DE1290365B - Probenkopf fuer gyromagnetische Untersuchungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Probenkopf sich sowohl die Bezugsprobe als auch die zu unterfür gyromagnetische Untersuchungen, der zwischen suchende Probe befinden.

die Polschuhe eines ein starkes konstantes Magnet- Der wesentliche Vorteil einer gyromagnetischen feld erzeugenden Magneten einschiebbar ist. Resonanzanordnung mit niederfrequenter Modulation Ein solcher Probenkopf in der Form eines flachen 5 und Seitenbandresonanz besteht darin, daß der Ma-Schachtelkörpers ist durch die Veröffentlichung in gnet zur Erzeugung des polarisierenden Magnetfeldes der Zeitschrift »Review of Scientific Instruments«, nicht so konstant sein muß wie bei bisherigen An-Mai 1957, S. 313, für eine mit der Ausnutzung von Ordnungen, da Schwankungen des Magnetfeldes Seitenbandresonanzen arbeitende gyromagnetische selbsttätig ausgeglichen werden. Dies führt vor allem Spektrometeranordnung bekanntgeworden. Der Pro- io zu einer wesentlichen Gewichtsersparnis, benkopf enthält bei dieser bekannten Anordnung, Gegenüber der niederfrequenten Modulation des nahe beieinander angeordnet, einen Behälter für die Hochfrequenzfeldes, wie sie in der eingangs zitierten zu untersuchende Substanz (Untersuchungsprobe) Zeitschrift »Review of Scientific Instruments« be- und einen Behälter für die Bezugssubstanz (Bezugs- schrieben ist, hat die Modulation des Magnetfeldes probe). Für die Untersuchungsprobe und die Bezugs- 15 den Vorteil eines geringeren elektronischen Aufprobe ist ein gemeinsamer, die Proben auf gyro- wandes. Allerdings müssen die Modulationsspulen magnetische Resonanz anregender Hochfrequenz- zusätzlich zwischen den Polschuhen des Magneten Oszillator vorgesehen, und die von diesem Oszillator Platz finden, so daß die Anordnung der Proben und erzeugten Schwingungen werden mit einer örtlichen anderen Bauteile kritischer wird. Der Probenkopf Niederfrequenz moduliert der Bezugsprobe zugeführt, 20 gemäß vorliegender Erfindung stellt eine besonders so daß die von der Bezugsprobe entnommenen hoch- günstige Lösung des Anordnungsproblems dar. frequenten Schwingungen nach Demodulation mit Die Erfindung ist in den Zeichnungen an Hand der genannten niederfrequenten Modulationsfrequenz »ines Ausführungsbeispiels veranschaulicht. Es zeigt eine Regelspannung zur Regelung des Hochfrequenz- F i g. 1 die Anordnung der Sondenkörper in der generators auf die der Probe entsprechende gyro- 25 Nähe der kreisförmigen Polschuhe des Magneten magnetische Resonanzfrequenz erzeugen. Auf diese sowie die zur Halterung vorgesehenen Teile, Weise wird eine Unabhängigkeit der Spektrometer- F i g. 2 eine teilweise gebrochene Schnittdarstellung anordnung gegenüber Schwankungen des Magnet- eines Teiles der in F i g. 1 wiedergegebenen Anordfeldes erreicht, da die der Untersuchungsprobe züge- nung, wobei die Schnittlinie mit 2-2 bezeichnet ist, führten hochfrequenten Schwingungen bereits dem 30 Fig. 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung entEinfluß der Magnetfeldschwankungen auf die Unter- sprechend der Schnittlinie 3-3 der F i g. 2, suchungsprobe Rechnung tragen. Fig. 4 eine Teildarstellung des in Fig. 3 inner-Bei einer solchen Anordnung ist es im Prinzip halb des Kreises 4-4 liegenden Düsenkopfes der auch möglich, statt die von dem Hochfrequenzgene- Drehvorrichtung,

rator erzeugten Schwingungen in der Frequenz nach 35 F i g. 5 einen Schnitt entsprechend der Schnitt-Maßgabe der Schwankungen des Magnetfeldes zu linie 5-5 der F i g. 4.

