DE1912604A1

DE1912604A1 - Probe head device for nuclear magnetic resonance spectroscopy

Info

Publication number: DE1912604A1
Application number: DE19691912604
Authority: DE
Inventors: Schulz Dr Gustav
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-03-12
Filing date: 1969-03-12
Publication date: 1970-09-17
Also published as: DE1912604B2

Description

Probenkopfvorrichtung für die Kernresonanzspektroskopie Die Erfindung betrifft eine Probenkopfvorrichtung für die Kernresonanzspektroskopie mit einer auf beliebige Temperaturen erwärmbaren Probe, die von einem thermischen Isolationskörper umgeben ist.Probe head device for nuclear magnetic resonance spectroscopy The invention relates to a probe head device for nuclear magnetic resonance spectroscopy with a The sample can be heated to any temperature and is covered by a thermal insulation body is surrounded.

In der hochauflösenden Kernresonanzspektroskopie ist es wichtig, die Meßprobe variablen Temperaturen aussetzen zu können. Dies wird allgemein durch Umströmen der in einem Glasbehälter befindlichen Probensubstanz mit Luft oder Flüssigkeit der gewünschten Temperatur erreicht. Dabei muß stets dafür gesorgt werden, daß bei Verändern der Probentemperatur die Temperaturverhältnisse an den Polschuhen des den die Probe enthaltenden Probenkopfes umgebenden Magneten, insbesondere an den Polkappen, möglichst wenig beeinflußt werden, da andernfalls die Magnetfeldhomogenität und bei Permanentmagneten auch der Absolutwert der Magnetfoldstärke gestört wird.In high resolution nuclear magnetic resonance spectroscopy it is important to have the To be able to expose the test sample to variable temperatures. This is generally done by flowing around it the sample substance in a glass container with air or liquid reached the desired temperature. It must always be ensured that with Changing the sample temperature changes the temperature conditions at the pole pieces of the the magnet surrounding the sample head containing the sample, in particular on the Pole caps are influenced as little as possible, otherwise the magnetic field homogeneity and in the case of permanent magnets, the absolute value of the magnetic fold strength is also disturbed.

In Probenköpfen für Messungen mit variablen Probentemperaturen wird die thermische Abschirmung bzw. Isolation des Magneten häufig durch Anordnung eines zylindrischen Dewargefäßes um die Probe herum erreicht. Auch wird der Restwärmefluß von der erhitzten (oder gekühlten) Probe zum Magneten dadurch vermindert, daß die Wände des Probenkopfes mit einer wasserdurchflossenen Kühlschlange thermostatisiort werden. Von der technischen Seite aus gesehen, wird die Herabsetzung des Wärmeflusses zu den Polkappen durch die Bedingung begrenzt, mit möglichst kleinem Magnetluftspalt auszukommen.In probe heads for measurements with variable sample temperatures the thermal shielding or insulation of the magnet often by arranging a cylindrical dewar around the sample. Also is the residual heat flow from the heated (or cooled) sample to the magnet is reduced by the Walls of the probe head thermostatisiort with a cooling coil through which water flows will. From the technical point of view, the decrease in the heat flow limited to the pole caps by the condition, with the smallest possible magnetic air gap get along.

