DE1673268B2 - Sonde fur Resonanzspektrometer - Google Patents

Description

I/

in einer länglichen Soiidenstruktur 3 angeordnet ist. Die Sonde 3 ist zusammen mit der zu analysierenden Probe in einem innen zylindrischen Hohlraum 4 eines Dewar-Gefäßes 5 mit flüssigem Helium angeordnet. Das Dewar-Gefäß 5 enthält eine supraleitende Spule 6. die koaxial zur Sonde 3 angeordnet ist. Die Spule 6 wird mit dem flüssigen Helium im Dewar-Gefäß 5 auf Supraleitfähigkeitstemperaturen von beispielsweise 4° K abgekühlt. Die Spule 6 wird mit Strom erregt, um ein kräftiges, axial gerichtetes, gleichförmiges in einer Richtung wirkendes magnetisches Gleichfeld H₀ von beispielsweise 60 kg in der Sonde 3 zu erzeugen, um die gyromagnetischen Körper in der zu analysierenden Probe zu polarisieren.

Das Dewar-Gefäß S häng: von einem Arm 8 an einem Stativ 7 herab. Die Sonde 3 zusammen mit einem Teil der zugehörigen Ausrüstung, soweit sie in einem Grundgehäuse 9 angeordnet ist, wird von einem beweglichen Arm 11 gestützt. Der bewegliche Arm ermöglicht es, die Sonde 3 axial in das Dewar-Gefäß 5 durch eine zentrale öffnung im Boden des Dewar-Gefäßes einzusetzen und herauszunehmen.

In F i g. 2 ist die elektrische Schaltung des Spektrometers dargestellt. In einem magnetischen Polarisationsfeld H₀ von 52 kg liegt die gyromagnetische Resonanzfrequenz f_c von Protonen bei etwa 220 MHz. Ein Dezimeterwellensender (UHF-Sender) 12 liefert eine kristallgesteuerte Ausgangsspannung bei 220 MHz. Diese Ausgangsspannung wird der Sonde 3 zugeführt, um ein magnetisches Wechs°lfeld H₁ rechtwinklig zum magnetischen Polarisationsfeld H₀ zu erzeugen. Zusätzlich wird das magnetische Polarisationsfeld H₀ über dem ganzen Probenvolumen mit einer geeigneten Niederfrequenz von beispielsweise 10 kHz mit einem Feldmodulator 13 moduliert. Die Senderfrequenz /₀ ist frequenzmäßig um die Feldmodulationsfrequenz /. m. gegen die Resonanzfrequenz '_l( der Probe 1 versetzt. Unter diesen Bedingungen wird ein frequenzmoduliertes Resonanzspektrum der Probe erhalten, d.h. die Pesonanzlinie der Probe enthält eine Träger-Resonanzkomponente bei f_c und Seitenbandkomponenten, deren Amplituden durch Bessel-Funktionen gegeben sind, die frequenzmäßig um die Feldmodulation /. m. getrennt sind.

Das /. /η.-Resonanzsignal, das von der Probe kommt, wird mit einer abgestimmten Empfängerspule aufgenommen, die später näher beschrieben wird, und einem Dezimeterwellenverstärker 14 zugeführt und läuft von dort zu eirem Mischer 15. Im Mischer wird das Resonanzspektrum mit einem Teil der Senderfrequenz gemischt, um ein Resonanzsignal zu erhalten, das au» der /. m.-Träger-Resonanzkomponente und einer der zweiten Seitenbandkomponenten bei der Feldmodulationsfrequenz /. m. besteht. Dieses Signal wird im NF-Verstärker 16 verstärkt und einem NF-phasenempfindlichen Detektor 17 zugeführt, wo es mit einem Teil der Feldmodulationsfrequenz /. m. vom Feldmodulator 13 phasenempfindlich gleichgerichtet wird, um ein Resonanz-Ausgangs-Gleichstromsignal zu bilden. Die Stärke des magnetischen Poloarisationsfeldes H₀ im Bereich der Sonde 3 wird mit einer überlagerten Feld-Wobbelkomponente H_s von einem Feld-Wobbelgenerator 18 gewobbelt. Das Resonanz-Gleichsiromsignal wird im Schreiber 19 in Abhängigkeit von der Zeit oder der magnetischen Feldwobbelung aufgezeichnet, um ein aufgezeichnetes Spektrum der analysierenden Probe zu erhalten.

