DEI0010520MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 6. August 1955 Bekaniitgemacht am 11. Oktober 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Verfahren zur Speicherung von Impulsen mittels Spin-Echo sind an sich bekannt. Die Grundzüge dieser Technik sind in dem Aufsatz »Spin-Echoes« von E. L. Hahn in »Physical Review« vom 15. November 1950 in mathematischer Form veröffentlicht worden. Nach diesem Verfahren, auf das zur Verständlichmachung der Erfindung nachstehend nochmals eingegangen wird, sind mehrere Arten von Speicherung möglich. Wenn man das die Präzession bewirkende Magnetfeld in die Z-Achse legt und wenn man die Ebene, in der der präzedierende resultierende Momentvektor zur Zeit des Echos wieder aus seinen mit verschiedenen Larmorfrequenzen umlaufenden Teilvektoren gebildet wird, als XY-Ebene bezeichnet, so kann man die eine Art von Speicherung als Z-Achsen-Speicherung und die andere Art als XY-Ebenen-Speicherung bezeichnen. Die ursprünglich in erster Linie verwendete Speicherungsart, die auch den einfacheren Mechanismus aufweist, ist die XY-Ebenen-Speicherung. Bei dieser Speicherung treten sogenannte Spiegelechos auf, d. h., die Angabenimpulse und ihre Echos liegen zu dem Erinnerungsimpuls spiegelbildlich. Bei dem etwas komplizierteren Mechanismus der Z-Achsen-Speicherung wird, wie bei der XY-Ebenen-Speicherung, der auf der Z-Achse liegende resultierende Momentvektor durch einen ersten Impuls, der aber kein Angabeimpuls ist, sondern als Vorimpuls bezeichnet wird, in die XY-Ebene umgeklappt. Nach einer gewissen Zeit erfolgt der erste Angabeimpuls. Der resultierende Vektor hat sich inzwischen

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nach dem allgemeinen Prinzip des Spin-Echo-Verfahrens in seine Teilvektoren aufgelöst, und diese Teilvektoren werden nun durch den ersten Angabenimpuls um die X-Achse gegen die Z-Achse zu gekippt und präzedieren auf Kegeln um die Z-Achse so lange, bis der Erinnerungsimpuls die Kegelachse wieder in die XY-Ebene kippt.

Wenn ein Impulszug aus mehreren Impulsen gespeichert werden soll, wirkt natürlich jeder vorhergehende Impuls in gewisser Weise als ein Vorimpuls für den nachfolgenden Impuls, so daß unerwünschterweise gleichzeitig beide Arten von Impulsspeicherung bestehen und mehrere sich gegenseitig störende und verschiedenartige Echos auftreten. Es ist vorgeschlagen worden, die nicht gewünschte Speicherung und das Auftreten von nicht gewünschten Echos durch impulsweise Steuerung der Feldinhomogenität zu unterdrücken. Die Erfindung sieht ein ähnliches Verfahren zur Unterdrückung unerwünschter Echos durch Feldveränderung vor. Diese Feldveränderung erfolgt erfindungsgemäß kontinuierlich und periodisch, und zwar ist bei Spiegelechos der Kurvenverlauf der Feldveränderung spiegelbildlich' zum Erinnerungsimpuls, während bei angeregten Echos die periodische Kurve vorzugsweise so beschaffen ist, daß ihre Minima mit dem Vorimpuls und dem Erinnerungsimpuls zusammenfallen und ihr Anstieg konvex und ihr Abfall konkav zur Zeitachse verläuft. Durch diese Art der Feldänderung werden bei der gewünschten Spiegelechobildung nicht gewünschte angeregte Echos verhindert und umgekehrt.

An Hand der Figuren wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. ι und 2 sind zusammengehörende schematische Darstellungen einer Einrichtung zum Erzeugen von Spin-Echos;

Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm, das den Unterschied zwischen Spiegelecho- und angeregten Echoeffekten zeigt;

Fig. 4, 5, 6, 7 und 8 veranschaulichen schematisch die nacheinander von den Kernmagnetmomenten während der Erzeugung von Spiegelechos angenommenen Beziehungen;

Fig. 9, 10, 11, 12, 13, 14 und 15 zeigen in ähnlicher Weise aufeinanderfolgende Momentbeziehungen bei der Erzeugung von angeregten Echos;

Fig. 16 und 17 stellen in ähnlicher Weise das Momentverhalten bei der mehrfachen Impulsspeicherung und Echoerzeugung dar;

Fig. 18 zeigt die Wirkung von störenden Zwischenimpulsechos auf die Bildung von Spiegelechos;

Fig. 19 zeigt eine Anordnung zur Verhinderung von Störechos;

Fig. 20 ist ein Zeitdiagramm und zeigt die Anwendung der Feldveränderung auf die Spiegelechobildung; Fig. 21 zeigt in ähnlicher Weise die Anwendung der fortdauernden Feldveränderung auf ein angeregtes Echosystem.

