DE961104C - Verfahren zum Speichern von elektrischen Impulsen mittels Kernspinecho - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 4. APRIL 1957

/ 10530 VIII a 121 a¹

Sindelfingen (Württ.)

Verfahren zur Speicherung von Impulsen mittels Kernspinecho sind an sich bekannt. Die Grundzüge dieser Technik sind in dem Aufsatz »Spin-Echoes« vonE. L. Hahnin»PhysicalReview«vomi5. November 1950 veröffentlicht worden. Es ist ferner bekannt bzw. vorgeschlagen worden, die Art der Echobildung (es sind verschiedene Echos möglich, z. B. Spiegelechos und angeregte Echos) zu steuern, indem man das die verschiedenen Larmorpräzessionen bewirkende inhomogene Gleichfeld mehr oder weniger inhomogen macht. Bei den bisher bekannten oder vorgeschlagenen Verfahren bestand der zu speichernde Nachrichteninhalt allein in der Zahl und Anordnung von hochfrequenten »Angaben «-Impulsen. Die Erfindung sieht nun vor, daß eine aus mehreren, vorzugsweise gleichartigen Impulsen bestehende Speicherimpulsträgerkette gebildet wird, die zwar auch aus hochfrequenten Impulsen aufgebaut ist, ihren Nachrichteninhalt jedoch dadurch erhält, daß die Fähigkeit des einzelnen Impulses innerhalb der Trägerkette, nach dem Erinnerungsimpuls einen Echoimpuls zu bilden, von der zeitlichen Lage und Form der die Feldinhomogenität · steuernden Impulse abhängig gemacht wird, so daß die Trägerkette im Echozeitraum Lücken aufweist, deren Größe und Lage für die gespeicherte Nachricht charakteristisch sind, welche dann für vielfältige Meß- und Steueraufgaben verwendet werden kann. Eine solche Verwendung für Meßzwecke besteht er-• findungsgemäß z. B. darin, daß der Zeitpunkt des Vorimpulses (wie ein solcher für die bevorzugte Anwendung

von angeregten Echos vorgesehen ist) und der des Zeitimpulses im Trägereingabezeitraum durch ein zusammengehöriges erstes Sende- und Empfangssignal einer Rückstrahlmeßeinrichtung (z. B. Echolot) und der Zeitpunkt des Erinnerungsimpulses und der des Feldimpulses im Echozeitraum durch ein zweites zusammengehöriges Sende- und Empfangssignal bestimmt werden. Die Lage und Größe der entstehenden Lücke in der Trägerechokette gibt den Unterschied der ίο beiden Rückstrahlungszeiten an und zeigt damit an, ob und wie schnell sich das rückstrahlende Objekt nähert oder entfernt.

Weitere Merkmale werden aus der nachfolgenden Beschreibung und an Hand der Abbildungen ersichtlich. Fig. ι und 2 sind zusammengehörende Blockschaltbilder einer Anordnung zur Erzeugung von Spinechos; Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm und stellt eine Impulsfolge von Spiegelechos und von angeregten Echos dar; Fig. 4 zeigt die erforderliche integrale Zeit- und Feldzustandsymmetrie bei der Echoerzeugung;

Fig. 5, die die zugehörigen Unterfiguren 5A₁ 5 B, 5 C, 5 D und 5 E umfaßt, zeigt an Hand von Zeitdiagrammen das Verhalten der Echokette bei verschiedenen Feldimpulsanlegungen; Fig. 6 zeigt in ähnlicher Weise Echodarstellungen bei mehrfachen Feldimpulsen;

Fig. 7 zeigt eine Anwendung des Verfahrens auf die Analyse von durch ein bewegtes Objekt reflektierten Signalen;

