DE1673016C3

DE1673016C3 - Device for keeping the polarizing magnetic field constant in a nuclear magnetic resonance device

Info

Publication number: DE1673016C3
Application number: DE19671673016
Authority: DE
Inventors: Marcel J.E. Dr. Rumson NJ. Golay (V.StA.)
Original assignee: The Perkin-Elmer Corp., Norwalk, Conn. (V.StA.)
Priority date: 1967-01-30
Filing date: 1967-10-27
Publication date: 1977-05-12

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konstanthaltung des polarisierenden Magnetfeldes bei einem Kernresonanzgerät mit einem Magneten zur Erzeugung eines starken polarisierenden Magnetfeldes zwischen zwei gegenüberliegenden PolHächen, einem Satz von Homogenisierungsspulen zum Homogenisieren von Ungleichförmigkeiten des polarisierenden Magnetfeldes in einem relativ kleinen, einen Probenhalter mit einer zu untersuchenden Probe enthaltenden Volumen im Luftspalt zwischen den Polflächen, und einer Lock-on-Einrichtung, durch welche Schwankungen der Stärke des polarisierenden Feldes kompensierbar sind und deren Meßfühler einen ebenfalls zwischen den Polflächen angeordneten Referenzprobenhalter mit einer zu kernmagnetischer Resonanz erregten Referenzprobe aufweist.The invention relates to a device for keeping the polarizing magnetic field constant in a Nuclear magnetic resonance device with a magnet to generate a strong polarizing magnetic field between two opposite pole faces, a set of homogenizing coils for homogenizing Non-uniformities of the polarizing magnetic field in a relatively small one, using a sample holder a sample to be examined containing volume in the air gap between the pole faces, and a Lock-on device, through which fluctuations in the strength of the polarizing field can be compensated and its measuring sensor with a reference sample holder likewise arranged between the pole faces a reference sample excited to nuclear magnetic resonance.

Die Anwendung von Kernresonanzgeräten zur Durchführung von qualitativen Analysen von Substanzen ist bekannt. Eine zu analysierende Probe wird in einem relativ starken polarisierenden Magnetfeld H\ angeordnet, welches von einem Magneten des Gerätes erzeugt wird. Ein magnetisches Wechselfeld Hi, v/elches senkrecht zu dem Feld Wi liegt, wirkt auf die Atomkerne der Probe und verursacht dadurch ein Präzession der Kerne. Wenn die Frequenz /des Feldes H₂ gleich der Larmorfrequenz ist, tritt eine feststellbare Kernresonanz auf. Die Feldstärke H\ und die Frequenz /sind durch eine Konstante miteinander verbunden, welche eine charakteristische Eigenschaft der Substanz ist und welche als gyromagnetisches Verhältnis bekannt ist. Die Probe kann dadurch identifiziert werden.The use of nuclear magnetic resonance devices for carrying out qualitative analyzes of substances is known. A sample to be analyzed is placed in a relatively strong polarizing magnetic field H \ , which is generated by a magnet of the device. An alternating magnetic field Hi, v / which is perpendicular to the field Wi, acts on the atomic nuclei of the sample and thereby causes the nuclei to precession. When the frequency / field H _{2 is} equal to the Larmor frequency, a detectable nuclear resonance occurs. The field strength H \ and the frequency / are linked by a constant, which is a characteristic property of the substance and which is known as the gyromagnetic ratio. The sample can thereby be identified.

Die Herstellung von kommerziellen Geräten, die nach diesen Prinzipien arbeiten, hat Verfeinerungen bei Kernresonanzgeräten erforderlich gemacht, um den gewünschten Grad von Genauigkeit bei der Probenid-ntifizierung sicherzustellen. Generell sollte das polarisierende Feld über relativ lange Zeiten stabil sein und eine Gleichförmigkeit in·der Feldstärke besitzen, die wenigstens gleich einem Teil in 10» ist. Bei dem Versuch diesen Forderungen zu genügen, sind Kernresonanzgeräte geschaffen worden, die sowohl eine Lock-on-Einrichtung besitzen, durch welche Schwankungen des polarisierenden Feldes mit der Zeit kompensiert werden können, als auch Homogenisierungsspulen zur Erhöhung der Gleichförmigkeit des polarisierenden Feldes in der Nähe der zu untersuchenden Probe. Die Lock-on-Einrichtung weist eine Referenzprobe auf, die in der Nähe der zu untersuchenden Probe in dem Feld H_x angeordnet ist und Mittel zur Erregung der Referenzprobe mit ihrer Larmorfrequenz, um eine Kernresonanz derselben hervorzurufen. Jede Schwankung der polarisierenden Feldstärke ist mit einer Abweichung von der Kernresonanz der Referenzprobe verbunden. Es ist eine Schaltung vorgesehen, die auf diese Abweichung anspricht und eine kompensierende Veränderung der Feldstärke H, oder der Erregerfrequenz bewirkt, um die Resonanz wiederherzustellen. Die vorerwähnten Homogenisierungsspulen bestehen aus einer Mehrzahl von relativ flachen Spulen, die in der Nähe der Polflächen des Magneten angeordnet sind und das polarisierende Feld in dem relativ kleinen Raumvolumen homogenisieren, welches von der zu untersuchenden Probe eingenommen wird. Diese bpulen sind vorzugsweise funktionell orthogonal zueinander, das heißt, daß die Einstellung des von einer der Spulen in der Nähe der zu untersuchenden Probe erzeugten Feldes nicht wesentlich den optimalen Wert des Feldes in der Nähe der zu untersuchenden Probe beeinflußt, welches gleichzeitig von einer anderen der Spulen erzeugt wird. Eine solche Anordnung ist in der DT-AS 11 07 824 beschrieben.The manufacture of commercial devices that operate on these principles has required refinements in nuclear magnetic resonance devices to ensure the desired level of accuracy in probing identification. In general, the polarizing field should be stable over relatively long times and have a uniformity in field strength which is at least equal to a part in 10 ». In an attempt to meet these requirements, nuclear magnetic resonance devices have been created which have both a lock-on device, through which fluctuations in the polarizing field can be compensated over time, and homogenizing coils to increase the uniformity of the polarizing field in the vicinity of the sample to be examined. The lock-on device has a reference sample which is arranged in the vicinity of the sample to be examined in the field H _x and means for exciting the reference sample with its Larmor frequency in order to induce a nuclear resonance of the same. Any fluctuation in the polarizing field strength is associated with a deviation from the nuclear magnetic resonance of the reference sample. A circuit is provided which responds to this deviation and causes a compensating change in the field strength H or the excitation frequency in order to restore the resonance. The aforementioned homogenization coils consist of a plurality of relatively flat coils which are arranged in the vicinity of the pole faces of the magnet and which homogenize the polarizing field in the relatively small volume of space occupied by the sample to be examined. These coils are preferably functionally orthogonal to one another, that is to say that the setting of the field generated by one of the coils in the vicinity of the sample to be examined does not significantly influence the optimal value of the field in the vicinity of the sample to be examined which is simultaneously used by another of the Coils is generated. Such an arrangement is described in DT-AS 11 07 824.

