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Dokumentenidentifikation DE102005024773B3 21.12.2006
Titel Hochfrequez-Spulenanordnung für Messungen mit magnetischer Resonanz und Probenkopf zur Aufnahme von Resonanzsignalen unter Verwendung einer derartigen Hochfrequenz-Spulenanordnung
Anmelder Bruker BioSpin GmbH, 76287 Rheinstetten, DE
Erfinder Zeiger, Heinz, Dr., 76337 Waldbronn, DE;
Dillmann, Baudovin, Strasbourg, FR
Vertreter Witte, Weller & Partner, 70178 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 20.05.2005
DE-Aktenzeichen 102005024773
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 21.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.12.2006
IPC-Hauptklasse G01R 33/34(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01R 33/30(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine Hochfrequenz-Spulenanordnung für Messungen mit magnetischer Resonanz sowie ein Probenkopf zur Aufnahme von Resonanzsignalen unter Verwendung einer derartigen Hochfrequenz-Spulenanordnung werden vorgeschlagen. Die Hochfrequenz-Spulenanordnung enthält eine Wickel-Spule (50), die einen um eine Längsachse (107) spiralig aufgewickelten Streifen (52) aufweist, dessen Enden mit Anschlussklemmen (100, 106) zum Einspeisen und/oder Abnehmen von Hochfrequenzsignalen verbunden sind. Der Streifen (52) ist in einer Abwicklung Z-förmig mit einem mittleren, breiten Abschnitt (56) sowie zwei seitlichen, schmalen und in Breitenrichtung versetzten Abschnitten (54, 58) ausgebildet, derart, dass die seitlichen Abschnitte (54, 58) im aufgewickelten Zustand des Streifens (52) einander in Breitenrichtung nicht überlappen (Fig. 3).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Spulenanordnung für Messungen mit magnetischer Resonanz, mit einer Wickel-Spule, die einen um eine Längsachse spiralig aufgewickelten Streifen aufweist, dessen Enden mit Anschlussklemmen zum Einspeisen und/oder Abnehmen von Hochfrequenzsignalen verbunden sind.

Die Erfindung betrifft ferner einen Probenkopf zur Aufnahme von Resonanzsignalen unter Verwendung einer derartigen Hochfrequenz-Spulenanordnung.

Eine Hochfrequenz-Spulenanordnung sowie ein Probenkopf der vorstehend genannten Art sind aus einem Aufsatz von Stringer, John A. et al. „Reduction of RF-induced sample heating with a scroll coil resonator structure for solid state NMR probes", Journal of Magnetic Resonance, 173 (2005) S. 40–48, sowie aus einem Aufsatz von Grant, S.C. "Analysis of Multilayer Radio Frequency Microcoils for Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy", IEEE Transactions on Magnetics, 37 (2001), S. 2989–2998 bekannt.

Aus der JP 01-046 637 AA ist ein Spiralresonator bekannt. Dieser Spiralresonator besteht in der Abwicklung aus einem schmalen, rechteckförmigen Metallblech, das so aufgewickelt ist, dass eine kreisförmige Schleife entsteht, bei der sich die Enden des Bleches im aufgewickelten Zustand geringfügig überlappen und dort mit einem kleinen Abstand zueinander angeordnet sind. Der Resonator ist für Messungen der Elektronenresonanz (ESR) und der Kernresonanz (NMR) vorgesehen, und zwar für Proben mit hohen dielektrischen Verlusten.

Spulenanordnungen und Probenköpfe der im Rahmen der vorliegenden Erfindung interessierenden Art werden bevorzugt für Messungen an verlustbehafteten, kleinen Proben mittels Kernresonanz (NMR) eingesetzt. Das schließt aber die Anwendung der Erfindung bei anderen Verfahren nicht aus, insbesondere für die Elektronenresonanz (ESR).

