DE1938722A1 - Hochfrequenzkopf-System fuer eine Apparatur zur Messung der kernmagnetischen Resonanz - Google Patents

Description

Patentanmeldung

Perkin-Elmer Ltd«. Beaconsfield, Buckinghamshire /England

Hochfrequenzkopf-System für eine Apparatur

zur Messung der kernmagnetischen Resonanz

Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenzkopf-System für eine Apparatur zur Messung der kernmagnetischen Resonanz mit gekreuzten Sender- und Empfangerspulen.

In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Ausdruck Hochfrequenzkopf-System entweder auf den Hochfrequenzkopf allein, d.h.· eine Mehrzahl von funktionell zusammenwirkenden elektrischen und mechanischen Teilen innerhalb eines Gehäuses, welches in den polarisierenden magnetischen Kraftfluß eines Kernresonanzspektrometers einsetzbar ist, oder auf den Hochfrequenzkopf und alle Zubehörteile, die für dessen Steuerung erforderlich sind, gleichgültig, wo solche Teile angebracht sind, z.B. an dem Hochfrequenzkopf selbst oder an dem Steuerpult des Spektrometers oder an einer Zubehörfrontplatte usw·

Bei einem Hochfrequenzkopf-System der erwähnten Art stehen die Achse des polarisierenden Feldes, die der Senderspule und der Empfängerspule im wesentlichen senkrecht zueinander·

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Wenn der polarisierende Magnet ein solcher ist, der einen Arbeitsluftspalt zwischen gegenüberliegenden Polschuhen bildet, führt die obige Forderung zu einer Konstruktion, bei welcher die Senderspule in zwei getrennte Hälften unterteilt ist und die Empfängerspule dazwischenliegt, Ss ist natürlich ein hohes Maß von Orthogonalität erforderlich, um sicherzustellen, daß keine merkliche Hochfrequenzenergie oder nur ein geringer, kontrollierter Betrag, wie er für die Homodyntechnik erforderlich ist, elektromagnetisch auf die Empfangerspule übertragen wird, und zwar in allen Bereichen des Kernresonanzspektrums k mit Ausnahme derjenigen, wo in der analysierten Probe Resonanzen auftreten. In ähnlicher Weise muß die Übertragung durch elektrostatische Induktion geringgehalten werden.

Bei vorbekannten Hochfrequenzkopf-Systemen ist es üblich, den Effekt der elektrostatischen Induktion dadurch geringzuhalten, daß zwischen Sender- und Empfängerspule eine Faraday-Abschirmung vorgesehen wird und daß weiterhin Abgleichvorrichtungen in der Form von Eraftflußleitern oder Trimmern vorgesehen sind, um sowohl die elektrostatische Kopplung, die durch irgendeine Unwirksamkeit der Abschirmung auftreten kann, als auch die elektromagnetische Kopplung abzugleichen, die stets vorhanden ist, trotz aller Sorgfalt, die bei der Herstellung aufgewandt wird, ) um eine geometrische Orthogonalität der gekreuzten Spulen sicherzustellen. Dabei ist insbesondere zu beachten, daß geometrische Orthogonalität innerhalb der praktischen Herstellungstoleranzen nicht notwendigerweise elektromagnetische Orthogonalität innerhalb tragbarer Grenzen gewährleistet.

Die üblichen, mechanisch wirkenden Abgleichvorrichtungen erfordern die Verlagerung von Massen aus geeigneten leitenden oder einen elektrischen Widerstand bildenden Materialien, und die

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Wirksamkeit.der Justagen hängt schließlich von der räumlichen ' .» Genauigkeit und Stabilität ab, mit welcher die besagten Massen eingestellt sind. Die erforderliche mechanische Genauigkeit führt zu einer kostspieligen Herstellung, insbesondere dann, wenn eine mechanische Fernbedienung benutzt wird, um dem Be-, nutzer die Unbequemlichkeit einer direkten Manipulation an dem Hochfrequenzkopf zu ersparen, der in dem polarisierenden Kraftfluß angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Hochfrequenzkopf-System der vorerwähnten Art zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zwei im Abstand voneinander angeordnete Hälften der Senderspule, die beiderseits einer dazwischenliegenden Empfangerspule sitzen, parallel von einer Hochspannungsquelle gespeist und so ausgebildet und relativ zu der Empfängerspule angeordnet sind, daß im Betrieb ein vorgegebenes, eingestelltes Maß von elektromagnetischer Kopplung zwischen jeder derselben und der Empfängerspule besteht, welche im Falle der einen der Hälften eine induzierte Spannung in der Empfängerspule von vorgegebenem Vorzeichen und vorgegebener Amplitude hervorruft und im Falle der anderen Hälfte eine induzierte Spannung von entgegengesetztem Vorzeichen und ähnlicher Amplitude, daß elektrische Abgleichvorrichtungen vorgesehen sind, durch welche die Amplitude und Phase der jeder dieser Hälften zugeführten Hochfrequenz einstellbar sind, und daß das vorgegebene Maß von'elektromagnetischer Kupplung so im Verhältnis zum Einsteilbereich der elektrischen Abgleichvorrichtungen gewählt ist, daß durch diese Einstellungen die durch die beiden Hälften der Senderspule induzierten Spannungen in einem solchen Maße zum gegenseitigen Auslöschen gebracht werden können, wie es zur Verminderung des Grundsignals in der Empfangerspule auf ein vorgegebenes liiveau bei Abwesenheit von Kernresonanz erforderlich ist.

