DE1299444B

DE1299444B - Vorrichtung zum Messen gyromagnetischer Resonanzsignale

Info

Publication number: DE1299444B
Application number: DEV27802A
Authority: DE
Inventors: Varian Russell Harrison
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1956-08-29
Filing date: 1957-08-26
Publication date: 1969-07-17
Also published as: GB867843A; NL301961A; CH365560A; GB867844A; CH365559A; CH365561A; FR1207417A; DE1274822B; US3109138A; NL135276C

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung teristische Frequenz zu messen, wobei diese Frequenz

zum Messen gyromagnetischer Resonanzsignale für jedoch nicht nur von der Kernstruktur des zu unter-

die Zwecke der gyromagnetischen Substanzanalyse suchenden Körpers, sondern auch von dem statischen

oder für die Zwecke der Messung gyromagnetischer polarisierenden Magnetfeld abhängt, welchem der zu

Konstanten. 5 untersuchende Körper ausgesetzt ist.

Derartige Vorrichtungen sind an sich bekannt und Es ist daher offensichtlich, daß solche Messungen bestehen aus einer Einrichtung zur Erzeugung eines zur Voraussetzung haben, daß das statische Magnetstatischen Magnetfeldes, einem Hochfrequenzgenera- feld einen streng definierten Wert hat und nicht zeittor und einem von diesem gespeisten Spulensystem liehen Schwankungen unterhegt. Es ist jedoch im bzw. einem Hohlraumresonator zur Erzeugung eines io allgemeinen sehr schwierig, zeitlich konstante Magnethochfrequenten magnetischen Wechselfeldes senk- felder zu erzeugen.

recht zum statischen Feld sowie aus einer ent- Um bei derartigen Messungen von Schwankungen

sprechenden Empfangseinrichtung. des statischen Magnetfeldes unabhängig zu werden,

Die gyromagnetischen Übergangsresonanzen sind ist es bereits durch die Veröffentlichung in der Zeit-Vorgänge hoher Resonanzschärfe mit langen Ein- 15 schrift »Physical Review«, 1949, Bd. 46, S. 354, beschwingzeiten und erfordern daher langsames kanntgeworden, in einem gemeinsamen statischen Arbeiten. Magnetfeld, zusätzlich zu dem zu untersuchenden

Die Erfindung bezweckt einen Fortschritt hinsieht- Probekörper einen zweiten Probekörper vorzusehen,

lieh der Zeitkonstantenverhältnisse des Meßvorgan- dessen Präzessionssignale als Bezugssignale für die

ges und der Störabstandsverhältnisse. ao zu messenden Präzessionssignale des zu untersuchen-

Eine Vorrichtung zum Messen gyromagnetischer den Probekörper dienen; bei einer Anordnung gemäß

Resonanzsignale für die Zwecke der gyromagneti- der genannten Veröffentlichung werden zu diesem

sehen Substanzanalysen oder für die Zwecke der Zweck die Präzessionssignale beider gyromagneti-

Messung gyromagnetischer Konstanten, bestehend scher Probekörper auf einem Zweistrahl-Oszillo-

aus einer Einrichtung zur Erzeugung eines statischen 35 graphen übereinandergeschrieben. Bei der Auswer-

Magnetfeldes, einem Hochfrequenzgenerator und tung der Oszillogramme dienen dann die von dem

einem von diesem gespeisten Spulensystem bzw. einem bekannten gyromagnetischen Probekörper erhaltenen

Hohlraumresonator zur Erzeugung eines hochfre- Resonanzspitzen als Bezugswerte für die frequenz-

quenten magnetischen Wechselfeldes senkrecht zum mäßig zu bestimmenden Resonanzspitzen des zu

statischen Feld sowie einer entsprechenden Emp- 30 untersuchenden Probekörpers,

fangseinrichtung, kennzeichnet sich gemäß der Er- Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

findung dadurch, daß der zur Erzeugung des hoch- bezweckt, ebenfalls einen bekannten gyromagneti-

frequenten Wechselfeldes vorgesehene Generator ein sehen Probekörper zur Erzeugung von Bezugs-

