DE1423463A1

DE1423463A1 - Gyromagnetisches Resonanzverfahren und zugehoeriges Geraet

Info

Publication number: DE1423463A1
Application number: DE19581423463
Authority: DE
Inventors: Anderson Weston Arthur
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1957-07-11
Filing date: 1958-07-03
Publication date: 1968-10-03
Also published as: GB887103A; NL111953C; FR1209250A; CH382470A; SE300317B; NL229200A; US3085195A

Description

PALO ALTO, California U.S.A.

Gyromagnetisches Resonanzverfahren und zugehöriges Gerät.

Die Erfindung betrifft ein gyromagnetisches Verfahren und ein zugehöriges Gerät, und zwar insbesondere solcher Art, dass eine höhere zeitliche Stabilität und bessere Auflösung der gyromagnetischen Resonanz erreicht wird, zu dem Zwecke, chemische Analysen, Steuerung von chemischen Verfahren und genaue Messungen magnetischer Felder durchzuführen u.dgl.

- Die Erfindung bildet eine Verbesserung der Methoden, die in der bereits getätigten Anmeldung V 13 000 IX/42h vom 26.August 1957 beschrieben ist. Die genannte ältere Anmeldung beschreibt ein Verfahren, welches zuverlässige und exakte gyromagnetische Daten dadurch zu erzielen gestattet, dass die zeitliche Stabilität der gyromagnetischen Resonanzanordnung vergrößert wird. Diese größere Stabilität wurde bei der älteren Anmeldung dadurch.erreicht, dass zwei Gruppen gyromagnetischer Körper in einem polarisierenden foHgr\et±felä angeordnet werden. Es wurde eine Resonanz der

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einen Gruppe gyromagnetischer Körper bewirkt und ein Signal davon abgeleitet, welches der zweiten G-ruppe gyromagnetischer Körper zugeleitet wurde, für die Zwecke¹ der Erzielung eines Resonanzeffektes. Die Resonanz der zweiten G-ruppe gyromagne tischer Körper wurde dann zur Anzeige gebracht und gegebenenfalls aufgeschrieben. Ein solches System liefert eine größere Stabilität, weil die beiden Gruppen gyromagnetischer Körper in der gleichen · Weise auf Änderungen der magnetischen Felder der Umgebung ansprechen. Insbesondere kompensieren sich kleine Schwankungen des polarisierenden magnetischen Feldes dadurch, dass entsprechende Schwankungen der Resonanzfrequenzen der beiden G-ruppen gyromagne tischer Körper auftreten, sodass die Differenz der Resonanzen der beiden G-ruppen gyromagne— tischer Körper von den genannten Schwankungen unbeeinträchtigt bleibt.

Bei der vorerwähnten Anordnung wurden die beiden G-ruppen gyromagne tischer Körper räumlich voneinander getrennt in dem Magnetfeld vorgesehen, sodass die Resonanzfrequenz der einen Gruppe in gewünschter Weise sich ändern konnte, wenn das polarisierende Feld, welches auf die eine der Gruppen wirkte, geändert wurde, ohne dass dabei sich eine Beeinflussung der anderen G-ruppe ergab« Auf diese Weise konnten gyromagnetische Spektren erzeugt werden, indem die Resonanzfrequenz' der ersten Gruppe inbezug auf die Resonanzfrequenz der zweiten Gruppe verändert wurde.

Wenn beide Gruppen gyromagnetischer Körper an verschiedenen Stellen in dem gleichen Magnetfeld sich befinden, ergeben sich verschiedene Schwierigkeiten. Die eine liegt

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darin, dass zusätzliche apparaturmäßige Mittel erforderlich sind, wenn getrennte Sondenanordnungen für die beiden Gruppen vorgesehen werden, indem jede Sondenanordnung die erforderliche Erregerwicklung und Empfangerwicklung aufweisen muß. Es ist ferner erforderlich, dass man ein verhältnismäßig ausgedehntes homogenes Magnetfeld hat, in welchem die beiden i'robekörper untergebracht werden. Es kann sich ferner ergeben, dass die Schwankungen des polarisierenden magnetischen Feldes nicht identisch in den beiden verschiedenen Regionen sind, wodurch kleine Fehler sich in die Wiedergabe der gyromagnetischen Spektren einschleichen.

Die Erfindung hat ein gyromagnetisehes Anzeigeverfahren und eine diesbezügliche Apparatur zum Gegenstand, bei der zwei Gruppen gyromagnetischer Körper in einem polarisierenden magnetischen Feld in solcher Weise eingebracht sind, dass ein wesentlicher Teil der magnetischen Kraftlinien, welche die" eine Gruppe gyromagnetischer Körper durchsetzen, auch die zweite Gruppe durchsetzt, sodass sich die Schwierigkeiten vermeiden lassen, die bisher durch die räumlich getrennte Anordnung der Probekörper bedingt waren.

Die Erfindung sieht auf diese Weise eine gyromagnetische Resonanzmethode und einen entsprechenden Apparat vor, mit denen höhere zeitliche Stabilität und bessere Auflösung der gyromägnetischen Resonanzen zu erzielen ist.