Die Kerninduktion beruht auf einer Kombination magnetischer und mechanischer Eigenschaften in den Atomkernen chemischer Stoffe, wofür die Protonen oder Wasserstoffkerne in Wasser und verschiedenen Kohlenwasserstoffen gute Beispiele sind. 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 mechanischen Eigenschaften einer solchen Vorrichtung hat. Außerdem besitzt 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 und dem Drehimpuls jedes Kerns. Dieses Verhältnis ist das bekannte gyromagnetische Verhältnis, das normalerweise durch den griechischen Buchstaben γ gekennzeichnet wird.

Eine kleine Probe eines chemischen Stoffes, z. B. Wasser, enthält natürlich eine ungeheure Anzahl solcher gyroskopischen Kerne. Wird die Probe in ein starkes in einer Richtung wirkendes magnetisches Feld gebracht, so richten sich diese drehenden Kerne so aus, daß ihre Magnetachsen parallel zum Feld verlaufen, und zwar wie bei einem großen Kreisel, der aufrecht im Gravitationsfeld der Erde steht. Ob nun die verschiedenen Kernmagnetmomente mit dem oder gegen das Feld ausgerichtet werden, wird durch den Zufall bestimmt, aber obwohl eine große Anzahl, die in entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet sind, einander aufheben, gibt es immer ein reines Übergewicht in der einen Richtung, von der wir hier annehmen, daß sie mit dem Feld verläuft. Die von dem magnetischen Feld beeinflußte Stoffprobe erhält also ein magnetisches Moment M₀ und einen Drehimpuls I₀, welche beiden Werte als die Vektorsummen der magnetischen Momente und der Drehimpulse aller betroffenen Kerne dargestellt werden können.

Solange die Probe in dem Feld nicht gestört wird, bleiben die gyroskopischen Kerne in paralleler Ausrichtung mit ihm. Wenn jedoch eine Kraft auftritt, die die sich drehenden Kerne aus der Ausrichtung mit dem Hauptfeld herauskippt, so präzedieren bei Nachlassen der verschiebenden Kraft die sich drehenden Kerne, die nun durch die Kraft des Feldes wieder zur Ausrichtung gedrängt werden, nach der Kreiseltheorie um die Feldrichtung herum. Die Präzession erfolgt mit einer Frequenz ω₀ = γH₀, wobei H₀ die jeden Kern beeinflussende Feldstärke und γ das vorher erwähnte gyromagnetische Verhältnis sind. Diese Präzessionsfrequenz ω₀ wird die Larmorfrequenz ge- no nannt, und da für jeden gegebenen Kerntyp γ konstant ist (z. B. 2,68 X io¹ für Protonen oder Wasserstoffkerne in Wasser), ist die Larmorfrequenz jedes präzedierenden Kerns eine direkte Funktion der den betreffenden Kern beeinflussenden Feldstärke. 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 Feld beruht nun das Spin-Echo-Verfahren. Zur Klarstellung der nachstehenden allgemeinen Erklärung sei zunächst kurz eine beispielsweise Anordnung zur Erzeugung der Effekte beschrieben, und zwar ist eine solche Anordnung schematisch in Fig. 1 und 2 gezeigt. In Fig. 1 bezeich- -

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net die Ziffer 30 eine Probe eines chemischen Stoffes, ζ. B. Wasser oder Glyzerin, in der Angaben gespeichert werden sollen. Die Probe 30 liegt zwischen den Polflächen eines Magneten 31, der vorzugsweise ein Horndauermagnet ist, jedoch natürlich . auch ein Elektromagnet sein kann. Das Hauptmagnetfeld Η_ϋ verläuft in senkrechter Richtung, und eine Hoch-. frequenzspule 32 ist so angeordnet, daß die Achse des von ihr gebildeten Feldes senkrecht zu der Zeichenebene verläuft, d. h., das HF-Feld verläuft senkrecht zu dem Uf₀-FeId. Es können zwei Gleichstromspulen 33 und 34 in der gezeigten Anordnung in bezug auf den Magneten 31 und die HF-Spule 32 vorgesehen werden, um die Inhomogenität des Feldes H₀ in bekannter Weise zu regulieren oder um weitere Feldinhomogenitäten einzuführen, wie nachstehend erklärt wird.¹

Fig. 2 veranschaulicht eine typische elektrische Anordnung, durch welche die Impulse gespeichert und die Echos aus der Stoffprobe 30 wiedererlangt werden können. Da der innere Aufbau und die Arbeitsweise der einzelnen Blocks aus der Elektronik bekannt sind, wird ihre Beschreibung auf das beschränkt, was zur Erklärung der Erzeugung von Spin-Echos nötig ist.