Das kleine Volumen kann sich dabei einerseits deswegen ergeben, weil nur geringe Mengen der Probensubstanz zur Verfügung stehen. Andererseits steigt bekanntlich die Empfindlichkeit von Messungen mittels magnetischer Resonanz mit der Messfrequenz bzw. der Stärke des konstanten, homogenen Magnetfeldes, in dem sich die Proben befinden. Je höher aber die Messfrequenz bzw. je kleiner deren Wellenlänge wird, desto kleiner werden auch die Spulen- oder Resonatoranordnungen, die zur Aufnahme der Proben dienen.

Unter „kleinen" Proben sind dabei Probenvolumina in der Größenordnung von 50 &mgr;l zu verstehen. Diese Proben sind typischerweise dann mit dielektrischen Verlusten behaftet, wenn es sich um flüssige, halbflüssige oder um salzhaltige Festkörperproben handelt. Die verlustbehafteten Proben bewirken eine Verschlechterung der Güte sowie eine Verstimmung der Frequenz im verwendeten Hochfrequenz-Spulenanordnung, was zu einer verminderten Empfindlichkeit führt.

Die Leitfähigkeit der Probensubstanz führt dabei zu einer Verkopplung mit dem elektrischen Hochfrequenzfeld. Es ist daher ein Bestreben bei der Konzeption von Spulenanordnungen und von Probenköpfen für Messungen mittels magnetischer Resonanz, die räumliche Verteilung des elektrischen Feldes einerseits und die räumliche Anordnung der Probensubstanz andererseits so auszulegen, dass möglichst geringe Zonen der Überlappung entstehen.

Bei herkömmlichen Solenoid-Spulen ist ein drahtförmiger Leiter schraubenartig um ein zylindrisches Volumen herum gewickelt, in das ein Probengefäß eingesetzt werden kann. Wird ein hochfrequentes Signal in diese Spule eingespeist, durchsetzt das magnetische Hochfrequenzfeld das Volumen und damit die Probe in axialer Richtung. Dabei tritt allerdings ein nicht unerhebliches elektrisches Streufeld auf, das in Verbindung mit Proben der oben genannten Art zu erheblichen dielektrischen Verlusten mit den genannten Folgen führt.

Es hat sich gezeigt, dass dieses Problem umso gravierender in Erscheinung tritt, je kleiner die Spule bzw. das Probenvolumen ist. Bei sehr kleinen Probenvolumina im Bereich von nur einigen 10 &mgr;l kann die Empfindlichkeit auf inakzeptable Werte absinken.

Aus den eingangs genannten Aufsätzen von Stringer und Grant sind sog. Wickel-Spulen („scroll coils") bekannt. Diese Spulen werden dadurch gebildet, dass ein schmaler, rechteckförmiger, elektrisch leitfähiger Streifen spiralig um eine Achse gewickelt wird. Die Anschlüsse der Wickel-Spule befinden sich dann an der innen liegenden und an der außen liegenden Schmalseite des gewickelten Streifens. Diese Spulenkonfiguration zeichnet sich durch ein geringeres elektrisches Streufeld im achsnahen Bereich der Spule aus. Sie hat sich daher als vorteilhaft für Messungen an kleinen Probenvolumina erwiesen.

Die bekannten Wickel-Spulen haben jedoch den Nachteil, dass der Anschluss an die innen liegende Schmalseite des gewickelten Streifens wegen der sehr begrenzten Raumverhältnisse schwierig zu realisieren ist, insbesondere bei den im vorliegenden Zusammenhang interessierenden sehr kleinen Spulen. Durch das gekreuzte Herausführen des Anschlusses aus dem achsnahen Bereich entsteht auch eine asymmetrische Anordnung. Wenn diese asymmetrisch angesteuert wird, ist der innere Anschluss elektrisch „kalt" (niedrige Hochfrequenzspannung) und der äußere Anschluss elektrisch „heiß" (hohe Hochfrequenzspannung).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hochfrequenz-Spulenanordnung sowie einen Probenkopf der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass diese Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll es möglich werden, magnetische Resonanz in kleinen Probenvolumina bei geringen dielektrischen Verlusten anzuregen bzw. aus diesen zu empfangen, wobei die verwendete Spulenanordnung einfach anschließbar und in vorteilhafter Weise symmetrisch ansteuerbar ist.

