DE1912604C

DE1912604C - Probe head device for nuclear magnetic resonance spectroscopy

Info

Publication number: DE1912604C
Authority: DE
Inventors: Gustav Dr. 7500 Karlsruhe Schulz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1971-12-30

Description

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Die Erfindung betrifft eine Probenkopfvorrichtung düngen PKl und PKl begrenzt, welche durch einenThe invention relates to a probe head device fertilize PKl and PKl limited, which by a

für die Kernresonanzspektroskopie mit einer Ein- schmalen Luftspalt von den Polschuhen Pl und Pl for nuclear magnetic resonance spectroscopy with a narrow air gap from the pole pieces Pl and Pl

richtung zur Einstellung verschiedener Temperaturen eines Permanentmagneten oder eines Elektromagne-direction for setting different temperatures of a permanent magnet or an electromagnetic

einer Probe, die von einem thermischen Isolations- ten getrennt sind. Zwischen den beiden Polschuhena sample separated by a thermal insulation. Between the two pole pieces

körper umgeben ist. 5 Pl und Pl besteht ein homogenes Magnetfeld, wel-body is surrounded. 5 Pl and Pl there is a homogeneous magnetic field,

In der hochauflösenden Kernresonanzspektrosko- ches den Probenkopf P und somit auch das Probenpie ist es wichtig, daß die Meßprobe verschiedenen röhrchen PR durchsetzt. Der Isolationskörper / beTemperaturen ausgesetzt werden kann. Dies wird steht aus einem (nicht magnetisierbaren) Kunststoff, allgemein durch Umströmen der in einem Glasbe- während die Probenkopfwandungen PK1 und PKl halter befindlichen Probensubstanz mit. Luft oder io aus Kupfermatcrial bestehen können. Das Proben-Flüssigkeit der gewünschten Temperatur erreicht. röhrchen PR ist von einem Ringspak R umgeben, Dabei muß stets dafür gesorgt werden, daß beim durch welchen Luft bzw. Flüssigkeit variierbarer Verändern der Probentemperatur die Temperatur- Temperatur fließt. Die Luft bzw. Flüssigkeit im verhältiiisse an den Polschuhen des Magneten mög- kingspalt R erwärmt bzw. kühlt die Substanz innerlichst wenig beeinflußt werden, da andernfalls die 15 halb des Probenröhrchens PR auf die Temperatur, Magnetfelühomogenität und bei Permamentmagne- welche die Luft bzw. die Flüssigkeit hat. Vom Ringten auch der Absolutwert der Magnetfeldstärke r,e- spalt R ausgehend fließt zu den Probenkopfwandunstört bzw. geändert wird. gen PKl und PK2 eine Rastwärmemenge β ab undIn the high-resolution nuclear magnetic resonance spectroscopy the probe head P and thus also the sample pie, it is important that the test sample penetrates various tubes PR . The insulation body can be exposed to temperatures. This is made of a (non-magnetizable) plastic, generally by flowing around the sample substance located in a glass holder while the probe head walls PK 1 and PK1 holder. Air or io can consist of copper material. The sample liquid reaches the desired temperature. The tube PR is surrounded by a ringspak R. It must always be ensured that the temperature-temperature flows when the sample temperature is varied through which air or liquid changes. The air or liquid in the verhältiiisse to the pole pieces of the magnet possible king gap R heated or cools the substance innermost little affected, since otherwise the 15 Half of the sample tube PR to the temperature Magnetfelühomogenität and Permamentmagne- which the air or the Has liquid. Starting from the ringing, the absolute value of the magnetic field strength r, e-gap R also flows to the probe head wall, which is disrupted or changed. gen PKl and PK2 a resting heat amount β from and

