DE1673244A1 - Spektrometer fuer magnetische Kernresonanz mit doppelt abgestimmten Spulensystemen - Google Patents

Description

Patentanwalt PATENTANWALT Pr. CLAUS REINLANDER

DIPL.-ING. H. KLAUS BERNHARDT V1 P104 I)

8000 MÜNCHEN 23 ■ MAINZERSTR.5

VARIAN ASSOCIATES
PaIo Altο / California

Spektrometer für magnetische Kernresonanz mit doppelt abgestimmten Spulensystemen

Priorität: 14·. Februar 1966 - Vereinigte Staaten Ser.No. 527,311

Die Erfindung betrifft allgemein Spulenschaltungen für Spektrometer für magnetische Kernresonanz, und insbesondere eine verbesserte Spulenschaltung für die Sonde, bei der die Hochfrequenzspule einem doppelt abgestimmten Kreis gemeinsam ist, der auf die getrennten Resonanzfrequenzen unterschiedlicher Kernarten in einem gemeinsamen oder fast gemeinsamen ProbenvoTumen abgestimmt ist. Ein Spektrometer mit erfindungsgemäß doppelt abgestimmtem Spulensystem ist besonders brauchbar zur Beobachtung der sehr schwachen Resonanzen von C -Kernen oder N -Kernen über einen abgestimm-

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ten Kanal, während der andere abgestimmte Kanal dazu verwendet wird, die Resonanzbedingung des Spektrometers über die Resonanz eines anderen Kernes zu beobachten, beispielsweise

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F ■-Kerne oder H -Kerne, wobei beide Kanäle mit einer gemeinsamen Spule in der Sonde arbeiten, mit der die Resonanz unterschiedlicher Kerne bei unterschiedlichen Frequenzen erregt und festgestellt wird, die Erfindung ist allerdings hierauf nicht beschränkt. Eine solche doppelt abgestimmte Spulenschaltung ermöglicht eine bessere Empfindlichkeit des Spektrometers, während gleichzeitig die gute Kontrolle und Stabilität erreicht werden kann, die mit einer internen Bezugsprobe oder Kontrollgruppe von Kernen erzielt werden kann.

Es ist bereits bei einem Spektrometer für magnetische Kernresonanz mit einer internen Kontroll-Kerngruppe bekannt, eine gemeinsame Spulenstruktur für die Analyse- und Kontrollkanäle des Spektrometers zu verwenden. Ein solches Spektrometer ist in der U.S.-Patentschrift 3,085,195 beschrieben. Bei diesem bekannten Spektrometer wurde angenommen, daß das Kreuzspulensystem der Sonde ein einziger abgestimmter Kreis mit ausreichender Bandbreite sei, um Signale bei den Resonanzfrequenzen der Kontroll- und Probenkerne hindurchzulassen, beispielsweise von F -Kernen als Kontrolle und H Kernen als Probe, wo die Resonanzfrequenzen bei 56 MHz bzw. 60 MHz liegen. Ein solches System ist ausreichend empfind-

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lieh, um Resonanzen von F -Kernen und H -Kernen festzu-

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stellen, wenn aber Resonanzen von C -Kernen oder N -Kernen in der Probe festgestellt werden, deren Frequenzen beispieleweise bei 15 MHz bzw. 6 MHz liegen, wird.eine höhere Empfindlichkeit erforderlich, wenn eine kräftige Kontrollgruppe

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aus F -Kernen oder H -Kernen im Kontrollkanal mit 56 MHz bzw. 60 MHz benutzt wird.

Erfindungsgemäß bildet eine Spule der Sonde, die zum Erregen und/oder Feststellen von Kernresonanzen der unterschiedlichen Proben- und Kontroll-Kerne bei erheblich unterschiedlichen Frequenzen verwendet wird, und die den Analyse- und Kontrollkanälen des Spektrometers gemeinsam ist, einen Teil eines doppelt abgestimmten Kreises, der auf die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Proben- und Kontroll-Kerngruppen abgestimmt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Sonde einen Kreuzspulensatz von getrennten Sender- und Empfängerepulen auf, und diese getrennten Spulen sind jeweils Teil getrennter doppelt abgestimmter Sender- bzw. Empfängerkreise, wodurch die Empfindlichkeit des Spektrometers für die Proben-Kerngruppe optimal gestaltet wird. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht die gemeinsame Spule der Sonde aus einer einzigen kombinierten Sender- und Empfänger-Spulenstruktur, die Teil eines doppelt abgestimmten kombinierten Sender-

