DE3838252A1 - Method for tuning the sample head of an NMR spectrometer, and an NMR spectrometer designed for carrying out the method - Google Patents
Method for tuning the sample head of an NMR spectrometer, and an NMR spectrometer designed for carrying out the methodInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstimmen des Probenkopfes eines NMR-Spektrometers, einschließlich des Probenkopfes eines NMR-Tomographen, das eine den Probenkopf enthaltende Empfängerschaltung mit einem Phasendetektor und einen an die Empfängerschaltung angeschlossenen Digitalrechner zur Verarbeitung der von der Empfängerschaltung gelieferten Signale aufweist, bei welchem Verfahren der Probenkopf und ein die Sollimpedanz des Probenkopfes darstellender Normalwiderstand in einen Meßkreis eingeschaltet werden und der Meßkreis mit einem HF-Signal gespeist wird, die bei anliegendem HF-Signal an einer ausgewählten Stelle des Meßkreises herrschende Meßspannung nach Amplitude und Phase gemessen und die Abstimmung des Probenkopfes in einem solchen Sinne verändert wird, daß die durch die Impedanz des Probenkopfes hervorgerufene Meßspannung der durch die Impedanz des Normalwiderstandes hervorgerufenen Meßspannung wenigstens annähernd gleich ist.The invention relates to a method for tuning the sample head an NMR spectrometer, including the probe head of an NMR tomograph that contains a probe head Receiver circuit with a phase detector and one to the Receiver circuit connected digital computer for processing of the signals supplied by the receiver circuit in which method the sample head and a die Standard impedance representing the nominal impedance of the probe head be switched into a measuring circuit and the measuring circuit with an RF signal is fed when the RF signal is present prevailing at a selected point in the measuring circuit Measuring voltage measured according to amplitude and phase and tuning the sample head is changed in such a way that the one caused by the impedance of the probe Measuring voltage due to the impedance of the normal resistance caused measurement voltage is at least approximately the same.
Bei dem Probenkopf eines NMR-Spektrometers handelt es sich um einen HF-Kreis, der an die Empfangsschaltung möglichst gut angepaßt, also bei der Betriebsfrequenz f₀ einen reellen Widerstand haben sollte, der dem Eingangswiderstand der Empfängerschaltung möglichst gleich ist. Bei HF-Schaltungen, die für hohe Frequenzen ausgelegt sind, werden zur Verbindung der einzelnen Komponenten einer Schaltungsanordnung Leitungen mit einem vorgegebenen Wellenwiderstand benutzt und es wird der Innenwiderstand der einzelnen Komponenten möglichst dem Wellenwiderstand dieser Leitungen gleich gemacht. Dazu ist es einerseits erforderlich, die den Probenkopf bildende HF-Schaltung bei der Frequenz f₀ des HF-Signals auf Resonanz abzustimmen, damit die Impedanz des Probenkopfes reell ist, und andererseits die Ankopplung so zu wählen, daß der reelle Widerstand des auf Resonanz abgestimmten Probenkopfes gleich dem gewünschten Abschluß-Widerstand, also beispielsweise gleich 50 Ω, ist.The probe head of an NMR spectrometer is an RF circuit which should be adapted as well as possible to the receiving circuit, that is to say should have a real resistance at the operating frequency f which is as equal as possible to the input resistance of the receiving circuit. In HF circuits which are designed for high frequencies, lines with a predetermined characteristic impedance are used to connect the individual components of a circuit arrangement, and the internal resistance of the individual components is made as equal as possible to the characteristic impedance of these lines. For this it is necessary on the one hand to tune the RF circuit forming the probe head at the frequency f ₀ of the RF signal for resonance so that the impedance of the probe head is real, and on the other hand to choose the coupling so that the real resistance of the resonant Probe is equal to the desired terminating resistance, for example 50 Ω.
Obwohl durchaus die Möglichkeit besteht, die Impedanz des Probenkopfes absolut zu messen und auf den gewünschten Wert zu bringen, erfordern solche Messungen einen erheblichen Aufwand. Although there is a possibility, the impedance of the probe head to measure absolutely and to the desired value bring such measurements require considerable effort.