Durch die DT-AS 11 07 824 ist /ur Homogenisierung des Magnetfeldes am Ort der zu untersuchenden Probe auch schon eine Anordnung bekannt, bei welcher die Homogenisierungsspulen auf einen sphärischen Tragkörper aufgewickelt sind.Through the DT-AS 11 07 824 is / ur homogenization of the magnetic field at the location of the sample to be examined also known an arrangement in which the Homogenization coils are wound on a spherical support body.

Durch die DT-AS 11 07 824 ist weiterhin eine Lock-on-Vorrichtung bekannt, bei welcher das Magnetfeld im Bereich der bekannten Referenzprobe durch einen Satz von Homogenisierungsspulen homogenisiert wird, wodurch die Schärfe der Resonanz und damit die Genauigkeit der Magnetfeldregelung erhöht wird.From DT-AS 11 07 824 a lock-on device is also known in which the magnetic field homogenized in the area of the known reference sample by a set of homogenization coils which increases the sharpness of the resonance and thus the accuracy of the magnetic field control.

Die Homogenisierung des polarisierenden Feldes in der Nähe der zu untersuchenden Probe wird wie oben erwähnt bis zu einer Größenordnung von einem Teil in 10⁸ vorgenommen. Während diese Gleichförmigkeit in einem relativ kleinen Volumen erreicht wird, das in der Mitte des Luftspaltes liegt, so hat es sich doch gezeigt, daß die Feldinhomogenität in einigem Abstand vom Ort der zu untersuchenden Probe, wo man eine Referenzprobe anordnen will, bis auf ein Teil in 10" ansteigen kann. Zur Erhöhung der Lock-on-Empfindlichkeit und dementsprechend der Analysengenauigkeit ist es wünschenswert, die Inhomogenität des Feldes in der Nähe der besagten Referenzprobe bis auf wenigstens einen Teil in 10⁶ zu verringern. Es ist weiterThe homogenization of the polarizing field in the vicinity of the sample to be examined is carried out, as mentioned above, up to an order of magnitude of a part in 10 ⁸ . While this uniformity is achieved in a relatively small volume that lies in the middle of the air gap, it has been shown that the field inhomogeneity at some distance from the location of the sample to be examined, where one wants to place a reference sample, except for a part in 10 ". In order to increase the lock-on sensitivity and, accordingly, the accuracy of the analysis, it is desirable to reduce the inhomogeneity of the field in the vicinity of said reference sample to at least a part in 10 ^6. It is further