In F i g. 3 ist ein Schnitt durch den Probenbereich der Sonde 3 dargestellt, der in Fig. 1 mit der Linie 3-3 umschlossen ist. Die Sonde 3 ist etwa 50 cm lang, gemessen vom Gehäuse 9 bis zum oberen Ende, und hat einen Außendurchmesser von etwa 28 mm. Die Sonde 3 enthält verschiedene, konzentrisch ineinander geschachtelte, dünnwandige zylindrische Elemente, mit denen verschiedene Funktionen duichgeführt werden, einschließlich Leitungen, mit denen Wechsel- und Gleich-Betriebsspannungen eingespeist werden und das Resonanzsignal von der Probe abgenommen wird.

Die Sonde 3 enthält die zentral angeordnete, zylindrische, gläserne Probenphiole 2, die die Probe 1 enthält. Die Phiole 2 wird am oberen Ende mit einem luftbetriebenen Spinner 21 gehalten, mit dem die Phiole 2 und die Probe 1 mit etwa 3000 U/min um die Längsachse gedreht werden, um Linienverbreiterungseffekte auszumitteln, die durch quer laufende Feldgradienten des Polarisationsfeldes H₀ hervorgerufen werden. Eine Empfa,'gerspule 22, die näher unten beschrieben wird, wird auf die Außenfläche eines gläsernen Rohres 23 von beispielsweise 6,35 mm Außendurchmesser und 0,38 mm Wandstärke gewikk°lt. Die Spule 22 wird mit einem koaxial angeordneten Kondensator 24 abgestimmt. Eine Koaxialleitung 25 nimmt die Resonanzsignale von der abgestimmten Empfängerspule 22 ab. Ein dielektrisches Rohr 26 von beispielsweise 10,4 mm Außendurchmesser, das einen Abstand von 1,0 mm von dem Rohr 23 hat, ist mit dicht aneinanderliegenden, in Längsrichtung verlaufenden leitenden Streifen versehen, die als Faraday-Käfig zwischen der Empfängerspule 22 und einer Senderspule 27 dienen, die auf die Außenseite eines äußeren dielektrischen Rohres 28 gewickelt ist, das beispielsweise einen Außendurchmesser von 12,5 mm hat. Die Empfängerspule 22 und Senderspule 27 sind mit ihren Spulenachsen rechtwinklig zueinander gewickelt, d. h. längs der X- und Y-Achsen, und beide Achsen rechtwinklig zur Z-Achse. Die Z-Achse ist parallel zu H₀.

Eine rohrförmige Dewar-Wand 29 mit einem Innendurchmesser von 14,0 mm ist im Abstand von der Senderspule 27 und der zugehörigen Form 28 angeordnet, um einen Kanal für Heiz- oder Kühl-Gas zu bilden. Heiz- oder Kühl-Gase laufen durch eine nicht dargestellte Verteilung, die gerade unterhalb des Spinners 21 angeordnet ist, und kommen durch die Sonde 3 in den Raum zwischen der Probenphiole 2 und der Empfängerspulenform 23 nach unten, um die Probe 1 auf einsr gewünschten Betriebstemperatur zu halten. Eine zweite rohrförmige Dewar-Wand 31 von beispielsweise 20,8 mm Außendurchmesser ist außerhalb der eisten Wand 29 im Abstund von dieser angeordnet, wobei der Raum zwischen beiden Wänder evakuiert ist, um eine Wärmeisolation für die Innenseite des Sonden-Dewar-Gefäßes gegenüber der kalter Innenfläche des Dewar-Gefäßes 5 mit flüssigem Helium zu schaffen.

