DE3878528T2

DE3878528T2 - Regelung der pseudo-resonanzen fuer magnetische kernresonanz-empfangsspulen.

Info

Publication number: DE3878528T2
Application number: DE8888904768T
Authority: DE
Inventors: P Zens
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Inc
Priority date: 1987-04-30
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2008-04-08
Also published as: EP0312586B1; IL85886A; US4751465A; DE3878528D1; JPH0718919B2; EP0312586A4; JPH01501251A; EP0312586A1; WO1988008543A1; IL85886A0

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung liegt im allgemeinen Gebiet von Kernspinresonanzinstrumenten und Verfahren und betrifft insbesondere Verbesserungen von HF-Eigenschaften der Erfassungsspule eines solchen Gerätes.

Hintergrund der Erfindung

Ein Breitband-Kernspinresonanzinstrument enthält eine Empfängerspule (Erfassungsspule), die angeordnet ist, um das durch die Spin-Übergänge in der Probe abgegebene HF-Signal an den Vorverstärker des Empfangssubsystems anzulegen. Diese Spule besteht aus einem abgestimmten LC-Kreis mit Resonanzeigenschaften, die durch ein Kondensator-Netzwerk ähnlich den in den Figuren la und lb angedeuteten Beispielen von symmetrischen und unsyminetrischen Schaltungen des Standes der Technik eingestellt sind. Idealisierte abgestimmte Schaltungen dieser Art erzeugen ein schwaches Antwortsignal über den bezeichneten Bereich einer Breitband-Antwort mit einer einzigen scharfen Absorptionsspitze bei der gewünschten Resonanzfrequenz. In der Praxis verwendete abgestimmte Schaltungen haben ein komplexeres Antwortverhalten aufgrund einer verteilten Kapazität gegen Masse für die Spule. Ein Ergebnis ist die Beobachtung einer weiteren Resonanzspitze bei höherer Frequenz. Figur 2 zeigt die Frequenzantwort einer realen Schaltung, die fur eine 100 MHz-C¹³-Analyse abgestimmt ist.
Die parasitäre höherfrequente Resonanz ist außerdem kompliziert, wenn die Spule durch Einsetzen des eine Probe enthaltenden Probenröhrchens geladen wird. Die dielektrischen Eigenschaften der Probe und des Probenröhrchens verursachen eine höherfrequente Resonanz, die bei höheren (oder möglicherweise niedrigeren) Frequenzen aufgrund der dielektrischen Eigenschaften der Probe auftreten.
In Kernspinresonanzinstrumenten wird gewöhnlich eine zweite Hochfrequenzstrahlung verwendet, um (beispielsweise) eine Proton-C¹³-Kopplung zu stören. Die HF-Energie wird für diesen Zweck von einer zweiten HF-Quelle über eine unabhängige Spule geliefert, um die gewünschte Entkopplung vorzunehmen. Die Entkopplerspule ist außerhalb der Empfängerspule in einem typischen System angeordnet, d.h. mit der Empfängerspule zwischen der Entkopplerspule und der Probe.
Die Wirkung einer Entkopplerstrahlung wird an der Probe durch die von der Empfängerspule erzeugte Abschirmung geschwächt. Wenn die Empfängerspule eine Resonanz für die hochfrequente Entkopplungsstrahlung zeigt, wird diese Schwächung ganz wesentlich.
Im Stand der Technik bestand ein Weg zur Verringerung der Schwächung aufgrund der Empfängerspule darin, die Entkopplerspule aus einem Dünnfilmleiter herzustellen, der sehr dicht an der Empfängerspule angeordnet wurde. Die Wirkinduktivität der Empfängerspule wird dann in ähnlicher Weise herabgesetzt, als ob die Empfängerspule von einem zylindrischen Leiter umgeben ist. Die Induktivität der Spule sinkt mit dem Anstieg der Resonanzfrequenz (ω= 1/LC). Eine ausreichende Verschiebung dieser Resonanz über die Entkopplerbandbreite hinaus verringert einige der Verluste der Entkopplerstrahlung. Dieser Effekt wird zu einem Preis einer signifikanten Verringerung von Q der Empfangsspule erkauft, was nicht wünschenswert ist.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Bei der vorliegenden Erfindung wird eine diskrete Kapazität zwischen der Mitte der Empfangsspule und der Masse hinzugefügt. Der Wert der Kapazität ist so ausgewählt, daß die Lage der Hochfrequenzresonanz auf eine Frequenz unterhalb der der Entkopplerstrahlung begrenzt wird.

Kurzbeschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt repräsentative idealisierte Spulenschaltungen des Standes der Technik.
Figur 2 zeigt die typische Frequenzantwort für die Spulenschaltungen von Figur
Figur 3 zeigt den Betrieb der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 zeigt die vorliegende Erfindung für
(a) eine symmetrische Schaltung und
(b) eine unsymmetrische Schaltung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Abschnitte eines typischen Kernspinresonanz-Datenerfassungsinstrumentes sind in Figur 3 schematisch dargestellt.
Ein Erfassungs-Steuerungsprozessor 10 steht in Verbindung mit einem HF-Sender 12, einem Modulator 14 und einem Empfänger 16, welcher einen Analog-Digital-Wandler 18 enthält, sowie einem weiteren Prozessor 20. Die modulierte HF-Energie bestrahlt einen (nicht dargestellten) Gegenstand in einem Magnetfeld 21 durch eine Sondenanordnung 22, und das Antwortsignal auf den Gegenstand wird von einer mit dem Empfänger 16 in Verbindung stehenden Sonde 22 aufgefangen. Die Antwort besitzt typischerweise die Form eines transienten oszillierenden Signals, welche häufig auch als Zeitbereichswellenform bezeichnet wird. Diese transiente Wellenform wird in regelmäßigen Intervallen abgetastet, und die Abtastwerte werden im AD-Wandler 18 digitalisiert. Die digitalisierte Zeitbereichswellenform wird dann einer weiteren Verarbeitung im Prozessor 20 unterworfen. Eine solche Verarbeitung kann eine Mittelwertbildung einer Zeitbereichswellenform über eine Anzahl von ähnlichen solcher Wellenformen umfassen, und die Transformation der durchschnittlichen Zeitbereichswellenform in den Frequenzbereich ergibt eine Spektralverteilungsfunktion, die zur Ausgangsvorrichtung 24 gerichtet ist. Letztere kann eine Anzahl von Identitäten für die Anzeige von weiteren Analysen und Daten aufnehmen.
Das Magnetfeld 21, das das Abtastsignal polarisiert, wird durch eine geeignete Einrichtung, welche in Figur 3 angedeutet ist, in einem Kryostat 23 zur Aufrechterhaltung einer supraleitenden Phase in einem nicht dargestellten Solenoiden erzeugt. Der Kryostat enthält eine Bohrung 23a, in der die Sonde und die Probe bei Raumtemperatur enthalten sind.
In Figur 4 sind nun Beispiele einer Sondenanordnung der vorliegenden Erfindung gezeigt, die eine Empfangsspule 60 mit einem Kondensator 62 enthält, wodurch ein abgestimmter paralleler LC-Schaltkreis gebildet wird. Die eine Seite der Spule 60 ist direkt (Figur 4b) oder alternativ über einen Kondensator 64 (Figur 4a) an Masse angeschlossen. Die andere Seite der abgestimmten LC-Kombination ist über einen Kondensator 66 an einem nicht dargestellten Vorverstärker angeschlossen. Die Erfindung wird durch Zwischenschaltung eines weiteren Kondensators 68 zwischen der Spule 60, etwa an der Mittelanzapfung, und dem gemeinsamen Potential oder der Masse realisiert. Die Größe des Kondensators 68 wird sorgfältig ausgewählt, um die parasitäre Resonanz in einen Frequenzbereich unterhalb einer bei der Messung verwendeten Strahlungsfrequenz wie z.B. einer Entkoppler-Strahlung zu verschieben. In der Praxis wird diese Auswahl mit Hilfe eines Probenröhrchens an Ort und Stelle und der ermittelten Entkoppler-Frequenz getroffen. Das Probenröhrchen wird mit einer allgemein bekannten Lösung im Hinblick auf weitere annähernd realistische Bedingungen gefüllt, und, falls erforderlich, kann eine besondere Probe an Ort und Stelle vorgesehen werden.
Typischerweise ist der Wert des Kondensators 68 kleiner als der des Anpassungskondensators 62 oder liegt in dessen Bereich, während die Kapazität 68 größer als die verteilte Kapazität gegen Masse ist.
Bei der symmetrischen Schaltung von Figur 4a gibt es wenige Einschränkungen bezüglich des Wertes des Kondensators 68. Die Erfindung wird ebenfalls für die symmetrische Schaltung durch eine Gleichspannungsverbindung von diesem Punkt zur Masse verwirklicht.
Bei der Schaltung von Figur 4b betrifft die Beschränkung des Wertes des Kondensators 68 das Verhältnis der Kapazität 62 zur Kapazität 68. Falls die Kapazität 68 kleiner als die Kapazität 62 ist, arbeitet die Schaltung auf normale Weise. Wenn die Kapazität 68 größer als die Kapazität 62 ist, arbeitet die Schaltung weniger optimal im Hinblick auf das Signal-Rausch-Verhältnis.
Da viele Veränderungen bei der zuvor beschriebenen Konstruktion in vielen offensichtlich sich erheblich voneinander unterscheidenden Ausführungen dieser Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Kern der Erfindunga abzuweichen, sei darauf hingewiesen, daß die zuvor erfolgte Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen als anschauliche Beispiele und nicht als Einschränkung zu interpretieren sind.