Hochfrequenzband solcher Bandbreite erzeugt, daß frequenzen zu verwenden, greift jedoch hierbei nicht

mehrere gyromagnetische Gruppen der zu unter- 35 auf die optische Auswertung von zwei Oszillogram-

suchenden Substanz mit unterschiedlichen Resonanz- men zurück.

frequenzen gleichzeitig zur Resonanz erregt werden Die bevorzugte Ausführungsform kennzeichnet

und daß der Empfängerteil der Meßanordnung der- sich dadurch, daß in demselben Bereich des stati-

art ausgebildet ist, daß er gleichzeitig das aus einer sehen Magnetfeldes bzw. einem denselben zeitlichen

entsprechenden Anzahl Frequenzkomponenten be- 40 Feldschwankungen unterliegenden Magnetfeld eine

stehende zusammengesetzte Resonanzsignal verarbei- gyromagnetische Bezugssubstanz zur Erzeugung von

tet und Frequenztrennungsmittel aufweist, die die Bezugs-Präzessionssignalen vorgesehen ist und diese

verschiedenen Komponenten getrennt zur Anzeige Bezugssignale mit dem aus den Präzessionssignalen

bringen. der zu untersuchenden Substanz bestehenden zu-

Dadurch, daß die verschiedenen Übergangsreso- 45 sammengesetzten Resonanzsignal gemischt werden, nanzen des Probekörpers durch den breitbandigen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Generator gleichzeitig erregt sind, ist man imstande, nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit schneller das Empfangsspektrum zu durchlaufen als den Figuren erörtert. Von diesen zeigt bei sukzessiver Erregung der einzelnen Resonanzen F i g. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungssynchron mit der Signalanzeige. Verwendet man 50 gemäßen gyromagnetischen Vorrichtung, einen frequenzmodulierten Generator, der nachein- F i g. 2 bis 4 Teildarstellungen von im Rahmen der ander die verschiedenen Resonanzfrequenzen zur Erfindung anwendbaren Detektorschaltungen bei Anregung bringt, so muß das Durchlaufen des Spek- einer im übrigen Fig. 1 entsprechenden Meßvortrums so langsam erfolgen, daß jede Resonanzlinie richtung.

ihrem hohen Kreisgütewert entsprechend voll zur 55 In Fig. 1 ist ein erster gyromagnetischer Probe-Resonanz angeregt wird. Dadurch ist man gezwun- körper 25 dargestellt; er befindet sich in einem durch gen, die Durchlauffrequenz des Spektrums ent- einen Magneten 26 hervorgerufenen starken Magnetsprechend niedrig zu wählen. Bei der erfindungs- feld. Eine Empfangsspule 27 umgibt den Probekörper gemäßen Anordnung indessen werden die verschie- 25 und ist an den Eingangskreis eines Verstärkers 28 denen Resonanzsysteme gleichzeitig durch den Breit- 60 angeschlossen. Ein zweiter Probekörper 29, der bandgenerator in Resonanzschwingungen versetzt, untersucht werden soll und entsprechende gyro- und man kann daher das Spektrum relativ schnell magnetische Bestandteile enthält, befindet sich in dem durchlaufen, ohne daß man Gefahr läuft, daß die gleichen polarisierenden Magnetfeld. Eine zweite Resonanzsignale nur mit einer nach ihrem An- Empfangsspule 31 umgibt den zweiten Probekörper schwingzustand entsprechenden Amplitude wieder- 65 29 und ist an den Eingangskreis eines Verstärkers 32 gegeben werden. angeschlossen. Zwei Sendespulen 33 und 34 sind in Bei solchen Meßverfahren handelt es sich darum, der Nähe der Probekörper 25 und 29 vorgesehen eine für den zu untersuchenden Probekörper charak- und an einen verhältnismäßig breitbandigen Hoch-

