DE19840622C2 - Spinresonanz-Spektrometer sowie Vielkanal-Spinresonanz-Spektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spinresonanz-Spektrometer mit einem auf einer vorbestimmten Grundfrequenz arbeitenden Hochfrequenz­ sender und mit einem vom Hochfrequenzsender gespeisten Proben­ kopf.

Ein Spinresonanz-Spektrometer der vorstehend genannten Art ist aus der DE 38 38 252 A1 bekannt.

Die Erfindung betrifft ferner ein Vielkanal-Spinresonanz- Spektrometer mit einer bestimmten Vielzahl von auf vorbestimm­ ten Grundfrequenzen arbeitenden Hochfrequenzsendern, die einer entsprechenden Vielzahl von Sende- und/oder Empfangseinheiten in einem Probenkopf zugeordnet sind.

Ein Vielkanal-Spinresonanz-Spektrometer der vorstehend genann­ ten Art ist aus der DE 40 02 160 A1 bekannt.

Spinresonanz-Spektrometer sind in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. Im folgenden soll die Erfindung an Hand eines Kern­ resonanz-Spektrometers erläutert werden, es versteht sich je­ doch, daß auch andere Resonanzvorgänge, beispielsweise die Elektronenspinresonanz, von der Erfindung mit umfaßt werden.

Ferner soll der Begriff "Spinresonanz-Spektrometer" auch solche Vorrichtungen umfassen, bei denen magnetische Resonanz mit bildgebenden Verfahren eingesetzt wird, beispielsweise Kern­ spintomographen.

Bei Kernresonanz-Spektrometern wird das Hochfrequenzsignal üb­ licherweise in getasteter (gepulster) Form dem Probenkopf zu­ geführt. Hierzu wird ein Signal einer bestimmten Grundfrequenz, üblicherweise im Bereich von einigen 100 MHz, mittels eines Synthesizers erzeugt, dann mittels eines programmierbaren Im­ pulsgenerators nach einem vorbestimmten Programm getastet und schließlich verstärkt. Das verstärkte Signal gelangt über ein Tiefpaßfilter oder ein auf die Grundfrequenz abgestimmtes Band­ paßfilter zu dem Probenkopf, der sich in einem Magnetsystem be­ findet und die Probe enthält.

Bei Anpassungsfehlern im Bereich des Probenkopfs werden Ober­ wellen der Grundfrequenz erzeugt. Diese Oberwellen werden vom Probenkopf zum Hochfrequenzsender reflektiert. Sie dringen im Hochfrequenzsender in die Endstufe ein und können dort zu Be­ schädigungen, jedenfalls zum Abschalten des Senders führen.

Aus der eingangs genannten DE 38 28 252 A1 sind ein Verfahren zum Abstimmen des Probenkopfes eines NMR-Spektrometers sowie ein zur Durchführung des Verfahrens ausgebildetes NMR- Spektrometer bekannt. Bei dem bekannten Spektrometer wird al­ ternativ der Probenkopf und ein Normalwiderstand auf die Emp­ fängerschaltung des NMR-Spektrometers geschaltet. Zum optimalen Anpassen des Probenkopfes wird die Differenz der alternativ ge­ messenen Signale minimiert. Hierzu wird zunächst das bei Ein­ schaltung des Normalwiderstandes gemessene Signal gemessen und als Bezugssignal gespeichert. Dann wird der Probenkopf an die Empfängerschaltung angeschlossen und das gemessene Signal als Abgleichssignal mit dem gespeicherten Bezugssignal während der Abstimmung des Probenkopfes rechnerisch verglichen.

In der DE 37 28 863 A1 ist ein Anordnung zum Herstellen von Schnittbildern durch magnetische Kernresonanz beschrieben. Die­ se bekannte Anordnung enthält einen Richtkoppler mit vier To­ ren, der dem Resonator des Probenkopfes vorgeschaltet ist. An einem Tor des Richtkopplers wird das Reflexionssignal des Reso­ nators richtungsabhängig ausgekoppelt. Bei optimaler Leistungs­ anpassung wird der Reflexionsfaktor zu null. Da bei der bekann­ ten Anordnung eine verhältnismäßig große Verstimmung des Reso­ nators des Probenkopfes nicht ausgeschlossen werden kann, ist bei einer Ausführungsform der zugehörigen Regelanordnung vorge­ sehen, in einer Ausgangsleitung für das genannten Tor des Richtkopplers einen Begrenzer für die Begrenzung der Amplitude des Reflexionssignales vorzusehen.

