DE69029267T2 - RESONANCE CAVES FOR MAGNETIC NUCLEAR RESONANCE - Google Patents
RESONANCE CAVES FOR MAGNETIC NUCLEAR RESONANCEInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Resonanzhohlräume für NMR und besonders Resonanzanordnungen für Empfänger- und Sendersonden zur Verwendung bei hohen Frequenzen. Resonatoranordnungen [Hayes, C., Edelstein, W., Schenk, I., Muller, O. und Eash. M., J. Mag Res. 63, 622- 628, (1985)] werden für die Empfänger- und Senderspulensonden bei der Bilderzeugung durch magnetische Kernresonanz und der Spektroskopie immer populärer. Dies um so mehr, da immer höhere Magnetfelder und deshalb Frequenzen angewendet werden. Die Schwierigkeit beim Abstimmen von mehrgängigen Standard-Sattelspulen und kurzen Zylinderspulen macht alternative Verzögerungsleitungen und Resonatoranordnungen attraktiver. Wir haben mehrere Strukturen in Betracht gezogen, die das Prinzip der Resonatoranordnung anwenden, zum Beispiel der Petal-Resonator [Mansfield, P., J. Phys. D., 21, 1643-4 (1988)]. Bei der Betrachtung dieser Vorrichtungen ist es nötig, die allgemeine Theorie von Schaltungen mit konzentrierten Parametern zu entwickeln, wie sie auf diese Systeme angewendet wird. Wir haben die Theorie mit einem allgemeinen Matrixansatz betrachtet (Fisher, E. M., 1955 Electronic Engineering 27, 198-204, Sander K. F. und Reed G. A. L. 1978 Transmission and Propagation of Electromagnetic Waves, C. U. P. Cambridge). Kürzlich wurde ein Störungsansatz für die Analyse nicht symmetrischer "Vogelkäfig"-Resonatoren veröffentlicht [Tropp, J., J. Mag. Res. 82, 52-62 (1989)].The present invention relates to resonant cavities for NMR and particularly to resonant arrays for receiver and transmitter probes for use at high frequencies. Resonator arrays [Hayes, C., Edelstein, W., Schenk, I., Muller, O. and Eash. M., J. Mag Res. 63, 622-628, (1985)] are becoming increasingly popular for the receiver and transmitter coil probes in nuclear magnetic resonance imaging and spectroscopy. This is all the more so as ever higher magnetic fields and therefore frequencies are applied. The difficulty in tuning standard multi-turn saddle coils and short solenoid coils makes alternative delay lines and resonator arrays more attractive. We have considered several structures that employ the resonator array principle, for example the petal resonator [Mansfield, P., J. Phys. D., 21, 1643-4 (1988)]. In considering these devices, it is necessary to develop the general theory of lumped parameter circuits as applied to these systems. We have considered the theory using a general matrix approach (Fisher, E. M., 1955 Electronic Engineering 27, 198-204, Sander K. F. and Reed G. A. L. 1978 Transmission and Propagation of Electromagnetic Waves, C. U. P. Cambridge). Recently, a perturbation approach for the analysis of non-symmetrical "birdcage" resonators has been published [Tropp, J., J. Mag. Res. 82, 52-62 (1989)].
US-A-4,602,234 offenbart eine Spulenanordnung für NMR, die eine nichtresonante Struktur enthält, die Stützringe und eine Vielzahl von Stangen beinhaltet, wobei die Struktur durch Hinzufügen eines geteilten Schutzrings, der über diskrete Kondensatoren an den inneren Ring gekoppelt ist, zu einer eigenresonanten Struktur für stehende Wellen gemacht wird.US-A-4,602,234 discloses a coil assembly for NMR comprising a non-resonant structure including support rings and a plurality of rods, the structure being made into a self-resonant standing wave structure by adding a split guard ring coupled to the inner ring via discrete capacitors.
US-A-4,686,473 offenbart eine resonante Struktur, die eine stehende Welle trägt, unter Verwendung von zwei Endringen, um Stangenleiter zu stützen, wobei die nötigen Resonanzeigenschaften durch diskrete Komponenten in Form hinzugefügter Spulen und Kondensatoren bereitgestellt werden.US-A-4,686,473 discloses a resonant structure supporting a standing wave using two end rings, to support pole conductors, with the necessary resonant characteristics provided by discrete components in the form of added coils and capacitors.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Resonanzanordnung für NMR zur Verwendung bei hohen Frequenzen wie in Anspruch 1 bereit.The present invention provides a resonance arrangement for NMR for use at high frequencies as in claim 1.
Nun werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen durch Beispiele erläutert.Now, embodiments of the present invention will be explained by way of example with reference to the accompanying drawings.
Figur 1 zeigt Abschnitte einer Übertragungsleitung mit konzentrierten Parametern als (a) π Abschnitt und (b) T Abschnitt;Figure 1 shows sections of a transmission line with lumped parameters as (a) π section and (b) T section;
Figur 2 ist eine Grafik, die die erlaubten Frequenzeigenschaften für einen einfachen Tiefpaßfilterabschnitt zeigt;Figure 2 is a graph showing the allowable frequency characteristics for a simple low-pass filter section;
Figur 3 zeigt einen abstimmbaren NMR-Hohlraum, der eine Gruppe von geschlitzten Schleifenresonatoren umfaßt, mit der effektiven Hohlraumlänge 1 gemäß der vorliegenden Erfindung;Figure 3 shows a tunable NMR cavity comprising an array of slotted loop resonators, with the effective cavity length l according to the present invention;
Figur 4a zeigt eine Endplatte des abstimmbaren NMR- Hohlraums von Figur 2;Figure 4a shows an end plate of the tunable NMR cavity of Figure 2;
Figur 4b zeigt eine alternative Konstruktion einer Endplatte mit größerem axialem Zugang;Figure 4b shows an alternative design of an endplate with larger axial access;
Figur 4c zeigt eine Treiberschaltung mit Phasenquadraturanordnung und symmetrischer Anordnung;Figure 4c shows a driver circuit with phase quadrature arrangement and symmetrical arrangement;
Figur 4d zeigt eine Flußführungshülse oder ein Endringführungsrohr zur Verwendung mit der alternativen Konstruktion einer Endplatte von Figur 4b;Figure 4d shows a flow guide sleeve or end ring guide tube for use with the alternative end plate design of Figure 4b;
Figur 5 zeigt einen Plot der Induktivität über dem Durchmesser für einen einzelnen geschlitzten Schleifenresonator;Figure 5 shows a plot of inductance versus diameter for a single slotted loop resonator;
Figur 6a zeigt ein Ersatzschaltbild der Resonanzhohlraumstruktur, wobei die Punkte A und B verbunden sind;Figure 6a shows an equivalent circuit of the resonant cavity structure, with points A and B connected;
Figur 6b zeigt einen Plot der Frequenzeigenschaften für einen Abschnitt des Hohlraumresonators von Figur 6a;Figure 6b shows a plot of the frequency characteristics for a section of the cavity resonator of Figure 6a;
Figur 7 zeigt einen Plot einer linearen Regression von f² über 1/l, der asymptotische Werte von ω&sub0; ergibt;Figure 7 shows a plot of a linear regression of f² versus 1/l, yielding asymptotic values of ω0;
Figur 8 zeigt einen Plot der Frequenz f über der Länge für die Phasenquadratur- und symmetrischen Treibemodi des Hohlraumresonators;Figure 8 shows a plot of frequency f versus length for the phase quadrature and symmetric drive modes of the cavity resonator;
Figur 9 zeigt einen Abschnitt einer Endplatte für eine Konstruktion eines Resonators für niedrigere Frequenz, die einen größeren zentralen Zugang zuläßt;Figure 9 shows a section of an end plate for a lower frequency resonator design that allows larger central access;
Figur 10a zeigt in der Draufsicht eine schematische Anordnung von geschlitzten Schleifenresonatoren mit 2 Schichten, um die Schleifeninduktivität zu erhöhen;Figure 10a shows in plan view a schematic arrangement of slotted loop resonators with 2 layers to increase the loop inductance;
Figur 10b zeigt einen Abschnitt in Seitenansicht;Figure 10b shows a section in side view;
Figur 11 zeigt eine schematische Anordnung für einen Hohlraumresonator mit 2 Windungen;Figure 11 shows a schematic arrangement for a cavity resonator with 2 turns;
Figur 12 zeigt eine schematische Ansicht eines Abschnitts einer Endplattenanordnung für einen Hohlraumresonator mit 2 Windungen;Figure 12 shows a schematic view of a portion of an end plate arrangement for a 2-turn cavity resonator;
Figur 13 zeigt eine alternative Anordnung, in der die Schleifenum 90º aus der Plattenebene herausgedreht sind;Figure 13 shows an alternative arrangement in which the loops are rotated 90º out of the plane of the plate;
Figur 14 zeigt ein schematisches Diagramm einer Endplatte einer Hochpaß-Resonanzhohlraumspule;Figure 14 shows a schematic diagram of an end plate of a high-pass resonant cavity coil;
Figur 15a zeigt eine Modifikation des Hohlraumresonators von Figur 14;Figure 15a shows a modification of the cavity resonator of Figure 14;
Figur 15b zeigt das Ersatzschaltbild für den Resonator von Figur 15a;Figure 15b shows the equivalent circuit for the resonator of Figure 15a;
Figur 16 zeigt eine geteilte oder Halbresonatoranordnung mit reflektierender leitender Abschirmung gemäß der vorliegenden Erfindung;Figure 16 shows a split or half-resonator arrangement with reflective conductive shield according to the present invention;
Figur 17a zeigt ein Diagramm einer Endansicht einer Drahtanordnung für eine Satteispule, wobei zusätzliche Drähte W, W' aus Symmetriegründen aber ohne Strom zu führen, d.h. an Knoten stehender Wellen hinzugefügt wurden;Figure 17a shows a diagram of an end view of a wire arrangement for a saddle coil, where additional wires W, W' have been added for symmetry reasons but without carrying current, i.e. at standing wave nodes;
Figur 17b zeigt eine äquivalente geteilte oder Halbsattelanordnung mit reflektierender Abschirmung;Figure 17b shows an equivalent split or half-saddle arrangement with reflective shielding;
Figur 18a zeigt eine Skizze einer geteilten oder Halbsattelanordnung mit Abschirmung;Figure 18a shows a sketch of a split or half-saddle arrangement with shielding;
Figur 18b zeigt eine Streifenspule mit Abschirmung;Figure 18b shows a strip coil with shielding;
Figur 18c zeigt ein Ersatzschaltbild einer geteilten Sattel- oder Streifenspule mit Treiber.Figure 18c shows an equivalent circuit of a split saddle or strip coil with driver.
