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Pendelrückkopplungsresonanzspektrometer Die Erfindung bezieht sich
auf ein Pendelrückkopplungsresonanzspektrometer, welches einen Pendelfrequenzgenerator
zur Erzeugung einer Pendel- bzw. Unterdrückungsschwingung mit einstellbarer Frequenz
besitzt.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Spektrometer zur Erzeugung
bzw. zum Nachweis von Kernquadrupolresonanzen.
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Die Erfindung kann natürlich auch bei anderen Typen von Resonanzspektrometern
angewendet werden, z,B, bei solchen, welche zur Aufzeichnung von kernmagnetischen
Resonanzen dienen.
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Resonanzspektrometer sind im wesentlichen Instrumentes welche Strahlung
einer oder mehrerer Frequenzen, welche elektrischen oder magnetischen Dipolubergängen
in einer Probe zugeordnet werden können, empfangen. Derartige uebergänge sind im
wesentlichen Änderungen der Energiezustände eines Kernsystems von einem Energieniveau
auf ein anderes und sind mit einer Abstrahlung einer oder mehrerer Frequenzen verbunden.
Normalerweise sind die Energieniveaus durch ein Termschema in Terme von Linien oder
Bändern dargestellt. Bei einem Übergang zwischen zwei Energieniveaus ist der Energieunterschied
das Produkt aus der Planckschen Konstanten und der entsprechenden Frequenz. Die
einzelnen Übergänge sind charakteristisch für den Stoff des Probekörpers und es
sind deshalb entsprechende spezielle Linien und Bänder im Absorptionsspektrum vorhanden.
Damit ist es möglich, im einzelnen die Zusammensetzung des Probematerials zu bestimmen.
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Ein Resonanzspektrometer ist somit eine Vorrichtung, welche eine Anzahl
unbekannter Frequenzen empfängt und aufzeigt.
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Bei Kernquadrupolresonanzen, z. B. wird ein Spektrometer benützt,
welches Anderungen hinsichtlich der Orientierung von Kernquadrupolen im gradienten
des elektrischen Feldes der Umgebung feststellt. Diese Änderungen ergeben Absorptionen
bei Frequenzen im Hochfrequenzbereich in typischer @eise zwischen drei MHz und 2.000
MHz. Die einzelnen genauen Frequenzen hängen von der Größe des Quadrupolmomentes
und dem elektrischen Feldgradienten,
welchem der Kern ausgesetzt
ist, ab.
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Es gibt verschiedene Wege zur Bestimmung der speziellen Frequenzen
in einem Absorptionsspektrum, welche zu einem bestimmten Stoff gehören. Die zu diesem
Zweck der -p ktroskopie am vielseitigsten verwendbaren Instrumente sind die pendelrückkopplungsresonanzspektrometer,
welche ähnlich wie ein Pendelrückkopplungshochfrequenzempfänger wirken. Die Arbeitsweise
ist dabei folgende: Ein Oszillator normalerweise ein Pendelrückkopplungsoszillator
erzeugt ein kontinuierliches Hochfrequenzsignal, dessen Frequenz über einen genügend
weiten Bereich verändert werden kann.
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Weiterhin ist ein Pendel-bzv. Unterdrückungsschwingungsgenerator vorgesehen,
welcher abwechselnd den Oszillator in schwingenden und nichtechwingenden Zustand
versetzt. Es wird dabei z. B. an einer geeigneten Stelle des Oszillators ein positiver
oder ein negativer Impuls angelegt, wobei die Röhre leitend oder nichtleitend wird.
Es ergibt sich demgemäß ein wiederholtes Aufbauen der Schwingung und Abklingen der
Schwingung im Rückkopplungsoszillator. Die Schwingungen bauen sich auf, solange
ein Pöndel- bzw.
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Unterdrückungssignal nicht angelegt ist und klingen ab, wenn ein Pendelsignal
während einer nDämpfungsperiode angelegt wird. Verschiedene Arten des Betriebes
der Vorrichtung sind möglich. Bekannt ist eine logarithmische Methode, bei der die
Hochfrequenzschwingungen sich bis zu einem Wert aufbauen bzw. einschwingen, welcher
durch die Nichtlineari @t des Oszillators bestimmt ist und welcher sich auf diesem
Wert
hält, bis die Pendelschwingung während der Dämpfungsperiode angelegt wird, wobei
dann die Schwingungen auf einen niedrigen Wert abklingen. Be ist gezeigt worden,
z.B. in "Super-regenerative Receivers" ton J.R. Whitehead, Cambridge University
Press, 1950, daß die Anwesenheit eines Hochfrequenzeignales ii Onzillatorschwingkreis
nährend der Dämpfungsperiode und insbesondere bei Beginn, wenn die Dämpfung beseitigt
ist, eine Änderung in der Fläche der Hüllkurve der Hochfrequensachwingungen während
eines Zyklus der pendelfrequens hervorruft. Wenn die Hochfrequenz an einen geeigneten
Detektor angelegt wird, welcher auf die niedrige Frequenz der Umhüllungskurve der
Hochfrequenzwelle anspridt (z.B. ein linearer, quadratischer oder anderer geeigneter
Detektor), dann können die ursprünglichen Änderungen in der Amplitude des Hockfrequenzsignales
ja Schwingkreis sich wiederherstellen. Das Standardverfahren nur Auffindung einer
Resonans- oder Absorptionsfrequenz ist folgendes: Die Oazillaterfrequens überstreicht
lengsei einen weiten Bereich und bestimmt oder neigt die Frequenzen an, bei denen
eine wesentliche Änderung am Ausgang des Detektors erfolgt. Man kann einen Kartenaufzeichner
oder einen anderen Aufzeichnungsträger synchron mit;den Frequenzüberstreichen des
Oszillators antreiben und einen Schreiber in Betrieb setzen derart, daß dessen Abweichungen
proportional zu den Amplituden des Detektorausganges sind.
