DE3414559A1

DE3414559A1 - Sondenspule fuer ein nmr-spektrometer

Info

Publication number: DE3414559A1
Application number: DE19843414559
Authority: DE
Inventors: Howard David Wilson Cupertino Calif. Hill
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Inc
Priority date: 1983-09-22
Filing date: 1984-04-17
Publication date: 1985-04-11
Also published as: JPH06103343B2; GB8423989D0; GB8722777D0; JPH0627797B2; JPH0643233A; DE3414559C2; GB2146779A; GB2196739B; GB2146779B; GB8720689D0; US4563648A; GB2196739A; JPS6073473A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Analyseinstrumente auf der Basis magnetischer Resonanzerscheinungen und befaßt sich insbesondere mit einer Verringerung magnetischer Perturbationen, die durch die Struktur in der Sonde eines magnetischen Kernresonanzspektrometers bzw. NMR-Spektrometers hervorgerufen werden.

Um homogene Felder in einem Raum zu erhalten, dessen axiale Erstreckung im Vergleich zur radialen Erstreckung nicht groß ist/ werden als Spulenkonstruktion sattelförmige Spulen bevorzugt. Dieser Form wird häufig in dem beengten Raum um eine NMR-Spektrometersonde der Vorzug gegeben. Die Auslegung solcher Spulen und ihre Grenzen sind z.B. von Hoult und Richards im Journal of Magnetic Resonance, Bd. 24, S. 71-85, 1976 und von Hoult in "Sensitivity Optimization" in Experimental Techniques in C Spectrometry beschrieben. Wie bei allen im sensitiven Bereich einer magnetischen Kernresonanzvorrichtung vorhandenen Werkstoffen rufen die naturgegebenen magnetischen Eigenschaften der Spule eine Störung der Magnetfeldverteilung innerhalb des Raums hervor.

Ein Faktor, der eine Grenze für die erzielbare Gleichförmigkeit des Inftenfeldes beiträgt, ergibt sich aus der endlichen magnetischen Suszeptibilität des Werkstoffs, aus dem die Spulen bestehen, z.B. des Leiters, der Stützformen, Klebstoffe und dergleichen. Maßnahmen zur Verringerung von Inhomogenitäten, die aus dieser Art von Störung resultieren, gehen aus US-PS 3 091 732 hervor, gemäß der Spulenwerkstoffe und Klebstoffe zum Befestigen der Spule an einer Spulenform gesucht wurden, die eine an Luft angenäherte wirksame magnetische Bruttosuszeptibilität haben sollten,denn die genannten Bauelemente sind notwendigerweise in Luft eingetaucht. Die Verringerung der magnetischen Suszeptibilität auf Null (oder nahezu Null), wie die US-PS 3 091 732 lehrt, macht es nötig, einen zusammengesetzten Leiter aus Werkstoffen mit ungleichen Magneteigenschaften herzustellen. Das Beispiel eines Drahtes mit

34H559

einer Platinseele innerhalb eines Kupfermantels erfordert eine ungewöhnliche Kontrolle bei der Herstellung wegen der Auswirkungen, die eine Schwankung der Dicke und .Lage der Platinseele haben. Alternative Herstellungstechniken für zusammengesetzte Stoffe erfordern äquivalente genaue überwachung bei der Herstellung, was schwer zu erreichen ist bzw. eine verringerte Ausbeute an akzeptablen Produkten bietet. Es hat weitere Versuche gegeben, die wirksame magnetische Bruttosuszeptibilität von Strukturteilen zu manipulieren.

Zusätzlich zu Störungen aufgrund der endlichen magnetischen Suszeptibilität gibt es Störungen, die sich aus Symmetrieeigen-3-chaften der gleichen Hochfrequenzspulenkonstruktion ergeben,die

die genannte endliche magnetische Suszeptibilität hat. Magnetische Kernresonanzspektroineter mit hohem Auflösungsvermögen arbeiten routinemäßig mit Spinnen der Probe, um überstatische magnetische Inhomogenitäten des polarisierenden Feldes zu mitteln. Werkstoffe, die eine Suszeptibilität _<χ_ο haben und die nicht gleichmäßig azimuthal über den ganzen sensitiven Bereich verteilt sind, werden/gemittelt, um eine reduzierte wirksame magnetische Suszeptibilität JC = ^ftöjt) zu erhalten, was einem Verschmieren der magnetischen Eigenschaften solcher Werkstoffe (insbesondere der leitfähigen Stoffe der Spule) über eine ümfangsflache gleich kommt, was jedoch keine Auswirkung auf die axiale Verteilung hat. Die axiale Verteilung bleibt inhomogen.

In der Technik der Ablenkungsspulen ist es bekannt, Sattelspulen zu konstruieren, in denen leitende Bauelementbereiche Dimensionen haben, die in Breite und Länge variieren, um das Magnetfeld radial und axial entsprechend einer gewählten trigonometrischen Funktion des Ablenkungswinkels eines Strahls geladener Teilchen zu verteilen, der um diesen Winkel von der Spulenachse abgelenkt wird. Eine entsprechende Anordnung geht aus US-PS 2 830 212 hervor.