Im folgenden werden wie einen Abschnitt unserer resonanten Struktur durch eine Schaltung mit konzentrierten Parametern in Form eines π Abschnitts oder eines T Abschnitts wie in Figur 1 angegeben darstellen. Wir nehmen an, daß zwischen 10 den Abschnitten keine Wechselwirkung stattfindet (siehe im folgenden).In the following we will represent a section of our resonant structure by a lumped parameter circuit in the form of a π section or a T section as shown in Figure 1. We assume that there is no interaction between the sections (see below).
Die Übertragungsmatrix A für den Abschnitt, betrachtet als Teil einer längeren Übertragungsleitung, genügt der Ausbreitungsgleichung The transmission matrix A for the section, considered as part of a longer transmission line, satisfies the propagation equation
Ψn = AΨn+1 (2Ψn = AΨn+1 (2
in der En, En+1 usw. aus Gleichung 1 jeweils die Ausgangsund Eingangsspannungen und -ströme sind und Ψn usw. für die Spaltenmatrizen stehen.where En, En+1 etc. from equation 1 are the output and input voltages and currents respectively and Ψn etc. stand for the column matrices.
Fur N identische Abschnitte folgt aus Gleichung 2, daßFor N identical sections, equation 2 implies that
Ψ&sub0; = ANΨN. (3)Ψ₀0; = ANΨN. (3)
Falls die Wellenausbreitung entlang der Übertragungsleitung aufrechterhalten wird, können wir auch schreibenIf the wave propagation along the transmission line is maintained, we can also write
Ψn = µΨn+1 (4)Ψn = µΨn+1 (4)
wobei die Matrix µ für die gemeinsamen Verluste und Phasenänderungen pro Abschnitt steht. Die Kombination von Gleichung 2 und 4 ergibt die charakteristische Gleichungwhere the matrix µ represents the joint losses and phase changes per section. The combination of equations 2 and 4 gives the characteristic equation
AΨ = µΨ (5)AΨ = µΨ (5)
Die Eigenwerte von Gleichung 5 stellen die aufrechterhaltbaren Frequenz- und Phaseneigenschaften der Schaltung dar. Sie können durch Diagonalisieren von A erhalten werden. Die Diagonalwerte erhält man aus der DeterminanteThe eigenvalues of equation 5 represent the sustainable frequency and phase properties of the circuit. They can be obtained by diagonalizing A. The diagonal values are obtained from the determinant
det (A - µ) = 0 (6)det (A - µ) = 0 (6)
Da wir es mit einem passiven Netzwerk zu tun haben, ist det A = 1. Die Eigenwerte von Gleichung 5 sind im allgemeinen komplex und können wegen µ&sub1;µ&sub2; = 1 geschrieben werden alsSince we are dealing with a passive network, det A = 1. The eigenvalues of equation 5 are generally complex and can be written because µ₁µ₂ = 1 as
µ&sub1; = 1/2A&sub0; + [(A&sub0;/2)² - 1]1/2 = ey (7a)µ₁₋₀ = 1/2A&sub0; + [(A₀/2)² - 1]1/2 = ey (7a)
µ&sub2; = 1/2A&sub0; - [(A&sub0;/2)² - 1]1/2 = e-y (7b)µ₂ = 1/2A&sub0; - [(A₀/2)² - 1]1/2 = e-y (7b)
wobeiwhere
A&sub0; = Tr A (8)A₀ = Tr A (8)
worin Tr für die Spur oder Diagonalsumme steht. Später werden wir sehen, daß y die Ausbreitungskonstante der Übertragungsleitung ist. Diese ist im allgemeinen komplex und gegeben durchwhere Tr is the trace or diagonal sum. Later we will see that y is the propagation constant of the transmission line. This is generally complex and is given by
y = tanh&supmin;¹ [(A&sub0;/2)² - 1]1/2/(A&sub0;/2) = α + iβ (9)y = tanh⊃min;¹ [(A�0;/2)² - 1]1/2/(A�0;/2) = α + iβ (9)
Wenn α null ist, was einer verlustlosen Leitung ent spricht, sehen wir aus den Gleichungen (7-9), daß durch die Invarianz der Spur gegenüber den Basisfunktionen ΨnIf α is zero, which corresponds to a lossless line, we see from equations (7-9) that due to the invariance of the trace with respect to the basis functions Ψn
Tr A = 2 cos β (10)Tr A = 2 cos β (10)
Sei S die Matrix der Kollineartransformation, die A diagonalisiert. Dann können wir schreibenLet S be the matrix of the collinear transformation that diagonalizes A. Then we can write
S&supmin;¹AS = µ (11)S⊃min;¹AS = µ (11)
was invertiert werden kann zuwhich can be inverted to
A = SµS&supmin;¹ (12)A = SµS⊃min;¹ (12)
Vor dem Weitergehen ist es nötig, die Übertragungsmatrix für den besonderen Schaltungsabschnitt zu betrachten. Für den π Abschnitt in Figur 1a ist Before going further, it is necessary to consider the transfer matrix for the particular circuit section. For the π section in Figure 1a,
während für den T Abschnitt in Figur 1b gilt while for the T section in Figure 1b
Unter der Voraussetzung A&sub1;&sub1; = A&sub2;&sub2;, das heißt bei einem symmetrischen Abschnitt, ist es einfach zu zeigen, das die charakteristische Impedanz des Abschnitts Z&sub0; gegeben ist durchAssuming A₁₁ = A₂₂, i.e. for a symmetrical section, it is easy to show that the characteristic impedance of the section Z�0 is given by
Z²&sub0; = A&sub1;&sub2;/A&sub2;&sub1; . (15)Z²&sub0; = A₁₂/A₂₁ . (15)
Unter Verwendung der Invarianz von Tr A zusammen mit den Gleichungen 7a, 7b und 8 folgt, daß die Übertragungsmatrizen, Gleichungen 13 und 14 allgemein geschrieben werden können als Using the invariance of Tr A together with equations 7a, 7b and 8, it follows that the transfer matrices, equations 13 and 14, can be generally written as
was auch folgendermaßen aus der Matrix 5 erzeugt werden kann which can also be generated from matrix 5 as follows
wobei die Matrizen S, S&supmin;¹ gegeben sind durch where the matrices S, S⊃min;¹ are given by
Unter Verwendung von S sehen wir, daß Using S we see that
und durch Invertieren and by inverting
Fur eine verlustlose Übertragungsleitung, mit N Abschnitten entsprechend einer Wellenlänge P (P ganzzahlig), zeigt Gleichung 20, daß das Phasenverhältnis entlang der Leitung folgendes Verhältnis erfülltFor a lossless transmission line, with N sections corresponding to a wavelength P (P integer), Equation 20 shows that the phase relationship along the line satisfies the following relationship
Nβ = 2πMP (21)Nβ = 2πMP (21)
wobei β die Phasenverschiebung pro Abschnitt und M (ganzzahlig) die resonante Mode ist.where β is the phase shift per section and M (integer) is the resonant mode.