Die charakteristischen Eigenschaften der Erfindung sind in folgendem zu sehen: Es werden zwei Gruppen gyromagnetischer Körper in einem Rauinteil eines polarisierenden

BAD

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Magnetfeldes gebracht, sodass eine beträchtliche Anzahl der magnetischen Kraftlinien beide Gruppen durchsetzt· Es wird erzwungene Resonanz in der einen Gruppe gyromag— netischer Körper erzeugt, sodass ein Signal gewonnen werden kann, welches mit der veränderbaren Frequenz einer Hochfrequenzanordnung zur überlagerung gebracht wird» «u dem Zwecke, ein Seitenbandsignal veränderbarer Frequenz zu erzieleno Dieses Seitenbandsignal wird der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper zugeleitet., um einen Resonanzeffekt zu erzielen, dergestall, dass die gesamte gyromagnetische Apparatur hohe... zeitliche;: Stabilität und. hohes Auflösungsvermögen besitzt.

. Es werden weiter Mittel vorgesehen, welche das Resonanzsignal, das durch das Seitenband erregt wurde, aufzunehmen

und mit dem Signal zu vergleichen, welches von der Wechselstromquelle veränderbarer Frequenz abgeleitet wird, zu dem Zwecke, ein Gleichstromsignal zu erzielen, dessen Amplitude entsprechend der festgestellten Resonanz schwankt, und das angezeigt oder aufgeschrieben werden kann.

Weiter kann eine zwei getrennte Räume konzentrisch enthaltende Sondenanordnung verwendet werden, in welcher mindestens zwei verschiedene Gruppen gyromagnetischer Körper untergebracht werden können, wobei die eine Gruppe¹ die Steueranordnung für einen gyromagnetischen Oszillator bildet, während die andere Gruppe den zu untersuchenden Probekörper darstellt. Die konzentrische Sondenanordnung dient dem Zwecke, zu verhindern, dass die beiden Gruppen gyromagnetisdher Körper sich untermischen, wobei eine bestimmte gyromagnetische Be-

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zugsgruppe verwendet wird, ohne dass Fehler in Anbetracht der Kopplung der beiden Gruppen gyromagnetischer Körper bedingt sind.

Weiter findet eine Begrenzerahordnung Anwendung, die in dem gyromagnetischen Oszillator vorgesehen ist und eine Sättigung der als Bezugsgruppe dienenden Gruppe gyromagnetische!· Körper verhindert, wodurch eine höhere Stabilität der Anordnung erzielt wird.

Weiter wird zweckmäßigerweise eine Bezugsgruppe gyromagnetischer Körper verwendet, die ein gyromagnetisehes Verhältnis besitzt, welches sich wesentlich von dem gyromagne tischen Verhältnis der zu untersuchenden gyromagnetischen Gruppe unterscheidet« Es werden dabei Mittel zur Frequenzzusammensetzung verwendet, welche ein Signal von einem gyromagnetischen Bezugsoszillator abzuleiten gestatten, das eine Frequenz besitzt, welche in der unmittelbaren Nähe der Frequenz der zu untersuchenden gyromagnetischen Körper liegt, zu dem Zwecke, geringe Schwankungen in dem polarisierenden magnetischen Feld und in der Umgebung daäurch auszuschalten, dass dieselben im wesentlichen die gleichen Änderungen in der gyromagnetischen Resonanzfrequenz des Bezugssignales und des Signales der zu untersuchenden gyromagnetischen Gruppe zur Folge haben» Insbesondere sieht die Erfindung die Anwendung eines speziellen Impulsbetriebes für die Zwecke der gyromagnetischen Analyse vor.

Die vorstehend geschilderten Vorteile und Eigenschaften

der Erfindung ergeben sich klarer aus der folgenden Be-

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Schreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.

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Yon den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein sciiematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen gyromagnetischen Resonanzanordnung;

Fig. 2 ein erzeugtes gyromagnetisehes Resonanzspektrum in einem Frequenzbereich, in welchem verschiedene Gruppen gyromagnetischer Körper Resonanzen besitzen, wobei das Bezugssignal äi und die Seitenbandsignale wieder gegeben sind;

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Sondenanordnung gemäß der Erfindung;

Fig» 5 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Resonanzanordnung;

Bei der Ausführungsform gemäß Fig„ 1 befindet sich eine erste und eine zweite Gruppe gyromagnetischer Körper, die verschiedene gyromagnetische Resonanzfrequenzen besitzen, beispielsweise die Wasserstoffkerne in Benzol (CgHg) und die Wasserstoffkerne in Äthylalkohol (CH,Ctt OH) in einem ersten und zweiten Raumteil einer konzentrischen Sondenanordnung 1. Die Sondenanordnung 1, die die erste und die zweite Gruppe gyromagnetischer Körper enthält, befindet sich in einem polarisierenden m Magnetfeld, welches durch einen Magneten 2 erzeugt wird. Eine Empfangsspule 3 umgibt die beiden Gruppen gyromagnetischer Körper und besitzt ihre Längsachse im wesentlichen unter einem rechten Y/inkel zu dem polarisierenden Magnetfeld orientiert. Die Empfangsspule 3 ist an den Eingangskreis eines Verstärkers 4 angeschlossen» Der Ausgangskreis des Verstärkers 4 wird einer Phasen- und Amplitudenregelstufe 5 zugeführt und von dieser einer Modulatorstufe 6ο Die Ausgangsenergie der Modulatorstufe 6 wird einer Erregerspule 7 zugeführt, welche sich in unmittel-

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■ . -⁷ -

barer Nahe der beiden Gruppen gyromagnetischer körper befindet und deren Achse im wesentlichen unter einem rechten Winkel sowohl zu der Achse des polarisierenden |£agnetfeldes als auch zu der Achse der Empfangsspule 3 liegt.

