DE19920429C2 - Kernspinresonanzgerät mit einer Vorrichtung zum Messen von magnetischen Feldstärken - Google Patents

Kernspinresonanzgerät mit einer Vorrichtung zum Messen von magnetischen Feldstärken

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Description

Die Erfindung betrifft ein Kernspinresonanzgerät mit einer Vorrichtung zum Messen von magnetischen Feldstärken.
Bei den bekannten Vorrichtungen zur Messung von magnetischen Feldstärken sind diese während der Messungen über ihre Innen­ widerstände galvanisch mit den Meßobjekten gekoppelt. Dies führt bei der Messungen der magnetischen Feldstärke zu einer Belastung der Meßobjekte.
Sollen bei den bekannten Vorrichtungen zur Messung von magne­ tischen Feldstärken die Meßergebnisse in digitaler Form zur Verfügung stehen, dann müssen die analogen Meßwerte über Ana­ log-Digital-Wandler digitalisiert werden.
Im Abstract der JP 13 16 676 A ist eine Vorrichtung zur opti­ schen Magnetfeldmessung, basierend auf dem Faraday-Effekt, mit einer unmittelbaren Digitalisierung von Meßergebnissen ohne Zwischenschaltung von elektrischen Analog-Digital- Wandlern beschrieben. Dazu emittiert eine Lichtquelle Licht, das über eine Spiegelanordnung und eine Polarisationsvorrich­ tung drei optischen Wegstrecken zugeführt ist, die aus magne­ to-optischem Material ausgebildet sind, ein Längenverhältnis von 1 : 2 : 4 zueinander aufweisen und einem zu messenden Magnet­ feld ausgesetzt sind. Das aus den Wegstrecken austretende Licht durchläuft eine weitere Polarisationsvorrichtung und wird Photorezeptoren zugeführt, an deren elektrischen Ausgän­ gen Komperatoren angeschlossen sind. Dabei besteht zwischen den Polarisationsebenen der Polarisationsvorrichtungen eine Winkeldifferenz von beispielsweise 45°. Die elektrischen Aus­ gangspegel der Komparatoren bilden bitweise eine diskrete Größe, deren Wert einer Feldstärke des zu messenden Magnet­ feldes entspricht.
In der DE 33 26 736 C2 ist eine ebenfalls auf dem Faraday- Effekt basierende Magnetfeldmeßvorrichtung, beinhaltend eine Faradayzelle, beschrieben. Dabei ist in einer Ausführung die Faraday-Zelle in einer solenoidartigen elektrischen Spulenan­ ordnung angeordnet und in einer weiteren Ausführung die Fara­ day-Zelle als optische Monomodefaser ausgebildet.
In der EP 0 086 373 A1 ist eine hinsichtlich des Raumbedarfs optimierte Magnetfeldmeßvorrichtung, basierend auf dem Fara­ day-Effekt, beschrieben. Dabei sind als magneto-optische Ma­ terialien Bleiglas, Bismut-Silizium-Oxid, Bismut-Germanium- Oxid oder Yttrium-Eisen-Silikat (Y3Fe5O12) vorgeschlagen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kernspinresonanzgerät mit einer verbesserten Vorrichtung zum Messen von magneti­ schen Feldstärken zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kernspinresonanz­ gerät nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kernspinresonanzgerätes sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Kernspinresonanzgerät nach Anspruch 1 mit einer Vorrichtung zum Messen von magnetischen Feldstär­ ken umfaßt die Vorrichtung folgende Merkmale:
  • - Wenigstens eine Lichtquelle, die linear polarisiertes Licht emittiert,
  • - wenigstens eine Faradayzelle, die magneto-optisch aktives Material enthält und die wenigstens eine Lichtauskopplung aufweist, wobei
  • - das von der Lichtquelle emittierte linear polarisierte Licht in die Faradayzelle eintritt und darin eine vorgeb­ bare Anzahl von optischen Weglängen zurücklegt und danach über die entsprechende Lichtauskopplung austritt,
  • - wenigstens einen Analysator für das aus der Faradayzelle austretende linear polarisierte Licht, wobei
  • - die Polarisationsebene des Analysators um einen vorgebba­ ren Drehwinkel gegenüber der Polarisationsebene des aus der Lichtquelle austretenden linear polarisierten Lichtes einstellbar ist,
  • - wenigstens einen Lichtsensor der das aus dem Analysator austretende Licht erfaßt.
