DE2126361A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erregen von Resonanz durch Rauschen - Google Patents

Description

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wird, um ein Resonanzlinlenspektrum der untersuchten Probe zu erhalten»

der

Ss ist ein durch Raueehen erregtes HF-Spektrometer bekannt, bei dem ein Band hochfrequentes Rauschen an eine Probe gelegt wird ρ die in eiseis asgnetlschen Bolarisatlonsfeld angeordnet let, isa gleietesitig Resonanz einer Vielzahl von Resonaasli« nien In der Pyab.® s« erregjea. Das zusammengesetzte, durch Rauschen ®sg®s*©gts ReeöSiaassignal mird© dsim auf genoiamea sand a«fg©zeiete®to Bas atifgezelebiäete Signal wurde faurisrtrasisformiert (analysiert) us dl« geis'62mten.._Feurler-Frequenzkoicpo<. nent@a das Regoaaiisspekts⁵^^! der «mtexmuskten Probe su erhalten iUS-Pß-teatsdfefdft 5 28? 629)«» Bas A?jsgang3spektriai dieses bekaimtciä Sp^fetr^aeterg te-sataud. aus @Ia^a Energiespaktnai der¹ iBat®ii&wekta& &®fe@G IiB g©le^€3 -Jfee^giespaktrtaB besteht aam eines·" KoffiblaaitlQS der Disperaieas·» nad Absorptions-Resoaanzmodij und d^siialb w&t lei&sr di@s@r bsld«ß Modi getrennt zu beobachten» Bfensbsal 1st ®£ jedoch «rwOnscht» ~ entweder den

p des Afes^afptlonsi^Rassäianzs^jdus zu beobachten.

Ee 1st £&rm%T ein Spektroaetsr vorgesehlagen worden, bei dem Rausehenergie an eine Prelbc aus gyrcmagnotieehen Körpern angelegt wird#* Ulm in elnea magnetischen Polarisationsfeld angeordnet waras» us gleichzeitig ein B^ffpfinTiTT 1n1 »wp*^w der untersi^chteis P^ofeö zu erregen. Die Rauschenergie, die zur Erregung der Probenresonanz verwendet wurde, wurde mittels einer langen, sieh wiederholenden pseudoetatistischen Binärfolge abgeleitet, dl· dazu verwendet wurde, einen HF-Sender zu phaBftTTTttodulioren, so daß «in HP-Spektrum von hochfrequenter Rauschenergie gebildet wurde, dessen Spektraldichte einer Verteilung ( *^§-^) folgt·· Das eich ergebende, durch Rauschen erregt· zusammengesetzte Reeonanzalgnal von der Probe

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vurde In einer Vlel2ahl von zeltlich versetzten Intervallen synchron mit einer Binärfolge der pseudostatistischen Binärfolge abgefragt, die zur Bildung der Rauscherregung benutzt wurde. Bei jedem sich wiederholenden Zyklus der peeudoetati» «tischen Binarfolge vurde das resultierende Resonanzsignal an den gleichen aufeinanderfolgenden, zeitlich versetzten Intervallen abgefragt» und die Resonanzslgnalaraplitude an j ed m der zeltlich versetzten Abfragepunkte vurde In einem entsprechenden Kanal eines Speichers gespeichert, so da3 die Information für aufeinanderfolgende Binärfolgen :1b Jeden einer Anzahl von Kanälen la Speicher akkumuliert wurde, so daß ein zeltlich gemitteltes, zusammengesetztes Rescpsnzsignal erhalten wurde, das dann fouriertransfon&.iert vurde, um die getrennten Fourier-Resonanzllnlenkoraponenten der iater~ suchten Probe zu bilden· Durch die Synchronisation der Abfrage« punkte des Reaonanzslgnals mit der zur Erregung der Probe verwendeten pseudostatistischen Binärfolge konnten entweder die Dispersions- oder die Absorptions-Resonanzmodus-Linienkomponenten von den fourlertransformierten Resonauzsignalen abgeleitet werden (Patentanmeldung P 20 38 951.9)- Bei diesem älteren Spektrometer vurde die Fourier-Analyse mit Hilfe eines Fouriertransformatlons-Coiiputers durchgeführt» und der Coap**- ter war so programmiert, daß er dl· Tatsache ausnutztet daß die Fouriertransformation für die pseudostatistische Rauscherregung präzise bekannt war und la Fouriertransf ormationsprograam des Computers berücksichtigt war.

Aufgab· der Erfindung ist ·β» ein verbessertes Verfahren und

eine Vorrichtung zur Erregung von Resonanz durch Rauschen verfügbar zu Bachen.

109850/1680 «dom««.