modulieren, die von der Bezugsprobe abgeleiteten In Fig. 1 und 2 wird der Probenkopf 11 von der Regelströme zur Modulation des polarisierenden Halterungsvorrichtung 12 getragen, welche in dem konstanten Magnetfeldes auszunutzen. Der Erfindung magnetischen Feld zwischen den beiden Magnetliegt die Aufgabe zugrunde, einen dafür geeigneten 40 flächen 13 und 14 angeordnet ist. Der größte Teil der Probenkopf zu schaffen. Ein solcher Probenkopf für Halterungsorgane der Halterungsvorrichtung besteht gyromagnetische Untersuchungen zum Einschieben aus einem Material niedriger magnetischer Suszeptizwischen die Polschuhe eines Magneten, der ein bilität, beispielsweise aus Messing oder Aluminium. starkes konstantes Magnetfeld erzeugt, welches für Der Probenkopf 11 hat die Form eines schmalen die Ausnutzung von Seitenbandresonanzen nieder- 45 rechteckigen Kastens mit zwei parallelen Seitenfrequent moduliert wird, enthält nahe nebeneinander flächen 15 und 16, die an dem Rahmen 17 befestigt je einen Probenbehälter mit je einer umgebenden sind. Die elektrischen Spulen 18 und 18' sind an der Hochfrequenzspule für die zu untersuchende Sub- Innenseite der Platten 15 und 16 unter Anwendung stanz und eine gyromagnetische Bezugssubstanz, die der Technik gedruckter Stromkreise angebracht, so zur Steuerung der modulierten Niederfrequenz in der 50 daß sich Spulen von sehr geringer Dicke ergeben. An Weise dient, daß die Resonanzerregung der zu unter- sich ist nur eine der Spulen 18 bzw. 18' erforderlich, suchenden Substanz unter konstanten, von zufälligen die Anwendung von zwei Spulen ist jedoch vorzu-Schwankungen der erregenden Felder unbeeinflußten ziehen, weil dadurch sich eine bessere Homogenität gyromagnetischen Bedingungen erfolgt. Die spezielle und größere Stärke des erzeugten Feldes ergibt. Zwi-Aufgabe des Probenkopfes wird dadurch gelöst, daß 55 sehen den beiden Spulen 18 und 18' sind zwei Glasdie beiden Probenbehälter mit ihren Hochfrequenz- rohre 19 und 20 angeordnet. Das Rohr 19 ist kleiner spulen einzeln mit je einem dünnwandigen, für die als das Rohr 20 und abgeschlossen, so daß ständig niederfrequenten Modulationen durchlässigen Ab- in dem Rohr die Bezugsprobe eingeschlossen ist. Das schirmgehäuse umschlossen sind, daß das Abschirm- andere Rohr 20 enthält die Untersuchungsprobe und gehäuse der zu untersuchenden Probe von einer Spule 60 läßt sich leicht aus dem Probenkopf herausnehmen, umgeben ist, durch die das Magnetfeld mit sehr nied- Die Proben sind zwischen den Polflächen 13 und 14 riger Frequenz quasistatisch in dem Bereich durch- so angeordnet, daß die Rohre 19 und 20 sich in verlaufen wird, in dem das gyromagnetische Spektrum tikaler Lage befinden.

aufgenommen wird, und daß wenigstens eine der Die Halterungsvorrichtung 12 ist an einem V-för-

großflächigen Seitenwände des Probenkopfes eine 65 migen Gußkörper 22 befestigt und durch denselben

extrem kurze Spule trägt, die von den niederfrequen- mit der Unterseite des Rahmens 17 verbunden; die

ten Modulationsströmen zur Erzeugung der Seiten- Halterungsvorrichtung ist horizontal auf den beiden

bandfrequenzen durchflossen wird und in deren Feld Stangen 23 und 24 verschiebbar, die an einem ver-

tikalen Gußteil 26 befestigt sind, welcher sich vertikal auf der Stange 27 verschieben läßt. Ein langer Bolzen 27 dreht sich in dem vertikalen Gußstück 26; 28 und 29 sind Befestigungsmittel, die Spindeln für den V-förmigen Gußteil 22 bilden und eine horizontale Verschiebung der Sondenhalterungsvorrichtung 11 ermöglichen. Eine vertikale Justierung ist in ähnlicher Weise durch einen vertikalen Gewindebolzen möglich, der hinter der Stange 27 vorgesehen und in den Fuß 32 eingeschraubt ist, wobei dieser Gewindebolzen eine Verschiebung des Gußteiles 26 auf der Stange 27 ermöglicht.