Claims

1. Kernspinresonanz-Sonde mit einem abgeglichenen LC- Schwingkreis zur Erfassung von induzierten Signalen gegenüber einem gemeinsamen Potential, mit:

einer Spule und einem ersten Kondensator, die diesen parallelen abgestimmten Schaltkreis bilden;

wobei jeder Verbindungspunkt von Spule und erstem Kondensator jeweils an zweite und dritte Kondensatoren angeschlossen ist, von denen der dritte Kondensator wiederum an das gemeinsame Potential angeschlossen ist und der zweite Kondensator zum Anschluß vorgesehen, um ein Signal daraus abzuleiten;

einem vierten Kondensator, der im wesentlichen zwischen dem Mittelpunkt der Spule und dem gemeinsamen Potential geschaltet ist, wodurch eine parasitäre Resonanz auf eine Frequenz unterhalb einer oberen Grenzfrequenz herabgesetzt wird.

2. Kernspinresonanz-Sonde mit einem abgeglichenen parallelen LC-Schwingkreis zur Erfassung von induzierten Signalen gegenüber einem gemeinsamen Potential, mit einer Spule und einem ersten Kondensator mit jeweils zwei Anschlüssen, welche den parallelen abgestimmten Schaltkreis bilden,

einem Verbindungspunkt mit einem Anschluß der Spule und des ersten Kondensators, welcher entsprechend an einen zweiten Kondensator angeschlossen ist, wobei der andere Anschluß der Spule an das gemeinsame Potential angeschlossen ist, der erste Kondensator wiederum an das gemeinsame Potential angeschlossen ist und der zweite Kondensator zum Anschluß vorgesehen ist, um ein Signal daraus abzuleiten,

einer dritten Kapazität, die im wesentlichen zwischen dem Mittelpunkt der Spule und dem gemeinsamen Potential geschaltet ist, wodurch eine parasitäre Resonanz auf eine Frequenz unterhalb einer oberen Grenzfrequenz herabgesetzt wird.

3. Kernspinresonanz-Sonde mit einem abgeglichenen parallelen LC-Schwingkreis zur Erfassung von induzierten Signalen gegenüber einem gemeinsamen Potential, mit einer Spule und einem ersten Kondensator mit jeweils zwei Anschlüssen, welche den parallelen abgestimmten schaltkreis bilden,

einem Verbindungspunkt des einen Anschlusses der Spule und des ersten Kondensators, welcher entsprechend an einen zweiten Kondensator angeschlossen ist, wobei der andere Anschluß der Spule an das gemeinsame Potential angeschlossen ist, der erste Kondensator wiederum an das gemeinsame Potential angeschlossen ist und der zweite Kondensator zum Anschluß vorgesehen ist, um ein Signal daraus abzuleiten,

einer leitenden LC-Verbindung, die im wesentlichen zwischen dem Mittelpunkt der Spule und dem gemeinsamen Potential geschaltet ist, wodurch eine parasitäre Resonanz auf eine Frequenz unterhalb einer oberen Grenzfrequenz herabgesetzt wird.