Gemäß eimern Itorkmal der Srf ladung wird- Im ©!©.es? Vorrichtung zur Erregnmg voa Resonanz durch Rauschen eine Einrichtung vorgesehen, Bit der das die ReBoaaaE erregend© Rausclispektraas mit dam &«r©h d&s Raiisehsn erregten Resonaxizllnienspektrusi "v©n d©r iiatsipsisehten Prob® so korrellert wlr&₉ daß sine Ksreus:- k©rr@lat£©®s£a!sktieM erhalte». WlM₆, isrnd eis,® linriuiitungf mit der die S^eiägkQiXTßlatioBsftMsktioii £ot32°ieraaalysi©rt wird_s. im R@seaaaglisd,eiisp©l£ti*i!2a d@r natersiiefetea F^öb© zu erhalten.

Gemäß) siB,@a ©Mderezi Merteal <ä.@r lg*fiadisi.g ^Ird la einer Vor-

g v©a R©s©aaas dureh Rsuscliss eiae Bissrish g g₉ salt d@r €ie €1® Rösoaaas ©^regsnd© Eaiisslieaar gi© fQHA-IeI⁵^iIiSiSf©Kliert ¹MlM₉ n® ©tes Err@g«»i,g3rauschen«-Sra:as

e ^sM ©3ja@ liardefetinag _t, mit siez· ¥"i5Si des* P

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zu erhalten.

Weitere Merkmal® und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgendes Beschreibung la Verbindung mit der Zeichnung; es

lag." 1 ©ia M.©©ks@haLi3l)äM ©M^s oisrela,

der

Fig. 2 ©is Schaltbild feg te fig_o 1 ieit der Liai®

sines

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Flg. 4 ein Blockschaltbild eines weiteren Spektrometers mit Merkmalen der Erfindung;

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines HF-Spektroaeters mit Merkmalen der Erfindung; und

Fig. 6 ein FluBdlagramm des Programs und der Funktionen, die im Computer des Spektrometers nach Fig. 5 ablaufen.

In Fig· 1 ist ein Hochfrequenzspektrometer 1 für gyromagnetische Resonanzen rn.it Merkmalen der Erfindung dargestellt. Das Spektrometer weist eine Sonde 2 auf» Mit der eine zu unter» suchende Probe aus Material für gyromagnetische Resonanz in ein magnetisches Polarisatlctnsfald H₀ eingetaucht wird. Die Sonde weist übliche Resonanzkreise auf» die voneiioa&der entkoppelt sind und so angeordnet sind, d&£ sie hochfrequente Energie mit der Probe austausche» können.

Sin HF-Sender 3 liefert HF-Energle bei einer Frequenz f_Q, die an einen Ende des Spektrums der zu erregenden Probe liegt. Der Sender liefert die Energie zur Sonde 2 über einen Phasenmodulator 4, der so angeordnet 1st, daß er dia Phasenlage des Sendersignals um 180° in Intervallen moduliert» die durch ein Eingangssignal von einem Generator 5 zur Erzeugung einer statistischen Binärfolge festgelegt sind. Die phasenmoduliert« HF-Energie» die der Sonde 2 zugeführt wird, erregt einen Resonanzkreis in der Sonde 2, um ein hochfrequentes Magnetfeld zu erzeugen, das mit der Probe gekoppelt 1st, wobei der magnetische Vektor des HF-Feldes eine starke Komponente rechtwinklig zu* Vektor des magnetischen Polarisationsfeldes H₀ hat.

Der Generator 5 zur Erzeugung einer statistischen Binarfolge kann eine vollständig statistische Binlrfolge erzeugen, dl· sich nicht wiederholt» oder «r kann so ausgelegt sein, daß

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er eine pseudostatistische Binärfolge liefert, die aus einer relativ langen Folge von Binärausgängen, beispielsweise 66.000 Bit während einer Sekunde Folge, besteht, die innerhalb der Folge statistisch sind; diese Folge wiederholt sich. Wenn die statistische Binärfolge vollständig statistisch ist, das heißt sich nicht wiederholt, mit willkürlicher Schaltzeiten, bildet der Hiasesao&ulator 4 in Kombination mit dem Generator 5 zw Brseuguag der statistischen Blnärfolga ©in© Quelle für walBes Rauschen, die si» breites Band HF-Energie liefert, di© glel©hfSs¹SIg !!her die erwartete Bacdc-relts das Spektrums des? && «ifrege&dan Wrob® verteilt 1st. Falls die statistlsdaG lialrf©lg@ pseeid^statistlscli ist, da^ Iiei3t sieh wIeü®EJs@it₉ w©b©i die Sehalts©iten Vielfaches der

