DE2809237C2

DE2809237C2 - Sonde für Kernresonanzspektrometer

Info

Publication number: DE2809237C2
Application number: DE2809237A
Authority: DE
Inventors: Madis Augustovi&ccaron; Tallin Alla; Endel Teodorovi&ccaron; Lippmaa; Ants Augustovi&ccaron; Keila Salumyae; Tiit Augustovi&ccaron; Tallin Tucherm
Original assignee: INSTITUT KIBERNETIKI AKADEMII NAUK ESTONSKOJ SSR TALLIN SU
Current assignee: INSTITUT KIBERNETIKI AKADEMII NAUK ESTONSKOJ SSR TALLIN SU
Priority date: 1977-06-03
Filing date: 1978-03-03
Publication date: 1984-04-26
Also published as: IT1093167B; SU765724A1; DD136769A1; CH628143A5; JPS6352339B2; FR2393304A1; CA1098170A; GB1594042A; US4254373A; JPS5417796A; FR2393304B1; DE2809237A1; IT7820875A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonde für Kernresonanzspektrometer der im Oberbegriff des Patentanspruchs I beschriebenen, aus der DE-OS 21 43 482 bekannten Art.

Bei der bekannten Sonde besteht der Rotor aus einer langgestreckten Phiole, deren eines, die Probe aufnehmendes Ende zusammen mit der das Ende umschließenden Hochfrequenzspule im Feld eines Magneten angeordnet ist. Außerhalb des Magneten befinden sich koaxial hintereinander zwei Gaslager, zwischen denen die Lagergas-Zuführdüsen münden, so daß das Lagergas über den Spalt zwischen dem Rotor und den Gaslagern entweicht und somit den Rotor seitlich abstützt. Weiter oberhalb der Gaslager befindet sich am Rotor eine Kugel, an der die Treibnuten ausgebildet sind, mit deren Hilfe der Rotor in Drehung versetzt wird. Bei der bekannten Sonde verläuft das Feld des Elektromagneten senkrecht zur Rotorachse und senkrecht zur Achse der Hochfrequenzspule. Um Spektren hochauflösender magnetischer Kernresonanz in Festkörpern zu erhalten, deren Kerne schwerer sind als die von Wasserstoff, zum Beispiel Kohlenstoff ¹³C, Silizium ²⁹Si u.a., muß der Rotor mit hoher Drehzahl (ca. 4 bis 5 kHz) mit der zu prüfenden Substanz um seine Achse umlaufen, die zur Richtung des konstanten Magnetfeldes unter einem Winkel angeordnet ist, der etwa 54° 44' beträgt ^r>o (sogenannter magischer Winkel). Bei der bekannten Sonde ist es wegen der außerordentlichen Länge des Rotors nicht möglich, dessen Achse unter einem solchen Winkel zur Richtung des Magnetfeldes anzuordnen, da hierbei der Magnetspalt zu groß und das Magnetfeld zu stark geschwächt würde. Er ist außerdem nur für verhältnismäßig niedrige Drehzahlen geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sonde für Kernresonanzspektrometer zu schaffen, die eine sichere Lagerung und schnelle Drehung ermöglicht t.o und es dabei gestattet, bei möglichst geringer Spaltbreite zwischen den Polen des Magneten die Rotorachse unter dem genannten Winkel zur Richtung des Magnetfeldes anzuordnen.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Sonde es erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.

Dabei ist es aus der DE-AS 12 73 869 bekannt, die Lagergas-Zuführdüsen im Spulenkörper anzuordnen. Hierbei sind jedoch die Lagergas-Zuführdüsen auf einen konischen Teil des Sondenkörpers gerichtet, während der Proben-Aufnahmeraum in einem zylindrischen, von der Hochfrequenzspule umschlossenen Teil der Sonde angeordnet ist

Bei der, erfindungsgemäßen Sonde übernehmen die innenfläche des Spulenkörpers und die Außenfläche des Rotors die Funktion der Lagerflächen, zwischen denen das Lagergas strömt Es erübrigen sich daher die bei der Sonde nach der DE-OS 2143 482 außerhalb des Magnetspaltes angeordneten besonderen Gaslager. Dabei ergibt sich zusätzlich noch der Vorteil, daß der Rotor im Gegensatz zu dem der bekannten Sonde auf seiner gesamten Länge und damit stabil gestützt ist

Eine weitere Verkürzung und Stabilisierung des Rotors ergibt sich bei Anwendung der Merkmale des Patentanspruchs 2.