Bei einer Hochfrequenz-Spulenanordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Streifen in einer Abwicklung Z-förmig mit einem mittleren, breiten Abschnitt sowie zwei seitlichen, schmalen und in Breitenrichtung versetzten Abschnitten ausgebildet ist, derart, dass die seitlichen Abschnitte im aufgewickelten Zustand des Streifens einander in Breitenrichtung nicht überlappen.

Bei einem Probenkopf der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Hochfrequenz-Spulenanordnung an den Anschlussklemmen der Wickel-Spule symmetrisch angesteuert wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Die Z-förmige Ausbildung des Streifens mit in Breitenrichtung nicht-überlappenden schmalen Enden ermöglicht nämlich eine Spulenkonfiguration, bei der beide Anschlüsse symmetrisch angeordnet sind. Das ermöglicht einerseits einen kreuzungsfreien elektrischen Anschluss und andererseits eine symmetrische Ansteuerung der Spulenanordnung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung sind die seitlichen Abschnitten in Breitenrichtung mit Abstand zueinander angeordnet sind.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die schmalen Enden aneinander vorbeigeführt werden können, ohne dass die Gefahr eines Kurzschlusses besteht. Dies ist insbesondere bei hohen Hochfrequenzspannungen wichtig.

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der mittlere Abschnitt im Wesentlichen drei mal so breit wie die seitlichen Abschnitte.

Diese Dimensionierung hat sich bei praktischen Versuchen als vorteilhaft erwiesen.

Eine gute Wirkung wird erzielt, wenn der mittlere Abschnitt im Übergang zu den seitlichen Abschnitten schräg ausgebildet ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Streifen in einfacher Weise durch gerade Schnitte aus einer flachen Bahn, beispielsweise einer mit einem leitfähigen Belag versehenen Folie, ausgeschnitten werden kann.

Alternativ zu dem vorgenannten Ausführungsbeispiel kann jedoch der mittlere Abschnitt im Übergang zu den seitlichen Abschnitten auch gebogen ausgebildet sein.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass durch eine nicht-gerade Ausbildung der Übergänge die Stromverteilung innerhalb des Streifens im Übergang von den schmaleren Abschnitten zu dem breiteren Abschnitt optimiert werden kann.

Bei Ausführungsformen der Erfindung ist weiter bevorzugt, wenn der mittlere Abschnitt im aufgewickelten Zustand einen Winkel von nahezu 360° umschlingt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Innenraum der Spulenanordnung, d.h. der eigentliche Probenraum nur durch den aufgewickelten mittleren, breiteren Abschnitt gebildet wird, hier also die leitfähige Oberfläche des Streifens ein im Wesentlichen zylindrisches Volumen umschließt. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Stromverteilung und damit auf die Ausbildung des Hochfrequenzfeldes mit nur minimalen Streuanteilen des elektrischen Feldes im Probenraum aus.

Hierbei ist weiter bevorzugt, wenn die seitlichen Abschnitte im aufgewickelten Zustand einen Winkel von jeweils etwa 360° umschlingen.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Enden der schmalen Abschnitt wieder in einen geringen Abstand zueinander kommen, was deren elektrischen Anschluss erleichtert.

Die seitlichen Abschnitte umschlingen vorzugsweise im aufgewickelten Zustand einen Winkel von einem ganzzahligen Vielfachen von 180°. Bevorzugt sind sie gleich lang und weiter vorzugsweise ist der mittlere Abschnitt im Wesentlichen gleich lang wie die seitlichen Abschnitte ausgebildet.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind die Anschlussklemmen im Wesentlichen mittig an Breitseiten der seitlichen Bereiche angeschlossen.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Stromverteilung bereits in den schmalen Abschnitten optimiert ist.