fest die dor Erobe zugeiführte IW-als; FJMktiga der Frequenz „ die si

(%) t, if®ös£, s ^fIf - f_Ä)T. Der erst® sfetoa

Mt sine lssaiäl«@its S!i ^e&a ^₉ vobei T dl« Zeit für «ia@ Gmsadsclrlttlixig© in de3? F@lg® leto Bis GrundachrittlSEge T 1st in d©a Spaamaageverlauf Cb) la Fig. 1 Illusti*Isrt! dieser

bildet daa BteüreMsgaii^ das F©lgegeaerat©rs die M

dies® ZeitiTist la Spanmtngsvarla^f als Ct₁ - t_o) dargestellt. Die Gesaatzelt T für jede pseudostatistische Folge ist TN, wobei H die Gesamtzahl der Grund-. schrittlSagen in der pseudostatistiechen Folge ist. Bei einem ' typischen Msfuhrungebelapiel 1st die pseudostatlatlsche Folge eine Sekxmde lang und enthält 65*535 Schrittlängen. Aa Ende der pseuAostatietlschen Blnflrf olge wiederholt sich die Folge selbst.

Öle Spektrallinien des gesendeten Signals haben einen FrequenzabstaadAf * ^. Für den besprochenen Fell ist eis» der Frequenzabstand der Feurlerkoapoaenten is pseudostatistischen

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Rauschen 1 Hz und die Bandbreite beträgt 131.070 Hz. Typischerveise braucht nur eine Hälfte der gesamten verfügbaren Bandbreite verwendet zu werden, wenn f_Q an einem Ende den Spektrums der zu erregenden Probe liegt, die verfügbare Bandbreite ist dann 65.535 Hz, was üblicherweise mehr als ausreicht,, um das Spektrum von Protonenproben zu überdecken und auch ausreicht, das Spektrum der meisten Fluorverbindungen zu überdecken.

Das phasenmodulierte Sendersignal wird der Sonde 2 zugeführt_c um gleichzeitig die verschiedenen Spektrallinien der zu untersuchenden Probe zu erregen, um ein zusammengesetztes Resonanz-Signal mit einer zeitlich sich ändernden Umhüllung zu erhalten. Das zusammengesetzte Resona&zsignal wird in einem HF-Vers tarier empfangen, verstärkt und einem T! Inga ng eines HF-Phasendetektors 7 zugeführt, in dem es gegen ein Bezugeslgnal phasendetektiei't wird, das vom HF-Sender 3 bei der Triggerfrequeiiz f abgeleitet wird. Sin Phasenschieber 8 ist vorgesehen, u» gewUnsehtenfalls die Phasenlage des Bezugssignal« einzustellen.

Der Ausgang des HF-Phasendetektors 7 1st ein zusammengesetztes Resonfinrslgnal mit einer sieh zeitlich ändernden Umhüllenden, und dieses Signal ist Über den Phasendetektor 7 in den NF-Bereich transformiert. Dl· Niederfrequenz am Ausgang des phaeenempfindllchen Detektors 7» nämlich T (I)₁WlTd In einem NF-Verstärker 9 verstärkt und einem Eingang einer KorrelationskoeffizienterwBeetinerangseinheit 11 zugeführt, in der ea mit den niederfrequenten statistischen BinSLreusgang des Folgegenerators 5 kreuzkorreliert wird; dieser Ausgang des Generators 5 entspricht der Rauscherregungafunktion S (t), die zur Erregung der Resonanz durch Rauschen an die Probe angelegt war. Im folgenden «oll die RauschÄrregungefunktion mit S (t) und die durch Rauschen erregt« Antwort in dar untersuchten Probe mit V (t) bezeichnet werden, und dl« Korrelationskoeffizienten-Bestl—uagff tnheit 11 korreliert die Rauscherregungefunktion

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S (t) mit der dxsrch Ra*x&ehön erregten Antwort V Ct)₉ ua ©Ine Kreu^orraXatisaefunktioa R_e,_ (f) sas bilden.

Aue der üh@@rl® linearer Systems 1st ©s bekannt _ε daß ein Iis©it&b&lnglges Syste@ dwell die Istwort auf ©Ine Rausch« mit Qla@p f^eqiamsissals^gBgigea spektralen Energiodiefot©^ W Cf)₀ ^ie g«fStelIe& ifelSsSg statistisches Rmm iM₀ gÄ#sas«ii§äm®t irss^leia ksjm» EI® l^eiazkei^elat -imktl@s R_gv f£) Ä@r Sti^Mig S C ^ saä der Antwort V (t) is

©raiiert* ds-r ÖSsrgsiügsfiMktiiäa Y Cf) ist_e mit

t ο Ss wLf£ eages^asns daü S Ct)

