DE2038951A1

DE2038951A1 - Hochfrequenzspektrometer

Info

Publication number: DE2038951A1
Application number: DE19702038951
Authority: DE
Inventors: Anderson Weston Arthur
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1969-08-06
Filing date: 1970-08-05
Publication date: 1971-02-18
Also published as: GB1293978A; US3581191A; JPS5139557B1; FR2056612A5

Description

so daß ein zeitlicher Durchschnittswert gebildet wird, um • das Verhältnis von Signal zu Rauschen zu verbessern. Die pseudozufällige Binärfolge wird mit der Zeitabtastung des zusammengesetzten Resonanzsignals synchronisiert, um die Phasenbeziehung zwischen aufeinanderfolgend gemessenen und gespeicherten Daten aus aufeinanderfolgenden Abtastungen zu wahren, wodurch entweder reine Absorptions- oder reine Dispersionsmodusresonanzdaten erhalten werden.

^ Stand der Techniki

Bisher wurde bei Hochfrequenzspektrometern ein gepulster Hochfrequenzsender verwandt, bei dem die Impulse sehr kurz waren und bei dem eine verhältnismäßig niedrige Wiederholgeschwindigkeit von etwa einer Wiederholung pro Sekunde vorgesehen war, um ein ausreichend breites Band von verhältnismäßig dicht benachbarten Fourierkomponenten zu erzeugen, um gleichzeitig tine Vielzahl von Resonanzlinien der au untersuchenden Probe anzuregen. Z.B. wurde bei Hochfrequenzspektrometern zur Kernresonanzuntersuchung ein Hochfrequenzträgersignal von z.B. 100 MHz verwandt, das mit verhältnismäßig kurzen Entladungsstößen der Hochfrequenzenergie mit k einer Dauer von 300 MikroSekunden mit einer Wiederholgeiohwindigkeit von einem Impuls pro Sekunde gepulst wurde. Hierdurch wird beträchtliche Energie in den Seitenbändern des !Trägers erzeugt, die eine Bandbreite von annähernd 1 Kilohertz besitzen, wobei der Prequenzabetand der fourierkomponenten der Seitenbänder annähernd eine Periode beträgt. Ein derartige· Spektrometer iitin der deutschen Patentanmeldung P 16 73 225*5 der Anaeldtrin beschrieben. Bei diese» vorgeschlagenen Spektrometer regt jeder Impuls des Senders eine gleichzeitige Resonans der versohledenen Protonipektral» linien der su untersuchenden Ksrnvesonansprobe an· Die von der Probe abgegebenen Rssonanisignals bilden ein »ohnsll •verübergehendes aasaamengesetrtea Bsaonansslgnal, das in de» Zeitraum swisthtn aufeinanderfolgenden Senderimpulsen mit

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,einer Vielzahl von zeitlich versetzten Meßstufen gemessen wird, die einen Zeitabstand von annähernd einer Millisekunde halben. Die an jedem Meßpunkt gemessene Intensität des Resonanzsignals wird in digitale Daten umgesetzt, die in aufeinanderfolgenden Kanälen eines zeitlich mittelnden Computers gespeichert werden. Durch die gemessenen Resonanzdaten» die während einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zeitabtastungen aufeinanderfolgender vorübergehender Resonanzsignale erhalten werden, ergibt sich eine beträchtliche Verbesserung des Signal/Rauschen-Verhältnisses» da die Signalinformation cohärent ist und sich in den jeweiligen Kanälen entsprechend der Zahl der zusammengezählten Abtastungen addiert, während die Rauschinformation incohärent ist und sich gemäß der Wahrscheinlichkeit lediglich entsprechend der Quadratwurzel aus der Zahl der Abtastungen addiert. Die Meßzeiten wurden durch ein Signal synchronisiert, das von den Senderimpulsen abgeleitet wurde, um die relative Phasenbeziehungen aufeinanderfolgender Resonanzsignalbestandteile, die in demselben Kanal gespeichert werden, zu wahren. Die in den jeweiligen Kanälen gespeicherte gesamte Resonanzsignalinformation wird mit Hilfe einer lOurier-Transformationsoperation, die durch einen Computer ausgeführt wird, von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne umgesetzt. Die in den jeweiligen Kanälen gespeicherten und addierten Daten werden in der geläufigeren Frequenzdomäne mit Hilfe der Fourier-Transformation abgelesen, so daß man ein zeitlich gemitteltes ResonanzSpektrum der zu untersuchenden Probe erhält.