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Die Darstellung auf der Karte oder dem Aufzeichnungsband zeigt dann
das Absorptionsspektrum der Probe.
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Aufgrund der obigen Darstellung der Wirkungsweise eines Pendelrückkopplungsresonansspektrometers
kann die Problemstellung der Erfindung leichter verstanden worden. Das erste Hauptproblem
ist: Da die Amplitude des Detektorausganges zur Bestimmung des Absorptionslinienspektrums
benützt wird1 muß die Verstärkung des Empfängers oorgfältig überwacht werden. Wie
später noch gezeigt wird, hängt die Verstärkung des Detektors unter anderem von
der Pendel frequenz ab, da das Rauschen bzw. die Störsignale und die Kernquadrupolresonanazignale
e in gleicher Weise vom Pendelrückkopplungsgenerator verstärkt bzw. na verstärken
sind. Dazu wird ein Beil des Detektorauaganges nach dem Beseitigen der pendelfrequens
durch ein Filter als negative Rückkopplung 21w Regalung der Pendelfrequens verwendet,
so daß das statistische Rauschen no konstant wie möglich gehalten wird und dadurch
die Verstärkung des Detektors stabilisiert wird.
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Ein Pendelrückkopplungsdetektor mit einer derartigen RUckkopplung
ist beispielsweise von Dean Dies. ßcientific Inst., 29, 1047 (1958) ) beschrieben
worden. Dort wird ein Detektor mit Pendelfrequenzerzeugung und Gleichrichtung in
derselben Röhre beschrieben. Andere bekannte Spektrometer benützen eine äußere Pendelfrequenzerzeugung
mit einem konstanten Impulstastverhältnis, so daß die Dämpfungsperiode (tOFF) umgekehrt
zur Frequenz sich ändert. Es soll später noch gezeigt werden, daß die Änderung in
tOFF hauptsächlich die Verstärkung beeinflußt.
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Die tatsächliche Pendelfrequens hat nur eine relativ kleine Einwirkung
auf die Verstärkung des Schaltkreises.
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Wenn die tatsächliche Pendelfrequens unbedeutend ist, dann sind die
oben beschriebenen Methoden zur Regelung nur Verstärkerregelung vollständig ausreichend,
aber dies ibt im folgenden Fall nicht so: Die Fourier-Komponenten der Hochfrequenzschwingung
in einem Pendelrückkopplungsoszillatorschwingkreis enthält ein Signal (fo) nahe
der natürlichen Resonanzfrequenz des abgestimmten Schaltkreises, welche. von den
sogenannten Seitenbändern itt den Frequenzen t0 + n.fq flankiert ist, wobei fq dio
Pendelfrequens ist und n ein positive ganze Zahl ist. Viele dieser Signale haben
eine ausreichende Amplitude , um die Kernresonans anzuregen, wenn das Spektrometer
abgestint ist, so daß die geeignete komponente nahe der Resonansfrequens ist. Das
Resultat ist daß eine Resonanzabsorption in der Probe eine Anzahl von Resonanzen
im Spektrometerausgang in Irscheinang treten lä#t, welche weiterhin Seitenbänder
genannt werden.
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Nur eine von diesen Resonanzen (welche um die pendelfrequens voneinander
entfernt aind) ist die erwünschte Ansprechfrequenz und zwar die, bei der f0 gleich
der Resonanzfrequenz ißt. Die Seitenbänder können durch Variation der Pendelfrequenz
identifiziert werden. Bo ändern sich nämlich dann die Seitenbandrequenzen und die
Grundfrequenz ändert sich nicht. Wenn weiterhin die Pendelfrequenz über einen geeigneten
Bereich zurück- und vorverändert wird,
und zwar bei einer Rate,
welche schnell ist im Vergleich zur Ansprechzeit des Aufzeichnungssystems, dann
werden die BSeitenbänder nicht aufgezeichnet und en erscheint nur die Grundansprechfrequenz.
Diese Methode der Seitenbandunterdrückung ist von DEAN & & POLLAK (REV.SCI.INST.,
29, 630-632 (1958)) beschrieben worden. Es ist demnach eine Regelung der Pendelfrequenz
notwendig un eine Seitenbandunterdrückung zu erhalten.
