DE10361347B4

DE10361347B4 - Probenkopf für Kernresonanzmessungen

Info

Publication number: DE10361347B4
Application number: DE10361347A
Authority: DE
Inventors: Dr. Zeiger Heinz Dieter; Baudouin Dillmann
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2023-12-17
Also published as: US20050168223A1; DE10361347A1; US7106061B2

Abstract

Probenkopf für Kernresonanzmessungen, bei denen mindestens zwei unterschiedliche Kernarten (1H, X) in einem Magnetfeld (B) angeregt werden, mit einer Messspule (13), die mit einer Probe (14) zusammenwirkt und die an einem ersten Ende an eine erste Eingangsklemme (11) zum Einspeisen eines Signals höherer Frequenz für die Anregung der ersten Kernart (1H) und/oder den Empfang eines von Kernen der ersten Kernart (1H) ausgesandten Resonanzsignals und an einem zweiten Ende an eine zweite Eingangsklemme (12) zum Einspeisen eines Signals niedrigerer Frequenz für die Anregung der zweiten Kernart (X) und/oder den Empfang eines von Kernen der zweiten Kernart (X) ausgesandten Resonanzsignals angeschlossen ist, wobei zwischen dem zweiten Ende der Messspule (13) und der zweiten Eingangsklemme (12) ein erster Sperrkreis (23; 23a; 23b; 23c) für Signale mit der Resonanzfrequenz der ersten Kernart (1H) angeordnet ist, der eine erste Leitung (31; 31b, 31c; 31e) enthält, deren Länge gleich einem Viertel der Wellenlänge (λH/4) des Signals...

Description

Die Erfindung betrifft einen Probenkopf für Kernresonanzmessungen, bei denen mindestens zwei unterschiedliche Kernarten ¹H, X in einem Magnetfeld B angeregt werden, mit einer Messspule, die mit einer Probe zusammenwirkt und die an einem ersten Ende an eine erste Eingangsklemme zum Einspeisen eines Signals höherer Frequenz für die Anregung der ersten Kernart ¹H und/oder den Empfang eines von Kernen der ersten Kernart ¹H ausgesandten Resonanzsignals und an einem zweiten Ende an eine zweite Eingangsklemme zum Einspeisen eines Signals niedrigerer Frequenz für die Anregung der zweiten Kernart X und/oder den Empfang eines von Kernen der zweiten Kernart X ausgesandten Resonanzsignals angeschlossen ist, wobei zwischen dem zweiten Ende der Messspule und der zweiten Eingangsklemme ein erster Sperrkreis für Signale mit der Resonanzfrequenz der ersten Kernart ¹H angeordnet ist, der eine erste Leitung enthält, deren Länge gleich einem Viertel der Wellenlänge λ_H/4 des Signals mit der Resonanzfrequenz der ersten Kernart ¹H beträgt, wobei die erste Leitung in Reihe mit der Messspule geschaltet ist.
Ein Probenkopf der vorstehend genannten Art ist aus der US 4 833 412 A bekannt.
Bei einem aus der DE 40 02 160 A1 (dort: 1A) bekannten Probenkopf wird als ¹H-Sperrkreis auf der X-Seite der Messspule eine λ_H/4-Leitung verwendet, deren eines Ende an die X-Seite der Messspule angeschlossen und deren anderes Ende offen ist. Von der X-Seite der Messspule geht auch die Verbindung zu der zweiten Eingangsklemme ab. Die λ_H/4-Leitung liegt also quer dazu.
Der bekannte Probenkopf hat erstens den Nachteil, dass die Messspule unsymmetrisch betrieben wird. Das X-Ende der Messspule, an das die λ_H/4-Leitung angeschlossen ist, ist nämlich für die ¹H-Frequenz ”kalt”, weil die λ_H/4-Leitung einen Kurzschluss darstellt. Demgegenüber ist das andere Ende der Messspule, das zur ersten Eingangsklemme führt, für die ¹H-Frequenz ”heiß”. Dies führt zu Inhomogenitäten des Hochfrequenzfeldes innerhalb der Messspule.
