DE69128792T2 - Mehrfachresonanz-spulen für magnetische kernresonanz - Google Patents

Description

• Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der NMR-Sondenschaltkreise und insbesondere der Sondenschaltkreise, welche mehrfach abgestimmte Meßwerte aufweisen.
• Auf dem Gebiet der magnetischen Kernresonanz begegnet man in vielen Zusammenhängen der Notwendigkeit für Vorrichtungen, welche ebenso empfindlich für nicht benachbarte spektrale Bereiche sind. Ein bekanntes Beispiel ist es, daß eine Probe mit einer (hohen) Frequenz für einen Zweck bestrahlt wird, während die gleiche Probe gleichzeitig mit einer anderen (niedrigen) Frequenz für einen anderen Zweck bestrahlt wird. Dies ist typisch für ein Entkoppelungs-Experiment, in welchem beispielsweise C¹³-Sauerstoffkopplungen gestört werden, während gleichzeitig getrennt davon die Kohlenstoff-13-Resonanz angeregt wird.
• Eine Variation einer solchen doppelt abgestimmten Anordnung ist die Notwendigkeit der Anregung und Beobachtung von chemisch unterschiedlichen Proben, wobei eine solche Probe eine Kontrollprobe ist, welche für instrumentelle Zwecke verwendet wird, wie etwa die Etablierung einer Feldfrequenzsperre, während die zweite Probe studiert wird. Ein Beispiel dieser Anordnung finden sich in dem US-Patent 3 434 043. Ein weiterer, ähnlicher Umstand ist der Wunsch, gleichzeitig verschiedene ausgewählte Kerne anzuregen, um korrespondierende spektrale Antworten zu erhalten.
• Eine doppelt abgestimmte Schaltung verwendet oftmals eine einzelne Induktorspule für zwei Resonanzschaltkreise. Jeder Subschaltkreis in einer solchen Anordnung ist separat abgestimmt und in seiner Impedanz an seine entsprechende rf-Quelle (oder -Senke) angepaßt. In einer Klasse der doppelt abgestimmten Anordnung ist es notwendig, ein Isolationselement zwischen die Hochfrequenz- und Niederfrequenz- Subschaltkreise einzufügen, wenn eine gleichzeitige Anregung der entsprechenden Frequenzen benötigt wird. Wenn es ausreichend ist, rf-Energie bei verschiedenen Frequenzen nicht gleichzeitig anzulegen, besteht keine Notwendigkeit für ein Isolationselement. Dies ist oftmals der Fall, wenn getrennte Beobachtungen zu machen sind, und es ist wünschenswert, eine erneute Abstimmungsprozedur oder eine Störung des Subjektes/der Probe zu vermeiden. Darüber hinaus kann bei der Resonanzbeobachtung die Notwendigkeit für viele isolierte Ports geringer sein als bei der Resonanzanregung. Dies ist der Fall, wenn beispielsweise bei zwei Resonanzen wesentlich unterschiedlicher Stärke ein einfacher, an die schwächere Resonanz angepaßter Port die stärkere Resonanz verstärkt. Wenn eine solche Verstärkung der einen Resonanz nicht gewünscht ist, kann es wünschenswert sein, den Vorteil von vielen isolierten Ports zu haben.
• Es sind doppelt abgestimmte Schaltungen bekannt, welche eine Übertragungsleitung der Länge λ/4 (bei der hohen Frequenz) verwenden, um eine solche Isolation zur Verfügung zu stellen. Für ein Beispiel einer solchen Anordnung siehe Stoll, Vega und Vaughan, Rev. Sci. Inst., v. 48, Seiten 800-803 (1977).
• Es wurde eine Kombination von 1/2λ-Übertragungsleitungen verwendet, um eine doppelt abgestimmte Anordnung für Frequenzen in einem quadratischen Verhältnis zur Verfügung zu stellen, um eine Serienanordnung von getrennten Induktorspulen bei einer Frequenz und eine parallele Anordnung der gleichen Induktorspulen bei einer anderen Frequenz zu bilden. Diese Arbeit wird in der USSN 477 687 diskutiert.
• Induktive Elemente in rf-Sondenschaltungen sind dafür bekannt, daß sie aufgespaltene Induktorspulen (englisch: "split inductors") einschließen, wie in der Arbeit von Alderman und Grant, J. Mag. Res., v. 36, Seiten 447-451(1979) und Cook und Lowe, J. Mag. Res., v. 49, Seite 346 (1982) erläutert wird.
• Zum Zwecke der Unterstützung von doppelt abgestimmten Vorrichtungen sind ebenfalls ausbalancierte Schaltungen, welche eine elektrische Symmetrie aufweisen, bekannt. Derartige Schaltungen zeigen, neben anderen Eigenschaften, den Vorzug, daß eine symmetrische Ebene (oder eine andere Oberfläche) definiert wird, welche die Eigenschaft der elektrischen Neutralität aufweist, welche sozusagen eine virtuelle Erde ist.
• Ein Beispiel einer ausbalancierten, doppelt abgestimmten Schaltung mit gespaltenen Induktorspulen und Kapazitäten für NMR-Beobachtungsspulen findet sich in der US 4 833 41 2. Eine doppelt abgestimmte, ausbalancierte Schaltung, welche konzentrierte Elemente für eine Vogelkäfiggeometrie verwendet, ist in dem US- Patent 4916418 beschrieben. Noch eine weitere doppelt abgestimmte Spule, gut angepaßt an lokalisierte, spektrale Verteilungen und Abbildung, ist in der USSN 501 681 beschrieben.
• Die US-A-4 792 759 offenbart eine Schaltung, welche bei zwei nicht benachbarten Frequenzen resonant ist und eine Vielzahl von konzentrierten, in Serie geschalteten LC-Elementen aufweist. Diese Elemente schließen ein LC-Serienelement und ein LC- Parallelelement ein. J. Magn. Res. 89 (1990) Seiten 41-50, J. Magn. Res. 74 (1987) Seiten 147-154 und die US-A-4 742304 beschreiben ähnliche Schaltungen.
• Die vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 beschrieben.
• Beispiele der Erfindung werden nunmehr mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Figur 1 das allgemeine Umfeld eines die Erfindung verkörpernden Systems zeigt.
• Figur 2 eine in einer Ebene dargestellte Sattelspule des Standes der Technik zeigt.
• Figur 3 der Ersatzschaltkreis der Sattelspule der Figur 2 ist.