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Daraus folgt, daß eine automatische Verstärkerregelung und eine Beitenbandunterdrückung
nicht miteinander vereinbar sind, da beide von der Änderung der Pendelfrequenz abhängen.
Weiterhin ist die Beitenbandunterdrückung durch Schwankungen in der Verstärkung
verkompliziert. Die Schwankungen ergeben sieh in Verbindung mit den Pendelfrequenzänderungen
qd es sind verschiedene Methoden zur Konpensation der Verstärkeränderungen angewendet
worden.
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Das Ergebnis davon tst, daß di. Seitenbandunterdrückung selten benutzt
worden ist und die Spektrometer deshalb nur schwierig su betätigen waren und die
iufzeiohnung der Absorptionsfrequenzen nicht der Wirklichkeit entsprachen.
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Bei einem Pendelrückkopplungsresonanzspektrometer, welches einen Pendelfrequenzgenerator
zur Erzeugung einer Pendel-bzw. Unterdrückungsschwingung mit einstellbarer Frequenz
besitzt, wird die Erfindung darin gesehen, daß die Dämpfungsperiode der Pendel-
bzw. Unterdrückungsschwingung
zur Pendelfrequenz invariant ist.
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In Ausbildung der Erfindung sind Bauelemente und Ein richtungen vorgesehen,
welche die Dämpfungsperiode unabhänggvon der Pendel- bzw. Unterdrückungsfrequenz
verändern.
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Die Erfindung ermöglicht eine automatische Veretärkerregelung über
einen weiten Bereioh unabhängig davon, ob gleichzeitig eine Seitenbandunterdrückung
zur Anwendung kommt oder nicht. Weiterhin ist das Spektrometer einfacher zu bedienen.
Diese Vorteile hängen weiterhin vom Gebrauch einer Pendelschwingung mit einer speziellen
Porm ab.
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Die Porm ist so beschaffen, daß die Dämpfungsperiode unabhängig iet
von der Pendelfrequenz und daß die Pendelschwingung gesondert zur Verstärkerregelung
geändert werden kann. Um eine sehr breite Verstärkerregelung zu erzielen, kann der
Grad der Dämpfung während der Dämpfungaperiode ebenfalls geregelt werden. In der
Tat wird die Verstärkung des Empfänger durch die Dämpfungeperioden und durch die
Größe der Dämpfung während dieser Perioden geregelt. Die Lage der Seitenbänder wird
nur durch die Anzahl der Dämpfungsperioden pro Sekunde bestimmt.
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Ein Spektrometer, bei dem die Dämpfungsperiode invariant mit der Pendel-
bzw. Unterdrückungsfrequenz gehalten wird ist wesentlich einfacher und genauer zu
betreiben, als die
bekannten Vorrichtungen.
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Ein zu Ein weiterer Vorteil der Erfindung leitet sich aus der Trennung
von Pendelfrequenz und Dämpfungsperiode her.
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Es ist nämlich möglich, unabhängig von irgendeiner Veränderung der
Pendelfrequenz die Dämpfungsperiode zu ändern und die Verstärkung zu regeln.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein monostabiler
Multivibrator (Univibrator) angeordnet, welcher von einem Variahlefrequenzgenerator
(in typischer Weise ein spannungsgesteuerter astabiler Multivibrator) getriggert
ist. Dadurch wird eine pendelschwingung vorgesehen, welche an den Pendelrückkopplungsoszillator
gelegt werden kann und welche eine Unterdrückung bzw. Löschung hervorruft0 Eine
spezielle vorteilhafte Art der Unterdrückung bzw. Löschung wird im folgenden beschrieben.
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Mit dieser Anordnung kann die Dauer des Impulses vom monostabilen
Multivibrator her derart ausgewählt werden, daß sie den optimalen Wert bzw. Bereich
der Verstärkung gibt und dann wird der Wert konstant gehalten, während der Seitenbandunterdrüokung,
welche durch Änderung der Pendelfrequenz erzielt wird. Weiterhin können in vorteilhafter
Weise Maßnahmen bzw. Einrichtungen vorhanden sein, welche auf das statistische Rauschen
im Ausgang kes Empfängers (effektiv im Ausgang des Spektrometers) ansprechen und
welche ein Rückkopplungssignal zur Regelung der Lange der Dämpfungsperiode erzeugen.
Das Ruckkopplungssignal,
welches zur Regelung der Dämpfung speriodendauer
benützt wird, kann ebenfalls zur Regelung von Gow welches der Leitwert parallel
zum (Resonanz)-Sahwingkreis des Pendelrückkopplungsoszillators ist, dienen und zwar,
sobald mit der Dämpfung der Schwingungen begonnen worden ist.
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Dadurch kann der Empfänger stets automatisch in korrekter Einstellung
gehalten werden.
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Die Pendel- bzw. Unterdrückungsfrequenz kann manuell eingestellt und
geändert werden, indem z.B. eine Regelspannung an den spannungsgeregelten astabilen
Multivibrator gelegt wird, oder indem ein Dreieoksspannungsgenerator den apannungegeregelten
astabilen Multivibrator regelt.
