JP3597262B2 - Nmr受信コイルの同調方法および回路装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、NMR信号に対する受信回路を有し、NMR受信コイルのプローブヘッドインピーダンスを同調する方法であって、 実基準抵抗がNMR信号の経路中の箇所M0に接続されており、第1の基準信号が高周波同調信号によって受信回路内の箇所M2で形成され、該箇所M2は、NMR信号の経路と、高周波発生器からの高周波同調信号の経路との交点である同調方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
この種の同調方法は例えば、ドイツ連邦共和国特許第3838252号から公知である。
【0003】
公知の、NMRスペクトロメータのプローブヘッドにあるNMR受信コイル同調方法では、プローブヘッドが存在するNMR受信機から手動で分離され、別個の測定装置により同調されるのではなく、NMR受信機は既に適切に設けられた装置により同調され、この装置によりこの過程は自動的にソフトウェアコントロールの下で実行することができる。その際、NMR受信機のS/N比は通常の動作状態においてできるだけ悪化しないようにすべきである。
【0004】
公知の方法は実質的に、高周波同調源に使用され、高周波同調源は同調過程に対する信号を送出し、基準抵抗および複数のスイッチを、自動的に通常動作状態から動作状態“プローブヘッド同調”へ、および反対の切り替えのために切り替える。基準抵抗は所望のプローブヘッドインピーダンスを表し、プローブヘッドインピーダンスが基準抵抗の値に同調すべき箇所に接続される。この基準抵抗はしたがって、プローブヘッドインピーダンスが取るべき所望の実抵抗を表す。
【0005】
受信装置全体のS/N比は前置増幅器の入力側におけるNMR信号の経路での回路網に強く依存する。したがってこの回路網は、できるだけ損失の少ない素子、例えばダイオードおよびチョークを有しなければならない。この回路網は一般的に低抵抗であるから(50Ωの領域)、そこでのいずれかの形での直列抵抗、例えば導通接続されたダイオードを回避すべきである。すでに1Ωの直列抵抗でさえS/N比の顕著な悪化に結びつく。
【0006】
pinダイオードをスイッチとして使用することにより、通常は他のダイオードを使用するよりも良好な高周波特性が得られる。しかし導通接続されたpinダイオードは常に約1Ωの直列抵抗を有し、そのため導通状態で無視できない、例えば0.1dBの高周波損失の原因となる。これは現在の状況では既に大きすぎる。
【0007】
阻止状態でも、pinダイオードは高周波損失を形成する。しかしこの損失は導通状態と比較してやや小さい。この損失は、阻止状態ではこれに並列な約8kΩの損失抵抗を有する約0.5pFのキャパシタのような特性を有する。したがって前置増幅器の入力側におけるpinダイオードは、受信系の通常の動作状態では導通状態であるよりかは阻止状態である方が有利である。
【0008】
例えば従来技術で使用されるような高周波チョークも決して理想素子ではない。というのは、高周波チョークは阻止されたpinダイオードに似た高周波インピーダンスを有するからである。すなわち、約5kΩの並列抵抗を有する約0.5pFのキャパシタに似ている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法をさらに改善し、NMR信号の経路での前置増幅器の入力側における、信号損失の原因となり得るダイオード、高周波チョーク等の素子の使用をできるだけ少なくすることである。さらにNMR信号の経路での前置増幅器の入力側において、通常の動作状態の間はそこに存在するすべてのダイオードが阻止され、ダイオードがNMR信号の経路で直列に使用されないようにすることである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明により、実基準抵抗を箇所M0から分離し、
基準インピーダンスを、受信回路の高周波同調信号の経路中の任意の箇所に接続し、箇所M2に発生する第2の基準信号と箇所M2における第1の基準信号の差がゼロになるように調整し、
引き続きプローブヘッドインピーダンスを箇所M0に接続し、箇所M2における第2の基準信号に同調することにより解決される。
【0011】
第2の基準信号を本発明により形成する際には、基準抵抗を基準点M2に接続してはならない。これによって、受信回路における素子の数を低減することができ、これによりS/N比が改善される。
