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Dokumentenidentifikation DE68925143T2 15.05.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0336591
Titel Schaltungsanordnung mit doppelter Abstimmung für die verteilt lokalisierte Kapazität von Empfangsspulen
Anmelder Varian Associates, Inc., Palo Alto, Calif., US
Erfinder Zens, Albert P., Fremont California 94536, US
Vertreter Eisenführ, Speiser & Partner, 28195 Bremen
DE-Aktenzeichen 68925143
Vertragsstaaten CH, DE, GB, LI, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 17.03.1989
EP-Aktenzeichen 893026583
EP-Offenlegungsdatum 11.10.1989
EP date of grant 20.12.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse G01R 33/36

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Hochfrequenz-Sondenschaltungen in Zusammenhang mit magnetischen Kernresonanzvorrichtungen und insbesondere mit solchen Vorrichtungen, die eine Zweikreissonde erfordern.

Bei einer Zweikreisschaltung handelt es sich um eine Schaltung, die für mindestens zwei diskrete Frequenzen eine Resonanzbedingung aufweist. Auf dem Gebiet der magnetischen Kernresonanz-(NMR)-Instrumente hat man den Bedarf für eine solche Anordnung unter verschiedenen Umständen festgestellt. Einer dieser Umstände liegt vor, wenn gewünscht wird, eine Probe mit einer hohen Frequenz für einen Zweck zu bestrahlen, während die Probe gleichzeitig mit einer relativ niedrigen Frequenz für einen anderen Zweck bestrahlt wird. Dies ist typisch für ein Entkopplungsexperiment, wofür ein Beispiel die Entkopplung von Kohlenstoff 13-Wasserstoffbindungen durch getrennte Anregung der Kohlenstoff 13-Resonanz ist.

Eine Variation einer solchen Anordnung ist die gleichzeitige Anregung oder Beobachtung chemisch verschiedener Proben, wobei eine solche Probe zur Kontrolle für instrumentale Zwecke dient, z.B. durch Herbeiführen einer Teilfrequenzkopplung, während die zweite Probe unter Beobachtung ist. Ein Beispiel hierfür kann man in der U.S. 3,434,043 finden. Ein ähnlicher Umstand ist der Wunsch, gleichzeitig verschiedene ausgewählte Kerne zur Erfassung der entsprechenden spektralen Antwort anzuregen.

Eine Zweikreisschaltung verwendet normalerweise eine einzige Induktivität, die den beiden Resonanzkreisen gemeinsam ist. Jeder Kreis einer solchen Anordnung ist getrennt abgestimmt und auf seine jeweilige Hochfrequenzquelle (oder -senke) impedanzangepaßt. Was bei einer solchen Anordnung erforderlich ist, ist ein Sperrelement zwischen der Hochfrequenz- und der Niederfrequenzquelle. Es sind Zweikreisschaltungen bekannt, die ein Kabel der Länge λ/4 (bei der hohen Frequenz) verwenden, um eine solche Sperrstrecke bereitzustellen. Siehe beispielsweise Stoll, Vega und Vaughan, Rev. Sci. Inst., Bd. 48, S. 800- 803 (1977). Symmetrische Schaltungen mit elektrischer (z.B. hochfrequenter) Symmetrie sind ebenfalls für den Zweck der Unterstützung von Zweikreis-Vorrichtungen bekannt. Solche Schaltungen weisen neben anderen Eigenschaften den Vorteil auf, daß eine Symmetrieebene (oder eine andere Oberfläche) definiert ist, die die Eigenschaft elektrischer Neutralität hat, d.h. eine virtuelle Erde darstellt.

Von induktiven Elementen in Hochfrequenz-Sondenschaltungen ist bekannt, daß sie "geteilte Induktivitäten" enthalten, wie dies in der Veröffentlichung von Alderman und Grant, J. Mag. Res., Bd. 36, 5. 447-451, (1979), gelehrt wird. Diese Veröffentlichung beschreibt die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1, und die Erfindung ist in dem Kennzeichen des Anspruchs 1 dargelegt.

Entsprechend der Erfindung wird eine symmetrische Zweikreis-Sondenschaltung mit geteilter Indutkivität für eine NMR-Vorrichtung bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.

Ein Beispiel der Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert; es zeigen:

Fig. 1 den allgemeinen Zusammenhang eines die Erfindung verwirklichenden Systems;

Fig. 2 ein Schaltschema, das die Erfindung allgemein beschreibt;

Fig. 3a ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3b eine Frequenzgang-Simulierung für die Schaltung der Fig. 3a;

Fig. 4a ein einfaches Modell einer Zweikreisschaltung mit einer Induktivität;

Fig. 4b eine Frequenzgang-Simulierung für die Schaltung der Fig. 4a;

Fig. 5 eine elementare Zweikreisschaltung.