Während des Betriebes werden Störsignale, die in dem Eingangskreis des Verstärkers 4 auftreten, verstärkt und. über die Phasen*und Amplitudenregelstufe 5 und den Modulator 6 zu der Erregerspule 7 geleitet und dadurch auf die beiden Gruppen gyromagnetischer Körper zur Einwirkung gebracht. Die eine Komponente des Störsignales wird die Resonanzfrequenz der gyromagnetischen Bezugsgruppe besitzen und darin Resonanz hervorrufen. Die gyromagnetische Resonanz wird in der Empfängerspule 3 aufgenommen und dem Eingangskreis des Verstärkers 4 zugeführt. Dieses Resonanzsignal wird dann verstärkt und über die Phasen-Amplituden-Regelstufe 5 und den Modulator 6 beiden Gruppen gyromagnetischer Körper zugeführt. Die Phasen- und Amplituden-Regel stufe 5 wird so eingestellt, das.s er zwungene Schwingungen in der gyromagnetischen Bezugsgruppe hervorgerufen werden. Auf diese Weise ergibt sich ein gyromagnetischer Oszillator, welcher bei der Frequenz der Bezugsgruppe schwingt, wobei die Ausgangssignale desselben der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper, die untersucht werden soll, zugeführt wird.

Sin Durchlaufgenerator 8 kann entweder auf mechanischem Y/ege oder mittels elektrischer Signale die veränderbare Frequenz der Wechselstromquelle 9 innerhalb eines bestirnten

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Frequenzbandes beeinflussen. Das Signal, das von der Weehselstromquelle 9 erhalten wird, wird dem Eingangskreis der Modulatorstufe 6 zugeführt, wo es dem Zwecke dient, die Frequenz, die der gyromagnetische Oszillator erzeugt, zu modulieren, sodass ein oberes und ein unteres Seitenband zusätzlich zu dem von dem gyromagnetisehen Oszillator erzeugten Signal erhalten wird. Die Seitenbandsignale, die auf. diese w'eise erzeugt werden, besitzen eine veränderbare Frequenz inbezug auf die mittlere Trägerwelle, entsprechend der Frequenz des Durchiaufgenerators.

Sei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Bezugsfrequenz des gyromagnetische^ Oszillators auf der einen Seite des gyromagnetischen Resonanzspektrums * der zu untersuchenden gyromagnetischen Körper gewählt, beispielsweise bei niedrigen Frequenzen liegend» Dies.zeigt Fig. 2 im Zusammenhang mit einem gyromagne tischen Spektrum von Äthylalkohol. Wenn die veränderbare Frequenz der Wechselnstromquelle 9 entsprechend dem Signal des Durchlaufgenerators 8 verändert wird, wird das obere Seitenband 11 das Äthylalkoholspektrum durchlaufen. Bei bestimmten Frequenzen wird sich Koinzidenz mit der Resonanzfrequenz einer be-■ atiiEmten Gruppe der gyromagne tischen Körper, die in dem Äthylalkohol vorhanden sind, beispielsweise mit den Protonen der OH ergeben.

Wenn das die Bezugsfrequenz bildende Seitenbandsignal mit der Resonanzfrequenz einer speziellen Gruppe der zu untersuchenden Körper übereinstimmt, ergibt sich eine Resonanz in dieser bestimmten Gruppe gyromagnetischer

Körper. Das Resonanz signal wird ,in der Empfangsspule 3 zur ■;·■■-■-■■■ ■■; ■ 80 980 1/05 33 'BAD original

Anzeige gebracht und dem Eingangskreis des Verstärkers zugeführt. Bei Abwesenheit gyromagnetischer Resonanz in dem zu untersuchenden Material, wird die Seitenband— frequenz nicht in dem Eingangskreis des Verstärkers 4 auftreten, weil die Erregerspule wesentlich- von der Empfangsspule. 3 entkoppelt ist in Anbetracht der rechtwinkligen Lage derselben zueinander und auch in Anbetracht weiterer Entkopplungsmittel, die an sich bekannt sind und im vorstehenden nicht näherer Erörterung bedürfen„

Auf'diese Weise gelangt das durch das Seitenband erregte Resonanzsignal, sofern es vorhanden ist, von dem Ausgangskreis des Yerstärkers 4 zu der Detektorstufe 12 zusammen mit äeT trägerwelle, sodass eine Schwebungswelle erzeugt wird, die die Summenfrequenz und die Differenzfrequenz liefert. Die Differenzfrequenz wird dann gleichgerichtet und einem Verstärker 13 zugeführt, von dem sie nach entsprechender Verstärkung zu dem Eingangskreis der Diskriminatorstufe 14 gelangte Es wird ein Signal, welches der Frequenz der Wechselstromquelle 9 entspricht, ebenfalls dem Diskriminator 14 zugeführt und mit der niederfrequenten Schweimngswelle verglichen, die von dem Verstärker 13 geliefert wird, zu dem Zwecke, ein G-leichstromsignal zu erzeugen, welches die Resonanz einer bestimmten Gruppe der zu untersuchenden Körper charakterisiert. Das G-leichstromsignal wird dann κ dem Anzeigegerät und Aufzeichengerät 15 zugeführt, wo. es zur Anzeige gelangt als eine Funktion der Durchlauffrequenz, die der Durchlauf ^aerator 8 liefert, sodass man das gyromagnetische Resonanzspektrum, erhält, welches

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in i*ig» 2 dargestellt i

In soweit gelangte- eine Ausfülartingsform-der Ea?- . . :.-;;..; findung zur |!rörterung,. welche eine koaxiale Sondenan^ ---; Ordnung anwendet, die sowohl die Bezugsgruppe gjromag— -.