Fig. 8 veranschaulicht den Zustand integraler oder Bereichssymmetrie zwischen ungleichen Feldimpulsen. Die Spinechotechnik, die im allgemeinen auf dem Verhalten sich drehender gyroskopischer Teilchen in Polarisationsfeldern beruht, kann am besten veranschaulicht werden in ihrer Anwendung auf Atomkerne, die durch ein starkes magnetisches Feld beeinflußt werden und die gewünschten Echoeffekte durch freie Kerninduktion erzeugen. Die Erscheinung der freien Kerninduktion selbst ist durch die Arbeiten von Bloch und Mitarbeitern bekanntgeworden. Die Anwendung dieses Effektes zum Erzeugen von Spinechos ist von E. L. Hahn in dem eingangs erwähnten Aufsatz beschrieben worden. Da diese Veröffentlichungen allgemein zugänglich sind, braucht die darin enthaltene ganze komplizierte mathematische Analyse nicht wiederholt zu werden. Um jedoch die Eigenart und die Vorteile der vorliegenden Erfindung am klarsten herauszustellen, seien zunächst kurz die allgemeinen Grundsätze der Spinechotechnik beschrieben. Die Kerninduktion beruht auf einer Kombination magnetischer und mechanischer Eigenschaften, die die Atomkerne chemischer Stoffe aufweisen, zum Beispiel die Protonen oder Wasserstoffkerne in Wasser und verschiedenen Kohlenwasserstoffen. Der Kern dreht sich mechanisch um seine Symmetrieachse, und da der Kern Masse besitzt, hat er einen Drehimpuls und bildet daher einen sehr kleinen Kreisel, der die normalen mechanischen Eigenschaften einer solchen Vorrichtung hat. Außerdem hat der Kern ein magnetisches Moment entlang seiner Kreiselachse. Man kann sich also jeden Kern als winzigen Stabmagneten vorstellen, der sich um seine Längsachse dreht. Für einen gegebenen chemischen Stoff besteht ein feststehendes Verhältnis zwischen dem magnetischen Moment jedes Kerns und seinem Drehimpuls. Dieses Verhältnis ist das gyromagnetische Verhältnis, das normalerweise durch den griechischen Buchstaben γ bezeichnet wird. Eine kleine Probe einer chemischen Substanz, z. B. Wasser, enthält offensichtlich eine ungeheure Anzahl solcher gyroskopischen Kerne. Wenn die Probe in ein starkes in einer Richtung wirkendes magnetisches Feld gebracht wird, richten sich diese drehenden Kerne so aus, daß ihre magnetischen Achsen parallel zu dem Feld verlaufen, in der Art eines großen Kreisels, der aufrecht im Gravitationsfeld der Erde steht. Ob die verschiedenen Kernmagnetmomente mit dem oder gegen das Feld ausgerichtet werden, wird hauptsächlich durch den Zufall bestimmt, aber während eine große Anzahl, die in entgegengesetzter Richtung ausgerichtet sind, einander auslöschen, gibt es immer ein Nettoübergewicht in der einen Richtung, von der wir annehmen, daß sie mit dem Feld verläuft. Die von dem magnetischen Feld beeinflußte Stoffprobe erlangt also ein reines magnetisches Moment M₀ und einen reinen Drehimpuls I₀, welche beiden Größen als die Vektorsummen der magnetischen Momente und der Drehimpulse aller in Frage kommenden Kerne dargestellt werden können.

Solange die Kerne in dem Feld nicht gestört sind, bleiben sie in paralleler Ausrichtung mit ihm. Wenn jedoch eine Kraft auftritt, die die sich drehenden Kerne aus der Ausrichtung mit dem Hauptfeld herauskippt, so rotieren oder präzedieren die sich drehenden Kerne, die wieder durch die Kraft des Feldes zur Ausrichtung gedrängt werden, um die Feldrichtung nach der Kreiseltheorie. Die Präzession hat dann eine Frequenz ω₀ = yH₀, wobei H₀ die Feldstärke ist, die auf jeden Kern einwirkt, und γ das obenerwähnte gyromagnetische Verhältnis darstellt. Diese Präzessionsfrequenz CO₀ wird Larmorfrequenz genannt, und da für jede gegebene,Kernart γ konstant ist (z.B. 2,68 · io⁴ für Protonen oder Wasserstoffkerne in Wasser), ist die Larmorfrequenz jedes präzedierenden Kerns eine direkte Funktion der Feldstärke, die auf den betreffenden Kern einwirkt. Wenn die Feldstärke H₀ in verschiedenen Teilen der Stoffprobe verschiedene Werte hat, haben die Kerngruppen dieser verschiedenen Teile magnetische Momente, die - mit verschiedenen Larmorfrequenzen präzedieren.

Auf dem Merkmal der verschiedenen Präzession in einem inhomogenen Felde beruht nun das Spinechoverfahren. Zur Klarstellung der nachstehenden allgemeinen Erklärung sei zunächst kurz eine beispielsweise Anordnung zur Erzeugung der Effekte beschrieben, und zwar ist eine solche Anordnung sehematisch in Fig. 1 und 2 dargestellt. In Fig. 1 kennzeichnet die Bezugsziffer 30 eine Probe eines chemischen Stoffes, z. B. Wasser oder Glyzerin, in der Angaben gespeichert werden sollen. Die Stoffprobe 30 liegt zwischen den Polflächen eines Magneten 31, der vorzugsweise ein Horndauermagnet ist, jedoch natürlich auch ein gleichwertiger Elektromagnet sein kann. Das Hauptmagnetfeld H₀ liegt in senkrechter Richtung, während eine Hochfrequenzspule 32 so angeordnet ist, daß sie ein Feld ergibt, dessen Achse hinein in die oder heraus aus der Zeichenebene verläuft, so

daß also das HF-Feld senkrecht auf dem H₀-FeId steht. Zwei Gleichstromspulen 33 und 34, die gemäß der schematischen Darstellung in bezug auf den Magneten 31 und die HF-Spule 32 angeordnet sind, können vorgesehen sein, um die Inhomogenität des Feldes H₀ zu regeln oder um zusätzliche Feldinhomogenitäten einzuführen, wie nachstehend erklärt.

Fig. 2 veranschaulicht als halbes Blockschema eine typische elektrische Anordnung, durch welche die Impulse gespeichert und Echos aus der Stoffprobe 30 erlangt werden können. Da der innere Aufbau und die Arbeitsweise der gezeigten Blockkomponenten allge-■ mein in der Elektronik bekannt sind, wird ihre Beschreibung auf das beschränkt, was zur Erklärung für die Erzeugung von Spinechos nötig ist.