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und Empfängerkreises bildet, so daß die Sondenstruktur vereinfacht wird, um die Herstellung zu vereinfachen, wenn auch eine geringfügige Verschlechterung der Empfindlichkeit des Probenanalysekanals des Spektrometers in Kauf genommen wird. Bei einer dritten Ausführungsform ist eine Senderspule eines Kreuzspulensatzes mit dem Spektrometersender gekoppelt, und die zweite Spule bildet die gemeinsame Spule, die doppelt abgestimmt ist, so daß sie bei einer Frequenz mit dem Spektrometerempfänger und bei einer anderen Frequenz mit dem kombinierten Sender und Empfänger eines Kontrollsystems koppelt. Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sowohl die Einfach- als auch die Doppelspulen-Ausführungsformen mit üblichen Doppel- und Einfach-Spulensondenkonstruktionen arbeiten. Darüber hinaus kann die doppelt abgestimmte Schaltung außerhalb der Sonde in einem getrennten Schaltungskasten untergebracht werden, der mit der üblichen Sonde verbunden wird. Auf diese Weise können viele jetzt in Gebrauch befindliche Spektrometer leicht an Ort und Stelle modifiziert werden, um die Vorteile der besseren Empfindlichkeit und Stabilität auszunutzen, die durch die Verwendung einer internen Kontroll-Kerngruppe gemäß der Erfinaung erreichbar werden.

Durch die Erfindung soll also ein verbessertes Spektrometer für magnetische Kernresonanz verfügbar gemacht werden.

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Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine Spulenstruktur verwendet wird, die sowohl dem Probenanalysekanal als auch einem Kontrollkanal des Spektrometer zum Erregen und Feststellen von magnetischen Kernresonanzen einer Probe gemeinsam ist, wobei die gemeinsame Spulenstruktur einen Teil eines doppelt abgestimmten Kreises bildet, der zur Resonanz bei den merklich unterschiedlichen Frequenzen der zu beobachtenden Probenkerne und der Kontroll-Kerngruppe abgestimmt ist, so daß die Empfindlichkeit des Spektrometers verbessert wird.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung besteht die gemeinsame Spulenstruktur aus getrennten Sender- und Empfängerspulen, wobei jede Spule einen Teil von zwei getrennten doppelt abgestimmten Sender- und Empfängerkreisen bildet, ao daß die Empfindlichkeit des Spektrometers optimal wird.

Bei einer anderen Ausführungsform besteht die gemeinsame Spulenstruktur aus einer einzigen kombinierten Sender- und Empfängerspule, die einen Teil eines doppelt abgestimmten Kreises bildet, so daß die Sondenstruktur sehr einfach wird. Bei einer weiteren speziellen Ausführungsform ist die gemeinsame Spule auch die Empfängerspule eines Kreuzspulensystems mit getrennter Senderspule für den Analysekanal.

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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine der verschiedenen Frequenzen des doppelt abgestimmten Kreises gleich der Kernresonanz-Frequenz einer Probe aus C -Kernen

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oder Ii -Kernen, und entspricht die andere Frequenz der

1Q Kernresonanz-Frequenz der Kontrollprobe aus F -Kernen oder H -Kernen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit aer Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 ein schematisch.es Schaltbild der Sondenspule der doppelt abgestimmten Kontroll-und Analyse-Kreis-Kanäle eines Spektrometers für magnetische Kernresonanz mit Merkmalen nach der Erfindung;

Figuren 2 und 3 Varianten von Teilen der Schaltung nach Fig. 1;

Figuren 4 und 4-a abweichende Ausführungsformen der Schaltung nach Fig. 1; und

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Kernresonanz-Spektrometers mit Merkmalen der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Kreuzspulensonüe 1 mit einer gemeinsamen Hochfrequenzspule für die Kontroll- und Analysekanäle eines Spektrometers für magnetische Kernresonanz dargestellt.