netischer Körper als auch die zu rtiitersu-ehende Grruppe -.= ■ gyromagnetischer Körper .enthält« Es ist indessen die AnweudujQg eines zwei Kammern- enthaltenden Sondenfcörpers und die Verwendung einer zusätzlichen.Bezugsgruppe ,

gyroiaagnetischer Körper nicht erforderlich. Insbesondere . kann hei einer anderen Auafiihrungsform der Erfindung eine starke Eesonanzlinie im .Spektrum, des zu. untersuchenden . Stoffes ausgenutzt werden, um die Bezugsgruppe für den gyromagnetisehen Oszillator zu bilden, sodass die zusätz-liche Bezug-sgruppe gyrOmagnetischer Körper in J¹Ortfall. gelangen kann. Wenn es sich beispielsweise bei der zu untersuehenden Substanz um Äthylalkohol handelt, wie in iig. 2 dargestellt, so kann der g-yromagnetische Oszillator so eingestellt werden, dass er mit der-CH-Linie schwingt,.Es wird dann ein 3-pektrum. in gleicher Weise aufgezeichnet,; entsprechend der .zweifachen.Ausnutzung: der 2,xl untersuehenden Substanz,- wobei die Wassers toff kerne der OE-G-ruppe \ das =·■-.--Bejiugsisignal· bilden«· Es ist-Offensichtlich,: dass das in- . dieser Weise erhaltene Spektrum nicht genau die .OH-^Lihie, ■,. welche .·der Trägerfrequenz, entsp.ri'e-htj zeigen-kann; Wenn indessen v.dör .-O-sziil^ator .s:ö. eingestellt? -wir-dy :äass'er bei '^: einer anderen, .starken- ü-inie :achwiri^;g%.j,".beispielsweise "-KeI ■■'-■-tlereil·,;ia.nie -der^.Cl^^oiuppe^.so .^wird^eiaiSp'ektrum zur

iahnu-iir .£el-ange.n,.,.,:.wel.Qh&s.,;eibe^ifalls die OH_Grrup.pe auf-

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weist. Die beiden Spektren können dann überlagert werden und man erhält"auf diese Weise das vollständige Spektrum der zu untersuchenden Substanz. Es ist indessen auch möglich, die'"Bezugsgruppe mit der zu untersuchenden Substanz zu untermischen, beispielsweise indem man als Bezugssubstanz Benzol mit dem zu untersuchenden' -irlk'ohol untermischt.

Pig ο 3 zeigt eine weitere Ausfuhr'uirgsfdrm der Erfindung. Wenn es sich darum handelt, gyromagnetische Spektren der Wasserstoffkerne gewisser Kohlenwasserstoffverbindungen zu erhalten, begegnet man Schwierigkeiten bei der Wahl einer geeigneten itezugsgruppe gyromagnetischer Körper, die eine hinreichend starke liesonanz an dem einen Ende des gyromagnetischen Spektrums der zu untersuchenden Substanz besitzen. In einem solchen Falle kann es wünschenswert sein, eine Substanz zu haben, die eine starke Eesonanzlinie liefert, die auf eine 3ezu_esgruppe. gyromagnetisch er Körper zurückgeht, deren ryromu-ifie tisch es Verhältnis wesentlich anders ■ ist als das ^yrcmagnetische Verhältnis des zu untersuchenden Stoffes« 'Heim man beispielsweise die Spektren "vieler Kohlenwasserstoffe untersucht, kann es zweckmäßig seil;, eine Bezugssubstanz zu verwenden, welche eine starke I¹Iuo$r—Resonanz zeigt, beispielsweise die pluojarkerne von Perfluorezyklobutan CaFq.

Die Verhältnisse werden etwas komplizierter, wenn als Bezugsgruppe gyromagnetische Körper verwendet werden, die ein wesentlich verschiedenes gyromagnetisch.es Verhältnis von dem der zu untersuchenden Körper besitzen« Ss kann'-· sich irisbe^c.r...ere or eben, dass der Verstärker, der zum

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Verstärken des aufgenommenen Signales verwendet wird, nicht hinreichende Bandbreite besitzt, sodass er nicht sowohl das gyromagnetische Bezugssignal als auch das gyromagnetische Signal der zu untersuchenden Substanz verstärken kann* In diesem Falle ist/ein Ausweg darin zu sehen, getrennte Verstärker im Parallelbetrieb au dem Sondenkörper zu verwenden, und zwar jje einen Verstärker für Jedes Frequenzband» · · ; -

In Fig. 3 beispielsweise ;^d-i;*-.4i£e<-'Bnj9.^aiigeept4..e .3 .. und die Erregerspule 7 und das die gyromiagneti^öHÄii Stoffe enthaltende Gefäß ί in dem Sondenkörper16 Tjirgesehen und es wird die Ausgangisenergie der Empfangsspule dem Eingangskreis des Verstärkera 17 zugeführt$ welche die Resonanzfrequenz des gyromagne.tisch.en Bezugskörpers, beispielsweise von Fluor* verstärkt» Das Bezugssignal wird dann der für die Zwecke der Phasen- und Amplitudenregelung vorgesehenen Stufe 18 zugeführt und von derselben über eine Begrenzerstufe 19 dem Eingangskreis der Sondenanordnung 16, Auf diese Weise ergibt sich ein gyromagnetischer Oszillator, dessen Frequenz die gyromagnetische Resonanzfrequenz des Bezugsstoffes ist, in diesem'Falle also die Resonanzfrequenz von Fluor. Die Begrenzerstufe verhindert, dass eine Sättigung der gyromagnetischen Reso— nanzlinie stattfindet. Frequenzunstabilitäten ergeben sich in dem gyromagnetischen Oszillator unter dem Einfluss unerwünschter Resonanzsättigungserscheinungen, wenn die magnetische Linienbreite die natürliche Linienbreite der Bezugslinie übertrifft. Diese Begrenzerfunktion· kann entweder durch den Begrenzer 19 bewirkt werden oder es können