wünschenswert, diese erhöhte Gleichförmigkeit in der Nähe der Referenzprobe zu erhalten, während gleichzeitig das homogenisierte Feld in der Nähe der zu untersuchenden Probe im wesentlichen ungeändert gehalten wird.desirable this increased uniformity in the Proximity to the reference sample while at the same time keeping the homogenized field near to examined sample is kept essentially unchanged.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs definierten Art Feldhomogenisierungsmittel für eine Referenzprobe vorzusehen, welche das Feld im Bereich tier Referenzprobe homogenisieren, während sie gleichzeitig das homogenisierte Feld in der Nähe der zu untersuchenden Probe im wesentlichen unverändert lassen, und welche weiterhin bei der hierzu erforderlichen kompakten Anordnung der Feldhomogenisierungsmittel die Aufnahme der Referenzprobe gestatten, ohne daß die für die Homogenisierung erforderliche Anordnung der Wicklungen räumlich mit der Referenzprobe in Konflikt gerät.The invention is based on the object of providing field homogenization means in a device of the type defined at the outset to be provided for a reference sample, which is the field in the area of the animal reference sample homogenize while simultaneously applying the homogenized field in the vicinity of the sample to be examined leave essentially unchanged, and which continue with the compact required for this The arrangement of the field homogenization means allow the reference sample to be received without the for the arrangement of the windings required for homogenization spatially conflicts with the reference sample device.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Referenzprobenhalter einen sphärischen Tragkörper aufweist, der ein die Referenzprobe enthaltendes Probengefäß wenigstens teilweise umschließt und auf dessen Oberfläche in der Nähe der beiden durch die Achse der Referenzprobe vorgegebenen Pole jeweils ein Satz von drei kreisförmigen einander überlappenden Wicklungen angebracht ist. deren Achsen jeweils untereinander einen ersten Winkel und mit der Achse der Referenzprobe einen zweiten Winkel einschließen, so daß die von den Wicklungen erzeugten magnetischen Potentiale ein System orthogonaler Funktionen in Form von Linearkombinationen von Kugelfunktionen bilden.According to the invention, this object is achieved in that the reference sample holder is spherical Has support body which at least partially encloses a sample vessel containing the reference sample and on the surface thereof in the vicinity of the two given by the axis of the reference sample Poles each have a set of three circular overlapping windings attached. their axes each have a first angle with one another and with the axis of the reference sample Include a second angle, so that the magnetic potentials generated by the windings Form a system of orthogonal functions in the form of linear combinations of spherical functions.

Es hat sich gezeigt, daß bei einer solchen Anordnung keine Störung des Magnetfeldes am Orte der zu untersuchenden Probe durch den weiteren Satz von Homogenisierungsspulen erfolgt, die zur Homogenisierung des Magnetfeldes am Ort der Referenzprobe vorgesehen sind. Das liegt an dem sehr kompakten Aufbau der auf dem sphärischen Tragkörper als Homogenisierungsspulen angeordneten Wicklungen. Dieser kompakte Aufbau wird im Falle der Referenzprobe für die Lock-on-Einrichtung wiederum dadurch ermöglicht, daß keine Notwendigkeit für einen Probenwechsel besteht — anders als bei der zu untersuchenden Probe. Im Gegensatz zu den bekannten, auf einem sphärischen Tragkörper angeordneten Homogenisierungsspulen nach der DT-AS 11 07 824 gestattet die erfindungsgemäße Anordnung die Anordnung der ReFerenzprobe in einem durch den sphärischen Tragkörper hindurch sich erstreckenden Probengei'äß. ohne daß dieses Probengefäß den Verlauf der für die Homogenisierung erforderlichen Wicklungen stört.It has been shown that with such an arrangement there is no disturbance of the magnetic field at the location of the to The sample to be examined is carried out through the further set of homogenization coils that are used for homogenization of the magnetic field are provided at the location of the reference sample. This is due to the very compact Structure of the windings arranged as homogenizing coils on the spherical support body. In the case of the reference sample for the lock-on device, this compact structure is in turn made possible by this enables that there is no need to change the sample - unlike the one to be examined Sample. In contrast to the known homogenizing coils arranged on a spherical support body according to DT-AS 11 07 824, the arrangement according to the invention allows the arrangement of the Reference sample in a sample vessel extending through the spherical support body. without this sample vessel disturbing the course of the windings required for homogenization.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the drawings explained:

F i g. 1 zeigt teilweise in Blockform ein Kernresonanzgerät mit Homogenisierungsmittelr. für das polarisierende Magnetfeld und einer Vorrichtung zur Konstanthaltung dieses polarisierenden Magnetfeldes;F i g. 1 shows, partly in block form, a nuclear magnetic resonance device with homogenizing means. for the polarizing Magnetic field and a device for keeping this polarizing magnetic field constant;

F i g. 2 ist eine vereinfachte Draufsicht der Anordnung von F i g. 1 und zeigt eine spezielle räumliche Anordnung der zu untersuchenden Probe im Feld des Magneten von Fig. 1;F i g. Figure 2 is a simplified plan view of the assembly from F i g. 1 and shows a special spatial arrangement of the sample to be examined in the field of the Magnets of Fig. 1;

F i g. 3 zeigt einen Referenzpro'ienhaher zur Verwendung bei dem Gerät von F i g. 1 mit Homogenisierungsmitteln für das Feld an der Referenzprobe; F i g. Figure 3 shows a reference propeller for use in the device of FIG. 1 with homogenizing means for the field on the reference sample;

F i g. 4 ist eine schematische Darstellung der Oberfläche des Referenzprobenhalters mit einer Wicklung zur Erzeugung eines magnetischen Potentials in Form einer zonalen Kugelfunktion;F i g. Figure 4 is a schematic representation of the surface of the reference sample holder with a winding for it Generation of a magnetic potential in the form of a zonal spherical function;

F i g. 5 zeigt die Anordnung der Homogenisierungswicklungen, die auf der Oberfläche des Referenzpro^s benhalters von F i g. 3 angeordnet sind.F i g. 5 shows the arrangement of Homogenisierungswicklungen, the g on the surface of Referenzpro ^s benhalters of F i. 3 are arranged.