Eine zylindrische Anordnung 32 aus getrennt justierbaren Magnetfeldgradienten-Löschspuien vor beispielsweise 21,5 mm Innendurchmesser unc 25,9 mm Außendurchmesser umfaßt die äußere De war-Wand 31 der Sonde. Die Außenwand 33 de: Sonde 3 besteht aus Aluminiumrohr und hat einer Außendurchmesser von 28,0 mm, um eine gut< Wärmeleitung von der zylindrischen Spulenanord nung 32 zur Umgebung zu schaffen, um die Spulen anordnung 32 im Betrieb zu kühlen.

5 ' 6

In F i g. 4 ist in näheren Einzelheiten die koaxial nach F i g. 4 dargestellt. Die Empfängerspule 22 liegt angeordnete Empfängerspule 22 mit dem angeord- mit Leitungen 35 und 37 über dem Abstimmkondenneten Abstimmkondensator 24 dargestellt. Die Emp- sator 24, die gewisse Leitungsinduktivitäten enthalfängerspule 22 besteht aus einem einzelnen Draht- ten, die bei Frequenzen im Dezimeterwellenbereich, strang, der auf das Glasrohr 23 gewickelt ist, so daß 5 d. h. oberhalb von 100 MHz, nicht vernachlässigbar zwei Stromschleifen gebildet werden, die in sich ma- sind. Der Abstimmkondensator 24 stimmt die Indukgnetisch unterstützender Beziehung geschaltet sind. tivität der Empfängerspule und der Leitungen so ab, Eine Leitung 35 zur Spule 22 hat eine Länge von daß sie bei der Larmor-Frequenz der gyromagneetwa 25 mm und ist am Ende an ein zylindrisches tischen Körper in Resonanz sind, beispielsweise bei Band aus Silbermetall 36 von beispielsweise 8 mm io 220 MHz. Wie leicht ersichtlich ist, soll die Leitungs-Breite und 0,05 mm Dicke gelötet, das auf die Au- induktivität sehr klein sein, weil sie mit der Probe ßenseite des Pyrex-Rohrs 23 aufmetallisiert ist, bei- nicht koppelt und deshalb zum Empfang des Resospielsweise durch Aufbrennen einer Silberpaste bei nanzsignals nicht beiträgt, aber Widerstandsverlustc 600° C. Die Drahtspule 22 wird mit periodischen in den abgestimmten Kreis einführt, wodurch zum Punkten Epoxy-Kleber an dem Rohr 23 gehalten. 15 Rauschen beigetragen wird.

Eine andere Drahtleitung 37 von beispielsweise Die Ausgangsleitung 41 zapft die Leitung 37 an

31,8 mm Länge verbindet das andere Ende der Emp- und bildet den Miltelleiter einer Verlängerung der

fängerspule 22 mit dem Ende einer metallischen Koaxialleitung 25, wo sie in den Schlitz 45 eintritt,

Hülse 38, beispielsweise aus silberplattiertem Mes- und eine Zweidrahtleitung vom Schlitz 45 bis zur

sing. Die Hülse 38 ist hochfrequenzmäßig geerdet ao Anzapfung 42. Die Gesamtlänge der Koaxialleitung

und axial am oberen Ende unterteilt, so daß Finger 25 mit der Verlängerung und der Zweidrahtsektion

39 gebildet werden, die das untere Ende des Glas- wird etwa eine viertel Wellenlänge lang gemacht