Fig. 6 vergleicht die Wirkungsgrade der Zweikreisschaltungen der Fig. 3a, 4a und 5.

Abschnitte eines typischen NMR-Datenerfassungsinstruments sind in der Fig. 1 schematisch dargestellt. Ein Erfassungs-/Steuerprozessor 10 kommuniziert mit einem Hochfrequenz-Sender 12, einem Modulator 14 und einem Empfänger 16, der einen Analog-/Digital-Wandler 18 und einen weiteren Prozessor 20 enthält. Die modulierte Hochfrequenzenergie bestrahlt über eine Sondenbaugruppe 22 ein Objekt (nicht dargestellt) in einem Magnetfeld 21, und die Antwort des Objektes wird von der mit dem Empfänger 16 kommunizierenden Sonde 22 erfaßt. Die Antwort nimmt typischerweise die Form eines transienten Schwingungssignals oder einer frei abklingenden Induktivität an. Diese transiente Wellenform wird in regelmäßigen Abständen abgetastet, und die Abtastwerte werden im ADC 18 digitalisiert. Die zeitlich digitalisierte Wellenform wird dann in dem Prozessor 20 einer Weiterverarbeitung unterzogen. Die Art einer solchen Verarbeitung kann die Mittlung einer zeitabhängigen Wellenform mit einer Anzahl ähnlicher solcher Wellenformen enthalten, und die Wandlung der gemittelten zeitabhängigen Wellenform zu der Frequenz ergibt eine spektrale Verteilungsfunktion, die an ein Ausgabegerät 24 übergeben wird. Das letztgenannte kann einer beliebigen Identität aus einer Anzahl solcher Geräte zur Anzeige weiterer Analysen und Daten entsprechen.

Das Magnetfeld 21, das die Probe polarisiert, wird durch eine geeignete Einrichtung aufgebaut, die in der Fig. 1 in einem Kryostat 23 zur Aufrechterhaltung einer supraleitenden Phase in einer (nicht dargestellten) Magnetspule dargestellt ist. Der Kryostat umfaßt eine Bohrung 23a, in der die Sonde und die Probe bei Raumtemperatur untergebracht sind.

Nunmehr sei auf die Fig. 2 verwiesen, die eine repräsentative Schaltung einer symmetrischen Zweikreis-Hochfrequenzsonde mit geteilter Induktivität darstellt, geeignet für Experimente, für die die Zweikreiseigenschaft in einem Probenvolumen erforderlich ist, das in einem geometrischen Sinn zwischen den Induktivitäten L&sub1;(a) und L&sub1;(b) begrenzt ist. Die Schaltungsanordnung gestattet das Anlegen der niederfrequenten Hochfrequenz an 32, so daß sie durch L&sub2;(a) und damit über die L&sub1;(b), L&sub2;(c), L&sub1;(a) und L&sub2;(b) umfassende Schleife nach Masse geführt wird. Gleichzeitig wird die hochfrequente Hochfrequenz bei 36 angelegt und breitet sich in der induktiven Schleife L&sub1;(a) und L&sub1;(b) aus, und die Induktivität L&sub2; repräsentiert parallele Strompfade.

Physikalische Implementierungen dieser Schaltung unterliegen in bestimmten Vorrichtungen Einschränkungen. So ist beispielsweise in analytischen NMR-Instrumenten die Sonde typischerweise innerhalb der Bohrung eines supraleitenden Magneten untergebracht. Eine Induktivität L&sub2;(c) zum Halten der niederfrequenzen Hochfrequenz bringt Probleme bei der Minimierung der Kopplung einer solchen Saugspule mit den Indukti vitäten L&sub1;(a) und L&sub1;(b) mit sich. Es ist von Vorteil, die Sauginduktivität in verteilter Form als ein (im wesentliches) λ/4-Kabel zu verwirklichen. Der symmetrische Charakter der Schaltung wird bestärkt durch eine virtuelle Masse VG.