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Me Sonde 1 weist einen rechteckigen metallischen blockförinigen Körper 2, beispielsweise aus Aluminium, auf, der mit Phantomlinien 2 angedeutet ist. Der Sondenkörper 2 ist hohl, um einen hohlzylindrischen Probenbehälter oder eine Phiole, beispielsweise aus Pyrex, aufzunehmen. Die Phiole 3 wird koaxial in eine Anzahl ineinander geschachtelter hohlzylinirischer dielektrischer Spulenformen (nicht dargestellt) . eingesetzt, die beispielsweise aus Pyrex mit 1 mm Wanddicke ^ bestehen. Eine nicht dargestellte Luftturbine ist mit der Phiole 3 gekuppelt, so daß sie um ihre Längsachse in Drehung versetzt werden kann, wie durch einen Pfeil angedeutet, und zwar mit hohen Drehzahlen von beispielsweise 3000 U/min, um gewisse Magnetfeldgradienten innerhalb des Probenvolumens auszumitteln.

Eine Probe zu untersuchenden Materials, die Kerne bestimm-

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ter Art enthält, beispielsweise C -Kerne oder N -Kerne, wird in aie Phiole 3 gebracht. Auch eine Bezugs- oder Kon- M troll-Materialprobe, die Kerne einer zweiten Art enthält, und die vorzugsweise durch eine relativ starke magnetische Kernresonanzlinie gekennzeichnet ist, beispielsweise die Protonen (H ) von i'etramethylsilan oder eine einzelne i¹ Resonanz wird innerhalb der Phiole 3 vorgesehen, um damit eine interne Bezugs- oder Kontroll-Kerngruppe zu schaffen. Die Bezugsprobe liefert eine kräftige magnetische Resonanzlinie zur Kontrolle eier magnetischen Resonanzbedingungen,

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wie Frequenz, Magnetfeldstärke oder Homogenität des Polarisationsfeldes in üblicher Weise, wie in der U.S.-Patentschrift 3,085,195 oder der älteren Anmeldung V 28 500 IXb/ 42 1 der Anmelderin beschrieben.

Die interne Bezugsprobe kann zweckmäßig mit der zu analysierenden Probe in einigen Fällen gemischt werden, und in anderen Fällen kann die Phiole 3 in konzentrische Unterteilungen unterteilt werden, die die beiden Materialproben getrennt enthalten. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll unter "interner Bezugsprobe" verstanden werden, daß die festgestellte Resonanz der Kontrollgruppe und die der Proben- oder Analysengruppe von einem gemeinsamen oder fast gemeinsamen Raumbereich, beispielsweise benachbarten Raumbereichen, erhalten werden. Auf diese Weise sind beide Gruppen den gleichen Resonanzbedingungen des hochfrequenten und des Polarisations-Magnetfeldes unterworfen, so daß die Bezugsgruppe tatsächlich die wirklichen Resonanzbedingungen im Bereich der zu untersuchenden Probe fühlt und kontrolliert.

Die Sonde enthält ein gemeinsames Kreuzspulensystem zum Erregen und Feststellen von magnetischen Kernresonanzen der Kontroll- und Analysen-Kerngruppe in der Probenphiole 3. Das Kreuzspulensystem weist eine Senderspule 8 und eine

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Empfangerspule 9 auf. Die Achsen der Spulen 8 und 9, die X- bzw. Y-Achsen, liegen vorzugsweise rechtwinklig zur Richtung des angelegten statischen magnetischen Polarisationsfeldes H , der Z-Achse. Die Senderspule 8 ist. mit rechtwinklig zur Achse der Empfängerspule 9 gerichteter Achse dargestellt, diese beiden Achsen können Jedoch auch parallel liegen, und beide rechtwinklig zum Polarisationsfeld H .

Die S_enderspule 8 ist in üblicher Form aufgebaut und besteht aus zwei rechteckigen Spulensegmenten, die magnetisch gleichsinnig hintereinander geschaltet sind. Jedes Spulensegment hat beispielsweise sechs Windungen aus isoliertem Draht, die mit Epoxy-Kleber mit der zylindrischen Außenseite der äußeren, nicht dargestellten Spulenform verbunden sind und

