden Probleme und/oder andere Probleme, die von Fachleuten beobachtet worden sein mögen, ganz oder teilweise anzugehen, liefert die vorliegende Offenbarung Verfahren, Prozesse, Systeme, Apparaturen, Instrumente und/oder Vorrichtungen, wie sie bei nachstehend dargelegten Implementierungen beispielhaft beschrieben werden.
Gemäß einer Implementierung umfasst eine Kermnagnetische-Resonanz(NMR)-Sondenschaltungsanordnung eine Masseebene, ein dielektrisches Substrat, das durch einen Luftspalt von der Masseebene getrennt ist, eine Mehrzahl von Leiterbahnen, die auf einer dem Luftspalt gegenüberliegenden Oberfläche des dielektrischen Substrats angeordnet sind, einen variablen Kondensator und eine Kondensatoreinstellvorrichtung. Die Leiterbahnen umfassen eine ortsfeste Kondensatorelektrode. Eine bewegliche Kondensatorelektrode ist zwischen der Masseebene und dem dielektrischen Substrat in bewegbarem Kontakt mit der Masseebene und dem dielektrischen Substrat und in einer variablen Überlappungsbeziehung mit der ortsfesten Kondensatorelektrode bewegbar angeordnet. Die bewegbare Kondensatorelektrode, das dielektrische Substrat und die ortsfeste Kondensatorelektrode bilden den zweiten variablen Kondensator, der zum Abstimmen der NMR-Sondenschaltungsanordnung auf eine Resonanzfrequenz konfiguriert sein kann. Die Kondensatoreinstellvorrichtung ist zum Bewegen der bewegbaren Kondensatorelektrode relativ zu der ortsfesten Kondensatorelektrode ansprechend auf eine Betätigung konfiguriert.
Bei manchen Implementierungen kann der variable Kondensator auf eine Resonanzfrequenz eines einzelnen Hochfrequenzkerns wie beispielsweise eines Protons oder eines ¹⁹F-Kerns abstimmbar sein. Bei anderen Implementierungen kann der variable Kondensator über einen Frequenzbereich hinweg abstimmbar sein, der eine Resonanzfrequenz eines Protons und eine Resonanzfrequenz eines ¹⁹F-Kerns umfasst.
Bei anderen Implementierungen kann der variable Kondensator über einen Frequenzbereich hinweg abstimmbar sein, der jeweilige Resonanzfrequenzen zumindest zweier verschiedener Niedrigfrequenzkerne wie beispielsweise eines ¹³C-Kerns, eines ¹⁵N-Kerns oder eines ³¹P-Kerns umfasst.
Bei manchen Implementierungen kann die Kondensatoreinstellvorrichtung eine lineare Führung, einen Wagen, der in der linearen Führung bewegbar ist und mit einer entsprechenden bewegbaren Kondensatorelektrode kommuniziert, und ein seitens eines Nutzers betätigtes drehbares Element umfassen. Das drehbare Element kann mit dem Wagen und/oder der linearen Führung derart gekoppelt sein, dass eine Drehung des drehbaren Elements eine Bewegung des Wagens und somit eine Bewegung der bewegbaren Kondensatorelektrode bewirkt. Bei manchen Implementierungen sind die lineare Führung und der Wagen zwischen der Masseebene und dem dielektrischen Substrat angeordnet. Bei manchen Implementierungen ist die lineare Führung auf der Masseebene angebracht.
Bei manchen Implementierungen umfasst die NMR-Sondenschaltungsanordnung ein Funkfrequenz(RF)-Tor, das in elektromagnetischer Isolierung von der Masseebene angebracht ist und zum Koppeln mit einer RF-Übertragungsleitung konfiguriert ist. Das RF-Tor kann sich durch eine Bohrung der Masseebene, durch den Luftspalt und in einen Kontakt mit dem dielektrischen Substrat an einer Stelle erstrecken, wo das RF-Tor kapazitiv mit einer der Leiterbahnen gekoppelt ist.
Bei manchen Implementierungen sind die Leiterbahnen an dem dielektrischen Substrat befestigt.
Bei manchen Implementierungen umfasst die NMR-Sondenschaltungsanordnung eine auf dem dielektrischen Substrat angeordnete Schaltungsplatine. Die Leiterbahnen können an der Schaltungsplatine befestigt sein und in Kontakt mit dem dielektrischen Substrat stehen. Bei manchen Implementierungen umfasst die NMR-Sondenschaltungsanordnung ferner einen Induktor, der auf einer den Leiterbahnen gegenüberliegenden Oberfläche der Schaltungsplatine angebracht ist und mit zumindest zwei der Leiterbahnen kommuniziert.
Gemäß einer anderen Implementierung ist der variable Kondensator Bestandteil eines ersten Sondenkanals der NMR-Sondenschaltungsanordnung, der zum resonanten Koppeln mit einem Hochfrequenzkern konfiguriert ist. Die NMR-Sondenschaltungsanordnung kann ferner einen zweiten Sondenkanal umfassen, der zum resonanten Koppeln mit einem Niedrigfrequenzkern konfiguriert ist.
Bei manchen Implementierungen kann der zweite Sondenkanal eine zweite bewegbare Kondensatorelektrode umfassen, die zwischen der Masseebene und dem dielektrischen Substrat angeordnet ist, in bewegbarem Kontakt mit der Masseebene und dem dielektrischen Substrat steht und in einer variablen Überlappungsbeziehung mit einer zweiten ortsfesten Kondensatorelektrode der Mehrzahl von Leiterbahnen bewegbar ist. Die zweite bewegbare Kondensatorelektrode, das dielektrische Substrat und die zweite ortsfeste Kondensatorelektrode bilden einen zweiten variablen Kondensator, der zum Abstimmen des zweiten Sondenkanals auf eine Resonanzfrequenz des Niedrigfrequenzkerns konfiguriert ist. Die NMR-Sondenschaltungsanordnung kann ferner eine zweite Kondensatoreinstellvorrichtung umfassen, die dazu konfiguriert ist, die zweite bewegbare Kondensatorelektrode relativ zu der zweiten ortsfesten Kondensatorelektrode ansprechend auf eine Betätigung zu bewegen.
Bei manchen Implementierungen kann der erste Sondenkanal ein erstes Funkfrequenz(RF)-Tor umfassen, das zum Koppeln mit einer ersten RF-Übertragungsleitung konfiguriert ist, und der zweite Sondenkanal kann ein zweites RF-Tor umfassen, das zum Koppeln mit einer zweiten RF-Übertragungsleitung konfiguriert ist.
Bei manchen Implementierungen ist der variable Kondensator des ersten Sondenkanals über einen Frequenzbereich hinweg abstimmbar, der eine Resonanzfrequenz eines Protons und eine Resonanzfrequenz eines ¹⁹F-Kerns umfasst. Bei manchen Implementierungen ist der variable Kondensator des zweiten Sondenkanals auf eine Resonanzfrequenz von Deuterium abstimmbar.
Gemäß einer weiteren Implementierung sind die Masseebene, das dielektrische Substrat, die Mehrzahl von Leiterbahnen, der erste variable Kondensator, die erste Kondensatoreinstellvorrichtung, der zweite variable Kondensator und die zweite Kondensatoreinstellvorrichtung Bestandteil einer ersten Sondenschaltung der NMR-Sondenschaltungsanordnung. Die NMR-Sondenschaltungsanordnung kann ferner eine zweite Sondenschaltung umfassen, die von der ersten Sondenschaltung physisch getrennt ist. Die erste Sondenschaltung ist für eine Signalkommunikation mit einer ersten Probenspule konfiguriert, und die zweite Sondenschaltung ist für eine Signalkommunikation mit einer zweiten Probenspule konfiguriert und ist auf eine Resonanzfrequenz eines Niedrigfrequenzkerns eines anderen Typs als der zweite Sondenkanal der ersten Sondenschaltung abstimmbar.
Bei manchen Implementierungen kann die zweite Sondenschaltung eine zweite Masseebene, ein zweites dielektrisches Substrat, das durch einen zweiten Luftspalt von der zweiten Masseebene getrennt ist, eine zweite Mehrzahl von Leiterbahnen, die auf einer Oberfläche des zweiten dielektrischen Substrats, die dem zweiten Luftspalt gegenüberliegt, angeordnet sind, und einen dritten variablen Kondensator umfassen. Die zweite Mehrzahl von Leiterbahnen umfasst eine dritte ortsfeste Kondensatorelektrode. Eine dritte bewegbare Kondensatorelektrode ist zwischen der zweiten Masseebene und dem zweiten dielektrischen Substrat angeordnet, steht in bewegbarem Kontakt mit der zweiten Masseebene und dem zweiten dielektrischen Substrat, und ist in einer variablen Überlappungsbeziehung mit der dritten ortsfesten Kondensatorelektrode bewegbar. Die dritte bewegbare Kondensatorelektrode, das zweite dielektrische Substrat und die dritte ortsfeste Kondensatorelektrode bilden den dritten variablen Kondensator, der zum Abstimmen der zweiten Sondenschaltung auf eine Resonanzfrequenz des Kerns eines anderen Typs als der zweite Sondenkanal der ersten Sondenschaltung konfiguriert sein kann. Die NMR-Sondenschaltungsanordnung kann ferner eine dritte Kondensatoreinstellvorrichtung umfassen, die zum Bewegen der dritten bewegbaren Kondensatorelektrode relativ zu der dritten ortsfesten Kondensatorelektrode ansprechend auf eine Betätigung konfiguriert ist.
Bei manchen Implementierungen kann der erste Sondenkanal auf eine Resonanzfrequenz eines Protons, eine Resonanzfrequenz eines ¹⁹F-Kerns oder über einen Frequenzbereich hinweg, der die Resonanzfrequenz des Protons und die Resonanzfrequenz des ¹⁹F-Kerns umfasst, abstimmbar sein. Der zweite Sondenkanal kann auf eine Resonanzfrequenz von Deuterium abstimmbar sein. Die zweite Sondenschaltung kann auf eine Resonanzfrequenz eines Niedrigfrequenzkerns, der nicht Deuterium ist, oder über einen Frequenzbereich hinweg, der die Resonanzfrequenzen zumindest zweier verschiedener Niedrigfrequenzkerne, die nicht Deuterium sind, umfasst, abstimmbar sein.