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Sättigungseffekte in dem Verstärker 17 ausgenutzt werden, die die Amplitude des verstärkten Signales begrenzen» Ein Teil des Ausgangssignales des gyromagnetischen Oszillators wird dem Eingangskreis der fib* die Frequenzzusammensetzung dienenden Stufe 21 zugeführt. Diese' Stufe kann "beispielsweise die obigen Fluor-Wasserstoff--Teilungsund Multiplikationsstufen enthalten, sodass das Signal des gyromagnetischen Oszillators zunächst geteilt wird und eine niedrigere Frequenz erzeugt wird und dann in einem ganzzahligen Verhältnis multipliziert wird in der Multiplikationsstufe, sodass die sich schließlich ergebende Frequenz an dem einen Ende des gyromagnetischen Resonanz-■spektrums des zu untersuchenden Stoffes liegt. Dieses wird vorgenommen, um kleine Schwankungen des polarisierenden magnetischen Feldes auszugleichen, die im wesentlichen die gleiche Frequenzänderung in den Resonanzfrequenzen der gyromagnetischen Körper, die untersucht werden sollen, und in dem zusammengesetzten Signal erzeugen. Wenn die Frequenz-Zusammensetzungsstufe 21 nicht vorgesehen würde, wurden die geringen Schwankungen des polarisierenden Magnetfeldes nicht im wesentlichen die gleiche Änderung der Resonanzfrequenz des zu untersuchenden Stoffes und des Seitenbandsignales erzeugen und dementsprechend würde sich ein Meßfehler ergeben.

Die Ausgangsenergie der Freqimz-Zusammensetzungsstufe 21 wird einem Modulator 22 zugeleitet, wo eine Überlagerung mit einem Signal stattfindet, welches von· einer Schwingungsquelle 23, deren Frequenz veränderbar ist, abgeleitet wird, zu dem Zwecke, das gewünschte Seitenbandsignal zu erzeugen»

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Der Durchlaufgenerator 24 dient dem Zwecke, die Frequenz der Wechselstromquelle"23 innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu verändern, sodass das Seitenbandsignal inbezug auf die Trägerwelle und das zusammengesetzte gyromagnetische Signal mit bestimmter Frequenz und über einen bestimmten Frequenzbereich schwankt. Das Spektrum des zu untersuchenden Stoffes liegt innerhalb des Durchlaufbereiches des Seitenbandes und es ergeben sich, wenn das Seitenbandsignal einen betreffenden Bereich .durch» läuft, Resonanzerscheinungen der verschiedenen G-ruppen gyromagnetischer Körper, die in dem zu untersuchenden Stoff vorhanden sindο

Es werden dann die durch das Seitenband erregten Resonanzen angezeigt und dem Eingangskreis eines Veratärkers

25 zugeführt, wo sie verstärkt werden und dem Eingangskreis eines Modulators 26 zugeführt werden» In dem Modulator

26 wird die durch das Seitenband erregte Resonanzfrequenz mit dem zusammengesetzten Signal oder der Trägerfrequenz überlagert, sodass sich Summen- und Differenzfrequehzen ergeben. Die Differenzfrequenz wird ausgesiebt und verstärkt in dem Verstärker 27 und dann dem Eingangskreis des Frequenz-Diskriminators 28 zugeführt. In dem Diskriminator 28 wird das Differenzsignal mit einem Signal verglichen, welches von dem die variable Frequenz besitzenden Generator 23 geliefert wird., sodass ein Greichstromsigna-1 erhalten wird, welches von der durch das Seitenband erregten Resonanz der verschiedenen Gruppen gyromagnetischer Körper, die in dem zu untersuchenden Stoff vorhanden sind,

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abhängt. Das die Resonanz charakterisierende Gleichstromsignal wird dann einem Anzeige- und Aufzeichnungsgerät 29 zugeführt, wo es zur Anzeige gebracht wird, und zwar als IHinktion eines Signales, welches von dem Durchlauf generator 24 abgeleitet wirdj sodass man auf diese Weise ein gyromagnetisehes Resonanzspektrum des .zu untersuchenden Stoffes erhält.

Sei den Ausführungsforaen gemäß Fig. T, 2 und 3 wurde eine gyromagnetische Resonanzapparatur gezeigt, welche senkrecht zueinander orientierte Spulen verwendet. •Die Erfindung ist indessen nicht darauf beschränkt, dass senkrecht zueinander orientierte Spulen für die Zwecke der Anzeige a Anwendung finden. Insbesondere kann auch ein Verfahren verwendet werden, bei dem nur eine Spule für die Zwecke der Anzeige der Resonanz verwendet wird, wie dies beispielsweise Fig. 4 zeigt, bei der ein Sondenkörper mit nur einer Spule dargestellt ist. Der Sondenkörper 16, der nur mit einer Spule arbeitet, benutzt einen Transformator 31, dem Energie von einem Modulator 6 und/oder 22 zugeführt wird, der an die Primärspule angeschlossen ist, während die Sekundärspule eHgeeeteleeeeH 31 eine Mittelanzapfung besitzt, die geerdet ist,und die anderen Enden parallel an die Primärspule eines zweiten Transformators 32 angeschlossen sind, und zwar über zwei Prallel_Resonanzkreise 33 und 34, welche abgeglichene Arme eines Brückenkreises bilden. Der induktive Teil des einen Parallel-Resonanzkreises 34 umfaßt eine Empfangsspule 35, welche die gyromagnetische Bezugsgruppe