• Figur 4A ein Beispiel der vorliegenden Erfindung ist.
• Figur 4B eine optionale Modifikation der Schaltung der Figur 4A mit zwei Anschlüssen ist.
• Figur 5 ein Dreifach-Resonanzschaltkreis, welcher die Erfindung verkörpert, ist.
• Teile eines typischen NMR-Datenerfassungsinstruments sind in der Figur 1 schematisch dargestellt. Ein Erfassungs-/Steuerprozessor kommuniziert mit einem rf- Transmitter 1 2 und einem Modulator 14. Die modulierte rf-Energie bestrahlt ein (nicht dargestelltes) Objekt in einem magnetischen Feld 21 durch einen Multiplexer 27 und eine Sondenanordnung 22, und die Antwort des Objekts wird durch die Sonde 22 aufgefangen, welche mit dem Empfänger 16 kommuniziert. Die Antwort nimmt typischerweise die Form eines transienten, oszillatorischen Signals oder eines freien induktiven Abfalls an. Diese transiente Wellenform wird in regelmäßigen Intervallen aufgezeichnet, und die Aufzeichnungen werden digitalisiert. Die digitalisierte, zeitabhängige Wellenform wird dann weiterverarbeitet. Die Natur einer derartigen Verarbeitung kann die Durchschnittsbildung einer zeitabhängigen Wellenform aus einer Anzahl von nominell identischen derartigen Wellenformen einschließen, und die Transformation der durchschnittlichen, zeitabhängigen Wellenform in die frequenzabhängige Form führt zu einer spektralen Verteilungsfunktion, die einer Ausgabeeinheit zugeführt wird. Die letztere kann aus einer Anzahl von Äquivalenzrelationen eine beliebige zur Darstellung von weiteren Daten und Analysen herausnehmen.
• Das magnetische Feld 21, welches eine Probe polarisiert, wird durch ein entsprechendes, in der Figur 1 angedeutetes Mittel, wie etwa einem Kryostaten 23, erzeugt, für die Erzeugung und Aufrechterhaltung einer supraleitenden Phase in einer (nicht dargestellten) Sattelspule. Der Kryostat enthält eine Bohrung 23A, von welcher die Sonde und die Probe bei Raumtemperatur aufgenommen werden.
• In der Figur 2 ist eine Sattelspule des Standes der Technik gezeigt, ungewickelt oder auf eine Ebene projiziert. Bei einer typischen Verwendung wird diese Anordnung auf der Wand eines Zylinders angeordnet, wobei die Punkte A und B aufeinander fallen und die rf-Quelle an dem Punkt C angelegt wird. Die Sattelspule wird oft innerhalb eines äußeren, auf einheitlichem Potential liegenden, zylindrischen Leiters (Schildes) angebracht. Der Ersatzschaltkreis ist in den beiden Figuren 3a oder 3b dargestellt, wobei Cp die effektive Kapazität gegenüber dem Schild ist.
• In der vorliegenden Erfindung wird der Ersatzschaltkreis der Figur 3b beispielsweise durch Parallelschalten jeder Serienkapazität CC mit einer Induktorspule LS modifiziert, wobei die durch LS dar gestellte lmpedanz wesentlich größer ist als die Impedanz von CC bei hoher Frequenz, und wobei die Impedanz LC wesentlich kleiner ist als die Impedanz von CC bei der niedrigeren Frequenz. Das Hinzufügen der Serienkapazität CS liefert die Fähigkeit, eine gewünschte Serienresonanzbedingung einzustellen. Ein Beispiel der vorliegenden Erfindung mit drei Abschnitten gemäß dieser Ausführungsform ist in der Figur 4A dargestellt. Eine Abstimm- und Anpassungskapazitätskombination 21 kann dazu verwendet werden, die Spule auf eine relativ niedrige Frequenz abzustimmen, da die lmpedanz der CS-LS-Kombination CC bei der niederfrequenten Resonanz wirksam abschneidet.
• In der Figur 4B ist ein Beispiel einer geringen Modifikation der Sattelspule der Figur 4A dargestellt, um ein ausbalanciertes Paar von rf-isolierten Ports zur gleichzeitigen Anregung zu präsentieren. Vom Prinzip her wird die Abstimm- und Anpassungskombination 21 eliminiert (oder weiter vereinfacht), da jeder Port an seine externe Quelle/Senke genau angepaßt ist.
• In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Vielfältigkeit der Schaltkreisresonanzen über die doppelt abgestimmte Antwort hinaus erweitert werden, indem resonante Serienkombinationen parallel mit den entsprechenden Abschnitten hinzugefügt werden.
• Es sei eine Sattelspule betrachtet, welche in der Lage ist, ohne Anpassung auf drei verschiedene Frequenzen resonant zu antworten. Ein Abschnitt des Ersatzschaltkreises ist in der Figur 5 für hohe, mittlere und niedrige Frequenzen ωH, ωI und ωL dargestellt. Die in Serie geschalteten, resonanten Kombinationen LH-CH enthalten das resonante Hochfrequenznetzwerk. Der LL Nebenschluß führt in die lmpedanz bei ωI und ωL Singularitäten in den Schaltkreis ein sowie eine Singularität aufgrund der LH-CH-Kombination. In diesem Beispiel sind alternierende LH-CH-Sektionen durch einen Zwischenfrequenzschluß LI-CI parallel geschaltet, mit dem Ergebnis, daß die induktiven Abschnitte dieser Sattelspule zweimal so lang sind für Frequenzen, die von den Resonanzfrequenzen abweichen, als es bei dem Fall der einfachen Resonanz der Fall ist. Bei w&sub2; werden alle Kapazitäten CH durch die CL-LL-Sektion parallel geschaltet und die totale Induktivität ist gleich der Summe der einzelnen LH- Abschnitte. (Die Figur 5 stellt einen Abschnitt einer geschlossenen Anordnung gemäß Figur 4A dar.)
• Das hier diskutierte, multiple Resonanzverhalten im Zusammenhang mit der Anregung von rf-Resonanzen bei bestimmten Radiofrequenzen, die an Eingängen angelegt werden, sollte so verstanden werden, daß es ähnliche, multiple Resonanzantworten für die induktive Kopplung an die Spule der rf-Energie, die von einer Kernresonanzprobe abgestrahlt wird, die einer solchen Anregung folgt, einschließt.