Aufgabe der Erfindung ist es, die endlichen magnetischen Eigenschaften diskreter leitfähiger Strukturen einer Hochfrequent ondo in einem Hochfrequenzspektrometer mit hohem Auflösungsvermögen geometrisch zu kompensieren.

Die Erfindung ist zu verstehen, wenn man einen radialen Abschnitt einer Sattelspulenkonstruktion an einem Punkt ζ auf der Achse dieser Konstruktion betrachtet. Das Material ist in gleichbleibendem Radius über einzelne azimuthale Bereiche verteilt, die durch eine relative Drehung der Probe wirksam gemittelt werden. Die Masse des leitfähigen Materials der Probenspule innerhalb eines axialen Inkrements </z des betrachteten Abschnitts muß dann für jeden Abschnitt dz unabhängig von ζ eine Konstante sein.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Forderung bei konstanter Dicke (radialer Erstreckung) des Leitermaterials durch Variieren der Leiterfläche als Funktion von ζ erfüllt. Das wird dadurch erreicht, daß Sattelspulenwicklungen geformt werden, bei denen in planarer Form die Windungsteile variieren, um die gewünschte axiale Verteilung des Leitermatcrials sicherzustellen.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel variiert die Dicke des Leiters als Punktion von z, um sicherzustellen, daß die axiale Verteilung des Leitermaterials von ζ unabhängig bleibt.

Eine alternative Ausführungsform ist darauf gerichtet, die vorstehend genannten geometrischen Grenzbedingungen zu nutzen, um eine Suszeptibilitätsabhängigkeit in axialer Richtung zu erhalten. Diese gesteuerte Funktion G(z) läßt sich leicht durch ein entsprechendes Feldgefälle korrigieren, und die resultierende Homogenität kann eingestellt werden, um für andere Störungen eine weitere Kompensationswirkung sicherzustellen.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Ein-

zelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Schema der Erfindung in ihrem Zusammenhang; Fig. 2 ein Beispiel einer Sattelspule in planarer Form gemäß

der Erfindung;
Fig. 3A ein Beispiel einer Sattelspule in planarer Form/ die

eine axial variierende Suszeptibilität hat; Fig. 3B eine summierte Projektion der Masse der in Fig. 3A gezeigten spule auf die z-Achse;

Fig. 4A eine Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der

Erfindung;
Fig. 4B einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4A.

In Fig. 1 ist ein NMR-Spektrometer 20 in Form eines Blockschaltbildes gezeigt und weist einen ein starkes Feld erzeugenden supraleitenden Magneten 31 mit einer Bohrung 30 auf, in der eine Sonde 32 angeordnet ist. An der. Oberseite der Sonde ist eine Spinneranordnung 33 befestigt, die ein hier nicht gezeigtes Probenröhrchen aufnimmt. Die Spinneranordnung 33 sorgt für das Spinnen des Probenröhrchens im Magnetfeld mit Hilfe einer Luftzufuhrquelle 34, die mit der Spinneranordnung verbunden ist, um sie in Umdrehung zu versetzen. Mit der Sonde 32, die hier nicht gezeigte Spulen-zum Anregen und Detektieren

von Resonanzspektren der im Probenröhrchen enthaltenen Probe aufweist₍ ist ein Hochfrequenzsender/Empfänger und Signalprozessor 35 verbunden. Zu dem Signalprozessor gehört auch eine Einrichtung, mit der das Spektrum der untersuchten Probe angezeigt oder dargestellt werden kann, wie symbolisch durch die Anzeigevorrichtung 36 angedeutet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung geht aus Fig. 2 hervor, die einen Plan einer Sattelspule 50 zeigt. Der Plan ist in planarer Form dargestellt, d.h. die Sattelspule ist abgerollt.

Typischerweise wird der Plan aus einer Kupferfolie von gleichbleibender Dicke ausgeätzt und um eine zylindrische Form herum geformt. Die dabei entstehende Spule wird mittels bekannter Einrichtungen auf die gewünschten Resonanzeigenschaften abgestimmt, wozu z.B. auf Hoult "Progress in NMR Spectroscopy", Bd. 12, S. 41-77 (1978) hingewiesen wird. Anschlüsse 52 und 54 sind mit Torschaltungen verbunden, die die Spule mit dem Sender oder, zu anderen Zeitspannen,dem Vorverstärker des Empfängers verbinden. Solche Schaltungen sind allgemein bekannt und liegen außerhalb des Rahmens der Erfindung.