【0012】
本発明の方法では、基準信号を形成する際に重要なことは以下のことだけである。すなわち、入力側が別個の場合に基準点M2に信号経過が生じ、この信号経過は所望の周波数領域において実質的に、入力側が分離されておらず、所望の同調箇所に基準抵抗がプローブヘッドインピーダンスの代わりに接続されている場合の基準点M2における信号経過と同じである、ということである。この条件を満たすために、単に適切な箇所において調整可能な基準インピーダンスを用いて高周波同調信号の振幅と位相を次のように変化させれば良い。すなわち、基準点M2において、入力側が分離されている場合に第2の基準信号が上記の定義に従って発生するようにするのである。
【0013】
第1の基準信号を少なくとも1回検出し、記憶し、基準インピーダンスの調子過程の際に第2の基準信号を周期的に形成すると有利である。というのはこのようにすれば、基準インピーダンスの同調中に変化する画像が画像面に現れ、画像面に形成される2つの基準信号の差が所望の周波数領域においてできるだけ正確にゼロになるように基準インピーダンスを変化することができるからである。次に第2の基準信号は実質的に第1の基準信号と等しくなり、これにより第2の基準信号を第1の基準信号の代わりにプローブヘッドインピーダンスの同調に使用できる。第2の基準信号は大きな利点を有する。すなわち、S/N比の顕著な悪化を引き起こさない回路構成によって測定することができるのである。
【0014】
さらに、第2の基準信号を少なくとも1回検出し、プローブヘッドインピーダンスの同調過程の際に、プローブヘッドインピーダンスを用いて検出された信号を周期的に形成すると有利である。この場合は、プローブヘッドインピーダンスの同調中に変化画像が画像面に現れ、この画像が垂直にミラー対称の共振曲線を有する。同調過程は、この共振曲線の最小がほぼゼロになり、所望の周波数点になるときに終了する。
【0015】
高周波同調信号のレベルはプローブヘッドインピーダンスの同調過程の間、所定の変動を受けることがあるから、有利な実施例では、第2の基準信号がプローブヘッドインピーダンスの同調過程の開始時に少なくとも1回新たに検出される。
【0016】
本発明の方法のとくに有利な実施例では、電圧源から接続可能な直流電流を用いてスイッチが高周波直列スイッチの機能を引き継ぐ。このようにして、前置増幅器の入力側における付加的素子が回避される。このような付加的素子は通常はスイッチS1に対して必要である。
【0017】
さらに、本発明の同調方法を実施するための回路装置も本発明の枠内である。この回路装置は、高周波同調信号を形成するための高周波発生器と、NMR信号経路にスイッチング素子とを有する。
【0018】
この種の回路装置は例えばドイツ連邦共和国特許第3838252号から公知である。
【0019】
公知の回路装置では、リレーダイオードスイッチまたはpinダイオードスイッチを介して、基準抵抗も高周波発生器と同じようにオン・オフ接続される。スイッチを介してプローブヘッドインピーダンスは基準抵抗に置換される。基準抵抗はプローブヘッドインピーダンスが取るべき所望の実抵抗を表す。
【0020】
本発明の回路装置では、基準インピーダンスが受信機回路内の次のような箇所に配置される。すなわち、NMR信号の経路から高抵抗結合インピーダンスまたは複数の高抵抗インピーダンスにより分離された箇所である。例えば高抵抗結合インピーダンスは、高周波発生器の反対側に配置することができる。これにより、基準インピーダンスとこれに所属するスイッチ損失がNMR信号の経路に入力結合することが阻止される。
【0021】
とくに有利には、複数の調整可能なインピーダンスまたは同調可能なリアクタンスを、高周波発生器と結合インピーダンスとの間の異なる適切な箇所に配置する。例えばこの箇所は、高周波同調信号の経路にある四端子網の入力側と出力側である。四端子網は例えばλ/8線路とすることができる。これにより、高周波同調信号の振幅と位相が十分に大きな領域で調整される。基準インピーダンスが1つしかない場合には、このインピーダンスは有効成分と無効成分を有しなければならないから、したがって高周波同調信号の振幅と位相を正確に調整することができる。調整可能な有効成分は例えば高周波ポテンシオメータであるがしかし高周波技術的には常に問題のある素子である。したがって、複数の調整可能なリアクタンスを受信機回路内の種々異なる箇所に使用すると有利である。これは、高周波同調信号の振幅と位相を十分に大きな領域で調整するためである。