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frequenzgenerator 35, dessen Bandbreite etwa gangssignal an der Mischstufe 38 und gelangt zur 1000 Hz bei einer Frequenz von ungefähr 30 MHz Anzeige in dem Gerät 41.

bis 60 MHz beträgt, angeschlossen. In F i g. 2 ist eine andere Schaltungsweise zum Ver-

Der Generator 35 liefert Ströme gleicher Phase an gleich der von den Probekörpern 25 und 29 abgegedie beiden Spulen 33 und 34. Der Generator kann 5 benen Spektren wiedergegeben. In dieser Schaltung ein Impulsgenerator sein, dessen Impulse so ein- ist die Mischstufe 38 durch eine Stufe 40 ersetzt, gestellt sind, daß die Fourier-Komponenten über welche die verschiedenen Hochfrequenzkomponenten einen gewünschten Frequenzbereich liefern; es kann der beiden Spektren nach Wunsch addiert oder subaber auch eine Stromquelle sein, die innerhalb des trahiert. Dieses Vergleichsgerät kann beispielsweise genannten Bereichs ein weißes Rauschen erzeugt. io aus einem Schwingungskreis bestehen, welcher an Zwei Spulen 36 sind beiderseits des einen Probe- Verstärker 28 und 32 in addierendem oder subtrakörpers, beispielsweise des Probekörpers 25, vor- hierendem Sinn angeschlossen ist. Wenn die beiden gesehen. Ein Durchlaufgenerator 37 liefert Strom zu Spektren in der Frequenz koinzidieren, sind die den Spulen 36, so daß das gesamte magnetische Feld, Schwingungsamplituden in dem Schwingungskreis welches auf den Probekörper zur Einwirkung ge- 15 maximal oder minimal, je nachdem, ob es sich um bracht wird, verändert wird, indem dem vorherr- Addition oder Subtraktion handelt. Die Hochschenden polarisierenden Gleichstromfeld H₀ ein frequenz wird dann in einem Detektor 42 gleichmodulierendes Feld H_s überlagert wird. gerichtet und in einem Anzeigegerät 41 angezeigt.

Im Betrieb wird ein Hochfrequenzsignal von ver- Ein Vorteil der in F i g. 1 und 2 gezeigten Ausfüh-

hältnismäßig großer Bandbreite, welches sämtliche «o rungsformen liegt in der Signalvergrößerung, die sich Frequenzen in der Nähe der gyromagnetischen Reso- durch die gleichzeitige Verstärkung der Komponennanzen enthält, auf die Probekörper 25 und 29 mit- ten der beiden Spektren dann ergibt, wenn gerade tels der Sendespulen 33 und 34 zur Einwirkung ge- Frequenzkoinzidenz der beiden gyromagnetischen bracht. Das genannte Signal wirkt als elektromagne- Spektren vorliegt. Es ist zwar zu beachten, daß auch tisches Feld zur Erzeugung der Resonanzen mit den *5 ein Gleichstromsignal sich ergibt, wenn einzelne Larmorfrequenzen der verschiedenen Arten gyro- Linien der beiden Spektren zu Koinzidenz gelangen, magnetischer Bestandteile der Probekörper und be- es ist indessen das sich dann ergebende Gleichstromwirkt so gleichzeitig erzwungene Präzessionen und signal klein im Vergleich zu dem Signal, welches sich Resonanzen in allen gyromagnetischen Bestandteilen bei Koinzidenz sämtlicher Spektrallinien einstellt, der beiden Probekörper. 30 In F i g. 3 ist eine andere Ausführungsform zum