Die Erfindung sieht eine raumsparende Prohenkopfvorrichtung vor, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Kompensation von bei Temperaturänderungen auftretenden Änderungen des Wärmeflusses von der Probenkopfvorrichtung auf die die Probenkopfvorrichtung umgebenden Polschube eines Magneten innerhalb des thermischen Isolationskörpers mindestens ein von Kühlungsmittel durchflossenes Kompensationsrohr angeordnet ist, welches mit jeder den Polschuhen zugewandten Probenkopfwandung über mindestens einen Wärmeleitungswiderstand verbunden ist. Es wird demnach der Restwärmefluß an die Polkappen kompensiert. Dadurch wird es ermöglicht, bei einem vorgegebenen schmalen Luftspalt und somit kleinem für Wärmeisolation verfügbaren Raum den Restwärmefluß um ein bis zwei Größenordnungen herabzusetzen. Nach Temperaturänderungen ist dadurch eine entsprechend verkürzte Wartezeit bis zum Erreichen konstanter Homogenität des Magnetfeld es zu erhalten. Weiterhin wird die Notwendigkeit des Nachjustierens der Magnetflehomogenität seltener gemacht. Weitergehend kann bei gegebenen Toleranzen für Wartezeiten oder Homogenitätsänderungen durch diese Kompensation des Restwärmeflusses der Platzbedarf für die Wärme isolation und damit der Luftspalt verkleinert werden, was entscheidend den Aufwand bei Kernresonanzgeräten herabsetzt-.The invention provides a space-saving Prohenkopfvorrichtung that is characterized in that to compensate for changes in temperature Changes in heat flow from the probe head device to the probe head device surrounding pole thrust of a magnet within the thermal insulation body at least one compensation pipe through which coolant flows is arranged, which with each probe head wall facing the pole pieces via at least one Thermal resistance is connected. It is therefore the residual heat flow to the Polar caps compensated. This makes it possible for a given narrow Air gap and thus the small space available for thermal insulation, the residual heat flow by one or two orders of magnitude. After temperature changes is thereby a correspondingly shortened waiting time until constant homogeneity of the Magnetic field to get it. Furthermore, the need to readjust the Magnet flehomogeneity made less common. You can go further with given tolerances for waiting times or changes in homogeneity through this compensation of the residual heat flow the space required for the heat insulation and thus the air gap can be reduced, which significantly reduces the effort required for nuclear magnetic resonance devices.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figur 1 und eines Diagramms nach der Figur 2 im folgenden näher orläutert.The invention is illustrated by means of an exemplary embodiment by means of the figure 1 and a diagram according to FIG. 2 is explained in more detail below.

Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen solchen Probenkopf P. Der Probenkopf P besteht im wesentlichen aus einem Isolationskörper I, in welchem ein Probenröhrchen PR senkrecht zur Zeichenebene stehend, angeordnet ist. Ber Isolationskörper I selbst ist von Probenkopfwandungen PK 1 und PK 2 umgeben, welche durch einen schmalen Luftsalt von den Polkappen P 1 und P 2 eines Permandchtmagneten oder eines Elektromagneten getrennt sind. Zwischen den beiden Polkappen P 1 und P 2 entsteht ein homogenes Magnetfeld, welches den Probenkopf P und somit auch das Probentöhrchen PR durchsetzt. Der Isolationskörper I besteht aus einem nicht magnetisierbaren Kunststoff, während die Probenwandungen PK 1 und PK 2 aus Kupfermaterial bestehen können. Das Probenröhrchen FR ist von einem Ringspalt R umgeben, durch welchen Luft bzw. Flüssigkeit variierberer Temperatur fließt und es homogen umgibt. Die Luft im Ringspalt Rf erwärmt bzw. kühlt die Substanz innerhalb des ProbenrörhrchendsPK auf die Temperatur, welche die Luft bzw. die Flüssigkeit hat. Vom Ringspalt R ausgehend fließt zu den Probenkjopfwandungen PK 1 und PK 2 eine Restwärmemenge Q ab und erwärmt d-ie Probenkopfwandungen PK 1 und PK 2 und somit-auch die Polkappen P 1 und P 2.Figure 1 shows a section through such a probe head P. The Probe head P consists essentially of an insulating body I, in which a Sample tube PR standing perpendicular to the plane of the drawing, is arranged. About insulation body I itself is surrounded by probe head walls PK 1 and PK 2, which are surrounded by a narrow Luftsalt from the pole caps P 1 and P 2 of a Permandchtmagneten or an electromagnet are separated. Between the two Pole caps P 1 and P 2 are produced a homogeneous magnetic field, which the probe head P and thus also the sample tube PR enforced. The insulation body I consists of a non-magnetizable plastic, while the sample walls PK 1 and PK 2 can consist of copper material. That Sample tube FR is surrounded by an annular gap R through which air or liquid variable temperature flows and surrounds it homogeneously. The air in the annular gap Rf is heated or cools the substance inside the sample tube end PC to the temperature which the air or the liquid has. Starting from the annular gap R flows to the probe head walls PK 1 and PK 2 remove a residual amount of heat Q and heat the probe head walls PK 1 and PK 2 and thus also the pole caps P 1 and P 2.

