DE2103340B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Fein stabilisierung der magnetischen Feld starke eines Kernresonanzspektrometers - Google Patents

Description

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Zuführung der Gleichstromkomponente zu der Fein- tung der erzeugten Empfängerspannung sind nicht

Stabilisierungsspule notwendig. Bei dem bekannten dargestellt. Bei den anderen nachfolgend beschriebe-

Verfahren werden Helmholtz-Spulen zur Feinstabili- nen Ausführungsbeispielen wird ein noch besseres

sierung benutzt. Die Verwendung von Helmholtz- Resultat erzielt, weil bei denselben die Grobstabili-

Spulen ist dort erforderlich, um wenigstens am Ort 5 sierung besser ist und daher ein noch kleinerer Erre-

der Probe ein homogenes Magnetfeld zu erzeugen. gerstrom zur Beaufschlagung der Feinstabilisierungs-

Dagegen können zur Durchführung des erfindungs- spulen 6 genügt.

gemäßen Verfahrens breitbandige Spulen verwendet Im zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind werden, die, wenn sie von einem Gleichstrom durch- außer den an Hand von F i g. 1 erläuterten Elemenflossen werden würden, am Ort der Probe ein Magnet- ίο ten 1 bis 8 und 14 noch zwei über den Polschuhen 1 feld mit solchen Gradienten erzeugen würden, daß angeordnete, in Serie miteinander geschaltete Pickupdie angestrebte Auflösung von mehr als 1Ό-⁹ nicht spulen 9 vorgesehen, welche bei einer Änderung des mehr erreicht werden könnte. Infolgedessen würde Magnetflusses einem Fluß-Stabilisator 10 bekannter die Auflösung auf etwa 10~⁸ verschlechtert und damit Art ein Signal liefern. Der Fluß-Stabilisator 10 erhält würde auch die Regelwirkung des Kernresonanz- 15 zudem den tieffrequenten Anteil des Kernresonanzstabilisators wieder auf 10 bis 20Hz heruntergesetzt. Stabilisators 7 und liefert seinerseits der stabilisierten Da aber nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Gleichstromquelle 3 ein Signal, welches den von letzbreitbandigen Spulen nur ·, mit dem Wechselstrom- terer den Erregungsspulen 2 gelieferten Strom herabanteil des Regelsignals gespeist werden, kann kein setzt, wenn der Fluß zugenommen hat und umge-Gleichstrom fließen, der schädliche Magnetfeldgra- 20 kehrt. Nachdem es bei Fachleuten der Kernresonanzdienten erzeugen würde. Der Wechselstromanteil er- technik üblich ist, eine stabilisierte Gleichstromquelle zeugt dagegen keine störenden Felder, weil er von kurz als »Stromstabilisator« zu bezeichnen, kann man geringer Amplitude ist und in der Regel so stark sagen, daß im vorliegenden Fall die Grobstabilisieschwankt, daß wegen der Relaxationszeit der magne- rung durch einen von einem Fluß-Stabilisator 10 tischen Kernpräzession die Auflösung nicht nachteilig 25 beeinflußten Stromstabilisator 3 bewirkt wird. Die beeinflußt wird. schnelle Feinstabilisierung wird wieder durch den die

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in Spulen 6 speisenden Kernresonanzstabilisator 7 be-

den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher wirkt, an dem aber im vorliegenden Falle zwei Paare