Ein zweiter Nachteil des bekannten Probenkopfes besteht darin, dass unmittelbar an dem ”kalten” Ende der Messspule ein Kondensator vorgesehen ist. Dieser Kondensator ist folglich der Temperatur der Messspule ausgesetzt, die bei einer Probentemperierung stark variieren kann. Bei hohen Temperaturen sinkt jedoch die Durchschlagfestigkeit von Kondensatoren, allgemein gesprochen ihre Belastbarkeit. Andererseits wird angestrebt, bei immer höheren Hochfrequenz-Leistungen zu arbeiten, beispielsweise im Bereich von 0,5 kW, was bei einer Messfrequenz von 800 MHz zu einer Spitzenspannung von 5 kV führt bzw. über das gyromagnetische Verhältnis der jeweiligen Kernart zu einer Feldamplitude von 100–200 kHz.
Ein dritter Nachteil des bekannten Probenkopfes besteht schließlich darin, dass die zu der X-Signalleitung quer liegende λ_H/4-Leitung eine Bauweise mit erheblichen radialen Abmessungen erfordert. Das mag für so genannte ”Wide-Bore” Anwendungen tragbar sein, bei denen ein Magnetsystem mit großer Probenöffnung zur Verfügung steht. Ist dies aber nicht der Fall, stößt der bekannte Probenkopf baulich bald an seine Grenzen.
Aus einem Aufsatz von Martin, R. et al. ”Design of a triple resonance magic angle spinning probe for high field solid state nuclear magnetic resonance” in Review of Scientific Instruments, Vol. 74, Seite 3045 (2003) ist ein Probenkopf bekannt (dort: 1(a)), bei dem unmittelbar an die niedrigerfrequente X-Seite der Messspule eine Koaxialleitung angeschlossen ist, die in der X-Signalleitung angeordnet ist.
Die ¹H-Sperre wird jedoch auch bei diesem bekannten Probenkopf durch eine weitere Koaxialleitung dargestellt, die ebenfalls direkt an die X-Seite der Messspule angeschlossen ist und quer zur X-Signalleitung liegt. Diese weitere Koaxialleitung transformiert ebenfalls ihr offenes, freies Ende als ¹H-Kurzschluß bzw. Knoten mit der Impedanz Null (”kalt”) auf die X-Seite der Messspule. Auf der gegenüberliegenden ¹H-Seite der Spule ist die Impedanz für ¹H hingegen unendlich (”heiß”). Dies bedeutet ebenfalls einen unsymmetrischen Betrieb der Messspule.
Eine entsprechende Anordnung ist auch in einem Aufsatz von Cross, V. R. et al. in J. Am. Chem. Soc. Vol. 98, Seite 1031 (1976) beschrieben.
In einem weiteren Aufsatz von Leroy-Willig, A. et al. in Rev. Sci. Instrum. Vol. 61, Seiten 799–801 (1990) ist ein Probenkopf beschrieben, der im Time-Sharing-Verfahren für ³¹P-Messungen und für ein Feld-Shimmen bei einer ¹H-Frequenz ausgelegt ist. An die ³¹P-Seite der Messspule ist ein nach Masse geschalteter Anpasskondensator sowie ein zum ³¹P-Kanal führender Abstimmkondensator angeschlossen. Von dem Abstimmkondensator führt eine 50Ω-Leitung zu einem Verzweigungspunkt. An diesen ist über einen Schalter ein Leistungsverstärker für das ³¹P-Sendesignal sowie eine λ_P/4-Leitung angeschlossen, die zu dem ³¹P-Vorverstärker führt. Die 50Ω-Leitung ist dabei so dimensioniert, dass sie zusammen mit der λ_P/4-Leitung eine Leitung bildet, deren Länge gleich einem ungeradzahligen Vielfachen von λ_H/4 ist. Auf diese Weise soll vermieden werden, dass während des Shimmens mit der ¹H-Frequenz Signalanteile dieser Frequenz in den ³¹P-Vorverstärker gelangen.