Das Rohr 19 enthält die Bezugsprobe, und das Rohr 20 enthält die Untersuchungsprobe; beide Rohre sind nebeneinander in nahem Abstand angeordnet, so daß beide Rohre im wesentlichen der gleichen Feldstärke unterliegen.

In F i g. 3 sind mit 33 und 34 Hochfrequenzspulen bezeichnet, welche das Rohr 19 bzw. das Rohr 20 umgeben; zweckmäßigerweise liegt jede Spule in der Nähe der Achse der Spulen 18 und 18', so daß in jedem Sondenkörper sich ein homogenes niederfrequentes Feld ergibt. Die Hochfrequenzspule 33 ist von einer hochfrequente magnetische Felder abschirmenden Abschirmvorrichtung umgeben, die aus vier dünnen leitenden Platten besteht; die Platten 35 und 36 liegen senkrecht zu den Polflächen 13 und 14 und die Platten 35' und 36' parallel zu den Polflächen. Die Platten 35, 36, 35' und 36' sind durch Bolzen mit Blöcken 37 und 38 verbunden, wobei der Block 38 an einem Gehäuse 39 angebracht ist, welches den Stromkreis umschließt, der mit der Spule 33 über Zuführungen 40 einen Resonanzkreis bildet. Das Rohr 19 ist in den Blöcken 37 und 38 in Öffnungen 41 und 41' angeordnet. Da die Platten 35, 36, 35' und 36' nur eine Stärke von 0,04 mm haben, wird aus Gründen der Stabilität das Gehäuse zur Abschirmung hochfrequenter magnetischer Felder durch zwei Deckelplatten 42 (vgl. Fig. 1) verschlossen, die parallel zu den Polflächen liegen und aus einem isolierenden Material bestehen, welches das magnetische Hauptfeld H₀ ohne Störung durchtreten läßt.

Die Hochfrequenzspule 34 ist in ähnlicher Weise wie die Spule 33 von vier dünnen leitenden Platten umschlossen, wobei die Platten 43 und 44 senkrecht zu den Polflächen und die Platten 43' und 44' parallel zu den Polflächen angeordnet sind. Diese Platten sind an gegenüberliegenden Seiten von Blöcken 45 angeordnet, die aufeinander ausgerichtete Öffnungen 46 haben. Eine lange, nur aus einer Lage bestehende rahmenförmige magnetische Spule 47, deren Achse parallel zur Achse des magnetischen Hauptfeldes H₀ verläuft, ist um die Platten 43 und 44 und die Blöcke 45 gewickelt. Die Spule 47 hat lange parallele Seiten, die an den Platten 43 und 44 liegen und die Hochfrequenzspule 34 umschließen. Die Spule 47 ist so gewickelt, daß die Drähte innerhalb der parallelen Seiten liegen und im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wie in F i g. 2 zu erkennen ist. Eine gewisse Abweichung von der Parallelität ist erforderlich, um Öffnungen 48 und 49 zu bilden, die mit den Öffnungen 46 der Blöcke 45 ausgerichtet liegen und senkrecht die Spulenachse durchsetzen, so daß das Rohr 20 sich durch die Spule 47 erstrecken kann. Die parallelen Drähte der langen Seitenflächen der Spule 47 erzeugen die Wirkung einer gleichmäßigen Stromdichte in ihrer Wandung, so daß in der Mitte der Spule 47 ein homogenes magnetisches Feld herrscht. Die parallelen Seitenflächen der Spulen können auch durch eine Mehrzahl Lagen paralleler Drähte gebildet werden, wenn für eine bestimmte Stromstärke ein stärkeres Magnetfeld gewünscht wird. Eine größere Homogenität des Feldes kann dadurch erzielt werden, daß, was jedoch nicht in der Zeichnung dargestellt ist, mehrere Lagen Drähte an den Enden der Spule 47 vorgesehen sind. Die die Spule 47 bildenden Drähte sind mit einem dünnen Isoliermaterial überzogen. Aus Gründen der mechanischen Festigkeit ist der Halterahmen der Spule 47, welcher die Mittel zur Abschirmung des magnetischen Feldes für die Spule 34 umfaßt, ähnlich wie dies bei der magnetischen Abschirmung der Spule 33 der Fall war, durch zwei Deckelplatten 50 verschlossen, welche ebenso wie die Platten 42 aus einem Isoliermaterial bestehen, das keinen Einfluß auf das polarisierende Magnetfeld H₀ hat. Die Platten 35, 36, 35' und 36' und die Platten 43, 44, 43' und 44' können aus irgendeinem nichtmagnetischen Material bestehen, vorzugsweise aus Messing oder Berylliumkupferbronze. Wenn die Platten aus Messing bestehen, bewirkt eine Rhodiumplattierung ein Material, welches praktisch eine verschwindende magnetische Suszeptibilität für das zwischen den Polstücken und den Spulen 18 erzeugte Magnetfeld hat.