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Das vorgegebene Maß von elektromagnetischer Kupplung kann bei-.spielsweise dadurch hervorgerufen werden, daß die beiden Hälften der Senderspule im wesentlichen symmetrisch zu der dazwi-. schenliegenden Empfängerspule hin aus der Stellung, bei welcher die magnetischen Achsen der beiden Hälften zusammenfallen und die Achse der Empfangerspule unter rechten Winkeln schneiden, d.h. von der Lage der geometrischen Ortogonalität, geneigt, werden.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die beiden Hälften in einer solchen Weise zu formen, daß sie in ihrer Wirkung den in der oben erwähnten Weise geneigten Hälften äquivalent sind, z. B. indem die Senderspulenhälften in Gestalt eines Trapezes gewickelt sind. Eine andere Alternative besteht darin, die mechanischen Abgleichvorrichtungen nach dem Stand der Technik zu benutzen, die bei dieser Anwendung nicht an den erwähnten Nachteilen leiden würden, da sie nur eine vergleichsweise nicht kritische voreingestellte Justage zu liefern brauchten und nicht mehr und die Genauigkeit der endgültigen Einstellung durch die elektrischen Abgleichvorrichtungen bestimmt werden würde.

Es ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen,. daß zwar die elektrischen Abgleichvorrichtungen auf eine Betätigung durch den Benutzer ansprechen, daß aber dafür gesorgt werden kann, daß das Verhalten des mechanischen Teils, z.B. des Schleifers eines Potentiometers die Genauigkeit und Stabilität der endgültigen Einstellung beliebig wenig beeinflußt. Diese'Genauigkeit und Stabilität hängt schließlich von der Stabilität von elektrischen und nicht von mechanischen Eigenschaften ab.

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Elektrische und mechanische Asymmetrien, die sich aus der Herstellung und Montage der beiden Hälften der Senderspulen und der dazwischenliegenden Empfangerspule ergeben, sind verantwortlich für eine Restkopplung, bei welcher die elektro- . magnetischen Induktionsvektoren von der einen und der anderen Hälfte zufällig so orientiert sein können, daß-keine Phasen und Amplitudeneinstellung durch elektrische Abgleichvorrich-" tungen in der Lage ist, elektromagnetische Ortogonalität herzustellen. Die vorgegebene elektromagnetische Kopplung, die nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, soll den Effekt solcher zufälliger Asymmetrien unterdrücken und eine Kopplung einer größeren Größenordnung Überlagern, bei welcher die Induktionsvektoren stets von entgegengesetztem Vorzeichen sind und daher elektrisch herausjustiert werden können.

Das Maß der erforderlichen voreingestellten Kopplung ist relativ klein und wird am besten durch Versuch und Irrtum erreicht, wobei zu beachten ist, daß zwar im allgemeinen keine größere Kopplung als notwendig vorgesehen wird, daß aber die durch die Erfindung ermöglichte Abgleichbreite so ist, daß eine Kopplung, die wesentlich über diesem Minimum liegt, toleriert werden kann, ohne daß die Güte des Abgleiches dadurch wesentlich verändert wird. Voraussetzung ist natürlich, daß der Einstellbereich der Abgleichvorrichtungen dadurch nicht überschritten wird. ₄ . -

Man sollte beachten, daß einerseits eine zu geringe Neigung (oder deren Äquivalent) der Senderspulenhälften nicht ausreichen kann, um die Herstellungsasymmetrien wirksam zu unterdrücken, daß aber andererseits eine zu starke Neigung Inhomogenitäten des von den Spulenhälften eingestrahlten Kraftflusses hervorruft.

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Es muß jedoch gesagt werden, daß die zufälligen Asymmetrien sehr stark sein müßten, wenn sie eine solche Neigung erforderlich machen sollten, daß die Kraftflußverteilung dadurch nachteilig beeinflußt würde.

Einer der Vorteile der parallelen Speisung der "beiden Spulenhälften besteht darin, daß dadurch ein hohes Maß von Unabhängigkeit bei der Einstellung derselben nach Phase und Amplitude erreicht werden kann, beispielsweise durch Einschaltung eines vergleichsweise hohen Widerstandes zwischen die Hoch-P frequenzquelle und Jede Spulenhälfte. Die beiden Amplitudeneinstellungen können differenziell steuerbar sein. In ähnlicher Weise können die beiden Phaseneinstellungen vorgenommen werden. Auf diese Weise kann der Benutzer schnell einen Abgleich des Hochfrequenzkopfes erreichen, indem er einen Stellknopf mit der linken Hand und einen mit der rechten Hand betätigt," während er irgendeinen geeigneten Abgleichdetektor beobachtet.

Elektrische Abgleichvorrichtungen sind natürlich für Fernsteuerung wesentlich geeigneter als mechanische Vorrichtungen, und der Nachteil langer Hochfrequenzleitungen kann dadurch vermieden werden, daß Einrichtungen benutzt werden, die als Widerstände und Kondensatoren wirken und die über einen brauchbaren Bereich hinweg durch Anlegen einer einstellbaren Gleichspannung veränderbar sind.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß es bei einem Hochfr equenzkopf-System nach der vorliegenden Erfindung möglich ist, die Faraday-Abschirmung wegzulassen, die normalerweise zwischen die beiden Senderspulenhälften und die Empfängerspule gesetzt wird.

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Bs scheint so, daß die Neigung der Spulenhälften oder ihr ' » Äquivalent benutzt werden kann, um ein geringfügiges Ungleichgewicht der elektromagnetischen Vektoren mit einem oder dem anderen Vorzeichen hervorzurufen, welches den elektrostatischen Induktionseffekt kondensiert. Das Weglassen der elektrostatischen Abschirmung bringt eine große Vereinfachung der Herstellung mit sich und verringert auch das Problem, elektromagnetische Ortogonalität zu erreichen, insofern, als es die Verwendung von geringerer eingestrahlter Hochfrequenzleistung gestattet.