15 mit dieser gekrümmt sind. Zur Analyse von ¥ -Kernen bei 6 MHz hat die Senderspule 8 beispielsweise einen Durchmesser von 22 mm (X-Richtung) und eine länge von 28 mm (Y-Richtung). Jedes rechteckige Spulensegment ist vorzugsweise koaxial längs der X-Achse ausgerichtet, um eine Spulenachse rechtwinklig zur Richtung der Z-Achse zu definieren, der Achse des magnetischen Polarisationsfeldes H . Die Senderspule 8 wird dazu verwendet, ein magnetisches Wechselfeld H₁ anzulegen, dessen Frequenzen der Resonanzfrequenz der Kontroll-Kerne und der Resonanzfrequenz der zu analysierenden Kerne entsprechen^. Vorzugsweise wird die Spule optimal

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für die Analysenfrequenz bemessen, weil normalerweise die Signalstärke der zu analysierenden Kerne erheblich kleiner ist als die Signalstärke von den Kontrollkernen.

Die Senderspule 8 bildet eine Spulenstruktur, die dem Kontrollund dem Analyse-Kreis-Kanal des Spektrometers gemeinsam ist, und insbesondere den Kontroll- und Analysekanälen der Zweikanal-Senderschaltung 10. Die Zweikanal-Sender schaltung, die die gemeinsame Senderspule 8 enthält, weist eine erste niederfrequent abgestimmte Schleife NF auf, die aus einer Reihenschaltung der Senderspule 8, Hochfrequenzsperre 11, variablem Kondensator 12 und festem Kondensator 13 besteht, und eine zweite, hochfrequent abgestimmte Schleife HF, die aus einer Reihenschaltung der Senderspule 8, einer Induktivität 17, einem variablen Kondensator 18 und einem festen Kondensator 19 besteht.

Die niederfrequent abgestimmte Schleife NP ist in Reihenresonanz auf die Frequenz der zu analysierenden Kerne abgestimmt, indem die Induktivität der Spule 8 mit dem variablen Kondensator 12 von beispielsweise 100-150 ρ.ϊ. in Resonanz gebracht wird. Die Sperre 11 besteht aus einer Parallelschaltung einer Induktivität 14 von beispielsweise 1 Mikrohenry und Kondensator 15 von beispielsweise 1,5-7 p.F., der bei der höheren Frequenz in Resonanz ist, die der

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Kernresonanz der Kontrollkerne entspricht, normalerweise H¹-Kerne oder F^-Kerne bei 60 bzw. 56 MHz. Der feste Kondensator 13 von beispielsweise 1000 p.F. bildet einen Wechselspannungsteiler mit dem Kondensator 12, um die Niederfrequenzschleife N.F. an die Ausgangsimpedanz von beispielsweise 1000 0hm eines Niederfrequenzsenders, nicht dargestellt, anzupassen, der im Analysekanal an Klemme 16 und Erde angeschlossen ist .

Die hochfrequent abgestimmte Schleife H.P. liegt parallel mit der Niederfrequenzschleife h.JP. Die Hochfrequenzschleife H.F. ist bei der üblicherweise höheren Resonanzfrequenz der

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Kontrollkerne, beispielsweise H -Kerne oder P -Kerne bei 60 MHz bzw. 56 MHz in einem Polarisationsfeld H_Q von 14 kG in Resonanz. Insbesondere kann die Senderspule 8, die optimal für die niedere Frequenz des Analysekanals gestaltet ist, eine kapazitive Impedanz durch die Streukapazität zwischen benachbarten Windungen der Spule 8 bei der höheren Frequenz des Kontrollkanals aufweisen. Diese Streukapazität ist durch die in Reihe liegende Induktivität von beispielsweise 1 Mikrohenry überkompensiert, so daß insgesamt bei der Resonanzfrequenz der Kontrollkerne eine Induktivität dargeboten wird. Diese Gesamt-Induktivität befindet sich dann in Reihenresonanz mit dem veränderlichen Kondensator 18 von beispielsweise 1,5 - 7 p«F·» so daß die Reihenresonanzschleife H.F. gebildet wird. Der feste Kondensator

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von beispieleweise 50 p.F. bildet einen Wechselsßannungsteiler in der Schleife H.P., um die Hochfrequenzschleife H.P. an die Ausgangβimpedanz von beispielsweise 100 Ohm eines Hochfrequenz-Kontrollkanal-Senders anzupassen, nicht dargestellt, der über Klemme 21 und Erde an die Hochfrequenzschleife angeschlossen ist.