Ein Synchronisator oder Impulserzeuger 35 erzeugt Angaben- und Erinnerungsimpulse und andere für das System benötigte Steuerimpulse. Die Erregereinheit 36, die durch die Impulsquelle 35 steuerbar ist und aus einem Oszillator und mehreren Frequenzverdopplungsstufen besteht, dient als Steuerstufe für den HF-Endverstärker 37. Bei Erzeugung eines Impulses erregt die Quelle 35 zuerst den Erreger 36, um ein HF-Signal an den Verstärker 37 zu legen, und regt dann den Verstärker an, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Dieser Ausgang wird über eine Abstimmschaltung 38 zu einer Spule 39 geleitet, welche induktiv mit einer zweiten Spule 40 gekoppelt ist, die eine Schaltung 41 speist, welch letztere die oben beschriebene HF-Spule 32 (Fig. 1) umfaßt, die die Stoffprobe 30 enthält. Die Eingangsleitung 43 eines Signalverstärkers 42 ist an die Abstimmschaltung 38 angeschlossen, so daß jedes in der HF-Spule 32 induzierte und über die Spulen 40 und 39 zurückübertragene Echosignal diesem Verstärker zugeleitet wird. Der Ausgang 44 des Verstärkers 42 führt zu einer Einrichtung zur Auswertung der Echoimpulse, und zwar ist diese Anordnung hier durch ein Oszilloskop 45 dargestellt, das eine waagerechte Abtaststeuerverbindung 46 zu dem Synchronisator 35 hat. Eine Gleichstromquelle 47 liefert Strom zu den Spulen 33 und 34 für nachstehend genauer erklärte Zwecke.

Bei Einleitung von Spinechoeffekten wird die Probe 30 zunächst dem polarisierenden magnetischen Feld H₀ genügend lange ausgesetzt, damit ihre gyromagnetischen Kerne ausgerichtet werden, wie oben beschrieben. Beim einfachsten Fall der Erzeugung eines einzigen Echos wird die Probe dann einem Impuls eines magnetischen HF-Wechselfeldes H_{ ausgesetzt, das durch die Spule 32 erzeugt wird und daher senkrecht zum Hauptfeld H₀ steht. Dieser magnetische HF-Impuls übt einen Drall auf die sich drehenden Kerne aus, wodurch sie aus der Ausrichtung mit H₀ herausgekippt werden, so daß bei Beendigung des Impulses die Kerne um die Hauptfeldrichtung, die sogenannte Z-Achse, mit ihren charakteristischen Larmorfrequenzen zu präzedieren beginnen. Ihre magnetischen Momente oder deren Bestandteile drehen sich also in einer zur Z-Achse normalen XF-Ebene. Nehmen wir z. B. das Verhalten einer verwandten Gruppe sich drehender Kerne als charakteristisch für alle solche Teilchen in der Stoffprobe an, so ist klar, daß die Inhomogenität des Feldes H₀ in verschiedenen Teilen der Probe die oben erklärte verschiedene Larmorpräzession auslöst, so daß, während die Gruppe als Ganzes weiterhin mit einer mittleren Geschwindigkeit O)₀ rotiert, die Teilmomente der Gruppe sich ausfächern oder voneinander trennen mit Geschwindigkeiten, die von ihren jeweiligen Larmorfrequenzdifferenzen abhängen. Solange diese Ausdehnung anhält, wird durch die Zerstreuung der Teilvektoren der Gruppe deren Zusammenwirkung zur Erzeugung eines Signals verhindert.

Zur Einleitung der Echobildung wird die Probe einem starken HF-Impuls, dem sogenannten »Erinnerungs «-Impuls ausgesetzt, der die Divergenz der Teilvektoren in eine Konvergenz umwandelt. Bei Aufrechterhaltung des richtigen Zeit- und Feldverhältnisses kehren, wie nachstehend beschrieben, die rotierenden Momente schließlich zur Koinzidenz zurück und verstärken sich dort, um ein Signal in der HF-Spule 32 zu induzieren, welches Signal das »Echo« des »EingangSÄ-HF-Impulses, der die Folge eingeleitet hat., ist. Das Signal wird zu dem Verstärker 42 übertragen, verstärkt und zu dem Oszilloskop 45 oder einer anderen Vorrichtung zur Auswertung geleitet.

Zur Veranschaulichung ist bis jetzt der einfache Fall eines einzigen Echos beschrieben worden, in welchem das maximale Echosignal normalerweise erzeugt würde durch Anlegung eines »Eingangs«-Impulses, der ausreicht, um die Momentengruppe um 90⁰, d. h. ganz in die XY-Ebene hinein, zu kippen. Auch kleinere Kippwinkel erzeugen brauchbare Momentengruppierungen, so daß durch Anlegung aufeinanderfolgender Eingangsimpulse der richtigen Dauer und Amplitude eine Mehrzahl von Einführungen ähnlich durchgeführt werden kann, um eine entsprechende Kette von Echos zu erzeugen. Bei dieser und allen anderen beschriebenen Abarten des Vorganges versteht es sich jedoch, daß die Grundlage der Echoerzeugung dieselbe ist, nämlich die systematische Zerlegung und die darauffolgende systematische Wiederzusammenstellung verwandter Momente sich drehender Teilchen in einem geeigneten Feld.