Die erfindungsgemäße Sonde eignet sich zur Untersuchung von stückigen, pulverförmigen und in flüssiger Phase aufgeschwemmten Festkörpern.

Prüfungen der Sonde ergaben, daß der Rotor 4 stabil bei Frequenzen bis 5 kHz (im Temperaturbereich von — 150 bis +200⁰C) bei jeder Lage der Drehachse umläuft Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, die Sonde bei Kernresonanzspektrometern mit beliebigen Magneten (einschließlich supraleitender Magneten) einzusetzen. Es stellte sich auch eine hohe Dauerstabilität der Drehung des Rotors (die Änderung der Rotationsfrequenz des Rotors überstieg 1% in der Stunde nicht) heraus, wodurch die Möglichkeiten für die Untersuchung von Festkörpern nach dem Verfahren der hochauflösenden kernmagnetischen Resonanz durch eine dauernde Speicherung von Signalen der kernmagnetischen Resonanz und die Anwendung von HF-Impulsfolgen, die mit der Umlauffrequenz des Rotors synchronisiert sind, wesentlich erweitert werden kann.

Gegenüber dem bekannten, in einem Gaslager gelagerten Geber nimmt die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Gebers zumindest um das 3fache zu, wodurch die Meßdauer um einen Faktor von ca. 10 reduziert ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Längsschnitt einer Sonde für Kernresonanzspektrometer,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht der Sonde der F i g. 1 im Spalt eines Magneten und

Fig.3 eine Ausführungsform der Sonde mit einer Spule mit zwei Wicklungen in isometrischer Darstellung.

Die Sonde enthält eine Hochfrequenzspule 1 (Fig. 1), welche auf einen Spulenkörper 2 gewickelt ist. Der Spulenkörper 2 besteht aus nichtmagnetischem Werkstoff mit einer geringen Wärmedehnungszahl, ζ. Β. aus Keramik, Glas oder Quarz.

Der Spulenkörper 2 hat eine durchgehende Mittelöffnung 3, die bei dieser Ausführungsform zylindrisch ausgestaltet ist. In dieser öffnung 3 befindet sich gleichachsig ein Rotor 4, der die Form eines Hohlzylinders hat, der mindestens an einem Ende mit einem abnehmbaren Deckel 5 beispielsweise aus Kunststoff versehen ist Fig. 1 zeigt den Rotor 4 mit Deckeln 5 an den beiden Enden. Die Deckel 5 sind konisch, sie können aber auch zylindrisch sein. Im Innenraum des Rotors 4 befindet sich die zu prüfende Probe, z. B. eine organische Verbindung, in der die

Cerne des Kohlenstoffes ¹³C enthalten sind.

Zum Antreiben des Rotors 4 sind an den Außenflä- :hen der Deckel 5 profilierte Aussparungen als Freibnuten 7 vorgesehen. Im Spulenkörper 2 sind gegenüber den Treibnuten 7 tangentiale Treibdüsen 8 zur Zufuhr des Gasstromes zu den Ticibnuten 7 geführt

Zwischen der zylindrischen Außenfläche (der Rotationsfläche) des Rotors 4 und der zylindrischen Fläche der Öffnung 3 (der Innenfläche des Spulenkörpers 2) ist ein Spalt 9 vorhanden, welchem über Lagergas-Zuführdüsen 10 im Spulenkörper 2 Druckgas zur Erzeugung eines Gaspolsters des Lagers, das durch die besagten Flächen gebildet ist, zugeführt wird. Das Druckgas hat eine Temperatur die zum Konstanthalten der Temperatur der Probe 6 erforderlich ist Diese Temperatur kann im Bereich von -15ObIs+ 200° C liegen.