Indem zunächst ein kleines kontrolliertes Maß von elektromagnetischer Kupplung zugelassen wird und dieses dann mittels der elektrischen Abgleichvorrichtungen ausgeglichen wird, macht es die Erfindung möglich, die kostspieligen und weniger leicht abgeglichenen Systeme nach dem Stand der Technik zu vermeiden und gestattet gleichzeitig, daß die Einstellungen, die schnell auf eine optimale Einstellung hin konvergieren, aus einiger Entfernung durchgeführt werden können, z.B. an einem Steuerpult, welches einige Meter von dem polarisierenden Kernresonanzmagneten entfernt ist. Es darf jedoch nicht übersehen werden, daß zwar die Vorteile besonders ausgeprägt bei einer Fernbedienung sind, daß sie aber nichtsdestoweniger auch sogar dann erheblich sind, wenn die elektrischen Abgleichvorrichtungen so angeordnet sind, daß sie direkt an dem Hochfrequenzkopf selbst betätigt werden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht nur bei Kernresonanzspektrometern anwendbar, bei denen der polarisierende Kraftfluß zwischen den Polschuhen eines polarisierenden Magneten - entweder eines Elektromagneten oder eines Dauermagneten verläuft, sondern auch mit naheliegenden Anpassungen bei

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• Spektrometern, bei denen der polarisierende Kraftfluß derjenige ist, der in dem Mittelbereich eines eisenlosen Solenoids herrscht.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen schematischen Zeichnungen beschrieben:

Figur 1 ist ein Funktionsdiagramm und veranschaulicht den Grundgedanken der Erfindung.

Figur 2 zeigt verallgemeinernd und schematisch eine praktische Ausführungsform der Erfindung.

Figuren 3 und 4 ' -

zeigen die elektrische Schaltung und den mechanischen Aufbau eines tatsächlich nach der Erfindung hergestellten Hochfrequenzkopfes.

In Figur 1 werden die beiden Hälften 1A und 1B einer Senderspule, die einen Teil eines Hochfrequenzkopf-Systems nach der vorliegenden Erfindung bilden, parallel von einer gemeinsamen Hochfrequenzspannungsquelle gespeist, die normalerweise nicht⁵ einen Teil des Hochfrequenzkopfes selbst bildet, und zwar über Impedanzen 3A und 3B,die groß· im Vergleich zu der Impedanz der Spannungsquelle 2 sind, und über Phasen- und Amplitudejaabgleichvorrichtungen 4A und 4B.

Bei der vereinfacht dargestellten Ausführungsform von Figur 2 , sind die hohen Impedanzen veränderbare Kondensatoren 5A und 5B,

und die Abgleichvorrichtungen sind je eine Kombination eines . veränderlichen Widerstands (Widerstände 6A und 6B) und eines

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veränderlichen Kondensators (Kondensatoren 7A und 7B). Eine solche Kombination liegt parallel an der Spulenhälfte 1A und die andere an der Spulenhälfte TB. Die Spulenhälften haben einen gemeinsamen Erdpunkt 8 und einen gemeinsamen "heißen" Punkt 9· Mit diesen Punkten würde im Betrieb di« (nicht dargestellte) Hochfrequenzversorgung verbunden. -·

Die Spulenhälften 1A und 1B sind so angeordnet ,-'-daß sie ein gewisses Maß von elektromagnetischer Kopplung mit der Empfängerspule 10 ergeben, und zwar infolge der Tatsache, daß ihre magnetischen Achsen (gestrichelte Linien A und B) symmetrischrelativ zu der Achse (gestrichelte linie C) der Empfängerspule 10 geneigt sind. Die Neigung ist in Figur 2 d"er Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt. In der Praxis würde sie wesentlich geringer sein, als sie in dieser figur erscheint.

Wegen der Natur der Neigung haben die elektromagnetischen ' Induktionsvektoren, die durch die beiden Hälften hervorgerufen werden, im Betrieb entgegengesetzte Vorzeichen und ähnliche Amplituden, und entsprechende Spannungen werden in der Empfängerspule 10 erzeugt.

In der induzierten Spannung ist auch eine merkliche Komponente enthalten, die auf elektrostatische Induktion zurückzuführen ist, da bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel keine laraday-Abschirmung zwischen der Sender- und Empfängerspule vorgesehen ist. Die Empfängerspule kann nicht von den elektromagnetischen und elektrostatischen Anteilen unterscheiden, die von den beiden Hälften der Senderspule zu dem induzierten Signal beigetragen werden und "sieht" nur die Endspannung, die sich aus der Yektorsumme der Beiträge ergibt.

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Durch geeignete Einstellung der Abgleichvorrichtungen -kann diese Endspannung, in welcher sowohl die elektromagnetische als auch die elektrostatische Induktionswirkung sich darstellt, auf .ein vernachlässigbares Niveau vermindert werden.

In Figur 2 ist angenommen, daß die beiden Senderspulenhälften 1A und 1B innerhalb eines polarisierenden magnetischen Kraftflusses angeordnet sind, der unter rechten Winkeln zu der Papierebene zwischen den beiden Polschuhen eines (nicht dargestellten) polarisierenden Magneten verläuft, welcher letztere einen Arbeitsluftspalt bildet und daß der Probenträger in die Spule 10 längs der Achse C eingeführt wird. Im Fall eines mit Supraleitung arbeitenden Magneten, im wesentlichen einem supraleitenden Solenoid, muß die Probe axial in das Solenoid eingeführt werden, und die Empfangerspule muß ebenso wie die Senderspule in zwei Hälften unterteilt v/erden. Abgesehen davon ist die Erfindung dort in gleicher Weise anwendbar.

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Bei der Einstellung des Hochfrequenzkopfes werden erst die veränderbaren Kondensatoren 5A und 53 (Figur 2) eingestellt, um einen Grobabgleich der äesonanzbedingungen zwischen den zwei Hälften 1A und 1B zu erzielen, wie er durch ein Meßgerät 11 angezeigt wird, welches den Ausgang des Detektors 12 überwacht, welcher mit der Empfängerspule 10 verbunden ist. Alle veränderbaren Komponenten sind zunächst einmal auf die Hitte ihres Einstellbereichs eingestellt worden.« Dieser anfängliche Abgleich läßt im allgemeinen ein erhebliches G-rundsignal in der Spule 10 übrig. Durch abwechselnde Einstellungen der veränderbaren Widerstände 6A und dB einerseits und der veränderbaren Kondensatoren 7A und 7B andererseits kann das G-rundsignal in schnell konvergierender Weise vermindert werden.