Die charakteristische Eigenschaft der Erfindung läßt sich in verdichteter Form so beschreiben, daß repräsentative Scheiben 56, 58 und 60 von gleichbleibender Breite c/z die gleiche Fläche des Leitermaterials unabhängig von ζ aufweisen müssen. Wenn der Leiter von gleichbleibender Dicke ist, wie angenommen, dann wird das Material beim Drehen auf eine axiale Verteilung von gleichbleibender durchschnittlicher Suszeptibilität gemittelt. Die extremen axialen Bereiche der Spule gemäß Fig. 2 dienen zur Verlagerung magnetischer Störungen (die sich aus den Enden der Konstruktion ergeben) aus dem sensitiven Bereich der Spule.

Wie vorstehend beschrieben, war die axiale Verteilung der magnetischen Suszeptibilität gleichförmig. Das stellt aber keineswegs eine Einschränkung der Erfindung dar, selbst dann nicht, wenn ein axial gleichförmiger Probenraum als Ergebnis erwünscht ist. Die axiale Abhängigkeit der Suszeptibilität kann nämlich maßgeschneidert werden, so daß sie eine gewünschte Funktion der axialen Koordinate ist. Dazu wird ein Kompensationsgefälle eingeführt, um als Ergebnis ein konstantes axiales Feld zu erhalten.

Fig. 3 zeigt eine Sattelspule in planarer Form ähnlich wie Fig. 1, die eine gewünschte Abhängigkeit einer zylindrisch gemittelten Suszeptibilität auf der axialen.Koordinate erzeugen

I Α» ζ)

soll. Die Dimensionen der hier dargestellten Sattelspule sind geändert worden, um die in Fig. 3B gezeigte radial summierte, axiale Masseverteilung zu erzeugen, die eine gewünschte Gestalt hat. Jede derartige Verteilung kann angegeben und ein entsprechender Sattelspulenplan entsprechend maßgeschneidert v/erden.

In Fig. 4A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Konstruktion einer Hochfrequenzsonde dargestellt. Dies Ausführungsbeispiel weist zwei antiparallele, stromführende Verbindungsstücke 64 und 66 auf, die in dem hier definierten zylindrischen Probenraum eine geeignete Hochfrequenzfeldverteilung erzeugen.

Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es erwünscht, daß die Konstruktion eine konstante axiale Materialverteilung hat und folglich eine magnetische Perturbation, die kein axiales Gefälle einführt. Entstanden ist diese Form durch Einschneiden des Materials an drei Seiten, um ein Fenster zu bilden, von dem das ganze Material auf der vierten Seite auf das stromführende Verbindungsstück zurückgefaltet wird, wie Fig. 4B zeigt. Zur elektrischen Isolierung eines Anschlusses 54' gegenüber einem Anschluß 52' ist ein Schlitz 69 vorgesehen.

Eine geringfügige axiale Diskontinuität in der Hochfrequenzkopplung zur Probe entsteht bei diesem Ausführungsbeispiel durch die vergrößerte Dicke (radiale Ausdehnung) der Konstruktion im sensitiven Bereich wegen der zusätzlichen Dicke , z. B, durch umgeschlagenen Lappen 67' und 68'. Da aber die Materialdicke im Großenordnungsbereich von 0,025 mm (1 mil) liegt, ist die Wirkung gering und kann im Vergleich zu der statischen magnetischen Suszeptibilitätsdiskontinuität, die hierdurch kompensiert wird, als vernachlässigbar betrachtet werden.

- Leerseite

Claims

3414559 Patentanwälte · European Patent Attorneys

München

Varian Associates, Inc.
Palo Alto, CaI., V.St.A.

Vl P597 D Sondenspule für ein NMR-Spektrometer

Patentansprüche

ill Sondenspule für ein NMR-Spektrometer, gekennzeichnet durch

- leitfähiges Material einer magnetischen Suszeptibilität ungleich Null, welches in einem im wesentlichen gleichbleibenden radialen Abstand von einer Achse angeordnet ist, und

- eine Verteilung des Materials pro axialer Längeneinheit, die längs der Achse eine gewählte Verteilung hat.
2. Sondenspule nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das leitfähige Material eine gleichbleibende Dickendimension längs des radialen Abstands hat, und daß die Fläche des Leiters in einer Umfangsoberfläche- so gestaltet ist, daß sie die axiale Verteilung einhält.
3. Sondenspule nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke des leitfähigen Materials längs des radialen Abstandes so gestaltet ist, daß sie die axiale Verteilung einhält.
4. Sondenspule nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet , daß die gewählte

_ 2 —

axiale Verteilung gleichförmig ist.
5. Sondenspule für ein NMR-Spektrometer, gekennzeichnet durch

- leitfähiges Material einer magnetischen Suszeptibilität un gleich Null, welches in einem im wesentlichen konstanten radialen Abstand von einer Achse angeordnet ist, und

- eine Verteilung des Materials pro axialer Längeneinheit, die von dem Abstand längs der Achse abhängt, und

- eine Einrichtung, die dem von der Achse und dem leitfähig gen Material bestimmten Raum ein axiales Magnetfeldgefälle gibt, welches ein solches Vorzeichen und eine solche Grö0e hat, daß es gemeinsam mit der Verteilung des Materials einen gleichmäßigen Magnetfeldbereich erzeugt.