Unter Verwendung dieser Formulierung wurde eine zyklische Ubertragungsleitung mit einer Windung entworfen, die die Grundlage des Petal-Resonators bildet [Mansfield, P., J. Phys. D., 21, 1643-4, (1988)]. Andere verwandte Strukturen sind was wir als "chain mail"-Spule und Ketten- oder "necklace"-Resonator bezeichnet haben, nützlich zur Untersuchung begrenzter Teile der Anatomie, zum Beispiel des Nackens.Using this formulation, a one-turn cyclic transmission line was designed, which forms the basis of the petal resonator [Mansfield, P., J. Phys. D., 21, 1643-4, (1988)]. Other related structures are what we have called the "chain mail" coil and the chain or "necklace" resonator, useful for studying limited parts of the anatomy, for example the neck.
Bei diesen Konstruktionen folgt die Stromverteilung in den aufeinanderfolgenden Elementen der Übertragungsleitung um eine zylindrische Oberfläche herum einer kosinusförmigen oder sinusförmigen Variation als Funktion des zylindrischen Azimutwinkels θ. Für gerade Drähte, die auf der Oberfläche eines Zylinders parallel zur Zylinderachse liegen, erzeugt eine kosinusförmige Stromverteilung ein gleichförmiges Magnetfeld quer zur Zylinderachse. Dies wird der Fall sein, falls die geraden Drähte die Impedanzelemente Z&sub1; von Figur la bilden und die Spannung auf der Leitung einer kosinusförmigen Variation um den Treibepunkt folgt. In diesem Fall ist der durch den n-ten Draht fließende Strom Iwn gegeben alsIn these designs, the current distribution in the successive elements of the transmission line around a cylindrical surface follows a cosine or sine variation as a function of the cylindrical azimuth angle θ. For straight wires lying on the surface of a cylinder parallel to the cylinder axis, a cosine current distribution produces a uniform magnetic field transverse to the cylinder axis. This will be the case if the straight wires form the impedance elements Z1 of Figure la and the voltage on the line follows a cosine variation around the driving point. In this case, the current Iwn flowing through the n-th wire is given as
Iwn = En/Z&sub1; . (22)Iwn = En/Z₁ . (22)
Dieser Strom folgt En, während In, Gleichungen 1, 3 und 16, für eine verlustlose Leitung wie sin Nβ variiert.This current follows En, while In, equations 1, 3 and 16, varies as sin Nβ for a lossless line.
Bei NMR-Bilderzeugungsanwendungen ist eine Spulenstruktur, die ein gleichförmiges Quermagnetfeld erzeugt, als Senderspule und als Empfängerspule nützlich. Wir merken auch an, daß Resonatorstrukturen mit mehreren Windungen mit P > 1 möglich sind.In NMR imaging applications, a coil structure that generates a uniform transverse magnetic field is useful as both a transmitter coil and a receiver coil. We also note that multi-turn resonator structures with P > 1 are possible.
Beim Entwurf von Hohlraumresonatoren ist es nützlich, einen Ausdruck für die Eingangsimpedanz der Vorrichtung zu besitzen. Dieser kann erhalten werden, indem zunächst der Ausdruck für ein Übertragungsleitung mit N Elementen in Gleichung 20 zusammen mit den Gleichungen 1 und 3 betrachtet wird. Seien Eingangs- und Ausgangsspannung und -strom jeweils V&sub1;, I&sub1; und V&sub2;, I&sub2;. Dann erhalten wirWhen designing cavity resonators, it is useful to have an expression for the input impedance of the device. This can be obtained by first considering the expression for an N-element transmission line in Equation 20 together with Equations 1 and 3. Let the input and output voltage and current be V₁, I₁ and V₂, I₂, respectively. Then we get
V&sub1; = V&sub2; cosh Ny + I&sub2;Z&sub0; sinh Ny (23a)V1; = V2 cosh Ny + I₂Z�0; sinh ny (23a)
undand
I&sub1; = (V&sub2;/Z&sub0;) sinh Ny + I&sub2; cosh Ny. (23b)I1; = (V₂/Z�0) sinh Ny + I₂ cosh Ny. (23b)
Deshalb beträgt die Eingangsimpedanz Z&sub1; = V&sub1;/I&sub1;. Die Leitung sei durch Z&sub2; = V&sub2;/I&sub2; abgeschlossen. Durch Einsetzen in das obige erhalten wir einen Ausdruck für Z&sub1; einer diskreten Leitung, der dem bekannten Ergebnis für eine kontinuierlich verteilte Leitung ähnelt, d.h.Therefore, the input impedance is Z₁ = V₁/I₁. Let the line be terminated by Z₂ = V₂/I₂. Substituting into the above, we obtain an expression for Z₁ of a discrete line that is similar to the known result for a continuously distributed line, i.e.
Z&sub1;= Z&sub0; [Z&sub2; cosh Ny + Z&sub0; sinh Ny]/Z&sub2; sinh Ny + Z&sub0; cosh Ny]. (24)Z1=Z0 [Z2; cosh Ny + Z&sub0; sinh Ny]/Z&sub2; sinh Ny + Z&sub0; cosh Ny]. (24)
Für eine offene Leitung mit der.Wellenlänge P ist Z&sub2; = ∞. In diesem Fall giltFor an open line with wavelength P, Z₂ = ∞. In this case,
Z&sub1; = Z&sub0;/tanh Ny (25a)Z1; = Z0/tanh Ny (25a)
und für ein kleines Argument Nyand for a small argument Ny
Z&sub1; Z&sub0;/Ny. (25b)Z�1 Z�0/Ny. (25b)
Es ist sinnvoll, darauf hinzuweisen, daß die Impedanz einer offenen Pλ Leitung nicht verändert wird, falls ihr Ausgang mit ihrem Eingang verbunden wird. Dies bedeutet, daß alle Resonatorkonstruktionen hierin entweder physikalisch zyklisch, also tatsächlich an Anfang und Ende verbunden oder an einem Punkt hoher Impedanz abgeschnitten sein können. Die zyklischen Randbedingungen sind in beiden Fällen identisch. Wir weisen auch darauf hin, daß der Ausdruck Z&sub1; für einen π oder T Abschnitt wie in Figur 1 gezeigt entwickelt ist. Die tatsächlich konstruierten Schaltungen sind um den Erdungspunkt symmetrisch wie im folgenden mit Bezug auf die Hochfrequenzsonde diskutiert wird.It is worth pointing out that the impedance of an open Pλ line is not changed if its output is connected to its input. This means that all resonator designs herein can be either physically cyclic, i.e. actually connected at the beginning and end, or cut off at a point of high impedance. The cyclic boundary conditions are identical in both cases. We also note that the expression Z1 is developed for a π or T section as shown in Figure 1. The actual circuits designed are symmetrical about the ground point as discussed below with reference to the high frequency probe.
Q des HohlraumresonatorsQ of the cavity resonator
Der Qualitätsfaktor des Hohlraums ergibt sich aus Gleichung 25 durch Ersetzen von y = α + iβ und Beachten, daß für eine Pλ Leitung wegen Nβ = 2πMP in Resonanz eine kleine Verschiebung δω folgendes ergibtThe quality factor of the cavity is obtained from equation 25 by replacing y = α + iβ and noting, that for a Pλ line due to Nβ = 2πMP in resonance a small shift δω results in the following
tanh N Nα + 2π δω/ω (26)tanh N Nα + 2π δω/ω (26)
Unter Verwendung dieser Näherung in Gleichung 25a merken wir an, daß sie eine Lorentz-Variation von Z&sub1; gegenüber δω erzeugt mit einer gegebenen Linienbreite bei halber Höhe wennUsing this approximation in equation 25a, we note that it produces a Lorentz variation of Z1 versus δω with a given linewidth at half height if
2Nα = 4π δω/ω) = 2π/Q. (27)2Nα = 4π δω/ω) = 2π/Q. (27)
In Resonanz ist der EingangswiderstandThe input resistance is in resonance
R = Z&sub0;/Nα . (28)R = Z�0/Nα . (28)
Durch Kombinieren von Gleichung 27 und 28 erhalten wir für den Q-FaktorBy combining equations 27 and 28 we obtain the Q factor
Q = πR/Z&sub0; . (29)Q = πR/Z�0 . (29)
TiefpaßLow pass
Falls Z&sub1; = 2/jωC und Z&sub2; =( jωL + r), ist die Übertragungsmatrix für diesen π Abschnitt gegeben durch If Z�1 = 2/jωC and Z�2 =( jωL + r), the transfer matrix for this π section is given by
Aus den Gleichungen 10 und 30 sehen wir, daß für r = 0From equations 10 and 30 we see that for r = 0
Tr A = 2 - (ω/ω&sub0;)2 = 2 cos β (31)Tr A = 2 - (ω/ω0)2 = 2 cos β (31)
wobeiwhere
ω²&sub0; = 1/LC. (32)ω²�0 = 1/LC. (32)
Das Auftragen dieser transzendenten Gleichung ergibt für diesen Tiefpaßfilterabschnitt die in Figur 2 schraffierte erlaubte Frequenzantwort.Applying this transcendental equation yields the allowed frequency response hatched in Figure 2 for this low-pass filter section.