Oberhalb der Spule 47 ist eine Luftturbine 51 zum Drehen des Rohres 20, welches die zu untersuchende Substanz enthält, vorgesehen. Eine Rotation des Rohres 20 mittelt die durch kleine Inhomogenitätsfelder bedingten Fehler heraus. Die Turbinenanordnung wird mit Luft betrieben, so daß eine gleichmäßige Bewegung ohne Verwendung von Schmieröl erhalten wird und auch keine äußeren Magnetfelder, wie sie Elektromotoren erzeugen, vorhanden sind. Die zum Betrieb der Turbine erforderliche Druckluft tritt durch ein Rohr 52 in eine vertikale Bohrung 53 ein, die in dem Turbinengehäuse 54 vorgesehen ist. Ein rohrförmiger Einsatzteil 56 hat zwei radiale Bohrungen 57 und 58, die innerhalb der Bohrung 53 liegen, so daß radiale Flansche an dem Einsatzteil 56 an beiden Enden der Bohrung 53, welche eine rohri'örmige Kammer umgibt, einen dichten Abschluß bilden. Das untere hervorstehende Ende 56' des Einsatzteiles 56 endigt in der Bohrung 46 des oberen Blockes 45. Radiale Bohrungen 58 stehen über einen kurzen Bohrungsabschnitt 59 mit dem Einsatzteil 56 in Verbindung, wobei der genannte Abschnitt einen Durchmesser hat, der etwas größer ist als der Durchmesser des Glasrohres 20, so daß Luft, die durch die radialen Bohrungen 58 in den Bohrabschnitt 59 eintritt, einander gegenüberliegende Luftsäulen bildet, welche das Rohr 20 in bezug auf den Einsatzteil 56 zentrieren und ein Lager niedriger Reibung bilden. Die Luft beeinflußt nicht das Protonenspektrum der zu untersuchenden Probesubstanz, was ein üblicher Ölfilm tun würde, der auch gebundene Wasserstoffkerne enthält. Ein Mündungsteil 61 ist am anderen Ende des Einsatzteiles 56 vorgesehen und weist eine stärkere Bohrung 62 auf. In den F i g. 4 und 5 ist der Mündungsteil 61 zu erkennen, der an seinem einen Ende mehrere schraubenförmige Nuten 63 aufweist, welche in einem radial hervorstehenden Flanschteil vorgesehen sind; die Nuten bilden zusammen mit dem Einsatzteil 56 schraubenförmige Kanäle, welche zur Folge haben, daß die komprimierte Luft eine Drehbewegung des Probenbehälters 20 bewirkt. Die Luft wird den schraubenförmigen Kanälen über radiale

Bohrungen 67 zugeführt, die in dem Einsatzteil 56 vorgesehen sind; ferner sind Abflachungen 64 in einem Flanschteil 65 am anderen Ende des Mündungsteiles 61 vorgesehen. Eine axiale Bohrung 66 im Mündungsteil 61 bewirkt ebenso wie der Bohrungsabschnitt 59 eine Zentrierung des Rohres 20, und es bilden sich gegenüberliegende Luftsäulen durch die Luftströmung hoher Geschwindigkeit, welche die radialen Bohrungen 67 des Mündungsteiles 61 durchsetzt.