Gemäß einer anderen Implementierung umfasst eine NMR-Sondenschaltungsanordnung eine erste Sondenschaltung und eine zweite Sondenschaltung, die von der ersten Sondenschaltung physisch getrennt ist. Die erste Sondenschaltung umfasst eine Masseebene, ein dielektrisches Substrat, eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen, einen variablen Kondensator und eine Kondensatoreinstellvorrichtung. Die erste Sondenschaltung ist für eine Signalkommunikation mit einer ersten Probenspule konfiguriert und ist auf eine Resonanzfrequenz eines Kerns eines ersten Typs abstimmbar, und die zweite Sondenschaltung ist für eine Signalkommunikation mit einer zweiten Probenspule konfiguriert und ist auf eine Resonanzfrequenz eines Kerns eines zweiten Typs abstimmbar.
Bei manchen Implementierungen kann die zweite Sondenschaltung eine zweite Masseebene, ein zweites dielektrisches Substrat, das durch einen zweiten Luftspalt von der zweiten Masseebene getrennt ist, eine zweite Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen, die auf einer Oberfläche des zweiten dielektrischen Substrats angeordnet sind, die dem zweiten Luftspalt gegenüberliegt, und einen zweiten variablen Kondensator umfassen. Die zweite Mehrzahl von Leiterbahnen umfasst eine zweite ortsfeste Kondensatorelektrode. Eine zweite bewegbare Kondensatorelektrode ist zwischen der zweiten Masseebene und dem zweiten dielektrischen Substrat angeordnet, steht in bewegbarem Kontakt mit der zweiten Masseebene und dem zweiten dielektrischen Substrat und ist in einer variablen Überlappungsbeziehung mit der zweiten ortsfesten Kondensatorelektrode bewegbar. Die zweite bewegbare Kondensatorelektrode, das zweite dielektrische Substrat und die zweite ortsfeste Kondensatorelektrode bilden den zweiten variablen Kondensator, der zum Abstimmen der zweiten Sondenschaltung auf eine Resonanzfrequenz des Kerns des zweiten Typs konfiguriert sein kann. Die NMR-Sondenschaltungsanordnung kann ferner eine zweite Kondensatoreinstellvorrichtung umfassen, die zum Bewegen der zweiten bewegbaren Kondensatorelektrode relativ zu der zweiten ortsfesten Kondensatorelektrode ansprechend auf eine Betätigung konfiguriert ist.
Bei manchen Implementierungen kann die erste Sondenschaltung auf eine Resonanzfrequenz eines Protons, eine Resonanzfrequenz eines ¹⁹F-Kerns oder über einen Frequenzbereich hinweg, der die Resonanzfrequenz des Protons und die Resonanzfrequenz des ¹⁹F-Kerns umfasst, abstimmbar sein. Die zweite Sondenschaltung kann auf eine Resonanzfrequenz eines Niedrigfrequenzkerns oder über einen Frequenzbereich hinweg, der die Resonanzfrequenzen zumindest zweier verschiedener Niedrigfrequenzkerne umfasst, abstimmbar sein.
Bei manchen Implementierungen umfasst die erste Sondenschaltung einen ersten Sondenkanal, der zum resonanten Koppeln mit einem Hochfrequenzkern konfiguriert ist, und einen zweiten Sondenkanal, der zum resonanten Koppeln mit einem Niedrigfrequenzkern konfiguriert ist. Bei manchen Implementierungen kann der erste Sondenkanal auf eine Resonanzfrequenz eines Protons, eine Resonanzfrequenz eines ¹⁹F-Kerns oder über einen Frequenzbereich hinweg, der die Resonanzfrequenz des Protons und die Resonanzfrequenz des ¹⁹F-Kerns umfasst, abstimmbar sein. Der zweite Sondenkanal kann auf eine Resonanzfrequenz von Deuterium abstimmbar sein. Die zweite Sondenschaltung kann auf eine Resonanzfrequenz eines Niedrigfrequenzkerns, der nicht Deuterium ist, oder über einen Frequenzbereich hinweg, der die Resonanzfrequenzen zumindest zweier verschiedener Niedrigfrequenzkerne, die nicht Deuterium sind, umfasst, abstimmbar sein.
Bei manchen Implementierungen kann die NMR-Sondenschaltungsanordnung (oder eine bestimmte Sondenschaltung der NMR-Sondenschaltungsanordnung) einen variablen Kondensator umfassen, der für eine Impedanzanpassung zwischen einer Probenspule und einer Übertragungsleitung, die mit der NMR-Sondenschaltungsanordnung (oder Sondenschaltung der NMR-Sondenschaltungsanordnung) kommuniziert, konfiguriert ist. Der variable Kondensator kann eine ortsfeste Kondensatorelektrode und eine bewegbare Kondensatorelektrode umfassen. Die NMR-Sondenschaltungsanordnung kann eine Kondensatoreinstellvorrichtung umfassen, die zum Bewegen der bewegbaren Kondensatorelektrode relativ zu der ortsfesten Kondensatorelektrode ansprechend auf eine Betätigung konfiguriert ist.
Gemäß einer weiteren Implementierung umfasst eine NMR-Sonde eine Probenspule und eine NMR-Sondenschaltungsanordnung, die mit der Probenspule in Signalkommunikation steht. Die NMR-Sondenschaltungsanordnung kann gemäß einer beliebigen bzw. gemäß beliebigen der oben zusammengefassten oder hierin beschriebenen Implementierungen vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren Implementierung umfasst ein NMR-Spektrometer einen Magneten, eine in einer Bohrung des Magneten angeordnete NMR-Sonde und ein Steuer-/Erfassungssystem. Die NMR-Sonde umfasst eine Probenspule und eine NMR-Sondenschaltungsanordnung, die mit der Probenspule und mit dem Steuer-/Erfassungssystem in Signalkommunikation steht. Die NMR-Sondenschaltungsanordnung kann gemäß einer beliebigen bzw. gemäß beliebigen der oben zusammengefassten oder hierin beschriebenen Implementierungen vorgesehen sein. Das Steuer-/Erfassungssystem kann beispielsweise eine Funkfrequenz(RF)-Übertragungsschaltungsanordnung, RF-Sendeschaltungsanordnung und Schaltungsanordnung zum Verarbeiten oder Analysieren von NMR-Antwortsignalen, die seitens der Probenspule empfangen werden, umfassen.
Andere Vorrichtungen, Apparaturen, Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden Fachleuten nach Prüfung der folgenden Figuren und der ausführlichen Beschreibung einleuchten. Es ist beabsichtigt, dass alle derartigen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile in der vorliegenden Beschreibung enthalten sind, innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen und durch die beigefügten Patentansprüche geschützt sind.
Die Erfindung lässt sich durch Bezugnahme auf die folgenden Figuren besser nachvollziehen. Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, wobei das Hauptaugenmerk stattdessen darauf gelegt wird, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen in allen unterschiedlichen Ansichten gleiche entsprechende Teile.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Kernmagnetische-Resonanz(NMR)-Spektrometers;
2 eine schematische Ansicht eines Beispiels einer vielfach resonanten Sondenschaltung;
3 eine schematische Ansicht eines Beispiels einer Breitbandsondenschaltung;
4 eine Ansicht eines Beispiels einer NMR-Sonde;
5 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer abstimmbaren Sondenschaltung, die in der in 4 veranschaulichten NMR-Sonde enthalten sein kann;
6 eine Seitenansicht der in 5 veranschaulicht abstimmbaren Sondenschaltung;
7 eine Draufsicht auf ein Beispiel einer Schaltungsplatine, die in der in 5 und 6 veranschaulichten abstimmbaren Sondenschaltung enthalten sein kann;
8 eine Unteransicht der in 7 veranschaulichten Schaltungsplatine;
9 eine Draufsicht auf ein Beispiel einer Masseebenenanordnung, die in der in 5 und 6 veranschaulichten abstimmbaren Sondenschaltung enthalten sein kann; und
10 eine Querschnittsseitenansicht eines Beispiels einer gefederten Kondensatorelektrode, die in der in 5 und 6 veranschaulichten abstimmbaren Sondenschaltung enthalten sein kann.
Gemäß der Verwendung in dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff „Probenspule” auf eine Kernmagnetische-Resonanz(NMR)-Probenspule, d. h. eine Probenspule, die zum Transferieren von RF-Energie in eine und/oder von einer Probe in einem NMR-Spektrometer konfiguriert ist. Der Entwurf und die Funktionsweise verschiedener Arten von Probenspulen sind Fachleuten bekannt.
Gemäß der Verwendung in dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff „Kern” oder „Kerne” auf NMR-aktive Kerne. NMR-aktive Kerne sind diejenigen, die die Quanteneigenschaft eines Spins besitzen und sich wie magnetische Dipole verhalten und somit auf eine RF-Strahlung auf eine für die NMR-Spektrometrie nützliche Weise ansprechen. Begriffe wie beispielsweise „Kern mit hoher Resonanzfrequenz”, „Hochfrequenzkern” und „HF-Kern” beziehen sich auf Kerne, die in einem Magnetfeld einer gegebenen Feldstärke relativ zu anderen Arten von Kernen in demselben Magnetfeld eine höhere Resonanzfrequenz aufweisen. Typische Beispiele von Hochfrequenzkernen sind Tritium (³H), Wasserstoff (oder Proton, ¹H) und das Fluorisotop ¹⁹F. Begriffe wie beispielsweise „Kern mit niedriger Resonanzfrequenz”, „Niedrigfrequenzkern” und „NF-Kern beziehen sich allgemein auf Kerne, die in einem Magnetfeld derselben gegebenen Feldstärke eine niedrigere Resonanzfrequenz als ¹⁹F aufweisen. Viele verschiedene Arten von Kernen können als Niedrigfrequenzkerne charakterisiert werden, wie Fachleuten einleuchten wird, wobei einige wenige übliche Beispiele das Phosphorisotop ³¹P, das Kohlenstoffisotop ¹³C, Deuterium (²H) und das Stickstoffisotop ¹⁵N sind.
Gemäß der Verwendung in dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff „Resonanzfrequenz” (bzw. „Larmor-Frequenz”) auf die Resonanzfrequenz eines Kerns, der mit einer Probenspule elektromagnetisch gekoppelt werden kann.