Die Schwierigkeit liegt bei diesem vorgeschlagenen Spektrometer darin, daß die Peäk-Energie des Senderimpulses eine Punktion der geforderten Anregungsbandbreite ist, die erforderlich ist, um alle verschiedenen Spektrallinien der'zu untersuchenden Probe anzuregen. Wenn die erforderliche Bandbreite lediglich in der Größenordnung von ungefähr 1 Kilohertz liegt, so kann die Peakenergie für den Sender-

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impuls verhältnismäßig niedrig sein und in der Größenordnung von Bruchteilen eines Watts liegen. Wenn man jedoch versucht, die Untersuchungsmethode auf die Untersuchung von Fluorzusammensetzungen durch Beobachtung der Kernresonanz von Fluor auszudehnen, so erhöht sich die erforderliche Bandbreite von 1 Kilohertz auf 40 Kilohertz, und die für die gesendeten Impulse erforderliche Peak-Energie steigt auf Hunderte von Watt an im Gegensatz zu einem Bruchteil eines Watts. Es wird schwierig und teuer, solche verhältnismäßig hohe Peak-Energien bei den für das Fluor erforderlichen P höheren Hochfrequenzen von etwa 94 MHz zu erzeugen. Deshalb ist ein Spektrometer erwünscht, das gleichzeitig alle verschiedenen Resonanzlinien der zu untersuchenden Probe mit Hilfe einer Anordnung anregen kann, bei der wesentlich weniger Peak-Energie verwandt wird.

Es ist bereits bekannt, daß ein verhältnismäßig breites Bandspektrum einer Probe mit wesentlich niedrigeren Peak-Energien gleichzeitig zur Resonanz dadurch angeregt werden kann, daß das Senderträgersignal mit einer pseudozufälligen Folge von Binärdaten moduliert wird, um ein verhältnismäßig breites Band an ausgesandter Rauschenergie ^ zu erzeugen. Dieses Prinzip wurde in einem Spektrometer

zur Untersuchung gyromagnetischer Resonanzen verwandt, um die Resonanz mehrerer Linien einer Probe anzuregen, um die verschiedenen Resonanzlinien von einer gegebenen, zu untersuchenden Resonanzlinie im Spin zu entkoppeln. Ein derartiges Spektrometer ist in der USA-Patentanmeldung 568 041 der Anmelderin beschrieben. Bei diesem letzteren Spektrometer war jedoch keine Möglichkeit vorgesehen, die verschiedenen Resonanzlinien zu beobachten, die gleichzeitig angeregt werden, noch wurde irgendeine Lehre oder Anregung für eine Vorrichtung gegeben, um die Phasenbeziehungen der gleichzeitig angeregten Resonanzlinien zu wahren oder zu korrelieren, da die einzige Forderung darin bestand, die Linien in Resonanz anzuregen, um ihre Spin-Systeme von dem zu

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untersuchenden Spin-System zu entkoppeln. Bs wurde ein getrenntes Sendersignal verwandt, um die Resonanz der bestimmten, zu untersuchenden Resonanzlinie anzuregen.

Zusammenfassung der Erfindung ι

Die vorliegende Erfindung strebt hauptsächlich ein verbessertes Hoohfrequenzspektroineter an.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß in ' einem Hochfrequenzspektrometer ein Hochfrequenzsender verwandt wird, der einen Hochfrequenzträger erzeugt, der mit einer pseudozufälligen Binärfolge moduliert wird, um ein verhältnismäßig breites Band aus nahe bejeinand erlieg end en Seitenbändern zu erzeugen, die eine ausreichende Bandbreite aufweisen, um ein verhältnismäßig breites Band von zu untersuchenden Spektrallinien zu überdecken, wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, um die sich wiederholenden pseudozufälligen Binärfolgen mit den aich wiederholenden zeitversetzten Meßzeiten bei aufeinanderfolgenden Zeitabtastungen der sich ergebenden zusammengesetzten Resonanzsignale zu synchronisieren, wodurch eine Phasenkorrelation für die verschiedenen Resonanzkomponenten für eine Folge ( von zusammengesetzten Resonanzsignalen gewahrt wird.

Vorzugsweise werden die Meßzeiten für jede pseudozufällige Binärfolge mit jeweils den Binärauegängen in der paeudozufälligen Binärfolge synchronisiert, wodurch die Phaseninformation für jeden Bestandteil des Resonanzsignals in aufeinanderfolgenden Perioden der pseudozufälligen Folge •rhalttn bleibt.

Weiterhin wird vorzugsweise die Phase des gesendeten Hochfr equenztragersignals entsprechend der pseudozufälligen Binärfolg· moduliert, wodurch die Senderleietung während der pseudoiufälligen Folge konstant bleibt, ao daß die Anforderungen an die Peak-Bnergie des Senders wesentlloh verringert «erden. 109808/1880 BAD OBlGiNAL

Die pseudozufällige Binärfolge wird zweckmäßigerweise mit Hilfe eines Schieberegisters erzeugt, das eine Reihe von Binärelement en besitzt, wobei die Enden dieser Reihe von Binärel ementen mit Hilfe einer Rückkopplungsschleife miteinander verbunden sind, die wenigstens einen Modulo-2-Addierer enthält, wobei dieses Schieberegister für eine maximale Folgelänge geschaltet ist, wodurch der komplizierte Aufbau für den Generator der pseudozufälligen Binärfolge vereinfacht wird.