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Damit kann ein vergleichsweise einfacher und linearer Kompensationsschaltkreis
Ersatz leisten für die Änderungen in der Verstärkung während der Seitenbandunterdrtlckung,
wozu bedeutend größere Pendelschwingungen verwendet sind.
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Bei Anwendung der Erfindung können bedeutend kleinere Pende schwingungen
verwendet werden als bisher. Typische Werte liegen niedriger als 200 Es Damit ist
es möglich, die Dämpfungsperiode unabhängig von anderen Parametern zu variieren.
Die Erfindung ermöglicht es, die Variation der Signale auf das Verhältnis des Rauschens
mit der Dämpfungsperiode festzulegen. Das wird erreicht durch eine Einrichtung,
welche in Verbindung sit der oben
et zehnten Ubertragung die Relaxationszeiten
festlegt.
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Et kann dadurch ein Spektrometer mit stark erhöhter Vr Iseitigkeit
erreicht werden.
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Bt allen Spektrometern ist ee notwendig, eine Frequenz k@ ibrierung
vorzusehen, damit die Absorptionsfrequenzen m erischen Werten zugeordnet werden
können. Insbesondere fi vorliegende Erfindung aber auch für andere Spektrometert,
en ist eine Frequenzkalibrierung geeignet, welche Einr htungen zum Mischen der Hüllkurve
der Hochfrequenz-5 wingungen im Spektrometer mit einem weiteren Signal, d aus einer
Grundschwingung und einer Anzahl von H konischen besteht, enthält. Dieses weitere
Signal ka n Frequenzen von etwa 25 KHz besitzen. Wenn das Si ktrometer den Frequenzen-
bzw. Wobgelbereich durchläuft, d n erscheinen eine Reihe von Nulltakten, sobald
jedes 0¢ illatorseitenband nach einer Harmonischen durchläuft.
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Wenn die Seitenbandunterdrückung nicht im Betrieb ist, dann wird die
Pendelfrequenz konstant gehalten. Die Pendelfrequenz wird dann von einer gemeinsamen
Quelle erhalten, so daß sie ein kleinee Vielfaches oder ein in einer Zahl enthaltener
Faktor eines Intervalles zwischen den Harmonischen ist. Die Nulltakte können zur
Kalibrierung der einen Ordinate auf dem Schreibpapier bzw. Aufzeichnungsband dienen,
so daß die Absorptionsfrequenzen automatisoh sichtba dargestellt werden. Damit erhält
man rasch und ohne gr #e Kunstgriffe die gewünechten Resultate.
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I@ den Figuren sollen anhand von Ausführungsbeispielan die
Erfindung
und Vorteile derselben erläutert werden.
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Figur 1 zeigt schematisch ein bekanntes Pendelrückkopplungsresonanzspektrometer.
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Figur 2 zeigt ein Wellenformdiagramm.
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Figur 3 zeigt schematisch eine Ausführungsfcrm der Erfindung Figur
4 zeigt in detaillierter Form das Ausführungsbeispiel der Figur 3.
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Zunächst soll der Betrieb eines bekannten Kernquadrupolresonanzspektrometers
beschrieben werden. In der Figur 1 ist ein Blockdiagramm eines derartigen Spektrometers
gezeigt. Eine Materialprobe, deren Absorptionsspektrum bestimmt werden soll, ist
mit 10 bezeichnet. Eine Auffangspule 11 ist neben der Materialprobe angeordnet.
Die Auffangspule ist ein Teil eines Schwingkreises 12 eines Pendelrückkopplungsdetektors
13. Der Detektor 13 enthält einen herkömmlichen Hochfrequenzoszillator, z.B. einen
Colpitts-Oszillator mit einem herkömmlichen Detektorschaltkreis, wie er von Whitehead
(siehe oben) oder in anderen Veröffentlichungen beschrieben ist. Die Änderung der
Oszillatorfrequenz kann durch einen Kippmotor M, welcher eine veränderliche Kapazität
14 im Schwingkreis 12 steuert, geändert werden. Ein Pendelschwingungsgenerator 15,
welcher für den Empfänger 13 eine Pendelschwingung vorsieht, durchläuft mittels
eines Dreieckswellenformgenerators 16 einen Frequenzbereich bzw. wird von diesem
Dreieckswellenformgenerator gewobbelt. Bei dem bekannten Spektrometer
erzeugt
der Pendelschwingungsgenerator eine Wellenform mit veränderlicher Frequenz und mit
konstanten Impulstastverhältnis.
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Das Hörfrequenzausgangssignal des Empfängers 13 wird vom Verstärker
17 verstärkt und ein Ausgang desselben ist an die Kathodenstrahlröhre 18 gelegt.
