DE3414559C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sondenspule für ein NMR-Spektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Sondenspule ist beispielsweise aus der GB-PS 9 95 236 und der DE-OS 32 03 215 bekannt.

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 auch 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", Band 24, Seiten 71-85, 1976, und von Hoult in "Sensitivity Optimization" in "Experimental Techiques in ¹³C 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 Magnetfeldes 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 der US-PS 30 91 732 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 30 91 732 lehrt, macht es nötig, einen zusammengesetzten Leiter aus Werkstoffen mit ungleichen Magneteigenschaften herzustellen. Das Beispiel eines Drahtes mit einer Platinseele innerhalb eines Kupfermantels erfordert ungewöhnliche Sorgfalt bei der Herstellung wegen der Auswirkungen, die eine Schwankung der Dicke und Lage der Platinseele haben. Alternative Herstellungstechniken für zusammengesetzte Stoffe erfordern ebenfalls eine genaue Überwachung bei der Herstellung.

Zusätzlich zu Störungen aufgrund der endlichen magnetischen Suszeptibilität gibt es Störungen, die sich aus den Symmetrieeigenschaften der Sondenspulenkonstruktion ergeben. Dazu ist es aus "Review of Scientific Instruments", Band 36, Nr. 10, 1965, Seiten 1509 und 1510, für Sondenspulen bekannt, so weit als möglich eine zylindrische Geometrie für alle kritischen Teile der Spule zu wählen. Weiterhin sehen magnetische Kernresonanzspektrometer mit hohem Auflösungsvermögen routinemäßig ein Spinnen der Probe vor, um übermagnetische Inhomogenitäten des polarisierenden Feldes zu mitteln. Werkstoffe, die eine Suszeptibilität X₀ haben und die nicht gleichmäßig azimuthal über den ganzen sensitiven Bereich verteilt sind, werden dadurch ausgemittelt. Man erhält eine reduzierte wirksame magnetische Suszeptibilität X = X₀ f(R,t), was einem Verschmieren der magnetischen Eigenschaften solcher Werkstoffe (insbesondere der leitfähigen Stoffe der Spule) über eine Umfangsfläche gleich kommt, jedoch keine Auswirkung auf die axiale Verteilung hat. Die axiale Verteilung bleibt inhomogen.

Für 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 der US-PS 28 30 212 hervor.

Aufgabe der Erfindung ist es, die von Null verschiedene magnetische Suszeptibilität diskreter leitfähiger Strukturen einer Hochfrequenzsonde in einem Hochfrequenzspektrometer mit hohem Auflösungsvermögen geometrisch zu kompensieren, ohne dabei die übrigen Eigenschaften der Sonde zu beeinträchtigen. Die Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist zu verstehen, wenn man einen radialen Abschnitt einer Sattelspulenkonstruktion an einem Punkt z 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 δz des betrachteten Abschnitts muß dann für jeden Abschnitt dz unabhängig von z eine Konstante oder, wie noch erläutert wird, eine gewünschte Funktion der axialen Koordinate sein.

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

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

Eine alternative Ausführungsform ist darauf gerichtet, die vorstehend genannten geometrischen Grenzbedingungen zu nutzen, um eine gewünschte Suszeptibilitätsabhängigkeit in axialer Richtung zu erhalten. Diese 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 werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit weiteren vorteilhaften Ein­ zelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbei­ spiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines NMR-Spektrometers;

Fig. 2 ein Beispiel einer Sattelspule gemäß der Erfindung in abgewickelter ebener Darstellung;

Fig. 3A ein Beispiel einer Sattelspule in abgewickelter ebener Darstellung, 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 Block­ schaltbildes gezeigt. Es weist einen ein starkes Feld erzeu­ genden 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 Sig­ nalprozessor 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 eine abgewickelte, ebene Darstellung einer Sattelspule 50 zeigt.

Typischerweise wird die Spule aus einer Kupferfolie von gleich­ bleibender Dicke ausgeätzt und um eine zylindrische Form herum geformt. Die dabei entstehende Spule wird mittels bekannter Einrichtungen auf die gewünschten Resonanzeigenschaften abge­ stimmt, 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 Zeiten mit dem Vorverstärker des Empfängers verbinden. Solche Schalungen sind allgemein be­ kannt 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 δz die gleiche Fläche des Leitermaterials unabhängig von z aufweisen müssen. Wenn der Leiter von gleichbleibender Dicke ist, wie angenom­ men, dann wird das Material beim Drehen auf eine axiale Ver­ teilung von gleichbleibender durchschnittlicher Suszeptibili­ tät 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 mag­ netischen Suszeptibilität gleichförmig. Das stellt aber kei­ neswegs 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 Kompensa­ tionsgefälle eingeführt, um als Ergebnis ein konstantes axia­ les Feld zu erhalten.

Fig. 3 zeigt eine Sattelspule in abgewickelter ebener Form ähnlich wie Fig. 2, die eine gewünschte Abhängigkeit einer zylindrisch ge­ mittelten Suszeptibilität auf der axialen Koordinate erzeugen 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 Ge­ stalt hat. Jede derartige Verteilung kann angegeben und ein entsprechender Sattelspulenplan entsprechend maßgeschneidert werden.

In Fig. 4A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Konstruktion einer Hochfrequenzsonde dargestellt. Dies Ausführungsbeispiel weist zwei antiparallele, stromführ­ ende Verbindungsstücke 64 und 66 auf, die in dem hier definier­ ten zylindrischen Probenraum eine geeignete Hochfrequenz­ feldverteilung erzeugen.

Wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel, ist es er­ wünscht, daß die Konstruktion eine konstante axiale Ma­ terialverteilung hat und folglich eine magnetische Perturba­ tion, 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 Iso­ lierung eines Anschlusses 54′ gegenüber einem Anschluß 52′ ist ein Schlitz 69 vorgesehen.

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

Claims (4)

1. Sondenspule für NMR-Spektrometer, bestehend aus elektrisch leitendem Material, das in Form einer Sattelspule auf einer Zylinderfläche angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur geometrischen Kompensation der von Null verschiedenen magnetischen Suszeptibilität des elektrisch leitenden Spulenmaterials die Masse des elektrisch leitenden Spulenmaterials pro axialem Abschnitt gemittelt über den Umfang, eine gewünscht Funktion der axialen Koordinate ist.

2. Sondenspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Verteilung einen konstanten Wert hat.

3. Sondenspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Spulenmaterial gleichbleibende Dicke hat.

4. Sondenspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des elektrisch leitenden Spulenmaterials entsprechend der gewünschten Funktion variiert.