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Da die voreingestellte Kopplung mit der Spulenhälfte 1A entgegengesetzt zu der ist, die durch die Spulenhälfte 1B hervorgerufen ist, müssen die Amplituden und Phaseneinstellungen der "beiden Hälften in entgegengesetzten Richtungen erfolgen, und durch geeignete Abstimmung der Empfindlichkeiten der Steuerungen können die Widerstände 6A und 6B zur differenziellen Einstellung miteinander gekuppelt sein. Ähnliches gilt für die Kondensatoren 7A und 7B. Auf diese Weise kann der Abgleichvorgang sehr einfach durchgeführt werden, indem ein Stellglied mit der linken Hand und eines mit der rechten Hand betätigt wird, während das Instrument 11 beobachtet wird.

Wenn auch die miteinander gekuppelten Widerstände 6A und 6B und die miteinander gekuppelten Kondensatoren 7A und 7B entweder in dem Hochfrequenzkopf selbst oder entfernt davon angeordnet sein können, so kann es doch im letzteren Pail unter gewissen Umständen sich als unerwünscht erweisen, relativ lange Hochfrequenzpfade zwischen dem Hochfrequenzkopf und seiner Steuerung vorzusehen. Eine Lösung, die sich als sehr zufriedenstellend erwiesen hat, besteht darin, spannungsempfindliche Widerstände und Kondensatoren zu verwenden und die Fernsteuerung dadurch zu bewirken, daß die Gleiclistrompolarisation über GKLeichstromleitungen eingestellt wird, die sich über jede gewünschte Entfernung von dem Hochfrequenzkopf erstrecken können.

Ein solcher ferngesteuerter Abgleich des Hochfrequenzkopfes ist in der in Figur 3 dargestellten Schaltung eines praktisch ausgeführten Hochfrequenzkopfes vorgesehen. Dort hat die Schaltung, die von dem Rahmen FI umschlossen ist, die Aufgabe, differenziell sich ändernde Gleichspannungen an den Leitungen L1 und

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12 zur Steuerung der spaimungs empfindlichen Kondensatoren zu erzeugen und ähnliche Gleichspannungen an den Leitungen 13 und 14 zur Steuerung der sρannungsempfindlichen Widerstände.

Der Rahmen ΙΊ umschließt zwei identische Netzwerke, die parallel aus einer gemeinsamen Gleichspannungsquelle von 12 Volt gespeist werden. Pas obere Hetzwerk enthält ein Potentiometer 13, dessen zwei Abschnitte 13A und 13B auf der einen und der anderen Seite des Schleifers 0 die öfteren benachbarten Zweige einer Wheatstone-Brücke darstellen. Die Widerstände H und 15 stellen die unteren "benachbarten Zweige der Brücke dar. Wenn die Brücke abgeglichen ist, liegen die leitungen 11 und 12 auf dem selben Potential gegen Erde, undwenn der Schleifer 13C von der abgeglichenen Stellung in die eine oder die andere Richtung verstellt wird, so ändern sich die Spannungen gegen Erde an den leitungen 11 und 12 differenziell.

Der Widerstand 16 mit dem Kondensator 17 bildet ein Filter, welches Störwechselspannungen zur Erde ableitet. Ähnlichen Zwecken dient der Widerstand 18 und der Kondensator 19 an der anderen Seite.

Die Schaltung innerhalb des Rahmens £2 enthält ebenfalls zwei übereinstimmende Teile, links .und rechts von dem Koaxialstecker P für die eingestrahlte Hochfrequenzleistung. Es soll nachstehend nur die linke Seite beschrieben werden. Dort bilden die Kondensatoren 20 und 21 zusammen das Äquivalent des Kondensa-

tors 5A in Pigur 2. Der spannungsempfindliche Widerstand 22 (p.I.L^:.-Diode) ist äquivalent dem veränderbaren Widerstand 6A und der spannungs empfindliche Kondensator 23 (Varicap) entspricht dem Kondensator '7A.

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Weiterhin isoliert der Kondensator 24 die Gleichspannungsversorgung von der Hoch.freq.uenz, die der Senderspulenhälfte 1A zugeführt wird. Der Kondensator 25 und der Widerstand 26 verhindern, daß Hochfrequenz in die Gleichstromversorgung über. Leitung L1 gelangt. In ähnlicher Weise wirkt der Kondensator 27 und der Widerstand 28 im Hinblick auf Leitung 13. Ein gleichspannungsblockierender Kondensator 29"ist auch vorgesehen, um zu verhindern, daß die Gleichspannung, die der P.I.H.-Diode 22 zugeführt wird, zu der Spule ΐΑ gelangt.

Der Kondensator 29 bildet außerdem einen Spannungsteiler in Verbindung mit dem Kondensator 30, deren Kapazitäten so gewählt sind, daß bei der eingestrahlten Hochfrequenz von 60 Megahertz die P.I.N.-Diode 22 sie als einen Widerstand im mittleren Bereich von 90 Ohm "sieht" und die Spule 1A als entsprechenden Widerstand von 3800 0hm. Diese Impedanzwandlung soll dazu dienen, daß die P.I.IT.-Diode in der Mitte ihres Impedanzbereiches betrieben werden kann, wo. die Empfindlichkeit der Vorrichtung, d.h. die iinderung des Widerstands in Abhängigkeit von dem Steuergleichstrom linear ist.