W · Im folgenden soll die Erfindung näher anhand von in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsformen beschrieben werden. In der Zeichnung zeigens

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Hochfrequenzspektrometers, das entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der abgestrahlten Hochfrequenzenergie gegen die Zeit, wobei eine pseudozufällige Modulationsfolge dargestellt ist, bei der die Phase der durch die Hochfrequenz abgegebenen Energie entsprechend ^ der pseudozufälligen Binärfolge moduliert ist,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Hochfrequenzenergie gegen die Frequenz, in der das Spektrum dargestellt ist, das durch den Hochfrequenzsender erzeugt wird, der entsprechend der in Fig. 2 dargestellten pseudozufälligen Binärfolge moduliert wird,

Fig« 4 ist eine graphiaohe Darstellung der relativen Phase gegen die Frequenz, wobei typische Phasenbesiehungen für jedes der in der graphischen Darstellung der Fig. 3 dargestellten Seitenbänder dargestellt ist,

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Fig. 5 eine graphische Darstellung der Amplitude des zusammengesetzten Resonanzsignals, das von der zu untersuchenden Probe abgestrahlt wird, gegen die Zeit, wobei die aufeinanderfolgenden, zeitversetzten Punkte dargestellt sind, an denen das zusammengesetzte Resonanzsignal gemessen wird,

Fig. 6 eine schematische Blockdarstellung eines pseudozufälligen Binärfolge-Generators, der so geschaltet ist, daß mit ihm die Phase des Hochfrequenzgenerators entsprechend der pseudozufälligen Binärfolge moduliert werden kann, und es ist gleichfalls die Schaltung zur Synchronisierung der Messung und der Speicherung der zusammengesetzten Resonanzsignalbestandteile mit der pseudozufälligen Binärfolge dargestellt, und

Fig. 7 eine schematische Bockbilddarstellung einer anderen Ausführungsform eines" Hochfrequenzspektrometers, das Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist.

Beschreibung vorzugsweiser Ausführungsformen:

In Fig. 1 ist ein Hochfrequenzspektrometer 1 zur Messung von gyromagnetischen Resonanzen dargestellt, das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Das Spektrometer 1 weist eine Probenhalterung 2 zur Anordnung einer Probe aus einem Stoff mit gyromagnetischer Resonanz auf, der in einem polarisierenden Gleich- oder Dauermagnetfeld H_Q untersucht werden soll. Durch einen Hochfrequenzgenerator 3 wird ein Hochfrequenzträgersignal mit einer Frequemz fQ erzeugt, die in der Nähe der gyromagnetischen Resonanzfrequenz des Spektrums der zu untersuchenden Probe liegt, die in dem polarisierenden Magnetfeld der Intensität Hq angeordnet ist. Obgleich das Spektrometer 1 zur Untersuchung der Protonresonanz verschiedener Probenmaterialien verwandt werden kann, ist es besonders zur Untersuchung anderer Spin-Systeme

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geeignet, die ein breiteres Spektrum besitzen, wie etwa der Resonanz, von Fluorzusammensetzungen, die typische Spektralbandbreiten aufweisen, deren Mitte bei annähernd 94 MHz in einem 23,5 Kilogauss Magnetfeld von annähernd 40 Kilohertz liegt.

Der Ausgang des Hochfrequenzgenerators 3 wird einem Phasenmodulator 4 zugeführt, in dem die Phase des Hochfrequenzträgersignals entsprechend einer pseudozufälligen ^ Binärfolge zwischen einem Zustand, der einer O-Phase ent- ~ spricht, und einer hierzu relativen Phase von 180° moduliert wird, wobei die pseudozufällige Binärfolge durch einen Generator 5 für eine pseudozufällige Binärfolge erzeugt wird, dessen Ausgang auf den Modulatoreingang des Phasenmodulators 4 gegeben wird. Es können auch andere relative Phasenverschiebungen angewandt werden, wie etwa Phasenverschiebungen von 90°, 45° usw. Der Ausgang eines Taktimpulsgenerators 6 wird dem Generator 5 für die pseudozufällige Binärfolge zugeführt, um den Folgegenerator 5 zeitlich zu steuern. Der Taktimpulsgenerator 6 und der Generator 5 für die pseudozufällige Binärfolge werden ausführlicher unten anhand der Fig. 6 beschrieben. Der Impulsgenerator 6 und L· der Generator 5 für die pseudozufällige Binärfolge sind etwa entsprechend den Generatoren aufgebaut, wie sie in den IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 8, No. 9» vom Februar 1966 beschrieben sind. Darüber hinaus sind diese Elemente auch in der oben beschriebenen USA-Patentanmeldung 568 041 beschrieben.