der
und die gyromagnetische Gruppe' zu untersuchenden Partikel

^. _n^ . bad

Umschließt. η η η ο η 1 .nroo

809801/0533 N--

Wenn keine Resonanz mit einer bestimmten Gruppe gyromagnetiseher Körper, die sieh innerhalb der Empfangsspule 35 befinden, stattfindet, ist die Brücke vollständig abgeglichen,, und es ergibt sich kein Signal an der Primärspule des Transformators 32, Wenn indessen in einer der Gruppen gyromagnetiseher Körper sieh Resonanz ergibt, so wird das Gleichgewicht der Brücke gestört, und ea-ergibt . sich .ein Signal bei dieser Frequenz in der vPrimärsptüLe des Transformators 32» Dieses Signal wird dann an dik Sekundärspule des Transformators 32 übertragen und der ersten Verstärkerstufe zugeführt, wie zuvor erörtert* Pie zuvor im Zusammenhang mit den fig· 1 und 3 erörterten Anordnungen können entweder ein System mit nur einer Spule, wie es Pig. 4 zeigt, verwenden, oder Systeme mit senkrecht orientierten Spulen, wie es Pig. 1 zeigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei einer gyromagnetisehen Resonanzmessung mit Impulsbetrieb Anwendung finden. Ein solches System, welches Impulsbetrieb vorsieht, ist in Fig« 5 gezeigt. In Pig. 5 erregt ein Impulsgenerator 37 periodisch einen Verstärker 38 für eine bestimmte Zeitdauer, worauf dann eine weitere bestimmte Zeitdauer folgt, in welcher der Verstärker nicht arbeitet. ¹DaS System wird dadurch in Gang gesetzt, dass Störströme, die sich in dem Eingangskreis des Verstärkers 38 ausbilden, während der Arbeitsperiode, die durch den Impulsgenerator 37 bestimmt ist, verstärkt werden. Die Ausgangsenergie des Verstärkers 38 wird dann einer geeigneten eine Zeitver-

39
zogerung bewirkenden Vorrichtung, beispielsweise einem_

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Quarz, zugeführt, in welchem das der Verzögerungsvorrichtung zugeführte Störsignal verzögert wird um eine Zeitdauer, welche etwa der Zeit entspricht, während welcher der Verstärker in Tätigkeit gesetzt wird. Die Ausgangsleistung der Verzögerungsvorrichtung wird dann dem Eingangskreis einer Modulators 41 zugeführt, wo eine Modulation mit einem Signal stattfindet, welches von einer Schwingungsquelle 42, die eine veränderbare Frequenz besitzt,geliefert'wird,sodass zusätzlich zu der Trägerwelle obere und untere Seitenbänder entstehen.

Ein Durchlaufgenerator 43 verändert die Frequenz des Generators 42 in linearer Weise, dergestalt, dass die Seitenbandsignale frequenzlinear inbezug auf die Trägerwelle sich ändern. Die Trägerwelle und die Seitenbandsignale, die im Ausgangs-Kreis des Modulators 41 auftreten, werden dann dem Sondenkörper 44 zugeführt, in welchem sich sowohl die Gruppe der gyromagnetischen Bezugskörper als auch die Gruppe der zu untersuchenden Körper befinden„

Zu dem Zeitpunkt, in welchem die Trägerwelle und die Seitenbandsignale, die die Ausgangslei/stung der Modulatorstufe 41 bilden, zu dem Sondenkörper 44 gelangen und von dort zu dem Eingangskreis des Verstärkers 48, ist dieser Verstärker bereits unwirksam gemacht und es werden die Signale von demselben nicht weiter geleitet. Indessen werden die Signale dem Sondenkörper 44 zugeführt und bewirken eine Resonanz einer starken Bezugslinie. Während des Zeitintervalles, in welchem die in dem Sondenkörper vorhandenen gyromagnetischen Körper durch die Energieimpulse, die von dem Verstärker 38 über die Verzögerungsstufe 39 und den

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Modulator erzeugt·werden, erregt werden, führen'die gyromagnetischen Körper -erzwungene Präzessionen in dem polarisierenden Magnetfeld H aus.

Wenn indessen der Energieimpuls, der von dem Verstärker 38 geliefert wird, abbricht, setzen die gyromagnetischen Körper freie Präzessionen um das polarisierende Magnetfeld fort, wodurch ein Signal in der Empfangsspule des Sondenkörpers 44 erzeugt wird, welches dem Eingangskreis des Verstärkers 38 zugeführt wird. Während dieser Periode der freien Präzession wird der Verstärker 38 durch den Impulsgenerator 37 wieder erregt, sodass Verstärkung des Resonanzsignales der Bezugsgruppe gyromagnetischer Körper stattfindet. Das Bezugssignal wird dann in geeigneter Weise in der Verzögerungsstufe 39 verzögert und in der Modu-' lationsstufe 31 mit einem Signal moduliert, welches von dem Generator 43, der eine schwankende Frequenz besitzt, abgeleitet wird, sodass ein oberes und ein unteres Seitenband erzeugt wird, die in linearer Weise inbezug auf die Trägerwelle oder die Bezugsgruppe gyromagnetischer Körper schwanken; auf diese Weise werden nacheinander Resonanzen in den verschiedenen Gruppen gyromagnetischer Körper, die sich in der zu untersuchenden Substanz befinden, erzeugt*