Zur Kompensation dieser Restwärmemengen Q sind in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung zwei Kempensationsrohre K 1 und K 2, wiederum senkrecht zur Zeichenebene stehend, symmetrisch zu den Probenrörchen PR innerhalb des Isolationskörpers I angeordnet. Die beiden Kompensationsrohre K 1 und K 2 sind mit Wärmeleitwiderständen W 1 1 ... W4 4 jeweils mit den Probenkopfwandungen PK 1 und PK 2 vorbunden.To compensate for these residual amounts of heat Q are in this embodiment the invention two Kempensationsrohre K 1 and K 2, again perpendicular to the plane of the drawing upright, arranged symmetrically to the sample tubes PR within the insulation body I. The two compensation pipes K 1 and K 2 have thermal resistances W 1 1 ... W4 4 in each case pre-tied with the probe head walls PK 1 and PK 2.

Bei diesen Wärmeleitwiderständen W 1 ... W 4 kann es sich um gut wärmeleitende Drähte oder-Blcche handeln, die an den kompensationsrohren K 1 und K 2 und an den Probenkopfwandungen PK 1 und PK 2 gut wärmeleitend verbunden, z.B.These thermally conductive resistors W 1 ... W 4 can be highly thermally conductive Acts of wires or blocks attached to the compensation tubes K 1 and K 2 and to the Probe head walls PK 1 and PK 2 connected with good thermal conductivity, e.g.

angelötet, sind. Durch die kompensationsrohre K 1 und K 2 selbst strömt Luft bzw. Flüssigkeit, welche gekühlt bzw.are soldered on. Flows through the compensation pipes K 1 and K 2 itself Air or liquid that is cooled or

erwärmt werden kann.can be heated.

Wird die Luft im Ringspalt R um das Probenröhrchen PR erwärmt, so muß zur Kompensation der Restwärmemengen Q die die Kompensationsrohre K 1 und K 2 durchströmende Luft gekühlt werden, so daß Wärme von den Probenkopfwandungen PK 1 und PK 2 über die Wärmeleitwiderstände W 1 ... W 4 zu den Kompcnsationsrohren K n und K 2 fließt und von der sie durchströmenden luft abgeführt werden kann. Wird dahingcgen das Probenröhrchen PR gekühlt, so durchströmt die Kompensationsrohrc K 1 und K 2 Warmluft, so daß Wärme über die Wärmeleitwiderstände W 1 ... W 4 von den Kompensationsrohren K 1 und K 2 zu den Probenkopfwandungen PK 1 und PK 2 fließt und diese Wandungen auf konstanter mittlerer Temperatur hält. Die luft für den Ringspalt R und die Luft für die kompensationsrohre K 1 und K 2 kann z.B. an der warmen und kalten Seite einer nicht näher dargestellten Peltier-Patterie geheizt bzw. gekühlt werden. Bei entsprechender Notwendigkeit erfolgt die Erwärmung und Kühlung genau umgekehrt.If the air in the annular gap R around the sample tube PR is heated, so the compensation pipes K 1 and K must be used to compensate for the residual amounts of heat Q 2 air flowing through are cooled, so that heat from the probe head walls PK 1 and PK 2 via the thermal resistances W 1 ... W 4 to the Kompcnsationsrohren K n and K 2 flows and can be removed from the air flowing through them. Will passed away the sample tube PR is cooled, so flows through the compensation tube c K 1 and K 2 warm air, so that heat through the thermal resistances W 1 ... W 4 of the compensation tubes K 1 and K 2 to the probe head walls PK 1 and PK 2 flows and keeps these walls at a constant mean temperature. The air for the annular gap R and the air for the compensation pipes K 1 and K 2 can e.g. cold side of a Peltier pattery, not shown in detail, is heated or cooled will. If necessary, the heating and cooling are carried out precisely vice versa.