【0022】
有利な実施例では、リアクタンスは容量性のトリマであり、例えばλ/8線路始端部と終端部に配置される。この構成の有利な点は、容量性トリマだけを調整可能な素子として使用できることである。容量性トリマは高周波ポテンシオメータよりも格段に良好に安定して調整することができる。
【0023】
他の有利な実施例では、基準インピーダンスがアッテネータにより高周波発生器から分離される。これによって、高周波発生器並びにこれに所属する接続線路を常にインピーダンスで適合することができる。すなわち、基準インピーダンスの同調に無関係に常に正しい負荷抵抗と見ることができる。
【0024】
本発明の回路装置の別の有利な実施例では、基準インピーダンスが直接、NMR信号経路に接続され、高周波発生器が結合インピーダンスを介してNMR信号の経路から分離される。
【0025】
別の有利な実施例では、基準インピーダンスがトリマに対して並列に配置された可変抵抗として構成されている。トリマは、受信機回路内に存在する寄生リアクタンスを考慮する。
【0026】
有利には、NMR信号の経路に1つまたは複数のスイッチング素子を配置し、これにより有利にはプローブヘッドインピーダンスへの接続を周期的にオン・オフすることができる。
【0027】
別の実施例では、直流電流を結合インピーダンスを介して接続することができる。この直流電流を介して1つまたは複数のダイオードをNMR信号の経路でとくに簡単に導通状態ないし阻止状態にすることができる。
【0028】
別の利点は、以下の説明及び図面から明らかになる。また前記の説明及び後の実施例での本発明の構成は個別にも、また組み合わせても適用することができる。したがって前述の実施例は限定としてではなく例として理解すべきである。
【0029】
【実施例】
図5には、従来技術でのNMRスペクトロメータ(図示せず)のプローブヘッドインピーダンスZxを同調するための受信回路1の基本作用が示されている。プローブヘッドコイルを励起するための高周波励起パルス12が供給される通常の動作状態では、スイッチS1,S2,S3が位置1にある。すなわち、基準抵抗R0も高周波同調源、例えば高周波発生器2も遮断されている。まずスイッチS0が位置1にもたらされ、高周波励起パルス12にNMR励起のために給電される。引き続き、スイッチS0が位置2に調整されると、プローブヘッドインピーダンスZxが前置増幅器4と接続され、受信装置が箇所M3で増幅される高周波信号5の記録状態となる。
【0030】
スイッチS1とS2に対して機械的リレーを使用することは複数の理由から不利である。まず第1に、機械的接点装置の機能適性が不足しているためである。このリレーはNMR磁石の漂遊磁束内で動作しなければならないこととなり、したがって信頼性のある動作を行うことができないからである。したがって、ダイオード、有利にはpinダイオードを使用する。
【0031】
従来技術においてpinダイオードにより実現された回路が図5と図6に示されている。スイッチS0は例えばダイオードカスケードDKからなり、このダイオードカスケードは高周波送信パルス12により直接導通状態へもたらされ、これにより高周波送信パルス12が回路点M0に導通される。この励起パルスの大きな振幅(100V以上)はpinダイオードD3を導通接続し、その結果第1のλ/4線路6が片側で短絡され、NMRスペクトロメータ(図示せず)の入力側M0で高抵抗インピーダンスとなる。高周波送信パルス12はしたがって、プローブヘッドないしプローブヘッドインピーダンスZxへの経路を選択し、非常に僅かなエネルギー(約2%)を前置増幅器4の方向へ伝送する。この残留エネルギーは第2のλ/4線路7および同様に導通接続されたpinダイオードD4によりさらに付加的に減衰される。これは前置増幅器4の鋭敏な入力側を有効に保護するためである。ダイオードD3とD4は相互にアースと接続されている。これは、高周波送信パルス12のスイッチオンフェーズにおいてダイオードD3とD4を迅速に導通状態へもたらすためである。高周波送信パルス12が正のエッジでスタートすれば、この正のエッジはダイオードD3で整流され、直流電流がダイオードD4を介して短絡することができ、これをどうように導通状態へもたらす。負のエッジでは、ダイオードD4は整流器として作用し、D3は直流電流により導通状態へもたらされる。短時間でこの整流作用は消滅し、pinダイオードD3とD4は高周波的には低抵抗として作用する。この特性はpinダイオードに対しては典型的である。
【0032】
