DE2237891C2

DE2237891C2 - Verfahren zur Aufnahme von Spin resonanzspektren und Vorrichtung zu des sen Durchführung

Info

Publication number: DE2237891C2
Application number: DE2237891A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.Sc.Techn. Faellanden Zuerich Tschopp (Schweiz)
Original assignee: Spectrospin AG
Current assignee: Spectrospin AG
Priority date: 1972-08-02
Filing date: 1972-08-02
Publication date: 1974-11-21
Also published as: US3909705A; JPS5534898B2; JPS4965279A; DE2237891A1; DE2237891B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur

€5 Aufnahme von Spinresonanzspektren, bei dem die

Spins einer in einem Magnetfeld angeordneten Probe

periodisch mit einem impulsmodulierten HF-Signal

(Anregungssignal) angeregt und das von den angereg-

j?2 237 89

ten Spins gelieferte Signal (Empfangssignal) wenig- moduliert ist, frequenzmoduliert. Der Empfänger stens für die Zeit der Impulse des Anregungssignals kann dann auf die sich durch die Frequenzmodulation unterdrückt und nur in den Impulsintervallen des ergebenden Seitenbäuder des Empfaogssignals ab-Anregungssignals verarbeitet wird. gestimmt sein, um so das übersprechende, unmodu-

Bei diesem PFP-Verfahren (pulsed free precession), 5 lierte Anregungssignal auszuschalten. Da jedoch die das aus der Rev. Sei. Instr., 33, 1962, S. 1160 bis Frequenzselektion erst im NF-Teil des Empfängers 1166, bekannt ist, wird die Probe pulsförmig mit stattfinden kann, besteht die Gefahr, daß das in den einer hohen jlepetitionsfrequenz /_m angeregt. Dabei Empfänger einstrahlende Anregungssigna» den hochregt jeder Hi-Impuls das Spinsystem zu freien Prä- empfindlichen Empfänger sättigt und daher eine i;ssionsschwingungen an. Weil jedoch die einzelnen 10 wirksame Verarbeitung des Empfangssignals stört. Anregungsimpulse sehr schnell aufeinander folgen, Es ist daher erforderlich, Brückenschaltungen vorzuhat das Spinsystem keine Zeit, während den Impuls- sehen, die das Anregungssignal am Eintritt in den Intervallen in die Ruhe-ige zurückzufallen. Je nach- Empfänger hindern. Solche Brückenschaltungen sind dem, in welchem Präiessio zustand sich das Spin- jedoch in ihrem Aufbau sehr kritisch und erfordern system zum Zeitpunkt d^ nächstfolgenden An- 15 ein häufiges Nachstellen. Weiterhin hat die Moduregungsimpulses gerade bandet, wird dieser An- lation des Magnetfeldes mechanische Rückwirkungen regungsimpuls die ?-·(. .lonsbewegung verstärken auf den Probenkopf eines Spektrometers, die dazu oder auch abschwl ta. führen, daß auch da? in den Probenkopf eingestrahlte

Man kann ^i₅en, daß die Trägerfrequenz /, und Anregungssignal in einem gewissen Maße eine die Repetition= r-quenz f_m in einer ganz bestimmten 20 Frequenzmodulation erfährt und daher eine jStör-Beziehung zur Larmorfrequenz f_r der anzuregenden komponente bildt'*, lie zusammen mit dem tmp-Spins stehen müssen, wenn die einzelnen Anregungs- fangssignal verarbeitet wird. Endlich gibt es bei der impulse die Präzessionsbewegung der Spins verstär- Feldmodulation einen optimalen ModulationsLidex, ken und aufrechterhalten sollen. Diese Beziehung der unter anderem von dem gyromagnetischen FaK-lautet 25 tor γ der jeweiligen Kernart abhängig ist, so daß bei

Z₁ ± π · /_m öä /_Γ, η = 0, 1, 2 ... Proben, die mehrere Kernarten enthalten, nicht für

alle Kernarten der optimale Modulationsindex em-

Die Empfangseinrichtung ist während der Dauer gestellt werden kann. Daher führt die Anwendung der Impulse des Anregungssignals abgeschaltet, so der Feldmodulatior» zur Unterdrückung von Stördaß eine direkte Einstrahlung des Anregungsimpulses 30 einflüssen des Anregungssignals bei der Verarbeitung in die Empfangseinrichtung nicht stattfinden kann. des Empfangssignals zu schlechteren Ergebnissen als Erst nach Ende jedes Anregungsimpulses wird die das oben behandelte PFP-Verfahren. Empfangseinrichtung durch Steuerimpulse freigege- Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zu-

ben und kann dann die Signale empfangen und gründe, ein Verfahren zur Aufnahme von Spinregistrieren, die von den angeregten Spins in einer 35 resonanzspektren zu schaffen, das einerseits bessere Empfangsspule induziert werden. Ergebnisse hinsichtlich der Unterdrückung des An-

Das PFP-Verfahren hat den Zweck, Störungen bei regursgssignals liefert ais das bekannte Verfahren der der Verarbeitung des Empfangssignals durch un- Feldmodulation und zugleich zu einem besseren mittelbar in den Empfänger eingekoppelte Anteile Signal-Rausch-Verhältnis führt, als es bisher bei dem des Anregungssignals zu vermeiden. Es läßi sich je- 40 PFP-Verfahren erzielt werden konnte, doch auch mittels des PFP-Verfahrens der Einfluß Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch

des Anregungssignals auf die Verarbeitung des gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs be-Empfangssignals nicht völlig ausschalten, weil zur schriebenen Art da= Empfangssignal derart impuls-Erzeugung ^des impulsmoduHerten Anregungssignals moduliert wird, daß es eine sich von Impuls zu zunächst ein kontinuierliches Trägersignal erzeugt 45 Impuls um 180° ändernde Phasenlage hat. werden muß und die Möglichkeit besteht, daß dieses Auf diese Weise wird erreicht, daß die Energie