Die rotierende Luft, die aus den schraubenförmigen Kanälen 63 austritt, wirkt auf radial gerichtete Nuten 68, die in der radial sich erstreckenden Fläche eines aus Kunststoff bestehenden Rotors 69 am Ende des Rohres 20 vorgesehen sind. Der Rotor 69 dreht sich durch die auftreffende Luftströmung um eine vertikale Achse, und die Flügel 69' regeln die Umdrehungsgeschwindigkeit, insofern bei Zunahme der Geschwindigkeit eine nichtlineare Zunahme des Drehmomentes erforderlich ist. Ein Metallring 70 ist um die Turbinenanordnung herum angeordnet, so daß die radial sich erstreckende Fläche 70' unterhalb des Rotors vergrößert ist, wobei die genannte radial sich erstreckende Fläche 70' die Steifheit des Luftkissens steuert und ein Auf- und Abschwingen des Rohres 20 verhindert.

Die Hochfrequenzenergie wird der Hochfrequenzspule 34 durch Zuführungen 71 zugeführt, welche von einer Kammer 72 ausgehen und durch ein Rohr 73 innerhalb der Spule 47 und von dort zur Hochfrequenzstufe 34 verlaufen. Das Rohr 73 trägt die Spule 34.

Da das Rohr 73 zwischen dem Rohr 20 und der Spule 34 liegt, ist die Wandung des Rohres so dünn wie möglich, wobei sie aus einem Material besteht, welches eine Störung der magnetischen Felder nicht bewirkt. Die Kammer 72 enthält, ähnlich wie die Kammer 41, den Stromkreis für die Resonanz mit der Spule 34. Gleichstromenergie wird durch die Zuführungen 74 der Spule 47 zugeleitet. Die beiden Koaxialkabel 76 und 77 gehen von dem Probenkopf 11 aus und liefern Hochfrequenzleistung den Spulen 34 und 33 über die Stromkreise, die in den Kammern 72 und 41 liegen; die Kabel führen auch die Hochfrequenzsignale, die in den Spulen 34 und 33 durch die Kernpräzessionen hervorgerufen werden und dem Eingangskreis des Spektrometers zugeführt werden. Ein Kabel 78, das aus einer Vielzahl einzelner Litzen besteht, liefert die Leistung an die Spulen 18, 18' und 47.

Da die Gesamtabmessungen des Probenkopfes 11 ungefähr 12,5X 10X2 cm betragen, ist mit dem zur Verfügung stehenden Raum sparsam umzugehen. Eine Sparsamkeit hinsichtlich des Raumbedarfes wird dadurch erreicht, daß das Rohr 19, welches die bekannte gyromagnetische Substanz enthält, so kurz wie möglich gemacht wird. Die Enden eines kurzen Glasrohres sind schwer abzuschmelzen, wenn das Rohr mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, weil die Flüssigkeit in der Nähe des Endes des Rohres zum Kochen kommt, wenn das Glasrohr beim Verschmelzen erhitzt wird. Aus diesem Grunde ist eine Kugel am einen Ende des Rohres 19 vorgesehen, deren Volumen mindestens halb so groß ist, wie das Volumen des übrigen Rohres.

Die Kugel 79 und die Hälfte des übrigen Rohres werden mit der bekannten Flüssigkeit gefüllt, und das andere Ende des Rohres kann nunmehr leicht verschmolzen werden, ohne daß die Flüssigkeit kocht, da Glas ein guter Isolator ist. Das Rohr 19 wird in die Sondenanordnung 11 so eingesteckt, daß die Kugel 79 oben ist, und daher ist das Rohr 19 mindestens bis zur Kugel gefüllt.

Der Probenkopf kann verwendet werden, um organische Verbindungen oder Silikone zu analysieren, es können jedoch auch andere Verbindungen untersucht werden.