Claims (2)

1. Schaltung, welche bei zwei nicht benachbarten Frequenzen ω&sub1; und ω&sub2; resonant ist, mit einer Vielzahl von LC-Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente enthalten:

(a) eine Vielzahl von ersten LC-Serienelementen, wobei jedes Element in Serie geschaltet ist, wobei ein erstes der LC-Serienelemente rf- Energie empfängt und ein letztes der LC-Serienelemente geerdet ist, wobei die LC-Serienelemente jeweils ein mit einem kapazitiven Glied (CC; CH) in Serien geschaltetes, induktives Glied (LC; LH) aufweisen;

(b) Nebenschlußmittel, welche parallel mit jedem der kapazitiven Glieder (CC; CH) angeordnet sind, wobei die Nebenschlußmittel ein zweites LC-Serienelement enthalten, wobei das zweite LC-Serienelement ein mit einem induktiven Glied (LS; LL) in Serie geschaltetes, kapazitives Element (CS; CL) enthält, wodurch die ersten LC- Serienelemente eine niedrige Impedanz für eine erste ausgewählte Frequenz ω&sub1; und eine hohe Impedanz für eine zweite ausgewählte Frequenz ω&sub2; darstellen und die zweiten LC-Serienelemente eine hohe Impedanz für die erste Frequenz und eine niedrige Impedanz für die zweite Frequenz darstellen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, um die kapazitiven Glieder der ersten LC-Serienelemente alternierend aufeinander folgen zu lassen, die Nebenschlußmittel weiterhin ein weiteres LC-Serienelement enthalten, wobei die Kapazität (CI) des weiteren LC-Serienelementes zwischen der Kapazität (CH) des ersten LC-Serienelementes und die Kapazität (CL) des zweiten LC-Serienelementes geschaltet ist und die Induktorspule (LI) des weiteren LC-Serienelementes parallel mit dem zweiten LC- Serienelement geschaltet ist.