Als Ausgang des Phasenmodulators 4 erhält man ein Radiofrequenzsignal von der Art, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, bei dem die Hochfrequenzenergie im wesentlichen während der Länge der pseudozufälligen Binärfolge konstant bleibt. Während der Periode der Binärfolge wird jedoch die Phase des Hochfrequenzsignals entsprechend der pseudozufälligen Binärfolge zwischen einer Phase von 0° und einer hierzu .

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relativen Phase von 180° moduliert. Die Stellen der Phasensprünge sind durch die senkrechten Linien 7 in Pig. 2 angezeigt. Der Taktimpulsgenerator 6 bestimmt die Grundsehrittlänge T für die Binärfolge. Die Grundschrittlänge T ist in Pig. 2 als die minimale Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Phasenumkehrungen dargestellt, wobei diese Zeit als die Differenz fischen der Zeit t.. und der Zeit tQ dargestellt ist. Die Gesamtzeit für jede pseudozufällige Folge beträgt t«, worin N die Gesamtzahl der Grundschrittlängen in der pseudozufälligen Folge bedeutet. In einem typischen Beispiel ist die pseudozufällige Folge eine Sekunde lang und enthält 65 535 Schrittlängen. Am Ende der paeudozufälligen Binärfolge wird die Folge in sich wiederholt.

Durch die Phasenmodulation des Hochfrequenztrag ersignals wird bewirkt, daß die Energie des Hochfrequenzsignals verhältnismäßig gleichförmig über eine verhältnismäßig weite Bandbreite mit gleichförmiger Spektraldichte verteilt ist, wie es aus der Darstellung des Spektrums in Fig. 3 hervorgeht. Im einzelnen besitzt das modulierte Trägersignal eine Umhüllende in Abhängigkeit von der Frequenz, die als j dargestellt werden kann, worin χ = T(f - ^₀)T

Der erste Modus hat eine Bandbreite BW von ψ- , worinT* die Grundschrittlänge ist. Die Spektrallinien des ausgesandten Signals haben einen Frequenzabstand Δ F von ψζ, , worin N die Gesamtzahl der Schritte in der pseudozufälligen Folge und T^ die Grundschrittlänge bedeutet. So beträgt bei dem dargestellten Fall der Frequenzabstand der Fourierkomponenten 1 Hertz, und die Bandbreite beträgt 131 070 Hertz. Wenn somit lediglich eine Hälfte der gesamten zur Verfügung stehenden Bandbreite verwandt wird, indem f_Q an ein Ende des Spektrums der anzuregenden Probe gelegt wird, so beträgt die zur Verfügung stehende Bandbreite 65 535 Hertz, wodurch die Spektralbreite von 40 Kilohertz angemessen überdeckt '

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wird, die erforderlich ist, um das Spektrum von Fluorzusammensetzungen zu beobachten.

Das phasenmodulierte Sendersignal wird auf die Probe gegeben, um gleichzeitig die verschiedenen Spektrallinien der zu untersuchenden Probe anzuregen, um ein zusammengesetztes Resonanzsignal zu erzeugen, das eine Umhüllende aufweist, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, wobei das zusammengesetzte Resonanzsignal, das von der zu untersuchenden Probe ausgesandt wird, in einem Hochfrequenzverstärker 8 empfangen, verstärkt und auf eine» Eingang eines Hochfrequenzphasendetektors 9 gegeben wird, in dem seine Phase gegenüber einem Bezugssignal festgestellt wird, das von dem Hochfrequenzsender bei der Trägerfrequenz Tq abgeleitet wird. Es ist ein Phasenschieber 11 vorgesehen, um die Phase des Bezugssignals gegebenenfalls einzustellen.

Der Ausgang des Hochfrequenzphasendetektors 9 besteht aus einem zusammengesetzten Resonanzsignal der Art, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, das in den Hörfrequenzbereich transformiert ist. Der Ausgang des Hochfrequenzphasendetektors wird durch einen Niederfrequenzverstärker 12 verstärkt und auf den Eingang eines Analog-Digital-Umsetzers 13 gegeben, der eine Zeitabtastung des zusammengesetzten Resonanzsignals ausführt. Die Zeitabtastung wird mit jeder Periode der pseudozufälligen Binärfolge mit Hilfe eines Abtasttriggersignals synchronisiert, das von dem Folgegenerator 5 abgeleitet wird. Das zusammengesetzte Resonanzsignal wird in periodischen Intervallen, die de.r Grundschrittlänge » des Binärfolgegenerators 5 entsprechen, abgetastet bzw. gemessen. Wenn somit N Grundschritte in der pseudo zufälligen Folge vorgesehen sind, so werden in jeder Periode des pseudozufälligen Folgegenerators N Abtast- bzw. Meßzeiten vorgesehen. Diese Meßzeiten sind durch die kräftigen Punkte auf der ,Einhüllenden des zusammengesetzten Resonanzeignais der Fig. angedeutet. Der Analog-Digital-Umsetzer 13 setzt die gemessene Amplitude des zusammengesetzten Resonanzsignals in digitale