In der Praxis gibt es zwei wichtige Arten von Verfahren zur Spinechobildung, nämlich das »Spiegelecho «-Verfahren und das »Angeregte-Echo «-Verfahren, die vergleichsweise in Fig. 3 veranschaulicht sind. In dieser Abbildung stellt die Ordinate die Spannung an der die Stoffprobe enthaltenden HF-Spule 32 dar, während die Abszisse die Zeit darstellt. Zur Ermöglichung einer Veranschaulichung sind die Echoimpulse io^Bmal größer gezeichnet worden, als sie auf einem für das Zeichnen der Speicher- und Erinnerungsimpulse geeigneten Maßstab der Ordinate wären. Die Dauer jedes Angabenimpulses kann in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden liegen, während die Zeiten τ, die die »Speicher«-Intervalle darstellen, die Größenordnung von Sekunden haben können, wenn z. B. Wasser als Speichermittel in der Probe 30 verwendet wird.

Der Unterschied in den Speicherverfahren für die Erzeugung von »Spiegel«- und »angeregten« Echos, welcher ein grundlegender ist, ist anderweitig genau beschrieben worden und braucht hier daher nur im Verhältnis zu der vorliegenden Erfindung kurz an-

geführt zu werden. Bei der Spiegelspeicherung gehen die den Kernen zugeleiteten Eingangsimpulse dem Erinnerungsimpuls in ihrer gewählten Reihenfolge voraus, während die Echos dem Erinnerungsimpuls in der umgekehrten Reihenfolge folgen. Man sieht also, daß die Echo- und Speicherimpulse eine »Spiegelsymmetrie« zur Mitte des Erinnerungsimpulses besitzen, woher der Name für diese Art des Echoverfahrens stammt.

ίο Beim angeregten Echovorgang wird, wie die Zeichnungen zeigen, zunächst ein HF-»Vorirnpuls« P₁, an die Probe angelegt. Dieser Vorimpuls ist von genügender Amplitude und Dauer, ran alle Kernmomente der Stoffprobe im wesentlichen um 90⁰ zu kippen, d. h. in die XY-Ebene hinein, wo sie sich während eines Zeitabschnittes T₁ über die ganze Ebene mit verschiedenen Larmorfrequenzen verteilen können. Nach dem Zeitabschnitt T₁ werden die Speicherimpulse angelegt, und zwar werden durch diese Impulse Gruppen oder »Familien» von Momentvektoren auf einem System von Kegeln, die sich um die Z-Achse oder die Richtung des Feldes H₀ drehen, gebildet, d. h., die Impulse werden in die »Z-Achsen-Speicherung« eingeführt.
Der Erinnerungsimpuls P_r ist von passender Dauer und Amplitude, um die rotierenden Momentkegel wieder in die XY-Ebene zu kippen, wodurch die relativen Drehbewegungen unter den Bestandteilen jeder Momentengruppe umgekehrt werden. Daraufhin setzen sich die Bestandteile der jeweiligen Gruppen wieder zusammen, um Echoimpulse in der Spule 32 zu induzieren, welche Impulse am Ende einer zweiten Zeit T₁ nach dem Erinnerungsimpuls beginnen und in derselben Reihenfolge wie ihre entsprechenden Eingangsimpulse erscheinen. Man kann also sehen, daß die Figur für den angeregten Echovorgang eine »fortschreitende« Symmetrie im Verhältnis der Eingangsimpulse zu dem Vorimpuls und der Echos zu dem Erinnerungsimpuls hat.

Falls das magnetische FeIdU₀ durchweg konstant bleiben sollte, wären die oben beschriebenen »Spiegel«- und »fortschreitenden« Symmetrien, die für die Echoerzeugung nötig sind, rein zeitliche Symmetrien. Wenn jedoch die Inhomogenität von H₀ schwankt, wird durch die Veränderung ein zweiter Faktor des Feldzustandes eingeführt, der zusammen mit dem Zeitfaktor und im integrierten Verhältnis damit berücksichtigt werden muß. Ähnlich wie bei einem bereits vorgeschlagenen Verfahren werden bei dem Verfahren nach der Erfindung Veränderungen der Feldinhomogenität erzeugt durch Zuführung von Gleichstromimpulsen zu den Spulen 33 und 34. Innerhalb bestimmter Grenzen ist die erzeugte wirksame Feldveränderung proportional zu dem Strom i in den Spulen, so daß dieser Strom i nachstehend als Darstellung für die Feldveränderung selbst verwendet werden kann.