Durch Kombinieren von Gleichung 21 und 31 sehen wir, daß die Bedingung fur eine aufrechterhaltene stehende Welle in einer offenen Leitung oder in einer resonanten zyklischen Struktur, die eine auf sich selbst zurückgeführte Leitung fester Länge, so daß die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse verbunden sind, beinhaltet, gegeben ist durchCombining equations 21 and 31, we see that the condition for a sustained standing wave in an open line or in a resonant cyclic structure involving a fixed length line looped back on itself so that the input and output terminals are connected is given by
(ω/ω&sub0;)² = 4 sin²(πMP/N) (33)(ω/ω�0)² = 4 sin²(πMP/N) (33)
für 1 ≤ MP ≤ N/2. Lösungen von Gleichung 33 zeigen, daß die Modenfrequenzen von der niedrigsten Mode M = 1 zur Grenzmode M = N/2P ansteigen.for 1 ≤ MP ≤ N/2. Solutions of equation 33 show that the mode frequencies increase from the lowest mode M = 1 to the limiting mode M = N/2P.
Wie erwartet finden wir auch daßAs expected, we also find that
α = r(C/L)1/2 = r/2Z&sub0; und β = ω/ω&sub0; . (34)α; = r(C/L)1/2 = r/2Z&sub0; and β = ω/ω0 . (34)
In diesem Fall erhalten wir das VerhältnisIn this case we get the ratio
R = 2Z²&sub0;/Nr. (35)R = 2Z²₀/No. (35)
Aus den Gleichungen 27 und 35 erhalten wir auch den Wert für QFrom equations 27 and 35 we also obtain the value for Q
Q = 2πZ&sub0;/Nr (36)Q = 2πZ�0/Nr (36)
d.h. Q wird durch die Eigenschaften des Widerstands eines einzelnen Abschnitts bestimmt.i.e. Q is determined by the resistance characteristics of a single section.
Bei dieser Anordnung ist Z&sub1; = 2(j L + r) und Z&sub2; = 1/jωC. Mit diesen Parametern finden wir für r = 0In this arrangement, Z�1 = 2(j L + r) and Z�2 = 1/jωC. With these parameters we find for r = 0
(ω&sub0;/ω²) = 4 sin²(πMP/N)(ω₀/ω²) = 4 sin²(πMP/N)
Wie im Fall des Tiefpaßabschnitts ist bei hohen Frequenzen Z&sub0; = (L/c)1/2. Wenn Verluste enthalten sind, gilt auchAs in the case of the low-pass section, at high frequencies Z0 = (L/c)1/2. If losses are included, the following also applies:
α = 4[r/2Z&sub0;] sin²(πMP/N) und β = -ω&sub0;/ω . (38a)α; = 4[r/2Z�0;] sin²(πMP/N) and β = -ω0/ω . (38a)
Für kleines β führt dies auf einen Q-Faktor vonFor small β this leads to a Q-factor of
Q = NZ&sub0;/2πr. (38b)Q = NZ₀/2πr. (38b)
Beim "birdcage"-Resonatorentwurf (Hayes et al., 1985), betrachtet als eine Reihe von π Abschnitten ist Z&sub2; induktiv, während Z&sub1; eine Induktivität und einen Kondensator in Reihe geschaltet beinhaltet. Dies hat insofern einen konstruktiven Nachteil, als Schaltungen mit vielen Elementen zur individuellen Abstimmung viele sperrige Hochspannungskondensatoren erfordern.In the "birdcage" resonator design (Hayes et al., 1985), considered as a series of π sections, Z₂ is inductive, while Z₁ includes an inductor and a capacitor in series. This has a design disadvantage in that circuits with many elements require many bulky high-voltage capacitors for individual tuning.
Die Miniaturisierung von RF-Sonden für den Hochfrequenzbetrieb kann problematisch sein, da die Abmessungen häufig durch die Verwendung von Komponenten mit konzentrierten Parametern beschränkt werden.Miniaturization of RF probes for high frequency operation can be problematic because dimensions are often limited by the use of components with lumped parameters.
In dieser Arbeit wird ein neuer abstimmbarer Entwurf eines RF-Hohlraums eingeführt, der bei RF-Frequenzen um 500 MHz oder darüber Anwendung findet, jedoch für niedrigere Frequenzen skaliert und angepaßt werden könnte.This work introduces a new tunable RF cavity design that is applicable at RF frequencies around 500 MHz or above, but could be scaled and adapted for lower frequencies.
Der Entwurf des RF-Hohlraums wurde durch den Mikrowellen-Magnetron-Hohlraumresonator inspiriert. Er ähnelt dem "birdcage"-Resonator (Hayes et al., 1985), hat jedoch den Vorteil, daß er aus spanabhebend bearbeiteten massivem Kupfer und Stangen genau aufgebaut werden kann. Theoretische Grundlage unseres Ansatzes ist das im vorangehenden dargestellte.The design of the RF cavity was inspired by the microwave magnetron cavity resonator. It is similar to the "birdcage" resonator (Hayes et al., 1985), but has the advantage that it can be precisely constructed from machined solid copper and rods. Theoretical The basis of our approach is what has been presented above.
Der Resonator besteht aus zwei Endplatten 10, von denen jede eine symmetrische Gruppe von geschlitzten Schleifenresonatoren 20 besitzt, die mit einer Anzahl von Stangeninduktivitäten 30 verbunden sind, Figur 3. In Figur 4a ist die Draufsicht auf eine Endplatte gezeigt. In einer besonderen Ausführungsform hat jeder geschlitzte Schleifenresonator 20 einen Durchmesser von 10 mm bei einer Induktivität von 11 nH und einem Spalt 40, der einer Kapazität von 12 pF entspricht, was eine Resonanzfrequenz von 438 MHz ergibt. Auch leitungslose chipkondensatoren können dazu verwendet werden, die Kapazität des Spalts zu erhöhen. In Figur 4b ist eine alternative Endringanordnung 10' gezeigt. Diese bietet einen größeren axialen Zugang.The resonator consists of two end plates 10, each of which has a symmetrical array of slotted loop resonators 20 connected to a number of rod inductors 30, Figure 3. In Figure 4a, a top view of an end plate is shown. In a particular embodiment, each slotted loop resonator 20 has a diameter of 10 mm with an inductance of 11 nH and a gap 40 corresponding to a capacitance of 12 pF, giving a resonant frequency of 438 MHz. Leadless chip capacitors can also be used to increase the capacitance of the gap. An alternative end ring arrangement 10' is shown in Figure 4b. This provides greater axial access.
In der Ausführungsform von Figur 4b umfaßt der Endring einen Ring 10', der Schleifenresonatoren 20' mit Schlitzen oder Spalten 40' besitzt. Der Ring besitzt eine innere Oberfläche 41 und eine äußere Oberfläche 42, dazwischen sind die kreisförmigen Öffnungen 20' geformt. An Stellen mittig zu den Resonatoren 20' sind Stangen 30' mit einer Endoberfläche 43 verbunden. Eine zweite Reihe von Schlitzen 45 ist in der zweiten Endoberfläche 44 in Richtung der ersten Endoberfläche geformt, um eine Flußführung oder -hülse wie in Figur 4(d) aufzunehmen.In the embodiment of Figure 4b, the end ring comprises a ring 10' having loop resonators 20' with slots or gaps 40'. The ring has an inner surface 41 and an outer surface 42 with the circular openings 20' formed therebetween. At locations central to the resonators 20', rods 30' are connected to an end surface 43. A second series of slots 45 are formed in the second end surface 44 toward the first end surface to accommodate a flux guide or sleeve as in Figure 4(d).