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Daten um, die aufeinanderfolgend in entsprechenden Kanälen eines Speichers eines Computers, wie etwa Varian Data

werden Machines 620 i Computer 14, gespeicherte"Der Computer H enthält eine Adressenvorrichtung, um die gemessenen digitalen Daten an die entsprechenden Speicherkanäle zu adressieren. Die Adresse wird mit der Grundbitgeschwindigkeit des pseudozufälligen Folgegenerators über einen Kanalwählerausgang synchronisiert, .der von dem Folgegenerator 5 abgeleitet und der Adresse zugeführt wird. Somit wird das zusammengesetzte Resonanzsignal bei jeder Periode des pseudozufälligen Folgegenerators abgetastet, wobei eine derartige Abtastung eine Vielzahl von Abtast- bzw. Meßpunkten umfaßt, und die von jedem Meßpunkt abgeleiteten digitalen Daten werden in einem entsprechenden Kanal des Speichers gespeichert. Die digitalen Daten, die bei aufeinanderfolgenden Perioden der pseudozufälligen Folge erhalten werden, werden in den entsprechenden Kanälen des Speichers aufaddiert, um das Häuschen zeitlich zu mitteln, so daß man eine Vergrößerung des Signals erhält, da sich das cohärente Signal entsprechend der Zahl der gemessenen Bits addiert, während sich das Rauschen lediglich entsprechend der Quadratwurzel der Zahl der gemessenen Bits addiert, wodurch man eine wesentliche Verbesserung des Signal/Rauschen-Verhältnisses erhält. Nach einer verhältnismäßig großen Zahl von Perioden, von etwa 500, des Generators für die pseudozufällige Binärfolge, liest der Computer die in den einzelnen Kanälen gespeicherten Daten ab und führt eine Fdurier-Transformation aus, um das zusammengesetzte Resonanzsignal in seine getrennten Fourier-Bestandteile umzusetzen. Durch die Abtastsynchronisation und die Kanalwählersynchronisation, die durch die pseudozufällige Binärfolge erhalten wird, wird die Phaseninformation für die getrennten Fourierkomponenten des Resonanzsignals gewahrt. Jede dieser Resonanzkomponenten hat eine bestimmte, vorbestimmte Phasenbeziehung zu der anregenden Fourier-Komponente des Sendersignals. Diese vorbestimmte Phaseribeziehung ist allgemein in Figo 4 angedeutet und kann durch eine Fourier-Transformation der besonderen

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pseudozufälligen Binärfolge genau bestimmt werden. Die relativen Phasen für die verschiedenen Fourier-Komponenten des Sendersignals sind durch die ausgefüllten Punkte in Fig. 4 angedeutet. In den Computer 14 wird ein Fourier-Transformationsprogramm 15 eingegeben, das die genaue Natur der pseudozufälligen Folge berücksichtigt, um die relativen Phasenverschiebungen der verschiedenen Fourier-Komponenten zu wahren, die an dem Computer 14 abgelesen werden. Die Fourier-Komponenten des Resonanzsignals, wie sie von dem Computer 14 erhalten werden, werden einer Aufzeichnungsvorrichtung 16 zugeführt, um eine Aufzeichnung des Resonanzspektrums der zu untersuchenden Probe zu erhalten. Der reine Absorptions- oder reine Dispersionsmodus der Resonanzsignale kann durch geeignete Änderungen in dem Fourier-Transformationsprogramm oder durch Wahl der korrekten Phasenverschiebung für veränderliche Phasenschieber 11 erhalten werden.

In Fig. 6 ist eine vorzugsweise Ausführungsform des Generators 5 für eine pseudozufällige Binärfolge dargestellt. Bei dieser Ausführungsform wird ein Schieberegister 21, das so geschaltet ist, daß es eine maximale Folgelänge erzeugt, was im einzelnen weiter unten "beschrieben werden soll, durch einen Zug von cohärenten Impulsen geschaltet, die von dem Taktimpulsgenerator 6 abgeleitet werden· Der Ausgang des Schieberegisters 21 bei 20 bildet eine binäre zufällige Folge, die eine bestimmte Zahl von Grundschritten enthält, bevor die Folge sich wiederholt. Die Zahl der Grundschritte W in der Folge beträgt 2ⁿ minus 1, worin η die Zahl der Binärvorrichtungen in dem Schieberegister 21 1st. Die binäre zufällige Folge wird auf den Phasenmodulator 4 gegeben. Der Phasenmodulator 4 moduliert 4ie Phase des Hochfrequenzträgersignals, das von dem Hochfrequenzsender 3 erhalten wird, entsprechend dem pseudozufälligen Binäreingangssignal zwischen relativen Phasen von O⁰ und 180°. Der Phaaenmodulator 4 enthält einen Eingangstransformator 22, dessen Primärwicklung 23 von dem Hochfrequenzsender 3 gespeist wird. An den einander gegen-