Man sieht auf diese Weise, dass der Stromkreis, der den Impulsgenerator 37> den Verstärker 38, die Verzögerungs— ν orrichtung 39, den Modulator 41 und den Sondenkörper 44 enthält, zu einem Impulsbetrieb gyromagnetischer Schwingungen bei der gyromagnetisehen Bezugsfrequenz oder der Trägerwelle Anlaß gibt. Die Trägerwelle wird dann mit der schwankenden

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Frequenz, die von dem Generator 42 erzeugt wird, überlagert, sodass sich Seitenbänder schwankender Frequenz ergeben, von denen eines den Frequenzbereich der zu untersuchenden gyromagnetischen Körper überstreicht, zu dem Zwecke, nacheinander Resonanzen hervorzurufen. Bei einer Resonanz mit einer Gruppe gyromagnetischer Körper, die sich in dem zu untersuchenden Stoff befinden, wird das durch das Seitenband erregte Resonanzsignal über den Verstärker 38 und die Verzögerungsvorrichtung dem Eingangskreis eines Verstärkers und Detektors 45 zugeführt, wo eine Verstärkung und Gleichrichtung stattfindet, sodass ein Differenz-Frequenzsignal gebildet wird.

Die Differenzfrequenz-Komponente wird dann dem Eingangskreis eines Frequenz-Disürrtminators 46 zugeführt, wo ein Vergleich mit einem Signal stattfindet, welches von dem Generator 42, der die schwankende Frequenz liefert, abgeleitet wird, sodass ein Gleichstromsignal erzeugt wird, welches der Resonanz des zu untersuchenden Stoffes entspricht*· Das Gleichstrom-Resonanzsignal wird dann dem Eingangskreis einer Anzeige- und Aufzeichnungsvorrichtung 47 zugeführt, wo es aufgezeichnet wird als Funktion eines Signales, welches von dem Durchlauf-Generator 43 abgeleitet wird, sodass man auf diese Weise das Spektrum der zu untersuchenden Substanz erhält.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechenden Geräte sind außerordentlich stabil, da sowohl das gyromagnetische Bezugssystem als auch das System der zu untersuchenden Körper im wesentlichen den gleichen Schwankungen des polari-

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.-■■■- 30 - ■.■

sierenden Magnetfeldes unterworfen sind und ebenso den gleichen Schwankungen, die in der Umgebung auftreten, sodass praktisch keine relativen Änderungen in den Heaonanzfrequenzen der verschiedenen Gruppen gyromagnetiseher Körper zu beobachten sind.

Es ist offensichtlich, dass die dargestellten Geräte in verschiedenstes? Weise abgeändert werden können, eime dass dabei der Hauptgedanke der Erfindung -^verlassen wird; die im vorstehenden im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen wiedergegebenen Merkmale sollen daher nicht den Erfindungsgedanken in begrenzender Weise einengen, sie dienen vielmehr den Zwecken d-er Erläuterung.

Patentansprüche ι

8 C 9 8 0 1 .· -Π 5 3 3

Claims

423463

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Erzeugung von stabilen gyromagnetischen Resonanzsignalen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bezugsgruppe gyromagnetischer Körper in einem bestimmten Teil eines polarisierenden Magnetfeldes vorgesehen wird, und dass eine zweite Gruppe gyromagnetischer Körper in einem Teil des magnetischen Feldes angeordnet wird, dergestalt, dass eine beträchtliche Anzahl der polarisierenden magnetischen Kraftlinien sowohl durch die erste Gruppe gyromagnetischer Körper als auch durch die zweite Gruppe gyromagnetischer Körper verläuft, und dass Resonanz in beiden Gruppen hervorgerufen wird und die Resonanzen miteinander verglichen werden, zu dem Zwecke, stabile Resonanzsignale zu erzeugen.

2o) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gruppen gyromagnetischer Körper voneinander getrennt sind, zu dem Zwecke, eine Mischung der beiden Gruppen gyromagnetischer Körper zu verhindern.

3o) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Resonanz in beiden Gruppen gyromagnetischer Körper hervorgerufen wird, indem die Energie eines gyromagnetischen Oszillators, der durch die Bezugsgruppe gyromagnetische Körper gesteuert wird, als erregendes Signal verwendet wird und eine Überlagerung des gyromagnetisehen Re-Gonanzsi^nales der Bezugsgruppe mit dem Signal eines in der Frequenz veränderbaren Generators vorgenommen wird, sodass ein Seitenbandöignal erzeugt wird, welches die Resonanz

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der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper erregt.

4o) Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass der gyromagnetische Oszillator eine Bezugsgruppe gyromagnetischer Körper verwendet, die ein gyromagnetische

welches
Verhältnis besitzt, von dem gyromagnetischen Verhältnis der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper,verschieden . .ist, und dass die Überlagerung des gyromagnetisehen Eesonanz signales mit der veränderbaren Frequenz" in der Weise durchgeführt wird, dass das gyromagnetische Bezugsresonanzsignal in der Frequenz zerlegt und zusammengesetzt und dann mit der variablen Frequenz eines Generators überlagert wird, zu dem Zwecke, ein Seitenbandsignal zu erzeugen, mit Hilfe dessen die Resonanz der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper erregt wird»

5«) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennze'ichnet, dass der gyromagnetische Oszillator impulsmäßig betrieben wird.

So) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchlauffrequenz erzeugt wird, zu dem Zwecke j entsprechend der Durchlauffrequenz die Resonanz der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper zu erregen.

7<0 Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des gyromagnetischen Oszillators begrenzt wird, zu dem Zwecke, eine Sättigung der Bezugsgruppe gyromagnetischer Körper zu verhindern und dadurch eine Vergrößerung der Frequemstabilitat des Oszillators zu erzielen. .