Daher werden im allgemeinen Vergleichsmessungen vorgenommen, bei denen der Widerstand des Probenkopfes in einer HF-Brückenschaltung mit einem Normalwiderstand verglichen wird, der gewöhnlich dem Wellenwiderstand der in der Schaltungsanordnung verwendeten Leitungen gleich ist. Meßplätze, die einfaches und zuverlässiges Durchführen solcher Messungen ermöglichen, sind handelsüblich. Die Anwendung solcher Meßplätze zum Abstimmen des Probenkopfes eines NMR-Spektrometers hat jedoch den Nachteil, daß dazu der Probenkopf mittels eines ausreichend langen Kabels an die Meßbrücke des Meßplatzes angeschlossen werden muß. Dieses Anschließen des Probenkopfes an die Meßbrücke, das Durchführen der Messung und das Wiederherstellen der Verbindung zum Empfänger des Spektrometers erfordern eine längere Unterbrechung des Meßbetriebes, so daß es nicht möglich ist, eine solche Abstimmung häufig vorzunehmen. Andererseits wird die Impedanz des Probenkopfes auch von der jeweils eingebrachten Probe beeinflußt, so daß es vorteilhaft wäre, wenn die Impedanz-Abstimmung des Probenkopfes nach dem Einsetzen jeder Probe ohne großen Zeitaufwand korrigiert werden könnte. Diese Forderung ergibt sich insbesondere bei NMR-Tomographen, bei denen der in die HF-Spule des Tomographen eingebrachte Körper eine erhebliche Verstimmung des Probenkopfes zur Folge hat, umfangreiche und zeitraubende Abstimmungsmaßnahmen bei der in der Humanmedizin angewandten Ganzkörpertomographie für den Patienten nicht ohne weiteres zumutbar sind.Therefore, comparative measurements are generally made where the resistance of the probe in an RF bridge circuit is compared to a normal resistance, which is usually the characteristic impedance in the circuit arrangement lines used is the same. Measuring stations that are simple and enable such measurements to be carried out reliably, are commercially available. The use of such measuring stations for tuning of the probe head of an NMR spectrometer, however, has the Disadvantage that the sample head by means of a sufficient long cable connected to the measuring bridge of the measuring station must become. This connecting the probe to the Measuring bridge, taking the measurement and restoring the connection to the receiver of the spectrometer require one longer interruption of the measuring operation, so that it is not possible is to do this often. On the other hand the impedance of the probe head is also affected by the Sample influenced, so that it would be advantageous if the impedance matching of the probe after insertion each sample could be corrected quickly. This requirement arises in particular with NMR tomographs, where the inserted in the RF coil of the tomograph Body results in a considerable detuning of the probe has extensive and time-consuming coordination measures the whole body tomography used in human medicine for are not easily acceptable to the patient.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abstimmen des Probenkopfes eines NMR-Spektrometers anzugeben, das ohne nennenswerte Umbaumaßnahmen und ohne aufwendige Apparaturen schnell und einfach durchführbar ist. The invention is accordingly based on the object of a method specify for tuning the probe head of an NMR spectrometer, that without any noteworthy conversion measures and without complex Equipment can be carried out quickly and easily.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß als Meßkreis unmittelbar die Empfängerschaltung des NMR-Spektrometers benutzt und das HF-Signal in die Empfängerschaltung eingespeist wird und am Ausgang der Empfängerschaltung in Abhängigkeit von ihrer Impedanz zueinander in Phasenquadratur stehende Signale erzeugt und als Meßspannung verwendet werden, daß zunächst der Probenkopf durch den Normalwiderstand ersetzt und die von der Empfängerschaltung gelieferten Signale im Digitalrechner des NMR-Spektrometers als Bezugssignal gespeichert werden und daß dann die von der wieder den Probenkopf enthaltenden Empfängerschaltung gelieferten Signale als Abgleichsignal mit dem im Digitalrechner gespeicherten Bezugssignal während der Abstimmung des Probenkopfes rechnerisch verglichen werden.This object is achieved according to the invention in that as Measuring circuit immediately the receiver circuit of the NMR spectrometer used and the RF signal in the receiver circuit is fed and at the output of the receiver circuit depending on their impedance to each other in phase quadrature standing signals are generated and used as measuring voltage, that the sample head is first replaced by the normal resistance and the signals supplied by the receiver circuit in Digital computer of the NMR spectrometer as a reference signal be saved and then that of the again the Signals supplied with the probe head containing the receiver circuit as a comparison signal with that stored in the digital computer Computational reference signal during tuning of the probe be compared.
Die Erfindung macht zwar von dem einer Meßbrücke zugrundeliegenden Prinzip Gebrauch, die an dem abzustimmenden Probenkopf abfallende Spannung mit der an einem Normalwiderstand abfallenden Spannung zu vergleichen und diese Spannungen möglichst gleich zu machen, und zwar nach Betrag und Phase, was dann erreicht ist, wenn die Impedanz des Probenkopfes der Impedanz des Normalwiderstandes gleich ist. Dabei wird jedoch nicht von einer besonderen Brückenschaltung Gebrauch gemacht, in der die Differenzspannung zwischen den beiden an dem Probenkopf und an dem Normalwiderstand abfallenden Spannungen festgestellt wird und die beiden Widerstände dann gleich sind, wenn die Differenzspannung Null ist, sondern es werden die entsprechenden Spannungen mittels der Empfangseinrichtung des NMR-Spektrometers zeitlich nacheinander gemessen und die gemessenen Werte im Digitalrechner des NMR-Spektrometers gespeichert. Der Vergleich der Spannungen kann dann auf einfache Weise durch einen Vergleich der gespeicherten Signale erfolgen. Eine Differenzbildung ermöglicht dann ohne weiteres ebenfalls eine Art Nullabgleich.Although the invention makes use of that on which a measuring bridge is based Principle use that on the probe to be matched falling voltage with that falling across a normal resistor Compare tension and these tensions where possible to do the same, by amount and phase, then what is reached when the impedance of the probe head impedance the normal resistance is the same. However, this does not mean made use of a special bridge circuit in which the Differential voltage between the two on the probe and on voltages falling to the normal resistance is determined and the two resistors are the same if the differential voltage Is zero, but there will be the corresponding voltages by means of the receiving device of the NMR spectrometer measured successively in time and the measured values in Digital computer of the NMR spectrometer saved. The comparison The voltages can then be easily compared of the stored signals. A difference then also enables a kind of zero adjustment.