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überliegenden Enden der Sekundärwicklung 24 des Transformators 22 liegen Signale mit zueinander entgegengesetzter Phase (mit um 180° verschobener Phase). Zwei Tore 25 sind zwischen die einander gegenüberliegenden Enden der Sekundärwicklung und einen Ausgang an der Klemme 26 geschaltet. Die Tore 25 sind so geschaltet, daß, wenn ein positives Eingangssignal zwischen den Toren 25 erscheint, ein erstes Tor 25 geöffnet und das andere zweite Tor geschlossen wird, und daß, wenn umgekehrt ein negatives oder Nulleingangssignal angelegt wird, das zweite Tor 25 geöffnet und das erste Tor 25 geschlossen wird. Somit ändert sich die Phase des Ausgangssignals an der ' Klemme 26 entsprechend dem ankommenden pseudozufälligen Binärsignal, das von dem Ausgang des Schieberegisters 21 abgeleitet wird, um 180°»

Das Schieberegister 21 ist von der Art, wie es in dem Buch mit dem Titel "Error-Gorrecting Codes" von William Peterson im Verlag M.I.T. Press and John WyIie and Sons, 1961, auf Seite 121 beschrieben ist» Das Schieberegister 21 umfaßt eine bestimmte Zahl von Binärvorrichtungen, wie etwa Flip-Hops, wobei der Ausgang einer jeden Binärvorrichtung als Eingang für den nächsten dient. Die Binärvorrichtungen sind in 4 Gruppen von 4, 9, 2 bzw. 1 gruppiert. Jede Binärvorrichtung | ist parallel zu dem Taktimpulsgenerator 6 geschaltet, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Der Ausgang der Endbinärvorrichtung jeder Gruppe der Reihe ist zu dem Eingang der ersten Binärvorrichtung über Modulo-2-Addierer 28 zurückgeführt, wobei auf die Modulo-2-Addierer ein zweiter Eingang gegeben wird, der von der Rückführung von den folgenden Bruppen von Binärvorrichtungen abgeleitet ist. Die Modulo-2-Addierer 28 sind jeweils an den Knotenpunkten in der Rückkopplung sleitung vorgesehen.

Das Schieberegister 21 ist vorzugsweise für eine maxima.le folgelänge geschaltet, um den Aufbau des Schieberegisters für eine gegebene JPolgelänge, d.h. eine Zahl von Bits, bevor

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sich die Folge wiederholt, zu vereinfachen. Die Zahl von .Binärvorrichtungen n, die für eine maximale Folgelänge von N Grundschritten erforderlich ist, wird durch die Beziehung N = 2 - 1 gegeben. Nimmt man an, daß ein Minimum von 40 000 Grundschritten in der pseudozufälligen Folge erforderlich ist, so ist η = 16 die am nächsten liegende ganze Zahl, durch die diese Bedingung erfüllt wird. Die Schaltung dieser 16 Binärvorrichtungen wird sodann anhand der Tabelle auf Seite 254 des oben erwähnten Buches gefunden, wenn man in der Stufe 16 (siehe Seite 261) nachsieht, wobei die Stufe der Zahl von Binärvorrichtungen entspricht. Z.B. ist die erste Angabe in der Tabelle für ein Polynom 16. Ordnung 210013F und entspricht der tatsächlichen Darstellung eines primitiven Polynoms 16. Ordnung. Die binäre äquivalente Zahl für 210013 ist 10.001.000.000.001.011 pid das entsprechende Polynom ist X¹ +Z¹² + X⁵ +X + 1, und das entsprechende Schieberegister ist in Fig. 6 dargestellt.

Durch einen Triggergenerator 31 wird auf der Leitung 36 ein Triggerausgangsimpuls erzeugt, wenn sich alle Binärvorrichtungen in demselben Zustand befinden, z.B., wenn Jede Binärvorrichtung ein positives Ausgangasignal aufweist. Dies tritt lediglich einmal während einer Periode der pseudozufälligen Folge auf. Der Triggerkreis 31 ist ein logischer "und"-Kreis mit UND-Toren 32, 33, 34 und 35» die so angeordnet sind, daß ein positives Ausgangssignal bei 36 nur dann erzeugt wird, wenn alle Eingangssignale von den einzelnen Binärvorrichtungen positiv sind, während ansonsten an dem Ausgang 36 eine Null- oder negative Spannung auftritt.