Trägersignal auf unkontrollierbaren Wegen in den des Empfangssignals auf weniger Frequenzkompozur Verarbeitung des Empfangssignals dienenden nenten verteilt wird, als wenn die Modulation des

F.mnfännPT iptannt AiiRpr/ipm tu»ctf>tit ijaHoc tmntilc pmniirWTCciirnalc u/if* HlMCniftlsWftisG bei einem

modulierte HF-Signal aus einer Vielzahl durch die 50 periodisch gesperrten Empfänger, ohne Änderung Fourier-Analyse nachweisbaren kontinuierlichen der Phasenlage erfolgen würde. Insbesondere fällt Schwingungen, die ebenfalls in den Empfangsteil auch die Frequenzkomponente mit der Trägerfrequenz eines geeigneten Spektrometers eintreten und dort c*es Empfangssignals, also mit der Frequenz des Störungen verursachen können. Kerastgnals fort, werden dann beim empfang «ε Obwohl das PFP-Verfahren aus den dargelegten 55 beiden der Trägerfrequenz benachbarten Frequenz-Gründen ein Übersprechen des Anregungssignals in komponenten verwertet, so wird ein bedeutend den Empfangsteil eines Spektrometers nicht vollstän- Höherer Anteil der Energie des Empfangssignals bedig verhindern kann, ist es doch hinsichtlich der nutzt, als es vorher möglich war, was zu einer beUnterdrückung des Anregungssignals anderen be- deutenden Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältkannten Verfahren vorzuziehen, weil es mit dem ge- 60 nisses führt. Zugleich wird auch die Entkopplung ringsten Aufwand die besten Resultate liefert. Von des Empfängers vor. dem Anregungssignal verbessert, anderen Verfahren zur Unterdrückung des An- wsil die Frequenzkomponenten, die im Empfangsregungssignals findet am häufigsten eine nieder- kansi verarbeitet werden, in dem Anregungssignal frequence Modulation des Magnetfeldes, dem die nicht vorkommen, infolgedessen wird durch die er-Probe ausgesetzt ist, Verwendung. Da die Präzes- 65 findungsgemäße ImpulsmoduJatiou des Empfangssionsfrequenz der angeregten Kerne von der Stärke signals sowohl das Signal-Rausch-Verhältnis als auch des Magnetfeldes abhängt, ist das Empfangssignal die Entkopplung von dem Anregungssignal verbesmit der gleichen Frequenz, mit der das Magnetfeld sert, und es werden Ergebnisse erzielt, die auch hin-

sichtlich des Signal-Rausch-Verhältnisses über den- schließlich auf die beiden ersten Seitenbänder des

jenigen liegen, die mit Hilfe der Feldmodulation Empfangssignals verteilt ist. Daher wird durch diese

erzielbar sind. Variante des eifindungsgemäßen Verfahrens noch-

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Ver- mais eine Verbesserung des SSgnal-Rausch-Verhält-

fahrens kann die Anregung der Spins mit gleich- S riisses erzielt.

bleibender Phase mit der Trägerfrequenz des An- Die Erfindung hat auch eine Vorrichtung zur regungssignals erfolgen, und es-können-dann die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ersten Seitenbänder des phasenalternierend impuls- zum Gegenstand. Dabei geht die Erfindung aus Von modulierten Empfangssignals, die von act Träger- einer» herkömmlichen -Vorrichtung mit einem frequenz einen Abstand in Größe der halben Modu- io HF-Gcnerator zur Erzeugung der Trägerfrequenz, lationsfrequenz haben, verarbeitet werden. Diese einem Impulsgenerator zur Erzeugung eines ersten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens Impulszuges mit einer als Modulationsfrequenz vorkann als dessen einfachste Variante betrachtet wer- gegebenen Imputsfolgeirequenz. είητη mit dem den. die sich von herkömmlichen Verfahren aus HF-Generator und dem Impulsgenerator gckoppelschheßlich in der Impulsmodulation des Empfangs- 15 ten ersten Modulator, der ein impu'smoduliertes signals mit einer sich von Impuls zu Impuls um 180 HF-Signal (Anregungssignal) Icfert, einem mit dem ändernden Phasenlage unterscheidet. Modulator gekoppelten, in einem Magnetfeld ange

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erziel- ordneten Probenkopf und einem mit dem Probenbaren Ergebnisse lassen sich noch dadurch verbes- kopf gekoppelten Überlagerungsempfänger mit einer sern, daß auch das Anregungssignal mit einer sich 20 Modulationseinrichtung, die zwecks Impulsmoduvon Impuls zu Impuls um 180" ändernden Phasenlage !ation des von den angeregten Spins gelieferten impulsmoduliert wird und die Anregung der Spins Signal« (Empfangssignal) mit einem zweiten ImpuK-mit einem Seitenband des Anregungssignals erfolgt zug, dessen Impulse in die Intervalle zwisrhen den das von der Trägerfrequenz einen Abstand in Größe Impulsen des ersten Impulszuges fallen, mit dem der l.5fachen Modulationsfrequenz hat. und daß 35 Impulsgenerator verbunden ist.
diejenigen Seitenbänder des Empfangssignals ver- Nach der Erfindung ist der Impulsgenerator derarbeitet werden, die von der Trägerfrequenz einen art ausgebildet, daß der von ihm gelieferte zweite Abstand in Größe der einfachen bzw. doppelten Impulszug aus Impulsen wechselnder Polarität be-Modulatior.„irequenz haben. Bei dieser Variante des steht, und es ist die Modulationseinr.rhtung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwar nicht eine 30 Überlagerungsempfängers derart ausgebildet, daß in Steigerung des Sigr.al-Rausch-Verhältnisses erzielt, ihr das Empfangssignal mit Impulsen wechselnder jedoch wird die EntkoppSunrg des Empfangssignals Polarität moduliert weiden kann,
von dem AnregungssignaJ weiter verbessert, weil hier Bei eine bevorzugten Ausführungsform einer solüberhaupt keine Komponente des über Übersprech- dien Vorrichtung umfaßt der Empfänger eine erste pfade in den Empfänger eindringenden Anregungs- 33 Mischstufe, mit der das Empfangssignal in einen signals mehr existiert, deren Frequenz mit der Fre- ZF-Bereich transformiert wird, und die Modulstionsqucnz der verarbeiteten Komponenten des Empfangs- einrichtung einen zweiten und einen dritten Modusignals zusammenfällt. Es versteht sich, daß an Stelle lator. von denen der eine im Weg des ZF-Signals des Seitenbandes, das von der Trägerfrequenz einen hinter der Mischstufe und der andere im Weg des Abstand in Größe der l,jfachen Modulationsfre- 4» deT Mischstufe zugeführten (Jberlagerungssignals anquenz hat, allgemein ein Seitenband verwendet wer- geordnet ist, und es ist der Impulsgenerator mit den den kann, dessen Abstand von der Trägerfrequenz beiden Modulatoren zur Zuführung eines zweiten das (n + 0,5)fache. als beispielsweise das 2,5- oder bzw. dritten Impulszuges, von denen beide die gleiche 3.5fache, der Modulationsfrequenz beträgt. Entspre- Impulsfoigefrequenz, das gleiche Tastverhältnis und chend werden dann auch diejenigen Seitenbänder des 45 die gleiche Phasenlage aufweisen, aber nur einer Empfangssignals verarbeitet, die von der Trägerfre- Impulse mit wechselnder Polarität besitzt, verbunden, qucnz einen Abstand in Größe der n- bzw. (n + I)- Wenn es das erfindungsgemäße Verfahren erforfachen. also der 2- bzw. 3fachen oder 3- bzw. dert, kann die Modulationseinrichtung auch eine 4fachen Modulationsfrequenz haben. Stufe zur Amplitudenmodulation des in einer vorher-

