DE19721998C2

DE19721998C2 - Laser Magnetic Resonance Spectrometer

Info

Publication number: DE19721998C2
Application number: DE1997121998
Authority: DE
Inventors: Heinz-Wilhelm Huebers; Hans Peter Roeser
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-05-27
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2017-05-28
Also published as: DE19721998A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Magnetisches-Resonanzspektrometer, umfassend einen Laser (3), einen Laserresonator, eine im Laserresonator angeordnete Absorptionszelle (5) zur Aufnahme einer zu untersuchenden Spezies und ein variables homogenes Magnetfeld, wobei das Magnetfeld durch mehrere ringförmig zueinander angeordnete Permanentmagneten (12) gebildet wird, die eine magnetische Sphäre bilden und deren magnetische Flußdichte veränderbar ist.The invention relates to a magnetic resonance spectrometer comprising a laser (3), a laser resonator, an absorption cell (5) arranged in the laser resonator for receiving a species to be examined and a variable homogeneous magnetic field, the magnetic field being formed by a plurality of permanent magnets (12) arranged in a ring shape with respect to one another. is formed, which form a magnetic sphere and whose magnetic flux density is variable.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Magnetisches-Resonanzspektrometer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a laser magnetic resonance spectrometer according to the preamble of claim 1.

Radikale, d. h. Moleküle mit einem ungepaarten Elektron, spielen eine wichtige Rolle in vielen chemischen Reaktionen, wie z. B. Verbrennungsprozessen in Kraftfahrzeugen und Müllverbrennungsanlagen, der Chemie der Atmosphäre und Atemprozessen. Viele von ihnen stehen in dem Verdacht, kanzerogen zu sein. Eine sehr empfindliche Methode zum Nachweis dieser Radikale ist die magnetische Resonanzspektroskopie. Sie wird im Mikrowellenbereich (f = 10-300 GHz), im Ferninfrarot(FIR)-Spektralbereich (f = 0,3-10 THz) und im Infraroten (IR) (f = 10-50 THz) eingesetzt und ist sehr sensitiv und spezifisch. Teilchenkonzentrationen von 10⁶ Teilchen pro cm³ sind ohne nennenswerte Querempfindlichkeit zu anderen Spezies nachweisbar.Radicals, ie molecules with an unpaired electron, play an important role in many chemical reactions, such as. B. combustion processes in motor vehicles and waste incineration plants, the chemistry of the atmosphere and breathing processes. Many of them are suspected of being carcinogenic. A very sensitive method to detect these radicals is magnetic resonance spectroscopy. It is used in the microwave range (f = 10-300 GHz), in the far infrared (FIR) spectral range (f = 0.3-10 THz) and in the infrared (IR) (f = 10-50 THz) and is very sensitive and specific. Particle concentrations of 10 ⁶ particles per cm ³ can be detected without any appreciable cross-sensitivity to other species.

Die Methode nutzt den Zeeman-Effekt paramagnetischer Spezies aus. Die Strahlungsquelle hat eine feste Frequenz und ist kohärent. Im FIR und IR werden beispielsweise Laser verwendet, während bei Mikrowellenfrequenzen Klystrons oder Gunn-Oszillatoren zum Einsatz kommen. Die zu untersuchende Spezies befindet sich in einer Absorptionszelle, die sich wiederum im homogenen Feldbereich eines starken Magneten befindet. Durch Abstimmen des Magnetfeldes, d. h. Veränderung der magnetischen Flußdichte, werden die Energieniveaus der zu untersuchenden Spezies aufgespalten und verschoben. Wenn die Energiedifferenz zwischen zwei Niveaus genau der Frequenz der Strahlungsquelle entspricht, wird Strahlungsleistung absorbiert. Dieser Leistungsabfall wird mit einem empfindlichen Detektor nachgewiesen.The method takes advantage of the Zeeman effect of paramagnetic species. The Radiation source has a fixed frequency and is coherent. In FIR and IR For example, lasers are used while at microwave frequencies Klystrons or Gunn oscillators are used. The one to be examined Species is in an absorption cell, which in turn is in the homogeneous field area of a strong magnet. By voting the magnetic field, d. H. Change in magnetic flux density, the Energy levels of the species to be investigated split and shifted. If the energy difference between two levels is exactly the frequency of the Corresponds to the radiation source, radiation power is absorbed. This The drop in performance is detected with a sensitive detector.