Ein anderer Ausgang des Verstärkers 17 wird nochmals verstärkt durch den Verstärker
19 wird dann von einem Schmalbandfilter 20 gefiltert und an einem der Eingänge eines
phasenempfindlichen Detektors 21 gelegt. Der Zweck dieses Detektors erfordert einige
Erklärungen. Viele Kernquadrupolresonanzsignale sind bedeutend schwächer als der
Störpegel und es ist notwendig, daß das Signal so gut wie möglich erhöht wird.
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Eine Methode dafür ist die die Oszillatorfrequenz zu modulieren und
dann ein Filter benützend die Signale bei der Modulationsfrequenz auszulesen. In
der Figur 1 erzeugt ein Tongenerator 22 ein Modulationssignai mit einer geeigneten
Frequenz von etwa 280 Hz. Ein Ausgang des Tongenerators 22 synchronisiert dabei
einen doppelseitig gerichteten Rechteckwellenformgenerator 23, welcher bei einer
Grundfrequenz von etwa 140 Hz arbeitet. Der Ausgang des Generators 23 moduliert
das lIochfrequenzsignal im Empfänger 13. Das gewünschte Signal von 280 Hz wird durch
das Filter 20 herausgezogen und an einem der Eingang des phasenempfindlichen Detektors
21 gelegt.
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Sin anderer Ausgang des Tongenerators 22 ist von einem
Phasenschieber
24 phasenverschoben und an einet anderen Eingang des phasenempfindlichen Detektors
21 gelegt.
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Dieser Detektor mischt das modulierte Resonanzsignal mit dem phasenverschobenen
Bezugssignal von 280 Hz in einem Ausgleichsmischer. Wenn die Phase des Bezugssignales
genau eingestellt ist, dann besitzt der Ausgang des Mischers die Frequenz Null für
Signale mit exakt gleicher Frequenz wie das Bezugssignal und die Störsignale zu
beiden Seiten dieser Frequenz werden in Frequenzen nahe Null übertragen. Wenn ein
Tiefpassfilter dem Mischer folgt, dann kann die effektive Aufzeichnungsbandbreite
das vierfache der Zeitkonstanten des Tiefpassfilters betragen. Die Amplitude des
direkten Ausganges ist wesentlich größer als der Störausgang bei niederen Frequenzen
und kann zum Betrieb eines Schreibers 25 benützt werden.
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Um eine stationäre Darstellung auf der Kathodenstrahlröhre zu erzielen,
kann die Spektrometerfrequenz über einen begrenzten Bereich von etwa 50 Hz variiert
werden. Dies kann durch einen Kippgenerator 26, welcher in geeigneter Weise veränderliche
Ausgänge vorsieht, geschehen. Der Kippgenerator ist dabei mit einem Generator 23
kombiniert.
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Das Schaltbild der Figur 1 zeigt nicht explizit die Steuerung der
Pendelfrequenz, wenn eine automatische Verstärkungsregelung erzielt wird. Dies kann
folgendermaßen geschehen.
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Ein Bandsperrfilter beseitigt alle Signale bei einer Modulationsfrequenz
von 140 Hz und deren Harmonische und alle Pendelfrequenzschwingungen. Die verbleibenden
Geräusclisignale werden verstärkt und gleichgerichtet.
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Das resultierende Ausgangssignal wird geglättet und an einen spannungsgeregelten
Multivibrator über ein RC-Glied mit großer Zeitkonstanten gelegt, wodurch ein stabiler
Rückkopplungskreis erielt wird. Die Knisverstärkung kann, soweit es mit deren Stabilität
verträglich ist, so hoch wie möglich eingestellt werden.
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Die Nachteile der Schaltung in der Figur 1 sind schon diskutiert worden.
Es soll nun eine thevretische Betrachtung der verschiedenen Parameter, welche die
Verstärkung eines Spektrometers bewirken, näher untersucht werden. Es soll dabei
auf die Figur 2 verwiesen werden, welche eine Pendelschwingung 28 und die positive
Hälfte 29 der IIüllkurve einer Hochfrequenzschwingung im Schwingkreis des Pendelrückkopplungsoszillators
in logarithmischer t8orm darstellt. Die Hochfrequenzsignale erreichen einen begrenzten
Maximalwert und verbleiben auf diesem Werft, bis die Dämpfungsperiode der Pendelschwingung
beginnt.
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Die Schwingungen bauen sich von einer der beiden niedrigen iiochfrequenzspannungen
V1 oder V2 zu Beginn zur Zeit T = 0 auf, sobald die Dämpfungsperiode beendet ist.
V1 stellt die Spannung im Schwingkreis dar, welche vom statistischen Störgeräusch
atmen und den Resten vorausgegangener Impulse
herrührt und V2 stellt
außerdem eine Nutzspannung dar.
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Infolge der statistischen Eigenschaft der Störgerausche müssen quadratische
Mittelwerte aller Spannungen gemittelt über viele Pendel- bzw. Unterdrückungsschwingungszyklen
verwendet werden.