Aus der eingangs ebenfalls genannten DE 40 02 160 A1 sind ein Probenkopf für Kernresonanzmessungen sowie ein Verfahren zur Messung von Kernresonanzen bekannt. Bei diesem bekannten Pro­ benkopf werden zwei unterschiedliche Kernarten angeregt. Hier­ für wird ein Signal höherer Frequenz für die Anregung der er­ sten Kernart sowie ein Signal niedrigerer Frequenz für die An­ regung der zweiten Kernart eingesetzt. Zur optimalen Anpassung der Meßspule ist eine Hochfrequenz-Leitung an diese angeschlos­ sen, die mittels Schaltmitteln in ihrer elektrischen Länge um­ schaltbar ist. Auf diese Weise wird eine optimale Anpassung er­ reicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden. Es soll folglich ein Spinresonanz-Spektrometer zur Verfügung gestellt werden, das in der Lage ist, auch größere Fehlanpassungen des Probenkopfes an den Hochfrequenzsender zu überdauern, ohne daß der Hochfrequenzsender durch eine Notab­ schaltung abgeschaltet wird oder gar Schaden nimmt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Hochfrequenzsender und Probenkopf mindestens ein auf ein Viel­ faches der Grundfrequenz abgestimmter Verbraucher angeordnet ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Wei­ se vollkommen gelöst.

Die bei herkömmlichen Spektrometern zum Hochfrequenzsender re­ flektierten Oberwellen, insbesondere die besonders schädliche dritte Oberwelle, werden auf diese Weise gezielt einem Ver­ braucher zugeführt, so daß sie im Bereich des Hochfrequenz­ senders keinen Schaden anrichten können.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird dies da­ durch erreicht, daß der mindestens eine Verbraucher über minde­ stens ein auf Durchgang des Vielfachen der Grundfrequenz abge­ stimmtes erstes Filter an mindestens einen Knoten zwischen Hochfrequenzsender und Probenkopf angeschlossen ist. Das Filter kann dabei wahlweise ein auf das Vielfache der Grundfrequenz abgestimmtes Bandpaßfilter oder ein Hochpaßfilter sein, dessen Übergangsfrequenz unterhalb des Vielfachen der Grundfrequenz liegt.

Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die vom Probenkopf oder einem Tiefpaßfilter zwischen Hochfrequenzsender und Pro­ benkopf reflektierte Oberwelle unmittelbar nach ihrer Reflexion von dem erwähnten Knoten zu dem Verbraucher geleitet und damit unschädlich gemacht wird.

Der Verbraucher ist dabei vorzugsweise eine 50 Ω Last.

Bei weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist der Hoch­ frequenzsender ausgangsseitig mit einem auf Durchgang der Grundfrequenz abgestimmten zweiten Filter verbunden. Der zweite Filter kann wahlweise ein auf die Grundfrequenz abgestimmtes Bandpaßfilter sein oder ein Tiefpaßfilter, dessen Übergangs­ frequenz oberhalb der Grundfrequenz liegt.

Diese an sich bekannten Maßnahmen haben den Vorteil, den Pro­ benkopf gegen Oberwellen zu schützen.

Bei einer ersten Alternative einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Knoten unmittelbar am Ausgang des Hoch­ frequenzsenders vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Knoten aber auch am Ausgang des zweiten Filters vorgesehen sein.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß je nach Einzelfall ein erstes Filter unmittelbar an den Ausgang des Hochfrequenzsen­ ders oder an den Ausgang des zweiten Filters angeschlossen sein kann.

Die gemeinsame Verwendung eines ersten und des zweiten Filters hat den Vorteil, daß eine Frequenzweiche gebildet wird, bei der die Grundfrequenz ungehindert vom Hochfrequenzsender auf den Probenkopf gelangen kann und die im Probenkopf erzeugten Meßsi­ gnale über einen Sende-Empfangs-Umschalter in einen Empfangska­ nal gelangen können. Durch die Frequenzweiche wird dabei be­ wirkt, daß die vom ersten Filter schädlich reflektierten Ober­ wellen sicher vom Ausgang des Senders abgeleitet werden.