Um eine induktive Kopplung der geschlitzten Schleifenresonatoren zu verhindern, kann eine Flußführungshülse oder ein Endringführungsrohr 50 über jeden Endring 10 gezogen werden. Eine derartige Hülsenanordnung ist in Figur 4d gezeigt. Sie umfaßt zwei kurze koaxiale leitende Zylinder 11, 12, wobei der innere Zylinder 12 durch eine Reihe leitender metallischer Abstandhalter oder Flossen 13 zentral innerhalb des äußeren Zylinders gehalten wird. Die Flossen 13 sind so angeordnet, daß sie in die Schlitze 45 zwischen den geschlitzten Schleifenresonatoren von Figur 4b eingreifen. Die Schlitze 45 müssen isoliert werden, so daß weder die Flossen 13 noch die Flußführungsringe 11, 12 den Resonator 10 berühren, Figur 4b. Ein geeignetes Isoliermaterial könnte ein Isolierband oder eine Lackschicht sein. Mit dieser oder einer ähnlichen Anordnung wird verhindert, daß der magnetische Fluß von einem geschlitzten Schleifenresonator 20' mit anderen geschlitzten Schleifenresonatoren koppelt. Vorausgesetzt der ringförmige Raum zwischen den Endringen 11, 12 des Führungsrohrs so ist groß genug, wird für jeden geschlitzten Schleifenresonator 20 ein Flußrückführungsweg bereitgestellt und dadurch dessen Selbstinduktivität nahe dem unabgeschirmten Wert gehalten.To prevent inductive coupling of the slotted loop resonators, a flux guide sleeve or end ring guide tube 50 may be fitted over each end ring 10. One such sleeve arrangement is shown in Figure 4d. It comprises two short coaxial conductive cylinders 11, 12, the inner cylinder 12 being held centrally within the outer cylinder by a series of conductive metallic spacers or fins 13. The fins 13 are arranged to engage the slots 45 between the slotted loop resonators of Figure 4b. The slots 45 must be insulated so that neither the fins 13 nor the flux guide rings 11, 12 affect the resonator. 10, Figure 4b. A suitable insulating material could be an insulating tape or a layer of varnish. With this or a similar arrangement, the magnetic flux from one slotted loop resonator 20' is prevented from coupling with other slotted loop resonators. Provided the annular space between the end rings 11, 12 of the guide tube 50 is large enough, a flux return path is provided for each slotted loop resonator 20, thereby keeping its self-inductance close to the unshielded value.
Die Eigenschaften eines einzelnen geschlitzten Schleifenresonators wurden empirisch durch Messen der Induktivität einer einzelnen Schleife, geformt durch Bohren eines Lochs in einem Kupferblock, bestimmt. In Figur 5 ist die Induktivität über dem Lochdurchmesser aufgetragen. Zusammengesetzt ist die komplette Spule in einem Frequenzbereich um 500 MHz herum in Resonanz. Die Abstimmung dieser Konstruktion kann von Hand durch Verschieben einer Endplatte entlang den Stangeninduktivitäten erfolgen. Das Ersatzschaltbild für die Resonatorspule ist in Figur 6a gezeigt, wobei A und B verbunden sind.The characteristics of a single slotted loop resonator were determined empirically by measuring the inductance of a single loop formed by drilling a hole in a copper block. In Figure 5, the inductance is plotted against the hole diameter. When assembled, the complete coil resonates in a frequency range around 500 MHz. Tuning of this design can be done by hand by sliding an end plate along the rod inductances. The equivalent circuit for the resonator coil is shown in Figure 6a, with A and B connected.
Die erlaubte Frequenzantwort für einen Abschnitt dieser Schaltung (r&sub1; = r&sub2; = 0) ist in Figur 6b schraffiert dargestellt. Die Grenzbandbreitenfrequenz wird durch die parallelen resonanten Elemente eingestellt, siehe unten.The allowed frequency response for a section of this circuit (r1 = r2 = 0) is shown in Figure 6b as a hatched line. The cutoff bandwidth frequency is set by the parallel resonant elements, see below.
Aus den Schaltungsparametern von Figur 6a und der obigen Analyse mit r&sub1; = r&sub2; = 0 ergibt sich, daß die resonante Winkelfrequenz des Hohlraums ω (bei korrektem Treiben) gegeben ist durchFrom the circuit parameters of Figure 6a and the above analysis with r₁ = r₂ = 0, it follows that the resonant angular frequency of the cavity ω (when driven correctly) is given by
= ω² = ω²&sub2;{1 + L&sub2;/4 L&sub1; sin²(πM/N)} (39)= ω² = ω²₂{1 + L₂/4 L�1; sin²(πM/N)} (39)
Für die Hauptmode M = 1 und für N = 6 Abschnitte vereinfacht sich dies zuFor the main mode M = 1 and for N = 6 sections this simplifies to
ω² = ω²&sub2;{1 + L&sub2;/L&sub1;} (40a)ω² = ω²₂{1 + L₂/L₁} (40a)
mit ω²&sub2; = 1/L&sub2;C = 4π²f²&sub2; und mit einer Induktivität der Stangen von L&sub1; = kl, wobei k eine Konstante ist und l die Länge der Stangen ist. Mit diesen Ersetzungen wird Gleichung (40a) zuwith ω²₂ = 1/L₂C = 4π²f²₂ and with an inductance of the rods of L₁ = kl, where k is a constant and l is the length of the rods. With these substitutions, equation (40a) becomes
f² = f²&sub2;{1 + (L&sub2;/kl)} (4db)f² = f²&sub2;{1 + (L&sub2;/kl)} (4db)
worin f die Hohlraumfrequenz ist. Im allgemeinen wird eine gegenseitige Induktivität zwischen den Stangen vorhanden sein, diese ist jedoch klein und wird deshalb in dieser Anmeldung ignoriert.where f is the cavity frequency. In general there will be a mutual inductance between the rods, but this is small and is therefore ignored in this application.
Aus den Gleichungen 14 und 15 finden wir, daß für ω/ω&sub2; > 1, Z&sub0; (L&sub1;/C) 1/2. Falls wir annehmen, daß ohmsche Verluste im Hohlraum im wesentlichen in den Stangen entstehen, eine vernünftige Annahme, da die Endplatten aus massivem Kupfer bestehen, ist r&sub2; = 0 und in diesem Fall für ω/ω&sub2; > 1From equations 14 and 15 we find that for ω/ω2 > 1, Z0 (L1/C) 1/2. If we assume that ohmic losses in the cavity arise mainly in the rods, a reasonable assumption since the end plates are made of solid copper, r2 = 0 and in this case for ω/ω2 > 1
α = [r&sub1;/2Z&sub0;](ω&sub2;/ω)² . (41a)α; = [r₁/2Z�0](ω₂/ω)² . (41a)
Falls jedoch r&sub1; = 0 und die Verluste in den geschlitz ten Schleifenresonatoren auftreten, finden wir daßHowever, if r₁ = 0 and the losses occur in the slotted loop resonators, we find that
α = [r&sub2;/2Z&sub0;] (L&sub1;/L&sub2;){1 + (L&sub1;/L&sub2;)}(ω&sub2;/ω))² . (41b)α; = [r₂/2Z�0] (L₁/L₂){1 + (L₁/L₂)}(ω₂/ω))² . (41b)
In beiden Fällen ist β = ω&sub1;/ω.In both cases, β = ω1/ω.
Messungen der Resonanzfrequenz für die Hauptmode (M = 1) erfolgten für unterschiedliche Längen des Hohlraums und es wurde herausgefunden, daß das Resonanzverhalten der Spule bei korrektem Treiben mit der Theorie übereinstimmte, was somit unsere anfängliche Annahme unterstützt, daß wechselseitige Induktionseffekte zwischen Abschnitten in diesem Fall ignoriert werden können. Die Spule wird wie oben beschrieben im symmetrischen Modus von einem Ende getrieben. Mit N geschlitzten Schleifenresonatoren und N Stangeninduktivitäten werden N/2 Resonanzmoden beobachtet.Measurements of the resonance frequency for the main mode (M = 1) were made for different lengths of the cavity and it was found that the resonant behavior of the coil when properly driven was in agreement with theory, thus supporting our initial assumption that mutual induction effects between sections can be ignored in this case. The coil is constructed as above described in symmetric mode driven from one end. With N slotted loop resonators and N rod inductors, N/2 resonance modes are observed.