1 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Kernmagnetische-Resonanz(NMR)-Spektrometers 100. Das NMR-Spektrometer 100 umfasst allgemein einen (üblicherweise supraleitenden) Magneten 104 zum Anlegen des statischen magnetischen B₀-Feldes, eine NMR-Sonde 108, die in einer Bohrung des Magneten 104 angeordnet ist, und ein Steuer-/Erfassungssystem 112, das in Signalkommunikation mit dem Magneten 104 und der NMR-Sonde 108 steht. Die NMR-Sonde 108 kann bei Raumtemperatur oder variabler Temperatur betrieben werden, oder die Schaltungsanordnung der NMR-Sonde 108 kann auf tiefe Temperaturen gekühlt werden (z. B. bis auf 20 K), wie Fachleuten einleuchten wird. Zum Zweck eines Betriebs bei tiefen Temperaturen ist die NMR-Sonde 108 in einem Vakuum eingeschlossen. Die NMR-Sonde 108 umfasst eine oder mehrere Funkfrequenz(RF)-Probenspulen 116 und eine NMR-Sondenschaltungsanordnung 120, die eine oder mehrere Sondenschaltungen enthält, die in Signalkommunikation mit den jeweiligen Probenspulen 116 steht bzw. stehen. Wenn mehr als eine Probenspule 116 vorgesehen ist, sind die Probenspulen 116 üblicherweise koaxial angeordnet (z. B. eine Innenspule und eine Außenspule). Im Betrieb wird ein Probenbehälter 124, der die zu bestrahlende Probe enthält, derart in die NMR-Sonde 108 eingefügt, dass der Probenbehälter 124 koaxial von der bzw. den Probenspule(n) 116 umgeben ist. Der Probenbehälter 124 kann beispielsweise eine geschlossene Röhre oder eine Durchflusszelle sein. Die Sondenschaltungsanordnung 120 umfasst üblicherweise elektrische Komponenten wie beispielsweise Kondensatoren, Induktoren und andere Komponenten, die zur Frequenzabstimmung und zur Impedanzanpassung zwischen einer gegebenen Probenspule 116 und einer mit der Sondenschaltungsanordnung 120 kommunizierenden Übertragungsleitung verwendet werden. Die Sondenschaltungsanordnung 120 wird auch zum Senden von RF-Anregungssignalen (periodischen magnetischen B₁-Feldern) an die Probenspule(n) 116 und zum Empfangen von RF-Messsignalen (NMR-Antwortsignalen) von der bzw. den Probenspule(n) 116 verwendet. Das Steuer-/Erfassungssystem 112 umfasst Elektronik, die in Signalkommunikation mit der Sondenschaltungsanordnung 120 steht und zum Senden der RF-Anregungssignale an die Sondenschaltungsanordnung 120, Empfangen der resultierenden RF-Messsignale von der Sondenschaltungsanordnung 120, Konditionieren und Verarbeiten der RF-Messsignale und Erzeugen von Frequenzbereichs-NMR-Spektra aus denselben dient.
Wie Fachleuten einleuchten wird, umfasst das Steuer-/Erfassungssystem 112 üblicherweise eine RF-Sendeschaltungsanordnung, eine RF-Empfangsschaltungsanordnung und einen Sende-/Empfangsisolator, der die RF-Empfangsschaltungsanordnung elektromagnetisch von der RF-Sendeschaltungsanordnung isoliert, um die empfindlichen Detektionskomponenten der RF-Empfangsschaltungsanordnung zu schützen. Die RF-Sendeschaltungsanordnung kann Komponenten wie beispielsweise eine RF-Quelle (die einen RF-Generator, Frequenzsynthetisierer und/oder Pulsprogrammierer umfassen kann); einen Modulator zum Durchlassen, Dämpfen und/oder Formen des RF-Signals; und einen Verstärker zum Einstellen der B₁-Feldstärke umfassen. Die RF-Empfangsschaltungsanordnung kann Komponenten wie beispielsweise einen Verstärker, einen RF-Empfänger, einen Phasendetektor mit Quadraturarchitektur und einen Fourier-Transformation-Analysator zum Umwandeln der Zeitbereichs-RF-Messsignale in Frequenzbereichssignale umfassen. Das Steuer-/Erfassungssystem 112 kann ferner eine auf einem Prozessor basierte elektronische Steuerung zum Steuern der verschiedenen Funktionen des NMR-Spektrometers 100, mit Eingabe- und Ausgabeschnittstellen für eine Nutzereingabe, einer Anzeige oder eines Ausdrucks von NMR-Spektren usw., umfassen. Die Steuerung kann einen Speicher umfassen, der verschiedene Arten von Komponenten enthält, beispielsweise Anweisungen zum Programmieren von RF-Anregungspulssequenzen, NMR-Messdatenanalysesoftware, Datenbanken bekannter NMR-Spektralinformationen und dergleichen zur Unterstützung beim Interpretieren der NMR-Spektren. Die Steuerung und zugeordnete Module und Peripheriegeräte können ganz oder teilweise in einem Computer (der beispielsweise in einer Arbeitsstation oder einer Konsole vorgesehen sein kann) verkörpert sein.
Üblicherweise werden die RF-Anregungssignale in Pulsen angelegt, und somit kann eine gegebene Probenspule 116 sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von RF-Signalen verwendet werden. Außerdem kann eine gegebene Sondenschaltung der Sondenschaltungsanordnung 120 (und ihre entsprechende Probenspule 116) vielfach resonant sein und kann zu diesem Zweck mehrere Kanäle vorsehen. Eine vielfach resonante Sondenschaltung kann zum gleichzeitigen resonanten Koppeln mit mehr als einer Art von NMR-aktivem Kern konfiguriert sein oder kann über einen Bereich von Resonanzfrequenzen hinweg einstellbar sein, um mit verschiedenen Arten von ausgewählten NMR-aktiven Kernen zu koppeln. Jedoch kann die Sondenschaltungsanordnung 120 mehr als eine eigene Sondenschaltung umfassen – und die NMR-Sonde 108 kann mehr als eine entsprechende Probenspule 116 umfassen – um eine Implementierung verschiedener Kanäle zu ermöglichen, wie bei den nachstehend beschriebenen Beispielen.
2 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels einer vielfach resonanten abstimmbaren Sondenschaltung 200, in diesem Fall einer doppelt resonanten Sondenschaltung. Ein Induktor L_S stellt eine Probenspule einer NMR-Sonde dar. Die abstimmbare Sondenschaltung 200 umfasst ein erstes RF-Eingangstor 204, das einem ersten Kanal zugeordnet ist, und ein zweites RF-Eingangstor 206, das einem zweiten Kanal zugeordnet ist. Die Eingangstore 204, 206 können mit jeweiligen RF-Übertragungsleitungen (nicht gezeigt) wie beispielsweise 50 Ω-Koaxialkabeln verbunden sein. Als Beispiel kann der erste Kanal dahin gehend abgestimmt sein, mit einem Wasserstoff(¹H)-Kern resonant zu koppeln, und der zweite Kanal kann dahin gehend abgestimmt sein, mit einem Deuterium(²H)-Kern resonant zu koppeln. Diese Art von Konfiguration wird oft als Protonen-Locking- oder HD-Schaltung bezeichnet. Beispielsweise können die Resonanzfrequenzen eines Protons und von Deuterium bei einer gegebenen Magnetfeldstärke 500 MHz bzw. 76 MHz betragen. Jedoch kann der erste Kanal auf einen anderen Hochresonanzfrequenzkern wie z. B. das Fluor-Isotop ¹⁹F abstimmbar oder schaltbar sein, und der zweite Kanal kann auf einen anderen Niedrigresonanzfrequenzkern wie z. B. das Kohlenstoff-Isotop ¹³C abstimmbar oder schaltbar sein. Die Sondenschaltung 200 kann eine Kombination von variablen Kondensatoren (die mit schrägen Pfeilen gezeigt sind), Festkondensatoren und Induktoren (zusätzlich zu der Probenspule L_S) umfassen. Variable Kondensatoren, die mit C_m bezeichnet sind, werden zur Impedanzanpassung verwendet, und variable Kondensatoren, die mit C_t bezeichnet sind, werden zur Frequenzabstimmung verwendet. Somit kann der erste Kanal allgemein als Hochfrequenz(HF)-Kanal beschrieben werden, und der zweite Kanal kann allgemein als Niedrigfrequenz(NF)-Kanal beschrieben werden.
Bei dem in 2 speziell veranschaulichten Beispiel wird ein variabler Kondensator 212 dazu verwendet, den ersten (Protonen-)Kanal anzupassen, d. h. eine Impedanzanpassung zwischen der Probenspule und der mit der Sondenschaltung 200 (an dem ersten RF-Eingangstor 204) kommunizierenden Übertragungsleitung durchzuführen. Variable Kondensatoren 214, 216, die parallel mit der Probenspule gekoppelt sind, werden dazu verwendet, den ersten Kanal abzustimmen, und ein variabler Kondensator 218 wird dazu verwendet, den zweiten (Locking- bzw. Lock-)Kanal abzustimmen. Bei diesem spezifischen Beispiel ist die Impedanzanpassung des zweiten Kanals fest, alternativ dazu kann sie jedoch einstellbar sein, indem ein geeigneter variabler Kondensator (nicht gezeigt) vorgesehen wird. Induktoren L₁ und L₂ können dahin gehend fungieren, zu verhindern, dass die RF-Signale des ersten Kanals bzw. des zweiten Kanals leckmäßig zur Masse gelangen, und isolieren die zwei Kanäle elektrisch voneinander. Festkondensatoren C können verschiedenen Zwecken dienen, wie beispielsweise einer Kooperation mit den variablen Kondensatoren C_m oder C_t einer Anpassung oder Abstimmung, einer Anpassung des zweiten Kanals, oder einer Kooperation mit den Induktoren L₁ und L₂ zur Isolierung.