Fig. 4 veranschaulicht einen angeregten Echovorgang, um dessen Anwendung auf die vorliegende Erfindung verständlich zu machen. Die Grundvoraussetzung für die Erzeugung angeregter Echos, d. h. die fortschreitende Symmetrie der Integrale über Zeit und Feldzustand, kann in Verbindung mit dieser dt

Figur geprüft werden, indem man berücksichtigt, daß Punkt t_x das Ende des Vorimpulses P₃, und i₂ den Augenblick darstellen, in dem ein bestimmter Speieherimpuls eingeführt wird, wobei es erwünscht ist, ein entsprechendes Echo zur Zeit i₄ nach dem Ende t_s des Erinnerungsimpulses zu erzeugen. Wenn man außerdem berücksichtigt, daß der Strom i (und damit die Feldinhomogenität) während des Vorganges verändert werden soll, so ist die fortschreitende Symmetriebedingung für die Echoerzeugung:

F C¹

j i dt = ) i dt.

h h

In Fig. 4 sind die Veränderungen von i in Form von zwei gleichen Impulsen P_t und P/ zu entsprechenden Zeitpunkten nach dem Vorimpuls bzw. dem Erinnerungsimpuls dargestellt. Für das einzelne Teilecho bei i₄ braucht dies nicht der Fall zu sein, d. h., P₍ und P- können unregelmäßige Abstände und/oder Formen haben, solange nur die obenerwähnte integrale Symmetriebedingung aufrechterhalten bleibt. In diesem letzteren Falle würden jedoch, obwohl das Echo bei t_t erhalten bliebe, andere Echos in der Kette nicht die nötige Symmetrie besitzen und zerstört werden. Mit anderen Worten, das System ist im wesentlichen eine Differentialvorrichtung, die

t t

j i dt mit j i

ti h

für jeden Punkt in der Kette vergleicht und ein Echosignal nur dann erzeugt, wenn die beiden Integrale gleich sind.

Fig. 5 zeigt nun, wie bei der Erfindung in Ausnutzung dieses Effektes eine Stromveränderung anstatt der HF-Impulse selbst zum Speichern von Angaben verwendbar ist.

Gemäß Fig. 5 A besteht der HF-Eingang aus dem Vorimpuls P_p, einer fortlaufenden Reihe von Eingangs- oder Speicherimpulsen und dem Erinnerungsimpuls P_r. Wenn wie in Fig. 5 B der Stromimpuls fehlt, beträgt die Veränderung in dem magnetischen Feld Null während der ganzen Zeit von dem Vorimpuls zum Erinnerungsimpuls und während der ganzen Entnahmezeit, so daß die Echos in ihrer normalen Form erscheinen, wie zu erwarten ist.

Gemäß Fig. 5 C kommt, wenn ein Stromimpuls zur Zeit T nach dem Vorimpuls und ein zweiter gleicher Stromimpuls zur Zeit T nach dem Erinnerungsimpuls angelegt wird, der Eingang zurück in der Form von unveränderten Echos, wobei die fortschreitende Symmetrie gemäß Fig. 4 vorgesehen ist. Gemäß Fig. 5 D erscheinen, wenn ein Stromimpuls zur Zeit T nach dem Vorimpuls, aber keiner nach dem Erinnerungsimpuls angelegt wird, die Echos, wie gezeigt, während der Zeit von dem Erinnerungsimpuls bis zum Ablauf der Periode T, nach welchem sie zerstört werden. Der Grund dafür ist, daß die Echos in der ganzen Zeit T die erforderliche übertragene integrale Zeit- und Feldsymmetrie zu ihren erzeugenden Speicherimpulsen haben, aber danach verhindert das Fehlen eines zweiten Feldimpulses eine

solche Symmetrie. In allen Fällen denke man daran, daß eingeführte HE-Trägerimpulse immun gegen FeIdveränderungen sind, solange sie sich in der Z-Achsen-Speicherung befinden, d. h., die Zerstörung erfolgt nur in der Echoperiode, wenn die Momentenvektorgruppen durch den Erinnerungsimpuls wieder in die XY-Ebenen-Speicherung zurückgebracht worden sind.

Fig. 5 E veranschaulicht die Zustände, wenn das Feldimpulsschema aus einem Feldimpuls zur Zeit T

ίο nach dem Vorimpuls und einem zweiten Impuls, der. zur Zeit T-J-T₁ nach dem Erinnerungsimpuls endet, besteht. Der Echoausgang besteht aus Echos bis zur Zeit T nach dem Erinnerungsimpuls, woraufhin sie aufhören, bis die zusätzliche Zeit T₁ verstrichen ist.