Dieser bekannte Probenkopf ist daher nur für Messungen mit einer Frequenz (³¹P) geeignet. Die zweite Frequenz (¹H) hat lediglich eine Hilfsfunktion (Shimmen) für die Homogenisierung des B₀-Feldes. Entkopplungsmessungen, bei denen gleichzeitig zwei unterschiedliche Kernarten angeregt werden, sind daher mit diesem Probenkopf weder möglich noch beabsichtigt. Außerdem hat dieser bekannte Probenkopf den bereits erwähnten Nachteil, dass sich unmittelbar an dem von der ¹H-Seite abgewandten Ende der Messspule diskrete Bauelemente, nämlich zwei Kondensatoren, befinden, die einen erheblichen Platzbedarf haben und gegen die bei Messungen mit hoher HF-Leistung hohen dort herrschenden Temperaturen empfindlich sind. Schließlich ist bei dem bekannten Probenkopf der ³¹P-Leistungsverstärker gegen das Eindringen von ¹H-Signalen nur durch einen Schalter geschützt, der zwar effektiv arbeiten mag, aber jeweils mit hoher zeitlicher Präzision betätigt werden muss, wenn hohe ¹H-Signale in den Probenkopf eingeleitet werden.
Aus der eingangs genannten US 4 833 412 A ist ein Probenkopf bekannt, bei dem eine Probe in einer aus zwei näherungsweise zylindrischen Halbschalen bestehenden Messanordnung angeordnet ist. Die Messanordnung wird mit einer höheren und mit einer niedrigeren Messfrequenz beaufschlagt. Zwischen dem an die niedrigere Messfrequenz angeschlossenen Ende der Messanordnung und einer Eingangsklemme für die niedrigere Messfrequenz ist eine Resonanzstruktur geschaltet, die als λ/4-Leitung ausgebildet ist und als Sperrinduktivität wirkt.
Bei diesem bekannten Probenkopf ist eine symmetrische Ansteuerung der Messanordnung nicht in jedem Fall gewährleistet, in dem Sinne, dass nicht beide Enden der Messanordnung „heiß” für die höhere Messfrequenz sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Probenkopf der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein Probenkopf bereitgestellt werden, bei dem ein symmetrischer Betrieb der Messspule bei gleichzeitiger Anregung von mindestens zwei Kernarten möglich ist. Ferner soll der Probenkopf unanfällig gegen hohe Temperaturänderungen sein und schließlich kleine radiale Abmessungen besitzen.
Bei einem Probenkopf der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein von der Messspule abgewandtes Ende der ersten Leitung mit einem Saugkreis beschaltet ist, der an dem Ende einen Spannungsknoten für das Signal mit der Resonanzfrequenz der ersten Kernart erzwingt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Die Erfindung ermöglicht es nämlich, den erfindungsgemäßen Probenkopf streng symmetrisch zu betreiben. Das Vorsehen eines Saugkreises hat nämlich den Vorteil, dass der ”heiße” Punkt am anderen Ende der Sperre und damit die symmetrische Ansteuerung der Messspule besonders gut gewährleistet werden kann.
Ferner wird es möglich, die ¹H-Sperre möglichst nahe an der Messspule, also beispielsweise möglichst nahe an einem MAS-Rotor (Magic Angle Spinning) anzubringen. Sie ist dann zwar im Falle einer Probentemperierung sehr stark wechselnden Temperaturen ausgesetzt, dies ist aber bei einer zum Beispiel koaxialen Leitung weit weniger kritisch als bei diskreten Bauelementen, insbesondere Kapazitäten. Die Anordnung wird damit frequenzstabil und belastbar. Bei einer Anwendung mit einem MAS-Rotor, bei dem der Winkel justierbar sein muss, entstehen auch im Vergleich zu den bekannten Anordnungen nur geringere mechanische Belastungen während der Justage, insbesondere im Bereich der Lötstellen. Das gilt auch für sehr hohe ¹H-Messfrequenzen von z. B. 900 MHz.
Weiterhin ermöglicht es die Erfindung, den Probenkopf radial schmal zu bauen, weil die Elemente auch körperlich in Serie angeordnet sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen dem ersten Ende der Messspule und der ersten Eingangsklemme eine zweite Leitung angeordnet, deren Länge gleich der Hälfte der Wellenlänge λ_H/2 des Signals mit der Resonanzfrequenz der ersten Kernart ¹H ist.
Diese an sich bekannte Maßnahme hat den Vorteil, dass die ¹H-Seite der Messspule effektiv angesteuert werden kann.