erläutert. von Spulen 6 über Kapazitäten 14 angeschlossen sind,

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind auf 30 von denen jedes Paar mit einem anderen Erregerden beiden einander gegenüberliegenden Polschuhen 1 strom erregt wird. Dadurch kann eine Gradientendes Elektromagneten eines Kemresonanzspektrome- freiheit im Bereich der Probe 5 gewährleistet werden, ters Erregerspulen 2 angebracht, die von einer Strom- In der ein drittes Ausführungsbeispiel betreffenden quelle 3 mit einem Gleichstrom konstanter Größe be- F i g. 3 sind die Erregerspulen 2 und die zur Grobschickt werden. Die beiden Spulen 2 sind miteinander 35 stabilisierung des Magnetfeldes dienenden Elemente in Serie geschaltet, wobei die diesbezüglichen Verbin- weggelassen, die so ausgebildet sein können wie an dungsleitungen aber weggelassen worden sind, um die Hand von Fig. 1 oder Fig. 2 beschrieben worden Figur nicht unnötig zu belasten. Die Gleichstrom- ist. Dafür sind die Einzelheiten der Feinstabilisieruni quelle 3 enthält z.B. einen primär an das Wechsel- dargestellt. Die von der Empfängerspule 4 gelieferte stromnetz angeschlossenen Gleichrichter, und ist mit 40 Spannung wird in einem Verstärker 11 verstärkt, Mitteln versehen, um dessen Ausgangsstrom auf dessen Ausgangssignal einem Phasendetektor 12 zueinen vorbestimmten Wert zu stabilisieren, also von geführt wird, der die Phase dieses Signals mit der-Schwankungen der Netzspannung unabhängig zu jenigen einer vom Oszillator 8 erhaltenen Bezugsmachen. Durch die stabilisierte Gleichstromquelle 3 spannung vergleicht und ein von der Phasenabwickwird das zwischen den Polschuhen 1 erzeugte Magnet- 45 lung abhängiges Ausgangssignal erzeugt, das über feld im wesentlichen konstant gehalten (Grobstabili- einen Abschwächer 13 und eine Kapazität 14 den sierung). In der Mitte zwischen den Polschuhen 1 ist beiden Feinstabilisierungsspulen 6 zugeführt wird. In in üblicher Weise eine Empfängerspule 4 angeordnet, F i g. 3 sind noch zwei Senderspulen 15 dargestellt, in welcher die in der Zeichnung nur durch einen die an den als Sender dienenden Oszillator 8 ange-Punkt angedeutete, zu untersuchende Probe 5 an- 50 schlossen sind, um ein magnetisches Wechselfeld zu geordnet wird. Beiderseits der Empfängerspule 4 sind erregen. Die geometrische Achse dieser zur Erziezwei symmetrisch angeordnete, eisenfreie Spulen 6 lung des gyromagnetischen Effektes dienenden, in vorgesehen, die zur schnellen Feinstabilisierung des früheren Beispielen weggelassenen Senderspulen liegt Magnetfeldes dienen. Die in Serie miteinander ge- in Wirklichkeit nicht in Richtung des magnetischen schalteten Spulen 6 sind über einen Kondensator 14 55 Gleichfeldes, sondern senkrecht dazu; die Spulen 15 mit einem Kernresonanzstabilisator 7 verbunden, dem sind nur der bequemeren Darstellung halber um 90° einerseits eine durch Kernresonanz in der Empf an- um die Probe gedreht gezeichnet worden,
gerspule 4 erzeugte Wechselspannung zugeführt wird Im vierten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist und andererseits eine von einem Oszillator 8 er- die an sich bekannte Einspulenanordnung für die zeugte Wechselspannung vorgegebener Frequenz. Der 60 Erregung des Wechselfeldes und den Empfang ange-Kernresonanzstabilisator 7 vergleicht in bekannter wendet. Die Sender-Empfänger-Spule 15, 4 ist mit Weise die Frequenzen, bzw. Phasen der beiden Wech- einer Sender-Empfänger-Brücke 16 verbunden, die selspannungen und erzeugt ein der Differenz ent- einerseits mit dem Oszillator 8 und andererseits mit sprechendes Korrektursignal, von dem der tieffre- dem Phasendetektor 12 verbunden ist. Der an den quente Anteil dem Stromstabilisator 3 zugeführt wird, 65 Ausgang des Phasendetektors 12 angeschlossene Abwährend der schnellfrequente Anteil über den Kon- schwächer 13 ist über ein von der Kapazität 14 und densator 14 zu den Spulen 6 gelangt. Die bei Kern- einem geerdeten Widerstand 17 gebildeten Hochpaßresonanzspektrometern üblichen Mittel zur Auswer- filter mit den Feinstabilisierungsspulen 6 verbunden;

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Der Ausgang des Phasendetektors 12 ist ferner über rem und den Feinstabilisierungsspulen 6 angeordne-

einen zweiten Abschwächer 18 und ein durch einen ten Verstärker 25.