Im Gegensatz zu den bekannten Kernspinresonanzgeräten, bei denen beispielsweise eine lokale Empfangsantenne als Spule ausgebildet ist und die deshalb aus Resonanzgründen gegenüber der die HF-Pulse sendenden Ganzkörperantenne (Sendeantenne) verstimmt werden muß, um lokale Strominduktionen beim Patien­ ten zu vermeiden, können beim Betrieb des erfindungsgemäßen Kernspinresonanzgerätes keine Resonanzen zwischen Empfangs- und Sendeantenne auftreten. Damit kommt es auch nicht zu Strominduktionen beim Patienten, die zu Verbrennungen führen können. Ein Abschalten des Empfangsverstärkers beim Senden des HF-Pulses sowie eine Verstimmung aus Resonanzgründen ist deshalb beim erfindungsgemäßen Kernspinresonanzgerät nicht erforderlich. Dies verkürzt einerseits die Untersuchungszei­ ten erheblich, andererseits wird der schaltungstechnische Aufwand minimiert.
Bei der Vorrichtung zum Messen von magnetischen Feldstärken erhält man bereits bei einer Faradayzelle mit nur einer opti­ schen Auskopplung eine binäre Information. In diesem Fall beträgt die Wortlänge ein Bit und es wird eine einfache Ja/Nein-Information zur Verfügung gestellt.
Eine Ja-Information erhält man, wenn der Lichtsensor Licht empfängt, also wenn ein magnetisches Feld entsprechender Stärke vorhanden ist, durch das die Polarisationsebene des durch die Faradayzelle hindurchtretenden Lichtes entsprechend verdreht wird, so daß die Polarisationsebene (Drehwinkel ϕk) des aus der Faradayzelle austretenden linear polarisierten Lichtes mit der Polarisationsebene (Drehwinkel αk) des der Faradayzelle nachgeordneten Analysators übereinstimmt. Der Lichtsensor empfängt in diesem Fall das durch den Analysator hindurchtretende Licht.
Die Drehung der Polarisationsebene des durch die Faradayzelle hindurchtretenden Lichtes ist hierbei definiert als
ϕk [rad] = K.lk.H,
wobei mit K die elektro-optische Materialkonstante für eine bestimmte Wellenlänge des Lichtes (in nm), mit lk die opti­ sche Weglänge und mit H die auf die Faradayzelle einwirkende magnetische Feldstärke bezeichnet ist.
Eine Nein-Information bedeutet, daß das magnetische Feld un­ terhalb des vorgegebenen Schwellwertes liegt und deshalb bei dem durch die Faradayzelle hindurchtretenden Licht keine aus­ reichende Drehung der Polarisationsebene auftritt und der Lichtsensor deshalb kein Licht empfängt.
Damit erhält man ϕk = αk eine Ja-Information und bei ϕk ≠ αk eine Nein-Information.
Die Vorrichtung zum Messen von magnetischen Feldstärken er­ möglicht damit eine direkte digitale Messung der magnetischen Feldstärke, so daß eine zeitaufwendige Meßwert-Umwandlung durch Analog-Digital-Wandler entfällt.
Die Vorrichtung zum Messen von magnetischen Feldstärken er­ möglicht weiterhin eine nahezu rückwirkungsfreie Messung der magnetischen Feldstärke, da das Licht, das durch die Faraday­ zelle hindurchtritt nicht die zu messende magnetische Feld­ stärke beeinflußt. Mit der Vorrichtung können dadurch auch die Feldstärken von hochfrequenten magnetischen Feldern ge­ messen werden.
Für eine digitale Messung der magnetischen Feldstärke mit einer größeren Auflösung eignet sich folgende Ausgestaltung der Vorrichtung zum Messen von magnetischen Feldstärken be­ sonders gut. Dabei sind die optischen Weglängen lk gemäß der folgenden Beziehung geometrisch gestuft
lk = 2-k.l0,
wobei k = 0 . . . N - 1 ist und mit l0 der längste magneto- optisch wirksame Lichtweg in der Faradayzelle bezeichnet ist, innerhalb dessen der Faradayeffekt auftritt und zu einer Dre­ hung der Polarisationsebene des durch die Faradayzelle hin­ durchtretenden Lichtes führt. Mit N ist die Anzahl der Licht­ auskopplungen bezeichnet.