Dabei ist besonders bevorzugt, wenn auf einer Leitungsmitte der zweiten Leitung deren Innenleiter mit dem Außenleiter über eine Kapazität miteinander verbunden sind.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass auch auf der ¹H-Seite der Messspule zu deren symmetrischer Ansteuerung beigetragen werden kann.
Dieser Vorteil stellt sich noch wirksamer dann ein, wenn beide Außenleiterenden der ersten Leitung mit Masse gekoppelt sind.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind auf einer Leitungsmitte der zweiten Leitung deren Innenleiter mit dem Außenleiter über eine Kapazität sowie einen zweiten Sperrkreis für Signale mit der Resonanzfrequenz der zweiten Kernart X miteinander verbunden.
Auch diese Maßnahme ermöglicht eine verbesserte Symmetrie der Ansteuerung der Messspule, wobei auch hier gilt, dass eine noch bessere Wirkung erzielt wird, wenn die zweite Leitung an beiden Außenleiterenden mit Masse gekoppelt ist.
Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung ist eine dritte Eingangsklemme zum Einspeisen eines Signals noch niedrigerer Frequenz für die Anregung einer dritten Kernart Y und/oder den Empfang eines von Kernen der dritten Kernart Y ausgesandten Resonanzsignals vorgesehen.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass auch sogenannte Tripelresonanzexperimente möglich werden.
Dabei ist besonders bevorzugt, wenn die dritte Eingangsklemme mit dem der zweiten Eingangsklemme zu weisenden Ende des ersten Sperrkreises verbunden ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der erste Sperrkreis selber nicht modifiziert zu werden braucht.
Bei einer vorteilhaften Variante des vorstehend genannten Ausführungsbeispiels ist die dritte Eingangsklemme über einen dritten Sperrkreis für Signale mit der Resonanzfrequenz der zweiten Kernart X mit dem der zweiten Eingangsklemme zu weisenden Ende des ersten Sperrkreises verbunden.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Kreis der dritten Kernart Y wirksam gegen das Eindringen von Signalen der zweiten Kernart X entkoppelt ist.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die erste Leitung als Teil einer dritten Leitung ausgebildet, deren Länge gleich der Hälfte der Wellenlänge λ_X/2 des Signals mit der Resonanzfrequenz der zweiten Kernart X ist, wobei die dritte Eingangsklemme mit einem ersten Innenleiterpunkt der dritten Leitung verbunden ist, die von der Messspule um ein Viertel der Wellenlänge λ_X/4 des Signals mit der Resonanzfrequenz der zweiten Kernart X beabstandet ist, und ferner die zweite Eingangsklemme mit einem zweiten Innenleiterpunkt der dritten Leitung verbunden ist, der von der Messspule um ein Viertel der Wellenlänge λ_H/4 des Signals mit der Resonanzfrequenz der ersten Kernart ¹H beabstandet ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine radial besonders platzsparende Bauweise des Probenkopfes möglich ist, weil sich die zweite und die dritte Eingangsklemme an unterschiedlichen axialen Positionen des Probenkopfes befinden.
Auch hier ist aus Symmetrierungsgründen schließlich bevorzugt, wenn die dritte Leitung an beiden Außenleiterenden mit Masse gekoppelt ist.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung von Bruchteilen von Wellenlängen die Rede ist, so schließt das auch technisch sinnvolle Vielfache dieser Bruchteile ein.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachstehenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein elektrisches Netzwerk eines Probenkopfes nach dem Stand der Technik;
2 ein elektrisches Netzwerk eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Probenkopfes;
3 ein elektrisches Netzwerk eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Probenkopfes;
4 ein elektrisches Netzwerk eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Probenkopfes;
5 ein elektrisches Netzwerk eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Probenkopfes; und
6 ein elektrisches Netzwerk eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Probenkopfes in etwas vergrößertem Maßstab.
In 1 ist mit 10 ein Probenkopf nach dem Stand der Technik dargestellt, der in Form eines Netzwerks durch seine bestimmenden elektrischen Elemente symbolisiert wird.