Widerstand 19 und eine Kapazität 20 veranschaulich- Pie Vorrichtungen nach F i g. 5 und 6 sind deshalb

tes Tiefpaßfilter mit dem Fluß-Stabilisator 10 ver- vorteilhaft, weil bei einem Wechsel der ersten Probe 5

bunden. -5 das Feld durch die zweite Probe 21 bis auf schnelle

Die über die Elemente 18 bis 20 bewirkte Kopp-' Schwankungen konstant gehalten wird. Dasselbe Er-

lung des Kernresonanzstabilisators 16, 12 mit der gebnjs wird aber auch mit der Vorrichtung nach

Grobstabilisierungsvorrichtung 10, 3 ist nur für lang- F i g. 7 erzielt.

same Schwankungen des Magnetfeldes wirksam, Bei der in F i g. 7 gezeigten siebenten Ausführungs-

während schnelle Schwankungen durch die Feinstabi- io form wirkt das Feld der Feinstabilisierungsspulen 6

lisierungsspulen 6 kompensiert werden. sowohl auf die erste Probe 5 als auch auf die zweite

Beim fünften Ausführungsbeispiel ist gemäß Probe 21. Die Probe 21 wirkt über einen Grobstabi-F i g. 5 außer den an Hand von F i g. 1 besprochenen lisator 26 auf die Erregerspulen 2, wobei dieser Grob-Elementen eine zweite Probe 21 vorgesehen, die in stabilisator 26 einen Kernresonanzstabilisator 23, einer zweiten Empfängerspule 22 angeordnet ist, die 15 einen Oszillator 24 und einen Strom-Stabilisator 3 sich ebenfalls zwischen den Polschuhen 1 befindet, und eventuell auch einen Fluß-Stabilisator 10 enthält, jedoch so, daß das Feld der Feinstabilisierungsspu- für den dann natürlich noch Pickupspulen 9 vorgeselen 6 am Ort der zweiten Probe 21 unwirksam ist, hen werden müssen. Für die Überlagerung der Stabi-Das von der zweiten Probe 21 herrührende Signal lisierungswirkungen ist es vorteilhaft, wenn als exterwird einem zweiten Kernresonanzstabilisator 23 züge- «q ner Standard eine Probe gewählt wird, die eine breiführt, dessen Ausgang mit dem Strom-Stabilisator 3 tere Kernresonanzlinie, <L h. eine größere Halbwertsverbunden ist. Der zweite Kernresonanzstabilisator 23 breite aufweist als die als interner Standard dienende ist mit einem zweiten Oszillator 24 verbunden. Die Probe.

erste Probe 5 dient in an sich bekannter Weise als In der eine achte Ausführungsform zeigenden interner Standard und die zweite Probe als externer 35 Fig. 8 sind die Grobstabilisierungsmittel der EinStandard. Die Grobstabilisierung wird in diesem Falle fachheit halber weggelassen; sie können so ausgebildurch die, Stabilisatoren 23 und 3 bewirkt, wozu, ge- det sein, wie in irgend einem der vorangehenden gegebenenfalls noch ein Fluß-Stabilisator 10 (F i g. 2) Beispiele. Gemäß F i g. 5 sind zwei Paare von Feinhinzukornmen könnte. Stabilisierungsspulen 6 vorgesehen, die vom Kern-