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann dem 5° gehenden Stufe impulsmodulierten Empfangssignals

mit alternierender Phase impulsmodulierten Emp- aufweisen, die mit dem Impulsgenerator zur Zofüh-

fangssignal zusätzlich eine Amplitudenmodulation rung einer zu dem zweiten Impulszug synchronen

mit einer Sinuswelle erteilt werden, deren Frequenz Sinuswelle mit halber Impulsfolgefrequenz verbun-

glcich der halben Impulsfoigefrequenz dzt Impuls- den ist.

modulation ist und deren Nullstellen in die Mitte der 55 Die Demodulation des Empfangssignals erfolgt,

Zwischenräume zwischen aufeinanderfolgenden, zur damit eine Auswertung der beiden zum Anregungs-

Modulation des Empfangssignals dienenden Impulsen. signal symmetrischen Seitenband^ möglich ist, zwei-

fallen. Auf diese Weise wird eine Modnlat'on des stufig, indem zunächst eine Phasengfeichrichtung mit

Empfangssignais erzielt, das der Modulation mit einem Bezugssignal mit der Frequenz des gegebenen-

einem Sinussignal angenähert ist. Bei der Modulation 60 falls in den ZF-Bereich transformierten Anregungs-

mit einem Sinussignal hätte das Signal nur zwei signals und dann eine Phase ngleichrichtung mit einem

Seitenbänder im Abstand der Frequenz des Sinus- Bezugssignal mit der halben Modulationsfrequenz

signals, so daß bei der Verarbeitung dieser beiden erfolgt. Demgemäß sind bei einer entsprechend aus-

Seitenbänder die gesamte Energie des Empfangs- gebildeten Vorrichtung nach der Erfindung hinter die

signals nutzbar gemacht würde. Durch die zusatz- 65 Modulationseinrichtung zwei Phasendetektoren ge-

lichc Amplitudenmodulation des impulsmodulierten schaltet, und es wird dem ersten Phasendetektor ein

Empfangssignals wird daher erreicht, daß auch hier Bezugssignal ir.il der Frequenz des gegebenenfalls in

die Energie des Empfangssignals praktisch fast aus- den ZF-Bereich transformierten Ausgangssignals und

dem zweiten Pliasendetektor ein Bezugssignal mit der Im Betrieb erzeugt der HF-Generator 1 der Vorhalben Modulationsfrequenz zugeführt. richtung nach Fig. 1 eine Hochfrequenzschwingung ^{1 s}Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen mit der Frequenz f_v die im ernten Modulator 2 mit Verfahrens erfolgt die Anregung der Spins mit einem vom Impulsgenerator IS gelieferten ersten Imeiriem Seitenband des Anregungssignals, das von der 5 pulszug3l, der in Fig. 1 angedeutet und in Zeile (o) Trägerfrequenz einen Abstand in Größe der 1,5fachen der F i g. 4 gesondert dargestellt ist, moduliert wird. Modulationsfrequenz hat. Dieses Seitenband steht Dieser erste Impülszug 31 hat eine Impulsfpigejedoch nicht zur Anwendung als Bezugssignal isoliert frequenz /„, und demgemäß eine!^Impulsperiode Jmfzur Verfugung, so daß es künstlich erzeugt werden Die Impulsbreite beträgt t_s. ".'!Wie;in ZeW (a) |ier iinuß. Daher ist bet einer Ausführungsform der Er- io Fig 4 veranschaulicht, ist demnach das' Äüsgangsftndunp für solche und ähnliche Fälle vorgesehen, signal des ersten Modulators 2 eine Folge von daß zur Erzeugung des dem ersten Phasendetektor HF-Impulsen mit der Trägerfrequenz J₁ oder dem zugeführten Bezugssignals ein geregelter Oszillator Trägersignal /!,cos«*,/, wenn A_x die Amplitude des vorgesehen ist, der zwecks Zuführung von Steuer- Trägcrsignals und «.;, die Kreisfrequenz 2^Z₁ ist. Das •ignalen mit dem HF-Generator und dem Impuls- 15 '."requenyspeklrum des in Zeile (σ) der Fig. 4 dargencrator verbunden ist. gestellten Anregungssignals ist in Zeile (a) der Fi g. 5

Es ist allgemein bekannt, daß die der Mischstufe angegeben. Das Frequenzspektrum hat eine Haupt

und den Phasendetektoren zugeführten Überlage- linie A, {tJT_m) cos ω, / und weitere Frequenzkomoo-

rungs- und Bezugssignale jeweils eine bestimmte nentcn im Abstand \lT_m = \_m.