Die Erfindung wird vorzugsweise in der Weise eingesetzt, dass der Streifen im aufgewickelten Zustand einen Innenraum für ein Probenvolumen im Bereich von 10 bis 100 &mgr;l umschließt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Erfindung in diesem besonders wichtigen Bereich der Analytik, in dem nur sehr kleine Probenvolumina zur Verfügung stehen, eingesetzt werden kann.

Insoweit ist bevorzugt, wenn die Wickelspule für eine Resonanzfrequenz im Bereich von 400 bis 1.000 MHz ausgelegt ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass in einem Messbereich gearbeitet werden kann, der wegen der hohen Messfrequenz bzw. Feldstärke des Konstant-Magnetfeldes eine hohe Empfindlichkeit ermöglicht.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hochfrequenz-Spulenanordnung im Bereich der Resonanzfrequenz der Wickelspule, vorzugsweise unterhalb der Resonanzfrequenz betrieben wird.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Spulenanordnung als Resonator betrieben wird und daher eine besonders hohe magnetische Hochfrequenz-Feldstärke im Probenraum erreicht wird.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Probenkopfes sind die Anschlussklemmen jeweils an ein Ende eines Innenleiters von Leitungen angeschlossen, deren Länge etwa gleich einer halben Wellenlänge einer ersten Messfrequenz für Kerne einer ersten Kernart ist, wobei Signale der ersten Messfrequenz vom entgegen gesetzten Ende eines der Innenleiter zugeführt und/oder abgenommen werden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass ein symmetrischer Betrieb des Probenkopfes möglich ist, bei dem beide Anschlüsse der Spulenanordnung elektrisch „heiß" sind.

Bei einer Weiterbildung des vorgenannten Ausführungsbeispiels werden Signale einer zweiten Messfrequenz für Kerne einer zweiten Kernart an einem Mittelabgriff des anderen Innenleiters zugeführt und/oder abgenommen.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass auch gleichzeitig Messungen an Kernen zweier oder mehrerer Kernarten vorgenommen werden können, indem beispielsweise die eine Kernart gesättigt und zugleich die andere Kernart beobachtet wird.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1: eine Wickel-Spule in abgewickeltem Zustand, nach dem Stand der Technik;

2: die Spule gemäß 1, jedoch im aufgewickelten Zustand;

3: eine Wickel-Spule in abgewickeltem Zustand, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

4: die Spule gemäß 3, jedoch im aufgewickelten Zustand;

5: die Spule gemäß 4, in einer Draufsicht; und

6: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Probenkopfes mit einer Spule gemäß 4.

In 1 und 2 bezeichnet 10 eine Wickel-Spule („scroll coil") nach dem Stand der Technik. Die Wickel-Spule 10 besteht im wesentlichen aus einem Streifen 12 von schmaler, rechteckiger Form.

Auf der in 1 linken Seite sind an der dortigen Schmalseite des Streifens 12 eine erste, obere Ecke 14 sowie eine zweite, untere Ecke 16 eingezeichnet. Mittels gleich langer Leitungsstücke 18 und 20 sind diese Ecken 14, 16 an einen Knoten 22 angeschlossen, von dem ein weiteres Leitungsstück 24 zu einer ersten Anschlussklemme 26 führt. Auf der in 1 rechten Seite befinden sich spiegelsymmetrisch dazu eine dritte, obere Ecke 28 sowie eine vierte, untere Ecke 30 an der Schmalseite des Streifens 12. Von diesen Ecken 28 und 30 führen Leitungsstücke 32 und 34 zu einem Knoten 36 und von dort ein weiteres Leitungsstück 38 zu einer zweiten Anschlussklemme 40.

Wie man deutlich aus 1 erkennen kann, erstrecken sich die Leitungsstücke 18 und 20 auf der linken Seite zunächst in Verlängerung der Längsseiten des Streifens 12, während die Leitungsstücke 32 und 34 zunächst in Verlängerung der rechten Schmalseite verlaufen.