Wenn die beiden Probekörper 25 und 29 aus Vergleich der Spektren dargestellt. Bei dieser Ausfühgleichen Substanzen bestehen, sind auch ihre Reso- rungsform sind die Mischstufe 38 und der Tiefpaß 39 nanzspektren gleich, wenn das auf die beiden Probe- der Fig. 4 durch ein Energievergleichsgerät 48 erkörper zur Einwirkung gebrachte magnetische Feld setzt, welches die Energie der beiden Spektren vergleich ist. Da ferner die Signale von dem breitbandi- 35 gleicht. Das Energievergleichsgerät 48 kann beispielsgen Generator 35 in beiden Probekörpern 25 und 29 weise ein doppeltes Effektivspannungsmeßgerät sein, gleichphasig sind, sind auch die erzwungenen Prä- welches ein Signal liefert, daß der Summe oder Diffezessionssignale in beiden Probekörpern in Phase. Die renz der Energie der beiden Spektren proportional von den Empfangsspulen 27 und 31 aufgenommenen ist.

Resonanzsignale, welche von den beiden Probekör- 40 Die Ausgangsenergie des Vergleichsgerätes wird pern ausgehen, werden nach Verstärkung gleich- dann einem Anzeigegerät 41 zugeführt, wo sie aufzeitig einer Mischstufe 38 zugeführt. Der Ausgangs- gezeichnet wird und eine Meßgröße, die für die zu kreis der Mischstufe 38 enthält die Summenfrequenz untersuchende Substanz maßgebend ist, liefert, und die Differenzfrequenz der beiden Signale. Mittels Es ist indessen festzustellen, daß bei dieser Aus-

eines Tiefpaßfilters 39 wird die Differenzfrequenz 45 führungsform man irreführende Werte erhalten kann, ausgewählt, und die Gleichstromkomponente wird wenn beide Empfangsspulen 27 und 31 an Stelle gyromittels eines Aufzeichnungsgerätes aufgezeichnet. magnetischer Signale gleiche Störspannungen aufWenn die beiden Hochfrequenzspektren in Koinzi- nehmen. In diesem Fall würde auch der Energiedenz sind, verschwindet die Differenzfrequenz jeder unterschied des Vergleichsgerätes 48 Null sein und der Hochfrequenzkomponenten oder liefert einen so gleichartige Probekörper vortäuschen. Es kann inGleichstrom. Wenn daher die beiden Spektren koin- dessen der Durchlaufgenerator so betrieben sein, daß zident sind, wird ein sehr starkes Gleichstromsignal er periodisch die Resonanzfrequenz des einen Probevon dem Filter 39 weitergeleitet und durch das An- körpers aus dem Frequenzbereich herausbringt, welzeigegerät 41 aufgeschrieben. Es ist offensichtlich, eher von der breitbandigen Energiequelle 35 geliefert daß, wenn die beiden Probekörper verschiedenen 55 wird. Wenn dann in dem Wiedergabegerät 41 ein magnetischen Feldern ausgesetzt werden, ihre Spek- diesem periodischen Signal entsprechendes Signal tren in der Frequenz verschoben sind. Es ergeben auftritt, so ist dadurch klar, daß das Spektrometer dann die Präzessionssignale, die der Mischstufe 38 einen Energieunterschied gyromagnetischer Spektren zugeführt werden, kein maximales Gleichstromsignal vergleicht, nicht aber Störströme anzeigt, im Ausgangskreis. Dadurch, daß periodisch das 60 Eine andere Möglichkeit, daß ordnungsgemäßes kleine Magnetfeld H_s dem Feld des einen Probe- Arbeiten des Spektrometers kontrolliert wird, kann körpers überlagert wird, wird das eine der Spektren darin liegen, daß periodisch Luftblasen oder Blasen in bezug auf das andere periodisch verschoben. Genau eines anderen Gases durch die Empfangsspule gein dem Augenblick, wenn die Spektren der Probe- leitet werden.