rohres 23 greifen. und mit einer konstanten charakteristischen Impe-

Die Leitung 37 ist mit einer dritten Leitung 41 an danz Z₂ = |/ Z₁ · Z, ausgebildet, wobei Z₃ die charakteeinem Punkt 42 ihrer Länge angezapft, die Leitung 25 ristiscb^ oder Eigenimpedanz der nicht dargestellten 41 verbindet die Anzapfung 42 mit dem Mittelleiter Koaxialleitung ist, mit der die Koaxialleitung 25 mit 43 der Koaxialleitung 25. Die Leitung 41 verläuft dem Dezimeterwellenverstärker 14 verbunden ist, axial längs der Außenseite des Rohres 23 über das und Z₁ die Impedanz ist, die die abgestimmte Spule Silberband 36, wo sie mit einer Isolierhülse 44 aus hat, gesehen vom Ende der 7usammengesetzten Ko-Teflon versehen ist, und von dort durch einen Längs- 30 axiaiieiiuug 25 bei Anzapfung 42. Es wurde fcstgc schlitz 45 in der Hülse 38. Am Abschlußende des stellt, daß die Verwendung des koaxial angeordneten Schlitzes 45 läuft die Leitung 41 radial durch ein Kondensators 24 zum Abstimmen der Empfänger-Loch 46 in der Hülse 38 und von dort koaxial zum spule den Störabstand der aufgenommenen Reso-Mittelleiter 43 der Ausgangs-Koaxialleitung 25. Von nanzsignale um einen Faktor 2 verbessert. Auch die der Anzapfung 42 bis zum Loch 46 hat die Leitung 35 geradlinige Leitungsführung und die Koaxialleitungs-41 eine Länge von etwa 38 mm und vom Loch 46 bis Impedanzanpassung verbesserten den Störabstand zum Mittelleiter 43 der Koaxialleitung 25 eine Länge merklich, etwa nochmals um den Faktor 2, vervon etwa 31,8 mm. glichen mit der bekannten Anordnung, bei der die

Ein mit Außengewinde versehener leitender Stop- Empfängerspule mit einem Kondensator abgestimml

fen 47, beispielsweise aus Messing, ist in das Innen- 40 wird, der über lange Leitungen angeschlossen ist, die

gewinde der geerdeten Hülse 38 eingeschraubt, so über die ganze Länge der Sonde 3 reichen,

daß auch der Stopfen 47 geerdet ist. Der Stopfen 47 In F i g. 6 ist eine andere Ausführungsform der Ko-

dient als ein kapazitives Element des Abstimmkon- axialkondensatorstruktur nach F i g. 4 dargestellt

densators 24, das Band 36 bildet das andere kapazi- Diese andere Ausführungsform ist grundsätzlich ir

tive Element. Der Stopfen 47 ist axial mit Bezug auf 45 gleicher Weise aufgebaut, nur ist das bewegliche ka·

das Metallband 36 verstellbar, um die Kapazität zwi- pazitive Element ein Metallzylinder 55, der das Rohi

sehen den beiden kapazitiven Elementen zu ändern, 23 umfaßt und auf Außengewinde auf der Hülse 3f

indem die Größe der einander gegenüberliegenden aufgeschraubt ist. Eine Verdrehung des Zylinders Si

Oberflächen geändert wird. Ein nicht dargestelltes sorgt dafür, daß dieser in Längsrichtung des Rohre;

Werkzeug kann durch die Mitte der Sonde einge- 50 23 wandert, so daß die Größen der einander gegen

schoben werden, es greift in eine Aussparung im überliegenden Flächen des Kondensators 24 geänder

Ende des Stopfens 47, um durch Ein- oder Aus- werden, um die Empfängerspule 22 abzustimmen,

schrauben des Stopfens 47 in der Hülse 38 abzustim- In F i g. 7 und 8 ist noch eine weitere Ausfüh

men. rungsform des koaxial angeordneten Abstimmkon

Das Faraday-Abschirmrohr 26 umfaßt die abge- 55 densators gemäß F i g. 6 dargestellt. Bei dieser Aus

stimmte Empfängerspule 22 und ist am unteren Ende führungsform reicht das Silberband 36' nur etwa hall

mit einem ausgesparten Kragen 48 versehen, an dem um das Rohr 23. In gleicher Weise enthält der mi

die Finger 49 der Metalihülse 51, beispielsweise aus Innengewinde versehene Zylinder 55' einen halb

Messing, angreifen. Die Hülse 51 greift über das zylindrischen Teil 56, der das bewegliche kapazitivi