Der Sinn dieser Maßnahme wird aus der Darstellung in 2 deutlich, wo die Wickel-Spule 10 im aufgewickelten Zustand dargestellt ist. Die in 1 linke Schmalseite des Streifens 12 befindet sich nämlich in diesem Zustand außen und die rechte Schmalseite innen, im Bereich einer Längsachse 42 der Wickel-Spule 12, die zugleich die Längsachse für ein dort einsetzbares Probengefäß 43. Während nun die Leitungsstücke 18 und 20 außen in Verlängerung der Längsseiten des Streifens 12 weggeführt werden können, ist dies innen mit den Leitungsstücken 32 und 34 nicht möglich. Diese müssen vielmehr gekreuzt, d.h. zunächst axial und dann radial nach außen geführt werden.

Wegen der doch relativ großen Breite des Streifens 12 muss das Hochfrequenzsignal im Interesse einer gleichmäßigen Stromverteilung an den Ecken 14, 16, 28 und 30 zugeführt werden, so dass insgesamt ein relativ komplizierter und asymmetrischer Aufbau entsteht.

Dies ist bei dem in den 3 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung anders. Dort wird eine Wickel-Spule 50 verwendet, die, wie deutlich aus 3 erkennbar ist, im wesentlichen aus einem Z-förmigen Streifen 52 besteht.

Der Streifen 52 weist einen linken, schmalen Abschnitt 54 der Breite b1, einen mittleren, breiten Abschnitt 56 der Breite B sowie einen rechten, schmalen Abschnitt 58 der Breite b2 auf. Der linke Abschnitt 54 schließt in der Darstellung von 1 unten und der rechte Abschnitt 58 oben an den mittleren Abschnitt 56 an, wobei der linke Abschnitt 54 in Breitenrichtung gegenüber dem rechten Abschnitt 58 um einen Betrag &Dgr;b versetzt ist. Vorzugsweise gilt b1 = b2 = 1/3B = &Dgr;b. Der Streifen 52 hat eine Gesamtlänge L. Die Länge des linken Abschnittes 54 beträgt l1, die des mittleren Abschnittes 56 beträgt l2 und die des rechten Abschnittes 58 beträgt l3. Die drei Abschnitte 54, 56 und 58 sind vorzugsweise in etwa gleich lang, wie anhand der 4 und 5 noch erläutert werden wird. Die schmaleren Abschnitte 54 und 58 können aber auch wesentlich länger als der breitere Abschnitt 56 sein.

In der Darstellung von 3 hat der linke Abschnitt 54 eine erste, gerade, obere Längsseite 60, eine dazu parallele zweite, gerade, untere Längsseite 62, sowie eine erste Breitseite 64. Die erste Längsseite 60 geht an ihrem rechten Ende in eine dritte, schräge, obere Längsseite 66 des mittleren Abschnittes 56 über und zwar unter einem Winkel &agr;, der beispielsweise etwa 45° betragen kann.

Die dritte Längsseite 66 wiederum geht an ihrem rechten Ende unter einem Winkel 180° – &agr; in eine vierte, gerade, obere Längsseite 68 des mittleren Abschnittes 56 über. Der mittlere Abschnitt 56 hat an seiner Unterseite eine fünfte, gerade, untere Längsseite 70, die mit der zweiten Längsseite 72 des linken Abschnittes 54 fluchtet. An ihrem rechten Ende geht die fünfte Längsseite 70 in eine sechste, schräge, untere Längsseite 72 des mittleren Abschnittes 56 über und zwar vorzugsweise in einer zur dritten Längsseite 66 parallelen Ausrichtung, d.h. ebenfalls unter einem Winkel &agr;.

Die vierte Längsseite 68 des mittleren Abschnittes 56 fluchtet mit einer siebten, geraden, oberen Längsseite 74 des rechten Abschnittes 58. An dessen Unterseite befindet sich eine dazu parallele achte, gerade, untere Längsseite 76, die folglich mit der sechsten Längsseite 72 einen Winkel von 180° – &agr; einschließt. Am rechten Ende des rechten Abschnittes 58 wird dieser von einer zweiten Breitseite 78 abgeschlossen.