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Wenn VR = VR cos 2 @ f t, wobei fo die Schwingungsfrequenz ist und
zwar bei t = O am hinteren Ende des vorausgegangenen Impulses und VI = VI cos 2#fot
die Nutzspannung, welche von der Probe in den Schwingkreis induziert wird, dann
betragen die quadratischen Mittelwerte
der quadratische Mittelwert der Störspannung ist, so erhält man
Die Ausgangsspannung des Detektors (Vaus) ist proportional der Änderung in der Impulsfläche
(#AS ), welche von der Nutzspannung erwirkt wird und proportional zur Anzahl der
Pendel- bzw. Unterdrückungsimpulse pro Sekunde (fq) ist. Es ergibt sich demnach:
Vout = k fq#AS, wobei k eine Proportionalitätskonstante ist. Die Änderung in der
Impulsflücbe wird durch Intergration der beide
eingeschwungenen
Kurven (wie Figur 2) zwischen 0 und t1 und durch Subtrahieren der beiden voneinander
gewonnen.
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Es ergibt sich demnach:
In dieser Formel ist Ve die Grenzamplitude der Hochfrequenzschwingung und es ist
vorausgesetzt, daß das Einschwingen der Schwingung genau exponentiell (siehe Whitehead)
mit der Zeitkonstanten 1 ist. a Aus der Figur 2 ergibt sich Ve = V1 eat1 = V2 eat2
so daß Formel (4) vereinfacht werden kann:
Normalerweise kann der letzte Term in der Gleichung (5) im Vergleich zum logarithmischen
Term vernachlässigt werden, so daß man für Vaus bekommt Ve V2 Vout =kfqo ae in Dabei
kann: G a = sein. (7) G1 ist dabei der effektive negative Wirkleitwert über dem
Schwingkreis und C ist die Totalkapazität des Schwingkreises.
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Die Gleichungen (1), (2), (3) und (7) werden in die Gleichung (6)
| eingesetzt. nIan erhält dann |
| 2C 2 ,,n 2 |
| 1 VR |
| Vout = k fq 4 Ve In 2Vn + (i + V) 2 (8) |
| 2 2 |
| 2V2 + VR |
Die meisten Kernquadrupolresonanzsignale sind vergleichbar mit
den Störspannungen, wobei VR größer ist, wegen des Erfordernisses eines erträglichen
Grades von Kohärenz. Die Formel (8) kann deshalb beschrieben werden:
Daraus ist ersichtlich, daß die Ansprechbarkeit des Kreises im kohärenten Stadium
für kleine Signale linear ist und umgekehrt proportional zu
Um die vollständige Darstelung für Vaus zu bekommen, ist es notwendig, #R auszuwerten.
In der Figur 2 fällt bei Beginn des Pendelimpulses die Hüllkurve ab.
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2C Der Abfall geschieht exponentiell, wobei die Zeitkonstante 5 0
beträgt. G0 ist der Wirkleitwert des Kreises während des Dämpfungs- bzw. Löschimpulses,
Es ist deshalb: V = k' exp (-Got/2C) wobei k' eine Konstante ist und V die Spitze-Spitze
Hochfrequenzspannung zur Zeit t ist. Wenn t=O, V=Ve =k', und zur Zeit t = tOFF V'
= #2, dann gilt # = v exp ( -G t@@@/@@) (10) eingesetzt in Gleichung (9) erhält
man 2C A Vout « k fq G1 V1 exp (Go tOFF/2C) (11) Gleichung (11) beschreibt mehrere
Eigenschaften eines pendelschwingungsdetektors. Die Verstärkung des Kreises, d.h.
das Verhältnis von vaus/#I hängt von der Gesamtkapazität
des Schwingkreises
und damit von der Betriebsfrequenz ab. Der Grund für die breite Variation der Verstärkung
mit der Pendel- bzw. ljöschfrequenz in früheren Spektrometern ist einleuchtend wenn
man bedenkt, daß Pendel- bzw. Unterdrückungsschwingungen mit konstantem Impulstastverhältnis
bisher invariabel benützt worden sind, so daß tOFF umgekehrt proportional zur Pendelfrequenz
gewesen ist. Entsprechend der Erfindung ist dieser Effekt im wesentlichen beseitigt,
indem tOFF unabhängig von der Pendelfrequenz fq wird und vorzugsweise vielleicht
nach einer Anfangseinstellung konstant ist. Die Verstärkung des Detektors oder des
Spektrometers ändert sich dann nur wenig mit der Pendelfrequenz und zwar in einer
linearen Abhängigkeit anstelle einer exponentiellen. Damit kann durch die Erfindung
mit hilfe der Änderung der Pendelfrequenz eine Seitenbandanterdrtickung erreicht
werden, ohne daß komplizierte Kompensationsschaltkreise notwendig sind. Schließlich
enthält die Gleichung (11) zwei Parameter Go und tOFF, we]che beide unabhängig von
der Pendelfrequenz sind und deshalb für eine automatische Verstärkerstabilisierung
während der Verstärkerzeit benützt werden können, so daß durch Änderung der Pendel-
bzw. Unterdrückungsfrequenz das Seitenband unterdrückt wird.