Außengewinde auf dem Ende der ersten Hülse 38 60 Element bildet. Ein Verdrehen des teilweise abge

und dient dazu, den Kragen 48 des Abschirmrohrs 26 schnittenen Zylinders 55' um 180° in die in Fig.!

zwischen den beiden Hülsen 38 und 51 zu fangen. unterbrochen dargestellte Stellung ergibt eine mini

Die koaxiale Ausgangsleitung 25 greift in das Innen- male Kapazität des Kondensators 24. Zwischenwert

gewinde am Ende der zweiten Hülse 51. Der Außen- der Kapazität werden dadurch erhalten, daß um an

leiter der Koaxialleitung 25 ist für Dezimeterwellen 65 dere Winkel gedreht wird, um Zwischenwerte de

geerdet, und ebenso sind das die Hülsen 38 und 51. Größe der einander gegenüberstehenden Flächen de

In F i g. 5 ist das Ersatzschaltbild für die Struktur kapazitiven Elemente zu erhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

mende Element des Kreises, also bei einer Sonde die Patentansprüche: Empfängerspule, wurde dabei unberücksichtigt ge lassen.

1. Sonde für Resonanzspektrometer, insbeson- Bei Frequenzen im Dezimeterwellenbereich lassen dere Spektrometer für gyromagnetische Resonanz, 5 sich Leitungsinduktivitäten, wie sie durch die Leitung bestehend aus einer länglichen Struktur, mit der zwischen der Empfängerspule und dem Abstimmeine zu untersuchende Materialprobe in ein ma- kondensator zwangläufig gegeben sind, nicht vernachgnetisches Feld eingetaucht wird, und die eine lässigen. Im allgemeinen ändert sich diese Leitungs-Anzahl konzentrisch koaxial angeordneter Rohre induktivität bei einer Relativbewegung eines Elemenaufweist, auf eines von denen eine Empfänger- i° tes des Abstimmkondensators gegenüber dem andespule aufgewickelt ist, mit der eine Resonanz der ren Element, so daß eine Anwendung des bekannten Probe festgestellt wird, und einem Abstimmkon- variablen Kondensators in der bekannten Sonde nicht densator, der an die Empfängerspule angeschlos- möglich ist.

sen ist, um sie auf eine Frequenz im Dezimeter- Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Sonde Wellenbereich entsprechend der gyromagnetischen 15 der eingangs genannten Art verfügbar zu machen, in Resonanzfrequenz der Probe im Magnetfeld ab- der die zur Abstimmung notwendige Änderung des zustimmen, bei der der Kondensator koaxial zur Abstimmkondensators auf einfache, wiederholbare Empfänge.'s pule angeordnet ist und zwei bogen- Weise vorgenommen werden kann,
förmige leitende kapazitive Elemente aufweist, Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dadurch gekennzeichnet, daß eines der 2° daß eines der beiden kapazitiven Elemente des Abbeiden kapazitiven Elemente in an sich bekannter Stimmkondensators in an sich bekannter Weise rela-Weise relativ zum anderen zur Abstimmung der tiv zum anderen zur Abstimmung der Empfänger-Empfängerspule bewegbar ist und daß die die spule bewegbar ist und daß die beiden kapazitiven beiden kapazitiven Elemente mit der Empfänger- Elemente mit der Empfängerspule verbindenden Leispule verbindenden Leitungen in fester geome- *5 tungen in fester geometrischer Beziehung zueinander irischer Beziehung zueinander angeordnet sind. argeordnet sind. Durch die Relativbewegung der