ここでは、2つのλ/4線路6、7とダイオードD3とD4が高周波送信パルス12の給電と前置増幅器4の保護にだけ用いられることに注意すべきである。別の、下で説明する本発明の新しい回路ではこれらの素子が2重の機能を満たす。このことは大きな利点である。
【0033】
キャパシタC1,C2,C3とチョークZDrがpinダイオードD1とD2のオン・オフに必要である。これらの素子はスイッチング電圧USにより形成された直流電流を所望の経路に導通するのに用いる。高周波同調信号3に対しては3つのキャパシタは近似的に短絡を意味し、チョークZDrは小さな損失の少ないキャパシタからなる高抵抗のインピーダンスを意味する。
【0034】
USが正であるとき、ダイオードD2は阻止され、ダイオードD1が導通する。これによりプローブヘッドないしこれのインピーダンスZxはダイオードD1を介して回路点M2と接続される。USが負であれば、D1が阻止され、D2が導通する。これにより基準抵抗R0はD2を介して回路点M2と接続される。
【0035】
高周波励起パルス12が再び遮断された後、ダイオードカスケードDKとダイオードD3、D4は再び阻止状態となる。2つのλ/4線路6、7は次に再び、RW=R0=50Ωの特性インピーダンスを有する通常の高周波線路のような特性を有し、到来するNMR信号をほとんど減衰しないで導通する。NMR信号はダイオードD1を介して前置増幅器4に達し、そこで増幅される。引き続き受信機では低周波に分周混合され、増幅され、直交変調で位相検出され、デジタル化され、計算器で所望の信号に処理される。
【0036】
動作状態“プローブヘッド同調”では、高周波発生器がスイッチS3を介して接続され、同調が3つのステップで行われる。
【0037】
ステップ1:基準抵抗R0の接続
従来の技術では、入力側M0でのプローブヘッドインピーダンスZxが基準抵抗R0により置換される。基準抵抗R0は、プローブヘッドインピーダンスZxがとるべき所望の実抵抗を表す。しかし抵抗R0は入力側M0において1対1で両方のλ/4線路6、7を介して回路点M2へ転送されるから(理由:線路の特性インピーダンスRWはR0と等しい)、基準抵抗R0をスイッチS2を介して直接回路点M2と接続し、回路点M2をスイッチS1により入力側M0から分離するだけで十分である。2つのスイッチS1とS2は位置2に調整される。
【0038】
理論的には、2つのスイッチS1とS2を直接回路点M0に配置することもできよう。これによりλ/4線路6、7に依存しないようになる。しかし実際には悪い選択である。なぜなら、高周波送信パルス12の持続中には非常に高い高周波電圧がこの回路点に作用するからである。これは2つのダイオードD1とD2(これらによりスイッチS1とS2が実現される)を完全に導通することとなり、場合によっては電圧により破壊されてしまう。
【0039】
ステップ2:基準信号の形成
高周波発生器2が作動され、高抵抗結合インピーダンスZkを介して高周波同調信号3を前置増幅器4の入力側にある測定点M2に送出する。高周波同調信号の周波数は有利には線形に変化する。この信号の周波数領域は所望の動作周波数を中心にすべきであり、プローブヘッドの受信共振回路の帯域幅の数倍となる。
【0040】
この高周波同調信号3は回路点M2で信号を形成する。この信号は強く基準抵抗R0に依存し、前置増幅器4と受信機を介して計算器に達し、ここに記憶される。記憶された信号は複素平面内のベクトル信号であり、したがって実数部分と虚数部分とを有する。これらは直交変調検出部の2つの出力側に与えられる。2つの成分は周波数に依存する機能曲線を表し、基準信号を定義する。この基準信号は同調プロセスに対して必要である。
【0041】
ステップ3:差信号の形成
スイッチS1とS2は再び位置1にもたらされる。これにより、プローブヘッドインピーダンスZxはλ/4線路6、7を介して回路点M2に接続される。すなわち、前に基準抵抗R0が接続されていたのと同じ回路点に接続される。高周波発生器2の高周波同調信号3により回路点M2に形成された新たな信号はステップ2と同じようにさらに処理され、計算器に記憶される。引き続きこの信号はベクトルで基準信号から減算され、そこから絶対値が形成される。このようにして、画像面に表示される差信号が発生する。
【0042】
Zxが測定された周波数領域においてR0と等しい場合には、差信号はどこでもゼロとなる。しかしこのような場合は発生しない。なぜなら、プローブヘッドインピーダンスZxは周波数に依存する受信機共振回路により検出されるからである。したがって差信号はベクトルでミラー対称の共振曲線を有し、最小値はただ1つの点を表す。ここではZxは値R0をとる。すなわち、正確なインピーダンス適合を行うことができる。