Nunmehr sei auf die Fig. 3a verwiesen, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Verwirklichung der gewünschten Schaltung darstellt. Ein Paar H-förmiger Leiter 40 und 42 ist mit Armen und Schenkeln ausgeführt und so konfiguriert, daß es einen zylindersymmetrischen Körper bildet. Der zentrale Abschnitt des H-förmigen Elements ist parallel zur Symmetrieachse. Die entsprechenden Arme sind elektrisch durch Chip-Kondensatoren 44 und 45 verbunden, und die angrenzenden Schenkel sind in ähnlicher Weise durch Chip-Kondensatoren 46 und 47 verbunden. Die H-förmigen Leiter 40 und 42 bilden ein Paar induktiver Elemente (durch Implementierung der Induktivitäten L&sub1;(a) und L&sub1;(b)), und der Kopplungskoeffizient dieser Induktivitäten beträgt annähernd Eins. Jede Induktivität ist an einem Ende mit einer Resonanzstruktur verbunden, die für die gewählte hohe Frequenz eine relativ hohe Impedanz darstellt. Das andere Ende jedes der H-förmigen Elemente 40 und 42 ist jeweils mit einer ähnlichen Resonanzstruktur 60 bzw. 62 mit ähnlichen Eigenschaften verbunden. Diese implementieren die Sauginduktivität L&sub2;(c). Die niederfrequente Anregung wird von einem Anschluß 64 über einen Anpassungskondensator 65 an einen Resonator 60 geliefert. Der entsprechende Resonator 62 ist über einen Kondensator 68 mit Masse gekoppelt, und die Resonatoren sind sind kapazitiv über einen variablen Kondensator 69 gekoppelt. Die hochfrequente Hochfrequenz wird an einem Anschluß 66 über einen Kondensator 67 an das induktive Element 42 und parallel zu einem Kondensator 56 an Masse gelegt. Die Resonanzstrukturen 50, 52, 60 und 62 können mit Koaxialkabeln einer Länge, die λ/2 nicht überschreiten darf, verwirklicht werden. Kapazitäten 49, 51, 61 und 65, die hier deutlich gezeigt sind, dienen zur Abgleichung der Übertragungsleitung und damit zur Einstellung ihrer effektiven Länge.

Die Fig. 3b zeigt den simulierten Frequenzgang für die Schaltungskomponenten der Schaltung gemäß Fig. 3a wie folgt:

Bezugszeichen Wert Dämpfung:

In diesem Beispiel finden sich mehrere Neben- oder Störresonanzen. Die Lage solcher Artifakte hängt von den Einzelheiten der Schaltungselemente ab. Auch wenn sie als "störend" gekennzeichnet sind, bedeuten solche Artifakte reaktive Kopplungen, die als (eine) zusätzliche (unsymmetrische) Schaltungsschleife(n) umfassend analysiert und durch ein entsprechendes Resonanzverhalten charakterisiert werden können. Wenn also zusätzliches diskretes Resonanzverhalten wünschenswert ist, so kann ein solcher Frequenzgang diesem Zweck angepaßt werden. Die Schaltung ist symmetrisch und durch ein virtuelle Masseebene so gekennzeichnet, daß es unnötig ist, eine reelle Masse an den Kapazitäten 54 und 56 herzustellen (diese Kapazitäten können einfach miteinander verbunden werden). Das Vorhandensein oder das Fehlen einer reellen Masse an solchen Punkten der virtuellen Symmetrieachse wird den Charakter der Neben- oder Störresonanzen beeinflussen.

Eine Güteziffer für die Leistung der Zweikreissonde der Fig. 2 und 3a kann aus dem hochfrequenten Strom (400 MHz) abgeleitet werden, der in der die Induktivitäten (L&sub1;(a) und L&sub1;(b)) umfassenden Schleife, bezogen auf eine Einheit der an den Eingang 36 oder 66 angelegten hochfrequenten Leistung, zirkuliert. Für die obenangegebenen Parameter beträgt diese 839 mA/W1/2. Eine entsprechende Güteziffer für den niederfrequenten (100 MHZ) Strom beträgt 1405 mA/W1/2. Diese Ziffern sind bei einer Zweikreisschaltung kleiner als die, die für eine entsprechende abgestimmte Einzelspule mit derselben Induktivität erzielt werden können. Als Referenz sei eine abgestimmt Spule mit derselben Induktivität und mit Q = 400 bei 400 MHz und Q proportional zur Quadratwurzel aus der Frequenz angenommen. Die Werte der entsprechenden Güteziffern für jeweiligen Frequenzen lauten 1142 mA/W1/2 (bei 400 MHz) und 1615 mA/W1/2 (bei 100 MHz). Somit weist die Zweikreissonde der Erfindung im Vergleich mit der Referenzspule einen relativen Wirkungsgrad von 0,734 bei 400 MHz und von 0,870 bei 100 MHz auf.