In Fig. 1 ist ein Kernresonanzgerät dargestelit, welches einen teilweise gezeichneten Permanentmagneten 10 mit Polflächen 12 und 14 aufweist, zwischen denen ein relativ starkes polarisierendes Feld H\ In Fig. 1, a nuclear magnetic resonance device is shown, which has a partially drawn permanent magnet 10 with pole faces 12 and 14, between which a relatively strong polarizing field H \

¹" erzeugt wird. Auf dem Magneten ist eine Korrekturfe!J-wicklung 15 angeordnet. Wie nachstehend im einzelnen beschrieben werden wird, kann diese Kor>-ekturfeldwicklung relativ schwache kompensierende Veränderungen der Stärke des polarisierenden Feldes erzeugen. ¹ is generated. "On the magnet is a Korrekturfe! J-winding 15 is disposed. As will be described in detail below, this may produce relatively weak Cor compensating changes in the strength of the polarizing field> -ekturfeldwicklung.

Das polarisierende Feld muß einen relativ hohen Grad von Gleichförmigkeit besitzen.The polarizing field must have a relatively high degree of uniformity.

Beispielsweise sind Abweichungen der Feldstärke in einer Größenordnung größer als ein Teil in 10^s unerwünscht. Um die gewünschte Gleichförmigkeit zu erhalten, sind Feldhomogenisierungsmittel vorgesehen. Diese Mittel bestehen aus flachen Homogenisierungsspulen J6 und J7, die an den Polflächen 12 und 14 angeordnet sind. Die Homogenisierungsspulen bestehen aus Scheiben, die eine Mehrzahl von gegeneinander isolierten Wicklungen von elektrischen Leitern aufweisen, die darauf angeordnet sind und im wesentlichen zueinander orthogonale Feldkomponenten erzeugen, um das Feld in einem gewünschten Punkt zwischen den Polflächen zu korrigieren. Eine spezielle Anordnung vc:i solchen Homogenisierungsspulen ist in der DT-AS 11 07 824 beschrieben. Die verschiedenen Leitungen, die von den Homogenisierungsspulen ausgehen und die generell mit 18 bezeichnet sind, sind über Potentiometer 22, 23, 24 und 25 mit einer Spannungsquelle 20 verbunden, derart, daß die Stärke und Richtung der in den Homogenisierungsspulen fließenden Ströme regelbar sind.For example, deviations in the field strength of an order of magnitude greater than a part in 10 ^{s are} undesirable. In order to obtain the desired uniformity, field homogenizing means are provided. These means consist of flat homogenizing coils J6 and J7 which are arranged on the pole faces 12 and 14. The homogenizing coils consist of disks which have a plurality of mutually insulated windings of electrical conductors which are arranged thereon and which produce field components which are essentially mutually orthogonal in order to correct the field at a desired point between the pole faces. A special arrangement vc: i of such homogenization coils is described in DT-AS 11 07 824. The various lines which extend from the homogenizing coils and which are generally designated by 18 are connected to a voltage source 20 via potentiometers 22, 23, 24 and 25 such that the strength and direction of the currents flowing in the homogenizing coils can be regulated.

Das Kernresonanzgerät weist weiterhin einen Probenhalter 26 für die zu untersuchende Probe auf, der zwischen den Polflächen 12 und 14 angeordnet ist und eine Probe einer unbekannten Substanz enthält, welche durch das Gerät identifiziert werden soll. I£s sind verschiedene Probenhalter für solche Geräte bekannt. Der Einfachheit der Darstellung halber ist der Probenhalter 26 als Reagenzglas dargestellt. Ein zweiter Probenhalter, der generell mit 28 bezeichnet ist, ist auch zwischen den Polflächen 12 und 14 angeordnet. Dieser letztere Probenhalter, welcher nachstehend im einzelnen beschrieben werden wird, bildet einen Teil einerThe nuclear magnetic resonance apparatus also has a sample holder 26 for the sample to be examined, the is arranged between the pole faces 12 and 14 and contains a sample of an unknown substance which should be identified by the device. Various specimen holders for such devices are known. For the sake of simplicity of illustration, the sample holder 26 is shown as a test tube. A second Sample holder, which is generally designated 28, is also arranged between the pole faces 12 and 14. This latter sample holder, which is detailed below will be described forms part of a

so Lock-on-Anordnung. Der Probenhalter 26 für die zu untersuchende Probe weist eine Geberspule 29 iuf, welche einen Zweig einer Brticker.schaltung 30 bildet. An die Schaltung 30 ist ein Hochfrequenzoszillator 31 mit veränderbarer Frequenz angeschaltet, welcher inso lock-on arrangement. The sample holder 26 for the sample to be examined has a transmitter coil 29 iuf, which forms a branch of a ticker circuit 30. A high-frequency oscillator 31 is connected to the circuit 30 switched on with a variable frequency, which in

ss einem Zeitintervall fi über einen Frequenzbereich hir.wegstreicht. Die der Schaltung 30' durch diesen Generator zugeführte Spannung bewirkt einen Stromfluß in der Spule 29, und dadurch wird ein zu dem Feld H\ senkrechtes Magnetfeld Hi erzeugt. Bei derss sweeps away a time interval fi over a frequency range. The voltage supplied to the circuit 30 'by this generator causes a current to flow in the coil 29, and thereby a magnetic field Hi perpendicular to the field H \ is generated. In the

fio Larmorfrequenz einer Probenkomponente zeigt die Probe in bekannter Weise Kernresonanz: und absorbiert Energie von der Geberspule 29. Dadurch wird die Brückenschaltung verstimmt. Diese Verstimmung wird von einer Detektor- und Verstärkerstufe 32 festgestelltfio Larmor frequency of a sample component shows the sample in a known way nuclear resonance: and absorbed Energy from the transmitter coil 29. This detunes the bridge circuit. This upset will detected by a detector and amplifier stage 32