【0043】
差信号の形成は周期的にかつ自動的に繰り返される。これにより同調プロセスに起因する変化を監視することができる。同調プロセスは通常は手動で、受信機共振回路の共振キャパシタンスおよび結合キャパシタンスの変化により行われる。正確に同調されないプローブヘッドの場合には、差信号の最小値が所望の動作周波数の外に現れ、ゼロにはならない。最小値が所望の動作周波数にあり、ゼロであるときに初めて、同調過程は終了される。
【0044】
図1から図4には、本発明の方法の個々のステップが示されている。VP1、VP2およびVP3は任意の四端子網である。これら四端子網は通常はパッシブ回路素子から構成される。しかしアクティブ回路素子を含むこともできる。VP1は任意の四端子網であり、これは本発明の方法においては回路点M0とM2をスイッチS1を介して直接相互に接続する必要がないことを示すものである。VP1は例えば複素変換比を有するインピーダンス変成器とすることができる。
【0045】
VP2は高抵抗結合インピーダンスZk(例えばチョーク)を含むことができる。これはNMR信号の経路9をZ0から分離するためである。しかし任意の四端子網とみなすこともできる。VP3はアッテネータ8や他のスイッチング素子を含むことができる。これはZ0を高周波発生器2から分離するためである。
【0046】
新しい形式の基準形成では、NMR信号の経路9で50Ωの基準抵抗R0をもはや使用せず、NMR信号の経路9とは別個の基準インピーダンスZ0(または複数のものを異なる箇所で)を使用する。この場合Z0が数学的に計算され(下記参照)、概略値のみを得ることができる。なぜなら、計算に必要なパラメータが正確には既知でないからである。したがって、Z0を正確に正しい値に調整するためには、手動でも基準調整が必要である。しかしこのことは(とにかく)比較的に大きな時間間隔(週、月、年)で繰り返す必要がある。というのは、スイッチング素子の経年変化のみが正しい調整の変化の原因となり得るからである。基準量として正確で安定した抵抗を使用する(基準抵抗R0)。この抵抗は所望の同調箇所に配置される。
【0047】
基準調整は図1と図2に示されている。入力側M0には基準抵抗R0が接続されている。
【0048】
第1のステップ(スイッチS1とS2は位置1)で、R0がVP1とスイッチS1を介して基準点M2に接続され、Z0はスイッチS2により分離される。(図1)。これは次のことを除いて通常の動作状態に相応する。すなわち、入力側M0に所望の抵抗R0が実際のプローブヘッドインピーダンスZxの代わりに接続されており、高周波発生器2が投入接続されていることを除いて通常の動作状態に相応する。高周波同調信号3は基準点M2に信号を形成する。高周波同調信号の周波数は周期的に2つの値の間を線形に変化する。形成された信号は前置増幅器4、受信機、直交変調検出器およびA/D変換器(図示せず)を介して計算器に達する。この信号の全期間はベクトルで記憶され、第1の基準信号と称される。
【0049】
第2のステップ(スイッチS1とS2が位置2)では、R0がスイッチS1によって回路点M2から分離され、その代わりに基準インピーダンスZ0がスイッチS2を介して接続される(図2)。高周波同調信号3の次の周期は回路点M2に新たな信号を形成し、この信号は第1のステップと同じように測定され、ベクトルで記憶される。 この信を、以下第2の基準信号と称する。この信号はベクトルで基準信号1から減算され、そこから絶対値が形成される。これにより差信号Aが得られる。差信号Aは画像面にy信号として表示される。x信号は周波数変動によって定められる。
【0050】
これら2つのステップは周期的に繰り返される。これにより基準インピーダンスZ0の同調の間、変化する画像が画像面に現れる。Z0は次に、差信号Aが画像面で所望の周波数領域においてできるだけ正確にゼロになるまで変化される。これにより第2の基準信号は実質的に第1の基準信号と等しくなる。すなわち、第1の基準信号の代わりに第2の基準信号を使用することができる。第2の基準信号には、S/N比の顕著な悪化を引き起こさない回路装置によって測定することができるという大きな利点がある。
【0051】
プローブヘッドを同調するためには、プローブヘッドインピーダンスZxが入力側M0になければならない。同調過程は図3と図4に示されている。ここでも同様に2つのステップが必要である。