Eine besonders nützliche Perspektive zur Betrachtung der Wirksamkeit einer Sonde kann sich ergeben, indem man die Impulsdauer bei 1 W Eingang betrachtet, die erforderlich ist, um eine 90º Mutation eines resonanten Kernspinsystems zu erhalten. Für Protonen bei 400 MHz benötigt die Referenzspule 19,2 us, und die Gegenstand der Erfindung bildende Zweikreissonde benötigt 26,2 us. Für C¹³ bei 100 MHz benötigt die Referenzspule 54,1 us, und die Gegenstand der Erfindung bildende Zweikreissonde benötigt 62,2 us.

Einen weiteren realistischen Leistungsvergleich kann man mit einer symmetrischen Modell-Zweikreisschaltung mit einer Induktivität, wie in der Fig. 4a gezeigt, anstellen. Die Parameter der Modellschaltung sind so eingestellt, daß man die gleiche (simulierte) Leistung (Fig. 4b) wie mit der Schaltung der Fig. 3a erhält. Damit liegen die Resonanzfrequenzen fest, und eine einzige Induktivität 70 der Modellschaltung liefert dieselbe Gesamtinduktivität wie bei Verwendung der geteilten Induktivitäten 40 und 42. Die den Resonatoren 60 und 62 entsprechenden resonanten hochfrequenten Impedanzen werden von entsprechenden Resonatoren 72 und 76 mit entsprechenden Abstimmkapazitäten 74 und 78 bereitgestellt. In der bevorzugten Form eines Koaxialkabels sind die Resonatoren 72 und 76 notwendigerweise doppelt so lang wie für die Leistung gemäß Fig. 3a erforderlich ist, bei anderweitig identischem Kabel.

Die jeweiligen Werte der Schaltungskomponenten (übereinstimmend mit den Einschränkungen) für die Modellschaltung (Fig. 4a) sind wie folgt:

Kapazitäten Wert

Koaxialleitungen:

Z&sub0; = 77 Ω; Länge = 0,125 m; Dämpfung = 0.040 dB.

Das Modell kann auch auf dieselbe Weise mit der Referenzspule verglichen werden wie die erfindungsgemäße Zweikreissonde. Der relative Wirkungsgrad des Modells bei 400 MHZ ist 0,733 und bei 100 MHz 0,893. Damit kommt die erfindungsgemäße Zweikreissonde nahe an die Leistung einer Modell-Zweikreissonde (mit einer Induktivität) heran.

Die Fig. 5 zeigt ein elementares Beispiel einer Zweikreisschaltung mit einer Sperrleitung zwischen dem hoch- und niederfrequenten Kanal. Abstimmkapazitäten 92 und 94 für den hoch- und niederfrequenten Kanal weisen Werte von 4,56 pF bzw. 27,31 pF auf. Anpassungskapazitäten 96 und 98 für den hoch- und niederfrequenten Kanal weisen Werte von 0,63 pF bzw. 3,12 pF auf.

Der Vergleich der vorliegenden Erfindung mit der Modellschaltung der Fig. 4a, abgestimmt auf 200 MHz und 50 MHz, und mit der elementaren Zweikreisschaltung der Fig. 5, abgestimmt auf 200 MHz und 50 MHz, wird durch Prüfung der Fig. 6 erleichtert, die für Schaltungen berechnet ist, die bei einer hohen Frequenz von 200 MHZ und einer niedrigen Frequenz von 50 MHz arbeiten. Der Wirkungsgrad sowohl für den hoch- als auch den niederfrequenten Kanal ist für jede dr Schaltungen der Fig. 3a, 4a und 5 als eine Funktion der Gesamt-Sauginduktivität dargestellt. Für jede dieser Schaltungen gibt es eine praktische Grenze für die erreichbare Saugindiktivität. Für die hierin beschriebenen Koaxialelemente wird diese Grenze bei λ/2 wirksam. (Für punktförmig verteilte Kapazitäten wird eine ähnliche Grenze durch Streuindiktivitäten zwischen den Wicklungen der Induktivität wirksam). Die vorliegende Erfindung erlaubt die Verwendung größerer Sauginduktivitäten (L = 4 beliebige Einheiten) mit dem Ergebnis, daß der begrenzende Wirkungsgrad des hochfrequenten Kanals im Vergleich zu den Fig. 4a und 5 erhöht wird, auch wenn dies zu Lasten des niederfrequenten Kanals geschieht. Der Kompromiß wird jedoch durch die Notwendigkeit gerechtfertigt, daß im hochfrequenten Kanal die Verwirklichung eines höheren Wirkungsgrades gewünscht ist, was anderweitig nicht möglich ist. Die Erweiterung der vorliegenden Erfindung auf einen höheren Hochfrequenz-Wirkungsgrad ist durch zusätzliche Segmentierung der Induktivität L&sub1; (der NMR-Beobachtungsspule) in eine weitere Anzahl von Segmenten mit gleichzeitiger zusätzlicher Sauginduktivität möglich.