Der Ausgang 36 des Teiggergenerators 31 wird dem Analog-Digital-Umsetzer 13 und dem Computer 14 zugeführt, um den Anfang der Zeitabtastung des zusammengesetzten Resonanzaignals durch den Umsetzer 13 und den Beginn der Speicher-•einstellwählfolge des Computers 14 über die Adreasenvorriohtung des Computers 14 mit demselben Punkt in jeder

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Periode der binären Folge zu synchronisieren, so daß die Phasenbeziehungen zwischen den verschiedenen Fourier-Komponenten des zusammengesetzten Resonanzsignals gewahrt werden. Andererseits können die Vorwärtsschaltsignale für die Abtast- bzw. Meßzeiten des Umsetzers 13 und die Adresseneinstellungen von dem Taktimpulsgenerator 6 anstatt von dem inneren Taktgeber des Computers 14 abgeleitet und dem Analog-Digital-Umsetzer 13 und der Adressenvorrichtung des Computers 14 zugeführt werden, so daß die Meßzeiten mit der Grundfrequenz synchronisiert werden, die dem Folgegenerator 5 zugeführt wird. In diesem Falle können die Impulse " in dem Computer 14 so gezählt werden, daß eine Synchronisation der Binärfolgeperiode mit dem Beginn der '^ü eitabtastung und dem Beginn der Speicherwahl aufrechterhalten wird.

Gleichfalls ist es notwendig, daß das zusammengesetzte Resonanzsignal während der Zeit gemessen wird, in der das Sendersignal auf die zu untersuchende Probe gegeben wird. Die verschiedenen Hesonanzlinien der zu untersuchenden Probe, die in Resonanz angeregt werden, geben noch während einer bestimmten Zeitdauer nach der Beendigung einer Periode der pseudozufälligen Folge ein Resonanzsignal oder

cohärente Signale ab. Deshalb kann die Abtastung' bzw. g

Messung des zusammengesetzten Resonanzsignals durch den Analog-Digital-Umsetzer 13 bis zur Beendigung jeder Periode der pseudozufälligen Folge verzögert werden. Eine solche Messung wird während einer Zeitdauer zwischen aufeinanderfolgenden Binärfolgen durchgeführt, die durch den Generator 5 für eine pseudozufällige Binärfolge erzeugt werden.

In Fig. 7 ist ein Spektrometer 40 dargestellt, das in diesem letzteren Modus arbeitet. Das Spektrometer 40 ist im wesentv liehen dasselbe wie das in Fig. 1 gezeigte Spektrometer, mit der Ausnahme, daß unmittelbar nach Beendigung jeder pseudozufälligen Binärfolge von dem Trigger 36 ein Abtasttrigger- -signal auf den Analog-Digital-Umsetzer 13 und den Speicher-

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kanalwähler gegeben wird, um mit der Abtastung des zusammengesetzten Resonanzsignals, das von der Probe abgegeben wird, zu beginnen.

Zwischen dem Sender 3 und der Probe 2 ist ein Tor 37 angeordnet, um das zusammengesetzte Resonanzsignal zu beobachten, das von der Probe abgegeben wird, wenn der Sender keine Leistung abgibt. Dieses Tor 37 wird durch den Computer 14 über den Ausgang 38 gesteuert, der seinerseits durch das Triggersignal 36 von dem Generator 5 aus synchronisiert wird. Dasselbe Torsteuersignal 38 wird auch einem zweiten Tor 39 zugeführt, das zwischen dem Taktgeber 6 und dem Folgegenerator 5 angeordnet ist, so daß die Senderleistung jeweils im selben Punkt jeder aufeinanderfolgenden pseudozufälligen Folge auf die Probe 3 gegeben wird.

Obgleich bei einer vorzugsweisen Ausführungsform eine Phasenmodulation des Sendersignals f« angewandt wird, so ist dies nicht allgemein erforderlich, und das Hochfreuqenzsendersignal kann andererseits auch mit der pseudozufälligen Binärfolge in der Intensität moduliert werden.

Unter dem hier verwandten Ausdruck "Hochfrequenzspektrometer" wird nicht nur ein Spektrometer für Radiofrequenzen sondern ebensogut auch für Mikrowellenfrequenzen verstanden, und diese Bezeichnung soll auch Kernresonanzspektrometer, Blektronen-Spin-Spektrometer und Kernquadrupol-Resonanzspektrometer umschließen.