Bei der Einstellung des Hochfrequenzkopfes von Jigur 3 werden das Potentiometer 13 und sein Gegenstück im-unteren Hetzwerk innerhalb des Eahmens F1 auf die Mitte des Bereiches gestellt, und dann werden bei Zufuhr von 600 Megahertz zu dem Sockel P der Abgleichkondensator 21 und sein Gegenstück im letzwerk gegenüber abwechselnd eingestellt, bis die Senderspulenhälfte 1A und die andere Hälfte hinreichend nahe an der Resonanz und dem Abgleich liegen und außerdem die Hochfrequenzzuleitung mit ihrem Wellenwiderstand abschließen. Durch Ersatz durch einen Widerstand mit dieser Impedanz ist es möglich, nachzuweisen, ob die richtige Impedanzanpassung durch Betätigung

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des Abgleichkondensators 21 und seines Gegenstückes erzielt worden ist. Der Abgleich kann wie im Pail von Figur 1.überwacht werden, und man kann eine Anzeige der Resonanz erzielen, indem die Spannung an der Spulenhälfte 1A und der anderen Hälfte abwechselnd gemessen wird.

Innerhalb des Rahmens 1*3 ist die Empfängerspule 10 dargestellt, die der Spule mit dem gleichen Bezugszeichen in Mgur 2 entspricht. Parallel zu der Empfangerspule 10 liegen Kondensatoren 31, 32, 33 und 34, welche die Hochfrequenzleitung 35 mit ihrem Wellenwiderstand abschließen..Der Kondensator 34 ist veränderbar, um eine Verbesserung dieses Abschlusses zu ermöglichen. ■

Nachstehend ist eine Liste der Komponentenwerte angegeben, die für die Schaltung von Figur 3 bei einer eingestrahlten Hochfrequenz/von 60 Megahertz und einer Versorgungsgleichspannung von 12 Volt gewählt wurden:

In Rahmen, F1

Potentiometer 13 (5K) Widerstände H und 15 (470) " 16 " 18 (3.9K)

Kondensatoren 17 " 19 (100λχ¥)

In Rahmen F3

Kondensator 31 (12p) " 32 (180p) ¹¹ 33 (47p) " .34 (0-1Op)

In Rahmen ff2

Widerstand 26 (6.8K)

» 28 (3.3K)

Kondensator 20 (6.8p)

¹¹ 21 (G-3.3P)

¹¹ 24 (220p)

¹¹ 25. (1000p)

¹¹ 27 ('100Op)

" 29 (47p)

" 30 (27Op)

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Die Komponenten im Rahmen Έ2 sind tatsächlich innerhalb des. Hochfrequenzkopf-Gehäuses in einer Kammer angeordnet, die "bei der Beschreibung von Figur 4 noch erwähnt werden wird, welche letztere den mechanischen Aufbau des betrachteten Kochfrequenzkopfes darstellt. Die Komponenten in dem Rahmen F1 sollen an einer entfernten Station angeordnet werden, wobei der Schleifer 13C und sein Gegenstück unten mittels getrennter Knöpfe betätigbar ist, die bequem an der !Frontplatte der besagten Station angeordnet sind, um es dem Benutzer zu ermöglichen, abwechselnd einen Knopf mit der linken Hand und den anderen mit der rechten Hand zu drehen, während ein (nicht dargestelltes) Abgleichmeßinstrument mit dem ITullpunkt in der Kitte beobachtet wird. Dieses Abgleichmeßinstrument ist auch bequem an der Prontplatte angebracht.

Figur 4 zeigt eine Hauptraumform mit einem Kopfstück 1 des Hochfrequenzkopfes, einem davon nach unten ragenden Körper 2 des Hochfrequenzkopfes und einem Ansatz 3 dieses Körpers, die jeweils aus einem Aluminiumblock hergestellt sind. Der Körper 2 des Hochfrequenzkopfes ist mit (nicht dargestellten) Augen versehen zur Befestigung desselben mittels Schrauben in einer Ausnehmung an der Unterseite des Kopfstückes 1 des Eoclifrequenzkopfes. Der Ansatz 3 des Körpers ist in ähnlicher Weise mit Augen 4 versehen, die mit Schrauben 5 zusammenwirken und den Ansatz 3 an der Unterseite des Körpers 2 des Hochfrequenzkopfes befestigen. *

Der Körper 2 des Hochfrequenzkopfes ist so bearbeitet, daß er seitliche Wandungen 6 und 7, eine Bodenwandung 8 und eine Trennwand 9 bildet. In ähnlicher Weise ist der Ansatz 3 so bearbeitet, daß er seitliche Wandungen 10 und 11, eine Trennwand 12-, obere Wandungen 13 und 14 und untere Wandungen 15 und 16 bildet.

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IAB ORiQiNAL

' Es werden so zwei in vertikalem Abstand voneinander liegende bilderrahmenartige Durchbrüche in dem Körper 2 des Hochfrequenzkopfes gebildet und zwei in horizontalem Abstand voneinander liegende Durchbrüche in dem Ansatz 3 des Körpers des Hochfrequenzkopfes.

Der obere Rahmen in dem Körper 2 des Hochfrequenzkopfes nimmt die elektronischen Teile auf, die mit der Abgleichfunktion des Hochfrequenzkopfes zusammenhängen, d.h. die Teile inner-* halb des Rahmens F2 in Figur 3 (mit Ausnahme der Empfängerspulenhälfte 1A und ihres nicht bezeichneten Gegenstückes). Der untere Rahmen ist für die elektromagnetischen Spulen vorgesehen, die noch beschrieben werden sollen, und die Rahmen in dem Ansatz 3 nehmen die Teile auf, die ausschließlich der Empfängerspule zugeordnet sind, d.h. die Kondensatoren, die innerhalb des Rahmens F3 in Figur 3 gezeigt sind. Nachdem die Teile innerhalb der Rahmen dee Körpers 2,des Hochfrequenzkopfes montiert sind, werden (nicht dargestellte) vordere und hintere Deckplatten an den Rahmen befestigt mittels Schrauben, die in Sacklöcher 17eingreifen. In ähnlicher Weise werden Deckel auf dem Rahmen in dem Ansatz 3 befestigt, dessen Wände mit Sacklöchern -18 versehen sind. Es werden somit in einer starren Raumförm drei getrennte elektrostatisch abgeschirmte Kammern gebildet, die mit üblichen Herstellungsmethoden genau reproduziert werden können.