【0052】
第1のステップ(スイッチS1とS2が位置2にある)では、第2の基準信号が線形の周波数変動期間中に測定され、ベクトルで記憶される(図3)。
【0053】
第2のステップ(スイッチS1とS2が位置1にある)では、プローブヘッドインピーダンスZxに依存する信号が回路点M2で線形周波数変動の次の期間中に測定され(図4)、ベクトルで記憶され、ベクトルで第2の基準信号から減算され、これから絶対値が形成される。この信号は差信号Bと称される。画像面にはy信号として表示される。x信号は再び周波数変動により定義される。
【0054】
この2つのステップは周期的に繰り返される。これによりプローブヘッドインピーダンスZxの同調中に変化する画像が画像面に現れる。この画像はベクトルでミラー対称な共振曲線の形状を有する。第2の基準信号では明瞭な変化が生じないように思えるが、ステップ1の繰り返しを省略してはならない。すなわち、高周波発生器2の信号レベルの緩慢な変動が同調過程の持続中に生じることを考慮しなければならず、これが第2の基準信号を変化させる。
【0055】
同調過程は、曲線の最小値が焼くゼロになったとき、かつ所望の周波数点にある時に終了する。
【0056】
第2の基準信号を周期的に新たに検出することができるようにするため、プローブヘッドないしプローブヘッドインピーダンスZxへの接続は同じように周期的にオン・オフしなければならない。直列スイッチは例えば図7に示された、NMR信号の経路9での理想直列スイッチS1の形態にあり、したがって接近することができない。
【0057】
直列に接続されたpinダイオードD1を直列スイッチとして使用する(図8)の解決手段は公知であり、すでに述べたようにS/N比の悪化を招く。
【0058】
図9には、損失の少ない直列スイッチが示されている。この直列スイッチは、閉じた状態において阻止されたダイオードD3による生じる。USが負であるとき、pinダイオードD3は阻止状態であり、回路点M1は2つのλ/4線路6、7を介して回路点M2と直接、低損失で接続される。これは直列スイッチの閉じた状態に相応する。この状態は、受信機系の通常の動作状態において存在し、ちょうどここでも小さな信号損失が実現される。したがって阻止されたダイオードは導通状態のダイオードよりの良好である。なぜなら、阻止状態のダイオードの損失の方が少なくからである。
【0059】
USが正であれば、pinダイオードD3は導通し、約1Ωのアースへの短絡となる。この抵抗は2つのλ/4線路6、7により、逓昇変換され、回路点M1とM2に約2.5kΩの高抵抗として現れる。この抵抗は50Ωに対して重要ではない。スイッチへの両方の側面から見るインピーダンスは高抵抗であり、これは直列スイッチの開放状態に相応する。
【0060】
この形式の直列スイッチは、スイッチングダイオードが閉じた状態では阻止状態であり、開放状態で導通するという特性を有する。これはちょうど。公知の構成(図8)と比較して反対の特性である。公知の構成では、スイッチングダイオードがNMR信号の経路9に直接に接続されている。
【0061】
前述の直列スイッチ(図9)を図6の切換スイッチS0と比較すると、ある程度の類似性が明らかである。スイッチS0は、直列スイッチS1に対して必要なすべての高周波素子をすでに有している。とりわけ付加的に、ダイオードカスケードDkとダイオードD4を有するが、しかしこれらの素子はS1の機能を妨げない。したがって、直列スイッチS1を付加的な素子を導入することなしで実現することができ、このことはダイオード(D1)、チョーク(ZDr)とキャパシタ(C1)を、図6に示された従来技術と比較して節約する。
【0062】
図10は、本発明の回路装置の第1の実施例を示す。この回路装置では、基準インピーダンスZ0が高抵抗結合インピーダンスZkによりNMR信号の経路9から分離されている。破線で囲まれた領域は、図5と図6で使用された機能ブロックを表す。
【0063】
四端子網VP1は図10には現れない。VP1は例えばインピーダンス変換器を意味する。この変換器により、通常の動作状態では付加的なインピーダンス変換が回路点M0からM2で達成される。しかしこの変換は非常に特別な場合だけ使用され、図10では省略されている。
【0064】
図10の回路はただ1つの同調可能な基準インピーダンスZ0による変形実施例を使用する。この基準インピーダンスは、約100Ωの可変抵抗RZOにより約15pFのトリマCZOに並列に実現される。CZOはもっぱら、回路内に存在する寄生リアクタンスを考慮する。