Zur Anregung und/oder zum Empfangen von Signalen einer ersten Kernart, beispielsweise zur Anregung von Protonen (¹H), ist eine erste Eingangsklemme 11 vorgesehen, während zur Anregung bzw. zum Empfangen einer zweiten Kernart, beispielsweise von Isotopen des Stickstoffs (¹⁵N) oder des Phosphors (³¹P), allgemein mit ”X” bezeichnet, eine zweite Eingangsklemme 12 dient. An den Eingangsklemmen 11, 12 werden Hochfrequenz-Signale eingespeist bzw. empfangen, deren Frequenz von der Stärke des jeweils wirksamen statischen Magnetfeldes B abhängt. In der vorliegenden Anmeldung ist die Wellenlänge des Signals mit der Resonanzfrequenz von Protonen (¹H) bei dem jeweils eingestellten Magnetfeld B mit λ_H bezeichnet.
Wie in 1 angedeutet, wirkt das Magnetfeld B auf eine Messspule 13 und eine darin befindliche Probe 14. Die Probe 14 kann die Gestalt eines Reagenzglases mit einer darin enthaltenen Messsubstanz haben, bei der Probe 14 kann es sich aber auch um eine biologische Probe handeln oder, bei einer Kernspintomographie-Messung, um einen Körperteil oder einen vollständigen Körper eines Lebewesens.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird insbesondere der Fall des ”Magic Angle Spinning” (MAS) angesprochen, bei dem die Messspule 13 und die Probe 14 sich in einem drehbaren System befinden, das unter dem sogenannten ”magischen Winkel” zur Richtung des Magnetfeldes B geneigt ist und um diese geneigte Achse rotiert.
In 1 liegt die erste Eingangsklemme 11 der ¹H-Seite an einem kapazitiven Spannungsteiler 15, 16, 17, nämlich zunächst über eine einstellbare Anpasskapazität 15 an Masse und ferner über eine Kapazität 16 an einem Punkt, von dem einerseits eine einstellbare Trimmkapazität 17 ebenfalls nach Masse geschaltet ist. Der Punkt ist andererseits an einen Innenleiter einer Koaxialleitung 18 angeschlossen, deren Länge gleich λ_H/2 ist. In der Leitungsmitte kann der Innenleiter mit dem Außenleiter der Leitung 18 über einen Schalter 19 verbindbar sein, wie dies in der Druckschrift DE 40 02 160 A1 im einzelnen beschrieben ist, auf die auch wegen weiterer Einzelheiten verwiesen wird. Das gegenüberliegende Ende der Leitung 18 ist mit dem in 1 rechten Ende der Messspule 13 verbunden.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung von Bruchteilen von Wellenlängen, also z. B. von λ_H/2, die Rede ist, so schließt dies selbstverständlich auch geradzahlige bzw. ungeradzahlige Vielfache dieser Bruchteile ein, sofern dies technisch sinnvoll ist.
Die zweite Eingangsklemme 12 der X-Seite ist über eine einstellbare Anpassinduktivität 21 an Masse angeschlossen und ferner über eine einstellbare Trimmkapazität 22 an eine sogenannte ¹H-Sperre 23. Die ¹H-Sperre 23 ist ein Parallelschwingkreis mit einer Induktivität 24 sowie einer Kapazität 25, der als Sperrkreis für die ¹H-Frequenz wirkt. Dessen anderes Ende ist an das linke Ende der Messspule 13 angeschlossen.
Um eine möglichst hohe Effizienz der Sperrwirkung der ¹H-Sperre 23 zu erreichen, muss diese möglichst nahe an der Messspule 13, also beispielsweise möglichst nahe an einem MAS-Rotor, angebracht sein. Sie ist dann aber im Falle einer Probentemperierung sehr stark wechselnden Temperaturen ausgesetzt und damit nicht frequenzstabil und wenig belastbar. Bei hoher Temperatur erhöht sich auch die Durchschlagsgefahr in der Kapazität 25. Bei einer Anwendung mit einem MAS-Rotor, bei dem der Winkel justierbar sein muss, entstehen auch mechanische Belastungen während der Justage, insbesondere im Bereich der Lötstellen. Während diese Probleme bei Messfrequenzen in der Größenordnung von 400 MHz noch einigermaßen beherrschbar sind, stellen sich bei den heutzutage verwendeten Frequenzen um 900 MHz und darüber erhebliche Probleme ein.