Aus dem Fachbuch "Laser Spectroscopy", W. Demtröder, Springer Verlag Berlin, 1981, S. 400-402 ist ein gattungsgemäßes Laser-Magnetisches- Resonanzspektrometer bekannt, umfassend einen Laser, einen Laserresonator, eine im Laserresonator angeordnete Absorptionszelle zur Aufnahme einer zu untersuchenden Spezies und ein variables homogenes Magnetfeld, das mit Hilfe eines Elektromagneten erzeugt wird.From the specialist book "Laser Spectroscopy", W. Demtröder, Springer Verlag Berlin, 1981, pp. 400-402 is a generic laser magnetic Resonance spectrometer known, comprising a laser, a Laser resonator, an absorption cell arranged in the laser resonator Inclusion of a species to be examined and a variable homogeneous Magnetic field that is generated with the help of an electromagnet.

Das Herzstück des Spektrometers ist der Magnet. Um die notwendigen Flußdichten zu erreichen, werden bisher große, wassergekühlte Elektromag nete oder mit flüssigem Helium gekühlte supraleitende Magnete verwendet. Die Elektromagnete haben den Nachteil, daß sie sehr groß und schwer sind (ca. 2000 kg) und zudem eine große Menge Kühlwasser benötigen (ca. 10 Liter pro Minute). Supraleitende Magnete sind zwar kleiner und leichter, aber das flüssige Helium macht ihre Bedienung schwierig und den Betrieb kostspielig. Ein wesentlicher Nachteil dieser Systeme ist, daß sie nicht oder nur einge schränkt transportabel sind. Gerade dies ist jedoch z. B. für die Umweltanalytik unerläßlich.The heart of the spectrometer is the magnet. To the necessary Reaching flux densities has so far been a large, water-cooled electromag Nete or superconducting magnets cooled with liquid helium. The disadvantage of the electromagnets is that they are very large and heavy (approx. 2000 kg) and also need a large amount of cooling water (approx. 10 liters per minute). Superconducting magnets are smaller and lighter, but they are liquid helium makes it difficult to operate and expensive to operate. A major disadvantage of these systems is that they are not or only partially are portable. However, this is precisely the case. B. for environmental analysis essential.

Aus der US 5,142,232 ist ein Elektronenspin-Resonanzspektrometer bekannt, bei dem ebenfalls der Zeeman ausgenutzt wird, nämlich die energetische Aufspaltung von Drehimpuls-Zuständen eines Atoms oder Moleküls, wobei hier jedoch der Elektronen-Eigendrehimpuls ausgenutzt wird. Zur Erzeugung eines Magnetfeldes wird dort ein Permanentmagnet vorgeschlagen, mittels dessen eine variable magnetische Flussdichte durch einen variablen magnetischen Nebenschluss erzeugbar ist. Die Variation der magnetischen Flussdichte beträgt ca. 3 mT. Des weiteren wird auch eine Kombination von Permanent- und Elektromagneten vorgeschlagen.An electron spin resonance spectrometer is known from US Pat. No. 5,142,232, which also uses the Zeeman, namely the energetic Splitting of angular momentum states of an atom or molecule, here here however, the electron intrinsic angular momentum is exploited. To generate a A permanent magnet is proposed there by means of the magnetic field a variable magnetic flux density through a variable magnetic Shunt can be generated. The variation in magnetic flux density is approx. 3 mT. Furthermore, a combination of permanent and electromagnets are proposed.