【0065】
四端子網VP3内のアッテネータ8は高周波発生器2を基準インピーダンスZ0から分離する。これにより高周波発生器2並びにこれに所属する接続線路を常にインピーダンス適合することができる。すなわち、Z0の同調に依存せずに常に正しい付加抵抗とすることができる。
【0066】
図11は本発明の回路装置の第2の実施例を示す。この実施例では、基準インピーダンスZ0がNMR信号の経路9に接続されている。
【0067】
この回路では、四端子網VP2が直接の接続に変化する。このために、VP3は複素インピーダンスZkを有する。アッテネータ8はもはや必要ではない。なぜなら、Z0がZkにより高周波発生器2から分離され、したがって高周波発生器2に帰還作用することができないからである。
【0068】
スイッチS2は第2のpinダイオードD5により補充される。第2のpinダイオードはスイッチS2が開放しているとき(すなわち、D2が阻止されているとき)導通し、これによりZ0が短絡する。これによって、Z0の実成分が阻止されているダイオードD2の寄生容量を介してNMR信号の経路9へ変換され、そこでS/N比の悪化を引き起こすことが回避される。
【0069】
図11に示された回路装置は、図10に示された回路と比較してやや欠点がある。なぜならこの回路はNMR信号の経路9にダイオード(D2)を1つよけいに有するからである。しかしこのダイオードは通常動作では阻止されており、そのため導通状態となってもわずかな損失しか引き起こさない。とりわけ、ダイオードD5は、Z0の影響によりS/N比が付加的に悪化するのを阻止する。
【0070】
切換スイッチS0の2つのλ/4線路6、7の長さは正確にλ/4の長さを有する必要はない。とりわけ第2のλ/4線路7は±40%までの偏差を有することができるが、それでもダイオードD4により高周波送信パルス12の残留成分は十分に抑圧される。第1のλ/4線路6の長さはしかしクリティカルである。ここでの不正確な長さは誤適合や、高周波送信パルス12の回路点M0での電力反射につながる。電力反射は大きくてはならない。しかしここでも±5%の長さの公差は許容される。
【0071】
高周波直列スイッチのλ/4線路6、7の長さは、図9でも同じように正確にλ/4である必要はない。±40%までの偏差がここでも許容される。というのは、偏差は第1にはスイッチの入・出力側の(容量性並びに誘導性)リアクタンス負荷の原因となるからである。
【0072】
図12によって基準インピーダンスZ0が、これがNMR信号の経路とは別項に配置されているとき次のように計算される。インピーダンスZkは他のすべてのインピーダンスよりも大きいと仮定すれば、(Uein)について得られる。
【0073】
第1の場合では、S1とS2が位置にあり、Z1=Z1∞である。
【0074】
【数1】
【0075】
第2の場合では、S1とS2が位置1にある。
【0076】
【数2】
【0077】
Ueinが両方の場合で同じでるようにするため、(Uein)1=(Uein)2が当てはまらなければならない。すなわち、
【0078】
【数3】
【0079】
数値例として、
R3=RQ/2=25Ω
R0= 50Ω
Z2=50Ω(=前置増幅器4の入力インピーダンス)
Z1∞=2500Ω
式3に代入すると、Z0に対して、
Z0=26.02Ωである。
【図面の簡単な説明】
【図1】NMRスペクトロメータのNMR受信コイルの半自動同調のための回路装置が回路図で第1の基準信号を検出するための回路状態で示されている。
【図2】基準インピーダンスZ0を調整するための回路状態にある図1の回路装置の回路図である。
【図3】第2の基準信号を検出するための回路状態にある図1の回路装置の回路図である。
【図4】プローブヘッドを同調するための回路状態にある図3の回路装置の回路図である。
【図5】NMRスペクトロメータのプローブヘッドにおけるNMR受信コイルを同調するための従来技術に相応する回路装置の簡単な回路図である。
【図6】図5に相応する回路図の詳細図である。
【図7】理想直列スイッチの概略図である。
【図8】直列ダイオードとチョークコイル〜形成された直列スイッチの概略図である。
【図9】2つのλ/4線路と並列ダイオードから形成された直列スイッチの概略図である。
【図10】NMRスペクトロメータのプローブヘッドにおけるNMR受信コイルを同調するための本発明の自動回路装置の第1の実施例の回路図である。ここでは基準信号Z0がNMR信号の経路から分離される。