Magnetisch© R#scaan2syet@s®e Sem« oder Eiektronen-Spinsystera© sind Im allgeiaainsn nicht lineare 3ymtesm. Solehe System© sind durch Gleichung (1) nieht «indeistig gekennzeichnet. Es ist Je- ämh geneigt KmrUMg&v daß QKmmmhB& stetistiseiies Rauschen mit

8p®!strs2®3? lE@s*fi®Äiehte a@eh ein gut g©« ists

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esäe statistieehen Bte^iag al© 1^-aaeIe® is eteehastisefe g-aaalea H@rsit®»B©lfiis»©B dsrssstalisao PIe ^^rsehiedenßB

«H@ Hs§®©i³@n_s qnsifeatisehen, kubisehen-

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Antworten eines nichtlinearen Systems. Der lineare Ausdruck ist äquivalent der Gleichung (1).

Die Korrelationskoeffizienten-Bestimmungseinheit 11 kann aus einem Digitalrechner bestehen oder einem Analogkorrelatcr mit Verzögerungsgliedern, Multiplikationsstufen und Speichern, wie in Fig. 2 dargestellt ist, um Gleichung (1) zu lösen.

Die Xreuzkorrelationsfunktion am Ausgang des Korrelators 11 wird dem Eingang eines mehrkanaligen Speichers und Addierers

12 zugeführt, in dem sio zeitlich gemittelt wird, und der Ausgang des mehrkanaligen Speichers und Addierers 12 vrird_t wie bei 13 angedeutet, fouriertransformiert, beispielsweise mit einem Fouriertransformationscomputer wie Computer Modell 620 1 der Firma Varian Data Machine, um so ein Ausgangnspsktrura der untersuchten Probe zu liefern, daa einem Schreiber zugeführt wird, in dem es als Funktion der Frequenz oder Zeit aufgezeichnet wird, die von der Fouriertransformationseinheit

13 abgeleitet wird.

Der Korrelator 11 mit Analogelementen 1st in Fig. 2 näher dargestellt. Der Korrelator 11 weist einen Eingang 16 auf, an den entweder das Erregungsrauschsignal S (t), oder die durch Rauschen erregte Antwort V (t) angelegt wird. An den zweiten Eingang 17 wird das jeweils andere Signal angelegt, nämlich die durch Rauschen erregte Antwort V (t) bzw. das Rauscherregungssignal S (t). Das Signal am Eingang 16 wird dem Eingang einer ersten Multiplikationsstufe 18 zugeführt, in der es mit dem anderen Eingangssignal an Eingang 17 multipliziert wird, um ein Ausgangssignal R_flV (ς, )«*_8V(o) zu bilden, das einem Eingang eines Integrators 19 aus einem Reihenwiderstand 21 und einem Parallelkondensator 22 zugeführt wird. Der Parallelkondensator 22 dient als Speicherelement und das Integrierte Ausgangssignal erscheint am Ausgang 23·

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Ein erstes Verzögerungsglied 24 verzögert eines der Eingangssignale gegenüber dem anderen um ein Zeitintervall T₁. Der verzögerte Ausgang vom Glied 24 wird einem Eingang einer zweiten Tfultipllkationsstufe 25 zugeführt, in der es mit dem zweiten, nicht verzögerten Eingangssignal V (t) multipliziert wird, um eine zweit® kreuzkorrelierte Ausgangskoraponente R_gv, (^r₁) zu bilden« die über dem Speicherkondensator 22 eines zweiten Integrators 19 erscheint» Am Ausgang des ersten Verzögerungsgliedss 24 lisgt weiter ein zweites VerzSgerungsglied 26, das das RauediexTiggWEgsslgnal S (t) weiter verzögert* so daß die GesaatversSgoriiäBg jetzt (T^) beträgt. Am Ausgang des Gliedes 26 liegt eis Eisgang einer dritten Mwltiplikationss-fcufe 27, wo das verzögert© Signal mit dem imverzögerten Antwortsignal V (t) multipliziert wird, um eine dritte Kreuzkörrelationskoaponente R feg) zu bilden« Im Korrelator 11 wird also die durch RausÄaa angeregte Resonanzantwort V (t) nacheinander alt den nacheinander verzögerten RauscherregungEsignal S (t) multipliziert„ und die Ausgangsspannung, die die Kreuzkorrelationskomponente bildet, erscheint Über einer Folge von Speicherkondensatoren 22. 2s sind eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Verzögerungsgliedern und Multiplikationsstufen vorgesehen, um eine Vielzahl von Kreuzkorrelatlonsausgangsspannungen zu erhalten. Venn alle Verzögerungeeinheiten die gleiche Verzögerungezeit X haben» dann ist T_n ■ nT, Die AusgangS3pannungen werden über den Speicherkondensatoren 22 integriert, um einen zeitlichen Mittelwert der Kreuzkorrelationsfunktionen zu erhalten· Die zeitlich gemittelten Komponenten werden dann in der Fouriertraneforaationseinheit 13 fourieranalysiert, um ein Reeonanzlinienepektrum zu erhalten. Statt eine Vielzahl von Verzögerunge einheit en, Multiplikatlonsstufen und Integratoren zu verwenden, kann ein einziges Verzögerungsglied und eine einzig· Multlplikationsstufe nach des Prinzip des time sharing verwendet werden» wobei die aufeinanderfolgend gebildeten Ausgangesignale eines mehrkanaligen Speicher und Addierer zugeführt werden, der die jeweiligen Ausgangsspannungen