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Die Figur 3 zeigt ein Blockdiagramm eines Resonanzspektrometers entsprechend
der Erfindung. Dieses Spektrometer enthält viele Gesichtspunkte, welche im Zusammenhang
mit
der Figur 1 schon beschrieben worden sind und deshalb fortgelassen werden. Hier
ist ebenfalls ein Pendelrückkopplungsempfänger 13 vorgesehen, welcher einen Schwingkreis
enthalten kann und es ist ebenfalls eine Such- bzw. Aufnahmespule, wie in der figur
1 vorgesehen. Für den Detektor 13 ist in der Figur 4 ein geeigneter Schaltkreis
dargestellt. In dieser Figur ist die Röhre V1 eine Triode, welche in einem herkömmlichen
Cölpitts-Schwingkreis angeordnet ist. Die positive Rückkopplung ist erforderlich,
um Schwingungen zu erwirken, welche von den vorgegebenen Kondensatoren C und C4
sich herleiten, welche ihrerseits einen kapazitiven Abgriff entlang dem Schwingkreis
bilden, der aus der Suchspule 11 und den Kapazitäten 40 und 41 besteht. Der Ausgang
vom Schaltkreis ist von der Anode der Röhre V1 genommen. Diese liegt bei Hochfrequenz
über einen Kondensator 43 und ein Hochfrequenzfilter an Erde, um Pendelfrequenzen
abzuleiten. Eine Löschung wird erreicht, indem an die Anschlüsse 45 eine geeignete
Wellenform gelegt wird, welche einen NPN-Transistor 46 leitend macht bzw. öffnet
oder nichtleitend macht. Dieser Transistor wirkt wie ein Ein/Aus-Schalters abhängig
davon, ob die Spannung zwischen Basis und Emitter positiv oder negativ ist. Wenn
der Transistor leitend ist, dann liegt am Gitter der Röhre V1 eine Spannung und
die Verstärkung der Röhre V1 ist vermindert, Das Ausmaß der Veratärkungsminderung
oder Dämpfung hängt von der Spannung am Anschluß 47 ab,
Diese Spannung
bildet eine direkte Steuerung für die Intensität der Lösch- bzw. Dämpfungswirkung
und ist vom Rückkopplungsschaltkreis hergeleitet. Auch wenn der Transistor abgeschaltet
ist, bleibt die Röhre V1 ungehindert ein Hochfrequenzoszillator und es können sich
Schwingungen in ihrem Schwingkreis einschwingen.
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Der Eingang am Anschluß 45, welcher mit dem Ausgang des Pendeloszillators
verbunden ist, kann rechteckig oder sinusförmig sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Wellenform von einem monostabilen Multivibrator geliefert und ist im wesentlichen
rechteckig.
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Bevor die Erzeugung der Pendel- bzw. Löschungsschwingung und die Arbeitsweise
des restlichen SchaLtkreises in der Figur 3 betrachtet wird, sollen noch einige
Einzelheiten der Oszillatoreinheit der Figur 4 näher beschrieben werden. Eine IIochfrequenzdrossel
48 ist zwischen den Kollektor des Transistors Q1 und das Gitter der Röhre V1 geschaltet,
um den Empfang hoher Harmonischer der Pendelfrequenz als Pseudoresonanz zu vermeiden.
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In früheren Schaltkreisen sind gewöhnlich Sinuspendelschwingungen
benützt worden, bei denen eine derartige Drossel nicht notwendig war.
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Die Wirkung der lIochrrequenzdrossel kann durch einen 50pF-Yondensator
50 welcher zwischen den Kollektor des Transistors Q1 und Erde geschaltet ist, erhöht
werden.
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Ein weiterer Gesichtspunkt ist der Widerstand 51, welcher parallel
zur Hochfrequenzdrossel im Kathodenkreis der Röhre V1 liegt0 Wahrend der Periode
des eingeschalteten Zustandes besitzt dieser Widerstand eine geringe Wirkung entsprechend
dem niedrigen Scheinwiderstandswert an der Kathode. Während dem eingeschalteten
Zustand des Oszillators hilft er die Schwingungen im Schwingkreis zu dämpfen und
erlaubt dadurch eine kürzere Dämpfungsperiode und damit eine höhere Pendelfrequenz
für den gleichen Grad von Kohärenz.
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Die Wirkungsweisen der nicht erwähnten Komponenten im Schaltkreis
der Figur 4 können in gleicher Weise verstanden werden wie die in Verbindung mit
bekannten derartigen Schaltkreisen.