3 ist eine schematische Ansicht eines weiteren Beispiels einer vielfach resonanten abstimmbaren Sondenschaltung 300, in diesem Fall einer Breitbandsondenschaltung. Die abstimmbare Sondenschaltung 300 umfasst eine Probenspule L_S einer NMR-Sonde, ein RF-Eingangstor 304 (das üblicherweise mit einer RF-Übertragungsleitung wie beispielsweise einem 50 Ω-Koaxialkabel verbunden ist), einen variablen Kondensator C_m, der zur Impedanzanpassung verwendet wird, und variable Kondensatoren C_t, die zur Frequenzabstimmung verwendet werden. Als Beispiel ermöglichen die variablen Kondensatoren C_t, dass die Sondenschaltung 300 selektiv auf eine beliebige einer Mehrzahl verfügbarer Resonanzfrequenzen abgestimmt wird, die niedriger sind als die höheren Resonanzfrequenzen, die ¹H- und ¹⁹F-Kernen zugeordnet sind. Beispiele von häufig studierten NMR-aktiven Kernen, die relativ niedrigere Resonanzfrequenzen aufweisen, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, das Kohlenstoff-Isotop ¹³C, das Stickstoff-Isotop ¹⁵N und das Phosphor-Isotop ¹³P. Wie Fachleuten einleuchten wird, existieren viel mehr Arten von NMR-aktiven Kernen. Bei einer Implementierung ist die Sondenschaltung 300 zwischen ¹³C- und ¹⁵N-Resonanzfrequenzen abstimmbar. Bei einer anderen Implementierung kann die Sondenschaltung 300 zusätzlich dazu konfiguriert sein, zu einer ¹³P-Resonanzfrequenz schaltbar zu sein. Bei anderen Implementierungen kann die Sondenschaltung 300 dazu konfiguriert sein, über verschiedene und/oder breitere Frequenzbereiche hinweg abstimmbar und/oder zu anderen Frequenzen schaltbar zu sein.
Als Beispiel können die in 2 und 3 veranschaulichten abstimmbaren Sondenschaltungen 200, 300 beide in der in 1 veranschaulichten Sondenschaltungsanordnung 120 vorgesehen sein und mit jeweiligen Probenspulen 116 kommunizieren. Überdies können mehr als zwei vielfach resonante und/oder Breitband-Sondenschaltungen vorgesehen sein. Außerdem kann eine gegebene vielfach resonante Sondenschaltung doppelt resonant sein, wie bei dem Beispiel der 2, oder sie kann dreifach resonant sein oder, allgemeiner, n-resonant, wie Fachleuten einleuchten wird. Alternativ dazu kann eine gegebene Sondenschaltung eine Einzelkanalschaltung sein, die zum resonanten Koppeln mit einem einzelnen Typ von NMR-aktivem Kern konfiguriert ist. Eine beliebige Kombination von Sondenschaltungen kann dazu verwendet werden, eine Sondenschaltungsanordnung 120 zu bilden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mehrere getrennte, unabhängig voneinander angepasste und abgestimmte Kanäle aufweist. Unter Verwendung einer herkömmlichen Benennung können die Kanäle der Sondenschaltungsanordnung 120 einen oder mehrere der folgenden Kanäle umfassen: H, F, D, X, Y, ... n, wobei H einen Hochfrequenzkanal zum Anregen eines ¹H-Kerns (eines Protons) bezeichnet, F einen niederfrequenten (jedoch immer noch relativ hochfrequenten) Kanal zum Anregen eines ¹⁹F-Kerns bezeichnet, D einen Niedrigfrequenzkanal zum Anregen eines ²H-Kerns (Deuterium-Locking-Mittel) bezeichnet und X, Y, ... n einen oder mehrere Niedrigfrequenzkanäle zum Anregen anderer Arten von Kernen, die niedrige Resonanzfrequenzen aufweisen (z. B. ¹³C, ¹⁵N, ¹³P usw.) bezeichnen.
Ein Beispiel einer NMR-Sonde und einer zugeordneten Sondenschaltungsanordnung, die gemäß den vorliegenden Lehren strukturiert sind, wird nun unter Bezugnahme auf 4–10 beschrieben.
4 ist eine Ansicht eines Beispiels einer NMR-Sonde 400. Die NMR-Sonde 400 umfasst eine oder mehrere Probenspulen 404, 406 und eine NMR-Sondenschaltungsanordnung 410, wobei alle diese Komponenten an einem Rahmen bzw. Chassis 414 angebracht (oder auf demselben getragen) werden können. Die NMR-Sonde 400 kann für einen Betrieb bei Raumtemperatur, variabler Temperatur oder bei tiefen Temperaturen konfiguriert sein. Der Einfachheit halber sind Komponenten eines Wärmeaustauschsystems, das einem Betrieb bei tiefen Temperaturen zugeordnet ist, nicht speziell gezeigt. Die Sondenschaltungsanordnung 410 kann eine oder mehrere physisch getrennte abstimmbare Sondenschaltungen umfassen. Bei dem vorliegenden Beispiel umfasst die Sondenschaltungsanordnung 410 eine erste abstimmbare Sondenschaltung 420 und eine zweite abstimmbare Sondenschaltung 422. Bei dem vorliegenden Beispiel ist die erste Sondenschaltung 420 eine HD-Sondenschaltung (z. B. die in 2 schematisch veranschaulichte abstimmbare Sondenschaltung 200), und die zweite Sondenschaltung 422 ist eine Breitband-Sondenschaltung (z. B. die in 3 schematisch veranschaulichte abstimmbare Sondenschaltung 300). Das Chassis 414 kann ein transversal orientiertes strukturelles Bauglied 426 umfassen, auf dem die Probenspulen 404, 406 direkt oder indirekt getragen sind und das die Probenspulen 404, 406 physisch von der Sondenschaltungsanordnung 410 trennt. Das Chassis 414 kann auch ein axial orientiertes strukturelles Bauglied 428 umfassen, auf dem die Sondenschaltungen 420, 422 angebracht sind. Als Beispiel kann das axial orientierte strukturelle Bauglied 428 Anbringbohrungen 432 umfassen. (Nicht gezeigte) Anbringbohrungen der Sondenschaltungen 420, 422 können mit ausgewählten Anbringbohrungen 432 des axial orientierten strukturellen Bauglieds 428 und Befestigungsvorrichtungen (z. B. Schrauben oder Bolzen (nicht gezeigt)), die in die Anbringbohrungen 432 eingebracht werden, um die Sondenschaltungen 420, 422 an dem axial orientierten strukturellen Bauglied 428 zu befestigen, ausgerichtet sein. Somit kann man erkennen, dass die NMR-Sonde 400 einen modularen Entwurf aufweist, bei dem die Probenspulen 404, 406 und einzelne Sondenschaltungen 420, 422 je nach Bedarf rasch und problemlos angebracht, entfernt und ausgewechselt werden können. Bei manchen Implementierungen kann das axial orientierte strukturelle Bauglied 428 als Wärmeableiter dienen, wobei die Befestigungsvorrichtungen als thermische Kontakte dienen, durch die Wärme von den Sondenschaltungen 420, 422 an das axial orientierte strukturelle Bauglied 428 transferiert werden. Die Probenspulen 404, 406 können eine zentrale Röhre 434, in die die interessierende Probe geladen wird, koaxial umgeben. Die zentrale Röhre 434 kann sich auch durch das axial orientierte strukturelle Bauglied 428 hindurch erstrecken.
5–10 veranschaulichen ein Beispiel der ersten abstimmbaren Sondenschaltung 420 gemäß einer Implementierung.
5 und 6 sind eine perspektivische bzw. eine Seitenansicht der ersten abstimmbaren Sondenschaltung 420 in zusammengebauter Form. Die erste Sondenschaltung 420 weist eine Schwebesubstratarchitektur auf, bei der eine Masseebene 504 durch einen Luftzwischenraum oder einen Luftspalt 508 von bestimmten Schaltungskomponenten elektrisch isoliert ist. Die Masseebene 504 kann eine Schicht oder Platte aus einem elektrisch leitfähigen Material oder ein Substrat einer beliebigen Zusammensetzung sein, das mit einem elektrisch leitfähigen Material plattiert ist. Bei einem nicht-einschränkenden Beispiel ist die Masseebene 504 eine Platte eines sauerstofffreien Kupfers mit hoher Leitfähigkeit (OFHC – oxygen-free high-conductivity copper), das mit Gold plattiert ist. Die Masseebene 504 kann Kondensatoreinstellvorrichtungen 540, 542, 544 und verschiedene Schaltungskomponenten, wie sie nachstehend beschrieben werden, tragen. Ein dielektrisches Substrat 512 (z. B. eine Schicht oder Platte) ist oberhalb der Masseebene 504 aufgehängt (schwebt oberhalb der Masseebene 504) und ist somit von derselben getrennt. Das dielektrische Substrat 512 umfasst eine planare erste Oberfläche 614 und eine gegenüberliegende planare zweite Oberfläche 616. Das dielektrische Substrat 512 kann aus einem beliebigen dielektrischen, wärmeleitfähigen Material gebildet sein, das zur Verwendung bei einer NMR-Sondenschaltung geeignet ist. Nicht-einschränkende Beispiele umfassen Saphir (Al₂O₃), Diamant, Aluminiumnitrid (AlN), wärmeleitfähige Keramiken wie beispielsweise Tonerde (Aluminiumoxid bzw. Al₂O₃), Beryllerde (Berylliumoxid bzw. BeO) oder dergleichen und dielektrische Materialien, die üblicherweise als Schaltungsplatinensubstrate verwendet werden. Einkristallsaphir erwies sich aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit bei Kryotemperaturen, seiner hohen Dielektrizitätskonstante, seines geringen dielektrischen Verlustes und seiner Fähigkeit, hohe Q-Faktoren bei der Sondenschaltung 420 zu verwirklichen, als besonders vorteilhaft. Wie aus der nachstehenden Beschreibung hervorgeht, dient das dielektrische Substrat 512 mehreren Fest- und variablen Kondensatoren als gemeinsames dielektrisches Substrat.