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in aufeinanderfolgenden Kanälen zur späteren Fourieranalyse speichert.

Falls der Generator 5 für die statistische Binärfolge im Spektrometer nach Fig. 1 eine pseudostatistische Binärfolge liefert, das heißt eine statistische Folge, die sich wiederholt, kann der Ausgang des HF-Verstärkers 9 einer mehrkanaligen Speicher- und Addierer-Einheit zugeführt werden, die die niederfrequente Rauschantvort V (t) an einer Vielzahl von zeitlich versetzten Punkten abfragt und die abgefragte Information in entsprechenden Kanälen des mehrkanaligen Speichers und Addierers speichert, wobei diese Speicherung und Addierung ait der Grund-Binheitsschrltt-Rate und dem Zyklus des Generators für die pseudostatistische Binärfolge derart synchronisiert ist, daß Jede durch Rauschen erregte Ausgangsspannung V (t) entsprechend jedem Zyklus des pseudostatistischen Folgegeneratore an den gleichen zeitlich versetzten Intervallen abgefragt wird, wobei korrespondierend abgefragte Signalamplituden in den gleichen jeweiligen Kanälen des mehrkanaligen Speichers und Addierers akkwuliert werden, υα einen zeitlichen Mittelwert der durch Rauschen erregten Resonanzantwort V (t) zu erhalten.

Die zeitlich geaittelte Antwort V (t) kann dann aus dem mehrkanaligen Speicher und Addierer der Korrelatlonskoeffizienten-Bestimaungseinhelt 11 zugeführt werden, un mit der Rauscherregungsantwort S (t) verglichen zu werden, die einem einzigen Zyklus der pseudostatistischen Binärfolge entspricht, da diese Erregungsantwort für jeden Zyklus der paeudostatistischen Binärfolge identisch ist. Der korrelierte Ausgang wird in der Einheit 13 fouriertransformiert, um ein zeitlich gemitteltes Resonanzlinienspektrum am Ausgang zu erhalten·

In Flg. 3 ist eine andere AusfUhrungsform eines HF-Spelctroneters 31 mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Das Spek-

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trometer 31 nach Fig. 3 ist grundsätzlich gleich dem in Verbindung mit Flg. 1 beschriebenen aufgebaut, nur daß das Spektrum der Rauscherregungsenergie S (t), das der Sonde 2 zugeführt wird, durch Feldmodulation des magnetischen Polarieationefeldee angelegt wird. Genauer gesagt, die statistische Binärfolge am Ausgang des Binärfolgegenerators 5 hat einen Spannungsverlauf wie durch den Spannungsverlauf (a) in Flg. 3 dargestellt, und diese Binärfolge wird einer Differenzierschaltung 32 zugeführt« um relativ kurze Impulse zu liefern, wie sie im Spannungsverlauf (b) in Flg. 3 dargestellt sind; diese Impulse haben eine Impulsdauer Tund eine Stärke H , die ent» weder positives oder negatives Vorzeichen hat, Je nachdem, ob die Ausgangsspannung der Differenzierschaltung 32 positiv odor negativ ist. Die Ausgangsimpulse der Differenzierschaltung 32 werden einem Feldmodulator 13 zugeführt, der das magnetische Polarisationsfeld H_Q mit dea Impuls HL moduliert. Bei gyromagnetischer Resonanz wird jeder Impuls der Dauer t und Stärke H_ so bemessen, daß eine Phasenumkehr um 160° der präzedierenden gyroaagnetischen Körper im magnetischen Polarisationsfeld H₀ hervorgerufen wird. Mit anderen Worten, die Phasenmodulation der Rauschquelle, wie sie in Spektrometer 1 nach Fig. 1 verwendet wird, ist äquivalent der Feldmodulation-Rauschquelle nach Flg. 3» wenn die folgende Beziehung erfüllt ist

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wobei 2f das gyromagnetische Verhältnis let, H_ die Amplitude der Modulation de« Magnetfeldes, und t die Länge der Impulse in der Impulsfolge eines Spannungsverlaufs (b). Zusätzlich ist es notwendig, daß t sehr viel kleiner let als ^T, wobei ¹X die Grund-Einheitsschrittlänge der Binärfolge ist.