Wenn gemäß der vorstehend genannten zweiten Alternative ein er­ stes Filter an einen Knoten am Ausgang des zweiten Filters an­ geschlossen ist, so wird dadurch erreicht, daß im Probenkopf generierte und reflektierte Oberwellen von diesem Knoten abge­ leitet werden. Dies ist insbesondere für solche Probenköpfe sinnvoll, die nicht lineare Komponenten wie bspw. supraleitende Hochfrequenzspulen enthalten.

Besonders bevorzugt ist, wenn der Verbraucher, unabhängig von seiner Positionierung, breitbandig ausgebildet ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß reflektierte Störsignale unabhängig von ihrer jeweiligen Frequenz absorbiert werden.

Bei weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung können der Verbraucher und/oder das erste Filter bzw. das erste Filter und/oder das zweite Filter in den Probenkopf integriert sein.

Bei einer bevorzugten Variante dieser Möglichkeiten ist das zweite Filter zusammen mit dem Verbraucher eingangsseitig in den Probenkopf integriert, vorzugsweise als Resonanzkreis mit integriertem Ohm'schen Verbraucher. Auf diese Weise wird ver­ mieden, daß im Probenkopf erzeugte Oberwellen zwischen dem Pro­ benkopf und dem außerhalb des Probenkopfes angeordneten ersten Filter hin- und herreflektiert werden.

Das erfindungsgemäße Spektrometer kann mit einem normalleiten­ den oder mit einem supraleitenden Magnetsystem versehen sein.

Die Meßfrequenz des Spektrometers liegt vorzugsweise bei eini­ gen 100 MHz.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung umfaßt der Probenkopf mindestens ein Sende- und Empfangs-Resonanzsystem, wobei diese Resonanzsysteme üblicherweise Hochfrequenz-Resonanzkreise, mit Hochfrequenzspulen und Kondensatoren oder auch Resonatoren um­ fassen. Die Resonanzsysteme können unabhängig von der Bauart des Magnetsystems ganz oder teilweise aus supraleitendem Mate­ rial bestehen und bei entsprechenden Temperatu­ ren supraleitend betrieben werden.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß ein hohes Signal/Rausch- Verhältnis erzielbar ist.

Die Erfindung wird vorzugsweise bei einkanaligen Spinresonanz- Spektrometern eingesetzt. Es ist jedoch ebensogut möglich, die Erfindung bei Vielkanal-Spinresonanz-Spektrometern zu verwen­ den, die in an sich bekannter Weise mehrere auf vorbestimmte Grundfrequenzen arbeitende Hochfrequenzsender umfassen, die ei­ ner entsprechenden Vielzahl von Sende- und/oder Empfangseinhei­ ten in einem Probenkopf zugeordnet sind. In diesem Falle ist besonders bevorzugt, daß zwischen mindestens zweien der Hoch­ frequenzsender und dem Probenkopf jeweils mindestens ein auf ein Vielfaches der Grundfrequenz abgestimmter Verbraucher ange­ ordnet und das Spektrometer im übrigen nach einer der vorste­ hend erläuterten Varianten ausgebildet ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung der beige­ fügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein äußerst vereinfachtes Blockschalt­ bild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Spin­ resonanz-Spektrometers, nämlich eines Kernresonanz-Spektro­ meters.

In der Figur ist mit 10 insgesamt ein Kernresonanz-Spektrometer bezeichnet.

Das Spektrometer 10 umfaßt einen Oszillator 12, der auf einer vorbestimmten Grundfrequenz f₀ läuft. Die Grundfrequenz f₀ liegt heute typischerweise im Bereich von einigen 100 MHz.

Der Oszillator 12 arbeitet auf einen Modulator 13, der von ei­ nem programmierbaren Impulsgenerator 14 gesteuert wird. Der Im­ pulsgenerator 14 tastet nach einem vorbestimmten Programm das Hochfrequenz-Eingangssignal, um dadurch sogenannte Impulsfolgen für bestimmte Kernresonanz-Experimente zu erzeugen.

Das gepulste Hochfrequenzsignal gelangt dann auf einen Ver­ stärker 16. Dem Verstärker 16 ist ein erstes Filter 18 nachge­ schaltet. Das erste Filter 18 kann entweder ein Tiefpaßfilter sein, dessen Übergangsfrequenz oberhalb der vorbestimmten Grundfrequenz f₀ liegt, oder es ist ein auf die Grundfrequenz f₀ abgestimmtes Bandpaßfilter.