Phasenlage haben müssen, um optimale Ergebnisse ao Die Frequenz /, des Anregungssignals und die

zu erzielen. Daher sind bei einer bevorzugten Aus- Modulalionsfrequenz f_m sind so gewählt, daß nur die

führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung Komponente des Anregungssignals mit der Fre-

m den zur Zuführung der Überlagerungs- und oder quenz /, in die in Zeile (b) der Fig. 5 dargestellte

Bezugssignale dienenden Zweigen Phasenschieber Resonanzkurve 32 eines Spins der im Probenkopf 3

angeordnet, die eine solche optimale Einstellung der as enthaltenen Substanz zusammenfällt. Daher wird das

Phasenlage dieser Überlagerungs- und Bezugssignale ⁴¹^n zu Schwingungen mit der Frequenz /, angeregt,

ermöglichen. deren Amplitude gemäß der Resonanzkurve 32 den

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in Wert A_k aufweist und die gegenüber dem Anregungs-

den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen signal eine Phasenverschiebung <p_k besitzt, die sich

näher erläutert; es zeigt 30 aus der Phasenkurve 33 ergibt. Demgemäß ist das

F i g. 1 das Blockschaltbild einer ersten Vorrich- von dem Probenkopf 3 gelieferte Ausgangssignal eine

tung, kontinuierliche Schwingung A_k cos (m, t + φ_Η), die

Fig. 2 das Blockschaltbild einer zweiten Vorrich- außer in Zeile (b) der Fig. 5 als Linie 34 auch in

Hing, Zeile (b) der F i g. 4 als Schwingungszug dargestellt

Fig. 3 das Blockschaltbild des bei der Vorrichtung 35 ist. Das als Empfangssignal bezeichnete Ausgangs-

nach F i g. 2 verwendeten geregelten Oszillators, signal des Probenkopfes 3 durchläuft bei der Vor-

F i g. 4 bis 9 Zeit- und Frequenzdiagramme von richtung nach F i g. 1 zunächst einen Vorverstärker S

Signalen, die bei der Durchführung von Varianten und eine erste Mischstufe 6, in der das vorverstärkte

des Verfahrens mit den Vorrichtungen nach den Signal in einen ZF-Bereich transformiert wird. Das

F i g. 1 bis 3 auftreten, und 40 zur Transformation in den ZF-Bereich benötigte

Fig. 10 ein Diagramm, das die mit verschiedenen Überlagerungssignal wird von dem Lokaloszillator

Verfahren erzielbaren Signal-Rausch-Verhä'tnisse 11 geliefert. Statt dessen könnte jedoch das Emp-

veranschaulicht. fangssignal auch unmittelbar dem zweiten Modu-

Die in Fig. I dargestellte Vorrichtung besteht aus Iator 7 zugeführt werden. Bei dem an Hand der

einem HF-Generator 1, dessen Ausgangssignal einem 45 Fig. 4 und 5 veranschaulichten Verfahren wird dem

ersten Modulator 2 zugeführt wird, dessen Ausgang zweiten Modulator 7 von dem Impulsgenerator 15

mit e^;nem Probenkopf 3 gekoppelt ist. Der Proben- ein zweiter Impulszug 35 zugeführt, der in Zeile (c)

kopf 3 ist innerhalb des von einem Magneten 4 er- der Fig. 4 gesondert dargestellt ist und dessen Impu* ;

Zeugten Magnetfeldes angeordnet An den Ausgang eine wechselnde Polarität aufweisen. Die Impuls-

des Probenkopfes 3 schlieSt sich ein Vorverstärker 5 5° folgefrequenz j_m ist die gleiche wie diejenige des

an, dessen Ausgang mit einer ersten Mischstufe 6 ersten Impulszuges 31, so daß also die Impulsperiode

verbunden ist. Mit dem Ausgang dieser Mischstufe wieder T_n, beträgt. Die Impulse haben eine Dauer t_e.

Ist ein zweiter Modulator 7 verbunden, an den sich und es beträgt der Impulsabstand t_p. Die Phasenlage

ein erster Phasendetektor 8, ein NF-Filter 9 und ein des zweiten Impulszuges 35 gegenüber dem ersten

zweiter Phasendetektor It anschließen. Der ersten 55 Impulszug 31 ist derart gewählt, daß die Impulse des

Mischstufe 6 wird ein Überlagerungssignal von einem zweiten Impulszuges 35 in die Intervalle zwischen

Lokaloszil'ator 11 über einen dritten Modulator 12 den Impulsen des ersten Impulszuges 31 fallen. Das

zugeführt. Das Ausgangssignal des Lokaloszillators 11 in Zeile (c) der Fig. 4 angegebene Zeitintervall At

gelangt außerdem zu einer zweiten Mischstufe 13, gibt die Verschiebung der Mitte des Impulsintervalls

der außerdem das von dem HF-Generator 1 gelieferte 60 der Dauer t_P des zweiten Impulszuges 35 gegenüber

Signal zugeführt wird. Die zweite Mischstufe 13 lie- der Mitte des Impulses des ersten Impulszuges 31 an.

fert ein Bezugssignai, das über einen ersten Phasen- Da* F«-equenz3pektrum des mit äern zeiten Impuls-

jclreber 14 dem ersten Phasendetektor 8 zugeführt zug 35 modulierten Empf«ngs3igfiäls hat das in

wird. Die Modulatoren 2, 7 und 12 erhalten die von Zeile (c) der F i g. 5 wiedergegebene Spektrum. Die

Impulszügen gebildeten Modulationssignale von 5s Anwendung eines Impulszuges mit Impulsen wech-

einem Impulsgenerator 15, der auch dem zweiten selnder Polarität zur Modulation des Empfangssignals