Zu dieser Zeit hat der zweite Feldimpuls die erforderliche fortschreitende Integralsymmetrie wieder hergestellt, und daher erscheinen die Echos erneut und dauern fort bis zum Ende der Kette. Aus einem Vergleich von Fig. 5 C und 5 E geht hervor, daß, wenn die in bezug auf den Vorimpuls und auf den Erinnerungsimpuls gleichen Feldimpulse zur gleichen Zeit auftreten, keine Abänderung der Echoausgangskette erzeugt worden ist, während durch eine Verschiebung des zweiten Impulses zu einer relativ späteren Position als der des ersten Impulses eine Lücke in der Echokette erzeugt worden ist. Durch das Verfahren wird also die Verschiebung des einen Feldimpulses in bezug auf einen anderen angezeigt, und wenn eine einheitliche Form von FeIdimpulsen verwendet wird, ist außerdem die Länge der Lücke ein genaues Maß für die Größe der relativen Bewegung.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht außerdem hervor, daß bei Anlegung von mehreren Feldimpulsen sowohl vor als auch nach dem Erinnerungsimpuls' eine Veränderung des Echoausganges nur dann auftritt, wenn irgendeine Bewegung oder ein Fehlen eines Feldimpulses vorgekommen ist. Gemäß Fig. 6 besteht der Feldimpuls aus vier Impulsen 1, 2, 3 und 4. Die Feldimpulse 1 und 3 sind in bezug auf die Zeit nach dem Vorimpuls im Vergleich mit der Zeit nach dem Erinnerungsimpuls feststehend, während sich der Impuls 2 nach außen und der Impuls 4 nach innen bewegt. Dadurch entsteht eine Kette von Echos, welche gruppenweise ankommt, wie die untere Linie des-Diagramms zeigt. Zur Zeit T₂ nach dem Erinnerungsimpuls, wenn der Feldimpuls 2 normalerweise erscheinen müßte, das jedoch nicht .tut, hören die Echos auf; aber zu der Zeit, wenn der Feldimpuls 2 tatsächlich geendet hat, erscheinen die Echos wieder. Zu der Zeit, zu der der Feldimpuls 4 tatsächlich nach dem Erinnerungsimpuls auftritt (was früher ist, als es normalerweise der Fall sein dürfte), werden die Echos zerstört bis zu der Zeit, zu der der Feldimpuls 4 hätte auftreten müssen und zu der nun die Echos wieder erscheinen. Es ist also gezeigt worden, wie die Bewegung von zwei Feldimpulsen zwei Lücken in der Echokette erzeugt. Natürlich kann man ähnliche Ergebnisse und Kombinationen mit verschiedenen Zahlen und Anordnungen von Impulsen erreichen.

Ein Beispiel für die Verwendung der Erfindung ist ihre Anwendung auf das Anzeigen bewegter Ziele.

Fig. 7 zeigt eine solche Operation in Verbindung mit Unterwasserfeststellung durch das Aussenden aufeinanderfolgender akustischer Signale und den Empfang der resultierenden von einem Ziel reflektierten, Rückkehrsignale.

In diesem Falle kann der Impulsgenerator 35 (Fig. 2) gekippt werden, um den HF-Vorimpuls P₃, und den Erinnerungsimpuls P_r einzuleiten, durch Signale, die über eine Steuerverbindung 48 von der akustischen Signalvorrichtung empfangen werden, und zwar sind diese Impulse jeweils koinzident mit aufeinanderfolgenden akustischen Ausgangs- oder Sendesignalen. Die Gleichstromquelle 47 wird ähnlich über eine Verbindung 49 von dem Empfänger des akustischen Gerätes aus gekippt, so daß aufeinanderfolgende reflektierte oder »Ein«-Signale aufeinanderfolgende Stromimpulse P₁- und P/ nach dem Vorimpuls bzw. dem Erinnerungsimpuls entstehen lassen. Der Impulsgenerator 35 liefert nach dem Vorimpuls die fortlaufende Reihe eng beieinanderliegender Speicher- oder Trägerimpulse P_s.

Im Betriebszustand sieht man, daß die HF-Impulse P₂, und P₇. Startzeichen zum Prüfen der verstrichenen Zeiten zwischen jedem der aufeinanderfolgenden akustischen »Aus «-Signale und dem entsprechenden reflektierten Rückkehr- oder »Ein«- Signal darstellen. Wenn diese verstrichenen Zeiten go gleich sind, d. h. wenn das Ziel stationär ist, hat das System offensichtlich die erforderliche übertragene Integralsymmetrie, und die Impulskette erscheint in ununterbrochener Ganzheit, wie oben in Fig. 4 gezeigt. Wenn jedoch die verstrichenen Zeiten nicht gleich sind, d. h. wenn das Ziel sich nähert oder entfernt, wird die übertragene Symmetrie zerstört, und es erscheint eine Lücke in der Echokette. Wenn also das Ziel sieh entfernt, wie in der Klammert (Fig. 7) gezeigt ist, ist die Reflexionszeit TJ für das zweite Signal größer als die entsprechende Zeit T, für das erste, so daß eine Lücke der Größe T J-T_s in der Echokette entsteht.