In gleicher Weise bildet die Empfängerspule 9 eine dem Kontroll- und dem Analyse-Kanal des Spektrometers gemeinsame Spule, insbesondere ist sie beiden Kanälen der Zweikanal-Empfängerschaltung 25 gemeinsam.

Die Empfängerspule 9 des Kreuzspulensystems ist in üblicher Weise aufgebaut und besteht beispielsweise aus 10 bis 20 Windungen isoliertem Draht, der koaxial auf die zylindrische Außenseite der nicht dargestellten innersten Spulenform aufgewickelt und wie diese gekrümmt ist. In einem typischen Ausführungsbeispiel hat die Empfängerspule 9 einen Durchmesser von 12 mm und eine Länge von 12 mm. Die Empfängerspule 9 definiert eine Achse parallel zur Y-Achse und senkrecht sowohl zur Eichtung des magnetischen Polarisationsfeldes H (Z-Achse) und der Achse der Senderspule 8 (X-Achse).

In derselben Weise wie die Senderschaltung 10 enthält die Empfängerschaltung 25 zwei Kreisschleifen, eine Hochfrequenz-Kontrollschleife H.P. und eine Niederfrequenz-Analysesehlei-

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fe N.F., wobei die Empfangerspule 9 beiden Schleifen gemeinsam ist. Die doppelt abgestimmten Sender- und Empfänger-Kreise sind im wesentlichen identisch, die Impedanzanpassung unterscheidet sich jedoch in gewisser Weise. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung äquivalenter Schaltelemente in beiden Schaltungen verwendet worden.

In der Hochfrequenz-Empfängerschleife H.i¹. hat der Kondensator 19 beispielsweise 50 p.F., um die Hochfrequenz-Schleife H.?. an die Eingangsimpedanz von beispielsweise 1000 Ohm des nicht dargestellten Hochfrequenzempfängers anzupassen, der an Klemme 26 und Erde an die Schleife H.I*. angeschlossen ist. Der Niederfrequenzempfänger des Analysekanals, ebenfalls nicht dargestellt, ist über Klemme 27 und Erde an die Niederfrequenz-Analyseschleife N.P. angeschlossen.

Die Eingangsimpedanz von beispielsweise 5000 0hm des nicht dargestellten Niederfrequenzempfängers ist dadurch an die Niederfrequenzschleife angepaßt, daß der Eingang über den variablen Kondensator 12 von beispielsweise 11o p.F. gelegt ist, ohne daß ein getrennter Impedanz-Anpaßkondensator 13 erforderlich ist, wie er in der Senderschaltung 10 verwendet worden ist.

In Figuren 2 und 3 sind Varianten der Hochfrequenzschleife II.B'. zur Darstellung induktiver Verfahren zur Impedanz-

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anpassung an die Hochfrequenzschleife H.P. dargestellt. In Pig. 2 ist die Induktivität 17 zum Anschluß an Klemme 21 oder 26 angezapft, um eine Impedanzanpassung an die Hochfrequenzsender- oder Empfänger-Impedanz zu schaffen. Gemäß Fig. 3 ist die Induktivität 17 über eine getrennte Koppelschleife 30 induktiv angekoppelt, um die Impedanz an die Impedanz des Hochfrequenzsenders oder Empfängers anzupassen. In beiden Fällen muß der Impedanz-Anpaßkondensator 19 weggelassen werden, weil er zur Erfüllung der vorgesehenen Aufgabe nicht mehr benötigt wird.

In Fig. 4 ist eine Einspulensonden-Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform erfüllt eine Einzelspule 31 in der Sonde 1, die in der gleichen Weise angeordnet ist wie die Empfängerspule 9 in Fig. 1, die doppelte Aufgabe einer Hochfrequenz-Sender- und Empfänger-Spule sowohl für die Analyse- als auch die Kontrollkanäle des Spektrometer. Sie Spule 31 bildet ein gemeinsames Element eines doppelt abgestimmten Kreises 32, der einen Teil der Analyse- und Kontrollkanäle bildet. Der doppelt abgestimmte Kreis 32 weist zwei abgestimmte Schleifen auf, eine Hochfrequenzachleife H.P. und eine Niederfrequenzschleife R.P., die im wesentlichen identisch der Schaltung 25 nach Fig. 1 aufgebaut sind, und in beiden Figuren sind die gleichen Bezugszeichen verwendet worden, um gleiche Schaltungselemente zu bezeichnen.