Bei manchen Implementierungen ist auf dem dielektrischen Substrat 512 eine Schaltungsplatine 520 angeordnet. Schaltungskomponenten können auf einer oder beiden Seiten der Schaltungsplatine 520 enthalten sein, wie nachstehend beschrieben wird. Die Schaltungsplatine 520 umfasst eine planare erste Oberfläche 624 und eine gegenüberliegende planare zweite Oberfläche 626. Die Schaltungsplatine 520 kann aus einem beliebigen dielektrischen Material gebildet sein, das eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen geringen dielektrischen Verlust aufweist und zur Verwendung bei einer NMR-Sondenschaltung geeignet ist. Ein nicht-einschränkendes Beispiel der Schaltungsplatine 520 ist aus einem mit Glasmikrofaser verstärkten Polytetrafluorethylen(PTFE)-Verbundstoff wie beispielsweise dem im Handel von Rogers Corporation, Chandler, Arizona, erhältlichen Laminat RT/Duroid^® 5880 gebildet. Die Schaltungsplatine 520 kann als zweites dielektrisches Substrat relativ zu dem ersten dielektrischen Substrat 512 angesehen werden.
Auf der Schaltungsplatine 520 kann eine äußere, elektrisch isolierende strukturelle Schicht (Platte oder Block) 524 angeordnet sein, wodurch die Schaltungsplatine 520 zwischen der äußeren strukturellen Schicht 524 und dem dielektrischen Substrat 512 angeordnet ist. Die äußere strukturelle Schicht 524 kann beispielsweise aus einem beliebigen dielektrischen Material gebildet sein, das eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen geringen dielektrischen Verlust aufweist und zur Verwendung bei einer NMR-Sondenschaltung geeignet ist. Ein nicht-einschränkendes Beispiel der äußeren strukturellen Schicht 524 ist aus lichtdurchlässigem vernetztem Polystyrol wie z. B. einem Rexolite^®-Kunststoff, der im Handel von C-Lec Plastics, Inc., Philadelphia, Pennsylvania, erhältlich ist, gebildet. Die äußere strukturelle Schicht 524 kann Aussparungen umfassen, um zu ermöglichen, dass die äußere strukturelle Schicht 524 die lateralen Kanten der Schaltungsplatine 520 und des dielektrischen Substrats 512 einkapselt. Das dielektrische Substrat 512 und die Schaltungsplatine 520 können anhand beliebiger Mittel (z. B. Befestigungsvorrichtungen, Adhäsion oder Bonden) an der äußeren strukturellen Schicht 524 befestigt sein. Die äußere strukturelle Schicht 524 kann an einem oder mehreren Abstandshaltern 628 befestigt sein, die zwischen der Masseebene 504 und der äußeren strukturellen Schicht 524 angeordnet sind. Die Abstandshalter 628 können als Pfosten vorgesehen sein, die sich von der Masseebene 504 nach oben erstrecken. Beispielsweise können Löcher der äußeren strukturellen Schicht 524 mit den Abstandshaltern 628 ausgerichtet sein, und mit einem Gewinde versehene Befestigungsvorrichtungen 532 können durch die Löcher und in mit einem komplementären Gewinde versehene Bohrungen der Abstandshalter 628 eingebracht werden. Aufgrund einer derartigen Konfiguration werden die Schaltungsplatine 520 und das dielektrische Substrat 512 zwischen der Masseebene 504 und der äußeren strukturellen Schicht 524 angeordnet, wobei der Luftspalt 508 zwischen der Masseebene 504 und dem dielektrischen Substrat 512 durch die Abstandshalter 628 auf einen gewünschten Abstand eingestellt wird (bei einem nicht-einschränkenden Beispiel etwa 0,10 Zoll bzw. etwa 2,5 mm), d. h. die Abstandshalter 628 definieren einen Abstand des Luftspalts 508.
7 und 8 sind eine Drauf- bzw. eine Unteransicht eines Beispiels der Schaltungsplatine 520 gemäß einer Implementierung. Zwei Induktoren 552, 554 sind an der ersten Oberfläche 624 angebracht. Bei dem vorliegenden Beispiel entsprechen die beiden Induktoren 552, 554 jeweils den in 2 veranschaulichten Induktoren L₁ und L₂, oben beschrieben. Auf der zweiten Oberfläche 626 sind eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen (oder planaren elektrischen Leitern) 812–820 gebildet. Die elektrisch leitfähigen Bahnen 812–820 können anhand einer beliebigen geeigneten Technik wie beispielsweise Bildung einer Metallisierungsschicht auf der zweiten Oberfläche 626, gefolgt von einem Strukturierungsvorgang, gebildet werden. Die Leiterbahnen 812–820 können auch als strukturierte leitfähige Schicht bezeichnet werden. Es kann jedes beliebige geeignete elektrisch leitfähige Material verwendet werden, wobei einige nicht-einschränkende Beispiele Kupfer und bei Hochtemperatur supraleitende (HTS – high-temperature superconducting) Materialien wie beispielsweise verschiedene Cuprate, Eisenverbindungen und sonstige HTS-Materialien sind. Manche der Leiterbahnen 812–820 dienen als die „oberen” Kondensatorelektroden von Festkondensatoren und als die ortsfesten („oberen”) Kondensatorelektroden von variablen Kondensatoren. Andere Leiterbahnen 812–820 können als elektrische Zwischenverbindungen zwischen den Induktoren 552, 554 und den Kondensatoren oder zwischen RF-Ausgangsanschlüssen (einem ersten Anschuss 556 und einem zweiten Anschluss 558) der Sondenschaltung 420 und einer zugeordneten Probenspule 404 oder 406 dienen. Bei diesem Beispiel kommunizieren die Induktoren 552 bzw. 554 durch Induktorleitungen, die durch Durchgangslöcher der Schaltungsplatine 520 eingefügt sind, mit ausgewählten Leiterbahnen 816, 818 und 812, 820, wobei Lötmittel aufgebracht wird, um die elektrischen Verbindungen zu vervollständigen. Wenn die erste Sondenschaltung 420 zusammengebaut ist (6), ist die zweite Oberfläche 626 der Schaltungsplatine 520 der ersten Oberfläche 614 des dielektrischen Substrats 512 zugewandt, und somit sind die Leiterbahnen 812–820 auf der ersten Oberfläche 614 des dielektrischen Substrats 512 angeordnet.
Bei einer alternativen Implementierung werden die Leiterbahnen 812–820 anhand einer beliebigen geeigneten Technik wie beispielsweise einer Vakuumaufdampfung, auf die eine Strukturierung (z. B. Lithographie, Ätzen) folgt, auf der ersten Oberfläche 614 des dielektrischen Substrats 512 hergestellt (oder auf sonstige Weise an derselben befestigt). In diesem Fall kann auf die Schaltungsplatine 520 verzichtet werden, oder es kann eine kleinere Schaltungsplatine verwendet werden, um die Induktoren 552, 554 in Kommunikation mit den geeigneten Leiterbahnen 816, 818 und 812, 820 stabil zu positionieren. Ob die Leiterbahnen 812–820 (strukturierte leitfähige Schicht) auf der Schaltungsplatine 520 oder auf dem dielektrischen Substrat 512 hergestellt werden, in jedem Fall werden die Leiterbahnen 812–820 nach dem Zusammenbau auf dem dielektrischen Substrat 512 angeordnet, gegenüber entsprechenden „unteren” Kondensatorelektroden, wie nun beschrieben werden wird. Überdies wird in jedem Fall ein hervorragender thermischer Kontakt zwischen den Leiterbahnen 812–820 und dem dielektrischen Substrat 512 hergestellt.
9 ist eine Draufsicht auf eine Masseebenenanordnung 900 der ersten Sondenschaltung 420. Die Masseebene 504 kann Anbringbohrungen 932 umfassen, die, wie oben erwähnt wurde, mit ausgewählten Anbringbohrungen 432 des axial orientierten strukturellen Bauglieds 428 des Sondenchassis 414 (4) ausgerichtet sein können, sodass die Masseebene 504 mittels Befestigungsvorrichtungen an dem axial orientierten strukturellen Bauglied 428 befestigt werden kann und thermisch mit demselben kommunizieren kann. Die Masseebenenanordnung 900 umfasst eine oder mehrere „untere” Kondensatorelektroden 904, 906 zum Bilden von Festkondensatoren in einer Nebenschluss-(Parallel-)konfiguration (Kommunikation mit der Masseebene 504), eine oder mehrere „untere” Kondensatorelektroden 910 zum Bilden von Festkondensatoren in einer Reihenkonfiguration (elektrisch floatend) und eine oder mehrere bewegbare („untere”) Kondensatorelektroden 914, 916, 918 zum Bilden von variablen Kondensatoren. Bei dem vorliegenden Beispiel sind alle variablen Kondensatoren Parallelkondensatoren. Bei dem vorliegenden Beispiel kann bzw. können die untere(n) Kondensatorelektrode(n) 910, die als Reihenkondensator(en) implementiert ist bzw. sind, durch einen Zwischenblock 922 eines dielektrischen Materials von der Masseebene 504 elektrisch isoliert sein. Die unteren Kondensatorelektroden 904–918 sind dahin gehend angebracht, die zweite Oberfläche 616 des dielektrischen Substrats 512 zu berühren. Manche oder alle der unteren Kondensatorelektroden 904–918 können beispielsweise dieselbe Zusammensetzung aufweisen wie die Masseebene 504, oder sie können aus anderen geeigneten elektrisch leitfähigen Materialien gebildet sein. Wenn die erste Sondenschaltung 420 zusammengebaut wird, wird jeder Dreh- oder Festkondensator durch eine jeweiligen obere Kondensatorelektrode (Leiterbahn 812–820) der Schaltungsplatine 520 (oder des dielektrischen Substrats 512), eine untere Kondensatorelektrode 904–918 der Masseebenenanordnung 900 und eine Region des dazwischenliegenden gemeinsamen dielektrischen Substrats 512 gebildet. Die resultierenden Festkondensatoren und variablen Kondensatoren weisen somit eine Parallelplattenkonfiguration auf. Bei manchen Implementierungen können ein oder mehrere der Kondensatoren eine gemeinsame obere Kondensatorelektrode oder untere Kondensatorelektrode gemeinsam nutzen. In dem vorliegenden Zusammenhang werden die Begriffe „obere(r, s)” und „untere(r, s)” in einem relativen Sinn lediglich für Veranschaulichungszwecke und nicht zur Einschränkung der Orientierung der ersten Sondenschaltung 420 verwendet.