Der besondere Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß keine besonderen Apparaturen benötigt werden und der Probenkopf schnell und mühelos in seinem normalen Betriebszustand mit eingesetzter Probe abgeglichen werden kann, so daß dieser Abgleich ohne weiteres nach jedem Probenwechsel wiederholt und bei Tomographiegeräten ohne jede Belästigung des Patienten vorgenommen werden kann.The particular advantage of this method is that none special equipment and the sample head are required quickly and effortlessly in its normal operating state inserted sample can be adjusted so that this Calibration easily repeated after each sample change and with tomography devices without any annoyance to the patient can be made.
Von besonderem Vorteil ist weiterhin, daß es sich bei dem Empfänger des Spektrometers um ein selektives System handelt, durch das durch Oberwellenanteile bedingte Reflexionen eliminiert werden und daher ein genauerer Abgleich möglich ist als bei den herkömmlichen, mit einer Diodengleichrichtung arbeitenden Meßbrücken, bei denen es wegen der nicht erkennbaren, auf Oberwellenanteile zurückzuführenden Reflexionen leicht zu Abgleichfehlern kommen kann. Weiterhin läßt sich durch eine Umschaltung der Empfängerverstärkung leicht ein Grobabgleich mit anschließendem Feinabgleich ausführen. Endlich kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren davon ausgegangen werden, daß im Verlauf einer längeren Meßfolge die Grundeinstellung des Spektrometers keine Änderungen erfährt, also der bei eingesetztem Normalwiderstand gemessene Spannungswert für einen längeren Zeitraum seine Gültigkeit behält, so daß der Abgleich über einen längeren Zeitraum hinweg mit diesem gespeicherten Wert stattfinden kann. Andererseits besteht die Möglichkeit, zu Beginn einer Meßfolge, z. B. jeweils nach dem Einschalten des NMR-Spektrometers, den Probenkopf gegen einen Normalwiderstand auszutauschen und den sich bei Anschluß des Normalwiderstandes ergebenden Spannungswert zu speichern.It is also of particular advantage that the Spectrometer receiver is a selective system, due to the reflections caused by harmonic components can be eliminated and therefore a more precise comparison is possible than the conventional one, with a diode rectification working measuring bridges where it is not because of recognizable reflections due to harmonic components adjustment errors can easily occur. Furthermore, by switching the receiver gain easily Carry out a rough adjustment followed by a fine adjustment. Finally can be assumed in the method according to the invention be that in the course of a longer measurement sequence Basic setting of the spectrometer does not change, that is the measured with the normal resistance used Voltage value is valid for a longer period of time retains, so that the comparison over a longer period of time can take place with this stored value. On the other hand there is the possibility at the beginning of a measurement sequence, e.g. B. each after switching on the NMR spectrometer, the probe head to exchange for a normal resistance and the at Connection of the normal resistance resulting voltage value to save.
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten, zueinander in Phasenquadratur stehenden Signale können zeitlich nacheinander erzeugt und von dem Digitalrechner zu einem Bezugsvektor bzw. einem Abgleichvektor kombiniert werden, wenn die Empfängerschaltung des NMR-Spektrometers einen einfachen Phasendetektor aufweist.The used in the method according to the invention to each other signals in quadrature can be temporal successively generated and from the digital computer to one Reference vector or a matching vector can be combined if the receiver circuit of the NMR spectrometer a simple one Has phase detector.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet auch die Möglichkeit, Bezugssignale für eine Anzahl dicht aufeinanderfolgender Frequenzen des HF-Signales zu speichern und mit einer entsprechenden Anzahl von bei unterschiedlichen Frequenzen des HF-Signales gewonnenen Abgleichsignalen zu vergleichen, um die Frequenz des HF-Signales festzustellen, bei der die Impedanz des Probenkopfes von der Impedanz des Normalwiderstandes am wenigsten abweicht. Es handelt sich um eine Art rechnerisches Wobbeln, bei dem aus dem Frequenzgang des Abgleichsignals gegenüber einer abgespeicherten komplexen Frequenzkurve besondere Rückschlüsse auf die Art von Anpaß- oder Abstimmfehlern gezogen werden können.The method according to the invention also offers the possibility of Reference signals for a number of closely sequential ones Save frequencies of the RF signal and with a corresponding number of at different frequencies of the RF signals obtained to compare the comparison signals Determine the frequency of the RF signal at which the impedance of the probe from the impedance of the normal resistance on least deviates. It is a kind of arithmetic Wobble, from which the frequency response of the adjustment signal compared to a stored complex frequency curve special conclusions on the type of adjustment or Voting errors can be drawn.