【図11】本発明の回路装置の第2の実施例の回路図である。ここでは図10とは異なり、基準インピーダンスZ0がNMR信号の経路に直接接続されている。
【図12】NMR信号の経路から分離された際に基準インピーダンスZ0を計算するための回路の回路図である。
Claims (12)
- NMR信号に対する受信回路を有し、NMR受信コイルのプローブヘッドインピーダンス(Zx)を同調する方法であって、
実基準抵抗(R 0 )がNMR信号の経路中の箇所M0に接続されており、
第1の基準信号が高周波同調信号(3)によって受信回路内の箇所M2で形成され、
該箇所M2は、NMR信号の経路と、高周波発生器(2)からの高周波同調信号(3)の経路との交点である同調方法において、
実基準抵抗(R 0 )を箇所M0から分離し、
基準インピーダンス(Z0)を、受信回路の高周波同調信号(3)の経路中の任意の箇所に接続し、箇所M2に発生する第2の基準信号と箇所M2における第1の基準信号の差がゼロになるように調整し、
引き続きプローブヘッドインピーダンス(Zx)を箇所M0に接続し、箇所M2における第2の基準信号に同調する
ことを特徴とする同調方法。 - 第1の基準信号を少なくとも1回検出し、基準インピーダンス(Z0)の調整過程時に第2の基準信号を周期的に形成する
請求項1記載の方法。 - 第2の基準信号を少なくとも1回検出し、プローブヘッドインピーダンス(Zx)の同調過程時に、プローブヘッドインピーダンス(Zx)を用いて検出された信号を周期的に形成する
請求項1または2記載の方法。 - 第2の基準信号を、プローブヘッドインピーダンス(Zx)の同調過程開始時に、少なくとも1回新たに検出する
請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。 - 箇所M0または高周波励起パルス(12)を箇所M2に接続する切換スイッチ(S0)が設けられており、
該切換スイッチは、電圧源Usからの直流の符号に依存して、箇所M0を箇所M2に接続または分離する高周波直列スイッチ(S1)の機能を果たす
請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。 - 高周波同調信号(3)を形成するための高周波発生器(2)と、1つまたは複数のスイッチング素子(S0,S1)とを有し、
前記スイッチング素子はプローブヘッドインピーダンス(Zx)を、NMR信号を箇所M0から前置増幅器(4)の出力側の箇所M3に導く経路(9)に周期的に接続および分離する、請求項1から5までのいずれか1項に記載された方法を実施するための装置において、
基準インピーダンス(Z0)は、高周波発生器(2)から受信回路(10;11)の箇所M2に高周波信号(3)を導く経路の箇所に配置されており、
当該箇所は、高抵抗結合インピーダンス(Zk)または複数の高抵抗インピーダンスにより、NMR信号の経路(9)の箇所M2から分離されている
ことを特徴とする回路装置。 - 複数の調整可能なインピーダンスまたは同調可能なリアクタンスが種々異なる適切な箇所に、高周波発生器(2)と結合インピーダンス(Zk)との間で配置されている
請求項6記載の回路装置。 - リアクタンスは容量性トリマである
請求項7記載の回路装置。 - 基準インピーダンス(Z0)はアッテネータ(8)により高周波発生器(2)から分離される
請求項6から8までのいずれか1項記載の回路装置。 - 電圧源USからの直流は結合インピーダンス(Zk)を介して付加接続可能である
請求項6から9までのいずれか1項記載の回路装置。 - 高周波同調信号(3)を形成するための高周波発生器(2)と、1つまたは複数のスイッチング素子(S0,S1)とを有し、
前記スイッチング素子はプローブヘッドインピーダンス(Zx)を、NMR信号を箇所M0から前置増幅器(4)の出力側の箇所M3に導く経路(9)に周期的に接続および分離する、請求項1から5までのいずれか1項に記載された方法を実施するための回路装置において、
基準インピーダンス(Z0)は直接、NMR信号の経路(9)の箇所M2に接続されており、
高周波発生器(2)は結合インピーダンス(Zk)を介してNMR信号の経路(9)の箇所M2から分離されている
ことを特徴とする回路装置。 - 基準インピーダンス(Z0)は、トリマ(CZ0)に対して並列の可変抵抗(RZ0)として構成されている
請求項6から11までのいずれか1項記載の回路装置。
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