Die Kapazität C eines Parallelplattenkondensators kann als C = ε_rε₀A/d ausgedrückt werden, wobei ε die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht ist, ε₀ ≈ 8,854 × 10¹² F·m^–1 die elektrische Konstante ist, A die Fläche der Platten (der beiden Kondensatorelektroden) ist und d der Abstand ist, um den die Platten getrennt sind. Somit kann die Kapazität C bei einem variablen Parallelplatten-Kondensator variiert werden, indem die Überlappungsfläche A zwischen den Platten verändert wird. Bei der vorliegenden Implementierung wird ein Verändern der Fläche A bewerkstelligt, indem die bewegbare Kondensatorelektrode 914, 916 oder 918 eines gegebenen variablen Kondensators relativ zu der entsprechenden ortsfesten Kondensatorelektrode (entsprechenden Leiterbahnen 812–820) bewegt wird. Jede bewegbare Kondensatorelektrode 914, 916, 918 ist entlang der Masseebene 504 sowohl in der Vorwärts- als auch der umgekehrten Richtung axial translatierbar (z. B. gleitbar). Die Kondensatoreinstellvorrichtungen 540, 542 und 544 kommunizieren mechanisch mit den jeweiligen bewegbaren Kondensatorelektroden 914, 916 und 918, um einen Nutzer zu befähigen, die Bewegung und somit die Einstellung der variablen Kondensatoren entweder für eine Impedanzanpassung oder eine Frequenzabstimmung manuell zu betätigen.
Bei der vorliegenden Implementierung umfasst jede Kondensatoreinstellvorrichtung 540, 542, 544 eine lineare Führung 560, die die lineare Bewegung eines Wagens 562 unterstützt. Eine Verbindung 564 (z. B. eine Welle) verbindet den Wagen 562 mit der entsprechenden bewegbaren Kondensatorelektrode 914, 916 oder 918. Diese Verbindung 564 kann entweder ein leitfähiges oder ein isolierendes Material sein, je nach Einzelheiten des Schaltungsentwurfs. Ein zur Manipulation seitens des Nutzers konfiguriertes drehbares Element 566 ist mit dem Wagen 562 verbunden und umfasst Gewinde, die mit komplementären Gewinden einer Bohrung des Wagens 562 zusammenpassen. Demgemäß wird eine Rotation des drehbaren Elements 566 in eine lineare Translation des Wagens 562 und somit der Verbindung 564 und der bewegbaren Kondensatorelektrode 914, 916 oder 918 entweder in der Vorwärts- oder der Rückwärtsrichtung, je nach der Drehungsrichtung, umgewandelt. Das drehbare Element 566 kann einen einen großen Durchmesser aufweisenden Abschnitt 568 umfassen, der in einem Segment 570 der linearen Führung 560 derart festgehalten ist, dass sich das drehbare Element 566 nur drehen kann und daran gehindert wird, sich in irgendeiner Richtung zu translatieren. Je nach der bestimmten Kondensatoreinstellvorrichtung 540, 542 oder 544 dreht ein Nutzer somit sein drehbares Element 566, um entweder eine Impedanzanpassung oder eine Frequenzabstimmung eines gewünschten Kanals der Sondenschaltung 420 zu bewirken. Bei diesem Beispiel hängt die Auflösung der Abstimmung, d. h. das Ausmaß einer linearen Translation als Funktion des Ausmaßes der Drehung, von der Ganghöhe der Gewinde ab. Wie in 9 veranschaulicht ist, sind die drehbaren Elemente 566 als axial längliche Bauglieder konfiguriert, um einen Zugriff und eine Handhabung seitens des Nutzers zu erleichtern.
Bei anderen Implementierungen können die Kondensatoreinstellvorrichtungen 540, 542, 544 zum Einstellen des Abstandes d zwischen oberen und unteren Elektroden der variablen Kondensatoren konfiguriert sein. Überdies könnten andere Mittel zum Betätigen der bewegbaren Kondensatorelektroden 914, 916, 918 statt Drehung-zu-Translation-Vorrichtungen implementiert werden, beispielsweise piezoelektrische Motoren, Schubstangen usw. Die Kondensatoreinstellvorrichtungen 540, 542, 544 können für eine manuelle Betätigung konfiguriert sein, wie bei dem vorliegenden Beispiel, oder alternativ dazu für eine automatisierte Betätigung.
Wie oben erwähnt wurde, berühren die unteren Kondensatorelektroden 904–918 die zweite Oberfläche 616 des dielektrischen Substrats 512 (auf der gegenüberliegenden Seite der oberen Kondensatorelektroden). Bei der vorliegenden Implementierung werden Spalte zwischen den unteren Kondensatorelektroden 904, 906, 914, 916, 918 und des dielektrischen Substrats 512 vermieden, indem elektrisch leitfähige Federn vorgesehen werden, die die parallel geschalteten unteren Kondensatorelektroden 904, 906, 914, 916, 918 zu dem dielektrischen Substrat 512 hin vorspannen. 10 ist eine Querschnittsseitenansicht eines Beispiels einer gefederten unteren Kondensatorelektrode 1004. Eine elektrisch leitfähige Feder 1008 ist in einer Aussparung 1012 in der Unterseite der unteren Kondensatorelektrode 1004 zum Vorspannen der unteren Kondensatorelektrode 1004 zu dem dielektrischen Substrat 512 hin angebracht. Die Feder 1008 kann aus einem beliebigen geeigneten elektrisch leitfähigen Material gebildet sein, wobei ein nicht-einschränkendes Beispiel eine Beryllium-Kupfer-Legierung (BeCu) ist. Die Feder 1008 berührt die Masseebene 504. Im Fall der variablen Kondensatoren können sich die Federn 1008 entlang jeweiligen linearen Rillen oder Spuren 970 (9), die in der Masseebene 504 gebildet sind, bewegen (z. B. gleiten), wodurch eine geradlinige Hin- und Herbewegung der bewegbaren Kondensatorelektroden 914, 916 und 918 aufrechterhalten wird. Im Fall der Festkondensatoren kann die untere Kondensatorelektrode 1004 zusätzlich Anbringmerkmale 1016 zum Befestigen der unteren Kondensatorelektrode 1004 an der Masseebene 504 umfassen.
Die Masseebenenanordnung 900 umfasst ferner RF-Eingangstore 632, 634 für jeden Kanal (zwei Kanäle bei dem vorliegenden Beispiel). Bei dem vorliegenden Beispiel kommuniziert das RF-Eingangstor 632 mit einem Protonenkanal, und das RF-Eingangstor 634 kommuniziert mit einem Lockkanal. Bei der vorliegenden Implementierung erstrecken sich die RF-Eingangstore 632, 634 über elektrisch isolierende Halterungen durch Bohrungen der Masseebene 504 hindurch. Auf der Rückseite der Masseebene 504 sind die RF-Eingangstore 632, 634 für eine Verbindung mit Koaxialkabeln oder sonstigen geeigneten Leitern von RF-Energie konfiguriert. In 6 ist ein mit dem RF-Eingangstor 632 gekoppeltes Koaxialkabel 636 sichtbar. Analog zu den im Nebenschluss geschalteten unteren Kondensatorelektroden 904, 906, 914, 916, 918 können die RF-Eingangstore 632, 634 (nicht gezeigte) Federstifte umfassen, die einen Kontakt mit der zweiten Oberfläche 616 des dielektrischen Substrats 512 gewährleisten. Die RF-Eingangstore 632, 634 sind somit mit ihren jeweiligen Sondenkanälen kapazitiv gekoppelt.
Die Masseebenenanordnung 900 umfasst ferner ein RF-Ausgangstor, das Anschlüsse 556, 558 umfasst. Die RF-Ausgangsanschlüsse 556, 558 verbinden Leiterbahnen 818, 820 der Schaltungsplatine 520 (oder des dielektrischen Substrats 512) mit Leiterbahnen, die wiederum mit der Probenspule, die der Sondenschaltung 420 zugeordnet ist, kommunizieren. Bei der vorliegenden Implementierung sind die RF-Ausgangsanschlüsse 556, 558 in einem elektrisch isolierenden Kontaktblock 576 angeordnet, der beispielsweise an der Masseebene 504 angebracht sein kann. Bei der vorliegenden Implementierung wird eine Signalkommunikation über Kontaktstifte 714, 716 (7 und 8) bewerkstelligt, die durch Löcher der Schaltungsplatine 520 und des Kontaktblocks 576 in einen Kontakt mit den jeweiligen RF-Ausgangsanschlüssen 556, 558 gelangen, die sich von dem Kontaktblock 576 aus erstrecken.
In dem vorliegenden Kontext beziehen sich die Begriffe „RF-Eingang” und „RF-Ausgang” der Zweckmäßigkeit halber allgemein auf die Richtung von RF-Anregungssignalen, die an die Probenspule gesendet werden. Jedoch wird man verstehen, dass ansprechende RF-Messsignale seitens der Sondenschaltung 420 von der Probenspule über die „RF-Ausgang”-Anschlüsse 556, 558 empfangen werden und über eines der „RF-Eingang”-Tore 632, 634 an das Steuer-/Erfassungssystem 112 geleitet werden. Somit sollen die Begriffe „RF-Eingang” und „RF-Ausgang” keine Einschränkung der allgemeinen Richtung eines RF-Energietransfers durch die Sondenschaltung 420 hindurch bedeuten.
Bei der in 9 veranschaulichten spezifischen Implementierung ist die bewegbare Kondensatorelektrode 914 Bestandteil des variablen Kondensators, der dazu verwendet wird, den ersten (Protonen-)Kanal durch Betätigung der Kondensatoreinstellvorrichtung 540 anzupassen, und sie kann dem in 2 gezeigten variablen Kondensator 212 entsprechen. Die bewegbare Kondensatorelektrode 916 ist Bestandteil der variablen Kondensatoren (zwei Abstimmkondensatoren), die dazu verwendet werden, den ersten Kanal durch Betätigung einer anderen Kondensatoreinstellvorrichtung 542 abzustimmen, und sie kann den in 2 gezeigten variablen Kondensatoren 214 und 216 entsprechen. Diese bewegbare Kondensatorelektrode 916 ist den beiden variablen Kondensatoren 214 und 216 gemeinsam, während die jeweiligen ersten Kondensatorelektroden getrennt sind, wie aus den entsprechenden physisch getrennten Leiterbahnen 818 und 820, die in 8 gezeigt sind, klar hervorgeht. Somit sind diese zwei variablen Kondensatoren 214 und 216 durch die zweite Kondensatoreinstellvorrichtung 542 miteinander einstellbar, wobei diese Konfiguration auch durch die ausgerichteten Pfeile in 2 schematisch dargestellt ist. Die bewegbare Kondensatorelektrode 918 ist Bestandteil des variablen Kondensators, der dazu verwendet wird, den zweiten (Lock-)Kanal durch Betätigung einer anderen Kondensatoreinstellvorrichtung 544 abzustimmen, und sie kann dem in 2 gezeigten variablen Kondensator 218 entsprechen. Die in 5–7 gezeigten Induktoren 552, 554 können den in 2 gezeigten entsprechen.