Vom ersten Filter führt dann eine Leitung zu einem Probenkopf 20. Der Probenkopf 20 umfaßt einen Probenhalter 22, in dem sich die zu untersuchende Probe befindet. Der Probenhalter 22 steht mit Sende- und Empfangs-Resonanzsystemen 24 in Verbindung, an die der Ausgang des ersten Filters 18 angeschlossen ist. Die Resonanzsysteme 24 können aus Hochfrequenz-Resonanzkreisen mit Hochfrequenzspulen und Kondensatoren oder auch aus Resonatoren bestehen. Sie können ganz oder teilweise supraleitend sein.

Der Probenkopf 20 wird von einem Magnetsystem 26 umgeben, das in der Figur als Solenoidspule angedeutet ist.

Von einem Knoten 28 am Eingang des ersten Filters 18 führt eine weitere Leitung zu einem zweiten Filter 30. Das zweite Filter 30 ist auf Durchgang eines Vielfachen der Grundfrequenz abge­ stimmt, vorzugsweise auf die dritte Oberwelle der Grund­ frequenz, also auf 3f₀. Das zweite Filter 30 ist entweder ein Hochpaßfilter, dessen Übergangsfrequenz unterhalb eines Vielfa­ chen, insbesondere von 3f₀ liegt oder ein auf das Vielfache an­ gepaßtes Bandpaßfilter.

Der Ausgang des zweiten Filters 30 führt zu einer im allgemei­ nen breitbandigen Last 32, vorzugsweise 50 Ω.

Schließlich ist in der Figur noch dargestellt, daß der Proben­ kopf 20 im Empfangsbetrieb über einen Sende-Empfangs-Umschalter 33 auf einen Empfänger 34 arbeitet, der in den Impulspausen des Impulsgenerators 14 ein freies Induktionssignal der Kernreso­ nanzproben empfängt und an eine Auswertelektronik (nicht darge­ stellt) weiterleitet.

Am Eingang des ersten Filters 18 ist in der Figur eingezeich­ net, daß dort ein Signal der vorbestimmten Grundfrequenz f₀ an­ liegt. Insbesondere wenn nun die aus den Elementen 12 bis 16 bestehende Hochfrequenz-Sendeeinheit über das erste Filter 18 nicht optimal an den Probenkopf 20 angepaßt ist, kann im Ver­ stärker 16 eine Oberwelle, insbesondere die dritte Oberwelle 3f₀ der Grundfrequenz f₀ erzeugt werden. Diese Oberwelle wird vom ersten Filter 18 reflektiert, wie in der Figur gestrichelt mit umgekehrter Pfeilrichtung angedeutet ist. Die reflektierte dritte Oberwelle würde vom Knoten 28 in den Verstärker 16 re­ flektiert und könnte dort Schaden anrichten, wenn nicht an den Knoten 28 das zweite Filter 30 mit der Last 32 angeschlossen wäre. Da das zweite Filter 30 auf die dritte Oberwelle abge­ stimmt ist, gelangt die dritte Oberwelle nahezu ungestört auf die Last 32 und wird dort verbraucht.

Alternativ oder zusätzlich zu der vom Knoten 28 am Ausgang des Verstärkers 16 abgehenden Schaltung kann auch von einem weite­ ren Knoten 38 am Ausgang des ersten Filters 18 eine Leitung ab­ gehen, die zu einem dritten Filter 40 führt. Das dritte Filter 40 kann gleichfalls entweder ein Hochpaßfilter sein, dessen Übergangsfrequenz unterhalb eines Vielfachen, insbesondere von 3f₀ liegt, oder ein auf das Vielfache angepaßtes Bandpaßfilter.

Der Ausgang des dritten Filters 40 führt ebenfalls zu einer im allgemeinen breitbandigen Last 42, die vorzugsweise 50 Ω be­ trägt.

