Spindetektor für die Kernresonanzspektroskopie
Die Erfindung betrifft einen Spindetektor für die Kernresonanzspektroskopie unter Verwendung einer HF-Brückenschaltung mit einem die Probe enthaltenden Schwingkreis und einem Vergleichsschwingkreis.
Die Auswahl der Spindetektoren richtet sich hauptschlich nach der Art und den interessierenden Eigenschaften der mittels Kernresonanz zu untersuchenden Probe. Zur Erreichung starker Signalintensitäten ist es wichtig, die magnetische Induktion für das notwendige magnetische Gleichfeld Ho möglichst hoch zu wählen (z. B. bis 1, 8 Vs/m2 bei 4 cm nutzbaren Polflächenab- stand und ausreichender Homogenität). Um die Resonanz der zu messenden Kernsorte anzuregen, ist es erforderlich, ein kleines magnetisches Wechselfeld HL senkrecht zur Richtung des Gleichfeldes auf die Probe wirrken zu lassen.
Die Frequenz des Wechselfeldes ergibt sich aus der Larmorbeziehung zozo = Yi Ho (1) y ; = gyromagnetisches Verhältnis der entsprechenden Kernsorte.
Aus der Beziehung 1 resultiert für die in Betracht kommenden Kernsorten unter Berücksichtigung der er wähnten Bedingung für grosse Signalintensitäten ein Frequenzbereich des Wechselfeldes von # 4 bis : 70 MHz.
Es ist nützlich, die einzelnen Kernsorten unter dem Gesichtspunkt ihrer Untersuchung bei möglichst hohen Feldstärken des Gleichfeldes in einzelne Gruppen zusammenzufassen.
Für jede Gruppe ergibt sich dann eine bestimmte feste Frequenz für das zugehörige Wechselfeld (z. B. fünf Gruppen, Bereich der magnetischen Induktion für jede Gruppe-0, 7-1, 6 Vs/m, für jede Gruppe eine feste Frequenz des HI-Feldes im Bereich 4 e 62 MHz).
Als Spindetektoren werden hauptsächlich HF-Brük- kenschaltungen verwendet, da sie allen auftretenden Problemen (Vermeidung der Sättigung des Spinsystems, grosse Empfindlichkeit usw.) am besten gerecht werden.
Die Fig. 1 zeigt das Schema einer solchen Brücken- schaltung. Bei diesen ist ein HF-Generator mit der ausgewählten Messfrequenz coO und der einstellbaren Amplitude, u an den Brückeneingang geschaltet.
Nach vollständigem Abgleich, sowohl nach Phase und Amplitude, tritt zwischen den Punkten 1-1'keine HF-Spannung der Frequenz (o,, auf. Ein Schaltelement der Brücke, meistens die Spule eines Schwingkreises, enthält die Probe. Wird die Resonanzbedingung der Gleichung (1) eingestellt, so kommt die Brücke infolge des jetzt veränderten Probeneinflusses auf das erwähnte Schaltelement aus dem Gleichgewicht und zwischen den Punkten 1-1'tritt nach Massgabe des veränderten Probeneinflusses eine HF-Spannung der Frequenz wu auf.
Diese Spannung wird verstärkt und registriert, wobei die 1. HF-Verstärkerstufe aus Empfindlichkeits- und Anpassungsgründen gleich mit auf dem Brückenchassis montiert wird. Die Verbindung mit der nachfolgenden Registriereinrichtung erfolgt durch HF-Kabel.
Als HF-Brückenschaltung für Kernresonanzuntersuchungen ist vor allem die Doppel-T-Schaltung bekannt, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist.
Um sämtliche, für die Kernresonanzspektroskopie zugängliche Kernsorten untersuchen zu können, müsste sich die Brücke bei allen dafür erforderlichen Frequenzen abgleichen lassen.
Der Abgleich der Brücke lässt sich aber exakt nur bei einer Frequenz und angenähert nur in einem sehr kleinen Bereich um diese Frequenz herum erreichen.
Der Nachteil besteht darin, dass ein Abgleich für die einzelnen ausgewählten Frequenzen im Bereich bis zu 60 MHz die entsprechende entsprechende Veränderung der Kondensatoren Cl ; Cg ; C3 ; C4 ; Co und der Spule L bedingt.
Man muss daher im Falle der Doppel-T-Brücken für jede Arbeitsfrequenz jeweils eine komplette Brücke aufbauen.
Daneben ist die in der Fig. 3 dargestellte Brückenschaltung bekannt. Diese Brücke ist völlig symmetrisch aufgebaut. Die beiden Schwingkreise werden auf die gleiche Frequenz abgestimmt, sie sollen auch die gleiche Güte haben. Im Punkt H subtrahieren sich die Spannun- gen der beiden Brückenzweige und ergeben bei korrekter Dimensionierung der 2-Leitung zwischen den Punkten B-B'keinen Spannungswert. Erst durch den resonanzbedingten Einfluss der Probe auf den einen Schwingkreis gerät die Brücke wieder aus dem Gleichgewicht und zwischen den Punkten B-B'tritt als Mass dafür eine Spannung der Frequenz (o,, auf. Geringe Amplitudenänderungen für den Abgleich werden durch die Kondensatoren Ci erreicht.