Bei den in den 2 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind gleiche Elemente mit den Bezugszeichen aus 1 bezeichnet. Wo Abweichungen bestehen, ist den Bezugszeichen jeweils ein das zugehörige Ausführungsbeispiel kennzeichnender Buchstabe hinzugefügt.
In 2 ist ein Probenkopf 10a dargestellt.
Der Probenkopf 10a unterscheidet sich vom Probenkopf 10 durch die Ausgestaltung seiner ¹H-Sperre 23a. Anstelle des Parallelschwingkreises 24, 25 wird nämlich eine Leitung 31 verwendet, deren Länge gleich λ_H/4 ist. Die Leitung 31 ist an ihrer Außenleitermitte 32 mit Masse verbunden. Ihr unteres Außenleiterende 33 ist über eine Serienschaltung einer Induktivität 34 und einer einstellbaren Kapazität 35 mit dem Innenleiter der Leitung 31 verbunden.
Die Leitung 31 hat beispielsweise eine Kapazität von 3 bis 4 pF. Am unteren Ende der λ_H/4 langen Leitung 31 liegt ein für ¹H ”kalter” Punkt, der zusätzlich durch den Saugkreis 34, 35 erzwungen wird.
Durch diese Schaltung wird die Messspule 13 zunächst für ¹H symmetrisch betrieben, d. h., dass die Messspule 13 auf beiden Seiten hinsichtlich ¹H ”heiß” ist und im Gegentakt gearbeitet wird. Dadurch ist es möglich, die Strecke zwischen dem oberen Ende der Leitung 31 und dem linken Ende der Messspule 13 sehr viel kleiner zu bemessen als bei herkömmlichen Probenköpfen.
Die Symmetrie ist auch in einem Diagramm 36 gezeigt, das den Verlauf der Spannung U_HC und des Stromes I_HC über der Länge l_S der Messspule 13 darstellt. Infolge der seriellen Verbindung von Leitung 31 und Messspule 13 ist auch ein Aufbau des Probenkopfes mit sehr kleinen radialen Abmessungen möglich.
In 3 ist ein Probenkopf 10b dargestellt.
Dieser unterscheidet sich vom Probenkopf 10a gemäß 2 einmal dadurch, dass in der Leitungsmitte 40 der λ_H/2 langen Leitung 18b, d. h. auf λ_H/4 Länge, eine Kapazität 41 zwischen den Innenleiter und den Außenleiter geschaltet ist. Die Kapazität 41 liegt beispielsweise in der Größenordnung von 50 pF, was etwa der Größe der Trimmkapazität 22 entspricht.
Ferner ist die Leitung 18b an beiden Außenleiterenden 42 und 43 mit Masse verbunden. Entsprechendes gilt auch für die λ_H/4 lange Leitung 31b, die an beiden Außenleiterenden 33, 45 gleichfalls mit Masse verbunden ist.
Diese Maßnahmen bewirken, dass die Messspule auch für X symmetrisch betrieben wird. In einem Diagramm 44 ist der Verlauf der X-Spannung U_XR auf der rechten Seite der Messspule 13 entlang der Leitung 18b dargestellt. Ein entsprechendes Diagramm 46 für die linke Seite zeigt den Verlauf der Spannung U_XL über der Leitung 31b. Aus den Diagrammen 44 und 46 ist erkennbar, dass die Spannungen U_XR und U_XL am jeweils oberen Ende der Leitungen 18b bzw. 31b den selben Wert U_XR0 bzw U_XLO haben, die Messspule 13 also symmetrisch betrieben wird.
Die Verläufe der X-Spannung U_XC und des X-Stromes I_XC über der Länge l_S der Messspule 13 sind in einem weiteren Diagramm 47 dargestellt, das beispielsweise für die Spannung U_XC entgegengesetzt gleiche Endwerte U_XCL und U_XCR zeigt, was einem Gegentaktbetrieb entspricht.
In 4 ist ein Probenkopf 10c dargestellt.
Der Probenkopf 10c hat die Besonderheit, dass über eine dritte Eingangsklemme 50 ein weiteres Signal für eine weitere Kernart eingespeist bzw. empfangen werden kann, die in der Fachsprache als ”Y” bezeichnet wird. Die dritte Messfrequenz wird für Tripelresonanzmessungen benötigt.