6s und verstärkt. Registrierende Anzeigemittel 34, beispielsweise ein Schreibstreifen-Schreiber, sind vorgesehen und mit den Frequenzschwankungen des Oszillators 31 während des Zeitintervalls U durch elektrische6s and reinforced. Registering display means 34, for example a tape recorder, are provided and with the frequency fluctuations of the oscillator 31 during the time interval U by electrical

Signale von einer Synchronisierungsquelle 36 synchronisiert. Das registrierende Anzeigegerät liefert damit ein Spektrogramm, aus welchem die Bestandteile der Probe identifiziert werden können.Signals from a synchronization source 36 synchronized. The registering display device thus delivers a spectrogram from which the components of the Sample can be identified.

Wie vorstehend erwähnt, ist das polarisierende Feld Schwankungen unterworfen, und es ist eine Lock-on-Anordnung vorgesehen, um diese Schwankungen zu kompensieren. Der Lock-on-Bezugsprobenhalter 28 von F i g. 1 ist in F i g. 3 im einzelnen dargestellt. Er weist einen rohrförmigen Probenbehälter 39 auf, welcher an einem Ende geschlossen ist und eine Referenzprobe aufnimmt. Um den Probenbehälter 28 ist eine Geberspule 40 angeordnet. Diese Anordnung ist in einem Tragkörper 42 angeordnet und ragt durch diesen hindurch. Der Tragkörper 42 ist hohl und sphärisch und wird von zwei elektrisch isolierenden halbkugeligen Teilen 44 und 46 gebildet, welche an einer Fläche 47 miteinander verkittet sind. Die Halbkugeln weisen jede ausgeschnittene Segmente auf, welche die Aufnahme des rohrförmigen Probenbehällers 38 in der Kugel gestatten. Auf dem Tragkörper 42 sind Feldhomogenisierungsspulen vorgesehen, die nachstehend im einzelnen beschrieben werden. Der Tragkörper 42 ist in dem polarisierenden Feld in einer solchen Weise orientiert, daß ein Feld, welches von einem in der Geberspule 40 fließenden Strom erzeugt wird, senkrecht zu dem polarisierenden Feld verlauf¹.As mentioned above, the polarizing field is subject to fluctuations and a lock-on arrangement is provided to compensate for these fluctuations. The lock-on reference sample holder 28 of FIG. 1 is in FIG. 3 shown in detail. It has a tubular sample container 39 which is closed at one end and which holds a reference sample. A transmitter coil 40 is arranged around the sample container 28. This arrangement is arranged in a support body 42 and protrudes through it. The support body 42 is hollow and spherical and is formed by two electrically insulating hemispherical parts 44 and 46 which are cemented to one another on a surface 47. The hemispheres each have cut out segments that allow the tubular sample container 38 to be received within the sphere. Field homogenization coils, which are described in detail below, are provided on the support body 42. The support body 42 is oriented in the polarizing field in such a way that a field which is generated by a current flowing in the transmitter coil 40 runs perpendicular to the polarizing field ¹ .

Die Geberspule 40 ist als Teil einer Brückenschaltung 48 geschaltet. Von einem Oszillator 50 (F i g. 1) wird eine Hochfrequenzspannung mit der Larmorfrequenz der Referenzprobe abgenommen und der Brückenschaltung 48 zugeführt. Die Referenzprobe zeigt demgemäß Kernresonanz und absorbiert Energie von der Geberspule 40. Wenn Schwankungen in der Stärke des polarisierenden Feldes auftreten, wird weniger Energie absorbiert und die Brückenschaltung wird verstimmt. Diese Verstimmung wird von einer Stufe 52 festgestellt und verstärkt. Von der Stufe 52 wird ein Ausgangssignal proportional zu der Verstimmung einer Steuerstufe 54 für die Feidkonstanthaltung zugeführt. Die Ausgangsklemmen 56 und 58 dieser Stufe sind mit Klemmen 60 und 62 der Korrekturfeldwicklung 15 verbunden. Die Stufe 54 erzeugt einen Gleichstrom in der Wicklung 15. und die Stärke dieses Sitromes wird von einem vorgegebenen Sollwert nach Maßgabe der Abweichung von der Resonanz verändert, derart, daß die Kernresonanz der Referenzprobe wieder hergestellt wird.The transmitter coil 40 is connected as part of a bridge circuit 48. An oscillator 50 (FIG. 1) becomes a High frequency voltage with the Larmor frequency of the reference sample removed and the bridge circuit 48 supplied. The reference sample accordingly exhibits nuclear magnetic resonance and absorbs energy from the transmitter coil 40. When there are fluctuations in the strength of the polarizing field, there is less energy absorbed and the bridge circuit is detuned. This detuning is determined by a stage 52 and reinforced. An output signal from stage 52 is proportional to the detuning of a control stage 54 for keeping the field constant. The output terminals 56 and 58 of this stage are connected to terminals 60 and 62 of the correction field winding 15 are connected. The stage 54 generates a direct current in the winding 15. and the strength of this Sitromes is from a predetermined target value in accordance with the deviation changed by the resonance in such a way that the nuclear resonance of the reference sample is restored.