Die größte optische Weglänge lk = l0 (k = 0) liefert das nie­ derwertigste Bit, wohingegen die kürzeste optische Weglänge lk = lN-1 (k = N - 1) das höchstwertigste Bit liefert. Die magnetische Feldstärke kann damit direkt als Binärzahl an der Helligkeit der Analysatoren abgelesen werden.
Die geometrische Stufung der optischen Weglängen lk kann bei­ spielsweise dadurch erreicht werden, daß für jede optische Weglänge jeweils eine Faradayzelle mit jeweils einer Licht­ auskopplung vorgesehen ist oder daß bei einer einzigen Fara­ dayzelle eine entsprechende Anzahl von Lichtauskopplungen vorgesehen ist. Auch eine Kombination beider Maßnahmen - näm­ lich mehrere Faradayzellen mit jeweils mehreren Lichtauskopp­ lungen - ist als vorteilhafte Ausgestaltung im Rahmen der Erfindung möglich.
Die Vorrichtung zum Messen von magnetischen Feldstärken kann auf einfache Weise durch die Länge und/oder den Durchmesser der Faradayzelle(n) an den benötigten bzw. gewünschten Meßbe­ reich angepaßt werden. Um doppelt so starke magnetische Feld­ stärken zu erfassen, muß die Faradayzelle halbe Länge aufwei­ sen. Durch die Anzahl der Lichtauskopplungen und/oder die Anzahl der Faradayzellen kann auf einfache Weise die ge­ wünschte oder benötigte digitale Auflösung gewählt werden.
Das magneto-optische Material kann entweder gasförmig, flüs­ sig oder fest sein. Ein bevorzugter isotroper Stoff ist Thal­ liumoxid-Silikatglas. Da dieser Stoff im festen Aggregatzustand vorliegt, kann er direkt die Faradayzelle bilden und dann z. B. als Glasfaserkabel ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei­ gen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen von magnetischen Feldstärken,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen von magnetischen Feldstärken.
In Fig. 1 und 2 ist mit 1 eine Lichtquelle bezeichnet, die linear polarisiertes Licht emittiert. Die Lichtquelle ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Laserquelle ausgebil­ det. Es ist jedoch auch möglich, anstelle einer Laserquelle eine Lichtquelle zu benutzen, die unpolarisiertes Licht emit­ tiert. Das Licht muß dann durch einen der Lichtquelle nachge­ schalteten Polarisator, dessen Polarisationsebene vorzugswei­ se einstellbar ist, linear polarisiert werden.
Der Lichtquelle 1 (Laserquelle) ist eine Faradayzelle 2 nach­ geordnet. Die Faradayzelle 2 ist mit einem magneto-optisch aktiven Material, im dargestellten Ausführungsbeispiel mit Thalliumoxid-Silikatglas 39Tl2O.61Si2O, gefüllt.
In die Faradayzelle 2 tritt das von der Lichtquelle 1 emit­ tierte linear polarisierte Licht ein und legt in der Faraday­ zelle 2 eine vorgebbare Anzahl von optischen Weglängen lk zurück. Die Lichtintensität ändert sich hierbei periodisch nach [sin(K.lk.H)]2 mit der angelegten magnetischen Feldstärke H. Die absolute Empfindlichkeit der Vorrichtung zum Messen von magnetischen Feldstärken ist bestimmt durch den längsten magneto-optisch wirksamen Lichtweg l0 (Maximalwert der opti­ schen Weglänge lk)und durch die magneto-optische Materialkon­ stante K. Für Thalliumoxid-Silikatglas beträgt die magneto- optische Materialkonstante K = 44.10-6 rad/A, wobei mit rad das Bogenmaß und mit A die Einheit der Stromstärke bezeichnet sind.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vor­ richtung zum Messen von magnetischen Feldstärken weist die Faradayzelle 2 für eine vorgebbare Anzahl von optischen Weg­ längen lk jeweils eine Lichtauskopplung 20 bis 23 auf. Über die Lichtauskopplungen 20 bis 23 tritt das linear polarisier­ te Licht aus der Faradayzelle 2 aus.