Phasendetektor It über einen zweiten Phasenschieber hat zur Folge, daß das Trägersignal der HF-Impulse

16 ein sinusförmiges Bezugssignal zuführt. eine sich von Impu!s zu Irapuls um 180° ändernde

Phasenlage hat. Infolgedessen hat das Frequenz- signals entstehen würde. Wie oben erwähnt, hat das Spektrum keine Komponente mit der Trägerfrequenz, unmodulierte Empfangssignal die Form A^ .cos Und es ist die Energie des Empfangssignals zu einem («., t + <p_k). Da bei dem unmoduherten Kernsignal erheblichen Teil in den beiden ersten Seitenbändern nur eine Überlagerung stattfindet, wird das Rausch-36 und 37 mit den Frequenzen /, + 0,Sf_1n und 5 band nur einmal gefaltet, so daß in diesem Fall ein j_x _ o,5 f_m enthalten. Die sich aus der Fourier- optimales Signal-Rausch-Verhältnis Transformation ergebenden Ausdrücke für die Seiten- ^.

-bänder 36 und 37 sind in F i g. 5 angeschrieben. (SlN)_0n, - A_k/\ 2 UI

" Die bei der Vorrichtung nach F i g. I vorhandene " I■ ..."

Transformation des Empfangssignals in den Zwi- io .- -

ichenfrequenzbercich bewirkt keine Veränderung der erzielt wird. Das normierte Signal-Rausch-Verhal beschriebenen Verhältnisse. Es wäre in den oben- nis F ergibt sich dann aus dem Quotienten des tatgenannten und in den F i g. 4 und 5 angeschriebenen sächlich erzielten ^f^*™^.^™™ ™ Ausdrücken lediglich J₁ durch /„■ und «,, durch _t„_zf dem optimalen Signal-Rausch-Verhältnis be unzu ersetzen ¹S moduliertem Empfangssignal. Demgemäß ist das

Das in den Zeilen (c) der F i g. 4 und 5 angegebene normierte Signal-Rausch-Verhältnis Ausgangssignal des zweiten Modulators 7 erfährt -. ' — 2

dann in dem ersten Phasendetektor 8 eine erste S/N ₌ y 1 / H_n

Gleichrichtung ')cm Phasendetektor 8 wird als Bc- ^r _(5W) . , _₂ ·

zugssignal über den Phasenschieber 14 entweder. 20 <■ >""· \ ^_r

wenn das Empfangssignal nicht in den ZF-Bereich _, , , . r-. «- · ..

transformiert wird, unmittelbar eine zweite Misch- Wie aus den Zeilen (b) und (c) der Fig 5 ersieh -

stufe 13 zugeführt, der vom Lokaloszillator 11 das lieh, ist das für die Modulation des Empfangssignals deiche Überlagerungssignal zugeführt wird wie der gewählte Tastverhältnis t_elT_m nicht nur auf die ersten Mischstufe 6, so daß das Ausgangssignal der 25 Amplitude der Frequenzkomponenten des Empfangszweiten Mischstufe ei" Signal f_ZF ist, das die gleiche signals, sondern auch auf die Rauschamplitude von Fr*'—cnz hat wie das in den ZF-Bereich transfer- Einfluß. Demgemäß ist auch das normierte Signalmiert^ Empfangssignal Das Ausgangssignal des Rausch-Verhältnis F eine Funktion des Tastverhalt-Phase"ndetektors 8 ist demgemäß das von der Träger- nisses oder des dazu komplementären Verhältnisses freauenz > bzw }_ZF befreite Signal, aus dem mit 30 von Impulsabstand t_B zu Impulspenode T_m. In Hilfe des NF-Filters die Komponenten mit der Fre- F i g. 10 ist das normierte Signal-Rausch-Verhältnis F₁ auenz 0 5/ ausgefiltert werden. Das Ausgangssignal für das an Hand Fig. 1 behandelte Verfahren dardes NF-Filters 9 erfährt in dem zweiten Phasendetek- gestellt. Wie ersichtlich, liegt das normierte Signaltor 10 eine zweite Gleichrichtung durch Vergleich Rausch-Verhältnis F. im Bereich von t_p'T_m zwischen mit einer vom Impulsgenerator 15 gelieferten Sinus- 35 0 und 0,5 über dem Wert 0,9 und geht erst danach welle der Frequenz 0,5 f„, die dem zweiten Phasen- relativ langsam gegen 0. Das normierte Signaldetektor 10 über den zweiten Phasenschieber 16 in Rausch-Verhältnis F₁ liegt damit insgesamt wesentder für ein optimales Ergebnis richtigen Phasenlage lieh über dem normierten Signal-Rausch-Verhältzueeführt _wird. nis F_A, das bei einer Anregung der Spins mit dem

Die Qualität des beschriebenen Verfahrens und der 40 ersten Seitenband eines getasteten Anregungssignals beschriebenen Vorrichtung ergibt sich aus dem er- erzielt wird, wenn das Empfangssignal nicht mit zielbaren Signal-Rausch-Verhältnis und dem Einfluß, alternierender, sondern mit gleichbleibender Phasenden auf den Empfänger übersprechende Anteile des lage getastet wird und die Sendeimpulse mitten in die Anregungssignals haben. Um einen Vergleich des Empfangspause zentriert sind. Die Kurve F_B gibt das Verfahrens mit anderen Verfahren hinsichtlich des 45 normierte Signal-Rausch-Verhältnis fur den Fall wie-Sienal-Rausch-Verhältnisses anstellen zu können, der, bei dem eine direkte Phasenmodulation stattwurde sowohl für bekannte Verfahren als auch für findet. Auf diese Weise wird zwar ein zunächst höhedas hier beschriebene Verfahren ein normiertes rer Anfangswert erzielt, jedoch nimmt dieser Wert Signal-Rausch-Verhältnis ermittelt. Das Signal- mit zunehmendem Verhältnis yJ_m stark ab, so daß Rausch-Verhältnis SIN der hier beschriebenen Vor- 50 für praktisch in Frage kommende Tastverhältnisse ein richtung ist gegeben durch das Verhältnis der Maxi- gutes Signal-Rausch-Verhältnis nicht mehr erzielt inalamplitude Y des am Ausgang des zweiten Phasen- wird. Endlich ist in F i g. 10 auch noch das normierte detektors 10 zur Verfügung stehenden Signals zum Signal-Rausch-Verhältnis F_c für die Aufnahme des Effeküvwert des Rauschens am Ausgang des zweiten Hauptbandes beim Feldmodulationsverfahren auf-Phasendeteklors 10, das durch den Wert 55 getragen. Es ist ersichtlich, daß mit dem beschriebe