Das Kopfstück 1 des Hochfrequenzkopfes und die Wandungen 9»8 und 12 sind jeweils mit einer runden Bohrung versehen, deren Achse im wesentlichen mit der Längsachse des Hochfrequenzkopfes zusammenfällt. Die fluchtenden Bohrungen sind dazu bestimmt, einen zylindrischen Probenhalter aufzunehmen, der um die Achse des Hochfrequenzkopfes drehbar angeordnet ist.

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Die Bohrung in der Trennwand 9 ist tatsächlich in einem nach oben ragenden Ansatz 19 vorgesehen, und eine Bylonbuchse 20 ist in diese Ms zum unteren Ende desselben 21 eingepreßt (siehe die vergrößerte Darstellung von Figur ^-A), und zwar so weit, daß die Schulter 22 an der Oberseite des Ansatzes 19 anliegt. Die Buchse 20 hat drei innere Vorsprünge 23., die als Lager für einen rotierenden Probenhalter in Form eines langen Glasrohres dient, welches letztere in Figur h nicht dargestellt ist.

Der obere Teil 24 der Buchse 20 soll das untere Ende eines abschirmenden Aluminiumrohres 25 aufnehmen, nachdem das letztere in die Bohrung in dem Kopfstück 1 des Hochfrequenzkopfes eingeführt ist. Das Rohr 25 hat einen oberen Flansch 26, der in einer Ausnehmung um die zentrale Bohrung in dem'Kopfstück des Hochfrequenzkopfes sitzt, in welche Ausnehmung auch die Unterseite eines Uylonblockes 27 paßt, der mit dem Kopfstück des Hochfrequenzkopfes durch Schrauben 28 verbunden ist. Der Mylonblock 27 dient drei verschiedenen Zwecken: Er liegt an Flansch 26 an und drückt das Rohr 25 nach unten gegen die Schulter 22 der Buchse 20. Er hält einen austauschbaren Ring 29, der mit nach innen ragenden Vorsprüngen versehen ist, welche als Oberes Lager für einen Probenhalter dienen und in Figur 5B vergrößert dargestellt sind. Außerdem bildet er einen Teil einer Luftturbine, durch welche der Probenhalter in Drehung versetzt wird, indem er eine Halterung für einen Luftanschluß 30 bildet, der in eine (nicht dargestellte) Luftdüse innerhal-b eines Hohlraums 31 endet, in welchem ein Turbinenrad, das an dem oberen Ende des Probenhalters befestigt ist, sitzt, wenn der Probenhalter in den Hochfrequenzkopf eingesetzt ist.

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Die durch die Trennwand 12 verlaufende Bohrung ist mit einem Gewinde versehen und nimmt eine Nylonschraube 32 auf, die einen glatten zylindrischen Teil 33 besitzt und mit einer ebenen Oberseite als Drucklager für den konvexen Boden eines Probenhalters dient.

Die elektrischen Verbindungen aus dem Hochfrequenzkopf heraus sind durch das Kopfstück 1 des Hochfrequenzkopfes herausgeführt, wo an einer Seite desselben die Empfängerspulenleitungen 34 (siehe leitung 35 in figur 3)" liegen, die in einem koaxialen Stecker 35 (siehe Stecker 36 in Figur3) enden, und die Hochfr equenzkopf- Abgleichleitungen 36 (entsprechend 11 Ms L4 in Figur 3) mit einem Stecker 37. Ander anderen Seite sitzt der Sockel 38 für die Senderspule, und die Leitungen 39 mit dem Klemmenstecker 40 für die Feldmodulationsspulen, die noch beschrieben werden.

Der Hochfrequenzkopf von Figur 4 soll mit Halterungsmittein zusammenwirken, beispielsweise einer Platte, die auf dem polarisierenden Kernresonanzmagneten angebracht ist, z.B. über einer Öffnung, die in den Körper eines zylindrischen Dauermagneten eingearbeitet ist, um es dem Benutzer zu ermöglichen, den Hochfrequenzkopf in den Arbeitsluftspalt des Magneten einzuführen, und ihn dort mit reproduzierbarer Genauigkeit zu haltern. Die Vorderseite des Hochfrequenzkopfes ist dabei der einen Polfläche zugekehrt und die Rückseite der anderen Polfläche. Um die erforderliche Fluchtung zu gewährleisten, werden an der Unterseite des Kopfstückes des Hochfrequenzkopfes (nicht dargestellte ) Führungszapfen eingeführt, die in entsprechende Bohrungen der Tragplatte passen.

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Wenn die Zapfen in Eingriff gebracht sind, wird das Kopfstück des Hoehfrequenzkopfes direkt nach unten gedrückt, Ms seine Unterseite an der Tragplatte anliegt. Die Handhabung des Hochfrequenzkopfes durch den Benutzer wird erleichtert durch einen umgekehrt U-förmigen Draht 41, in welchen ein Finger eingeführt werden kann, wenn der Benutzer den Hochfrequenzkopf aus seinem Sitz herausziehen will, um ihn aus dem Arbeitsluftspalt herauszunehmen.

Es sollen nun die Teile beschrieben werden, die innerhalb des unteren Rahmens des Körpers 2 des Hochfrequenzkopfes enthalten sind, wobei mit der Sender- und Empfängerspulenanordnung 42 begonnen werden soll. In der vergrößerten Darstellung der Anordnung, die in Figur 4C gezeigt ist, ist eine Empfänger.-spule 431 die aus einigen Windungen von emailliertem Kupferdraht besteht, dicht auf einen-dünnwandigen GlasformkÖrper aufgewickelt, wobei das obere Ende des Drahtes nach unten geführt ist, dicht an der Außenfläche der Spule entlang und eng an dem unteren Ende des Dralvfces entlangläuft und die beiden parallelen Drahtabschnitte hinreichend lang sind, so daß sie den Ansatz 3 erreichen und mit den darin untergebrachten Empfängerspulen-Schaltelementen verbunden werden können. Die Empfang er s pule 43, einschließlich der Endabsclinitxe, ist an dem GlasformkÖrper 44 mittels eines geeigneten Klebers befestigt.