Nur am Rande sei noch erwähnt, daß auf die Erzeugung von zueinander in Quadratur stehenden Signalen verzichtet werden kann, wenn die Aufnahme und Speicherung von Bezugssignalen und von Abgleichsignalen in Abhängigkeit von der Frequenz des HF-Signales erfolgt und beim Vergleich dieser Größen die das Bezugssignal und das Abgleichsignal wiedergebenden Kurven um eine feste Differenzfrequenz gegeneinander verschoben und aus den Ergebnissen die komplexen Größen berechnet werden. It should only be mentioned in passing that the generation of signals in quadrature to one another are dispensed with can if the recording and storage of reference signals and of adjustment signals as a function of the frequency of the RF signal and when comparing these sizes the Reference signal and the calibration signal reproducing curves around a fixed difference frequency shifted against each other and off the results are used to calculate the complex quantities.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein NMR-Spektrometer, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Ein solches NMR-Spektrometer umfaßt eine einen Probenkopf enthaltende Empfängerschaltung, die einen Phasendetektor aufweist und zur Erzeugung von zueinander in Phasenquadratur stehenden Signalen eingerichtet ist, und mit einem an die Empfängerschaltung angeschlossenen Digitalrechner zur Verarbeitung der von der Empfängerschaltung gelieferten Signale. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei einem solchen NMR-Spektrometer der Probenkopf gegen einen die Sollimpedanz des Probenkopfes darstellenden Normalwiderstand auswechselbar. Weiterhin weist die Empfangsschaltung im Bereich zwischen dem Probenkopf und dem Rest der Empfängerschaltung einen Anschluß zum Einspeisen eines HF-Signales auf, das die am Probenkopf bzw. am Normalwiderstand abfallende Meßspannung ergibt. Der Digitalrechner eines solchen NMR-Spektrometers ist zum Speichern und Vergleichen der von der Empfangsschaltung gelieferten Bezugs- und Abgleichsignale und zum Anzeigen der Differenz zwischen Abgleichsignal und Bezugssignal eingerichtet.The invention also relates to an NMR spectrometer that trained to carry out the method according to the invention is. Such an NMR spectrometer comprises a probe head receiver circuit containing a phase detector has and for generating each other in phase quadrature standing signals is set up, and with one to the Digital computers connected to the receiver circuit Processing the signals provided by the receiver circuit. To carry out the method according to the invention, one such NMR spectrometer the probe against one of the Target impedance of the sample head representing normal resistance interchangeable. Furthermore, the receiving circuit points in the area between the probe and the rest of the receiver circuit a connection for feeding an RF signal to the measuring voltage dropping at the probe head or the normal resistance results. The digital computer of such an NMR spectrometer is for storing and comparing those from the receiving circuit supplied reference and adjustment signals and for displaying the Difference between adjustment signal and reference signal set up.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn ein solches NMR-Spektrometer eine Empfangsschaltung mit einem Quadraturdetektor umfaßt. Statt dessen könnte die Empfangsschaltung aber auch eine Einrichtung zum Verschieben der relativen Phasenlage zwischen dem eingespeisten HF-Signal und dem dem Phasendetektor zugeführten Bezugssignal um 90° aufweisen.It is particularly advantageous if such an NMR spectrometer comprises a receiving circuit with a quadrature detector. Instead, the receiving circuit could also be a device to shift the relative phase between the fed RF signal and the supplied to the phase detector Have a reference signal of 90 °.
Um den Probenkopf gegen einen Normalwiderstand austauschen zu können, genügt es, wenn der Probenkopf durch einen lösbaren Stecker mit dem Rest der Empfängerschaltung verbunden ist und der statt dessen einschaltbaren Normalwiderstand einen gleichartigen Stecker aufweist, so daß er ohne weiteres anstelle des Probenkopfes unter Verwendung des gleichen Steckers mit dem Rest der Empfängerschaltung verbindbar ist. Noch einfacher ist es natürlich, wenn der Probenkopf und der Normalwiderstand mit dem Rest der Empfängerschaltung durch einen vorzugsweise elektronischen Umschalter verbunden sind.To replace the probe head with a normal resistance , it is sufficient if the probe head is detachable Plug is connected to the rest of the receiver circuit and the normal resistance that can be switched on instead is a similar one Has connector, so that it is easily instead of Probe using the same connector with the Rest of the receiver circuit is connectable. Is even easier it of course if the probe head and the normal resistance with the rest of the receiver circuit by a preferably electronic Switches are connected.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden.The invention is described below with reference to the drawing illustrated embodiments described and explained in more detail. Those to be found in the description and the drawing Features may be in other embodiments of the invention individually or in any combination Find application.
Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils eine Ausführungsform der Empfangseinrichtung eines NMR-Spektrometers. Figs. 1 and 2 each show an embodiment of the receiving means of an NMR spectrometer.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform einer Empfängerschaltung umfaßt einen Vorverstärker 1, an dessen Ausgang ein Phasendetektor 2 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 2 wird einem Analog/Digital-Umsetzer 3 zugeführt, dessen Ausgang wiederum mit dem Eingang eines bei NMR-Spektrometern üblichen Digitalrechners 4 verbunden ist.The embodiment of a receiver circuit shown in FIG. 1 comprises a preamplifier 1 , to the output of which a phase detector 2 is connected. The output signal of the phase detector 2 is fed to an analog / digital converter 3 , the output of which is in turn connected to the input of a digital computer 4 which is customary in NMR spectrometers.