Wie in der DT-AS 11 07 824 beschrieben ist. hat das Feld im Mittelpunkt einer gedachten Kugel die Eigenschaft, daß der Lapiace-Operator des Feldpotentials Fverschwindet: Δ F=Q. Die Kugelfunktionen sind eine Gruppe von Funktionen, deren Laplacc-Opcraior verschwindet und von denen jede einen Beitrag zu dem Feld im Kugelmiltelpunkt darstellt. Indem man Korrekturfelder erzeugt, die auch durch Kugeifunktionen dargestellt werden können, kann die Feldgleichförmigkcit inr.crhslb der Ku™s! "srs"e!t werden. Das Feld welches Kugelfunktionen darstellt, kann mit guter Näherung angenähert werden durch einen Strom, der auf der Oberfläche einer Kugel und längs eines Ortes fließt, in welchen die Funktion verschwindet, das heißt, wo die Funktion gleich Null ist. Die hauptsächlich interessierenden Kugelfunktionen sind:As described in DT-AS 11 07 824. the field in the center of an imaginary sphere has the property that the Lapiace operator of the field potential F vanishes: Δ F = Q. The spherical functions are a group of functions whose Laplacc opcraior vanishes and each of which makes a contribution to the field in the spherical center point. By generating correction fields that can also be represented by spherical functions, the field uniformity inr.crhslb of the Ku ™ s! be "srs" e! t. The field which represents spherical functions can be approximated to a good approximation by a current flowing on the surface of a sphere and along a place in which the function disappears, that is, where the function is equal to zero. The main spherical functions of interest are:

Zonale 2r - \² - r. (11Zonal 2r - \ ² - r. (11

Erste Tcsserale χ ■ ζ . (2|First tcsserals χ ■ ζ. (2 |

Zweite Tesserale y ■ ζ . ι3ιSecond tesseral y ■ ζ. ι3ι

Der Ort auf der Kugel, wo diese Funktionen verschwinden, beschreibt eine Anordnung der gewünschten Wicklungen. Dieser Satz von Wicklungen ist orthogonal in dem Sinne, daß das Integral des Produktes der Ableitungen nach z, welches als Richtung des Hauptfeldes angenommen wird, von jeweils zwei dieser Kugelfunktionen über eine Kugel mit dem Mittelpunkt im Koordinatenursprung verschwindet Außerdem ist dieser Satz halb vollständig in dem Sinne, daß jede magnetische Inhomogenität, die durch eine zonale oder tesserale Kugelfunktion von zweitem Grade beschrieben wird mittels dieses Spulensatzes korngiert werden kann, während sektoriale Inhomogenitäten so nicht korrigiert werden können. Das NichtVorhandensein einer sektorialen Korrektur ist jedoch im allgemeinen nicht wichtig, da die magnetischen Komponenten, die diesen sektorialen Kugelfunktionen entsprechen, senkrecht zu dem Hauptfeld liegen und dieses nur quadratisch beeinflussen.The place on the sphere where these functions disappear describes an arrangement of the desired windings. This set of windings is orthogonal in the sense that the integral of the product of the derivatives with respect to z, which is assumed to be the direction of the main field, of every two of these spherical functions vanishes over a sphere with the center at the coordinate origin.In addition, this set is half complete in the Meaning that every magnetic inhomogeneity that is described by a zonal or tesseral spherical function of the second degree can be corrected by means of this coil set, while sectorial inhomogeneities cannot be corrected in this way. However, the absence of a sectorial correction is generally not important, since the magnetic components which correspond to these sectorial spherical functions are perpendicular to the main field and only have a quadratic effect on it.

Die Wicklung von F i g. 4 stellt den Ort dar, wo die Kugelfunktion gemäß Ausdruck 1 verschwindet, wenn der Abstand zwischen den zwei symmetrischen Spulen 64 und 66 Dl | 3 ist, wo D der Kugeldurchmesssr ist. Andererseits erzeugt sie keine zonalen Kugelfunktionen vom 4. Grade, wenn die beiden Schleifen 64 und 66 in einem Abstand gleich ['3/7 D voneinander angeordnet sind. Wicklungen, welche die Orte darstellen, wo die Kugelfunktionen der Gleichungen 2 und 3 verschwinden, würden jedoch jeweils tesserale Kugelfunktionen vom 4. Grade erzeugen.The winding of Fig. 4 shows the location where the spherical function according to Expression 1 disappears when the distance between the two symmetrical coils 64 and 66 Dl | 3 is where D is the ball diameter r. On the other hand, it does not produce any zonal spherical functions of the 4th degree if the two loops 64 and 66 are arranged at a distance equal to [3/7 D from each other. However, windings, which represent the locations where the spherical functions of equations 2 and 3 vanish, would each produce tesseral spherical functions of 4th degree.

F'g. 5 stellt die Homogenisierungswicklungen auf der Kugel dar, welche vorteilhafterweise die Erzeugung von zonalen Komponenten vom 4. Grade und tesseralen Komponenten vom 4. Grade vermeidet.F'g. 5 illustrates the homogenization windings on the ball, which advantageously generate of zonal components of the 4th degree and tesseral components of the 4th degree avoids.