Am Ausgang des ersten Filters 18, d. h. am weiteren Knoten 38 ist in der Figur ebenfalls eingezeichnet, daß dort ein Signal der vorbestimmten Grundfrequenz f₀ anliegt. Wenn, insbesondere durch nicht lineare supraleitende Komponenten im Probenkopf 20, Oberwellen entstehen, könnten diese zwischen dem Sende- und/oder Empfangs-Hochfrequenzsystem 24 und dem ersten Filter 18 hin- und herreflektiert werden. Dieser Pendeleffekt wird vermieden, indem die vom Probenkopf 20 her reflektierte Welle, wie in der Figur gestrichelt mit umgekehrter Pfeilrichtung an­ gedeutet, über das dritte Filter 40 auf die Last 42 geleitet und dort absorbiert wird. Das dritte Filter kann zusammen mit der zugehörigen Last 42 auch eingangsseitig in den Probenkopf 20 integriert sein, z. B. als Resonanzkreis (Dipol mit inte­ griertem Widerstand).

Die Erfindung umfaßt auch ein Vielkanal-Spinresonanz­ spektrometer mit mehreren Sende- und/oder Empfangskanälen für die Hochfrequenz, von denen mehrere wie oben beschrieben ausge­ stattet sind. Im allgemeinen sind dann im Probenkopf 20 mehrere Hochfrequenz-Sende- und/oder Empfangssysteme 24 angeordnet oder eines ist auf mehrere Frequenzen abgestimmt.

Claims (18)

1. Spinresonanz-Spektrometer mit einem auf einer vorbestimm­ ten Grundfrequenz (f₀) arbeitenden Hochfrequenzsender (12-16) und mit einem vom Hochfrequenzsender (12-16) ge­ speisten Probenkopf (20), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Hochfrequenzsender (10-16) und Probenkopf (20) mindestens ein auf ein Vielfaches der Grundfrequenz (3f₀) abgestimmter Verbraucher (32, 42) angeordnet ist.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Verbraucher (32, 42) über mindestens ein auf Durchgang des Vielfachen der Grundfrequenz (34) abgestimmtes erstes Filter (30, 40) an mindestens einen Knoten (28, 38) zwischen Hochfrequenzsender (12-16) und Probenkopf (20) angeschlossen ist.

3. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Knoten (28) unmittelbar am Ausgang des Hochfrequenz­ senders (12-16) vorgesehen ist.

4. Spektrometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das erste Filter (30, 40) ein auf das Vielfache der Grundfrequenz (3f₀) abgestimmtes Bandpaßfilter ist.

5. Spektrometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das erste Filter (30, 40) ein Hochpaßfilter ist, dessen Übergangsfrequenz unterhalb des Vielfachen der Grundfrequenz (3f₀) liegt.

6. Spektrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (32, 42) eine 50 Ω Last ist.

7. Spektrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (32, 42) breitbandig ist.

8. Spektrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzsender (12-16) ausgangsseitig mit einem auf Durchgang der Grund­ frequenz (f₀) abgestimmten zweiten Filter (18) versehen ist.

9. Spektrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Knoten (38) am Ausgang des zweiten Filters (18) vorgesehen ist.

10. Spektrometer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß das zweite Filter (18) ein auf die Grundfrequenz (f₀) abgestimmtes Bandpaßfilter ist.

11. Spektrometer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß das zweite Filter (18) ein Tiefpaßfilter ist, dessen Übergangsfrequenz oberhalb der Grundfrequenz (f₀) liegt.

12. Spektrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher in den Probenkopf integriert ist.

13. Spektrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine erste Filter in den Probenkopf integriert ist.

14. Spektrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Filter in den Probenkopf integriert ist.

15. Spektrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenkopf (20) min­ destens einen Sende- und Empfangs-Resonanzkreis (24) um­ faßt, daß der mindestens eine Resonanzkreis (24) minde­ stens teilweise aus supraleitendem Material besteht und bei einer entsprechenden Temperatur supraleitend be­ treibbar ist.

16. Spektrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfrequenz (f₀) oberhalb von 100 MHz liegt.

17. Vielkanal-Spinresonanz-Spektrometer mit einer bestimmten Vielzahl von auf vorbestimmten Grundfrequenzen (f₀) arbei­ tenden Hochfrequenzsendern (12-16), die einer entspre­ chenden Vielzahl von Sende- und/oder Empfangseinheiten in einem Probenkopf (20) zugeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen mindestens zweien der Hochfre­ quenzsender (10-16) und dem Probenkopf (20) jeweils mindestens ein auf ein Vielfaches der Grundfrequenz (3f₀) abgestimmter Verbraucher (32, 42) angeordnet ist.

18. Vielkanal-Spinresonanz-Spektrometer nach Anspruch 17, da­ durch gekennzeichnet, daß es nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 16 ausgebildet ist.