An den Eingang des Vorverstärkers 1 kann wahlweise außer einem Probenkopf 5 auch ein Normalwiderstand 6 angeschlossen werden, der vorzugsweise gleich dem Eingangswiderstand des Vorverstärkers 1 und dem Wellenwiderstand der den Vorverstärker 1 und den Normalwiderstand 6 bzw. den Probenkopf 5 verbindenden Leitungen ist. Der Wellenwiderstand beträgt bei diesen Einrichtungen gewöhnlich 50 Ω. Die Verbindung zwischen dem Vorverstärker 1 und dem Probenkopf 5 bzw. dem Normalwiderstand 6 wird bei der Ausführungsform nach Fig. 1 mittels zweier Kabelabschnitte 7, 8 bzw. 9 hergestellt, die an ihren Enden Stecker 10, 11 bzw. 12 gleichen Typs aufweisen, so daß der zum Vorverstärker 1 führende Kabelabschnitt 7 wahlweise mit dem zum Normalwiderstand 6 führenden Kabelabschnitt 8 oder dem zum Probenkopf 5 führenden Kabelabschnitt 9 verbunden werden kann. Der Eingang des Vorverstärkers 1 ist weiterhin über einen Widerstand 19 mit einem Anschluß 13 zum Zuführen eines HF-Signals der Frequenz f₀ versehen, die mit der Frequenz des Sendesignals des NMR-Spektrometers und demgemäß auch mit der Frequenz des vom Probenkopf 5 empfangenen Resonanzsignals übereinstimmt. Der Eingang 13 kann in geeigneter, nicht näher dargestellter Weise mit einem Ausgang des HF-Senders des NMR-Spektrometers verbunden sein, ebenso wie der mit dem Phasendetektor 2 verbundene Eingang 14, dem das Bezugssignal mit der Frequenz f₀ für den Phasendetektor 2 zugeführt wird. In die den Eingang 14 für das Bezugssignal und den Phasendetektor 2 verbindende Leitung 15 ist ein Phasenschieber 16 eingeschaltet, der es ermöglicht, in Abhängigkeit von einem an einer Klemme 17 zugeführten Steuersignal die Phase des dem Phasendetektor 2 zugeführten Bezugssignals um 90° zu verändern.To the input of the preamplifier 1, a standard resistor 6 can be connected either in addition to a probe head 5, which is preferably the input resistance of the preamplifier 1 and the wave impedance is equal to the pre-amplifier 1 and the standard resistor 6 and the probe head 5 connecting lines. The wave impedance in these devices is usually 50 Ω. The connection between the preamplifier 1 and the sample head 5 or the normal resistor 6 is made in the embodiment according to FIG. 1 by means of two cable sections 7 , 8 and 9 , which have connectors 10 , 11 and 12 of the same type at their ends, so that the cable section 7 leading to the preamplifier 1 can optionally be connected to the cable section 8 leading to the normal resistance 6 or to the cable section 9 leading to the probe head 5 . The input of the preamplifier 1 is also provided via a resistor 19 with a connection 13 for supplying an RF signal of the frequency f ₀, which corresponds to the frequency of the transmission signal of the NMR spectrometer and accordingly also to the frequency of the resonance signal received by the probe head 5 . The input 13 can be connected in a suitable, not shown manner to an output of the RF transmitter of the NMR spectrometer, as can the input 14 connected to the phase detector 2 , to which the reference signal with the frequency f mit for the phase detector 2 is fed . In the line 15 connecting the input 14 for the reference signal and the phase detector 2 , a phase shifter 16 is connected , which makes it possible to change the phase of the reference signal supplied to the phase detector 2 by 90 ° as a function of a control signal supplied to a terminal 17 .
Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt, der Normalwiderstand 6 an den Eingang 18 des Vorverstärkers 1 angeschlossen ist und das an der Klemme 13 eingespannte HF-Signal der Frequenz f₀ einen Strom i erzeugt, so beträgt die am Eingang 18 des Vorverstärkers 1 anliegende SpannungIf, as shown in FIG. 1, the normal resistor 6 is connected to the input 18 of the preamplifier 1 and the RF signal of the frequency f ₀ clamped at the terminal 13 generates a current i , then the input 18 of the preamplifier 1 is present tension
wenn R die (ggf. komplexe) Impedanz des Normalwiderstandes bedeutet und diese Impedanz gleich dem Eingangswiderstand des Vorverstärkers 1 ist. if R means the (possibly complex) impedance of the normal resistance and this impedance is equal to the input resistance of the preamplifier 1 .
Wird statt des Normalwiderstandes 6 durch Verbindung des Kabelabschnittes 7 mittels des Steckerpaares 10, 12 mit dem zum Probenkopf 5 führenden Kabelabschnitt 9 der Probenkopf 5 mit dem Eingang 18 des Vorverstärkers 1 verbunden, so ist die Spannung U P am Eingang 18 des VorverstärkersIf instead of the normal resistor 6 by connecting the cable section 7 by means of the plug pair 10 , 12 to the cable section 9 leading to the sample head 5, the sample head 5 is connected to the input 18 of the preamplifier 1 , then the voltage U P at the input 18 of the preamplifier
wenn Z die (komplexe) Impedanz des Probenkopfes 5 und R der Eingangswiderstand des Vorverstärkers 1 ist. Mittels des Vorverstärkers 1 und des Phasendetektors 2 wird in Abhängigkeit von der am Eingang 18 des Vorverstärkers 1 anstehenden HF-Spannung U P ein Gleichspannungssignal gewonnen, dessen Größe nicht nur von dem Betrag der Spannung U P , sondern auch von deren Phasenlage in bezug auf das dem Phasendetektor 2 zugeführte HF-Signal abhängt. Das Gleichspannungssignal wird von dem Analog/Digital-Umsetzer 3 in ein digitales Signal umgesetzt, das vom Digitalrechner 4 an einem hierfür vorgesehenen Platz ebenso gespeichert wird wie ein der Spannung U N entsprechendes Signal. Ein rechnerischer Vergleich der beiden gespeicherten digitalen Signale ergibt ein Maß für die Abweichung der Impedanz Z des Probenkopfes 5 von der Impedanz R des Normalwiderstandes 6. Durch Verändern der Abstimmung des Probenkopfes 5 kann die Differenz zwischen U P und U N minimiert werden, die übrigens, wie eine einfache Rechnung ergibt, den Reflexionskoeffizienten der Impedanz U P proportional ist, nämlichwhen Z is the (complex) impedance of the probe 5 and R is the input resistance of the preamplifier 1 . By means of the preamplifier 1 and the phase detector 2 , depending on the RF voltage U P present at the input 18 of the preamplifier 1, a DC voltage signal is obtained, the magnitude of which is determined not only by the magnitude of the voltage U P but also by its phase position in relation to the the RF signal supplied to the phase detector 2 depends. The DC / DC signal is converted by the analog / digital converter 3 into a digital signal, which is stored by the digital computer 4 in a space provided for this purpose, as is a signal corresponding to the voltage U N. A computational comparison of the two stored digital signals gives a measure of the deviation of the impedance Z of the probe 5 from the impedance R of the normal resistor 6 . By changing the tuning of the probe 5 , the difference between U P and U N can be minimized, which incidentally, as a simple calculation shows, is proportional to the reflection coefficient of the impedance U P , namely