In Probenkopf cn für Messungen bei verschiede- erwärmt die Probenkopfwandungen PK1 und PK 2 nen Probentemperaturen wird die thermische Ab- ao und somit auch die PoIschuhePl und Pl.
schirmung bzw. Isolation des Magneten häufig Zur Kompensation dieser Restwärmemengen Q durch Anordnung der Probe in einem zylindrischen sind in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung Dewargefäß erreicht. Auch wird der Restwärme- zwei Kompensationsrohre K1 und Kl, wiederum fluß zwischen der erhitzten (oder gekühlten) Probe senkrecht zur Zeichenebene stehend, symmetrisch und dem Magneten dadurch vermindert, daß die as zu dem ProbenrötnchenPÄ innerhalb des Isolations-Wände des Probenkopfes mit einer wasserdurch- körpers/ angeordnet. Die beiden Kompensationsflossenen Kühlschlange thermostatisiert werden. Von rohre Xl und Kl sind über Wärmeleiter Wl... W 4 der technischen Seite aus gesehen wird die Herab- jeweils mit den Probenkopfwandungen Pit I und setzung des Wärmtflusses zu den Polschuhen durch PK 2 verbunden. Bei diesen Wärmeleitern Wl... W 4 die Forderung begrenzt, d;\ß mit möglichst kleinem 30 kann es sich um gut wärmeleitende Drähte oder Magnetluftspalt auszukcmmen ist. Bleche handeln, die mit den KompensationsrohrenIn probe head cn for measurements at different heated probe head walls PK 1 and PK 2 n sample temperatures, the thermal ab- ao and thus also the poles Pl and Pl.
shielding or insulation of the magnet often To compensate for these residual amounts of heat Q by arranging the sample in a cylindrical dewar flask is achieved in this embodiment of the invention. Also the residual heat - two compensation tubes K 1 and K1, again flow between the heated (or cooled) sample standing perpendicular to the plane of the drawing, symmetrically and the magnet is reduced by the fact that the as to the sample tube PA within the insulation walls of the sample head with a water flow - body / arranged. The two compensation fins cooling coil are thermostatted. Of tubes Xl and Kl are the technical side thermal conductor Wl ... W 4 on the downgrades is seen in each case with the Probenkopfwandungen Pit I and reduction of the Heats flow to the pole pieces by PK 2 is connected. With these heat conductors Wl ... W 4, the requirement is limited, d; \ ß with the smallest possible 30 it can be a question of good heat-conducting wires or magnetic air gap. Plates act with the compensation tubes

Die Erfindung sieht eine raumsparende Proben- Xl und Kl und den Probenkopfwandungen PK1 köpfvorrichtung vor, die dadurch gekennzeichnet ist, und PK 2 gut wärmeleitend verbunden, z. B. dort andaß zur Kompensation von bei Temperaturänderun- gelötet, sind. Durch die Kompensationsrohre Kl und gen auftretenden Änderungen des Wärmeflusses von 35 K2 selbst strömt Luft bzw. Flüssigkeit, welche geder Probenkopfvorrichtung auf die die Probenkopf- kühlt oder erwärmt werden kann,
vorrichtung umgebenden Polschuhe eines Magneten Wird die Luft im Ringspalt R um das Probeninnerhalb des thermischen Isolationskörpers min- röhrchen PR erwärmt, so muß zur Kompensation destens ein von einem Kühlmittel oder einem Heiz- der Restwärmemengen Q die die Kompensationsmittel durchflossenes Kompensationsrohr angeordnet 40 rohre Kl und K2 durchströmende Luft gekühlt werist, welches mit den den Polschuhen zugewandten, den, so daß Wärme von den Probenkopf wandungen wärmeleitenden Probenkopfwandungen über Wärme- PKl und PKl über die Wärmeleiter Wl... W4 zu leiter verbunden ist. den durchströmten Kompensationsrohren X1 undThe invention provides a space-saving sample Xl and Kl and the sample head walls PK 1 köpfvorrichtung, which is characterized, and PK 2 connected with good thermal conductivity, z. B. there andaß to compensate for temperature changes are soldered. Air or liquid flows through the compensation pipes Kl and gene occurring changes in the heat flow of 35 K2 , which can be cooled or heated by the probe head device on which the probe head is used,
device surrounding the pole pieces of a magnet If the air in the annular gap R is heated to the sample within the thermal insulation body min- tubes PR, it must to compensate least one of a coolant or a heating of the residual amounts of heat Q which the compensation means by flossenes compensation tube 40 disposed pipes Kl and K2 air flowing through whoist is cooled, which is connected to the pole pieces facing, so that heat from the probe head walls heat-conducting probe head walls via heat PKl and PKl via the heat conductors Wl ... W 4 to conductors. the compensation pipes X1 and