Die optischen Weglängen lk sind hierbei gemäß der folgenden Beziehung geometrisch gestuft
lk = 2-k.l0,
wobei k = 0 . . . N - 1 ist und mit l0 der längste magneto- optisch wirksame Lichtweg in der Faradayzelle 2 bezeichnet ist, innerhalb dessen der Faradayeffekt auftritt und zu einer Drehung der Polarisationsebene des durch die Faradayzelle 2 hindurchtretenden linear polarisierten Lichtes führt. Mit N ist die Anzahl der Lichtauskopplungen bezeichnet. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist N = 4 und damit k = 3.
Die größte optische Weglänge lk = l0 (k = 0) liefert das nie­ derwertigste Bit (im Beispiel 00012 = 110), wohingegen die kürzeste optische Weglänge lk = l3 (k = 3 wegen N = 4) das höchstwertigste Bit (im Beispiel 10002 = 810) liefert. Auf­ grund der geometrischen Abstufungen gilt damit für die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform:
l1 = 0,5.l0
l2 = 0,25.l0
l3 = 0,125.l0
Das über die Lichtauskopplung 20 aus der Faradayzelle 2 aus­ tretende linear polarisierte Licht gelangt in einen als Pola­ risator ausgebildeten Analysator 30, dessen Polarisationsebe­ ne in einem vorgebbaren Drehwinkel von z. B. α0 = 90° gegenüber der Polarisationsebene des aus der Lichtquelle 1 austre­ tenden linear polarisierten Lichtes verdreht ist. Dem Analy­ sator 30 ist ein Lichtsensor 40 (Photosensor) nachgeschaltet, der das aus dem Analysator 30 austretende Licht erfaßt.
Analog ist der Lichtauskopplung 21 eine Analysator 31 (Pola­ risationsfilter) zugeordnet, dessen Polarisationsebene im beschriebenen Ausführungsbeispiel in einem Drehwinkel α1 = 180° gegenüber der Polarisationsebene des aus der Lichtquelle 1 austretenden linear polarisierten Lichtes verdreht ist. Dem Analysator 31 ist ein Lichtsensor 41 nachgeschaltet.
Der Lichtauskopplung 22 ist ein ebenfalls als Polarisations­ filter wirkender Analysator 32 mit einem Drehwinkel α2 = 360° sowie ein Lichtsensor 42 zugeordnet.
Ein Analysator 33 (Polarisationsfilter) mit einem Drehwinkel α3 = 720° und ein Lichtsensor 43 ist der Lichtauskopplung 23 zugeordnet.
Das Produkt lk.αk aus der optischen Weglänge lk und Drehwinkel αk ist damit konstant.
Die magnetische Feldstärke H, der die Vorrichtung ausgesetzt ist, kann damit direkt als Binärzahl an der Helligkeit der Analysatoren 30 bis 33 abgelesen werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform kann die Prä­ zisionsanforderung an die optischen Weglängen lk und die Schwellwerterkennung der Lichtintensitäten an den Analysato­ ren 30 bis 33 dadurch reduziert werden, daß jeweils statt einer optischen Weglänge lk für jede geometrische Stufung jeweils zwei optische Weglängen gemäß der Beziehung
(1 ± 0,5).lk
vorgesehen sind, deren Lichtintensitäten miteinander vergli­ chen werden.
Das linear polarisierte Licht, das in der Faradayzelle 2 die optischen Weglängen 0,5.l0 und 1,5.l0 zurücklegt, wird über Lichtauskopplungen 20a und 20b jeweils einem Analysator 30a bzw. 30b zugeführt. Analog ist den optischen Weglängen 0,5.l1 und 1,5.l1 jeweils eine Lichtauskopplung 21a bzw. 21b sowie jeweils ein Analysator 31a und 31b zugeordnet. Den optischen Weglängen 0,5.l2 und 1,5.l2 ist jeweils eine Lichtauskopplung 22a bzw. 22b sowie jeweils ein Analysator 32a bzw. 32b zuge­ ordnet. Weiterhin ist den optischen Weglängen 0,5.l3 und 1,5.l3 jeweils eine Lichtauskopplung 23a bzw. 23b sowie je­ weils ein Analysator 33a bzw. 33b zugeordnet.
Für die optischen Weglängen (1 ± 0,5).lk gilt hierbei wiederum die Beziehung:
l1 = 0,5.l0
l2 = 0,25.l0
l3 = 0,125.l0
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann die magnetische Feldstärke H, der die Vorrichtung ausgesetzt ist, direkt als Binärzahl an der Helligkeit der Analysatoren 30a bzw. 30b bis 33a bzw. 33b abgelesen werden. Die Helligkeiten der Analysa­ toren 30a bzw. 30b bis 33a bzw. 33b werden hierzu paarweise von Lichtsensoren 40 bis 43 erfaßt.