Aus dem Fachartikel "Adjustable Multi-Tesla Permanent Magnet Field Sources", IEEE Trans. Magn., Nov. 1993 (USA), S. 2902-2904 ist der Aufbau einer magnetischen Sphäre bekannt, mittels derer ein variable magnetische Flussdichte erzeugbar ist.From the technical article "Adjustable Multi-Tesla Permanent Magnet Field Sources ", IEEE Trans. Magn., Nov. 1993 (USA), pp. 2902-2904 is the structure known a magnetic sphere, by means of which a variable magnetic Flux density can be generated.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein leichtes und transportables Laser-Magnetisches-Resonanzspektrometer zu schaffen.The invention is therefore based on the technical problem, a light and to create portable laser magnetic resonance spectrometer.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Hierzu wird das Magnetfeld durch mehrere ringförmig zueinander angeordnete Permanentmagneten gebildet, die eine magnetische Sphäre bilden und deren magnetische Flussdichte veränderbar ist. Durch die Verwendung der Permanentmagneten zur Erzeugung der magnetischen Sphäre, dessen magnetische Flußdichte zur Bildung des homogenen Magnetfeldes veränderbar ist, kann auf eine Kühlvorrichtung, die das Spektro meter entweder schwer oder untransportabel macht, verzichtet werden. Mit Permanentmagneten lassen sich magnetische Flußdichten von 0,5 Tesla bei einem Volumen von einigen cm³ und entsprechend geringem Gewicht realisieren. Bei magnetischen Flußdichten dieser Größe lassen sich bereits die meisten Spezies, die bei der Umweltanalytik von Interesse sind, wie z. B. OH, HO₂, NO_X oder O(³P) Sauerstoff-Triplett, nachweisen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution to the technical problem results from the features of patent claim 1. For this purpose, the magnetic field is formed by a plurality of permanent magnets arranged in a ring shape relative to one another, which form a magnetic sphere and whose magnetic flux density can be changed. By using the permanent magnet to generate the magnetic sphere, whose magnetic flux density can be changed to form the homogeneous magnetic field, a cooling device that makes the spectrometer either heavy or untransportable can be dispensed with. Magnetic flux densities of 0.5 Tesla with a volume of a few cm ³ and correspondingly low weight can be achieved with permanent magnets. With magnetic flux densities of this size, most species that are of interest in environmental analysis, such as B. OH, HO ₂ , NO _X or O ( ³ P) oxygen triplet. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.

Aus meßtechnischen Gründen wird den Permanentmagneten zusätzlich ein Elektromagnet zugeordnet. Dieser erzeugt eine kleine, sich periodisch ändernde magnetische Flußdichte, die der magnetischen Flussdichte der magnetischen Sphäre überlagert wird. Dadurch wird ein sich periodisch änderndes Ausgangssignal erzeugt, was einen phasenabhängigen Nachweis ermöglicht.For technical reasons, the permanent magnet is an additional Assigned electromagnet. This produces a small, periodic changing magnetic flux density, that of the magnetic flux density of the magnetic sphere is superimposed. This is a periodic changing output signal produces what a phase dependent detection allows.

Vorzugsweise basieren die Permanentmagneten auf einer Neodym-Eisen-Bor- oder Kobalt-Samarium- oder Aluminium-Nickel-Kobalt-Verbindung.The permanent magnets are preferably based on a neodymium-iron-boron or cobalt-samarium or aluminum-nickel-cobalt compound.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbei spieles näher erläutert. Die Figur zeigen:The invention is described below on the basis of a preferred embodiment game explained in more detail. The figure shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Magnetischen- Resonanzspektrometers Fig. 1 is a schematic representation of the magnetic resonance spectrometer

Fig. 2 eine Perspektivdarstellung des Permanentmagneten. Fig. 2 is a perspective view of the permanent magnet.