körper 25 und 29 in bezug auf Frequenz überein- 65 Anwendungszwecke der beschriebenen Anordnung stimmen, was auftritt, wenn die magnetischen Ge- können im folgenden liegen: Es kann eine Analyse samtfeider, die auf beide Probekörper wirken, iden- von Substanzen durchgeführt werden; es wird ein tisch sind, ergibt sich ein starkes Gleichstromaus- bekanntes Material als Bezugsstoff in die eine Emp-

fangsspule eingebracht und das unbekannte Material in die andere. Es kann dann das Bezugsspektrum in <ler Frequenz in bezug auf das andere Spektrum verschoben werden und auf diese Weise ein Vergleich der beiden Spektren durchgeführt werden. Wenn die unbekannte Substanz Material der Bezugssubstanz enthält, dann wird sich in einem gewissen Punkt des Durchlaufs des Spektrums eine Koinzidenz ergeben und auch ein Aufzeichnen eines starken Gleichstromsignals in Form einer Linie stattfinden.

Ein weiterer Anwendungszweig der dargestellten Anordnungen liegt in der Überwachung von Verfahren, wobei ein bestimmtes Produkt als Bezugsprodukt verwendet wird und ein Teil des dem Verfahren unterworfenen Produkts durch die eine Empfangsspule geleitet wird. Wenn dann die Substanz, welche ein Teil des dem Verfahren unterworfenen Produkts ist, in der Zusammensetzung schwankt, so zeigt sich dies sofort in der Größe des am Wiedergabeinstrument 41 erscheinenden Ausgangssignals. Diese Anzeige kann zur Auslösung eines eine Korrektur bewirkenden servomechanischen Vorganges benutzt werden oder zur Abgabe eines Warnsignals od. dgl. In F i g. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. An Stelle der in Fig. 1 erörterten Mischstufe 38, des Filters 39 und des Anzeigeinstruments 41 wird die in F i g. 4 dargestellte Apparategruppe verwendet; es enthält das Gerät, soweit es in Fig. 4 dargestellt ist, zusätzlich auch die meisten Apparateteile, welche in Fig. 1 gezeigt sind. Bei dieser Ausführungsform ist der Bezugsprobekörper, welcher dem Probekörper25 der Fig. 1 entspricht, so gewählt, daß er nur eine gyromagnetische Resonanz besitzt, beispielsweise die des Wasserstofükernes von Wasser. Die unbekannte zu untersuchende Substanz 29 befindet sich in der Empfangsspule 31.

Wie im Zusammenhang mit Fi g. 1 erörtert wurde, werden in jedem der beiden Probekörper gleichzeitig Resonanzspektren erzeugt. Diese Resonanzspektren werden Verstärkern zugeführt, so daß die Hochfrequenzsignale in den Verstärkern 38 und 32 verstärkt werden und dann einer Mischstufe 38 zugeführt werden. Die Resonanzfrequenz des Bezugsprobekörpers 25 wird so gewählt, daß sie außerhalb des gyromagnetischen Spektrums der unbekannten Substanz 29 liegt. Es wird daher im Ausgangskreis der Mischstufe 38 eine Anzahl von Schwebungsfrequenzen gebildet, die den Summen- und Differenzfrequenzen zwischen dem Bezugsresonanzsignal und den entsprechenden Resonanzfrequenzen der unbekannten Substanz 29 entsprechen.

Eines der Schwebungsfrequenz-Seitenbänder wird mittels eines geeigneten, nicht dargestellten Filters ausgesondert und einer zweiten Mischstufe 43 zugeführt, wo das Seitenband mit der Ausgangsspannung eines veränderbaren Niederfrequenzoszillators überlagert wird. Der Niederfrequenzoszillator 44 wird in der Frequenz von einem Durchlaufgenerator moduliert. Wenn das Seitenband der Schwebungsfrequenzen der Mischstufe 38 mit der sich ändernden Niederfrequenz des Niederfrequenzgenerators 44 überlagert wird, ergibt sich im Ausgangskreis der Mischstufe 43 das Auftreten von Summen- und Differenzfrequenzen. Die Frequenz des Niederfrequenzoszillators 44 liegt so weit verschoben gegenüber dem erwarteten Schwebungsspektrum, daß sich eine geeignete Differenzfrequenz ergibt, beispielsweise von 500Hz, wenn eine Überlagerung mit der ersten erwarteten Schwebungsfrequenz des Schwebungswellenspektrums stattfindet.