Diese Anordnung benutzt die Vorteile, die in der Wicklungsgestalt von Fig.4 liegen. Wie vorstehend angegeben, erzeugt eine Leiteranordnung der Art von F i g. 4 nicht von selbst Kugelfunktionen vom 4. Grade, welche die Erzielung einer geeigneten Feldhomogenität innerhalb der Kugel beeinträchtigen können. In Fig. 5 ist ein Satz von drei gegeneinander isolierten Wicklungen nach Art von Fig.4 (d.h. 2z²-x²-y²) vorgesehen und symmetrisch um die Z-Achse angeordnet und gegenüber dieser um einen Winkel Φ versetzt. Jede dieser Achsen sind gegeneinander um einen Winkel θ versetzt und die Einzelheiten der Verbindungen, die in F i g. 4 dargestellt sind, sind weggelassen worden, um die Figur zu vereinfachen. Wenn ein Paar von Wicklungsspulen, wie sie in Fig.4 dargestellt sind, mit seinei Achse um einen Winkel Φ gegen die Z-Achse auf die X-Achse hin geneigt ist, so zeigt eine einfache Änderung der Koordinaten, daß die zonale KugelfunktioR diese: verschwenkten Paares die Form besitzt:This arrangement uses the advantages inherent in the winding configuration of FIG. As indicated above, a ladder arrangement of the type shown in FIG. 4 not automatically spherical functions of the 4th degree, which can impair the achievement of a suitable field homogeneity within the sphere. In Fig. 5 a set of three mutually insulated windings according to the type of Fig. ⁴ (ie 2z 2 -x ² -y ² ) is provided and arranged symmetrically about the Z-axis and offset from this by an angle Φ. Each of these axes are offset from one another by an angle θ and the details of the connections are shown in FIG. 4 have been omitted to simplify the figure. If a pair of winding coils, as shown in Fig. 4, is inclined with its axis at an angle Φ against the Z-axis towards the X-axis, a simple change in the coordinates shows that the zonal spherical function is as follows: pivoted pair has the form:

ss (2 3 cos² ss (2 3 cos ²

f (3 cos² Φ - 1 j ζ² + 3 sin 2Φ- ζ f (3 cos ² Φ - 1 j ζ ² + 3 sin 2Φ- ζ

In ähnlicher Weise ist. wenn ein zweites Paar vor Wicklungsspuien in die Stellung gebracht ist, di( erhalten wird, indem das erste Paar um 120° um di( Z-Achse verdreht wird, die von dem zweiten Paa erzeugte Kugelfunktion von der Form:In a similar way it is. if a second pair is brought into the position before winding spools, di ( is obtained by rotating the first pair by 120 ° about di (Z-axis that of the second Paa generated spherical function of the form:

14(1 +3 cos² Φ)χ² + 1/4 (9 cos² Φ - 5) r 14 (1 +3 cos ² Φ) χ ² + 1/4 (9 cos ² Φ - 5) r

+ 1-4(1 3 cos² Φ) z² + 3/2 sin² Φ ■ ζ Die Ableitungen dieser beiden Kugelfunktionen nac+ 1-4 (1 3 cos ² Φ) z ² + 3/2 sin ² Φ ■ ζ The derivatives of these two spherical functions nac

\: ergeben die Stärke des Korrekturfeldes., welches in :1er Z-Richtung erzeugt wird und sind jeweiis: \: result in the strength of the correction field., which is generated in: 1st Z-direction and are each:

ß_r, = 2 (3 cos² Φ - 1) ζ + 3 sin²'/' \.
ß_₂ = 2 (1 3 cos² Φ) : + 32 sin 2 </' ..ß _r , = 2 (3 cos ² Φ - 1) ζ + 3 sin ² '/' \.
ß_ ₂ = 2 (1 3 cos ² Φ) : + 32 sin 2 </ '..

Wenn man über eine mit dem Mittelpunkt im Koordinatenursprung liegende Kugel mittelt, so hat das Produkt ß,i · S^die Form:If one averages over a sphere with the center in the coordinate origin, then that has Product ß, i S ^ the form:

-4(1—3 cos² Φ)² + 9 2 sin² 2 Φ =
— 4 + 42 cos² '/' — 54 cos⁴ Φ
und verschwindet, wenn entweder-4 (1—3 cos ² Φ) ² + 9 2 sin ² 2 Φ =
- 4 + 42 cos ² '/' - 54 cos ⁴ Φ
and disappears when either

cos Φ = , 2'3 Φ = 35,26
cos Φ - \ 1⁷3 '/' = 70.53cos Φ =, 2'3 Φ = 35.26
cos Φ - \ 1 ⁷ 3 '/' = 70.53

Für diese beiden Fälle hat der Winkel Θ, zwischen den Achsen der beiden Spulenpaare, jeweils die WerteFor both of these cases the angle Θ, between the Axes of the two pairs of coils, the values in each case