In 3 ist mit einer strichpunktierten Linie 72' angedeutet, dass die Übergänge zwischen den jeweils geraden Längsseiten, also im Wesentlichen die schrägen Längsseiten 66 und 72, auch gebogen ausgebildet sein können. Dies kann sinnvoll sein, um die Stromverteilung innerhalb des Streifens 52, beispielsweise im Sinne einer Vergleichmäßigung der Stromdichte, zu beeinflussen.

Der Streifen 52 kann in an sich bekannter Weise aus einem elektrisch leitfähigen Bahnmaterial geschnitten werden, beispielsweise aus einer mit einem metallischen Belag beschichteten Folie aus einem Polyfluorethylenpolymer.

Die Form des Streifens 52 kann durch dessen Ecken beschrieben werden, die in 3, beginnend links oben im Uhrzeigersinn mit 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92 und 94 bezeichnet sind. Diese Kennzeichnung ist für das Verständnis der 4 hilfreich.

Mittig zwischen den Ecken 80 und 94 der ersten Breitseite 64 ist in einem ersten Punkt 96 ein Leitungsstück 98 angeschlossen, das zu einer ersten Anschlussklemme 100 führt. Entsprechend ist auf der rechten Seite zwischen den Ecken 86 und 88 der zweiten Breitseite 78 mittig ein Punkt 102 vorhanden, von dem ein Leitungsstück 104 zu einer zweiten Anschlussklemme 106 führt. Hier zeigt sich, dass es bei der erfindungsgemäßen Wickel-Spule 50 infolge der geringen Breite b1 und b2 der Abschnitte 54 und 58 ausreicht, den Anschluss nur über jeweils ein Leitungsstück 98 bzw. 104 herzustellen, was eine Vereinfachung des Aufbaus bedeutet. Es versteht sich jedoch, dass erforderlichenfalls auch hier mit je einem Leitungsstück je Ecke 80, 86, 88 und 94 gearbeitet werden kann.

Zum Herstellen der Wickel-Spule 50 für einen betriebsfähigen, aufgewickelten Zustand wird der Streifen 52 spiralig aufgewickelt, wie dies in den 4 und 5 dargestellt ist.

Man erkennt, dass der Streifen 52 derart aufgewickelt wird, dass der mittlere Abschnitt 56 einen Bogen von nahezu 360° umschlingt, wobei zwischen den schrägen Längsseiten 66 und 72 nur ein schmaler Spalt bzw. zwischen den Ecken 82 und 90 nur ein geringer Abstand 90 verbleibt (in 4 zur Veranschaulichung unmaßstäblich groß dargestellt). Dadurch entsteht um eine Längsachse 107 ein zylindrischer Innenraum 108, in den ein Probengefäß 109 einsetzbar ist.

Da der zylindrische Innenraum 108 nahezu vollständig von dem breiten mittleren Abschnitt 56 und dessen leitfähiger Oberfläche umgeben ist, stellt sich hinsichtlich der Verteilung des Hochfrequenzfeldes im Vergleich zu der bekannten Wickel-Spule 10 gemäß 1 und 2 keine Verschlechterung ein. Die Probe ist über ihre volle Länge von nur einer Windung der Spule umgeben, so dass sich ein besonders intensives und homogenes magnetisches Hochfrequenzfeld und nur ein sehr schwaches elektrisches Hochfrequenzfeld am Ort der Probe ergibt. Letzteres führt zu einer geringen Frequenzverstimmung bei unterschiedlichen Proben und zu einer nur geringen Abhängigkeit der Schwingkreisgütewerte von der Art der Probensubstanz. Das ist gerade für salzhaltige Proben wichtig.

Der linke Abschnitt 54 und der rechte Abschnitt 58 werden jeweils ein mal um den mittleren Abschnitt 56 herum gewickelt, wie man aus der Draufsicht von 5 erkennen kann. Bei entsprechend längerer Ausführung dieser Abschnitte 54 und 58 können diese auch mehrfach um den mittleren Abschnitt 56 herum gewunden sein. Allgemein gesprochen können die seitlichen Abschnitte 54 und 58 im aufgewickelten Zustand einen Winkel umschlingen, der gleich einem ganzzahligen Vielfachen von 180° ist, also 180°, 360°, 540° usw.