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Ein zweiter GlasformkÖrper 45 ist koaxial über dem Formkörper 44 angeordnet, und der Innendurchmesser desselben ist so gewählt, daß die Innenfläche gerade frei von dem Drahtabschnitt ist, der über die Außenseite der Empfang; er spule 43 heruntergeführt ist. Zwei symmetrische Empfängerspulen 46 und 47, die su trapezartiger Grundform gewickelt sind, sind an den Glas-

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IAE*

• formkörper 45 in einer solchen Weise angedrückt, daß die -ungleichen oberen und unteren Seiten der Spule eine bogenförmige Gestalt entsprechend der Krümmung des Formkörpers annehmen. Die beiden Spulen können natürlich in die richtige Gestalt vorgeformt werden. Die beiden Enden jeder der Spulen sind mit isolierten Klemmensäulen verlötet, die durch die Trennwand 9 hindurchtreten. Eine dieser Säulen ist in J¹IgUr 4 mit 48 bezeichnet. '

Bei der Anbringung der Anordnung 42 innerhalb des unteren Rah-' mens in dem Körper 2 des Hochfrequenzkopfes wird der Glasformkörper 45, dessen länge geringfügig geringer ist als die Höhe der Öffnung in dem besagten unteren Rahmen, an seine Stelle geschoben, wobei das untere Ende desselben in der Bohrung in der Wandung 8 sitzt. Dann wird eine ITylonhülse 49» siehe Fig'.4, in der Bohrung im Ansatz 19 von oben heruntergedrückt. Die •Buchse 20 und das Rohr 25 sind in diesem,Stadium noch nicht eingesetzt. Diese Hylonhülse 49 kann dann ein wenig in die Bohrung des Formkörpers 45 hineinragen. Die Hülse 49 bildet mit beiden Bohrungen eine Art Preßsitz, und infolgedessen wird der Formkörper 45 an seiner Stelle gehalten.

Das untere Ende des Formkörpers 44 wird jetzt mittels Wachs in einer zylindrischen Ausnehmung an der Oberseite der Bohrung in der Wandung 12 des Ansatzes 3 befestigt, der noch nicht an dem Körper 2 des Hochfrequenzkopfes befestigt ist. De;r Ansatz 3 wird dann an den Körper 2 des Hochfrequenzkopfes von unten angesetzt, wobei der Formkörper 44 in den Formkörper 45 eingeführt wird". Der Ansatz 3 wird an den Körper 2 angedrückt, wenn die Oberseite des Formkörpers 44 durch die Nylonhülse 49 gleitet. Die Unterseite des Formkörpers 45 liegt dann an der Oberseite des Ansatzes 3 auf einer Ringfläche um die besagte zylindrische Ausnehmung herum an.

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lach Anziehen der Schrauben 5 wird Wachs in den Bereich der Hülse 49 eingeschmolzen, um eine Sicherung gegen Klappern der Teile zu erzielen.

Die Abmessungen, die für den Aufbau der Anordnung 42 benutzt wurden, sind folgende:

!Formkörper 44

Länge 30	mm
Innendur chme s- ^
ser '	ο mm
Außendurchm. 6,	3 mm
Empfangerspule 43
Länge der Spule	1,5 r mm
Drahtmaß	32 SWG *)
Windungs zahl	6

Formkörper 45

Länge 25 mm Innendur chme s- _n ~, -

7,3 mm

O CX

Außendurchm. 8,2 mm

Senderspulenhälften 46 u. Abstand zwischen kurzen

Seiten

14 mm

Länge der oberen kurzen

Seite . 7 mm

Länge der unteren kur- zen Seite	9	mm
Drahtmaß	30	SWG
Wi ndung s ζ ahl	2

Der untere Rahmen des Körpers 2 des Hochfrectuenzkopfes nimmt außer der Anordnung 42 eiaenlose ]?eldmodulationsspulen 50 und 51 auf, die ^ede 260 Windungen von 36 SViG emailliertem Kupferdraht aufweisen. Die Leitungen für die Modulationsspulen treten bei 52 aus der Wandung 6 des Körpers 2 des Hochfrequenzkopfes aus und verlaufen längs eines Kanals in der besagten Wandung zu zwei isolierten Klemmensäulen 53. Ein ähnlicher Kanal in der Wandung 7 nimmt den Teil der Leitungen 34 zwischen dem Ansatz 3 und der Unterseite des Kopfstückes 1 des Hochfrequenzkopfes auf.

*) Standard Wire Gauge

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In der Be schrei bung von Figur 4 sind solche Teile, wie "beispielsweise die eingeschraubten Buchsen für die Leitungen 34 und 36, die mechanische Details geringerer Bedeutung darstellen, nicht im einzelnen beschrieben. In ähnlicher Weise sind diejenigen Teile, die in dem Rahmen des Körpers 1 des Hochfrequenzkopfes gezeigt sind und die mit der Abgleichfunktion für den Hochfrequenzkopf zusammenhängen und die Teile innerhalb des Ansatze's 3, die mit der Smpfängerfunktion zusammenhängen, nicht besonders erwähnt worden, da das elektrische Schaltbild von Figur 3 diese Teile hinreichend beschreibt.