Der Spulenkörper 2 mit der Spule 1 und dem Rotor 4 befindet sich innerhalb eines Gehäuses 11 aus einem nichtmagnetischen Werkstoff. Das Gehäuse 11 weist Öffnungen 12,13 auf, mit deren Hilfe sowie mittels der Treibdüsen 8 und der Lagergas-Zuführdüsen 10 der Hohlraum des Spulenkörpers 2 mit einer Druckgasquelle (nicht gezeigt) in Verbindung steht und Öffnungen 14 zur Verbindung des Hohlraumes mit der Umgebung.

F i g. 2 zeigt die Sonde in einem Gehäuse 15, das sich im Spalt 16 eines Elektromagneten befindet, von dem schematisch die Pole N und S dargestellt sind. Die Sonde ist im Gehäuse 15 derart befestigt daß die Drehachse des Rotors 4 zum Induktionsvektor H₀ des konstanten Magnetfeldes unter einem Winkel φ von etwa 54° 44' verläuft. Die Richtung der Drehung der Achse des Rotors 4 und die des Vektors H₀ sind jeweils mit Pfeilen V und H₀ im oberen Teil der F i g. 2 angedeutet

In Fig.3 ist eine Ausführungsform der Sonde mit zwei zueinander senkrechten Wicklungen 1', 1" abgebildet wobei die Wicklung 1' als Senderwicklung und die Wicklung 1" als Empfängerwicklung dienen. Das Gehäuse der Sonde ist zur besseren Deutlichkeit der Zeichnung nicht dargestellt

Die Sonde hat folgende Wirkungsweise.
Die Sonde mit der Probe, die gemäß Fig.2 im Gehäuse 15 befestigt ist, wird in den Spalt 16 des Elektromagneten N-S hineingeführt Über eine Rohrleitung 17 strömt das Druckgas mit konstanter Temperatur von der Quelle (nicht gezeigt) dem Spalt 9 des Gaslagers zur Bildung eines Gaspolsters zu. Über die Rohrleitung 18 gelangt das Treibgas an die Treibnuten 7, so daß eine schnelle und stabile Rotation des Rotors 4 stattfindet. Die Umlauffrequenz des Rotors 4 läßt sich durch Änderung des Gasdruckes in der Rohrleitung 18 einstellen. Der Spule 1 wird eine stationäre oder impulsartige HF-Spannung von einem Hochfrequenzgenerator (nicht abgebildet) zugeführt, wodurch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, das auf die zu prüfende Substanz einwirkt. Bei Übereinstimmung der Frequenz des Generators mit der Larmor-Frequenz der Präzession der zu prüfenden Kerne wird in die Spule 1 ein Signal der kernmagnetischen Resonanz induziert das mittels eines Koaxialkabels 19 zur Empfangsapparatur (nicht gezeigt) übertragen wird.

Die in F i g. 3 veranschaulichte Ausführungsform des Signalgebers ermöglicht es, das in der Wicklung 1" induzierte Signale der kernmagnetischen Resonanz von der zur Wicklung Γ zugeführten HF-Spannung besser abzutrennen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sonde für Kernresonanzspektrometer mit einem zylindrischen, allseits verschließbaren und sich in einem Gaslager drehenden Rotor (4), der von einer gleichachsig angeordneten Hochfrequenzspule (1) und einem Spulenkörper (2) mit tangential auf den äußeren Umfang des Rotors (1) gerichteten Treibdüsen (8) umschlossen ist, wobei das Gaslager einerseits von der Rotationsfläche des Rotors gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaslager andererseits durch die zylindrische Innenfläche des Lagergas-Zuführringes im Spulenkörper (2) gebildet ist

2. Sonde für Kernresonanzspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ende des Rotors (4) von einem konischen oder zylindrischen, abnehmbaren Deckel (5) verschlossen ist, auf dessen äußerer Oberfläche Treibnuten (7) ausgebildet sind.