Im allgemeinen werden die HF- Brücken nicht völlig abgeglichen, um je nach Art des verbleibenden Brückengleichgewichts einwandfreie Absorptions-oder Dispersionssignale zu erhalten.
Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass eine 2-Leitung verwendet wird. Diese ist für den Betrieb der Brücke im Frequenzbereich von 4 bis 60 MHz unbequem. Sie muss neben der Spule L für jede Arbeitsfrequenz ausgewechselt werden.
Eine weitere Brückenschaltung arbeitet mit einem Ubertrager (Fig. 4). In dieser Brückenschaltung wird die HF-Spannung den beiden Brückenzweigen durch den Übertrager mit entgegengesetzter Phase entnommen bzw. zugeführt. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass es sehr mühevoll ist, für die einzelnen Arbeitsfrequenzen die Symmetrierung und Anpassung des Ubertragers durchzuführen. Ausserdem müssen die Spulen L auch hier gegen passende Spulen ausgewechselt werden.
Für den automatischen Phasenabgleich ist es bekannt, den Brückenschaltungen Regelschaltungen nachzuordnen.
Zweck der Erfindung ist es, den technischen Aufwand und die Einstellschwierigkeiten gegenüber den bekannten Anordnungen zu verringern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spindetektor mit automatischem Phasenabgleich unter Verwendung einer HF-Brückenschaltung mit einem sol chen Ubertragerglied zu schaffen, bei dem sich bis zu hohen Frequenzen, die für die Schaltung wichtigen Parameter nur wenig ändern.
Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass im Eingang der Brückenschaltung eine, zwei gegenphasige Spannungen erzeugende, Röhren-oder Transi storschaltung angeordnet ist, und dass für den automatischen Phasenabgleich einem der Schwingkreiskondensatoren ein von einem Niederfrequenz-Oszillator angesteuerter Kondensator mit spannungsabhängiger Kapazität parallelgeschaltet ist und am Brückenausgang eine Regelschaltung liegt, welche einen HF-Verstärker, einen AM-Demodulator, einen Schmalbandverstärker und einen phasenempfindlichen Gleichrichter aufweist, wobei der phasenempfindliche Gleichrichter sowohl mit dem Niederfrequenzoszillator als auch mit dem Kondensator spannungsabhängiger Kapazität verbunden ist.
Zur Erzeugung der zwei gegenphasigen Spannungen kann im Eingang der Brückenschaltung eine Triode angeordnet sein. Als Kondensator mit spannungsabhängiger Kapazität kann eine Kapazitätsdiode angeordnet sein.
Mit dieser Schaltungsanordnung wird erreicht, dass bei jeder Arbeitsfrequenz nur die Spule mit der Probe innerhalb des Magnetfeldes ausgewechselt werden muss, während die entsprechenden Vergleichsspulen durch Umschalten in die Brücke eingebracht werden.
Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen :
Fig. 5 eine Brückenschaltung gemäss der Erfindung,
Fig. 6 a-c Abgleichskurven,
Fig. 7 eine Brückenschaltung gemäss der Erfindung mit Phasenabgleichautomatik.
Im Eingang der Brückenschaltung liegt eine Triode 1, die als Phasenumkehrstufe arbeitet.
An dieser Robre liegen Kondensatoren Cl, die bei allen Arbeitsfrequenzen einen hohen Widerstand darstellen, damit die zum Resonanzeffekt gehörende Spannung des Kreises am grössten wird. Die Brückenschaltung enthält Spulen Lt und L. Die Spule L, ist die Probenspule. Sie ist für die Arbeitsfrequenz so dimensioniert, dass sie zusammen mit einem Kondensator C3 einen Schwingkreis bei der Frequenz coO ergibt. Die Spule Li ist entsprechend der gewählten Frequenz auswechselbar. Der Vergleichskreis besteht aus einem Kondensator C4 und entsprechend der gewählten Frequenz aus einer der Spulen L2-
Der Aufbau der beiden Kreise ist annähernd gleich und sie sollen auch annähernd die gleiche Güte haben.
Widerstände Ri, R werden für den besten Arbeitspunkt der Röhrenstufe dimensioniert.
Einer der Widerstände-im vorliegenden Fall R2 ¯ ist variabel. Durch Veränderung dieses Widerstandes wird bereits ein Amplitudenabgleich erreicht. Geringe Phasenunterschiede können mit dem Kondensator C3 oder mit dem Kondensator Cl, falls dieser nicht fest ist, ausgeglichen werden.