Der Vorteil der Feldmodulation im Spektrometer 31 nach Flg. 3 liegt darin, daß die Sondenstruktur und der HF-Verstärker 6

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vereinfacht werden können, da keine direkte Kopplung von HF-Energie vom Sender in den Eingang des Empfängers 6 über die Sonde 2 erfolgt, wenn die Senderfrequenz f_Q gegen don interessierenden Spektralbereich der untersuchten Probe versetzt ist. Dadurch wird eine unerwünschte Übersteuerung und ein Einkoppeln von unerwünschten Signalen in die Eingangsstufen des HF-Verstärkers 6 vermieden.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines HF-Spektrometer 36 mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Das Spektrometer 36 ist im wesentlichen gleich den Spektrometern nach Flgn. 1 und 3 aufgebaut, nur daß die Rauschenergie S (t), die zur Erregung der Resonanzantwort V (t) verwendet wird, mit der Rauschresonanzantwort V (t) kreuzkorreliert wird, indem die Rauschenergie S (t) in einer Fouriertransf ormation-Binheit 37 fouriertransforalert wird, und ebenso die durch Rauschen erregte Antwort Y (t) in einer Fouriertransformatlon-Sinheit 38 fouriertransf ormiert wird» und dann die Fouriertransformierten des Rauschen» S (t) und der Resonanzantwort Y (t) in einer ttultlpllkationsetufe 39 komplex multipliziert werden, um das fouriertransforalort· Reeonanzllnienspektrum der untersuchten Probe zu erhalten, das dann dem Schreiber zugeführt wird, um in Abhängigkeit von der Zelt oder in Abhängigkeit von der Frequenz aufgezeichnet zu werden, um ein Aiisgangsspektrum der untersuchten Prob· zu erhalten. "Komplex multiplizieren¹* soll in diese« Zusammenhang verstanden werden als Multiplikation von komplexen Zahlen (vergl. CR. Yylle, Jr. "Advanced Engineering Mathematics", McGraw-Hill, 2. Auflage, 1960, Seite 528).

Im Spektrometer 36 kann für den Fall, daß der Folgegenerator 5 pseudostatistisch, das heißt sich wiederholend arbeitet, ein mehrkanaliger Speieher und Addierer zwischen dem Ausgang des HF-Verstarkers 9 und dem Eingang der Fouriertranef ornatlons-

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einheit 38 vorgesehen werden, üb die Resonanzantsort V (t) wiederholt abzufragen und in entsprechenden Knnfilan des Speichere und Addierers zu akkumulieren» um einen zeitlichen Mittelwert der durch Rauschen erregten Antwort V (t) zu erhalten» die dann anschließend der Fouriertransformation 38 zugeführt wird» üb einen zeitlich gealttelten fouriertransformlerten Ausgang zu erhalten, der alt der Fouriertransformierten des Rauschens kreuzkorreliert wird. Die Fouriertransformierte des Rauschens ist für jeden Zyklus der pseudostatistischen Folge die gleiche. Die Fouriertransformierte der pseudostatistischen Binärfolge zur Rauscherregung S (t) braucht zeitlich nicht gemittelt zu werden _r ehe sie der Multiplikations-) stufe 39 zugeführt wird, üb mit dem zeitlich geaittelten Ausgang der Fouriertransformatlonoeinhelt 38 multipliziert zu werden.

Statt dessen kann der aehrkanalige Speicher und Addierer am Ausgang einer Komplei-Rultiplikationsstufe 39 vorgesehen werden» und zwar für den Fall» daß der Folge generator 5 eine sich wiederholende oder pseudostatisch· Folg· liefert» ua einen zeitlichen Mittelwert der Spektral-Resonanzdaten zu erhalten» die dann zum Schreiber 14 ausgelesen werden können. Vie beim Spektrometer nach Flg. 3 kann dl· Rauscherregung S (t) sowohl durch Feldoodulation als auch durch Phasenmodulation des Sendersignals erhalten werden.

In Fig. 5 ist ein weiteres Spektrometer 42 mit Merkmalen der Erfindung dargestellt· Dm Spektrometer 42 nach Flg. 5 1st grundsätzlich gleich den nach Flg. 4 aufgebaut und weist einen Kleincomputer für allgemein· Zweck· wie Computertype 620 1 der Firma Varian Data Machin·«« Hewport Beach, California» USA mit einem Speicher mit 80CX) Wörtern Kapazität auf. Dl· Interfaoea (Kopplung·elektronik) zwischen dem Computer 43 und dem

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Spektrometer, beispielsweise einem Spektrometer Type DA 60 der Anmelderin, erfolgt Über ein allgemeines Interface Typ SS100, das A/D-und D/A-Konverter, Melde· und Steuerleitungen aufweist.