Bei der sechsten Ausführungsform nach F i g, 6 30 iresonanzstabilisator 7 über einen Abschwächer 13

sind ebenfalls ein interner Standard 5 und ein exter- und je eine Kapazität 14 gespeist werden. Zusätzlich

ner Standard 21 vorgesehen. Diese Ausführung un- wird ein Paar von Spulen 6 von einem Gerät 27 mit

terscheidet sieh von derjenigen nach F i g, 5 dadurch, Gleichstrom gespeist, um eine Korrektur von FeId-

daß ein einziger Oszillator 8 die beiden Kernreso- gradienten vierter Ordnung zu bewirken. Das andere

nanzstabilisatoren steuert^ Ferner ist in F i g. 6 ein 35 Paar von Spulen 6 wird zusätzlich von einem Gerät

bevorzugter Aufbau des ersten zur Feinstabilisierung 28 mit Wechselstrom versorgt, um eine Feldmodu-

dienenden Kernresonanzstabilisators 7 gezeigt. Der- lation zu erzielen. Auf diese Weise erübrigen sich

selbe besteht aus der Sender-Empf ängei>Brücke 16, besondere Korrektur- bzw. Modulationsspulen,
d Phasendetektor 12 und einem zwischen letzte-

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche· . Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur ' Feinstabilisierung der magnetischen Feldstärke eines

1. Verfahren zur Feinstabilisierung der magne- Kernresonanzspektrometers, bei dem eine Grobstatischen Feldstärke eines Kernresonanzspektrorrie- bilisierung des Magnetfeldes mit Hilfe von Grobstabiters, bei dem eine Grobstabilisierung des Magnet- 5 lisierungsmitteln in Form von auf den Polschuhen feldes mit Hilfe von Grobstabilisierungsmitteln in angebrachten Spulen vorgenommen wird und bei dem Form von auf den Polschuhen angebrachten das Ausgangssignal eines Kernresonanzstabilisators Spulen vorgenommen wird und bei dem das mindestens einem Paar von eisenfreien, breitbandi-Ausgangssignal eines Kernresonanzstabilisators gen, im Luftspalt zwischen den Polschuhen angeordmindestens einem Paar von eisenfreien, breit- i° neten Spulen zugeführt wird.

bandigen, im Luftspalt zwischen den Polschuhen Ein solches Verfahren zur Feinstabilisierung der

angeordneten Spulen zugeführt wird, dadurch magnetischen Feldstärke eines Kernresonanzspektrogekennzeichnet, daß die eisenfreien Spu- meters ist aus der »Zeitschrift für Instrumentenlen nur mit dem Wechselstromanteil des Aus- künde«, 74. Jährgang, 1966, S. 175 bis 180, bekannt, gangssignals des Kernresonanzstabilisators ge- 15 Dieses bekannte Verfahren ist zur Feinstabilisierung speist werden. der magnetischen Feldstärke von Kernresonanzspek-

2. Vorrichtung zur Fein-Stabilisierung der trometern ausreichend, die ein Auflösungsvermögen magnetischen Feldstärke eines Kernresonanz- von 2 · 10-⁸ aufweisen. Wenn jedoch ein Auflösungsspektrometers mit einem Magneten, mit Grob- vermögen auf 10-⁹ bis 6 · 10-¹⁰ erreicht werden soll, Stabilisierungsmitteln in Form von auf den ge- 20 so müssen Linienbreiten von 0,1 bis 0,05Hz aufgelöst genüberliegenden Polschuhen des Magneten an- werden. Demgemäß werden Feldschwankungen bzw. geordneten Spulenpaaren, die mit einem oder Driften, deren Frequenz über 10 Hz liegt, stören, wie mehreren Magnetfeldstabilisatoren verbunden beispielsweise Störungen mit 50 Hz, die durch Netzsind, mit mindestens einem Paar zwischen den spannungen hervorgerufen oder von benachbarten Polschuhen angeordneten eisenfreien breitbandi- 25 elektrischen Geräten erzeugt werden. Bei der hohen gen Spulen, die mit dem Ausgang eines Kern- angestrebten Auflösung der Spektrometer ist es nicht resonanzstabilisators verbunden sind und mit mehr möglich, solche relativ hochfrequenten Störunmindestens einer im Magnetfeld angeordneten, gen durch Dämpfungsmittel zu unterdrücken. Demeine Probe umgebenden Empfängerspule, da- gemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein durch gekennzeichnet, daß die eisenfreien Spu- 3° Verfahren zur Feinstabilisierung der magnetischen len (6) an den Ausgang des Kernresonanzstabili- Feldstärke eines magnetischen Kernresonanzspektrosators (7) über einen bzw. mehrere Kondensate- meters zu schaffen, das es ermöglicht, zur Aufnahme ren (14) angeschlossen sind. von Linienbreiten von 0,1 bis 0,05Hz Feldschwan-S.Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- kungen bis über 100 Hz auszuregeln.