Der Hohlraum kann am leichtesten von einer Endplatte aus getrieben werden, Figur 4a, über AB oder A'B' durch die geteilte Kondensatoranordnung, Figur 4c. Der Mittelpunkt ist geerdet und der koaxiale Treiber mit A oder alternativ C verbunden (Alternative Treibe- und Verbindungspunkte sind mit Strichen bezeichnet). Um einen richtigen Abgleich sicherzustellen, sollte ein einzelner Kondensator mit 1/2 Cd über die entsprechenden Punkte am anderen Ende des Hohlraums geschaltet werden. Das Quadrat der Hohlraumfrequenz f ist in Figur 7 über 1/1 gemäß der linearen Regression aufgetragen, Gleichung 4db. Der Achsenabschnitt am Ursprung ergibt einen experimentellen Wert für die Grundf requenz f&sub2; = 424 MHz.The cavity can most easily be driven from an end plate, Figure 4a, via AB or A'B' through the split capacitor arrangement, Figure 4c. The center point is grounded and the coaxial driver connected to A or alternatively C (alternative drive and connection points are indicated by dashes). To ensure proper matching, a single capacitor of 1/2 Cd should be connected across the corresponding points at the other end of the cavity. The cavity frequency squared f is plotted against 1/1 in Figure 7 according to linear regression, equation 4db. The intercept at the origin gives an experimental value for the fundamental frequency f2 = 424 MHz.
Die Daten sind in Figur 8 auch als f über 1 aufgetragen. Die Verwendung der gemessenen Parameter ermöglicht es, die theoretische Kurve zu zeichnen (durchgezogene Linie) Es ist auch anzumerken, daß, wenn der Eingangstreiber mit Punkt A verbunden ist, Figur 4a, dieser einen Gegenknoten oder Punkt mit hoher Spannung bildet. Abgesehen von einer Phasenverschiebung des RF-Trägers folgen die Ströme in den Stangen der Spannung der Endplatte, siehe Gleichung 22. Der Treibepunkt entspricht deshalb einem Bauch des Stroms in den Stangen. Punkt B hat die entgegengesetzte RF Phase. Die zusätzliche Kapazität Cd/2 ist um alle geschlitzten Schleifenresonatoren herum verteilt, um eine zusätzlich Kapazität der geschlitzten Schleifen von Cd/2N zu erzeugen. Dies wird deshalb die Grundfrequenz f&sub2; in Gleichung 4db und Figur 7 beeinflussen. Diese Verhalten ist experimentell bestätigt. Dies kann deshalb als eine Einstellung zur Feinabstimmung des Hohlraums verwendet werden.The data are also plotted as f versus 1 in Figure 8. Using the measured parameters allows the theoretical curve to be drawn (solid line). It is also worth noting that when the input driver is connected to point A, Figure 4a, this forms an antinode or high voltage point. Apart from a phase shift of the RF carrier, the currents in the rods follow the voltage of the end plate, see Equation 22. The drive point therefore corresponds to an antinode of the current in the rods. Point B has the opposite RF phase. The additional capacitance Cd/2 is distributed around all the slotted loop resonators to produce an additional slotted loop capacitance of Cd/2N. This will therefore affect the fundamental frequency f2 in Equation 4db and Figure 7. This behavior is confirmed experimentally. This can therefore be used as an adjustment to fine tune the cavity.
Alternativ kann die Hohlraumlänge verringert werden, um die gewünschte Betriebsfrequenz wiederherzustellen.Alternatively, the cavity length can be reduced to restore the desired operating frequency.
Bei 500 MHz war das Q der Spule 160 und die Hohlraumlänge betrug 4,0 cm. Aus Gleichung 4db leiten wir ab, daß L&sub1; = 7,48 nH ist, was eine charakteristische Impedanz von Z&sub0; = 22,3 Ω erzeugt. Der Eingangswiderstand aus Gleichung 29 ist R = 1135 Ω. Der Hohlraum wurde mit einem variablen Anpassungskondensator Cm von 6,8 pF aus Figur 4c mit Cd = 3 pF auf 50 Ω angepaßt. Mit Berücksichtigung von Cd ist die theoretische Resonanzfrequenz der geschlossenen Schleife 429 MHz in Übereinstimmung mit dem gemessenen Wert aus Figur 7.At 500 MHz, the coil Q was 160 and the cavity length was 4.0 cm. From equation 4db, we deduce that L1 = 7.48 nH, which produces a characteristic impedance of Z0 = 22.3 Ω. The input resistance from equation 29 is R = 1135 Ω. The cavity was matched to 50 Ω using a variable matching capacitor Cm of 6.8 pF from Figure 4c with Cd = 3 pF. Taking Cd into account, the theoretical closed loop resonant frequency is 429 MHz, in agreement with the measured value from Figure 7.
Wir betonen, daß die Eingangsimpedanz Z&sub1; für Endplattentreibeanordnungen zwischen den Punkten A und C korrekt ist, bei symmetrischem Treiben über A und B jedoch 4 mal größer sein wird. Für die Hohlraumresonator mit geschlitzten Schleifen beeinflußt die Treiberschaltung, Figur 4c, f&sub2; auf die erwartete Weise über die zusätzliche verteilte Kapazität Cd/2N, die in jeden geschlitzten Schleifenresonator eingebracht wird. Bis zu diesem Ausmaß wird die Treibekapazität auf vorhersehbare Weise Z&sub1; durch ihre Auswirkungen auf Z&sub0; ändern, Gleichung 15.We stress that the input impedance Z₁ is correct for end-plate drive arrangements between points A and C, but will be 4 times larger for symmetrical drive across A and B. For the slotted loop cavity resonator, the drive circuit, Figure 4c, affects f₂ in the expected way via the additional distributed capacitance Cd/2N introduced into each slotted loop resonator. Up to this extent, the drive capacitance will predictably change Z₁ through its effects on Z�0, Equation 15.
Bei einer alternativen Niederfrequenz-Hohlraumkonstruktion, von der ein Abschnitt der Endplatte in Figur 9 gezeigt ist, wird die Kapazität der geschlitzten Schleifen durch Hinzufugen eines unterteilten Schutzrings 21 erhöht. Alternativ können tatsächliche kleine Kondensatoren 22 zwischen die Schlitze der Schleifen eingesetzt werden.In an alternative low frequency cavity design, a portion of the end plate of which is shown in Figure 9, the capacitance of the slotted loops is increased by adding a sectioned guard ring 21. Alternatively, actual small capacitors 22 can be inserted between the slots of the loops.
Bei einer weiteren Anordnung kann die Schleifeninduktivität durch leicht verschobenes Stapeln spanabhebend bearbeiteter Endplatten 10, 10' wie in der Schemazeichnung von Figur 10 erhöht werden. Bei dieser Anordnung müssen aufeinanderfolgende Induktivitätsschichten wie angegeben effektiv in Reihe gekoppelt werden. Damit Verschiebungen aufeinanderfolgender Schleifen nicht das Loch blockieren, müssen die zweite 10' und nachfolgende Schichten von Schleifen geeignet verlängert werden.In another arrangement, the loop inductance can be increased by slightly offset stacking machined end plates 10, 10' as shown in the schematic of Figure 10. In this arrangement, successive inductance layers must be effectively coupled in series as indicated. In order to avoid offsets To ensure that successive loops do not block the hole, the second 10' and subsequent layers of loops must be appropriately extended.
Alle bis jetzt diskutierten Anordnungen sind Hohlräume mit einer Windung, in denen eine stehende Welle um die Übertragungsleitungsstruktur herum dem Phasenverhältnis Nβ = 2πMP gehorcht, wobei β die Phasenverschiebung pro Abschnitt, N die Anzahl der Abschnitte und M und P ganzzahlig sind. Für eine λ Leitung ist die Arbeitsfrequenz P = 1. Die Hauptmode M = 1 bedeutet, daß genau 2 π Radiant Phasenverschiebung vorhanden ist. Falls jedoch P = 2 bei derselben Frequenz, dann würde dies eine Struktur mit zwei Windungen wie in Figur 11 skizziert implizieren. Eine derartige Anordnung würde im Spulenmittelpunkt das doppelte RF-Feld pro Stromeinheit erzeugen und würde somit ein Mittel zum effektiven Erhöhen der Resonatorimpedanz durch wechselseitiges Koppeln der induktiven Elemente bieten. Eine Skizze eines Teils einer Endplattenanordnung für einen Hohlraumresonator mit zwei Windungen ist in Figur 12 gezeigt.All the arrangements discussed so far are single turn cavities in which a standing wave around the transmission line structure obeys the phase relationship Nβ = 2πMP, where β is the phase shift per section, N is the number of sections, and M and P are integers. For a λ line, the operating frequency is P = 1. The main mode M = 1 means that there is exactly 2π radians of phase shift. However, if P = 2 at the same frequency, then this would imply a two turn structure as sketched in Figure 11. Such an arrangement would produce twice the RF field per unit current at the coil center and would thus provide a means of effectively increasing the resonator impedance by mutually coupling the inductive elements. A sketch of a portion of an end plate assembly for a two-turn cavity resonator is shown in Figure 12.