Der Computer 43 liefert eine pseudostatlstische Binärfolge maximaler Lange, indem das A-Reglster des Rechners 43 als Schieberegister mit 10 Bit benutzt wird. Ein Bit-Ausgang des A-Registera des Computers 43 wird dazu verwendet, ein Flip-Flop«· Register einzustellen und rückzustellen, das den binären Phasenmodulator 4 ansteuert, der die Phasenlage des HF-Sendsrsignals auf 0 oderT einstellt, Je nach den Zustand des Flip-Flop, Die modulierte HF-Spannung wird in einem nicht dargestellten Leistungsverstärker verstärkt. Sine HF-Leistung von etwa 30 mV wird dazu verwendet, einen Spektralbereich von 1 kHz Im 60 MHz-Band zu überdecken. Die durch Rauschen erregte Resonanzantwort V (t) wird in der Empfängerspule in der Sonde 3 aufgenommen, im HF-Verstlrlcer 6 verstärkt, im HF-Phasendetektor 7 demoduliert und über einen Tiefpaßfilter geleitet, der eine 3 dB-Frequenz von 0,4 bis 2 kHz hat, je nach der Breite des Spektrums. Der KF-Ausgang des NF-Verstärker* 9 wird digitalisiert und entweder Im Speicher des Computers 43 oder in einem nicht dargestellten Computer zur zeltliehen Mittelwertbildung, beispielsweise Typ C-1024 der Anmelderin, gespeichert. Der Abfrageprozese, für eine Speicherung, 1st mit der Hrregungsfolge S (t) synchronisiert und liefert 1023 Abfragen pro Perlode, die den entsprechenden Abfragen früherer Perioden hinzugefügt werden, das heißt Zyklen der peeudostatlatischen Binftrfolg«.

Die Signalverarbeitung und Trensformation erfolgt nach der Dmtensammlung. Dm* fouriertransfermierte und kreuzkorrellert« ResornnTiinienspektrum wird über einen Digltal-Analog-Vandler zum IT-Schreiber 14 geführt.

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Das Flußdiagramra für das Coerputerprogranm zur Datenverarbeitung ist in Fig. 6 dargestellt. Die rauscherregte Resonanzantvort V (t) wird durch Subtraktion des Mittelwertes grundlinienkorrigiert, um die Genauigkeit der folgenden Festpunktoperationen zu erhöhen. Sine übliche Fouriertransfonoationsroutine wird dazu verwendet, die 1023 Datenpunkte in 512 Paare von komplexen Fourierkoefflzienton mit einer Genauigkeit von 15 Bit zn tran&foraleren. Die Fourierkoeffizienten der Rauschund Resonanssignale werden alt den koraple^tonjugierten Fourierkoeffizient©a des Schieberegistercodes multipliziert, der zur Raus«iherr®guag der Resonanz verwendat wurde. Dadurch entsteht ein komplexes Spektrum. Ui ©in Linleaspektru» des reinen Absorptions- ©der reinen Diepersions-Resonanzmodus am Ausgang zu erhalten» ist eine Fnaaesakorrekturroutlne vorgesehen, dia es erlatzbtf, die Phasenlage des Spektrtsas um willkürliche Winkel zu variieren^ uad zwar alt eiser Uaearen Kombination der reellen nsaä igmglsiarea Teil* ame, k«^plexea Spektrums. Diese Korr®ktyi*roiitia@ ist in d«2» ßlt#re·» teaeMung P 21 10 175.7 der

Ss ist ebens^g&t aSglleh, das Ogüal m. 1024 Datenpunktmpro Period· abzufragen wsd an»chlie3*nd die letzte Fourlertransformatlotuiroutine zu Yerwtndeii, die von Cooley nnd Tuckey beschrieben wurde und dl« dl« Rechenzeit erheblich herabsetzt. In diesem Falle nuß die binäre Zufallsfolge und Kopplung derart synchronisiert sein, daß wfihrend 2¹^-I Grundschritten der statiatlsohiin Folge 2^a Äbfragung©n la gleichen Abstäaden erfolgen Cbel@piel£welee n « 10).

Di» Syag&ro&isiition kann wie £@igt erreicht werden ι Angenoismen daß die Peri@dea1 finge T gleich 1 Bmtomae ist, nuß die Fre» quanz des Crund-Taktgeber» la der Reehenelaheit bei 2ⁿ (2^-1) Rz liegen, die in eines BlnÄrzIhler iss. der Recheneinheit durch 2* geteilt wird, um die Verechiebaiapuls· für den binären,

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pseudostatistischen Rauschgenerator zu erzeugen, der durch das Α-Register gebildet wird. Gleichzeitig wird die Grund-Taktfrequenz durch 2ⁿ-1 geteilt, wobei ein Schieberegister mit η BinMrstellen und RUcktopplungs-Abfragezeiten für den Addierer verwendet werden.