Dabei müssen der rechte und der linke Abschnitt 54, 58 nur einen radialen Abstand &Dgr;r vom mittleren Abschnitt 56 einhalten. Der in 5 zum besseren Verständnis eingezeichnete radiale Abstand zwischen dem rechten Bereich 54 und dem linken Bereich 58 muss hingegen nicht eingehalten werden, weil sich diese beiden Abschnitte in axialer Richtung übereinander befinden und sich wegen des Abstandes &Dgr;b (3) nicht berühren. Sie können daher, anders als in 5 dargestellt, in axialer Richtung miteinander fluchten. Die beiden Anschlussklemmen 100 und 106 können dann, wenn die Abschnitte 54 und 58 im wesentlichen gleich lang sind, nebeneinander herausgeführt werden. Im Gegensatz zu den bekannten Wickel-Spulen gemäß 1 und 2 gibt es dabei keine kreuzenden Herausführungen.

6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Probenkopfes 110 mit einer Hochfrequenz-Spulenanordnung 111, die unter Verwendung der Wickel-Spule 50 aufgebaut ist.

Die erste Anschlussklemme 100 ist mit einem oberen Ende eines Innenleiters 112 einer ersten &lgr;/2(1H)-Leitung 113 verbunden. Ein gegenüberliegendes unteres Ende 114 des Innenleiters 112 ist über einen ersten Abstimmkondensator 116 an Masse und über einen zweiten Abstimmkondensator 118 an eine dritte Anschlussklemme 120 angeschlossen. Die dritte Anschlussklemme 120 ist zum Einspeisen bzw. Abnehmen von Hochfrequenzsignalen für Kerne einer ersten Kernart vorgesehen, insbesondere für Protonen (1H). Auf diese Kernart bzw. die Wellenlänge der zugehörigen Frequenz bezieht sich auch die Längenangabe &lgr;/2(1H) für die erste Leitung 113.

Von einem Mittelabgriff 122 des Innenleiters 112 ist ein dritter Abstimmkondensator 124 gegen einen an Masse liegenden Außenmantel 126 der ersten &lgr;/2(1H)-Leitung 113 geschaltet.

Ein oberes Ende eines Innenleiters 128 einer zweiten &lgr;/2(1H)-Leitung 130 ist mit der zweiten Anschlussklemme 106 verbunden. Ein gegenüberliegendes unteres Ende 132 ist über einen vierten Abstimmkondensator 134 an Masse angeschlossen. Ein Mittelabgriff 136 des Innenleiters 128 führt über einen fünften Abstimmkondensator 138 zu einer vierten Anschlussklemme 140, die ferner über eine Abstimminduktivität 142 an einen Außenmantel 144 der zweiten &lgr;/2(1H)-Leitung 130 angeschlossen ist. Die vierte Anschlussklemme 140 dient zum Einspeisen bzw. Abnehmen eines Signals von Kernen einer zweiten Kernart X, beispielsweise 15N oder 31P.

Die Hochfrequenz-Spulenanordnung 111 wird somit über die beiden Leitungen 113 und 130 symmetrisch angesteuert. Der Verlauf der längs dieser Leitungen 113 und 130 abfallenden Hochfrequenzspannung u(1H) ist in 6 mit Diagrammen 146 und 148 eingezeichnet. Man erkennt aus diesen Diagrammen 146 und 148, dass beide Anschlussklemmen 100 und 106 „heiß" sind, also an maximaler Spannung u(1H) liegen.

Diese symmetrische Beschaltung einer Probenspule ist in der älteren deutschen Patentanmeldung 103 61 347.1-15 der Anmelderin beschrieben. Es müssen dabei nicht notwendigerweise zwei &lgr;/2-Leitungen verwendet werden. Vielmehr können auch andere Leitungen eingesetzt werden, die jeweils bestimmte Vielfache von Vierteln der Wellenlänge der ersten und/oder weiterer Kernarten lang sind.