Ähnlich ist (B) bei näherkommendem Ziel die Reflexionszeit TJ kürzer als T _s, und es erscheint eine Lücke der Größe T₈-TJ. Bei wiederholtem Vergleich aufeinanderfolgender Paare von Feststellsignalen zeigt die Einwärtsbewegung der Lücke in der Echokette offensichtlich das Annähern des Zieles an, während eine Auswärtsbewegung das Entfernen anzeigt, und in beiden Fällen bildet die Länge der Lücke in der Echokette in Verbindung mit den Konstanten des Systems eine Darstellung für die Geschwindigkeit der Annäherung oder Entfernung. Um eine reichliche »Erholungszeit« für die sich drehenden Kerne nach Vollendung der Echokette zu gewährleisten, ist der Synchronisator 35 so ausgebildet, daß er eine Anzahl von Signalen aus der akustischen Vorrichtung nach jeder Prüfung eines benachbarten Paars aussperrt. Außerdem wird im Falle eines stationären Ziels durch Aussperren jedes Feldimpulses ein Stopp in der Echokette zu einer Zeitdauer nach dem Erinnerungsimpuls erzeugt, die die Entfernung oder den Bereich des Ziels anzeigt.

Es versteht sich, daß es für die Veranschaulichung erforderlich war, die verschiedenen Impulse des

Systems in übertriebener Dauer zu zeigen. In der Praxis können diese Impulse eine sehr kurze Dauer haben; z. B. können die Echos so nahe beieinanderliegen, daß sie normalerweise als fortlaufendes Band erscheinen, in welchem durch Feldimpulse erzeugte Lücken scharf abgegrenzt zu erkennen sind. Aus den angeführten Beispielen geht hervor, daß infolge der relativ langen Speicherperiode, die durch entsprechende Wahl der Probe 30 in einem Spinechosystem zur Verfügung steht, die nach dem vorliegenden Verfahren ermöglichten vergleichsweisen Anzeigen über ein weites Beobachtungsfeld ausgebreitet sein können, wodurch ein entsprechend hohes Maß an Genauigkeit und Empfindlichkeit gegeben ist.

Zur Vereinfachung der Erklärung haben die vorstehenden Darlegungen Feldimpulse ähnlicher rechtwinkliger Form und Größe benutzt. Aus den allgemeinen Integral-Erfordernissen

t t

h h

C C

\ i dt = J i dt h 4

geht jedoch hervor, daß für verschiedene Anwendungsarten das Verfahren keineswegs auf die Verwendung solcher einheitlichen Impulse beschränkt ist. Das ist in Fig. 8 veranschaulicht, worin ein Stromimpuls P_t beliebiger Form, hier z. B. als Dreieck dargestellt, kurz nach dem Vorimpuls P₃, angelegt wird und ein verhältnismäßig großer rechteckiger Feidirnpuls gegen Ende der Periode nach dem Erinnerungsimpuls P₁. aufgeprägt wird. Im ersten Teil der Echoperiode kann keine Integralsymmetrie bestehen, da kein Feldimpuls vorhanden ist, der der Wirkung des vorhergehenden Impulses P₁ entgegenwirken oder gleichkommen würde, so daß sich anfangs keine Echos bilden können. Nach der Ankunft des Impulses P/ beginnt jedoch dieser, den Mangel auszugleichen, bis der schraffierte Bereich b des Impulses P/ erstmals dem Bereich a des Impulses P₁ zu einem Zeitpunkt t_t gleicht. Darauf beginnt der Bereich von P/ den Bereich α zu übersteigen. Zum Zeitpunkt i₄ durchläuft also das System einen kurzen Zustand fortschreitender Integralsymmetrie, wodurch sich ein scharfer Knotenpunkt oder eine momentane Echoanzeige bildet, wie die Zeichnung zeigt. Diese Abbildung veranschaulicht also, daß nach dem Verfahren auch der Vergleich anderer Faktoren als der Zeit möglich ist, z. B. Ladung, dargestellt durch die beiden Strom-Zeit-Bereiche. Wenn die Amplitude und die Dauer eines Impulses, wie z. B. P₍, als Darstellungen anderer Faktoren gesteuert werden und wenn die Amplitude und die Anfangszeit des Impulses P/ direkt gesteuert werden, z. B. durch den Synchronisator 35 über eine passende Verbindung 50 mit der Gleichstromquelle 47 (Fig. 2), kann man den Ladungsbereich b (Fig. 8) leicht ableiten und in die gewünschten Verhältnisse der anderen erwähnten Faktoren umwandeln.

Nach dem vorliegenden Verfahren ist eine große Anzahl von Arbeitskombinationen möglich, die auf viele verschiedene Prüfungs-, Vergleichs-, Meß- und ähnliche Verwendungsarten anwendbar sind. Ein Hauptunterschied zwischen ihm und den früheren Spinechoverfahren liegt darin, daß in der früheren Praxis die Angaben-Speicherung und -Entnahme normalerweise direkt auf der Grundlage der eingeführten HF-» Angaben«r-Impulse und der sich aus ihnen ergebenden Echos ausgeführt werden, während erfindungsgemäß die eingeführten HF-Impulse und ihre Echos in erster Linie als Trägerkette dienen, welcher Angaben aufgeprägt werden durch »Angabentf-Impulse der Feldveränderung, wodurch sich der obenerwähnte vielseitige und vorteilhafte Anwendungsbereich ergibt. Diese hauptsächliche Verwendung der Eingangs- und Echokette als Träger schließt jedoch nicht aus, daß sie auch nach Wunsch gewisse Angabenfunktionen ausführt, wie z. B. die Verwendung eines HF-Speicherimpulses besonders großer Amplitude in regelmäßigen Abständen in der Speicherimpulskette für die Bildung einer entsprechenden Zeitskala oder eines Indexes in der Echoimpulskette.