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Claims

Pat entansprüche

1. Hochfrequenzspektrometer mit einer Einrichtung, um ein Hochfrequenzenergieband zu erzeugen, das auf eine zu untersuchende Probe gegeben wird, wobei das Energieband eine ausreichende Bandbreite aufweist, so daß es die Spektrallinien der zu untersuchenden Probe überdeckt, um gleichzeitig eine Hochfrequenzresonanz verschiedener Resonanzspektrallinien in der Probe anzuregen, mit einer Einrichtung, um die angeregte Resonanz der Probe festzustellen, um ein zusammengesetztes Resonanzsignal von der zu untersuchenden Probe zu erhalten, mit einer Einrichtung, um das zusammengesetzte Resonanzsignal wiederholt zeitlich abzutasten und um eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden zeitlich versetzten Bestandteilen des zusammengesetzten Resonanzsignals in einer Vielzahl von entsprechenden Kanälen zu speichern, und mit einer Einrichtung, um die Signal-

ajazulesen, bestandteile, die in solchen Kanälen gespeichert sindrpwobei die Einrichtung zur Erzeugung des Hoohfrequenzenergiebandes, das auf die Probe gegeben wird, gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung (3) zur Erzeugung eines Hochfrequenztragersignals (f(O» durch eine Einrichtung (5)» um eine pseudo- { zufällige Folge von Ausgängen zu erzeugen, durch eine Einrichtung (4), um das Trägersignal mit der pseudozufälligen Ausgangsfolge zu modulieren, und durch eine Einrichtung (6), um die Speicherung der aufeinanderfolgenden, zeitlich versetzten Resonanzbestandteile in den jeweiligen Kanälen mit der pseudozufälligen Ausgangsfolge zu synchronisieren, um die Phase der Resonanzbestandteile, die in einem gegebenen Kanal bei aufeinanderfolgenden Zeitabtastungen des zusammengesetzten Resonanzsignals gespeichert werden, beizubehalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pseudozufällige Folge aus einer Folge von Binärdatenauagängen besteht.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4) zur Modulation des Trägersignals mit der pseudozufälligen Binärfolge einen Phasenmodulator enthält, um die Phase des Trägersignals entsprechend der binären, pseudozufälligen Folge um 180° phasenzu^jnodulieren.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zur Erzeugung einer pseudozufälligen Binärfolge ein Schieberegister (21), das eine Reihe von Binärelementen aufweist, und eine Einrichtung enthält, um einen elektrischen Rückkopplungskreis zu bilden, der wenigstens eine Modulo-2-Addiervorrichtung (28) enthält, die die Enden der Reihe binärer Elemente miteinander verbindet, wobei das Schieberegister für eine maximale Folgelänge geschaltet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochfrequenzspektrometer aus einem Kernmagnet-Resonanzspektrometer besteht·

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochfrequenzspektrometer aus einem Kernquadrupol-Resonanzspektrometer besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochfrequenzspektrometer aus einem Elektronenspin-Resonanzspektrometer besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochfrequenzspektrometer aus einem Mikrowellenspektrometer besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Einrichtung zur Speicherung der zeitlich versetzten Bestandteile des zusammengesetzten Reaonanzsignals in ent-

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sprechenden Kanälen gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung (13), die einen Analog-Digital-Umsetzer bildet, um die Amplitude jedes zusammengesetzten Resonanzsignals in bestimmten, zeitlich versetzten Intervallen aufeinanderfolgend zu messen, und. um die gemessenen Amplitudenbestandteile in eine Folge von binären digitalen Resonanzausgangsdaten umzusetzen, und durch eine Einrichtung (14), um die Folge von binären, digitalen Resonanzdatenausgängen an verschiedene entsprechende Kanäle zu adressieren, um diese Daten darin zu speichern, wobei die Synchronisiereinrichtung (6) das Messen des Resonanzsignals durch den Analog-Digital-Umsetzer (13) mit der Binärdatenfolge synchronisiert, die auf den Trägerfrequenzmodulator (4) gegeben wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Umsetzer (13) eine Einrichtung enthält, um das zusammengesetzte Resonanzsignal widerholte Male zeitlich abzutasten, wobei die Synchronisiereinrichtung (6) den Beginn jeder Zeitabtastung des zusammengesetzten Resonanzsignals mit dem Beginn jeder pseudozufälligen Binärdatenfolge, wie sie auf die Modulatoreinrichtung (5Ϊ gegeben wird, synchronisiert.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalablesevorrichtung eine Einrichtung (14),um die angesammelten digitalen Daten in jedem Kanal, die bei einer Vielzahl von zeitlichen Abtastungen des Resonanzsignals erhalten wurden, aufeinanderfolgend abzulesen, und eine Einrichtung (15) enthält, um die aufeinanderfolgenden Ablesungen von verschiedenen Kanälen dhrch eine Fourier-Transformation zu transformieren, um eine Folge von Ausgängen abzuleiten, die eine zeitliche Mittelung der verschiedenen Spektrallinien des Resonanzsignals darstellen.

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IQ

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