DE2227725B2 - Resonator für ein mit gyromagnetischer Resonanz arbeitendes Spektrometer - Google Patents

Description

ten magnetischen Wc,eiM _{nacheinander die}

langsam verändert wird, so u " magnetische

verschiedenen Resonanzen (nukleare ma_enuisuii.

⁼^_e^oi;:^ks^_rSuerrSn^n;

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^iStDie Ei-nschaften, die für den Resonator gefor-

Si£n des vo_{n dem} Resonator unter dem Einfluß de^Erre-un« durch den Hochfrequenzgenerator erde r trre₌uii_o ^^ Feldes in dem von der

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dnsches

Die Erfindung betrifft einen Resonator zur Aufnähme einer zu untersuchenden Probe für ein m.t gyromagnetische Resonanz arbeitendes Spektrometer, mit einem im wesentlichen kapazitiv wirkenden ersten Leitungsabschnitt und einem an diesen angeschlossenen zweiten Leitungsabschnitt, dessen zwei Leiter eine im wesentlichen induktiv wirkende Lecherleitung bilden, deren Wellenwiderstand größer ist als der Wel.enwiderstand des ersten Leitungs-

gyromagnetischer R-nanz altend.

seitlich begrenzen. Die Leiter des

erne Le tüngsabschnitt. der im wesentlichen kapazitrv wirk hat einen Wellenwiderstand Z und der zvve?e Leitungsabschnitt, der im wesentlichen induk- Z wirkt hat einen größeren Wellenwiderstand^. DrTanze Anordnung ist die Nachbildung einer V.ertewelSängenleitung, die am einen Ende kurzgecWo sen uml am anderen Ende offen ist, wobei aber aie kapazitiven und induktiven Impedanzen m zwei verschiedenen Abschnitten des Resonators lokalisiert sind Die Achse des die Probe enthaltenden Rohres fällt mit der Achse des zuvor erwähnten zylindrischen Volumens (Resonatorachse) zusammen, und der -< analysierte Teil der Probe liegt auf der Hohe des _a5 analysier ^ _abschn._{ttSj w0 das} magnetische

des Hohlraums sehr groß ist. Der Restellt unter einem magnetischen Gleichfeld, das'parallel zu der Resonatorachse liegt. 6o Unter einer im wesentlichen kapazitiv wirkenden Leitung ist hier eine Leitung zu verstehen, deren Induktivitätsbelag vernachlässigbar ist, wahrend ihr Kapazitätsbelag groß ist. Ebenso ist unter einer im ^F ...,__ :_j..i,,:., ...irtenden Leitung hier eine Kapazitätsbelag vernachiduktivitätsbelag groß ist. 'enleitung, die durch die zuvor beschriebene Vorrichtung nachgebildet wird,

Hegt der im wesentlichen induktiv wirkende Leitungsabschnitt in der Nähe eines Kurzschlusses, d, h. eines Stromhauches. Demzufolge ist das abgestrahlte Magnetfeld nicht nur in der Nähe des Maximums dieses Leitungsabschnitls, sondern auch an sich sehr groß. Dies wäre hei dem im Strombauch eines im wesentlichen kapazitiv wirkenden Leitungsabschnitts abgestrahlten maximalen Magnetfeld nicht der Fall.

DJeSe₁- bekannte Resonator weist neben dem angegebenen Vorteil zwei Nachteile auf:

1. Damit die Einführung der Probe die Homogenität der Magnetfelder auf der Höhe des zweiten Leitungsu'oschnitts nicht stört, ist es notwendig, daß das Probenträgerrohr in das Innere des zylindrischen Volumens des eine hohe Kapazität aufweisenden Teils des Resonators eindringt, was zur Folge hat, daß die Abstimmung des Resonators durch Änderung des dielektrischen Mediums (die von der Art der Probe abhängt) merklich verändert wird.