Die dritte Eingangsklemme 50 ist zunächst über eine einstellbare Anpassinduktivität 51 mit Masse verbunden. Sie ist ferner über eine einstellbare Trimmkapazität 52 zu einem weiteren Sperrkreis 53 geführt, der als Parallelschwingkreis mit einer Induktivität 54 und einer Kapazität 55 ausgebildet und an das der zweiten Eingangsklemme 12 zugewandte Ende des Sperrkreises 23c angeschlossen ist. Der Sperrkreis 53 sperrt für X-Frequenzen und bestimmt damit die X-Frequenz in einem relativ schmalen Bereich von beispielsweise 1%. Die Y-Frequenz kann hingegen in relativ weiten Bereichen variiert werden, vorausgesetzt, sie ist kleiner als die X-Frequenz.
In 5A ist ein Teil eines Probenkopfs 10d dargestellt, und zwar der Teil auf der rechten Seite der Messspule 13. Der linke Teil kann entsprechend den Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 ausgebildet sein.
Das Besondere beim Probenkopf 10d ist, dass an einer Innenleitermitte 60 der λ_H/2 langen Leitung 18d eine Kapazität 61 angekoppelt ist, die zu einem Sperrkreis 62 führt, dessen anderes Ende mit dem Außenleiter der Leitung 18d verbunden ist. Der Sperrkreis 62 ist als Parallelschwingkreis mit einer Kapazität 63 und einer Induktivität 64 ausgebildet und sperrt die X-Frequenz.
5B zeigt dazu ein Diagramm 65, in dem über der Frequenz f der komplexe Widerstand Z der Leitung 18d aufgetragen ist. Man sieht, dass der Widerstand Z bei der niedrigsten Frequenz Y ein Minimum 66 und bei der mittleren Frequenz X ein Maximum 67 hat. Die Leitung 18d ist für beide Frequenzen Y und x kapazitiv.
In 6 ist schließlich ein Teil eines Probenkopfes 10e in etwas vergrößertem Maßstab dargestellt, und zwar der Teil auf der linken Seite der Messspule 13. Der rechte Teil kann entsprechend einem der anderen Ausführungsbeispiele der Erfindung ausgebildet sein.
Bei dem Probenkopf 10e ist die Einkopplung der dritten Frequenz Y anders als beim Probenkopf 10c aus 4 ausgeführt. Der Probenkopf 10e verwendet auf der Seite links von der Messspule 13 eine Leitung 70, deren Länge λ_X/2 beträgt.
Von einem ersten Innenleiterpunkt 71 geht das Netzwerk, bestehend aus der Trimmkapazität 54e und der Anpassinduktivität 55e ab, das zu der dritten Eingangsklemme 50 für die Y-Frequenz führt. Der erste Innenleiterpunkt 71, also der Punkt, an dem die Y-Frequenz eingekoppelt wird, liegt für die X-Frequenz auf einem Spannungsknoten, also dem Potential Null.
Im Abstand λ_H/4 von dem in 6 oberen Ende 45e der Leitung 70 befindet sich ein zweiter Innenleiterpunkt 72. Damit ist die erfindungsgemäß vorgesehene λ_H/4-Leitung in die λ_X/2-Leitung 70 integriert. Vom zweiten Innenleiterpunkt 72 geht einerseits das Netzwerk aus der Trimmkapazität 22e und der Anpassinduktivität 21e ab, das zur zweiten Anschlussklemme 12 für die X-Frequenz führt, sowie der Saugkreis mit der Kapazität 35e und der Induktivität 34e, der an dem zweiten Innenleiterpunkt 72 das Potential Null für die ¹H-Frequenz erzwingt. Die Leitung 70 ist an beiden Außenleiterenden 45e und 73 an Masse gekoppelt.
Die Anordnung gemäß 6 ermöglicht es, die Anschlussklemmen 12 und 50 auf unterschiedliche axiale Positionen des Probenkopfes 10e zu setzen, was eine radial schmalere Bauweise ermöglicht.