8.) Verfahren nach Anspruch3, dadurch gekennzeichnet,

dass die Frequenz des mit variabler Frequenz arbeitenden

80 980 1/0 53 3 _Bäd

U23463

Generators mit einem Signal verglichen wird, welches von der Resonanz der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper abgeleitet wird, zu dem Zwecke, ein Gleichstromsignal zu erzeugen, welches sich entsprechend der Resonanz der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper ändert.

9e) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal sich ändernder Frequenz mit einem Signal verglichen wird, welches von der Resonanz der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper abgeleitet wird, indem die schwankende Frequenz des Generators mit einem Differenzfrequenzgleich

signal verglichen wird, welches/der Differenz zwischen der gyromagnetisehen Oszillatorfrequenz und der Resonanzfrequenz der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper ist.

10.) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des variablen Generators in bestimmtem Maße geändert wird und eine Durchlauffrequenz bildet, und dass das Gleichstrom-Resonanzsignal in Abhängigkeit von der Durchiauffrequenz aufgezeichnet wird.

11.) Anordnung zur Erzeugung stabiler gyromagnetischer Resonanzsignale, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um zwei Gruppen gyromagnetischer Körper in einem Teil eines polarisierenden magnetischen Feldes anzuordnen, dergestalt, dass eine wesentliche Anzahl polarisieren der magnetischer Feldlinien beide Gruppen gyromagnetischer Körper durchsetzt, und dass Mittel vorgesehen sind, um die gyromagnetische Resonanz in beiden Gruppen zu erregen, und dass weitere Littel vorgesehen sind, um die Resonanzen zwecks eil dun ^: eines stabilen Resonanzsi.~r.ales miteinander

BAD OWOWAL

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zu vergleichen. . ' .

12.) Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die toeiden Gruppen gyromagnetiseher Körper voneinander getrennt sind, sodass ein unerwünschtes Vermischen der beiden Gruppen gyromagnetiseher Körper vermieden" wird. ·

13·) Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein gyromagnetiseher Oszillator vorgesehen ist, dessen Steuersignal von der ersten Gruppe gyromagnetiseher Körper geliefert wird, und dass Mittel vorgesehen sind, um das gyromagnetische -"Resonanz--. signal mit der schwankenden Frequenz eines Generators zu mischen, zu dem Zwecke, ein Seitenbandsignal zu erzeugen, welches die gyromagnetische Resonanz der zvfeiten Gruppe gyromagnetiseher Körper erregt.

14.) Anordnung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchlaufgenerator sich ändernder Frequenz vorgesehen ist, zu dem Zwecke, Resonanz in der zweiten Gruppe gyromagnetiseher Körper nach Maßgabe der Dur ch lauf frequenz zu erzeugen. ' ~"

15ο) Anordnung nach Anspruch 13, dadurch, gekennzeichnet, dass für die Zwecke der Erzeugung eines stabilen Resonanzsignales Mittel zum Vergleichen der Frequenz des schwankenden Signales mit einem Signal vorgesehen sind, welches von der Resonanz der zweiten Gruppe gyromagnetiseher Körper abgeleitet wird, zu dem Zwecke, ein Gleichstromsignal zu erzeugen, welches der Resonanz der zweiten Gruppe gyromagnetiseher Körper entspricht.

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16.) Anordnung nach. Anspruch 15, dadurch, gekennzeichnet, dass zwecks Vergleiches des variablen Frequenzsignales mit einem Signal, welches von der gyromagnetischen Re-. sonanz der zweiten Gruppe gyromagnetischer Körper abgeleitet wird, Mittel vorgesehen sind, welche das Signal variabler Frequenz mit einem Differenzfrequenzsignal vergleichen, welches der Differenz zwischen der gyromagnetischen Oszillatorfrequenz und der Resonanzfrequenz der zweiten Gruppe gyromagne tischer Körper entspricht .·"

17«) Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchlaufgenerator vorgesehen ist, und dass die Aufzeichnung des Gleichstrom-Resonanzsignales in Abhängigkeit der Durchlauffrequenz stattfindet, zu dem Zwecke der Aufzeichnung eines stabilen gyromagnetischen Resonanzsignales.

■ 18.) Anordnung zur Erzeugung stabiler gyromagnetischer Resonanzsignale, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind um zwei Gruppen gyromagnetischer Körper in einem Teil eines polarisierenden magnetischen Feldes so anzuordnen, dass ein wesentlicher !eil .der polarisierenden magnetischen Feldlinien beide Gruppen gyromagnetischer Körper durchsetzt, und dass senkrecht zueinander orientierte Spulen vorgesehen sind, zu dem Zwecke, die gyromagnetische Resonanz in beiden Gruppen zu erregen, und zu empfangen, und dass weitere Mittel vorgesehen sind, um die Resonanzsignale miteinander zu vergleichen und auf diese Weise stabile Resonanzsigri&le zu erzeugen.

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19·) Anordnung zur Erzeugung stabiler gyromag-.netischer Resonanzsignale, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um zwei Gruppen gyro- · magnetischer Körper in einem Teil eines polarisierenden Magnetfeldes so anzuordnen, dass eine wesentliche Zahl polarisierender magnetischer Feldlinien beide Gruppen gyromagnetiseher Körper durchsetzt, und dass ' eine nur eine Spule aufweisende Sondenanordnung für die Zwecke der Erregung und Anzeige der gyromagnetischen Resonanz in beiden Gruppen vorgesehen ist, und dass Mittel vorgesehen sind, um die Resonanzen beider zu vergleichen.

80S80')/C533