nen Verfahren auch das bei dem Feldmodulations-

V4U² verfahren erzielbare Signal-Rausch-Verhältnis in

' ^r einem weiten Bereich von I₀IT_n, überschritten wird,

gegeben ist. Der Faktor 4 ergibt sich durch die zwei- Die Vorteile, die das hier beschriebene Verfahren

fache Faltung des Rauschsignals bei der Gleichrich- 60 hinsichtlich der Unterdrückung des Anregungssignals tung in den beiden Phasendetektoren* und 10. Dem- bietet, werden durch die Fig. 4 und 5 veranschaunach ist also ^licnt- Wie in Fig. I durch gestrichelte Linien ange-

, I __■ deutet, existieren im wesentlichen drei Übersprech-

S]N = yj i/4 U_r . pfade, auf denen das Anregungssignal in den

65 Empfänger gelangen kann. Auf dem ersten Über-

Zur Normierung wird dieses Signal-Rausch-Ver- sprechpfad gelangt das vom HF-Generator 1 gelishältnis zu dem Signal-Rausch-Verhältnis in Bezie- ferte, unmodulierte Trägersignal mit der Frequenz Z₁ hung gesetzt, das ohne Modulation des Empfangs- noch vor dem i-.veiten Modulator 7 in den Empfän-

11 ~ 12

ger. Unter Vernachlässigung der Transformation in Frequenz /, + 1,5 /_m zum Anregen des Kernsignals den ZF-Bereich wird dann das auf dem ersten Über- ausgewählt. Entsprechend der Form der Resonanzsprechpfad in den Empfänger gelangte Anregungs- kurve 42 und der Phasenkurve 43 entstehe demnach signal ebenso wie das Empfangssignal gemäß dem ein kontinuierliches Kernsignal, dessen Linie 44 in zweiten Impulszug 35 moduliert. Das Ergebnis ist 5 Zeile (b) der F i g. 7 und dessen SchwingungsverUuf die in Zeile (d) der F i g. 4 dargestellte Folge von in Zeile (b) der F i g. 6 dargestellt ist. Ebenso wie bei HF-Impulsen mit alternierender Phasenlage dsm an Hand der F i g. 1, 4 und 5 behandelten Verfahren wird dann das Kernsignal als Empfangssignal

Jt, A, cos ((U₁ 1 + <p_k j). im Empfänger der Vorrichtung nach F ί g. 2 verarbei-

lo tet, und es entsteht unter Vernachlässigung der

Wie in Zeile (d) der F i g. 5 dargestellt, hat dieses Transformation in dem Zwischenfrequenzbereich am

Signal zwei Komponenten 38 und 39, deren Frequenz Ausgang des zweiten Modulators 7 das in den Zei-

mit derjenigen der Seitenbänder 36 und 37 des Emp- len (c) der F i g. 6 und 7 dargestellte Signal, das dann

fangssignals zusammenfällt. Es ist jedoch durch ebenso wie bei der Voirichtung nach Fig. 1 durch

einen geeigneten Aufbau der Vorrichtung möglich, 15 eine zweifache Gleichrichtung weiterverarbeitet wird,

die Amplitude des ersten Ubersprechsignals so klein Ebenso wie bei dem vorhergehenden Beispiel sind

zu halten, daß eine Störung durch dieses Signal nicht auch für das jetzt behandelte Beispiel in den F i g. 6

mehr eintritt. und 7 die Ausdrückt; für die erzeugten Signale ange-

Infolge des zweiten und dritten Übersprechpfades schrieben. Das normierte Signal-Rausch-Verhältnis

gelangt das bereits modulierte Anregungssignal, das ao ist praktisch das gleiche wie für das vorhergehende

in Fig. 4 in Zeile (e) dargestellt ist, in den Empfä»i- Beispiel. Der Vorteil des hier behandelten Verfah-

ger. Wie aus Zeile (e) in F i g. 5 ersichtlich, decken rens liegt darin, daß wegen der Wahl der Anregungs-

sich die Frequenzkomponenten /, ± nj_m mit frequenz /, + 1,5 f_m und der darauffolgenden phasen-

n = 1, 2, 3 ... nicht mit den Frequenzkomponenten alternierenden Modulation im zweiten Modulator 7

des Empfangssignals, so daß eine Störung diwch ein 35 das Empfangssignal die Seitenbänder 46 und 47 mit

solches Signal nicht stattfinden kann. den Frequenzen /, 4- 2/_m und /, + f_m aufweist, wo-

Es bleibt noch zu erwähnen, daß zweckmäßig gegen die übei die Übersprechpfade in den Empfän-

auch das der ersten Mischstufe 6 der Vorrichtung ger eindringenden Übersprechsignale nur jeweils eine

nach Fig. 1 vom Lokaloszillator 11 zugeführte Über- phasenalternierende Modulation erfahren und daher

lagerungssignal moduliert wird und zu diesem Zweck 30 nur Komponenten mit den Frequenzen /,±(/1 + 0,5)·/

durch den dritten Modulator 12 geleitet wird, der aufweisen, die also von den Komponenten des Emp™

von dem Impulsgenerator IS einen dritten Impulszug fangssignals verschieden sind. Infolgedessen wird bei

40 empfängt, wie er in F i g. 1 dargestellt ist. Dieser dieser Ausführungsform der Erfindung eine Störung

dritte Impulszug 40 ist im wesentlichen dem zweiten des Empfangssignals durch das Anregungssignal