Aus dem Vorstehenden kann man erkennen, dass eine Breitbandsondenschaltung, wie sie in 3 veranschaulicht ist, desgleichen mit der Schwebesubstratarchitektur analog zu der in 4–10 veranschaulichten Sondenschaltung 420 implementiert werden kann. Beispielsweise könnten die zwei in 3 gezeigten variablen Kondensatoren C_t dahin gehend eingestellt werden, die Frequenz abzustimmen, indem man eine Kondensatoreinstellvorrichtung dreht, um eine bewegbare Kondensatorelektrode, die den beiden variablen Kondensatoren C_t gemeinsam ist und die zu der Masseebene parallel geschaltet wird, linear zu verschieben. Diese Konfiguration ist in 3 durch die ausgerichteten Pfeile schematisch dargestellt. Der in 3 gezeigte andere variable Kondensator C_m könnte dahin gehend eingestellt werden, die Impedanz anzupassen, indem man eine andere Kondensatoreinstellvorrichtung dreht, um eine andere bewegbare Kondensatorelektrode linear zu translatieren. Die Breitbandsondenschaltung kann auch einen oder mehrere Festkondensatoren und Induktoren (nicht gezeigt) enthalten, je nachdem, was nötig ist, um diese Implementierung zu verwirklichen, sowie eine geeignete Anordnung von Leiterbahnen, die auf einem gemeinsamen dielektrischen Substrat angeordnet sind.
Die in 4 gezeigte zweite abstimmbare Sondenschaltung 422 kann eine Breitbandschaltung, wie sie soeben beschrieben wurde, oder eine Mehrkanalschaltung sein, die eine Konfiguration aufweist, die zu der ersten Sondenschaltung 420 analog ist, oder sie kann eine Einkanalschaltung sein. 4 veranschaulicht Beispiele bestimmter Komponenten, die in der zweiten Sondenschaltung 422 enthalten sein können, nämlich einer zweiten Masseebene 442, die durch einen zweiten Luftspalt von einem zweiten dielektrischen Substrat 444 getrennt ist, auf dem eine strukturierte leitfähige Schicht (eine zweite Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen) angeordnet ist, einer bewegbaren Kondensatorelektrode 446, die in dem Luftspalt zwischen der zweiten Masseebene 442 und dem zweiten dielektrischen Substrat 444 angeordnet ist, das durch eine Kondensatoreinstellvorrichtung 448 verschoben wird, eines Induktors 450 etc. Die bewegbare Kondensatorelektrode 446 kann bei der zweiten Sondenschaltung 422 zum Abstimmen auf zwei oder mehrere ausgewählte Resonanzfrequenzen in dem zur Verfügung gestellten Breitbandbereich konfiguriert sein. Eine weitere bewegbare Kondensatorelektrode und eine zugeordnete Kondensatoreinstellvorrichtung (nicht gezeigt) können zur Impedanzanpassung vorgesehen sein.
Eine NMR-Sondenschaltung, die eine zweidimensionale Topologie und eine Schwebesubstratarchitektur, wie sie oben beschrieben wurde, aufweist, eignet sich gut für die Anwendung einer Feststoff-Modellierung, -Simulierung und -Herstellung. Es liegt eine Entsprechung zwischen den physischen Abmessungen, Positionen und der Anordnung der mechanischen Komponenten und der Frequenzantwort vor. Es kann unkompliziert sein, eine Änderung des mechanischen Entwurfs vorzunehmen, eine Schaltungssimulation durchzuführen, um zu ermitteln, welche Auswirkung diese Änderung auf die RF-Antwort hat, neue Komponenten machen zu lassen und einen neuen Prototyp, der diese Änderungen beinhaltet, neu zusammenzubauen. Je nach dem Entwurfsproblem, um das es gerade geht, kann es vorzuziehen sein, mit der Simulation zu beginnen und die simulierte Ausgabe dazu zu verwenden, den mechanischen Entwurf zu treiben.
Bei einem Beispiel eines Entwurfsprozesses wurden Schaltungsmodelle für die bei dem Entwurf verwendeten Induktoren entwickelt, indem eine Testhalterung gebaut wurde, die das Sonden-Layout nachahmte, indem der Induktor in dieser Halterung gemessen wurde, indem die Messung zu einer Messung ohne die Testhalterung verarbeitet wurde und indem das Ganze an ein geeignetes Modell angepasst wurde. Auf diese Weise entwickelte Komponentenmodelle wurden kombiniert, um ein Gesamtmodell der Sondenschaltung zu erzeugen, das verwendet wurde, um den Entwurf zu optimieren und die Kondensatorgeometrie zu bestimmen. Ein Kombinieren der gemessenen Modelle für den Induktor mit auf der Breitseite gekoppelten Streifenleitungsmodellen (für die Kondensatoren) und einer S-Parameter-Darstellung der Probenspulen ergab ein vollständiges Sondenmodell. Die kapazitiven Elemente waren auch für eine elektromagnetische Simulierung zugänglich.
Aus dem Vorstehenden kann man ersehen, dass der hierin offenbarte Gegenstand Probleme, die sich NMR-Sondenschaltungen zuwenden, z. B. einer schlechten Reproduzierbarkeit, einer teuren Reparatur und langen Entwurfszyklen, effektiv angeht. Außerdem ermöglicht der vorliegende Gegenstand eine unkomplizierte Anwendung von üblicherweise verwendeten Simulationspaketen. Die Reproduzierbarkeit wird verbessert, da die Schaltungskomponenten in ihren jeweiligen Positionen beschränkt sind, was Kopplungen zwischen einzelnen Komponenten und zwischen jeder Komponente und Masse stabilisiert. Reparatur ist einfacher und kostengünstiger, da man eine ganze Sondeneinheit oder sogar die gesamte Schaltungsanordnung innerhalb von Minuten einfach austauschen kann. Entwurfszyklen sind kürzer, da eine Simulation verwendet werden kann, was üblicherweise viel schneller ist als typische Prototypentwicklungsprozesse. Die vorliegend offenbarte Schaltungstopologie ermöglicht, dass statt einer Prototypentwicklung ein deterministischer Entwurfslösungsansatz verwendet wird, und erleichtert dadurch alle Stufen des Entwurfs, der Herstellung und der Reparatur der Schaltungen und der damit zusammenhängenden Hardware. Ferner machen die vorliegenden Implementierungen das Erfordernis, keramische Chipkondensatoren zu verwenden, überflüssig. Chipkondensatoren werden herkömmlicherweise bei handelsüblichen Entwürfen für Kaltsonden verwendet, eignen sich aber nicht für eine Verwendung bei Tieftemperaturen und können Zuverlässigkeitsprobleme verursachen. Die variablen Kondensatoren, die gemäß der Offenbarung hierin konfiguriert sind, sind über eine große Bandbreite von Kapazitätswerten hinweg einstellbar.
Obwohl die verschiedenen Schichten und Ebenen (z. B. dielektrische Schicht, Masseebene, Schaltungsplatine usw.) in den Zeichnungsfiguren als flach dargestellt sind, wird man verstehen, dass die vorliegenden Lehren gekrümmte Schichten und Ebenen einschließen.
Allgemein werden Begriffe wie beispielsweise „kommunizieren” und „in ... Kommunikation mit” (beispielsweise: eine erste Komponente „kommuniziert mit” oder „steht in Kommunikation mit” einer zweiten Komponente) hierin verwendet, um eine strukturelle, funktionelle, mechanische, elektrische, Signal-, optische, magnetische, elektromagnetische, ionische oder fluidische Beziehung zwischen zwei oder mehreren Komponenten oder Elementen anzugeben. Als solches soll die Tatsache, dass man davon spricht, dass eine Komponente mit einer zweiten Komponente kommuniziert, die Möglichkeit, dass zusätzliche Komponenten zwischen der ersten und der zweiten Komponente vorliegen und/oder wirksam denselben zugeordnet sind oder mit denselben in Eingriff stehen können, nicht ausschließen.
Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung wird man verstehen, dass, wenn eine Schicht (oder ein Film, eine Region, ein Substrat, eine Komponente, eine Vorrichtung oder dergleichen) als „auf” oder „über” einer anderen Schicht befindlich bezeichnet wird, diese Schicht direkt oder tatsächlich auf (oder über) der anderen Schicht befindlich sein kann oder dass alternativ dazu auch dazwischenliegende Schichten (z. B. Pufferschichten, Übergangsschichten, Zwischenschichten, Opferschichten, Ätzstoppschichten, Masken, Elektroden, Zwischenverbindungen, Kontakte oder dergleichen) vorliegen können. Eine Schicht, die sich „direkt auf” einer anderen Schicht befindet, bedeutet, dass keine dazwischenliegende Schicht vorliegt, wenn nichts anderes angegeben ist. Man wird auch verstehen, dass, wenn eine Schicht als „auf” (oder „über”) einer anderen Schicht befindlich bezeichnet wird, diese Schicht die gesamte Oberfläche der anderen Schicht oder lediglich einen Teil der anderen Schicht bedecken kann. Ferner wird man verstehen, dass Begriffe wie beispielsweise „gebildet auf” oder „angeordnet auf” keinerlei Einschränkungen mit sich bringen sollen, die auf bestimmte Verfahren eines Materialtransports, einer Aufbringung, einer Herstellung, einer Oberflächenbehandlung oder einer physischen, chemischen oder ionischen Verbindung oder Interaktion bezogen sind. Der Begriff „angeordnet zwischen” wird auf ähnliche Weise interpretiert.