Figur 2 zeigt ein Diagramm, in welchem der Temperaturverlauf TÜ an einer der Probenkopfwandungen, z.B. Pk 1, bei verschiedenen Temperaturen der Luft durch den Ringspalt R bzw. die Kompensationsrohre K 1 und K 2 dargestellt ist.FIG. 2 shows a diagram in which the temperature profile indicates TÜ one of the probe head walls, e.g. Pk 1, at different air temperatures is represented by the annular gap R or the compensation pipes K 1 and K 2.

Die beiden Kurven 1 und 2 zeigen den Temperaturverlauf ohne Kompensation bei zwei verschiedenen Temperaturen der Probensubstanz. Die Kurven 3 und 4 dahingegen zeigen den Temperaturverlauf der Probenkopfwandung PK 1 mit Kompensation, wiederum bei den gleichen Temperaturen. Die Flächen, dic die Kurven 1 ... 4 gegenüber der Achse X (Ausdehnung des Probenkopfes P) einschließen, sind proportional zur Wärmemenge Q, die von den Probenkopfwandungen PK 1 und PK 2 an die Polschuhe P 1 und P 2 abgegeben werden.The two curves 1 and 2 show the temperature profile without compensation at two different temperatures of the sample substance. Curves 3 and 4, on the other hand show the temperature profile of the probe head wall PK 1 with compensation, again at the same temperatures. The surfaces dic the curves 1 ... 4 opposite the Include the X axis (extension of the probe head P) are proportional to the amount of heat Q, given off by the probe head walls PK 1 and PK 2 to the pole shoes P 1 and P 2 will.

Bei den Kurven 3 und 4 sind die Flächen unterhalb der X-Achse und oberhalb der X-Achsen gleich, so daß keine Wärme von den Probenkopfwandungen PK 1 und PK 2 zu den Polschuhen P 1 und P 2 fließt.In curves 3 and 4, the areas are below the X-axis and equal above the X-axes, so that no heat from the probe head walls PK 1 and PK 2 to the pole pieces P 1 and P 2 flows.

Die Einstellung der Temperaturen der Luft, die durch die Kompensationsrohre K 1 und K 2 fließt und zur Kompensation der Wärmemengen Q dient, kann über Messungen vcn Kernresonanzspektren erfolgen.Adjustment of the temperatures of the air passing through the compensation pipes K 1 and K 2 flows and serves to compensate for the amount of heat Q can be carried out via measurements from nuclear magnetic resonance spectra.

3 Patentansprüche 2 Figuren3 claims 2 figures

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Probe head device for nuclear magnetic resonance spectroscopy with a sample that can be heated to any temperature that is produced by a thermal Insulation body is surrounded, characterized in that to compensate for at Changes in temperature occur changes in the flow of heat from the probe head device onto the pole pieces (P 1 and P 2) of a magnet surrounding the probe head device within the thermal insulation body (I) at least one of cooling means flow-through compensation pipe (K 1 or K 2) is arranged, which with each the probe head wall (PK 1 or PK 2) facing the pole pieces (P 1 and P 2) at least one heat conduction resistor (w 1 ... W 4) is connected.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the temperature the compensation tube (K 1 or K 2) and at the same time and in accordance with the compensation the temperature of the air or liquid flowing around the sample tube (PR) the cold or

warm side of a Peltier element or the like adjustable is.

3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the heat conduction resistances (W 1 ... W 4) good, thermally conductive metal plates or Are wires that are embedded in the insulation body (I) and one scits with the Compensation tube (K 1 or K 2) and on the other hand with the probe head wall (PK 1 or PK 2) are in good thermal contact.

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