2. Der Füllfaktor η wächst mit dem Verhältnis Z₂Z₁. Man ist hinsichtlich einer Vergrößerung von Z₂ dadurch beschränkt, daß es notwendig ist, eine große Homogenität der Magnetfelder in dem zylindrischen Raum mit großer Induktion zu gewährleisten; auf Grund dieser Tatsache ist der Wellenwiderstand Z₁ des bekannten Resonators zu groß.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Resonators der eingangs angegebenen Art, dessen Abstimmung weitgehend unabhängig von der Beschaffenheit der Probe ist und der einen großen Füllfaktor ergibt.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Raum innerhalb der Leiter des ersten Leitu.igsabsclinitts in der Nähe des zweiten Leitungsabschnitts gegen das von dem ersten Leitungsabschnitt erzeugte elektrische Feld abgeschirmt ist.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Resonators und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Resonators.

F: g. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Resonators für ei:, mit gyromagnetischer Resonanz arbeitendes Spektrometer mit einer möglichen Art der Verbindung des Resonators mit einer Meßbrücke.

Der Resonator enthält einen isolierenden Körper, der durch ein Rohr gebildet ist, das beispielsweise aus Pyrex oder aus Siliziiimoxid besteht; auf der Außenwand des Rohres sind die Leiter von zwei Leitungen durch Metallisierung oder durch Aufkleben von Metallfolien, beispielsweise von Silberfolien, gebildet.

Zur Vereinfachung soll in der folgenden Beschreibung angenommen werden, daß es sich im vorliegenden Fall um eine Metallisierung handelt.

Der Klarheit wegen ist dieses Rohr T nur durch seine (metallisierte) Stirnfläche im oberen Teil der Zeichnung dargtstellt.

Ferner sind der Klarheit der Zeichnung wegen die

Maßstabverhältnisse nicht eingehalten worden. Ein Dimensionierungsbeispiel wird später angegeben.

Der erste Leitungsabschnitt ist bei dein Aiihführungsbeispiel von Fig. J ein Koaxialleitungsabschnitt, dessen beide Leiter 11 und 12 durch Metallisierungen gebildet sind, die über eine bestimmte Länge auf der Innenwand bzw. auf der Außenwand des Rohres augebracht sind. Da die beiden Leiter sehr nahe beieinanderliegen, wirkt dieser Leitungsabschnitt im wesentlichen kapazitiv, und er weist daher einen sehr kleinen Wellenwiderstand auf.

Der zweite Leitungsabschnitt isf ein Abschnitt einer Lecherleitung, die durch zwei Leiter gebildet ist, deren Querschnitte Kreisbögen sind, die sich über einen mehr oder weniger großen Zentriwinkel erstrecken, der jedoch ausreichend klein ist, so daß dieser Leitungsabschnill im wesentlichen induktiv wirkt und sein Wellenwiderstand groß gegen den Wellenwiderstand des ernten Leiuingsabschniüs ist. Der eine Leiter 21 des Leo.er-Leitungsabschnitts ist auf der Innenwand des Rohre·"· gebildet und der andere Leiter 22 auf der Außenwand des Rohres, damit diese Leiter mit dem Innenleiter 11 bzw. dem Außenleiter 12 des ersten Leitungsabschnitts verbunden werden können.

Das Kurzschließen des Resonators am oberen Ende erfolgt in diesem Fall durch einen kurzen Koaxialleitungsabschnitt, desien Leiter 31 und 32 am einen Ende mit dem Leiter 21 bzw. dem Leiter 22 verbunden sind, während der aus den Leitern 31 und 32 gebildete Koaxialleitungsabschnitt an ihrem anderen Ende kurzgeschlossen ist. Der Koaxialleitungs-Endabschnitt 31, 32 ermöglicht eine bessere Begrenzung des induktiven Teils des Resonators in der Längsrichtung und eine Verringerung der Energiestrahlung.

Nach unten h^;n ist der Leiter 11 des Koaxialleitungsabschnitts 11, 12 über den Leiter 12 hinaus bis zum unteren Ende des Rohres T verlängert, und diese Verlängerung ist über eine bestimmte Länge von einer Metallisierung 20 umgeben, die von dem Leiter 12 getrennt und auf der Außenwand des Isolierrohres gebildet ist; diese Metallisierung bildet zusammen mit dem Leiter 11 eine Kopplungskapazität.

Diese Kapazität kann entfallen, wenn der Leiter 20 bis zum unteren Ende des Rohres T und über die untere Stirnfläche des Rohres T derart verlängert wird, daß er elektrisch mit dem Innenleiter 11 verbunden ist.