In Fig. 1 ist ein Magnetisches-Resonanzspektrometer für den FIR-Spektralbe reich dargestellt. Die Strahlung eines CO₂-Lasers 1 wird mit Hilfe eines Um lenkspiegels 2 in einen FIR-Laser 3 eingekoppelt. Ein Teil des FIR-Lasers 3 enthält das Lasermedium 4, der andere ist eine Absorptionszelle 5. Beide Teile sind durch ein Brewsterfenster 6 aus Polyethylen getrennt. Der Laserresonator wird aus zwei konkaven Spiegeln 7 gebildet, von denen einer mittels einer Mikrometerschraube 8 verschoben werden kann und so eine Längenabstim mung des Resonators gestattet. Mit einem verschiebbaren 45°-Spiegel 9 kann ein Teil der Laserstrahlung aus dem FIR-Laser 3 ausgekoppelt werden. Ein Spiegel 10 fokussiert die ausgekoppelte Strahlung auf einen Detektor 11.In Fig. 1, a magnetic resonance spectrometer for the FIR spectral region is shown. The radiation from a CO ₂ laser 1 is coupled into an FIR laser 3 with the aid of a steering mirror 2 . Part of the FIR laser 3 contains the laser medium 4 , the other is an absorption cell 5 . Both parts are separated by a Brewster window 6 made of polyethylene. The laser resonator is formed from two concave mirrors 7 , one of which can be moved by means of a micrometer screw 8 and thus allows a length adjustment of the resonator. With a displaceable 45 ° mirror 9 , part of the laser radiation can be coupled out of the FIR laser 3 . A mirror 10 focuses the outcoupled radiation onto a detector 11 .

Ein Teil der Absorptionszelle befindet sich im Feld eines Permanentmagneten 12, dessen beide Polschuhe mittels einer Mechanik gegeneinander verscho ben werden können. Der Abstand der Polschuhe wird mit einem induktiven Wegaufnehmer 13 gemessen. Zusätzlich erzeugt ein Generator 14 ein sinus förmiges magnetisches Wechselfeld geringer magnetsicher Flußdichte (ca. 1 mT) in einem Helmholtzspulen-Paar 15. Der im Fall einer Absorption eintreten de Leistungsabfall des FIR-Lasers 3 wird mit einem phasenempfindlichen Ver stärker 16 nachgewiesen. Die Daten werden mit einem Computer 17 erfaßt und dargestellt.Part of the absorption cell is located in the field of a permanent magnet 12 , the two pole pieces of which can be moved against one another by means of a mechanism. The distance between the pole pieces is measured with an inductive displacement sensor 13 . In addition, a generator 14 generates a sinusoidal alternating magnetic field with a low magnetically safe flux density (approx. 1 mT) in a pair of Helmholtz coils 15 . The decrease in power of the FIR laser 3 that occurs in the event of absorption is detected with a phase-sensitive amplifier 16 . The data are recorded and displayed on a computer 17 .

Fig. 2 zeigt eine mögliche Konstruktion des Permanentmagnetaufbaues im Detail. Zwei Permanentmagnete 12 sind auf ein zweigeteiltes Eisenjoch 18 aufgesetzt. Beide Hälften des Eisenjoches 18 sind auf einer Gleitschiene 19 montiert. Der Abstand zwischen den Permanentmagneten 12 kann mit Hilfe eines Elektromotors 20 und einer Gewindestange 21 mit gegenläufigen Gewinden variiert werden. Der induktive Wegaufnehmer 13 mißt den Abstand zwischen den Magneten. Der Abstand zwischen beiden Permanentmagneten 12 bestimmt die Größe der magnetischen Flußdichte im Spalt zwischen ihnen. Fig. 2 shows a possible construction of the permanent magnet structure in detail. Two permanent magnets 12 are placed on a two-part iron yoke 18 . Both halves of the iron yoke 18 are mounted on a slide rail 19 . The distance between the permanent magnets 12 can be varied with the aid of an electric motor 20 and a threaded rod 21 with opposing threads. The inductive displacement sensor 13 measures the distance between the magnets. The distance between the two permanent magnets 12 determines the size of the magnetic flux density in the gap between them.

Claims

1. Laser-magnetic resonance spectrometer, comprising a laser, a laser resonator, an absorption cell arranged in the laser resonator for receiving a species to be examined and a variable homogeneous magnetic field, characterized in that the magnetic field is formed by a plurality of permanent magnets ( 12 ) arranged in a ring shape with respect to one another which form a magnetic sphere and whose magnetic flux density is variable.

2. Laser-magnetic resonance spectrometer according to claim 1, characterized in that the permanent magnet ( 12 ) is associated with an additional electromagnet ( 14 , 15 ).

3. Laser-magnetic resonance spectrometer according to claim 1, characterized in that the permanent magnets ( 12 ) are based on a neodymium-iron-boron or cobalt-samarium or aluminum-nickel-cobalt compound.