Impulszug 35 gleich, hat jedoch Impulse gleicher 35 praktisch vollständig ausgeschlossen. Polarität. Die Modulation des Empfangssignals in Eine Schwierigkeit besteht bei der Ausführungs-

der Weise, daß die Trägerwelle eine von Impuls zu form nach F ί g. 2 allerdings darin, daß dem ersten

Impuls um 180° verschobene Phase aufweist, läßt Phasendetektor 8 ein Signal der Größe f_ZF -~ 1,5/

sich jedoch auch so erreichen, daß der dem dritten zugeführt werden muß, das in dem System nicht' frM

Modulator 12 zugeführte dritte Impulszug 40' eine 40 vorhanden ist. Deshalb ist bei der Vorrichtung nach

wechselnde Polarität aufweist, während der dem F i g. 2 der geregelte Oszillator 17 vorhanden, der ein

zweiten Modulator 7 zugeführte zweite Impulszug 35' Ausgangssignal mit der F ^equenz f_ZF - 1,5 f_m liefert

aus Impulsen gleichbleibender Polarität besteht. Damit das Ausgangssignal genau die gewünschte

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung hat im Frequenz hat, wird dem geregelten Oszillator 17 sowesentlichen den gleichen Aufbau wie die Vorrich- 45 wohl von der zweiten Mischstufe 13 über den ersten tung nach Fig. 1, so daß ihr Aufbau nicht im einzel- Phasenschieber 11 ein Signal mit der Frequenz / nen behandelt zu werden braucht. Unterschiedlich und von dem Impulsgenerator 15 in Signal mit der ist lediglich die Verwendung eines geregelten Oszil- Frequenz 1,5 /_m zugeführt. Der geregelte Oszillator lators 17 in dem Zweig zwischen dem ersten Phasen- 17 selbst kann den in F i g. 3 gesondert dargestellten schieber 11 und dem ersten Phasendetektor 8, dem 5° Aufbau haben. Wie aus F i g. 3 ersichtlich, enthält der von dem Impulsgenerator 15 ein Steuersignal mit der geregelte Oszillator eine Oszillatorstufe 18, die das Frequenz 1,5 /_m zugeführt wird. Die Anwendung des Ausgangssignal mit der Frequenz f_ZF — 1,5 /_m liefert geregelten Oszillators 17 ist erforderlich, um die Außer dem ersten Phasendetektor 8 wird dieses Ausnachstehend beschriebene Betriebsweise durchführen gangssignal auch einer besonderen Mischstufe 19 _Z\izu können. 55 geführt, die Bestandteil des geregelten Oszillators 17

Abweichend von dem an Hand F i g. 1 beschriebe- ist und in der das Ausgangssignal der Oszillatorstufe

nen Verfahren wird bei dem mit der Vorrichtung 18 mit dem von der zweiten Mischstufe 13 zugeführ-

nach F i g. 2 durchgeführten Verfahren dem ersten ten Signal mit der Frequenz f_ZF gemischt wird Das

Modulator vom Impulsgenerator 15 ein erster Impuls- Ausgangssignal der Mischstufe, das die Frequenz

ferte^Trägerwelle eine sich von Impuls zu Impuls um Der Phasendetektor 20 liefert bei" Phasen- und Fre

180° ändernde Polarität Das Frequenzspektrum des queczablagen zwischen den beiden ihm zugeführten

Impulszuges weist demnach keirs Linie mit der Fre- 65 Eingangssignalen ein Ausgangssignal an einen Regel

quenz /,, sondern Linien mii den Frequenzen verstärker 21, der die Oszillatorstufe Ig '_m _ejf„ "

Z₁ ± (n + 0,5) f_m auf. Von diesen Linien wird, wie in solchen Sinn verstimmt, daß die beiden dem Phasen

Zeile (α) der F i g. 7 dargestellt, die Linie mit der detektor 2Θ zugeführten Signale identisch bleibe

Aui diese Weise ist gewährleistet, daß die Oszillatorstufe 18 stets ein Ausgangssignal liefert, das die Frequenz in — 1,5 f_m und auch die gewünchte Phasenlage aufweist.

Bei den Vorrichtungen nach den F i g. 1 und 2 besteht die Möglichkeit, mit Hilfe des zweiten Modulators dem phasenalternierend impulsmodulierten Empfangssignal eine zusätzliche Amplitudenmodulation zu erteilen, wie sie in Zeile (c) der F i g. 8 dargestellt ist. Die Sinuswelle 48, die für diese Amplitudenmodulation benötigt wird, wird dem zweiten Modulator 7 ebenfalls von dem Impulsgenerator 15 zugeführt, wie es durch die gestrichelte Linie 22 angedeutet ist. Die von dem Impulsgenerator 15 gelieferte Sinuswelle 48 hat die halbe Frequenz des zweiten Impulszuges 35 und eine solche Phasenlage, daß ihre Nullstellen 49 in die Mitten der Impulsintervaiie t_p rauen. Bei einer reinen Modulation des Empfangssignals durch eine Sinuswelle würde die gesamte Energie des Empfangssignals in den beiden ersten Seitenbändern konzentriert sein. Durch die Impulsmodulatiou läßt sich dieses Ergebnis rieht vollständig erzielen, jedoch wird der Energieinhalt der Seitenbänder 50 und 51 des Empfangssignals wesentlich erhöht, wie es aus Cen zu Zeile (c) der F i g. 9 gehörenden Ausdrücken hervorgeht. Die Folge davon ist, daß das Signal-Rausch-Verhältnis weiterhin verbessert wird und das normierte Signal-Rausch-Verhältnis erzielt wird, das in Fig. IO darch die Kurve F., angegeben ist. Wie ersichtlich, geht dieses Signal-Rausch-Verhältnis vom Wert 1,0 aus und hat bei einem bereits praktisch brauchbaren Wert von i„'T_m noch einen Wert von 0,99. Die F i g. 8 und 9 geben im übrigen eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wieder, das, abgesehen von der zusätzlichen Amplitudenmodulation, dem durch die F i g. 4 und 5 veranschaulichten Verfahren gleicht. Eine weitere Behandlung der F i g. 8 und 9 ist daher nicht erforderlich. Insbesondere gilt auch für die Einwirkung von Übersprechsignalen das zu der Ausfiihrungsform nach den F i g. 1, 4 und 5 Gesagte.