Man wird verstehen, dass verschiedene Aspekte oder Einzelheiten der Erfindung verändert werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Ferner dient die vorstehende Beschreibung lediglich Veranschaulichungszwecken und nicht dem Zweck einer Einschränkung – wobei die Erfindung durch die Patentansprüche definiert wird.

Claims

Kernmagnetische-Resonanz(NMR)-Sondenschaltungsanordnung (120, 410), die folgende Merkmale aufweist: eine Masseebene (504); ein dielektrisches Substrat (512), das durch einen Luftspalt (508) von der Masseebene (504) getrennt ist; eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen (812, 814, 816, 818, 820), die auf einer Oberfläche des dielektrischen Substrats (512), die dem Luftspalt (508) gegenüberliegt, angeordnet ist, und die eine ortsfeste Kondensatorelektrode aufweist; eine bewegbare Kondensatorelektrode (914, 916, 918), die zwischen der Masseebene (504) und dem dielektrischen Substrat (512) angeordnet ist, in bewegbarem Kontakt mit der Masseebene (504) und dem dielektrischen Substrat (512) steht und in variabler Überlappungsbeziehung mit der ortsfesten Kondensatorelektrode bewegbar ist, wobei die bewegbare Kondensatorelektrode (914, 916, 918), das dielektrische Substrat (512) und die ortsfeste Kondensatorelektrode einen variablen Kondensator bilden, der dazu konfiguriert ist, die NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) auf eine Resonanzfrequenz abzustimmen; und eine Kondensatoreinstellvorrichtung (540, 542, 544), die dazu konfiguriert ist, die bewegbare Kondensatorelektrode (914, 916, 918) ansprechend auf eine Betätigung relativ zu der ortsfesten Kondensatorelektrode zu bewegen.
NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) gemäß Anspruch 1, die eine elektrisch isolierende strukturelle Schicht (524) und einen Abstandshalter (628), der zwischen der Masseebene (504) und der strukturellen Schicht (524) angeordnet ist, aufweist, wobei das dielektrische Substrat (512) an der strukturellen Schicht (524) befestigt ist, die strukturelle Schicht (524) an dem Abstandshalter (628) befestigt ist und der Abstandshalter (628) einen Abstand des Luftspalts (508) definiert.
NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die elektrisch leitfähigen Bahnen (812, 814, 816, 818, 820) an dem dielektrischen Substrat (512) befestigt sind oder die elektrisch leitfähigen Bahnen (812, 814, 816, 818, 820) an einer Schaltungsplatine (520) befestigt sind und mit dem dielektrischen Substrat (512) in Kontakt stehen.
NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der variable Kondensator ein Bestandteil eines ersten Sondenkanals der NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) ist, der zum resonanten Koppeln mit einem Hochfrequenzkern konfiguriert ist, und ferner einen zweiten Sondenkanal aufweist, der zum resonanten Koppeln mit einem Niedrigfrequenzkern konfiguriert ist.
NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) gemäß Anspruch 4, bei der der variable Kondensator des ersten Sondenkanals ein erster variabler Kondensator ist, die bewegbare Kondensatorelektrode des ersten Sondenkanals eine erste bewegbare Kondensatorelektrode (916) ist, die ortsfeste Kondensatorelektrode des ersten Sondenkanals eine erste ortsfeste Kondensatorelektrode ist und die Kondensatoreinstellvorrichtung, die zum Bewegen der ersten bewegbaren Kondensatorelektrode (916) konfiguriert ist, eine erste Kondensatoreinstellvorrichtung (542) ist, und bei der der zweite Sondenkanal folgende Merkmale aufweist: eine zweite bewegbare Kondensatorelektrode (918), die zwischen der Masseebene (504) und dem dielektrischen Substrat (512) angeordnet ist, in bewegbarem Kontakt mit der Masseebene (504) und dem dielektrischen Substrat (512) steht und in variabler Überlappungsbeziehung mit einer zweiten ortsfesten Kondensatorelektrode der Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen (812, 814, 816, 818, 820) bewegbar ist, wobei die zweite bewegbare Kondensatorelektrode (918), das dielektrische Substrat (512) und die zweite ortsfeste Kondensatorelektrode einen variablen Kondensator bilden, der dazu konfiguriert ist, den zweiten Sondenkanal auf eine Resonanzfrequenz des Niedrigfrequenzkerns abzustimmen; und eine zweite Kondensatoreinstellvorrichtung (544), die dazu konfiguriert ist, die zweite bewegbare Kondensatorelektrode ansprechend auf eine Betätigung relativ zu der zweiten ortsfesten Kondensatorelektrode zu bewegen.
NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) gemäß Anspruch 5, bei der die Masseebene (504), das dielektrische Substrat (512), die Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen (812, 814, 816, 818, 820), der erste variable Kondensator, die erste Kondensatoreinstellvorrichtung, der zweite variable Kondensator und die zweite Kondensatoreinstellvorrichtung Bestandteil einer ersten Sondenschaltung (420) der NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) sind, und die ferner eine zweite Sondenschaltung (422) aufweist, die physisch von der ersten Sondenschaltung (420) getrennt ist, wobei die erste Sondenschaltung (420) für eine Signalkommunikation mit einer ersten Probenspule (404) konfiguriert ist und die zweite Sondenschaltung (422) für eine Signalkommunikation mit einer zweiten Probenspule (406) konfiguriert ist und auf eine Resonanzfrequenz eines Niedrigfrequenzkerns eines anderen Typs als der zweite Sondenkanal abstimmbar ist.
NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der variable Kondensator, der zum Abstimmen der NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) auf die Resonanzfrequenz konfiguriert ist, ein erster variabler Kondensator ist, die bewegbare Kondensatorelektrode des ersten variablen Kondensators eine erste bewegbare Kondensatorelektrode (916) ist, die ortsfeste Kondensatorelektrode des ersten variablen Kondensators eine erste ortsfeste Elektrode ist und die Kondensatoreinstellvorrichtung, die zum Bewegen der ersten bewegbaren Kondensatorelektrode (916) konfiguriert ist, eine erste Kondensatoreinstellvorrichtung (542) ist, und die ferner folgende Merkmale aufweist: eine zweite bewegbare Kondensatorelektrode (914), die zwischen der Masseebene (504) und dem dielektrischen Substrat (512) angeordnet ist, in bewegbarem Kontakt mit der Masseebene (504) und dem dielektrischen Substrat (512) steht und in variabler Überlappungsbeziehung mit einer zweiten ortsfesten Kondensatorelektrode der Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen (812, 814, 816, 818, 820) bewegbar ist, wobei die zweite bewegbare Kondensatorelektrode (914), das dielektrische Substrat (512) und die zweite ortsfeste Kondensatorelektrode einen variablen Kondensator bilden, der zu einer Impedanzanpassung zwischen einer Probenspule (116, 404, 406) und einer Übertragungsleitung, die mit der NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) kommuniziert, konfiguriert ist; und eine zweite Kondensatoreinstellvorrichtung (540), die dazu konfiguriert ist, die zweite bewegbare Kondensatorelektrode (914) ansprechend auf eine Betätigung relativ zu der zweiten ortsfesten Kondensatorelektrode zu bewegen.
NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Masseebene (504), das dielektrische Substrat (512), die Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen (812, 814, 816, 818, 820), der variable Kondensator und die Kondensatoreinstellvorrichtung (540, 542, 544) Bestandteil einer ersten Sondenschaltung (420) der NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) sind, und die ferner eine zweite Sondenschaltung (422) aufweist, die von der ersten Sondenschaltung (420) physisch getrennt ist, wobei die erste Sondenschaltung (420) für eine Signalkommunikation mit einer ersten Probenspule (404) konfiguriert ist und auf eine Resonanzfrequenz eines Kerns eines ersten Typs abstimmbar ist und die zweite Sondenschaltung (422) für eine Signalkommunikation mit einer zweiten Probenspule (406) konfiguriert ist und auf eine Resonanzfrequenz eines Kerns eines zweiten Typs abstimmbar ist.
NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) gemäß Anspruch 8, bei der die Masseebene der ersten Sondenschaltung (420) eine erste Masseebene (504) ist, das dielektrische Substrat der ersten Sondenschaltung (420) ein erstes dielektrisches Substrat (512) ist und die Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen der ersten Sondenschaltung (420) eine erste Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen (812, 814, 816, 818, 820) ist, und bei der die zweite Sondenschaltung (422) folgende Merkmale aufweist: eine zweite Masseebene (442); ein zweites dielektrisches Substrat (444), das durch einen zweiten Luftspalt von der zweiten Masseebene (442) getrennt ist; eine zweite Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen, die auf einer Oberfläche des zweiten dielektrischen Substrats (444) angeordnet sind, die dem zweiten Luftspalt gegenüberliegt, und die eine zweite ortsfeste Kondensatorelektrode aufweist; eine zweite bewegbare Kondensatorelektrode (446), die zwischen der zweiten Masseebene (442) und dem zweiten dielektrischen Substrat (444) angeordnet ist, in bewegbarem Kontakt mit der zweiten Masseebene (442) und dem zweiten dielektrischen Substrat (444) steht und in variabler Überlappungsbeziehung mit der zweiten ortsfesten Kondensatorelektrode bewegbar ist, wobei die zweite bewegbare Kondensatorelektrode (446), das zweite dielektrische Substrat (444) und die zweite ortsfeste Kondensatorelektrode einen zweiten variablen Kondensator bilden, der zum Abstimmen der zweiten Sondenschaltung (422) auf eine Resonanzfrequenz des Kerns des zweiten Typs konfiguriert ist; und eine zweite Kondensatoreinstellvorrichtung (448), die zum Bewegen der zweiten bewegbaren Kondensatorelektrode (446) relativ zu der zweiten ortsfesten Kondensatorelektrode ansprechend auf eine Betätigung konfiguriert ist.
NMR-Sondenschaltungsanordnung (120, 410) gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der der variable Kondensator Bestandteil eines ersten Sondenkanals der ersten Sondenschaltung (420) ist, der zum resonanten Koppeln mit einem Hochfrequenzkern konfiguriert ist, und die erste Sondenschaltung (420) ferner einen zweiten Sondenkanal aufweist, der zum resonanten Koppeln mit einem Niedrigfrequenzkern konfiguriert ist.