Es wird demnach der Restwärmefluß an die Pol- Kl fließen und dort abgeführt werden kann. WirdAccordingly, the residual heat flow will flow to the pole Kl and can be dissipated there. Will

schuhe kompensiert. Dadurch wird es ermöglicht, bei 45 dahingegen das Probcnröhrchen PR gekühlt, so mußshoes compensated. This makes it possible, on the other hand, to cool the sample tube PR at 45, so must

einem vorgegebenen schmalen Luftspalt und somit die Kompensationsrohre K1 und K 2 Warmluft odera predetermined narrow air gap and thus the compensation pipes K1 and K 2 warm air or

bei einem kleinen für den Isolationskörper verfüg- eine warme Flüssigkeit durchfließen, so daß Wärmewith a small one available for the insulation body, a warm liquid can flow through it, so that heat

baren Raum den Reätwärmefluß um ein bis zwei über die Wärmeleiter W1... W4 von den Kompen-space the reät heat flow by one or two via the heat conductors W1 ... W 4 from the compensation

Größenordnungen herabzusetzen. Nach Tempera- sationsrohren X1 und K2 zu den Probenkopfwan-Orders of magnitude. After the temperature tubes X1 and K2 to the probe head wall

turanderungen ist dadurch eine entsprechend ver- jo düngen PXl und PX2 fließt und diese Wandungenchanges in the flow is a correspondingly fertilize PXl and PX2 flows and these walls

kürzte Wartezeit bis zum Erreichen der konstanten auf konstanter mittlerer Temperatur hält. Die Luftholds shortened waiting time to reach the constant medium at a constant temperature. The air

Homogenität des Magnetfeldes zu erhalten. Weiter- für den Ringspalt R und die Luft für die Kompen-Maintain homogeneity of the magnetic field. Further- for the annular gap R and the air for the compensation

hin ist ein Nachjustieren der Magnetfeldhomogeni- sationsrohre Xl und Kl kann z. B. an der warmen a readjustment of the magnetic field homogenization tubes Xl and Kl can z. B. on the warm

tat nur noch selten erforderlich. Schließlich können und kalten Seite eines nicht näher dargestellten PeI-was rarely required. Finally, and the cold side of a PeI-

bei gegebenen Toleranzen für Wartezeiten oder 55 tier-Elements geheizt bzw. gekühlt werden. Bei Um-With given tolerances for waiting times or 55 tier elements, they can be heated or cooled. At around

Homogcnitätsänderungen durch diese Kompensation polung des Peitier-Elements erfolgt die ErwärmungChanges in homogeneity due to this compensation polarity of the Peitier element results in heating

des Restwärmeflusses der Platzbedarf für den I«o- und Kühlung an den vertauschten Stellen, the residual heat flow the space required for the I «o and cooling at the exchanged points,

lationskörper und damit der Luftspalt verkleinert F i g. 2 zeigt ein Diagramm, in welchem der Tem- lation body and thus the air gap is reduced F i g. 2 shows a diagram in which the temperature

werden, was den Aufwand bei Kernresonanzgeräten peraturveriauf TU an einer der Probenkopfwandun- are what the effort involved in nuclear magnetic resonance devices peraturveriauf TU on one of Probenkopfwandun-

herabsetzt. 60 gen, z. B. PXl, bei verschiedenen Temperaturen der degrades. 60 genes, e.g. B. PXl, at different temperatures