Alle induktiven Schleifen bis jetzt sind entweder Flach und liegen in der Ebene der Endplatte oder innerhalb einer Endringanordnung. In einer alternativen Anordnung von Schleifen können diese jedoch um 90º aus der Plattenebene herausgedreht sein, Figur 13. Bei dieser Ausführungsform bildet der magnetische Fluß der Schleifen eine toroidale Form, die für eine große Anzahl an Elementen effektiv in einem Torus enthalten ist. Die Schleifen müssen mit ausreichendem Abstand angeordnet sein, damit sich effektiv keine wechselseitige. Induktivität ergibt. Alternativ können Flußschutzplatten eingebracht werden, um die Schleifen magnetisch zu trennen.All inductive loops to date have been either flat and lying in the plane of the end plate or within an end ring arrangement. However, in an alternative arrangement of loops these can be rotated 90º out of the plane of the plate, Figure 13. In this arrangement the magnetic flux of the loops forms a toroidal shape which is effectively contained within a torus for a large number of elements. The loops must be arranged with sufficient spacing so that there is effectively no mutual inductance. Alternatively, flux protection plates can be introduced to magnetically separate the loops.
Bei einer weiteren Modifikation des Hohlraumresonators umfaßt die π Ersatzschaltung pro Abschnitt von Figur 1a einen Kondensator in Reihe mit einer Induktivität für Z&sub2; und eine Induktivität für Z&sub1;. Dies ergibt einen Hochpaß- Übertragungsleitungsabschnitt, in diesem Fall könnten die Endplatten des Hohlraums als durch Stangeninduktivitäten verbundener unterteilter Ring hergestellt werden. Eine Endplatte ist in Figur 14 skizziert. Jeder Abschnitt 60 ist aus einem massiven Block hergestellt und die Räume 70 bilden eine Ring aus in Reihe geschalteten Kondensatoren. Die Abschnitte können mit einem dielektrischen Material in geeignetem Abstand angeordnet werden.In a further modification of the cavity resonator, the π equivalent circuit per section of Figure 1a comprises a capacitor in series with an inductor for Z₂ and an inductor for Z₁. This gives a high-pass transmission line section, in which case the end plates of the cavity could be considered as connected by rod inductors connected divided ring. An end plate is outlined in Figure 14. Each section 60 is made from a solid block and the spaces 70 form a ring of capacitors connected in series. The sections can be suitably spaced with a dielectric material.
Die obige Anordnung kann wie in Figur isa weiter modifiziert werden. Hier kann die Induktivität des Blocks durch Formen einer geschlitzten Schleife erhöht werden. Die Ersatzschaltung für diese Anordnung ist in Figur lsb gezeigt. Wenn C durch einen breiten Schlitz (d.h. C = 0) klein ist, reduziert sich die Ersatzschaltung auf die von Figur 14.The above arrangement can be further modified as in Figure 1a. Here the inductance of the block can be increased by forming a slotted loop. The equivalent circuit for this arrangement is shown in Figure 1b. If C is small due to a wide slot (i.e. C = 0), the equivalent circuit reduces to that of Figure 14.
In manchen Situationen kann es wünschenswert sein, den Hohiraumresonator mit einer RF-Abschirmungsdose zu umgeben und dadurch die Resonatoreigenschaften von umgebenden Metallstrukturen unabhängig zu machen. Die Auswirkungen der Dose werden sein, daß sie die Stangeninduktivität verringert und auch eine Streukapazität Q mit sich bringt, die zu jeder Stange im Nebenschluß ist. Die Nebenschlußkapazität kann leicht in die Theorie eingebaut werden. Der Nettoeffekt ist eine Erhöhung der Arbeitsfrequenz f für eine gegebene Hohlraumlänge l. Die Größe des Effekts hängt von der Nähe der Abschirmung ab. Für ein Verhältnis der Durchmesser Abschirmung/Hohlraum von 1,25 beträgt die Frequenzänderung etwa 15%. Dies kann entweder durch Erhöhen der Resonatorlänge oder durch Erhöhen von Cd, was wie in der Beschreiben der Treiberschaltung dargestellt f&sub2; verringert, kompensiert werden.In some situations it may be desirable to surround the cavity resonator with an RF shielding can, thereby making the resonator characteristics independent of surrounding metal structures. The effects of the can will be to reduce the rod inductance and also introduce a stray capacitance Q which is shunted to each rod. The shunt capacitance can be easily built into the theory. The net effect is an increase in the operating frequency f for a given cavity length l. The magnitude of the effect depends on the proximity of the shield. For a shield/cavity diameter ratio of 1.25 the frequency change is about 15%. This can be compensated for either by increasing the resonator length or by increasing Cd, which reduces f2 as shown in the driver circuit description.
Die bis jetzt beschriebenen Resonatorspulenkonstruktionen sind alle käfigartige Anordnungen, die das Objekt um die Zylinderachse herum vollständig umgeben. Es gibt jedoch eine Anzahl von Situationen, in denen es angenehmer ist, ein geteiltes Spulensystem zu haben, das einen leichten Zugang für das Objekt bietet. Eine derartige Anordnung ist im Fall sehr kleiner Objekte und auch bei der klinischen Bilderzeugung für leichten Zugang von Gliedmaßen, Torso, Kopf usw. wünschenswert.The resonator coil designs described so far are all cage-like arrangements that completely surround the object around the cylinder axis. However, there are a number of situations where it is more convenient to have a split coil system that provides easy access to the subject. Such an arrangement is desirable in the case of very small subjects and also in clinical imaging for easy access of limbs, torso, head, etc.
Eine derartige neue geteilte Resonatorspulenanordnung ist in Figur 16 skizziert. Wir nehmen hier als Beispiel nur eine halbe Hohlraumanordnung 100, die einfach nahe an aber nicht notwendigerweise in Kontakt mit einer großen geerdeten leitenden Metallplatte 102 angeordnet ist. Zwei stehende λ/4 Wellen werden um den Treibepunkt erzeugt, vorausgesetzt, alle vier Ecken des Halbkäfigs sind geerdet. Wegen der besonderen Symmetrie der Resonatordrähte wird ein Ma gnetfeld parallel zur Leiteroberfläche verdoppelt und verursacht durch die induzierten Bildströme in der Platte gleichförmig gemacht. Diese Anordnung wird sich magnetisch und elektrisch so verhalten, als wäre sie ein einzelner zylindrischer Resonator wie früher beschrieben, da die Randbedingungen für eine offene λ/2-Leitung dieselben sind wie für eine offene oder zyklische λ-Leitung. In der Praxis ist es jedoch möglich, die Spule in der Art einer Kuchenoder Käseplattenabdeckung anzuheben, was einen einfachen Zugriff auf das Objekt erlaubt. Eine Halbkäfig-Spulenkon struktion ohne die leitende Platte wurde von Ballon, D., Graham, M. C., Devitt, B. L., Koutcher, J. A., Proc. Soc. Mag. Res. in Med. 8 th Annual meeting, Amsterdam 2, 951 (1989) beschrieben, ist jedoch wegen schlechter RF-Homogenität und einer geringeren Signalantwort weniger nütz lich.Such a new split resonator coil arrangement is sketched in Figure 16. We take here as an example only a half cavity arrangement 100 which is simply placed close to but not necessarily in contact with a large grounded conductive metal plate 102. Two standing λ/4 waves are generated around the driving point, provided that all four corners of the half cage are grounded. Because of the special symmetry of the resonator wires, a magnetic field parallel to the conductor surface is doubled and made uniform by the induced image currents in the plate. This arrangement will behave magnetically and electrically as if it were a single cylindrical resonator as described earlier, since the boundary conditions for an open λ/2 line are the same as for an open or cyclic λ line. In practice, however, it is possible to raise the coil in the manner of a cake or cheese plate cover, allowing easy access to the object. A half-cage coil design without the conductive plate was described by Ballon, D., Graham, M. C., Devitt, B. L., Koutcher, J. A., Proc. Soc. Mag. Res. in Med. 8 th Annual meeting, Amsterdam 2, 951 (1989), but is less useful due to poor RF homogeneity and a lower signal response.
Die in Figur 16 skizzierte Anordnung ist im Querschnitt halkreisförmig. Im allgemeinen ist es jedoch möglich, gleichförmige Quermagnetfelder mit einer halbelliptischen Struktur zu erzeugen, in der die Ellipsenachsen 2a und 2b sind. Eine derartige Anordnung könnte als Kopfspule oder als Bein- oder Kniespule äußerst praktisch sein. Die Ecken A und B können über einen inneren Rückführdraht 104 verbunden sein, der eine Fortsetzung des Strompfads um die Endplatte herum bereitstellt. Die Ecken P und Q sollten entsprechend über einen Draht 106 verbunden sein.The arrangement sketched in Figure 16 is semi-circular in cross-section. In general, however, it is possible to generate uniform transverse magnetic fields with a semi-elliptical structure in which the axes of the ellipse are 2a and 2b. Such an arrangement could be extremely practical as a head coil or as a leg or knee coil. The corners A and B can be connected via an internal return wire 104 which provides a continuation of the current path around the end plate. The corners P and Q should be connected accordingly by a wire 106.