Die Breite der Resonanzlinie der für die Zwecke der Regelung vorgesehenen Bezugssubstanz muß für die Anordnung etwas breiter erscheinen. Dies ergibt sich dadurch, daß der Probenkopf 11 durch die Halterungsvorrichtung 12 so ausgerichtet wird, daß die zu untersuchende Substanz mit ihrer Hochfrequenzspule 34 in der Mitte der Polflächen 13 und 14 liegt, wo das Feld H₀ so homogen wie möglich ist. An der Stelle, wo die Hochfrequenzspule 33 der für die Zwecke der Regelung vorgesehenen Bezugssubstanz liegt, ist die Feldstärke nicht so homogen. Da die Breite der Resonanzlinie dem nicht homogenen Feld angepaßt ist, ergibt sich ein möglichst geringer Störpegel des Regelvorganges.

Bei der Durchführung von Experimenten mit Wasserstoffresonanz hat sich eine wäßrige Lösung in bezug auf die Resonanzlinie am günstigsten erwiesen, insofern sich eine hinreichende Verbreiterung der Linie ergab und ferner die betreffende Lösung zeitlich sehr stabil war. Der Resonanzpräzessionsfaktor für Wasserstoffkerne ist durch Zugabe bestimmter Stoffe zu dem Wasser so veränderbar, daß sich eine scheinbare Verbreiterung ergibt. Geeignete Zusatzstoffe, welche eine Bandbreite von 16 Hz ergaben, bestanden aus einer 0,005molaren Lösung von Ferrichlorid bei Anwesenheit von etwas Salzsäure, so daß ein pH von 1,4 vorlag und das Ferrichlorid in Lösung gehalten wurde. Geeignet war ferner eine 0,001molare Lösung von Manganchlorid und auch eine 0,003-molare Lösung von Gadoliniumchlorid.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Probenkopf für gyromagnetische Untersuchungen zum Einschieben zwischen die Polschuhe eines Magneten, der ein starkes konstantes Magnetfeld erzeugt, welches für die Ausnutzung von Seitenbandresonanzen niederfrequent moduliert wird, enthaltend nahe nebeneinander je einen Probenbehälter mit je einer umgebenden Hochfrequenzspule für die zu untersuchende Substanz und eine gyromagnetische Bezugssubstanz, die zur Steuerung der modulierten Niederfrequenz in der Weise dient, daß die Resonanzerregung der zu untersuchenden Substanz unter konstanten, von zufälligen Schwankungen der erregenden Felder unbeeinflußten gyromagnetischen Bedingungen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Probenbehälter (19, 20) mit ihren Hochfrequenzspulen (33, 34) einzeln mit je einem dünnwandigen, für die niederfrequenten Modulationen durchlässigen Abschirmgehäuse (35, 35', 36, 36' und 43, 43', 44, 44') umschlossen sind, daß das Abschirmgehäuse der zu untersuchenden Probe (43, 43', 44, 44') von einer Spule (47) umgeben ist, durch die das Magnetfeld mit sehr niedriger Frequenz quasistatisch in dem Bereich durchlaufen wird, in dem das gyromagnetische Spektrum aufgenommen wird, und daß wenigstens eine der groß-

flächigen Seitenwände (15, 16) des Probenkopfes eine extrem kurze Spule (18, 18') trägt, die von den niederfrequenten Modulationsströmen zur Erzeugung der Seitenbandfrequenzen durchflossen wird und in deren Feld sich sowohl die Bezugsprobe als auch die zu untersuchende Probe befindet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom niederfrequenten Modulationsstrom durchflossenen Spulen (18,18') im Wege der Technik gedruckter Stromkreise an

den Wänden des Probenkopfgehäuses angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Abschirmgehäuse (43, 43', 44, 44') der zu untersuchenden Probe umschließende Spule (47) zum Durchlaufen des gyromagnetischen Spektrums eine kurze, einlagige Rechteckspule ist, in deren Mitte sich die zu untersuchende Probe (20) befindet, während sich die Bezugsprobe (19) außerhalb des Feldes dieser Spule befindet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909510/1141