Zur Anpassung der Brücke an den nachfolgenden HF-Verstärker sind Kondensatoren C2 angeordnet.
Die gesamte Brückenschaltung mit dem nachfolgen- den HF-Verstärker arbeitet für jede ausgewählte Frequenz innerhalb eines bestimmten Bereiches, z. B. zwischen 4 bis 62 MHz. Beim Ubergang auf eine andere Frequenz braucht nur die Spule Lj innerhalb des Ma gnetspaltes ausgewechselt zu werden und die entsprechende Spule La des Vergleichskreises durch einen Schalter parallel zum Kondensator C4 geschaltet werden.
In der Fig. 7 wird gezeigt, wie die Brückenschaltung in einer automatischen Phasenabgleichsautomatik arbeitet. Bekanntlich ist für den Wert eines Spindetektors die Einstellung der Eindeutigkeit des Abgleichs (Phasenabgleich oder Amplitudenabgleich) zum Nachweis reiner Kernresonanz-Absorptions-oder Dispersionssignale sehr wichtig. Zum Nachweis reiner Kernresonanz-Absorp- tionssignale benutzt die hergestellte Phasenabgleichsautomatik den Umstand, dass ab einem bestimmten Grad des Abgleichs durch geringfügige Veränderung der Kondensatoren C3 oder C4 im wesentlichen nur noch der Phasenabgleich vorgenommen wird. Vor dem erwähnten Abgleichgrad beeinflussen diese Kondensatoren sowohl den Phasen-als auch den Amplitudenabgleich.
Die Fig. 6 a-c zeigt die verschiedenen Abgleichfälle.
In Fig. 6a liegt für die Arbeitsfrequenz f. exakter Phasen-und Amplitudenabgleich vor. In der Fig. 6b ist zwar ein exakter Phasenabgleich vorhanden, aber kein vollständiger Amplitudenabgleich und in der Fig. 6c sind beide unvollständig.
Für die Aufnahme der Abgleichkurven wird die Brückeneingangsspannung konstant gehalten.
In den Fällen der Fig. 6b und c soll der Abgleich für die Frequenz fi bereits den erwähnten Grad haben ,..Braekenausgang(')., (im allgemeinen :-------.---..-)
PBrUckeneingang -'j 1UUU Ändert man im Fall der Fig. 6b z. B. den Kondensator C3 periodisch um einen hinreichend kleinen Betrag +AC, so wird der Abgleich im Punkt E der Abgleichkurve gleichfalls periodisch geändert.
Um die Kapazität des Kondensators C3 periodisch zu ändern, schaltet man diesem die Sperrschichtkapazität einer Kapazitätsdiode D parallel. Legt man an diese Sperrschichtkapazität eine Wechselspannung passender Amplitude und Frequenz (¯ 2 bis 10 kHz), so ändert sich die Sperrschichtkapazität mit derselben Frequenz und damit auch in gewünschtem Masse die Kapazität des Kondensators C3. Die Amplitude der an die Diode gelegten Wechselspannung bestimmt auch die Grosse der Anderung der Sperrschichtkapazität und damit auch des Kondensators C3.
Infolge der Lage des Arbeitspunktes E auf der Abgleichkurve wird die Brückenausgangsspannung (Brük- kenausgang) bei passend kleiner Anderung AC um den für den Punkt E charakteristischen Wert des Kondensators C3 nur eine minimal kleine Amplitudenmodulation (der Frequenz ¯ 2 bis 10 kHz) aufweisen. Wird der Kondensator C3 aber dahingehend verändert, dass der Punkt F auf der Abgleichkurve erreicht wird, dann wird die Brückenausgangsspannung eine wesentlich starkere Amplitudenmodulation zeigen bei gleichem Änderungsbetrag des Kondensators C3 um den Betrag A C.
Diese amplitudenmodulierte Brückenausgangsspan- nung wird durch einen HF-Verstärker für die Frequenz f"verstärkt. Nach AM-Demodulation wird die Modulationsfrequenz schmalbandig verstärkt und nach Passieren eines Phasenschiebernetzwerkes in einem phasenempfindlichen Gleichrichter mit der für die Aussteuerung der Kapazitätsdiode D erforderlichen Wechselspannung der gleichen Frequenz verglichen. Phasenmässig ist die nach der AM-Demodulation erhaltene Modulationsfrequenz je nach Lage des Arbeitspunktes auf der Abgleichkurve (F oder G) um 180 gegeneinander verschoben.
Nach Vergleich im phasenempfindlichen Gleichrichter erhält man danach entweder eine + oder-Gleich- spannung (im Fall des Arbeitspunktes E die Gleichspannung Null Volt), die unter Berücksichtigung der Gegensinnigkeit ebenfalls der Sperrschichtkapazität der Kapazitätsdiode zugefuhrt wird und die Kapazität des Kondensators C3 dermassen verändert, dass der Punkt B auf der Abstimmkurve erreicht wird.