In dem Außenleiter 12 ist in der Nähe des offenen Endes des Leitungsabschnitts 11, 12 mittels eines in der Metallisierung angebrachten Umfangsschlitzes ein Sektor 13 isoliert, der eine enge kapazitive Kopplung mit dem Innenleiter 11 aufweist.

Auf dem Sektor 13 ist bei 14 ein Leiter 15 angelötet, de. über einen einstellbaren Kondensator 16 mit dem Innenleiter eines Koaxialkabels 50 verbunden ist, welches den Resonator mit der Meßbrücke verbindet.

Ein zweiter Draht 18 ist bei 17 an dem Leiter 12 selbst angelötet; der Draht 18 ist mit Masse, mit dem Außenleiter des Koaxialkabels 50 und mit der eisten Belegung eines einstellbaren Kondensators 19 verbunden. Die zweite Belegung des Kondensators 19 ist mit dem einen Ende eines Leiters verbunden, dessen anderes Ende bei 26 an dem leitenden Ring 20 angelötet ist

Der Kondensator 16 ermöglicht die Anpassung des Resonators an das Kabel 50.

Der einstellbare Kondensator 19 ermöglicht die Verbesserung der Abstimmung, die durch die Dimensionierung des Resonators und die Kapazität 11 bis 20 erzielt ist.

In der Zeichnung ist ferner ein Probenträgerrohr 10 dargestellt, das koaxial zu den Koaxialleitungcn des Resonators angeordnet ist. Dieses Rohr, das an seinem oberen Teil von an sich bekannten Einrichtungen gehalten wird, ist hier abgebrochen dargestellt.

Es ist zu erkennen, daß bei dieser Ausführungsform die innere Belegung 11 des Koaxialleitungsabschnitts H, 12 eine Abschirmung bildet, die verhindert, daß die Abstimmfrequenz des Resonators durch die Einführung der Probe verändert wird.

Die Abmessungen können näherungsweise so berechnet werden, daß eine gegebene Abstimmfrequenz erhalten wird, wobei es am einfachsten ist, die Abstimmfrequenz genau durch die Erfahrung zu bestimmen. Unter sonst gleichen Voraussetzungen wächst die Abstimmfrequenz mit einer Verringerung der Länge der Leitungen.

Für eine Abstimmfrequenz von 240 MHz und ein Siliziumoxidrohr, dessen Wanddicke 0,5 mm beträgt, gelten beispielsweise folgende Abmessungen:

Länge des ersten Leitungsabschnitts: 45 mm, Länge des zweiten Leitungsabschnitts: 6 mm.

Länge des kurzgeschlossenen Leitungsabschnitts:

15 mm,

Außenradius der Koaxialleitungsabschnitte-

3,5 mm,

Zentriwinkel der Querschnitte der Leiter des zweiten Leitungsabschnitts: 50°.

F i g. 2 zeigt eine weniger vollkommene Ausführungsform, die jedoch den Vorteil aufweist, daß sie ohne weiteres aus einem Resonator mit zwei Lecher-Leitungsabschnitten der zuvor angegebenen bekannten Art erhalten werden kann.

Der Resonator enthält wieder ein Isolierrohr T, das nur durch seine Stirnfläche auf der Höhe der Trennstelle zwischen den beiden Leitungsabschnitten dargestellt ist.

Der erste Leciier-Leitungsabschnitt besteht aus zwei Leitern 111 und 112, deren Querschnitte Kreisbögen sind, die sich über einen Zentriwinkel von etwa 180^c erstrecken und die jeweils durch eine Metallisierung auf der Außenwand des Rohres gebildet sind.

Aus technologischen Gründen ist der Leiter 1 12 durch einen geschlossenen Ring 113 verlängert, der von dem Leiter 111 durch einen horizontalen Schlitz in der Metallisierung der Außenwand isoliert ist.

Der zweite Lecher-Leitungsabschnitt ist von gleicher Art wie der Lecher-Leitungsabschnitt von Jn Fig. 1, doch sind in diesem Fall seine beiden Leiter 101 und 102 auf der Außenwand des Isolierrohres gebildet, und sie erstrecken sich bei diesem Beispiel über einen kleineren Zentriwinkel. Der abschließende Kurzschluß ist durch einen einfachen leitenden Ring 103 gebildet.