Es versteht sich, daß die Amplitudenmodulation auch bei der Vorrichtung nach Fig. 2 und dem an Hand der Fi g. 6 und 7 veranschaulichten Verfahren Anwendung finden kann. Auch dort würde sich dann ein normiertes Signal-Rausch-Verhältnis gemäß Kurve F₂ in Fig. 10 bei gleichzeitiger Ausschaltung der Einflüsse von Übersprechsignalen ergeben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Aufnahme yon Spinresonanzspektren, bei dem die Spins einer in einem Magnetfeld angeordneten Probe periodisch mit einem impulsmodulierten HF-Signal (Anregungssignal) angeregt und das von den angeregten Spins gelieferte Signal (Empfangssignal) wenigstens für die Zeit der Impulse des Anregungssignals unterdrückt und nur in den Impulsintervallen des Anregungssignals verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangssignal derart impulsmoduliert Wird, daß es eine sich von Impuls zu Impuls um 180 ändernde Phasenlage hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung der Spins mit gleichbleibender Phase mit der Trägerfrequenz des Anregungssignals erfolgt und die ersten Seitenbänder (36 und 37) des phasenalternierend impulsmodulierten Empfangssignals, die von der Trägerfrequenz einen Abstand in Größe der halben Modulationsfrequenz haben, verarbeitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Anregungssignal mit einer sich von Impuls zu Impuls um 180° ändernden Phasenlage impulsmoduliert wird und die Anregung der Spins mit einem Seitenband des Anregungssignals erfolgt, das von der Trägerfrequenz eine» Abstand in Größe der l,5fachen (2,5fachen, 3,5tac<u.j . .) Modulationsfrequertz hat, und daß diejenige!« Seitenbänder (46 und 47) des Empfangssignals verarbeitet werden, die von der Trägerfrequenz einen Abstand in Größe der einfachen (doppelten, dreifachen ...) bzw. doppelten (dreifachen, vierfachen ...) Modulationsfrequenz haben.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem mit alternierender Phase impulsmodulierten Empfangssignal zusätzlich eine Amplitudenmodulation mit einer Sinuswelle (48) erteilt wird, deren Frequenz gleich der halben Impulsfolgefrequen/ der Impulsmodulation ist und deren Nullstellen wenigstens annähernd in die Mitte der Zwischenräume zwischen aufeinanderfolgenden, zur Modulation des Empfangssignals dienenden Impulsen fallen.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mil einem HF-Generaiur im Ei^cugmig üci Trägerfrequenz, einem Impulsgenerator zur Erzeugung eines ersten Impulszuges mit einer als Modulationsfrequenz vorgegebenen Impulsfolgefrequenz, einem mit dem HF-Generator und dem Impulsgenerator gekoppelten ersten Modulator, der ein impulsmoduliertes HF-Signal (Anregungssignal) liefert, einem mit dem Modulator gekoppelten, in einem Magnetfeld angeordneten Probenkopf und einem mit dem Probenkopf gekoppelten überlagerungsempfänger mit einer Modulationseinrichtung, die zwecks Impulsmodulation des von den angeregten Spins gelieferten Signals (Empfangssignal) mit einem zweiten Impulszug, dessen Impulse in die Intervalle zwischen den Impulsen des ersten Impuls-

zuges fallen, mit dem Impulsgenerator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (15) derart ausgebildet ist, daß der von ihm gelieferte zweite Impulszug (35) aus Impulsen wechselnder Polarität besteht und daß die Modulationseinrichtung (7, 12) des Überlagerungsempfängers derart ausgebildet ist, daß in ihr das Empfangssignai mit Impulsen wechselnder Polarität moduliert werden kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5_: dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger eine erste Mischstufe (6), mit der das Empfangssignal in einen ZF-Bereich transformiert wird, und die Modulationseinrichtung einen zweiten und einen dritten Modulator (7 bzw. 12) umfaßt, von denen der eine im Weg des ZF-Signals hinter der Mischstufe (6) und der andere im Weg des der Mischstufe zugeführten überiagerungssignals angeordnet ist, und daß der Impulsgenerator (15) mit den beiden Modulatoren (7 und 12) zur Zuführung eines zweiten bzw. dritten Impulszuges (35 bzw. 40). von denen beide die gleiche Impulsfolgefrequenz, das gleiche Tastverhältnis und die gleiche Phasenlage aufweisen, jedoch nur einer Impulse mit wechselnder Polarität besitzt, verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung (7, 12) eine Stufe zur Amplitudenmodulation des Empfangssignals aufweist, die mit dem Impulsgenerator (15) zur Zuführung einer zu dem zweiten Impulszug (35) synchronen Sinuswelie (48) mit halber Impulsfolgefrequenz verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß hinter die Modulationseinricbtung (7, 12) zwei Phasendetektoren (8 und O) geschaltet sind und dem ersten Phasendetektor (8) ein Bezugssignal mit der Frequenz des gegebenenfalls in den ZF-Bereich transformierten Anregungssignals und dem zweiten Phasendetektor ein Bezugssignal mit der halben Modulationsfrequenz zugeführt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dd$ zur Erzeugung des dem ersten Phasendetektor (8) zugeführten Bezugssignals ein geregelter Oszillator (17) vorgesehen ist, der zwecks Zuführung von Steuersignalen mit dem HF-Generator (i) und dem Impulsgenerator (15) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den zur Zuiuiiiuug der überlagerung und/cdsf Hszugssignale dienenden Zweigen Phasenschieber (11 und . 6) angeordnet sind, die eine optimale Einstellung der Phasenlage dieser Überlagerungsund Bezugssignale ermöglichen.