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn- beiden kapazitiven Elemente des Abstimmkondenzeichnet, daß die die Spule und das kapazitive sators wird die gestellte Aufgabe gelöst, und durch Element an die Koaxial-Anschlußleitung an- die feste geometrische Beziehung der Verbindungsschließende Verbin'Jungslt'tung die Impedanz 3° leitungen wird erreicht, daß sich deren Leitungs-Z₂ = ]/ ζ, -Z₃ hat, wobei Z₁ die vom Ende der induktivität bei Änderung des Abstimmkondensators Verbindungsleitung gesehene "mpedanz der abge- nicht ändert, so daß diese Leitungsinduktivität konstimmten Spule und Z₃ die Eigenimpedanz der stant bleibt und die Abstimmung nicht stört
Koaxial-Anschlußleitung bedeutet. Bei fester, und damit bekannter Leitungsinduktivi-

35 tat ist es möglich, diese Größe bei der Konstruktion weiterer Elemente zu berücksichtigen. Gemäß einer

speziellen Ausbildung der Erfindung wird diese Tatsache dazu ausgenutzt, eine optimale Impedanzanpassung zu erreichen, und das geschieht dadurch,

Die Erfindung betrifft eine Sonde für Resonanz- 40 daß die die Spule und das kapazitive Element an die spektrometer, insbesondere Spektrometer für gyro- Koaxial-Anschlußleitung anschließende Verbindungsmagnetische Resonanz. Eine bekannte Sonde dieser leitung die Impedanz Z₂= JAzV-Z₃ hat, wobei Z₁ die Art besteht aus einer länglichen Struktur, mit der eine vom Ende der Verbindungsleitung gesehene Impezu untersuchende Materialprobe in ein magnetisches danz der abgestimmten Spule und Z₃ die Eigenimpe-FeId eingetaucht wird, und die eine Anzahl konzen- 45 danz der Koaxial-Anschlußleitung bedeutet. Durch trisch koaxial angeordneter Rohre aufweist, auf eines eine solche Impedanzanpassung kann der Störabstand von denen eine Empfängerspule aufgewickelt ist, mit etwa um den Faktor 2 gegenüber der bekannten der eine Resonanz der Probe festgestellt wird, und Sonde verbessert werden.

einem Abstimmkondensator, der an die Empfänger- Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher

spule angeschlossen ist, um sie auf eine Frequenz im 50 erläutert werden. Es zeigt

Dezimeterwellenbereich entsprechend der gyroma- F i g. 1 eine Seitenansicht eines Spektrometer füi

gneiischen Resonanzfrequenz der Probe im Magnet- gyromagnetische Resonanz,

feld abzustimmen, bei der der Kondensator koaxial F i g. 2 ein Blockschaltbild des Spektrometers nach

zur Empfängerspule angeordnet ist und zwei bogen- Fig. 1,

förmige leitende kapazitive Elemente aufweist (Re- 55 F i g. 3 einen Schnitt durch den mit der Linie 3-:

view of Scientific Instruments, 36, 1965, S. 1509 umschlossenen Teil der Struktur nach Fig. 1,

und 1510). Fig.4 einen Teilschnitt längs der Linie 4-4 ii

Die Endabstimmung der Empfängerspule wurde F i g. 3,

bei dieser bekannten Sonde dadurch vorgenommen, F i g. 5 eine schematische Schaltung der Empfän

daß ein Teil eines kapazitiven Elementes des Ab- 60 gerspule und Übertragungsleitung gemäß F i g. 4,

Stimmkondensators entfernt wurde. F i g. 6 und 7 teilweise geschnittene Seitenansich

Es ist bereits bekannt., allgemein bei auf eine be- ten anderer Ausführungsformen eines Teils der Struk

stimmte Frequenz abzustimmenden Kreisen mit einem tür nach F i g. 4 und

Abstimmkondensator eines der beiden kapazitiven Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie 8-8 in Fig. 7

Elemente des Kondensators relativ zum anderen zur 65 In F i g. 1 ist ein Spektrometer für gyromagnetisch

Abstimmung bewegbar zu machen (USA.-Patent- Resonanz dargestellt. Eine zu analysierende gyroma

schrift 2 980 797). Der Anschluß eines solchen varia- gnetische Resonanzprobe 1 befindet sich in einer

blen Kondensators an das andere frequenzbestim- Probenbehälter 2, beispielsweise einer Glasphiole, di