kennzeichnet, daß der Kernresonanzstabilisator 35 Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch einen Phasendetektor (12) enthält und über einen gelöst, daß die eisenfreien Spulen nur mit dem Abschwächer (13) und den Kondensator (14) Wechselstromanteil des Ausgangssignals des Kernremit den Feinstabilisierungsspulen (6) verbunden sonanzstabilisators gespeist werden,
ist. Zur Lösung der obengenannten Aufgabe hat die

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- 40 Erfindung auch eine Vorrichtung zur Fein-Stabilisiekennzeichnet, daß der Kernresonanzstabilisator rung der magnetischen Feldstärke eines Kernresoüber ein Hochpaßfilter (14, 17) mit den Fein- nanzspektrometers mit einem Magneten mit Grobstabilisierungsspulen (6) verbunden ist. Stabilisierungsmitteln in Form von auf den gegen-

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 4, da- überliegenden Polschuhen des Magneten angeordnedurch gekennzeichnet, daß der Kernresonanz- 45 ten Spulenpaären, die mit einem oder mehreren stabilisator über ein Tiefpaßfilter (19, 20) mit Magnetfeldstabilisatoren verbunden sind, mit mindeden Grobstabilisierungs-Steuermitteln (10, 3) ver- stens einem Paar zwischen den Polschuhen angeordbunden ist. neten eisenfreien breitbandigen Spulen, die mit dem

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- Ausgang eines Kernresonanzstabilisators verbunden kennzeichnet, daß der Kernresonanzstabilisator 5° sind und mit mindestens einer im Magnetfeld angeeinen Verstärker (25) enthält, dessen Ausgang ordneten, eine Probe umgebenden Empfängerspule mit den Feinstabilisierungsspulen (6) über den zum Gegenstand, die dadurch gekennzeichnet ist, daß Kondensator (14) verbunden ist. die eisenfreien Spulen an den Ausgang des Kernre-

7. Vorrichtung nach Anspruchs, dadurch ge- sonanzstabilisators über einen oder mehrere Kondenkennzeichnet, daß nur ein Paar von Stabilisie- 55 sätoren angeschlossen sind. ^;/
rungsspülen (6) vorgesehen ist, dessen Abmessun- Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den gen groß gegenüber dem Probendurchmesser sind. Unteransprüchen gekennzeichnet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, die eisenkennzeichnet, daß zwei oder mehr Paare von Sta- freien Spulen nur mit dem Wechselstromanteil des bilisierungsspulen (6) vorgesehen sind, die zu- ⁶° Ausgangssignals des Kernresonanzstabilisators zu sammen ein weitgehend gradientenfreies Feld er- speisen, wird in überraschender Weise eine Verbeszeugen. serung der Feinstabilisierung um mehr als eine Grö-

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge- ßenordnung erreicht. Bisher diente die Feinstabilisiekennzeichnet, daß mindestens ein Paar der Fein- rungsspule nicht nur zum Ausgleich von hochfrestabilisierungsspulen (6) zusätzlich von minde- 65 quenten Feldschwankungen, sondern auch von Drifstens einem Speisegerät (27, 28) mit Gleichstrom ten. Die Ausregelung von Driften, also relativ lang- und/oder Wechselstrom gespeist wird. samen Feldänderungen, deren Betrag jedoch in den

Regelbereich der Feinstabilisierung fiel, machte die