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Die beiden Schaltungen 25 und 32 sind im wesentlichen gleichartig aufgetaut, sie unterscheiden sich lediglich bei der Impedanzanpassung und durch die Sender-Empfänger-Trennung innerhalb des gleichen Kanals. Insbesondere weist die Hochfrequenzschleife H.F. keinen getrennten Impedanzanpaß&ondensator 19 auf, mit dem der Hochfrequenzempfänger über Klemme 26 und Erde an die Schleife angepaßt wird. Ein Kondensator 33 von beispielsweise 5 p.F. ist jedoch zwischen der Sendereingangsklemme 21 und der Hochfrequenzempfängerklemme 26 vorgesehen, um die Last des Senders vom Eingang des Empfängers zu trennen. Dieses Ergebnis wird erreicht, wenn der Kondensator 33 einen solchen Kapazitätswert hat, daß er eine hohe Impedanz im Vergleich zur Parallelimpedanz der abgestimmten Kreisschleife H.P. bei der Frequenz des Hochfrequenz-Kontrollkanals hat. Wenn diese Bedingung erfüllt ißt, werden von dem abgestimmten Kreis mit der Spule 31 kommende Resonanzsignale vom Sender relativ «um Jümpfanger entkoppelt, und zwar auf Grund der relativ hohen Impedanz des Isolierkondensators 33· Dieselben Betrachtungen gelten bezüglich der Niederfrequenzschleife K.P., wo ein Isolierkondensator 34- eine hohe Impedanz bei der niederen Frequenz der M.F.-Schleife verglichen zur Parallelimpedanz der abgestimmten Niederfrequenzschleife ü.F. darstellt.

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In der Empfängerschaltung nach Fig. 4 stellt der Empfänger Resonanzen der Kerne dadurch fest, daß eine Fluktuation in der Impedanz der Spule 31 bei Resonanz der Kerne auftritt. Die Isolierkondensatoren 33 und 34· hindern also Resonanzsignale von der abgestimmten Spule 31 daran, durch die Senderkreise um den Empfänger herum geshuntet zu werden.

Bei einem typischen Ausführungsbeispiel einer kombinierten

13 15 Sender- und Empfangerspule 31 zur Analyse von C -oder K bei 15 MHz bzw. 6 MHz, während zur Kontrolle die Resonanzbedingungen für F¹⁹ bzw. H¹ bei 56 bzw. 60 MHz überwacht werden, würde die Einzelspule 31 aus 6 Drahtwindungen auf einer Spulenform von 12 mm Durchmesser bestehen, wobei die axiale Länge der Spule 31 12 mm betragen würde.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die teilweise in Pig. 4-A dargestellt ist, ist der Niederfrequenz-Analysekanal ein Kreuzspulensystem, wobei die Empfängerspule 31 dieses Syetems auch als kombinierte Sender-Empfänger-Spule eines Einspulen-Kontrollkanals dient, der bei einer höheren Frequenz arbeitet als der Analysekanal. Bei diesem System ist die Empfängerschaltung ein doppelt abgestimmter Kreis 32, wie in Verbindung mit Fig. 4· bereits beschrieben, nur ist der Niederfrequenz-Analyse-Senderkanal mit der Klemme 16 und dem Isolierkondensator 34 weggelassen. Der

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Niederfrequenz-Analyse-Sender der Schaltung ist durch eine getrennte Analysekanal-Senderspule 8 dargestellt, die ähnlich der nach Fig. 1 aufgebaut ist. Die Analyse-Senderspule 8, die in Pig. 4A dargestellt ist, ist vorzugsweise koaxial zur X-Achse gewickelt, wie in Fig. 1 dargestellt, es ist aber auch möglieh, die Senderspule koaxial zur einzelnen kombinierten Sender- und Empfängerspule 31 zu wickeln. Die Senderspule 8 braucht kein Teil eines abgestimmten Kreises zu sein, wenn das auch bevorzugt würde, und ist über Klemme 16 und Erde mit dem Niederfrequenz-Analyse-Sender verbunden.