Die Abschirmung erfolgt in diesem Fall durch ein leitendes Rohr 130, das durch eine innere Metallisierung des Rohres 7" gebildet ist, wobei diese Metallisierung die Innenseite des Rohres wenigstens auf der Höhe des oberen Teils des ersten Lecher-Leitungsabschnitts bedeckt und sich vorzugsweise bis zum unteren Ende des Resonators erstreckt.

Diese Abschirmung kann auf ein konstantes Potential gelegt werden, doch zeigt die Erfahrung, daß sie aurt auf einem feslpunktlosen Potential liegen kann.

Ferner ist in F i g. 2 ein Probenträgerrohr 110 dargestellt.

Die Verbindungen des Resonators mit den beiden Leitern des Koaxialkabels 150 für die Kopplung de? Resonators mit der Meßbrücke erfolgen mit Hilfe von Leiterdrähten 115 und 118, die bei 131 an einem Ende des Leiters 111 bzw. bei 132 an dem die Verlängerung des Leiters 112 bildenden zylindrischen Teil 113 angelötet sind. Der Draht 118 ist an Masse gelegt und andererseits über einen einstellbaren Abstimmkondensator 119 mit dem Draht 115 verbunden. Ein Anpassungskondensator 116 ist zwischen der Klemme 131 und dem Innenleiter des Kabels 150 in den Draht 115 eingefügt.

Auch diese Ausbildung ergibt einen Raum, der im wesentlichen frei von elektrischen Feldern ist, in dem Teil des Resonators, der eine große Kapazität aufweist, die durch das Vorhandensein der Probe gestört werden könnte.

Andererseits ergibt das Vorhandensein <_'er Abschirmung 130 in kleinem Abstand von den Leitern 111 und 112 eine Verringerung der Impedanz Z₁ de? ersten Leitungsabschnitts.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Resonator zur Aufnahme einer zu unter-

suchenden Probe für ein mit gyromagiietischer Resonanz arbeitendes Spektrometer, mit einem im

wesentlichen kapazitiv wirkenden ersten I.eitungs-

abschnitt und einem an diesen angeschlossenen zweiten Leitungsabschnitt, dessen zwei Leiter eine

im wesentlichen induktiv wirkende Lecherleitung bilden, deren Wellenwiderstand größer ist als der

Wellenwiderstand des ersten Leitungsabschnitts, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der Raum

innerhalb der Leiter des ersten Leitungsabschnitts

(11, 12; 111, 112) in der Nähe des zweiten Lei-

tungsabschnitts (21, 22; 101, 102) gegen, das von

dem ersten Leitungsabschnitt (11, 12; 111, 112) erzeugte elektrische Feld abgeschirmt ist.

2. Resonator ^h Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitungsabschn.tt eine Koaxialleitung ist und daß der Zwischenraum zwischen den beiden Leitern (11, 12) der Koaxialleitung klein gegen ihre Radien ist.

3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (12) der Koaxialleitung einen Schlitz aufweist, der einen kleinen Abschnitt (13) dieses Außenleiters (12) von dem übrigen Teil des Außenleiters (12) ringsum isoliert, und daß der Ausgang des Resonators durch zwei Drähte (15, 18) gebildet ist, von denen der eine Draht (15) m.t dem .solierten kleinen Abschnitt (13) und der ander! Draht 18 mit dem verbleibenden Teil des Außenleiters (12) verbunden ist.

4. Resonator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ^kennzeichnet, daß auf den zweiten Leitungsabschnitt eine dritte Leitung (31, 32) folgt, die eine am anderen Ende kurzgeschlossene Koaxial-

^leitunS^ist- _{J u}

5. Resonator nach Anspruch 1, dadurch ge-

kennzeichnet, daß der erste Leitungsabschnitt eine Lecherleitung ist, deren beide Leiter (111, 112) Querschnitte in Form von Kreisbögen haben. die sich über einen Winkel von etwas vveniger als 180° erstrecken, und daß ein zy indnsches Metallrohr (130) im Innern des zyl.ndrischen Raumes angeordnet ist. der im wesentliehen durch die beiden Leiter der ersten Leitung begrenzt ist.

^_n Gleichfeldes /i„ aiis- ^ _im Resonator erzeug-W

dem Resonator autwei
der Wirkung eines mag