Da bei einer Phasendetektion der im Digitalrechner gespeicherte Spannungswert von der Phasenverschiebung zwischen der am Eingang des Vorverstärkers 1 anstehenden HF-Spannung und der dem Phasendetektor 2 an der Klemme 14 zugeführten Phase des Referenzsignales abhängt, genügt es, wenn sowohl zur Feststellung der Spannung U N als auch der Spannung U P jeweils zwei Messungen mit um 90° phasenverschobener Phase des dem Phasendetektor 2 zugeführten Referenzsignals durchgeführt werden. Die Phasenverschiebung kann bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung mittels des verstellbaren Phasenschiebers 16 erfolgen, dem am Eingang 17 ein entsprechendes Steuersignal zugeführt wird. Die beiden Messungen mit um 90° phasenverschobenem Bezugssignal ergeben die beiden Komponenten eines Vektors, so daß im Digitalrechner 4 sowohl die bei Einschalten des Normalwiderstandes 6 gewonnene Spannung U N als auch die bei eingeschaltetem Probenkopf 5 gemessene Spannung U P nach Betrag und Phase bestimmt werden kann. Die vektorielle Differenz zwischen den beiden Spannungen kann dann leicht auf einem zum Digitalrechner 4 gehörenden Bildschirm zur Anzeige gebracht und durch Abstimmen des Probenkopfes nach Betrag und Phase minimiert werden.Since during a phase detection the voltage value stored in the digital computer depends on the phase shift between the RF voltage present at the input of the preamplifier 1 and the phase of the reference signal supplied to the phase detector 2 at the terminal 14 , it is sufficient if both to determine the voltage U N and also the voltage U P in each case two measurements are carried out with the phase of the reference signal supplied to the phase detector 2 shifted by 90 °. In the circuit arrangement shown in FIG. 1, the phase shift can take place by means of the adjustable phase shifter 16 , to which a corresponding control signal is supplied at the input 17 . The two measurements with the reference signal phase-shifted by 90 ° result in the two components of a vector, so that in the digital computer 4 both the voltage U N obtained when the normal resistor 6 is switched on and the voltage U P measured when the probe head 5 is switched on can be determined according to magnitude and phase . The vectorial difference between the two voltages can then easily be displayed on a screen belonging to the digital computer 4 and minimized by adjusting the sample head according to amount and phase.
Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß der Normalwiderstand 36 fest in die Schaltungsanordnung integriert ist und ebenso wie der Probenkopf 35 mit dem Eingang 48 des Vorverstärkers 31 über einen Schalter 41 bzw. 42 verbunden ist. Bei diesen Schaltern 41, 42 kann es sich wahlweise um mechanische oder auch um elektrische Schalter handeln, beispielsweise um Diodenschalter. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß der Phasendetektor 32 von vornherein zwei Kanäle aufweist, die mit um 90° gegeneinander phasenverschobenen Bezugssignalen gespeist werden, das Spektrometer also einen Quadratur-Empfänger aufweist. Den beiden Phasendetektoren 52, 52′ des Quadraturempfängers 32 ist jeweils ein Analog/Digital-Umsetzer 33, 33′ nachgeschaltet, so daß dem Digitalrechner 34 jeweils gleichzeitig zwei digitale Signale zugeführt werden, die für die Komponenten des Spannungsvektors U N bzw. U P charakteristisch sind, so daß der Digitalrechner 34 unmittelbar die vektorielle Spannungsdifferenz bilden und anzeigen kann. Im übrigen wird zum Abgleich des Probenkopfes 35 dem Eingang 48 des Vorverstärkers 31 wiederum über einen Widerstand 49 an einer Klemme 43 ein HF-Signal der Frequenz f₀ zugeführt, wie auch dem Phasendetektor 32 ein solches HF-Signal der Frequenz f₀ an der Klemme 44 zugeführt wird. Das als Bezugssignal für den Phasendetektor 32 dienende HF-Signal wird dem einen Detektor 52 direkt und dem anderen Detektor 52′ über einen 90°-Phasenschieber 46 zugeführt, bei dem es sich in diesem Fall um einen fest eingestellten Phasenschieber handelt.The embodiment according to FIG. 2 differs from the embodiment according to FIG. 1 essentially only in that the normal resistor 36 is firmly integrated in the circuit arrangement and, like the sample head 35 with the input 48 of the preamplifier 31 via a switch 41 or 42 connected is. These switches 41 , 42 can optionally be mechanical or also electrical switches, for example diode switches. Another difference is that the phase detector 32 has two channels from the outset which are fed with reference signals which are phase-shifted by 90 ° relative to one another, that is to say the spectrometer has a quadrature receiver. The two phase detectors 52 , 52 'of the quadrature receiver 32 are each followed by an analog / digital converter 33 , 33' , so that the digital computer 34 is simultaneously supplied with two digital signals which are characteristic of the components of the voltage vector U N and U P are so that the digital computer 34 can immediately form and display the vectorial voltage difference. Otherwise, an RF signal of the frequency f ₀ is fed to the input 48 of the preamplifier 31 via a resistor 49 at a terminal 43 for the adjustment of the sample head 35 , as is such an RF signal of the frequency f ₀ at the terminal as well as to the phase detector 32 44 is supplied. The RF signal serving as a reference signal for the phase detector 32 is fed to one detector 52 directly and the other detector 52 ' via a 90 ° phase shifter 46 , which in this case is a fixed phase shifter.