In der vorliegenden Erfindung bringt die Verwendung geschirmter Koaxialkabel für die Sauginduktivitäten (50 und 52) und die Induktivitäten 60 und 62 zwei sehr nützliche mechanische Konstruktionsvorteile mit sich. Die Achsensymmetrie wird in einer Axialstruktur leichter eingehalten. Dies stellt eine häufig gewählte Geometrie dar, z.B. daß die Symmetrieachse mit dem polarisierenden Magnetfeld und der mechanischen strukturellen Achse des Magneten zusammenfällt. Bei einer solchen Geometrie ist die Implementierung der Fig. 3a vorteilhaft, da es die symmetrische Beschaffenheit der Schaltung gestattet, daß die Schaltung physikalisch entlang der Symmetrieachse des Magneten verteilt ist.

Geschirmte Koaxialkabel minimieren außerdem starke induktive Kopplungen zwischen beispielsweise den Sauginduktivitäten L&sub2;(c) und L&sub1;(a) oder L&sub1;(b). (Siehe Fig. 2).


Anspruch[de]

1. Zweifach abgestimmte symmetrische Sondenschaltung mit geteilter Induktivität für eine magnetische Kernresonanzvorrichtung (NMR), mit wenigstens einem Paar H-förmiger leitfähiger Elemente (40, 42), die derart zusammen konfiguriert sind, daß sie eine im wesentlichen zylindrische Form aufweisen, wobei die H-förmigen Elemente jeweils einen zentralen Abschnitt parallel zur Achse der zylindrischen Form und ein Paar Armabschnitte und ein Paar Schenkelabschnitte aufweisen, wobei die ersten und die zweiten Armabschnitte sowie die ersten und die zweiten Schenkelabschnitte des ersten Elements beabstandet von entsprechenden ersten und zweiten Armabschnitten sowie ersten und zweiten Schenkelabschnitten des zweiten Elements angeordnet sind und über dazwischen angeordnete kapazitive Elemente (44-47) miteinander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Armabschnitte des ersten Elements über eine erste Sauginduktivität (52) mit dem Erdpotential verbunden sind und die Armabschnitte des zweiten Elements über eine zweite Sauginduktivität (50), wobei die Sauginduktivitäten gleiche Werte aufweisen,

(b) die Schenkelabschnitte des ersten Elements über miteinander verbundene Kapazitäten (54,56) gleicher Größe an die Schenkelabschnitte des zweiten Elements angeschlossen sind,

(c) die Schenkelabschnitte des ersten Elements desweiteren an eine erste Hauptinduktivität (62) und dann über eine erste Hauptkapazität (68) an das Erdpotential angeschlossen sind,

(d) die Schenkelabschnitte eines Elements über eine Eingangs- Kapazität (67) an eine erste Hochfrequenzenergiequelle angeschlossen sind,

(e) die Schenkelabschnitte des zweiten Elements an eine zweite Hauptinduktivität (60) und dann über eine zweite Hauptkapazität (65) an eine zweite Hochfrequenzenergiequelle (64) angeschlossen sind, wobei die ersten und zweiten Hauptinduktivitäten (62, 60) einen gleichen Wert aufweisen, die ersten und zweiten Hauptkapazitäten (68, 65) einen gleichen Wert aufweisen, und wobei die zweite Hochfrequenzenergiequelle (64) eine niedrigere Frequenz aufweist, als die erste Hochfrequenzenergiequelle (66), und daß

(f) eine Brückenkapazität (69) zwischen einem Punkt zwischen der ersten Hauptinduktivität (62) und der ersten Hauptkapazität (68) und einem Punkt zwischen der zweiten Hauptinduktivität (60) und der zweiten Hauptkapazität (65) geschaltet ist.

2. Sonde nach Anspruch 1, bei der die miteinander verbundenen Kapazitäten (54, 56) eine gemeinsame Verbindung zum Erdpotential aufweisen.

3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, bei der jedes der kapazitiven Elemente (44-47) ein in Reihe geschaltetes Paar gleichwertiger Kapazitäten aufweist und die gemeinsame Verbindung dazwischen mit dem Erdpotential verbunden ist.







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