Claims (15)

1. Kernspinresonanzgerät mit einer Vorrichtung zum Messen von magnetischen Feldstärken (H), wobei die Vorrichtung folgende Merkmale umfaßt:
  • - Wenigstens eine Lichtquelle (1), die linear polarisiertes Licht emittiert,
  • - wenigstens eine Faradayzelle (2), die magneto-optisch akti­ ves Material enthält und die wenigstens eine Lichtauskopp­ lung (20-23) aufweist, wobei
  • - das von der Lichtquelle (1) emittierte linear polarisierte Licht in die Faradayzelle (2) eintritt und darin eine vor­ gebbare Anzahl von optischen Weglängen (lk) zurücklegt und danach über die entsprechende Lichtauskopplung (20-23) austritt,
  • - wenigstens einen Analysator (30-33) für das aus der Fara­ dayzelle (2) austretende linear polarisierte Licht, wobei
  • - die Polarisationsebene des Analysators (30-33) um einen vorgebbaren Drehwinkel (α) gegenüber der Polarisationsebene des aus der Lichtquelle (1) austretenden linear polarisier­ ten Lichtes einstellbar ist,
  • - wenigstens einen Lichtsensor (40-43), der das aus dem Analysator (30-33) austretende Licht erfaßt.
2. Kernspinresonanzgerät nach Anspruch 1, das folgendes Merk­ mal umfaßt:
  • - Die Vorrichtung ist zum Messen von Kernspinresonanzsignalen ausgebildet.
3. Kernspinresonanzgerät nach Anspruch 2, das folgendes Merk­ mal umfaßt:
  • - Die Vorrichtung ist als eine lokale Empfangsantenne ausge­ bildet.
4. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • - Die optischen Weglängen (lk) sind gemäß der folgenden Be­ ziehung geometrisch gestuft
    lk = 2-k.l0,
    wobei k = 0 . . . N - 1, l0 der längste magneto-optisch wirksa­ me Lichtweg, innerhalb dessen der Faradayeffekt auftritt, und N die Anzahl der Lichtauskopplungen (20-23) ist.
5. Kernspinresonanzgerät nach Anspruch 4, das folgendes Merk­ mal umfaßt:
  • - Das Produkt aus optischer Weglänge (lk) und Drehwinkel (αk) ist konstant, wobei das Produkt vorzugsweise l0.90° be­ trägt.
6. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • - Anstelle einer optischen Weglänge (lk) für jede geometri­ sche Stufung sind jeweils zwei optische Weglängen gemäß der Beziehung (1 ± 0,5).lk vorgesehen, deren Lichtintensitäten miteinander verglichen werden.
7. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • - Für eine vorgebbare Anzahl der vorgebbaren optischen Weg­ längen (lk) ist jeweils eine eigene Faradayzelle (2) vorge­ sehen.
8. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • - Die Faradayzelle (2) weist für eine vorgebbare Anzahl der vorgebbaren optischen Weglängen (lk) jeweils eine Lichtaus­ kopplung (20-23) auf.
9. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • - Als magneto-optisches Material ist Thalliumoxid-Silikatglas vorgesehen.
10. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • - Die Faradayzelle (2) ist als Glasfaserkabel ausgebildet.
11. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • - Die Lichtquelle (1) weist wenigstens einen Polarisator auf, dessen Polarisationsebene einstellbar ist.
12. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • - Jeder Faradayzelle (2) ist eine eigene Lichtquelle (1) zu­ geordnet.
13. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • - Allen Faradayzellen (2) ist eine gemeinsame Lichtquelle (1) zugeordnet, wobei das linear polarisierte Licht über eine Spiegelanordnung den einzelnen Faradayzellen (2) zugeführt wird.
14. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • - Die Lichtquelle (1) ist als Laserquelle ausgebildet.
15. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, das folgendes Merkmal umfaßt:
  • - Die Faradayzelle (2) ist innerhalb eines Solenoids angeord­ net, das ein magnetisches Feld auf die Faradayzelle (2) wirken läßt, das proportional zu einer zu messenden Strom­ stärke ist.
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