Es ist ersichtlich, daß die beschriebenen Anordnungen den Abgleich des Probenkopfes ermöglichen, ohne daß der Probenkopf an eine spezielle Meßapparatur angeschlossen werden muß. Vielmehr kann der Abgleich des Probenkopfes unter Verwendung der normalen Einrichtungen des NMR-Spektrometers vorgenommen werden. Es muß lediglich eine Möglichkeit zum Einspeisen des HF-Signals in den Eingang des Vorverstärkers 1 bzw. 31 eingerichtet und im Digitalrechner der notwendige Speicherplatz für die digitalen Werte, welche den am Eingang des Vorverstärkers anstehenden Spannungen U N und U P entsprechen, vorgesehen werden. Außerdem muß die Differenzbildung dieser Werte und die Anzeige der Differenz programmiert werden. Wie die oben wiedergegebene Gl. (3) zeigt, ist die Differenz dem komplexen Reflexions-Koeffizienten proportional, wie er auch in normalen Reflexionsbrücken gemessen wird. Ebenso wie bei einer Messung mittels einer Reflexionsbrücke kann die beim Reflexions-Koeffizienten entsprechende, vom Digitalrechner angezeigte Differenz minimiert werden. Dabei ist von besonderem Vorteil, daß die dem Normalwiderstand entsprechende Spannung U N im Rechner gespeichert ist und daher für wiederholte Abgleichsvorgänge während einer längeren Zeit zum Vergleich zur Verfügung steht, so daß der Probenkopf abgestimmt werden kann, ohne daß jedes Mal eine neue Messung des Normalwiderstandes stattfinden muß. Daher besteht die Möglichkeit, in nicht näher dargestellter Weise die Abstimmung des Probenkopfes bei Bedarf zu überprüfen und ggf. auch automatisch zu korrigieren. Beispielsweise kann eine automatische Korrektur der Abstimmung des Probenkopfes nach jedem Probenwechsel erfolgen, da ja die Probe einen gewissen Einfluß auf die Abstimmung des Probenkopfes hat. Dagegen braucht die Messung des Normalwiderstandes nur dann stattzufinden, wenn zu befürchten ist, daß sich die vom Normalwiderstand abgeleiteten Spannungswerte am Ausgang des Empfängers, die als digitale Zahlen gespeichert werden, durch eine Änderung der Betriebsbedingungen ebenfalls geändert haben. Die Möglichkeit, den Abgleich des Probenkopfes automatisch vorzunehmen, gewährleistet auch bei Reihen-Untersuchungen mit automatischem Probenwechsel für jede Probe eine optimale Abstimmung des Probenkopfes und daher eine Aufnahme des Spektrums mit höchster Präzision und Auflösung. Insoweit ist die Erfindung gerade auch für die hochauflösende NMR-Spektroskopie von größter Bedeutung. Andererseits bietet sie auch die Möglichkeit, in solchen Einsatzgebieten, in denen das Meßobjekt eine starke Verstimmung des Probenkopfes bewirkt, ein Nachstimmen des Probenkopfes bisher aber größte Schwierigkeiten bereitet hat, mit einem optimal abgestimmten Probenkopf zu arbeiten, wie es insbesondere bei der Kernspin-Tomographie der Fall ist.It can be seen that the arrangements described enable the probe head to be adjusted without the probe head having to be connected to a special measuring apparatus. Rather, the adjustment of the sample head can be carried out using the normal facilities of the NMR spectrometer. It is only necessary to set up a possibility for feeding the RF signal into the input of the preamplifier 1 or 31 and to provide the necessary storage space in the digital computer for the digital values which correspond to the voltages U N and U P present at the input of the preamplifier. In addition, the difference between these values and the display of the difference must be programmed. As the Eq. (3) shows, the difference is proportional to the complex reflection coefficient, as is also measured in normal reflection bridges. Just as with a measurement using a reflection bridge, the difference indicated by the digital computer in the reflection coefficient can be minimized. It is particularly advantageous that the voltage U N corresponding to the normal resistance is stored in the computer and is therefore available for comparison over a longer period of time for repeated adjustment processes, so that the probe head can be tuned without a new measurement of the normal resistance each time must take place. It is therefore possible to check the tuning of the sample head in a manner not shown in detail and, if necessary, to correct it automatically. For example, the adjustment of the sample head can be automatically corrected after each sample change, since the sample has a certain influence on the adjustment of the sample head. On the other hand, the measurement of the normal resistance only needs to take place if there is reason to fear that the voltage values derived from the normal resistance at the output of the receiver, which are stored as digital numbers, have also changed due to a change in the operating conditions. The possibility of automatically adjusting the sample head ensures that the sample head is optimally matched for each sample, even in series examinations with automatic sample change, and therefore the spectrum is recorded with the highest precision and resolution. In this respect, the invention is of the greatest importance, especially for high-resolution NMR spectroscopy. On the other hand, it also offers the possibility of working with an optimally matched probe head in areas of application in which the measurement object causes a severe detuning of the probe head, but has so far been extremely difficult to work with, as is particularly the case with nuclear spin tomography Case is.