Claims

Probenkopf für Kernresonanzmessungen, bei denen mindestens zwei unterschiedliche Kernarten (¹H, X) in einem Magnetfeld (B) angeregt werden, mit einer Messspule (13), die mit einer Probe (14) zusammenwirkt und die an einem ersten Ende an eine erste Eingangsklemme (11) zum Einspeisen eines Signals höherer Frequenz für die Anregung der ersten Kernart (¹H) und/oder den Empfang eines von Kernen der ersten Kernart (¹H) ausgesandten Resonanzsignals und an einem zweiten Ende an eine zweite Eingangsklemme (12) zum Einspeisen eines Signals niedrigerer Frequenz für die Anregung der zweiten Kernart (X) und/oder den Empfang eines von Kernen der zweiten Kernart (X) ausgesandten Resonanzsignals angeschlossen ist, wobei zwischen dem zweiten Ende der Messspule (13) und der zweiten Eingangsklemme (12) ein erster Sperrkreis (23; 23a; 23b; 23c) für Signale mit der Resonanzfrequenz der ersten Kernart (¹H) angeordnet ist, der eine erste Leitung (31; 31b, 31c; 31e) enthält, deren Länge gleich einem Viertel der Wellenlänge (λ_H/4) des Signals mit der Resonanzfrequenz der ersten Kernart (¹H) beträgt, wobei die erste Leitung (31; 31b; 31c; 31e) in Reihe mit der Messspule (13) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Messspule (13) abgewandtes Ende der ersten Leitung (31b; 31c; 31e) mit einem Saugkreis (34, 35; 34e, 35e) beschaltet ist, der an dem Ende einen Spannungsknoten für das Signal mit der Resonanzfrequenz der ersten Kernart (¹H) erzwingt.
Probenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Ende der Messspule (13) und der ersten Eingangsklemme (11) eine zweite Leitung (18b; 18d) angeordnet ist, deren Länge gleich der Hälfte der Wellenlänge (λ_H/2) des Signals mit der Resonanzfrequenz der ersten Kernart (¹H) ist.
Probenkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Leitungsmitte (40) der zweiten Leitung (18; 18b) deren Innenleiter mit dem Außenleiter über eine Kapazität (41) miteinander verbunden sind.
Probenkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Außenleiterenden (33, 45) der ersten Leitung (31b) mit Masse gekoppelt sind.
Probenkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Leitungsmitte (60) der zweiten Leitung (18d) deren Innenleiter mit dem Außenleiter über eine Kapazität (61) sowie einen zweiten Sperrkreis (62) für Signale mit der Resonanzfrequenz der zweiten Kernart (X) miteinander verbunden sind.
Probenkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (18d) an beiden Außenleiterenden (42, 43) mit Masse gekoppelt ist.
Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Eingangsklemme (50) zum Einspeisen eines Signals noch niedrigerer Frequenz für die Anregung einer dritten Kernart (Y) und/oder den Empfang eines von Kernen der dritten Kernart (Y) ausgesandten Resonanzsignals vorgesehen ist.
Probenkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Eingangsklemme (50) mit dem der zweiten Eingangsklemme (12) zu weisenden Ende des ersten Sperrkreises (23c) verbunden ist.
Probenkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Eingangsklemme (50) über einen dritten Sperrkreis (53) für Signale mit der Resonanzfrequenz der zweiten Kernart (X) mit dem der zweiten Eingangsklemme (12) zu weisenden Ende des ersten Sperrkreises (23c) verbunden ist.
Probenkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitung (31e) als Teil einer dritten Leitung (70) ausgebildet ist, deren Länge gleich der Hälfte der Wellenlänge (λ_X/2) des Signals mit der Resonanzfrequenz der zweiten Kernart (X) ist, dass die dritte Eingangsklemme (50) mit einem ersten Innenleiterpunkt (71) der dritten Leitung (70) verbunden ist, der von der Messspule (13) um ein Viertel der Wellenlänge (λ_X/4) des Signals mit der Resonanzfrequenz der zweiten Kernart (X) beabstandet ist, und dass die zweite Eingangsklemme (12) mit einem zweiten Innenleiterpunkt (72) der dritten Leitung (70) verbunden ist, der von der Messspule (13) um ein Viertel der Wellenlänge (λ_H/4) des Signals mit der Resonanzfrequenz der ersten Kernart (¹H) beabstandet ist.
Probenkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Leitung an beiden Außenleiterenden (45e, 73) mit Masse gekoppelt ist.