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführung«- durch den Ringspalt R bzw. die Kompensationerohre The invention is based on an embodiment «- through the annular gap R or the compensation pipes

beispiels mittels der Fig. 1 und eines Diagramms Xl und X2 strömenden Luft dargestellt ist. Die example is shown by means of Fig. 1 and a diagram Xl and X2 flowing air. the

nach der F i g. 2 im folgenden näher erläutert. beiden Kurven 1 und 2 zeigen den Temperaturverlauf according to FIG. 2 explained in more detail below. both curves 1 and 2 show the temperature profile

F i g, 1 zeigt einen Schnitt durch einen Proben- ohne Kompensation bei zwei verschiedenen Tempe- Fig. 1 shows a section through a sample without compensation at two different temperatures

kopf P. Der Probenkopf P enthält einen Isolations- Sj raturen der Probensubstanz. Die Kurven 3 und 4 head P. The probe head P contains an isolation valve for the sample substance. Curves 3 and 4

korpcf/, in welchem ein ProbenrohrchenPft senk- dahingegen zeigen den Temperaturveflauf der korpcf / in which a ProbenrohrchenPft perpendicular to go to show the Temperaturveflauf

.echt zur Zcichcncbene stehend angeordnet ist. Der ProbenkopfwandtingPXl mit Kompensation, wie· . Is arranged upright to the drawing plane. The probe head wall tingPXl with compensation, such as

(lik / selbst ist von Probenkupfwan- demm bei den gleichen Temperaturen. Die Fliehen,(lik / himself is from the sample cup wall at the same temperatures. The fleeing,

i 9i2i 9i2

die die Kurven 1... 4 gegenüber der Achse X (Ausdehnung des Probenkopfes P) einschließen, sind proportional zur Wärmemenge Q, die von den Probenkopfwandungen PK1 und PK2 en die Polschuhe Pl und P 2 abgegeben werden. Bei den Kurven 3 und 4 »ind die Flächen unterhalb der ΛΤ-Achse und oberhalb der ΑΓ-Achse gleich groß, so daß insgesamt keine Wärme von 'Jen Probenkopfwandungen PATl und PK 2 zu den Polschuhen Pl und P 2 oder in umgekehrter Richtung fließt.which enclose the curves 1 ... 4 with respect to the axis X (extension of the probe head P) are proportional to the amount of heat Q emitted by the probe head walls PK 1 and PK2 and the pole shoes Pl and P 2. In curves 3 and 4, the areas below the ΛΤ-axis and above the ΑΓ-axis are the same size, so that overall no heat flows from the probe head walls PAT1 and PK 2 to the pole pieces P1 and P 2 or in the opposite direction.

Dit Einstellung der Temperaturen der Luft, die durch die Kompensationsrohre K1 und K2 fließt und zur Kompensation der Wärmemengen Q dient, kann über Messungen von Kernresonanzspektren erfolgen. _lb The setting of the temperatures of the air that flows through the compensation pipes K 1 and K2 and serves to compensate for the amounts of heat Q can be carried out by measuring nuclear magnetic resonance spectra. _lb

Claims

Patent claims:

1. Probe head device for nuclear magnetic resonance spectroscopy with a device for setting different temperatures? Iner f robe, *> which is surrounded by a thermal insulation body, characterized in that to compensate for changes in the heat flow from the probe head device that occur in the event of temperature changes On the pole pieces (Pl and P 2) of a magnet surrounding the probe head device, within the thermal insulation body (/) at least one compensation tube (AT1 or K 2) through which a coolant or a heating medium flows is arranged, which with the pole pieces .ihen. (Pl and P 2) facing, thermally conductive probe head walls (PATl and PK 2) via heat conductors (Wl, Wl or W3, WA) is connected.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the temperature of the compensation tube (ATl or K 2) flowing through and at the same time the temperature of a sample tube (PR) flowing around the air or liquid on the cold or warm side of a Peltier element is adjustable.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that - ^; ate the heat conductors (Wl ... W 4) are good heat-conducting metal plates or wires, which are embedded in the insulation body (/) and on the one hand with the compensation tube (AC 1 or K 2) and on the other hand with the probe head wall (PATl or PAT 2 ) are in good thermal contact.

1 sheet of drawings