(-> - 60 .
(-> = 109.47 (-> - 60.
(-> = 109.47

Wenn nun diese Spulenpaare symmetrisch um die Z-Achse angeordnet sind, wobei ihre Achsen Winkel von 35,26° mit der Z-Achse bilden und Winkel von 60° miteinander, so sind die Einstellungen der Stromstärken, die in diesen Spulen fließen, im wesentlichen voneinander unabhängig, wenn sie eine Feldinhomogenität erzeugen. Der Spulensatz von F i g. 5, welcher die drei zueinander orthogonalen Spulen enthält, von denen Kombinationen mit geeigneten Gewichten jede Kombination von tesseralen Kugelfunktionen vom 2. Grade erzeugen können, ist daher halbvollständig in dem oben definierten Sinne. Außer der Eigenschaft, keine Kugelfunktionen vom 1. Grade zu erzeugen, hat diese Anordnung den weiteren Vorteil, daß sie eine nur geringfügig behinderte Halterung eines die Probe aufnehmenden Behälters gestatten, dessen Durchmesser gering zum Durchmesser der Kugel ist.If these coil pairs are now arranged symmetrically about the Z-axis, their axes forming an angle of 35.26 ° with the Z-axis and an angle of 60 ° with one another, then the settings of the current intensities that flow in these coils are essentially independent of each other if they create a field inhomogeneity. The coil set of FIG. 5, which contains the three mutually orthogonal coils, combinations of which with suitable weights can produce any combination of tesseral spherical functions of the 2nd degree, is therefore semi-complete in the sense defined above. In addition to the property of not generating any spherical functions of the 1st degree, this arrangement has the further advantage that it allows only a slightly obstructed holding of a container holding the sample, the diameter of which is small compared to the diameter of the sphere.

In Fig. 5 ist wie gesagt, jede der einzelnen Wicklungen der Übersichtlichkeit halber als ein PaarIn Fig. 5, as said, each of the individual Windings as a pair for the sake of clarity

ίο von gleichachsigen, kreisförmigen Windungen dargestellt. In der Praxis hat jede der Wicklungen die Form von Fig.4 mit einem Paar von Anschlußklemmen. Die (in Fig. 5 nicht dargestellten) Anschlußklemmen der ersten dieser Wicklungen sind wie in Fig.4 mit 68, 70, die Anschlußklemmen der zweiten Wicklung sind mit 83 und 85 und die Anschlußklemmen der dritten Wicklung mit 87 und 89 bezeichnet. Diese Anschlußklemmen erscheinen in Fig. 1.ίο represented by equiaxed, circular windings. In practice each of the windings has the form of Figure 4 with a pair of terminals. the (not shown in Fig. 5) terminals of the first of these windings are as in Fig. 4 with 68, 70, the terminals of the second winding are 83 and 85 and the terminals of the third winding denoted by 87 and 89. These terminals appear in FIG. 1.

Die Anschlußklemme 68 und 70 der einen Wicklung von F i g. 5 sind mit einem Mittelabgriff zwischen einem Paar von Batterien 76 und 77 in F i g. 1 und mit einem einstellbaren Schleifer eines Potentiometers 78 verbunden. Die Gleichspannung, die an diesem Potentiometer von der Batterie angelegt wird, erzeugt einen StromflußTerminal 68 and 70 of one winding of FIG. 5 are with a center tap between one Pair of batteries 76 and 77 in FIG. 1 and connected to an adjustable wiper of a potentiometer 78. The DC voltage that is applied to this potentiometer by the battery creates a current flow

is in der Wicklung und die Einstellung des Schleifers des Potentiometers 78 verändert sowohl die Größe als auch die Richtung des Stromes in der zonalen Spule. In ähnlicher Weise sind die Klemmen 83 und 85 sowie 87 und 89 der anderen Wicklungen mit dem gemeinsamenis in the winding and the setting of the slider of the Potentiometer 78 changes both the magnitude and direction of the current in the zonal coil. In similarly, terminals 83 and 85 and 87 and 89 of the other windings are common to the

ic Abgriff zwischen den Batterien 76 und 77 und mit einem einstellbaren Schleifer eines Potentiometers 79 bzw. mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen den Batterien 76 und 77 und einem einstellbaren Schleifer an einem Potentiometer 80 verbunden. Da diese Homoge-ic tap between batteries 76 and 77 and with one adjustable wiper of a potentiometer 79 or with the common connection point between the Batteries 76 and 77 and an adjustable wiper connected to a potentiometer 80. Since this homogeneous

.15 nisierungswicklungen sehr nahe an der Referenzprobe liegen, ist die Stärke des in diesen Wicklungen fließenden Stromes relauv gering und Störungen des homogenisierenden Feldes in der Nahe der zl untersuchenden Probe sind demgemäß gering..15 nization windings are very close to the reference sample, is the strength of the in these windings flowing current relatively low and disturbances of the homogenizing field in the vicinity of the zl investigating sample are accordingly low.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

709 619/4709 619/4

Claims

Claim:

Device for keeping the polarizing magnetic field constant in a nuclear magnetic resonance device> with a magnet for generating a strong polarizing magnetic field between two opposing pole faces, a set of homogenizing coils for homogenizing irregularities of the polarizing magnetic field in a relatively small volume containing a sample holder with a sample to be examined Air gap between the pole faces and a lock-on device, by means of which fluctuations in the strength of the polarizing field can be compensated and whose measuring sensor has a reference sample holder also arranged between the pole faces with a reference sample excited to nuclear magnetic resonance, characterized in that the reference sample holder has a spherical support body (42) which at least partially encloses a sample vessel (36) containing the reference sample and on its surface in the vicinity of the two by the axis de A set of three circular overlapping windings is attached to each of the poles given for the reference sample, the axes of which form a first angle (Θ) with one another and a second angle (Φ) with the axis of the reference sample, so that the magnetic potentials generated by the windings Form a system of orthogonal functions in the form of linear combinations of spherical functions.