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In der Figur 3 ist ein Spannungs generator 30 vorgesehen, welcher
eine dreiecksförmige Wellenform erzeugt. Diese wird in einem der Eingänge des Spannungsaddierers
31 eingespeist und an den anderen Eingang 31a kann eine einstellbare Spannung gelegt
werden. Der Ausgang des Spannungsaddierers 31 wird zur Steuerung eines pannungsgesteuerten
astabilen Multivibrators 32 benützt. Mit der soeben erwähnten Spannungsregelung
steigt und fällt die Frequenz des astabilen Multivibrators 32 zwischen Grenzen,
welche durch Empfindlichkeit der Spannungsregelung und durch die Amplitude der dreieckigen
Wellenform bestimmt
ist. Der Ausgang des astabilen Multivibrators
oder einer äußeren Triggerimpulsquelle 32a können abwechselnd benützt werden, indem
ein Schalter 33 in die geeignete Stellung gebracht wird. Der Schalter 33 speist
die Rechteckwelle zuerst in einen spannungsgeregelten monostabilen Multivibrator
34, dessen Ausgang eine Welle mit variabler Frequenz, aber konstanter Dämpfungsperiode
ist. Die Länge der Dämpfungsperiode kann durch geeignete Einstellung eines passiven
Bauelementes im ultivibrator eingestellt werden, welches vorzugsweise durch eine
geeignete Spannungsregelung verändert wird.
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Der Ausgang des Multivibrators 34 wird vom Verstärker 35 verstärkt
und in der im Zusammenhang mit der Figur 4 beschriebenen Art und Weise in den Empfänger
13 eingespeist.
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Der Schalter 33 speist die vom astabilen ultivibrator 32 kommende
Welle mit variabler Frequenz zu einem Triggerimpulsverstärker 36 und von dort zu
einem monostabilen Multivibrator 37. Dieser erzeugt wiederholt kurze Impulse mit
der Pendel- bzw. Unterdrückungsfrequenz. Diese Impulse werden zum Antrieb eines
Spulenmilliampermeters 38, welches von 0 bis 100 KHz kalibriert sein kann, benützt.
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Die Hochfrequenzschwingung im Empfänger 13 wird in der im Zusammenhang
mit der Figur 4 beschriebenen Art und weise moduliert. Dies kann in der Praxis dadurch
geschehen, daß die Tonfrequenz (wie sie von einem Generator 22
erhalten
wird) an eine Varactordiode D1 (Figur 4) gelegt ist, wobei wiederholt die Kapazität
des Schwingkreises und damit diens Resonanzfrequenz geändert wird. Der Oszillator
der Figur 4 kann in Frequenz gewobbelt sein, indem ein stufenweise sich änderndes
Vorspannungssignal an die Diode D1 gelegt wird0 Der modulierte Ausgang des Detektors
13 wird durch ein Pendelfilter 59 geführt, von einem Tonfrequenzverstärker 50' verstärkt
und durch einen weiteren Verstärker 51' an eine Ausgangsklemme 52 gelegt. Diese
kann entweder an eine Kathodenstrahlröhre oder an einen phasenempfindlichen Detektor
und die dazu gehörigen Schaltkreise entsprechend der Figur 1 angeschlossen sein.
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Der Ausgang des Verstärkers 502 wird ebenfalls nochmals vom Verstärker
53 verstärkt und dann durch ein Modulationsfilter 54, welches alle Signale bei der
Modulationsfrequenz (280 Hz) entfernt geschickt. Es bleiben nur die statistischen
Störsignale übrig, welche von einem weiteren Verstärker 55 verstärkt werden, von
einem Störgleichrichter 56 gleichgerichtet werden und in einem der Eingänge des
Differenzialverstärkers 57 eingespeist werden. Der andere Eingang des Verstärkers
57 ist mit dem Abgriff eines einstellbaren Potentiometers 58 verbunden. Ein Ausgang
des Differenzialverstärkers 58 regelt die Dämpfungsperiode, wobei dr an einen Schalter
59 zum automatischen Betrieb gelegt ist. Der andere
Anschluß des
Schalters 59 kann mit dem monostabilen Ilultivibrator 34 zur äußeren Spannungsregelung
verbunden sein.
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Der andere Ausgang des Differenzialverstärkers 57 ist durch eine konstante
Spannung der Batterie 60 erweitert und wird in einem Gleichstromverstärker 61 verstärkt
und über einen weiteren Schalter 62 an eine Kohärenzeingangsklemme, wie sie in der
Figur 4 beschrieben ist'gelegt.
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Die Wirkungsweises des Schaltkreises, wie er in den Figuren 3 und
4 gezeigt wird, ist so abgestimmt, wie es in herkömmlicher Weise für Absorptionsspektra
gedacht ist. Die Schwingungsfrequenz ist beispielsweise durch Änderung der Spannung,
welche an die Varactordiode D1 im Schwingkreis des Oszillators der Figur 4 gelegt
ist, geändert. Der Ausgang des Detektors wird zum Betrieb eines herkömmlichen Schreibers
benützt, welcher die Amplitude des Ausganges im Bezug auf bzw. gegen die Schwingungsfrequenz
aufträgt. Die Seitenbandunterdrückung wird durch Änderung der Pendel-bzw. Unterdrückungsfrequenz
um ein geeignetes Verhältnis erreicht, welches größer ist, als das, auf welches
der Schreiber reagieren könnte, Di. automatische Frequenzkalibrierung des Schreibers
bzw.
Aufzeichners kann durch die oben beschriebene Methode erreicht werden.
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- Patentansprüche -