Eine Feld-Frequenz-Kontrolle wird dem Spektrometer 42 zugefügt, um eine bessere Stabilität der Auegangsspektren durch Verwendung einer Feld-Frequenz-Kontrollprobe in der Sonde 3 und Modulation des Sendersignals f_Q mit einer Niederfre von einen NF-Oszillator 44, die einem abgeglichenen 2IF-lator 45 zugeführt wird, um ein Seitenband bei dor frequenz der Kontrollprobe zu erzeugen. Der Kontrollproben-Resonanzlinienausgang am Ausgang des HF-Verstärkers 9 wli-d einem Eingang eines NF-Fhasendetektors 46 zugeführt ₃ wo ar alt dem HF-Modulationssignal von HF-Oszillator 44 pnasendetektiert wird, um ein Gleichstrom-Abweichungssignal zu erzeugen, das als Feld-Frequenz-Steuerslgnal verwendet wird, um dem magnetischen Polarisationsfeld eine Magnetfeld-Korrekturkomponente H_c zu überlagern» um die Resonanz der Kontrollprobe aufrecht zu erhalten, wodurch die Feld-Frequenz-Parameter des Spektrometer stabilisiert werden.

Das durch Rauschen erregte Resonanzgerät nach der Erfindung ist bisher In Verbindung mit Spektrometern für die gyromagnetische Resonanz» insbesondere Kernresonanz, beschrieben worden,, das 1st jedoch keine Voraussetzung und die Merkmale der Erfindung sind allgemein für Spektrometer für gyromagnetische Resonanz, einschließlich Kernresonanzspektrometer, Elektronenspinspektroaeter, Kern-Quadrupol-Resonanzspektrometer, anwendbar, und können nicht nur bei Hochfrequenz, sondern auch bei Mlkrovellenfrequenzen verwendet werden. Statt das HF-Sandersignal f_Q zu ph«»»modulieren, kann dies·« auch mit der

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pseudostatistischen Bi&ärf olge oder einer statistischen Binärfolge amplitudenmoduliert werden» um eine gung der uatersuchten Probe hervorzurufen _o

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OStKMNAL.

Claims (8)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Resonanzanalyse von Materialproben» bei de» die Resonanz durch Rauschen einer Bandbreite angeregt wird, die ausreicht, eine Vielzahl von Resonanzlinien des Stoffes gleichzeitig anzuregen, und die gleichzeitig angeregten Resonanzliniensignale aufgenommen und einer Fourieranalyse unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzliniensignale mit den zu ihrer Erregung benutzten Rauschsignalen verknüpft werden.

2 · Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn β t , daß die Resonanzliniensignale mit den Rauschsignalen kreuzkorreliert werden und die Kreuzkorrelationefunktion der Fourieranalyse unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn e t , daß die Resonanzliniensignale und die Rauscheignale einer Fouriertransforaation unterworfen werden und die Fouriertransformierten der Resonanzliniensignale und der Rauechsignale miteinander multipliziert werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3 alt einer Rauschquelle, einer Bestrahlungseinrichtung für die Materialprobe, einem Bspfanger für Resonanzsignale v(m der Materialprobe und wenigstens einer Fourier-Analyse-Sinheit, dadurch gekennzeichnet , daß eise Verknüpfungsschaltung für Signale entsprechend den Rauschsignalen und Signale entsprechend den ResonanTslgnnien vorgesehen ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Verknüpfungsschaltung ein Kreuzkorrelator ist, an dessen Eingängen die beiden Signale liegen» und daß die Fourieranalyse einheit dem Kreuzkorrelator nachgeschaltet ist.

6. Vorrichtung aach Anspruch 4 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß an die Rauschquelle und den Eapfanger jeweils eine Fouriertransformatinns®inheit angeschlossen 1st, denen eine komplexe Multiplikatic&sstufe nachgeschaltet 1st·

7« V®rriehttMg nach Anspruch 4₈ 5 ©der 6, dadurch g e k e a n zeichnet, daß die Rauschquelle Über einen Modulator an die Besixahlungeeinriehtuiag angeschlossen ist.

8. VerrldTttnig mich Anspruch 4» 5 ©der 6 mit eiaem nagnetischen Polarifimtifm@f@ld für die Haterialiarcb« dadurch g * k β η η zeichnet , daS «la Modulator fUr das Polarisationsf eld vorgesehen i^t vesd die Rauschquelle an diesen angeschlossen let.

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