In Pig. 5 ist als Blockschaltbild ein Spektrometer für magnetische Kernresonanz dargestellt, bei dem die Merkmale der Erfindung gemäß Figuren 1 und 4 vorgesehen sind. Insbesondere ist die Sonde 1 in ein magnetisches Polarisationsfeld H von beispielsweise 14 kG von einem Magneten eingetaucht. Ein erster Niederfrequenzsender 36 ist an die Senderspule 8 des Kreuzspulensystems oder die Spule 31 des Einspulensystems über Klemme 16 und 16 angeschlossen und liefert niederfrequente H.P.-Leistung an die Spule 8 oder 31 in der Sonde bei einer Frequenz, bei der die magnetische Kernresonanz der Kerne der zu analysierenden Probe erregt wird. Zur Ana-

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lyse von N -Kernen bei einer Polarieationsfeidstärke von 14 kG liegt die Prequenz des Niederfrequenzsenders 36 bei etwa 6 MHz. Zur Analyse von C -Kernen liegt die Senderfrequenz für 14 kG bei 15 MHz.

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Das Kernresonanzsignal der zu beobachtenden Kerne wird in einer Empfängerspule 9 oder in Spule 31 aufgenommen und über Klemme 27 an einen H.P.-Verstärker 37 geliefert und von dort an einen Phasendetektor 38, in dem die Phase des empfangenen Signals mit der Phase des gesendeten Signals verglichen wird, die vom Sender 36 über Leitung 40 abgeleitet wird, um ein Gleichstrom-Resonanzsignal zu erhalten. Dieses Ausgangssignal wird einem Schreiber 39 zugeführt und dort in Abhängigkeit von der Zeit oder der Wobbeifrequenz aufgezeichnet, um ein aufgezeichnetes Spektrum der analysierten Probenkerne zu erhalten.

Der Bezugs- oder Kontrollkanal weist einen zweiten oder Hochfrequenzsender 4-1 auf, der H.F.-Leistung bei der Eesonanzfrequenz der Kontrollkerne, beispielsweise H oder F , an die gemeinsame Senderspule 8 oder 31 über Klemme 21 liefert. Das angelegte hochfrequente Kontrollsignal für H Kerne bei einem Polarisationsfeld von 14 kG liegt bei etwa 60 MHz und liefert eine Resonanz der H -Kerne, die die internen Bezugs- oder Kontrollkerne bilden. Resonanz der Kontrollkerne erscheint als Signal von der Empfängerspule 9 oder 31, und zwar als Änderung der Impedanz der Spule, aie in den Eingang einee H.P.-Empfängers 44 reflektiert wird, der über Klemme 26 mit der Einzelspule 9 oder 31 verbunden ist. Das Ausgangesignal des Empfängers 44 wird einem phasen-

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empfindlichen Detektor 45 zugeführt, wo das empfangene Signal mit einem Signal vom zweiten Sender 41 verglichen wird, das über Leitung 46 am Phasendetektor steht, so daß ein phasenempfindliches Gleichstrom-Dispersions-Resonanzsignal der Kontrollgruppe entsteht, d.h. ein Resonanzfehler- oder Kontrollsignal. Das Kontrollsignal wird einer Kontrolle 47 zugeführt, d.h. einem Leistungsverstärker, mit dem die Stärke des magnetischen Polarisationsfeldes H und/oder die Frequenz der angelegten hochfrequenten und niederfrequenten magnetischen Erregungs-WechseIfelder H₁ kontrolliert wird, so daß vorbestimmte kontrollierte Verhältnisse der Frequenz von H. zur Polarisationsfeldstärke H entsprechend beibehaltener Resonanz der Kontrollgruppe beibehalten werden.

Wenn die Polarisationsfeldstärke H kontrolliert wird, wird das Ausgangssignal von der Kontrolle 47 über Leitung 48 an eine Wicklung 49 des Magneten oder an die Magnetstromversorgung (nicht dargestellt) geführt. Falls die Frequenz kontrolliert wird, wird das Ausgangs-Kontrollsignal einer Frequenz-Syntheseschaltung 51 zugeführt, die als gemeinsame Frequenzquelle für die Analyse- und Kontroll-Sender 36 und 41 dient, deren Frequenzen über Leitungen 52 und 53 in gleichem Verhältnis kontrolliert werden.

Bin Wobbelgenerator 54 liefert ein Wobbel- oder Ablenksignal an die Frequenz-Syntheseschaltung 51, um nur die Fre-

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quenz des Analysesenders 36 durch einen Frequenzbereich zu wobbeln, der das erwartete Spektrum der zu analysierenden Probe enthält. Ein Teil des Wobbeisignals oder einer dem Wobbelsignal proportionalen Spannung wird zweckmäßigerweise dem Schreiber 39 über Leitung 55 zugeführt, um ein geschriebenes Spektrum der analysierten Probenkerne in Abhängigkeit von der Wobbeifrequenz zu erhalten.

Wenn auch das Spektrometersystem nach Fig. 5 in Verbindung mit einer Frequenzwobbelung (oder Frequenzablenkung) durch die Frequenz-Syntheseechaltung 51 beschrieben ist, mit der das Spektrum der zu analysierenden Probe tiberstrichen wird, so ist das doch nicht erforderlich. Andere Wobbel- oder Ablenkverfahren sind in gleicher Weise anwendbar. Beispielsweise kann eine variable Frequenz-Feld-Modulation bei einer geeigneten Seitenbandfrequenz von beispielsweise 2 bis 20 kHz in gewissen Spektrometersystemen vorteilhafterweise verwendet werden.

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Claims (4)

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. KLAUS BERNHARDT V1 P104 Ό Patentansprüche

1. Spektrometer für magnetische Kernresonanz, bestehend aus einem Kontrollkanal zur Kontrolle der Resonanzbedingungen des Spektrometers durch Erregen und Aufnehmen der Kernresonanz einer Kontrollgruppe von Kernen einer ersten Art bei einer Frequenz, und einem Analysekanal zur Beobachtung des Resönanzspektrums einer Probengruppe Kerne einer zweiten Art bei einer anderen Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine wenigstens einem Kontroll- und Analysekanal gemeinsame Spule vorgesehen ist, die für magnetische Wechselfelder bei beiden Frequenzen mit einem gemeinsamen Raumbereich gekoppelt ist, der beide Kerngruppen enthält, so daß sie zur Resonanz erregt und die Resonanz beobachtet werden kann, und daß die bzw. jede gemeinsame Spule Seil eines doppelt abgestimmten Kreises ist, der auf die beiden Resonanzfrequenzen abgestimmt ist, die den verschiedenen Resonanzfrequenzen der beiden verschiedenen Kernarten entsprechen.

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2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kreuzspulen-Spulensystem vorgesehen ist, bestehend aus einer Senderspule und einer Empfängerspule, die jede einem unabhängigen doppelt abgestimmten Kreis gemeinsam ist.

3. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige gemeinsame Spule vorgesehen ist, mit üer die magnetische Resonanz beider Kerngruppen erregt und beobachtet wird.

4. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der doppelt abgestimmte Kreis, der eine gemeinsame Spule enthält, aus einer Analyse-Kreis-Schleife besteht, die die gemeinsame Spule enthält und die auf die Kernresonanzfrequenz der zu analysierenden Probe abgestimmt ist, daß ein Parallelkreis über der Analyse-Kreis-Schleife liegt, so daß eine abgestimmte Kontroll-Kreis-Schleife gebildet wird, die die gemeinsame Spule enthält und die auf die Resonanzfrequenz der Kontrollgruppe abgestimmt ist, die höher liegt als die Resonanzfrequenz der Analyse-Kreis-Schleife, und daß die abgestimmte Analyse-Kreis-Schleife eine abgestimmte Sperre außerhalb der Kontroll-Kreis-Schleife enthält, die auf die Frequenz der abgestimmten Kontrollschleife abgestimmt ist, so daß sie für Hochfrequenz in der Kontrollschleife eine hohe Impedanz darstellt und auf diese

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Weise den zusammengesetzten, doppelt abgestimmten Kreis in einen getrennten Kontrollkanal und einen Analysekanal aufteilt.

5· Spektrometer nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die abgestimmte Analyse-Kreis-Schleife • auf die Resonanzfrequenz von C -Kernen oder N -Kernen abgestiumt ist, und daß die Kontrollschleife auf die Re-

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sonanzfrequenz von F -Kernen oder H -Kernen abgestimmt ist.

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