Die Ausgangsleistung der zweiten Mischstufe43 wird einem schmalen Bandpaßfilter 46 zugeführt, welches nur die Differenzfrequenz zwischen dem gyromagnetischen Resonanzsignal und der Frequenz des Niederfrequenzoszillators 44 durchläßt. Die Ausgangsströme des Filters 46 werden einem Detektor und Anzeigegerät 47 zugeführt, welches die Amplitude des 500-Hz-Signals gleichrichtet und ein Gleichstromsignal erzeugt, dessen Größe als Funktion der Niederfrequenz bzw. der Zeit aufgezeichnet wird, so daß man auf diese Weise das Spektrum der zu untersuchenden Substanz erhält.

Die Frequenz des Niederfrequenzoszillators wird so gesteuert, daß eine Frequenzdifferenz von 500 Hz bei Überlagerung mit der ersten erwarteten gyromagnetischen Resonanz des Spektrums stattfindet. Auf diese Weise wird das gyromagnetische Resonanzspektrum mit einer durch den Generator 45 bestimmten Geschwindigkeit durchlaufen.

Obwohl zwei getrennte Überlagerungsvorrichtungen vorgesehen sind im Fall der dargestellten Ausführungsform, so kann man doch ein bestimmtes Differenzfrequenzsignal erhalten, und die Resonanz zur Anzeige bringen, wenn man nur eine Überlagererstufe verwendet, in welcher die Resonanzsignale mit der niedrigen Frequenz des veränderlichen Oszillators gemischt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen gyromagnetischer Resonanzsignale für die Zwecke der gyromagnetischen Substanzanalyse oder für die Zwecke der Messung gyromagnetischer Konstanten, bestehend aus einer Einrichtung zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes, einem Hochfrequenzgenerator und einem von diesem gespeisten Spulensystem bzw. einem Hohlraumresonator zur Erzeugung eines hochfrequenten magnetischen Wechselfeldes senkrecht zum statischen Feld sowie einer entsprechenden Empfangseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erzeugung des hochfrequenten Wechself eldes vorgesehene Generator ein Hochfrequenzband solcher Bandbreite erzeugt, daß mehrere gyromagnetische Gruppen der zu untersuchenden Substanz mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen gleichzeitig zu Resonanz erregt werden und daß der Empfängerteil der Meßanordnung derart ausgebildet ist, daß er gleichzeitig das aus einer entsprechenden Anzahl Frequenzkomponenten bestehende zusammengesetzte Resonanzsignal verarbeitet und Frequenztrennungsmittel aufweist, die die verschiedenen Komponenten getrennt zur Anzeige bringen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfängerteil nach dem Überlagerungsprinzip arbeitet und ein aus einer Anzahl Resonanzfrequenzen zusammengesetztes niederfrequentes Signal liefert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenztrennungsmittel aus einem frequenzmodulierten Niederfrequenzgenerator, einer Mischstufe und einem Tiefpaßfilter bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in

demselben Bereich des statischen Magnetfeldes bzw. einem denselben zeitlichen Feldschwankungen unterliegenden Magnetfeld eine gyromagnetische Bezugssubstanz zur Erzeugung von Bezugs-Präzessionssignalen vorgesehen ist und diese Bezugssignale mit dem aus den Präzessionssignalen der zu untersuchenden Substanz bestehenden zusammengesetzten Resonanzsignal gemischt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen