DE2225899C3 - Empfangskreis im Probenkopf eines Spinresonanzspektrometers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den Empfangskreis 3" im Probenkopf eines Spinresonanzspektrometers mit einer Empfangss^ule, die zusammen mit Abstimmkondensatoren Teil eines Resonanztransformators bildet und an einem Ende mit Masse und am anderen Ende mit einem zu einem Verstärke „■ führenden Kabel gekoppelt ist.

Die in den Proben von Spinresonanzspektrometern durch Spinresonanzen erzeugten Signale haben in der Regel eine nur sehr kleine Energie, so daß es hochempfindlicher Empfänger bedarf, um angeregte Spinresonanzen festzustellen. Die Empfindlichkeit eines Empfängers ist in erster Linie durch das Eigenrauschen bestimmt, weil Signale nur dann ermittelt werden können, wenn ihre Amplitude die Rauschamplitude überschreitet. Zwar ist es möglich, durch Akkuniulationsverfahren, d.h. die fortwährende Aufsurnmierung und Mittelwertbildung von sehr vielen identischen, aber verrauschten Signalen auch noch solche Signale zur Anzeige zu bringen, deren Amplitude geringer ist als die Rauschamplitude, weil durch 5« solche Akkumulationsverfahren die Signalamplitudc algebraisch addiert wird, wogegen die Rauschamplitude nur mit der Quadratwurzel der Anzahl der Suminierungen ansteigt, jedoch bleibt von diesen recht kostspieligen Akkumulationsverfahren die in der Regel den Einsatz von Rechnern und lange Meßzeiten erfordern, die Tatsache unberührt, daß die Empfindlichkeit einer Empfangsanordnung von deren Eigenrauschen abhängt und daher für ein möglichst gutes Signal-Rausch-Verhältnis Sorge getragen werden muß.

Bei Spinresonanzspektrometern ist das erreichbare Signal-Rausch-Verhältnis nicht nur von dem Eigenrauschen des verwendeten Verstärkers abhängig, sondern in hohem Maße auch von der Ausbildung des Empfangskreises im Probenkopf. Da aus spinresonanztechnischen Gründen die Abstimmelemente des Empfangskreises nicht in unmittelbarer Nähe der Empfangsspule angeordnet sein dürfen, benotigt man eine Zuführungsleitung, um die Empfangsspule mil den Abstimmelementen verbinden zu können. Je niederohmiger die Impedanz der Empfangsspule ist, desto stärker fällt der Verlustwiderstand einer solchen Zuführungsleitung ins Gewicht, der das Eigenrauschen des Empfangskreises erhöht. Aus diesem Grunde ist es notwendig, die Induktivität und damit die Windungszahl der Empfangsspule möglichst groß zu wählen.

Andererseits ist es aber auch erforderlich, eine möglichst gute Anpassung der Signalquelle an den Eingang des Verstärkers zu erzielen. Deshalb bildet im Empfangskreis im Probenkopf eines Spinresonanzspektrometers die Empfangsspule gewöhnlich zusammen mit Abstimmkondensatoren einen Resonanztransformator, mit dessen Hilfe die Anpassung der Impedanz der SignalqueJle an den Wellenwiderstand des zum Verstärker führenden Kabels erfolgt. Die Notwendigkeit, die Resonanzfrpanerz des Resonanztransformators auf die Frequenz der Spinresonanzen abzustimmen, begrenzt die Induktivita!, weiche die Empfangsspule annehmen darf, und damit die maximal mögliche Anzahl der Windungen der Empfangsspule. Die Induktivität und die Anzahl der Windungen ist um so kleiner, je größer die Kapazität der zur Abstimmung verwendeten Kondensatoren ist. Hs ist jedoch nicht allein die Kapazität dieser Kondensatoren von Bedeutung, sondern auch die Eigenkapaziiätder Empfangsspule und die Kapazität dieser Spule und ihrer Zuleitungen gegen Masse, weil diese Kapazitäten das Resonanzvcrhalten des die Empfangsspule umfassenden Resonanztransformators mit beeinflussen. Der Fachmann war daher bisher bestrebt, diese Kapazitäten möglichst klein zu halten, um eine größtmögliche Windungszahl für die Empfangsspule /u bekommen. Da das vom Empfangskreis zum Verstärker führende Kabel ein abgeschirmtes Koaxialkabel sein muß, dessen Außenleiter an Masse liegt, liegen bei den bekannten Empfangskreiserv auch die Empfangsspule und die parallel zur Empfangsspule geschalteten Kondensatoren einseitig unmittelbar an Masse. Auf diese Weise wird auch die kleinstmöglichc Streukapazität der Spule gegen Masse erzielt. Trotzdem können bei den bekannten Empfangskreisen die Empfangsspulen nur eine relativ geringe Windungszahl haben und damit eine relativ geringe Signalamplitude liefern, so daß in vielen Fällen ein nur schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis entsteht.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Signal-Rausch-Verhältnis von Empfangskreisen im Probenkopf eines Spinresonanzspektrometers zu verbessern.

Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache Weise dadurch gelöst, daß das eine Ende der Empfangsspule über mindestens eine kapazitiv wirkende Reaktanz an Masse gelegt ist.

Im Gegensatz zu den vorbekannten Anordnungen besteht also bei dem erfindungsgemäßen Empfangskreis keine direkte Verbindung zwischen der Empfangsspule und Masse. Daß auf diese Weise eine Verbesserung des Signal-Rausch-Vcrhältnisses möglich sein soll, ist zunächst nicht einzusehen, weil durch den Fortfall der direkten Verbindung die Kapazität der Empfangsspule gegen Masse, die nach dem Vorstehenden die Resonanzfrequenz des Resonanztransformators beeinflußt und die maximal mögliche Induktivität der Empfangsspule und damit die Signalampli-

hinwkomt. Daheerscheint die egsgmaße Maßnahme zunächst unsmnig Bei genauerer Be-,_wchtung_Ze.gts.ch^™J, daß die. beiden StreukapaatSten nicht parallel zueinander, sondern in Serie zueinander zur Spule geschaltet sind so daß die Erhöhung der Streukapaatat gegenüber Masse tatsachlich zu einer Verminderung der parallel zur Spule enden und damit fur die Resonanzfrequenz wich-„•gen Kapazität fuhrt. Bei den angenommenen, zur Masse annähernd symmetrischen Verhaltnissen wird eine Verminderung der die Resonanzfrequenz beeinfhissenden Kapazität auf die Hälfte erreicht, was eine Erhöhung der Scibstinduktivitat der Empfangsspule auf das Doppelte möglich macht. Die damit verhundene Erhöhung der Windungszahl fuhrt zu einer entsprechenden Erhöhung der Signalamplitude und da_mit auch zu einer bedeutenden Erhöhung Jes Signal-Rausch-Verhaltnisses. Praktische Versuche habenergeben, daß mit Hilfe einer nach der Erfindung betriebenen Empfangsspule größerer Windungszahl eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses gegenüber bekannten Empfangskreisen um den Fak- ■ tor 2 bis 4 möglich ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen das eine Ende der Empfangsspule und Masse und zwischen das andere Ende der Empfangsspule und das anschließende Kahel je ein Kondensator in Serie geschaltet. Diese Anordnung hai den besonderen Vorteil, daß die kapazitive Belastung der Spule durch die Serienschaltung dieser beiden Kondensatoren, die beide sowohl der Impedanzanpassung wie auch dem Resonanzabgleich dienen, gegeben isl und dadurch der Pelastungseinfluß des einen Kondensators durch den in Serie geschalteten zweiten Kondensator vermindert wird und umgekehrt. Aus diesem Grunde haben auch die Restkapazitäten, die bei jedem Abstimmkondensator vorhanden sind, keinengroßen Einfluß mehr auf die kapazitive Belastung der Spule.

Bei den heutigen Kernresonanzspcktrometern muß die Empfangsspule sehr oft auf zwei Resonanzfrequenzen abgestimmt werden, damit zugleich die Kernsignale zweier verschiedenen Kernarten, wie z.B. Deuterium und Wasserstoff, empfangen werden können. Das Signrl der ersten Kernart benützt man zur Stabilisierung des magnetischen Feldes, während die zweite Kernart jene ist, die untersucht werden soll. Es ist jedoch nicht möglich, die Empiangsspule auf zwei Resonanzfrequenzen abzustimmen, wenn diese nur kapazitiv belastet wird. Deshalb sieht eine bcsondere Ausgestaltung der Erfindung vor. daß das eine Ende der Empfangsspule durch eine Parallel- oder Serienkombination von Induktionsspule und Kondensator mit Masse verbunden ist. Man erhält dadurch einen Resonanztransformator, der zugleich auf zwei oder mehreren verschiedenen Frequenzen eine Impedanztransformation erlaubt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen, deren Schaltbilder in den Fig. 1 bis 4 der Zeichnung dargestellt sind, näher bcschrieben und erläutert.

densator C , zwischen dem anderen Ende der Spule S und dem Innenleiter dieses Koaxialkabels in Serie

«» |_iegt. Außerdem weist dieser Empfangskreis einen weiteren Kondensator C₁ auf, der zwischen dem anderen Ende der Spule S und Masse eingeschaltet ist. Die beiden mit dem anderen Ende der Spule S verbundenen Kondensatoren C₁ und C, sind abstimm >5 bar. Die beiden Spulenenden sind zudem durch je eine Streukapazität C₅, wie sie in jeder reellen Schaltung vorhanden sind belastet

Die gesamte,' parallel' zur Empfangsspule 5 Hegende Kapazität setzt sich demnach aus zwei in Serie geschalteten Teilkapazitäten zusammen. Die erste Teilkapa/iiiit besteht aus der Summe der Kapazitäten der beiden Kondensatoren C, und C, -..d der Streukapazität C , während die zweite TeilkapazHät gleich der Summe der Kapazität des Kondensators C₁ und

*5 der Streukapazität C ist. Die Spule S bildet mit den beiden in Serie geschalteten Teilkapazitäten einen auf die gewünsdae""' Frequenz abgestimmten Resonanztransformator. Der zu dem Kabel K in Serie geschaltete variable Kondensator C, dient in erster Linie zur Impedanzanpassung an das Kabel, ha· jedoch auch einen direkten Einfluß auf die Resonanzabstimmung. Mit dem weiteren variablen Kondensator C₃ wird die genaue Resonanzabstimmung vorgenommen, wobei auch der Einfluß des Kondensators C\ auf die Reso_nanz wieder kompensiert werden kann.

Man beachte, daß die gesamte Kapazität, die über der Spule S liegt. st^!s kleiner ist als jede der beiden Teilkapazitäten. r!j letztere in Serie geschaltet sind. Im Grenzfall kar.r, sogar der das eine Ende der Spule S mit Masse verbindende Kondensator C₁ weggelassen werden, so daß die zweite Teilkapazität nur noch aus der Streukapazität C, besteht. Damit wäre die gesamte über der Spule S liegende Kapazität sogar kleiner als die Streukapa/Jtät C₁. was eine außerordentlich hohe Induktivität der Spule erlauben würde.

Ganz anders liegen die Verhältnisse, wenn die Spule .S' beispielsweise durch Kurzschließen des Kondensators C₁ einseitig an Masse gelegt würde. In dicscm Fall wäre die gesamte, parallel zur Spule liegende

Kapazität gleich der ersten Teilkapazität und infolgedessen viel größer als d,e Streukapazität C₁. Die potentialfreie Anordnung der Empfangsspule S hat also, obwohl deren gesamte Streukapazität gegen Masse erhöht ist. das überraschende Ergebnis, daß die die Resonanzfrequenz des Resonanztransformators beeinflussende Mindestkapazität vermindert und daher die Induktivität der Spule erhöht werden kann, so daß das in der Empfang:· .,pule .S' induzierte Signal eine größere Amplitude und damit der Empfangskreis ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis hat.

Für eine genaue Impedanzanpassung werden ir der Regel mindestens zwei Abstimmelemente benötigt. Verteilt man die beiden Abstimmelementc gleichmäßigauf die beiden Spulenenden, wie es in Fig. 2 dar-

gestellt ist. so erreicht man dadurch eine gleichmäßige kapazitive Belastung der beiden Spulenenden, ohne dabei eine zusätzliche Kapazität in Anspruch nehmen zu müssen, wie er in Form des weiteren Kondensators

C₃ in Fig. 1 vorhanden ist. Dadurch, daß man die Anzahl von Abstimmkondensatoren auf ein Minimum reduziert hat und die verbleibenden beiden Kondensatoren C₁ und C₂ außerdem noch in Serie geschaltet parallel zur Spule S liegen, erreicht man eine außerordentlich kleine kapazitive Parallelbelastung der Spule. Daher kann die Empfangsspule 5 eine besonders hohe Induktivität aufweisen, so daß ein solcher Empfangskreis ein besonders gutes Signal-Rausch-Verhältnis ergibt. Insbesondere ist auch die Restkapazität des Kondensators C, für die höchste Resonanzfrequenz des Resonanztransformators ohne wesentliche Bedeutung.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, die praktisch sämtliche sinnvollen Ausgestaltungen dieser Erfindung enthält. C₄ = 0 führt zu Fig. 1, während C₄ = 0 und C₃ = 0 zu Fig. 2 führen. Neu in der Darstellung von Fig. 3 ist der Kondensator C₄, der zusammen mit dem Kondensator C₂ einen durch das Kabel K belasteten kapazitiven Spannungsteiler darstellt. Die Impedanzanpassung erfolgt in diesem Fall durch Abstimmen entweder eines der Kondensatoren C| oder C₂ oder aber beider Kondensatoren.

Bei dem Empfangskreis nach Fig. 3 ist zwar die Empfangsspule S etwas stärker kapazitiv belastet als bei den Empfangskreisen nach den Fig. 1 und 2, so daß der Empfangsspuic S nicht die maximale Induktivitätgegebenwerden kann, die insbesondere die Ausführungsform nach Fig. 2 ermöglicht, jedoch ist der Empfangskreis nach Fig. 3 in universeller Weise abstimmbar, so daß unter einer größeren Vielfalt von Betriebsbedingungen optimale Verhältnisse einstellbar sind. Auch hier wird jedoch durch die potentialfreie und weitgehend symmetrische Anordnung der Empfangsspule 5 gewährleistet, daß sich Streukapazitäten und Restkapazitäten der Kondensatoren weniger stark auswirken als bei bekannten Schaltungen und infolgedessen der Empfangsspule S eine das Signal-Rausch-Verhältnis verbessernde, erhöhte Inel)

duktivität gegeben werden kann.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform geh von der Ausfiihrungsform nach Fig. 2 aus, bei de das eine Ende der Empfangsspule S über einen Kon densator C₁ mit Masse und das andere Ende über ei nen Kondensator C₂ mit dem Innenleiter eine: Koaxialkabels K verbunden ist. Bei der Ausführungs form nach Fig. 4 ist jedoch an das andere Ende dci Empfangspule 5 über eine Induktionsspule L₁ und ei nen in Serie dazu geschalteten Kondensator C₂ eir zweites Kabel K' angeschlossen. Außerdem ist paral IeI zu dem mit dem Kabel K' verbundenen Konderisa tor C₂ ein weiterer Kondensator C, gegen Masse geschaltet, wie es ähnlich auch bei der Ausführungsform

'5 nach Fig. 1 der Fall ist. Endlich ist noch parallel zu dem das eine Ende der Spule S mit Masse verbindenden Kondensator C₁ eine Induktionsspule L₂ geschaltet.

Die Anwendung von zusätzlichen Induktionsspulen L, und L₂ macht es möglich, den die Empfangsspule S enthaltenden Resonanztransformator auf mehrere Frequenzen abzustimmen und die angeschlossenen Koaxialkabel K und K' bei jeweils einer anderen Resonanzfrequenz an die Empfangsspule S anzupassen.

^a5 Es ist dann möglich, die Kernsignale zweier verschiedener Kernarten, wie z. B. von Deuterium und Wasserstoff, gleichzeitig mit einem optimalen Signal-Rausch-Verhältnis zu empfangen. Es versteht sich, daß die Schaltungsanordnung nach Fig. 4 noch dadurch erweitert werden könnte, daß zu der mit dem anderen Ende der Empfangsspule S verbundenen Induktionsspule noch weitere Induktionsspulen angeschlossen werden, die jeweils über einen Kondensator mit dem Innenleitcr eines weiteren Koaxialkabels verbunden sind. Auch könnten dann den Serienschaltungen aus Kondensator und Koaxialkabel weitere Kondensatoren parallel geschaltet sein, die dem Kondensator C, in der Anordnung nach Fig. 4 entsprechen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Empfangskreis im Probenkopf eines Spinresonanzspektrometers mit einer Erapfangsspule, S die zusammen mit Abstimmkondensatoren Teil tines Resonanztransformators bildet und an einem Ende mit Masse und am anderen Ende mit einem zu einem Verstärker führenden Kabel gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Empfangsspule (5) über mindestens eine kapazitiv wirkende Reaktanz (C₁) an Masse gelegt ist.

2. Empfangskreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das eine Ende der ¹S Empfangsspule (S) und Masse und zwischen das andere Ende der Empfangsspule (5) und das anschließende Kabel (K) je ein Kondensator (C, bzw. C₂) in Serie geschaltet ist.

3. Empfangskreis nach Anspruch 1 oder 2, da- ^ao durch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Erripfangsspuie (S) durch eine Parallel- oder Serienkombination von Induktionsspule (L,) und Kondensator (C₁) mit Masse verbunden ist.

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