Man wird erkennen wie bei, der Verwirklichung des Grundgedankens der vorliegenden Erfindung bei der Konstruktion des Hochfrequenzkopfes von Figur 4 besondere Sorgfalt darauf verwandt worden ist, einen Aufbau zu schaffen, der sowohl elektrisch als auch mechanisch zu dem vorteilhaften Verhalten beiträgt, welches von dem besagten·Grundgedanken der Erfindung herrührt. Eine hohe mechanische Steifigkeit ist kombiniert mit wirksamer elektrostatischer Abschirmung, und es wird nicht wertvolle Luftspaltbreite von den Feldmodulationsspulen eingenommen, wie das bei gebräuchlichen Anordnungen der Fall ist, wo flache Spulen koaxial um die magnetische Achse des polarisierendenlfegneten angeordnet sind, so daß die Gesamtbreite des Hochfrequenzkopfes die kombinierte Dicke der beiden Spulen aufnehmen muß.

Im Gegensatz zu einigen vorbekannten Systemen hat es sich gezeigt, daß mit dem beschriebenen Hochfrequenzkopf normalerweise kein neuer Abgleich erforderlich ist, wenn verschiedene Kernresonanzproben, die sich nicht stark in ihren dielek-

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trischen Verlusten unterscheiden, nacheinander benutzt werden und die Technik der Probendrehung verwendet wird. Es scheint so, als wenn die Parallelschaltung-der Senderspulenhälften ein Mittel zum elektrostatischen Abgleich bietet, und das Weglassen der Paraday-Abschirmung hat es ermöglicht, die effektive Kapazität zwischen den Hälften und der Empfängerspule gerade so viel zu erhöhen, daß kapazitive Veränderungen, die durch die Einführung der Probe hervorgerufen werden, unterdrückt werden, ohne daß andererseits irgendwelche kritischen Veränderungen hinsichtlich des Abgleichs des Hochfreq.uenzkopfes eingeführt werden.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Hochfrequenzkopf-System für eine Apparatur zur Messung der kernmagnetischen Resonanz mit gekreuzten Sender- und Empfängerspulen,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß zwei im Abstand voneinander angeordnete Hälften (1A, 1B, 46, 47) der Senderspule, die beiderseits einer dazwischenliegenden Empfangerspule (10, 48) sitzen, parallel von einer Hochfrequenzspannungsquelle (2) gespeist und so ausgebildet und relativ zu der Empfängerspule (10, 48) angeordnet sind, daß im Betrieb ein vorgegebenes, eingestell-. tes Maß von elektromagnetischer Kopplung zwischen jeder derselben und der Empfangerspule (10, 48) besteht, welche · im Falle der einen der Hälften eine induzierte Spannung in der Empfangerspule von vorgegebenem Vorzeichen und vorgegebener Amplitude hervorruft und im Pail der anderen Hälfte eine induzierte Spannung von entgegengesetztem Vorzeichen und ähnlicher Amplitude,

   daß elektrische Abgleichvorrichtungen (6A, 7A, 6B, 7B, 22, 23) vorgesehen sind, durch welche die Amplitude und Phase der jeder dieser Hälften zugeführten Hochfrequenz einstellbar

   sind und . ,

   daß das vorgegebene Maß von elektromagnetischer Kupplung so im Verhältnis zum Sinstellbereich der elektrischen Abgleichvorrichtungen gewählt ist, daß durch diese Einstellungen die durch die beiden Hälften der Senderspule induzierten Spannungen in einem solchen Maße zum gegenseitigen Auslöschen

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   gebracht werden können, wie es zur Verminderung des Grundsignals in der Empfängerspule auf ein vorgegebenes Niveau bei Abwesenheit von Kernresonanz erforderlich ist.

   2. Hochfrequenzkopf-System nach Anspruch 1, dadurch gekenn-' . zeichnet, daß die beiden Spulenhälften die besagte vorgegebene elektromagnetische Kupplung infolge ihrer form hervorrufen. ·

   Hochfrequenzkopf-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spulenhälften (46, 47) trapezförmige G-rundform besitzt und die Spulenhälften symmetrisch zu der Längsachse des Hochfrequeiizkopfes so angeordnet sind, daß eine gedachte, gerade Linie, welche die beiden gegenüberliegenden, ungleichen Seiten jedes Trapezes unter rechten Winkeln halbiert, im wesentlichen parallel zu dieser Längsachse verläuft.

   4. Hochfrequenzkopf-System nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß dj.e beiden ungleichen Seit.en so gebogen sind, daß sie der Außenfläche eines ersten zylindrischen formkörpers (45) folgen und alle Seiten des Trapezes auf dieser Fläche liegen.

   5. Hochfrequenzkopf-System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangerspule (48) auf einem zweiten zylindrischen formkörper (44) innerhalb des ersten formkörper s/ angebracht ist.
   (45)

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   Hoch.frequenzkopf-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die "beiden Spulenhälften (1A, 1E) rechteckige Grundform besitzen und symmetrisch zur Längsachse des Hochfrequenzkopfes so angeordnet sind, daß eine gedachte gerade Linie, welche die beiden kürzeren Seiten einer Spulenhälfte iinter rechten Winkeln halbiert, symmetrisch zu der entsprechenden, gedachten Linie der anderen Spulenhälfte geneigt "ist und die beiden gedachten geraden Linien und die Hochfrequenzkopfachse im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen·.

   Hochfrequenzkopf-System^ nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Phasenabgleichvorrichtungen und Amplitudenabgleichvorrichtungen für die beiden Spulenhälften jeweils paarweise vorgesehen und von einer Stellvorrichtung (?1) differenziell betätigbar sind, so daß der Benutzer eine Stellvorrichtung mit der linken und die andere mit der rechten Hand bedienen kann.

   8. Hochfrequenzkopf-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgleichvorriciitungen (22, 23) in ihren elektrischen Werten nach-Maßgabe veränderlicher Gleichspannungen veränderbar sind und der Hochfrequenzkopf über Gleichspannungsleitungen (L1, L2, L3, L4) fernbedient abgleichbar ist.

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   9. Hochfrequenzkopf-System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch, gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Spulenhälfte.n (1A, 1B) einerseits und der Empfängerspule (10) andererseits keine elektrostatische Abschirmung vorgesehen ist.

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