Außerdem bezieht sich die Beschreibung vor allem auf die Verwendung des Verfahrens mit angeregten Echos, aber es ist klar, daß nach Wunsch das gleiche allgemeine Verfahren für jeden beliebigen Zweck auf eine Operation mit Spiegelechos anwendbar ist. Als einziger Unterschied ist es dabei nur erforderlich, daß die integrale Symmetrie in der Zeit und im Feldzustand vom Spiegel- anstatt vom fortschreitenden Typ ist. Ähnlich kann für manche Zwecke der HF-Speichervorbereitungseingang anstatt aus einer großen Anzahl von kurzen Impulsen, wie hier gezeigt, aus jeder beliebigen anderen Anzahl und Dauer von Eingangsanlegungen bestehen, und zwar von einer einzigen Anlegung, die von langer Dauer sein kann, aufwärts, mit normalen entsprechenden Echoeffekten.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zum Speichern von elektrischen Impulsen mittels Kernspinecho, und zwar mit Hilfe von durch die Wirkung eines inhomogenen Gleichfeldes präzedierenden, vorzugsweise magnetischen Atomkernmomenten, die durch einen Erinnerungsimpuls die Fähigkeit erhalten, Echos zu bilden, bei dem die Feldinhomogenität zeitlich vor und nach dem Erinnerungsimpuls durch Impulse steuerbar veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß während der Eingabezeiten (bis zum Erinnerungsimpuls P_T in Fig. 5) eine aus mehreren vorzugsweise gleichartigen Impulsen bestehende Syeicherimpulsträgerkette gebildet wird, die ihren Nachrichteninhalt dadurch erhält, daß die Fähigkeit des einzelnen Impulses innerhalb der Trägerkette, nach dem Erinnerungsimpuls einen Echoimpuls zu bilden, von der zeitlichen Lage und Form der die Feldinhomogenität steuernden Impulse relativ zum Erinnerungsimpuls und relativ zu dem zur Bildung von angeregten Echos in bekannter Weise vorgesehenen Vorimpuls (P₃,) abhängig gemacht wird, so daß die .Trägerkette im Echozeitraum meß- und deutbare Lücken aufweist, wobei ein Einzelimpuls der Trägerkette nur ein Echo bilden kann, wenn das Integral der Stärke des die

   Feldinhomogenität verändernden Impulsstromes über die Zeit zwischen Vorimpuls und ausgewähltem Einzelimpuls

   gleich ist demselben Integral zwischen Ende des Erinnerungsimpulses und Lage des dem ausgewählten Einzelimpuls entsprechenden Echoimpulses

   dt
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsweise Feldinhomogenitätssteuerung nur während der Zeit der Trägerimpulseingabe (P₁, bis P_r) erfolgt, wodurch im Echozeitraum (nach P₅.) die Erzeugung von Trägerechos nach einem Zeitpunkt aufhört, der der Zeit (T in Fig. 5 D) zwischen Vorimpuls und Feldinhomogenitätsimpuls entspricht.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen der Zeitspanne bis zur Feldimpulseingabe im Trägereingabezeitraum (T in Fig. 5 E) und der Zeitspanne bis zur Feldimpulseingabe im Echozeitraum (T ± T₁) der gewünschten Zeitdauer der Lücke in der Trägerechokette entsprechend gewählt wird.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des Vorimpulses (Pj,) und der des Feldimpulses im Trägereingabezeitraum durch ein zusammengehöriges erstes Sende- und Empfangssignal einer Rückstrahlungsmeßeinrichtung (z. B. Echolot) und der Zeitpunkt des Erinnerungsimpulses (P_r) und der des Feldimpulses im Echozeitraum durch ein zweites zusammengehöriges Sende- und Empfangssignal bestimmt werden, so daß eine Lücke in der Trägerechokette die Größe des Unterschieds der beiden Rückstrahlungszeiten angibt.
5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Trägereingabezeitraum mehrere Feldimpulse in einem bestimmten ersten Zeitverhältnis zueinander angelegt werden und daß im Echozeitraum mehrere Feldimpulse in einem zweiten Zeitverhältnis zueinander angelegt werden, wodurch Lücken in der Trägerechokette entstehen, die den Unterschied in den Zeitverhältnissen anzeigen.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn im Eingabe- und im Echozeitraum Feldimpulse angelegt werden, die sich nach Amplitude, Dauer, Kurvenform und Integralwert unterscheiden, wobei der zweite Impuls den größeren Integralwert hat, durch das Auftreten eines einzehien Trägerechoimpulses der Zeitpunkt angezeigt wird, in dem der zweite Feldimpuls im Verlauf seines Bestehens den Integralwert des ersten erreicht.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   © H» 657/153 10.56 (609 853 3.57)