Ebenso wie die Erfindung viele Anwendungsmöglichkeiten bietet, bestehen auch viele Möglichkeiten für eine zweckmäßige Ausbildung eines NMR-Spektrometers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Daher ist die Erfindung nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es sind viele Abweichungen davon möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Just as the invention offers many possible uses, there are also many opportunities for appropriate training an NMR spectrometer for performing the invention Procedure. Therefore, the invention is not limited to that shown and described exemplary embodiments, but there are many deviations from it, without the Leave the scope of the invention.
Claims (9)
als Meßkreis unmittelbar die Empfängerschaltung des NMR-Spektrometers benutzt und das HF-Signal in die Empfängerschaltung eingespeist wird und am Ausgang der Empfängerschaltung in Abhängigkeit von ihrer Impedanz zueinander in Phasenquadratur stehende Signale erzeugt und als Meßspannung verwendet werden,
zunächst der Probenkopf durch den Normalwiderstand ersetzt und die von der Empfängerschaltung gelieferten Signale im Digitalrechner des NMR-Spektrometers als Bezugssignal gespeichert werden und
dann die von der wieder den Probenkopf enthaltenden Empfängerschaltung gelieferten Signale als Abgleichsignal mit dem im Digitalrechner gespeicherten Bezugssignal während der Abstimmung des Probenkopfes rechnerisch verglichen werden.1. A method for tuning the probe head of an NMR spectrometer, including the probe head of an NMR tomograph, which has a receiver circuit containing the probe head with a phase detector and a digital computer connected to the receiver circuit for processing the signals supplied by the receiver circuit, in which method the Probe head and a normal resistance representing the target impedance of the probe head are switched into a measuring circuit and the measuring circuit is fed with an HF signal, the measuring voltage prevailing at a selected point of the measuring circuit when the HF signal is present and measured according to amplitude and phase and the tuning of the probe head in is changed in such a sense that the measuring voltage caused by the impedance of the probe head is at least approximately the same as the measuring voltage caused by the impedance of the normal resistance, characterized in that
the receiver circuit of the NMR spectrometer is used directly as the measuring circuit, and the RF signal is fed into the receiver circuit and, depending on its impedance, signals at the output of the receiver circuit are in phase quadrature and are used as measuring voltage,
first the probe head is replaced by the normal resistance and the signals supplied by the receiver circuit are stored in the digital computer of the NMR spectrometer as a reference signal and
then the signals supplied by the receiver circuit again containing the probe head are compared as a comparison signal with the reference signal stored in the digital computer during the tuning of the probe head.
der Probenkopf (5, 35) gegen einen die Sollimpedanz des Probenkopfes darstellenden Normalwiderstand (6, 36) auswechselbar ist,
die Empfangsschaltung im Bereich zwischen dem Probenkopf (5, 35) und dem Rest der Empfängerschaltung einen Anschluß (13, 43) zum Einspeisen eines HF-Signales aufweist und
der Digitalrechner (4, 34) zum Speichern und Vergleichen der von der Empfangsschaltung gelieferten Bezugs- und Abgleichsignale und zum Anzeigen der Differenz zwischen Abgleichsignals und Bezugssignal eingerichtet ist.5. NMR spectrometer for performing the method according to any one of the preceding claims with a probe head containing a receiver circuit which has a phase detector and is set up to generate signals in quadrature to each other, and with a digital computer connected to the receiver circuit for processing the Signals supplied to the receiver circuit, characterized in that
the probe head ( 5 , 35 ) can be exchanged for a normal resistance ( 6 , 36 ) representing the target impedance of the probe head,
the receiving circuit in the area between the probe head ( 5 , 35 ) and the rest of the receiver circuit has a connection ( 13 , 43 ) for feeding in an RF signal and
the digital computer ( 4 , 34 ) is set up to store and compare the reference and adjustment signals supplied by the receiving circuit and to display the difference between the adjustment signal and the reference signal.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19883838252 DE3838252A1 (en) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | Method for tuning the sample head of an NMR spectrometer, and an NMR spectrometer designed for carrying out the method |
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| DE19883838252 DE3838252A1 (en) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | Method for tuning the sample head of an NMR spectrometer, and an NMR spectrometer designed for carrying out the method |
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| DE3838252A1 true DE3838252A1 (en) | 1990-05-17 |
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ID=6366951
Family Applications (1)
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| DE19883838252 Withdrawn DE3838252A1 (en) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | Method for tuning the sample head of an NMR spectrometer, and an NMR spectrometer designed for carrying out the method |
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