Die Wickel-Spule 50 wird im Bereich ihrer Resonanzfrequenz betrieben, vorzugsweise mit einer Frequenz, die etwas unter der Resonanzfrequenz liegt.


Anspruch[de]
Hochfrequenz-Spulenanordnung für Messungen mit magnetischer Resonanz, mit einer Wickel-Spule (10; 50), die einen um eine Längsachse (42; 107) spiralig aufgewickelten Streifen (12; 52) aufweist, dessen Enden mit Anschlussklemmen (26, 40; 100, 106) zum Einspeisen und/oder Abnehmen von Hochfrequenzsignalen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Streifen (52) in einer Abwicklung Z-förmig mit einem mittleren, breiten Abschnitt (56) sowie zwei seitlichen, schmalen und in Breitenrichtung versetzten Abschnitten (54, 58) ausgebildet ist, derart, dass die seitlichen Abschnitte (54, 58) im aufgewickelten Zustand des Streifens (52) einander in Breitenrichtung nicht überlappen. Hochfrequenz-Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Abschnitte (54, 58) in Breitenrichtung mit Abstand (&Dgr;b) zueinander angeordnet sind. Hochfrequenz-Spulenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abschnitt (56) drei mal so breit (B, b1, b2) ist wie die seitlichen Abschnitte (54, 58). Hochfrequenz-Spulenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abschnitt (56) im Übergang zu den seitlichen Abschnitten (54, 58) schräg ausgebildet (66, 72) ist. Hochfrequenz-Spulenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abschnitt (56) im Übergang zu den seitlichen Abschnitten (54, 58) gebogen ausgebildet (72') ist. Hochfrequenz-Spulenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abschnitt (56) im aufgewickelten Zustand einen Winkel von nahezu 360° umschlingt. Hochfrequenz-Spulenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Abschnitte (54, 58) im aufgewickelten Zustand einen Winkel von jeweils etwa 360° umschlingen. Hochfrequenz-Spulenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Abschnitte (54, 58) gleich lang (11, 13) sind. Hochfrequenz-Spulenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Abschnitte (54, 58) im aufgewickelten Zustand einen Winkel von einem ganzzahligen Vielfachen von 180° umschlingen. Hochfrequenz-Spulenanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abschnitt (56) gleich lang (11, 12, 13) wie die seitlichen Abschnitte (54, 58) sind. Hochfrequenz-Spulenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussklemmen mittig an Breitseiten (64, 78) der seitlichen Bereiche (54, 58) angeschlossen sind. Hochfrequenz-Spulenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Streifen (52) im aufgewickelten Zustand einen Innenraum (108) für ein Probenvolumen im Bereich von 10 bis 100 &mgr;l umschließt. Hochfrequenz-Spulenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelspule (50) für eine Resonanzfrequenz im Bereich von 400 bis 1.000 MHz ausgelegt ist. Hochfrequenz-Spulenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Bereich der Resonanzfrequenz der Wickelspule (50), vorzugsweise unterhalb der Resonanzfrequenz, betrieben wird. Probenkopf zur Aufnahme von Resonanzsignalen unter Verwendung einer Hochfrequenz-Spulenanordnung (111) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Spulenanordnung (111) an den Anschlussklemmen (100, 106) der Wickel-Spule (50) symmetrisch angesteuert wird. Probenkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussklemmen (100, 106) jeweils an ein Ende eines Innenleiters (112, 128) von Leitungen (113, 130) angeschlossen sind, deren Länge etwa gleich einer halben Wellenlänge (&lgr;/2) einer ersten Messfrequenz für Kerne einer ersten Kernart (1H) ist, wobei Signale der ersten Messfrequenz vom entgegen gesetzten Ende (114) eines der Innenleiter (112) zugeführt und/oder abgenommen werden. Probenkopf nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass Signale einer zweiten Messfrequenz für Kerne einer zweiten Kernart (X) an einem Mittelabgriff des anderen Innenleiters (128) zugeführt und/oder abgenommen werden.






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