Falls die Anzahl der Drähte in einem kreisförmigen Käfig auf sechs verringert wird, wird die Spulenstruktur effektiv zu einer Sattelspulenanordnung, Figur 17a, in der Drähte w, w' keinen Strom führen, d.h. sich an Stellen befinden, die Wellenknoten entsprechen. Falls wie in Figur 17b eine reflektierende Abschirmung eingebracht wird, bilden die Drähte 1 und 4 eine Erdung, während die Drähte 2 und 3 verbunden sein können, da ihre Strome in Phase sind. Die Anordnung ist in Figur 18a skizziert. Um die Drähte 1 und 4 in die Knotenebene zu zwingen, muß die Schaltung wie angegeben getrieben werden. Falls die Vorrichtung die Abschirmungsplatte nicht tatsächlich berührt, können wie skizziert zwischen den Punkten A und B und den Punkten P und Q Stromrückführungspfade in Form von inneren Rückführungsdrähten 104', 106' bereitgestellt werden. Bei einer weiteren Modifikation wird das Paar von Drähten durch einen einzelnen Leiterstreifen 110 ersetzt, Figur 18b, und die Stangen 2 und 3 werden zusammen zu einer flachen leitenden Platte 112 kombiniert. In beiden Fällen bietet diese Anordnung ein abnehmbares Spulensystem, das für flache Objekte entweder in der Mikroskopie oder bei der Abbildung ganzer Körper nützlich ist.If the number of wires in a circular cage is reduced to six, the coil structure effectively becomes a saddle coil arrangement, Figure 17a, in which wires w, w' do not carry current, i.e. are located at locations corresponding to wave nodes. If a reflective shield is introduced as in Figure 17b, wires 1 and 4 form a ground, while wires 2 and 3 can be connected since their currents are in phase. The arrangement is sketched in Figure 18a. To force wires 1 and 4 into the nodal plane, the circuit must be driven as indicated. If the device does not actually touch the shield plate, current return paths in the form of internal return wires 104', 106' can be provided between points A and B and points P and Q as sketched. In a further modification, the pair of wires is replaced by a single conductor strip 110, Figure 18b, and the rods 2 and 3 are combined together to form a flat conductive plate 112. In either case, this arrangement provides a removable coil system useful for flat objects in either microscopy or whole body imaging.
Das Vorhandensein der leitenden Platte dient dazu, die Anordnung symmetrisch zu machen und dadurch das Feld zu erhöhen und es gleichzeitig gleichförmiger zu machen. Die Ersatzschaltung und Treibeanordnung sind in Figur 18c gezeigt.The presence of the conductive plate serves to make the arrangement symmetrical and thereby increase the field while making it more uniform. The equivalent circuit and driving arrangement are shown in Figure 18c.
Die alternative Endplattenkonstruktion von Figur 4b kann entlang ihrem Durchmesser halbiert werden, um eine geteilte oder halbe Resonatorkonstruktion zu erzeugen, die die beiden in Figur 16 gezeigten halben Endplatten ersetzt. Um die wechselseitige Induktivität zwischen den Schleifen zu umgehen, kann das Endringführungsrohr von Figur 4d ebenfalls halbiert werden, um zu den Endringen des halben Resonators zu passen.The alternative end plate design of Figure 4b can be halved along its diameter to produce a split or half resonator design, replacing the two half end plates shown in Figure 16. To overcome the mutual inductance between the loops, the end ring guide tube of Figure 4d can also be halved to fit the end rings of the half resonator.
Bei der Ausführungsform von Figur 16 und 18 ist die leitende Platte 102 vorzugsweise keine zusammenhängende Platte, sondern kann wie durch gestrichelte Linien 102' in Figur 16 angegeben eine Vielzahl von Streifen umfassen. Dies dient dazu, die Randbedingungen für RF-Ströme zu erfüllen, jedoch andere induzierte Ströme bei niedrigeren Frequenzen, die andernfalls durch die bei der NMR verwendeten geschalteten Gradienten bewirkt würden, zu blockieren. Die Streifen können ausgehend vön einer kontinuierlichen Platte und Schlitzen in geeigneten Abständen geformt werden. Alternative Anordnungen umfassen das Schneiden der Platte in geeignet geformte flache Schleifen, die den Umrissen des induzierten RF-Stroms in einer ansonsten kontinuierlichen leitenden Platte folgen.In the embodiment of Figures 16 and 18, the conductive plate 102 is preferably not a continuous plate, but may comprise a plurality of stripes as indicated by dashed lines 102' in Figure 16. This serves to satisfy the RF current boundary conditions but to block other induced currents at lower frequencies that would otherwise be caused by the switched gradients used in NMR. The stripes may be formed from a continuous plate and slots at appropriate intervals. Alternative arrangements include cutting the plate into appropriately shaped flat loops that follow the contours of the induced RF current in an otherwise continuous conductive plate.
Bei einer weiteren Modifikation wird die passive leitende Platte durch eine aktiv getriebene flache Drahtanordnung ersetzt, die mit Strom versorgt wird, um die induzierten Abschirmströme in einer flachen passiven leitenden Platte zu simulieren.In a further modification, the passive conductive plate is replaced by an actively driven flat wire array that is powered to simulate the induced shielding currents in a flat passive conductive plate.
Unter Verwendung des Matrixansatzes haben wir eine bei 500 MHz arbeitende Hohlraumresonator-NMR-Spule entworfen. Die entwickelte Analyse ignoriert wechselseitige induktive Effekte zwischen den Abschnitten der Übertragungsleitung Die mit der Resonatorspule erhaltenen experimentellen Ergebnisse bestätigen die theoretischen Erwartungen für die Grundmode. Die allgemeinen Frequenzeigenschaften der höheren Resonanzmoden werden ebenfalls ausreichend gut durch die Theorie beschrieben, obwohl Unterschiede zwischen den beobachteten relativen Frequenzen und den von der Theorie vorhergesagten vorhanden sind. Diese könnten durchaus den ignorierten wechselseitigen induktiven Effekten zuzuschreiben sein. Bei NMR-Anwendungen sind wir jedoch im allgemeinen nur an der Grundmode interessiert, da die höheren Moden in diesen resonanten Strukturen räumlich inhomogene RF- Felder erzeugen. Eine symmetrische Treiberanordnung ergibt die beste Leistung der Schaltung, wenn sie von einem Ende des Hohlraumresonators aus angelegt wird.Using the matrix approach, we have designed a cavity resonator NMR coil operating at 500 MHz. The developed analysis ignores mutual inductive effects between the sections of the transmission line. The experimental results obtained with the resonator coil confirm the theoretical expectations for the fundamental mode. The general frequency properties of the higher resonant modes are also sufficiently well described by the theory, although there are differences between the observed relative frequencies and those predicted by the theory. These could well be due to the ignored mutual inductive effects. However, in NMR applications, we are generally only interested in the fundamental mode, since the higher modes in these resonant structures generate spatially inhomogeneous RF fields. A symmetric driver arrangement gives the best performance of the circuit when applied from one end of the cavity resonator.
Die Idee einer geteilten Resonatorkonstruktion wird eingeführt, bei der eine Resonatoranordnung nahe bei, aber nicht in Kontakt mit einer flachen leitenden Platte angeordnet wird. Da der Querschnitt der geteilten Spule halbkreisförmig oder halb elliptisch sein kann und nicht an der Platte befestigt ist, ist der gesamte Aufbau abnehmbar und erlaubt dadurch für die Abbildung von Gliedmaßen, Kopf oder gesamtem Körper leichten Zugang.The idea of a split resonator design is introduced, in which a resonator array is placed close to, but not in contact with, a flat conductive plate. Since the cross-section of the split coil can be semicircular or semi-elliptical and is not attached to the plate, the entire structure is removable, allowing easy access for imaging of limbs, head or whole body.
Es wird auch eine Variante der geteilten Spulenkonstruktion beschrieben, die einer Halbsattelanordnung entspricht. Diese kann weiter modifiziert werden, um eine Streifenspule in der Nähe einer isolierten leitenden Platte herzustellen.A variant of the split coil design is also described, which corresponds to a half-saddle arrangement. This can be further modified to produce a strip coil in proximity to an insulated conductive plate.
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