Ein Synchronisator oder Impulsgenerator 35 erzeugt Angaben- und Erinnerungsimpulse und andere für das System benötigte Impulse: Die Erregereinheit 36, die durch die Impulsquelle 35 steuerbar ist und einen Oszillator und mehrere Frequenzverdopplungsstufen umfaßt, dient als Steuerstufe für den HF-Verstärker 37. Bei Erzeugung eines Impulses erregt die Quelle 35 zunächst den Erreger 36, um dem Verstärker 37 ein HF-Antriebssignal zuzuleiten, und regt dann den Verstärker an, um ein Ausgangssignal zu erzeugen.

Dieser Ausgang wird über eine Abstimmschaltung 38 zu einer Spule 39 geleitet, die induktiv mit einer zweiten Spule 40 gekoppelt ist, welche die Brückenschaltung 41 mit Energie speist. Ein Arm der Brückenschaltung umfaßt die obenerwähnte HF-Spule 32 (Fig. 1), während eine zweite HF-Spule 42, die gleichartig wie die Spule 32 ist, den zweiten Arm bildet. Die Eingangsleitung 44 eines Signalverstärkers oder -empfängers 43 ist an die Schaltung 41 zwischen den Spulen 32 und 42 angeschlossen. Der Ausgang 45 des Verstärkers 43 wird zu einem Gerät zur Auswertung der Echoimpulse geleitet, und zwar ist ein solches Gerät hier durch ein Oszilloskop 46 veranschaulicht, das mit einer waagerechten Kippsteuerverbindung 47 mit dem Synchronisator 35 versehen ist.

Die Stoffprobe 30 befindet sich innerhalb der HF-Spule 32. Aus der ausgeglichenen Brückenanordnung ist ersichtlich, daß über die Spule 40 angelegte HF-Impulse die Spulen 32 und 42 gleichermaßen erregen, so daß, während die Probe 30 die gewünschten Eingangsimpulse empfängt, die zentral angeschlossene Leitung 44 nur eine geringe HF-Energie zu dem Verstärker 43 führt. Dadurch kann die Probe 30 starken HF-Energieimpulsen ausgesetzt werden, ohne daß der Signalverstärker ungebührlich beeinflußt wird.

Durch die Probe 30 induzierte Echoimpulse beeinflussen jedoch nur die Spule 32, so daß durch Gleichgewichtsfehler der Brücke solche Impulse dem Verstärker 43 aufgeprägt werden.

Eine von dem Synchronisator 35 steuerbare Gleichstromquelle 48 liefert Strom zu den Spulen 33 und 34 zur Feldinhomogenitätsregulierung, wie oben erwähnt.

Bei Einleitung von Spin-Echo-Effekten wird die Probe 30 zuerst dem konstanten magnetischen Feld H₀ genügend lange ausgesetzt, damit ihre gyromagnetischen Kerne sich ausrichten können. Dann wird die Probe zwei oder mehr Impulsen eines magnetischen Wechselfeldes H₁ ausgesetzt, das durch HF-Wechselströme in der Spule 32 erzeugt wird und daher zu dem Hauptfeld^ normal ist. Nach einer Ruhezeit erzeugt die Probe spontan ein eigenes magnetisches Feld, das ebenfalls zu H₀ normal ist und sich um die Richtung des letzteren dreht. Die Stärke dieses rotierenden Feldes steigt, auf einen Maximalwert und fällt dann zusammen und erregt induktiv eine entsprechend ausgerichtete Spule (d.h. die Spule 32). Das rotierende Magnetfeld wird verstärkt und gleichgerichtet und erscheint als elektrischer Impuls. Dieser Impuls wird als »Echo« eines der vorhergehenden Impulse des magnetischen Wechselfeldes H₁ bezeichnet, da er in direkter Beziehung dazu steht, wie nachstehend beschrieben wird.

Fig. 3 veranschaulicht zwei wichtige Arten der Ein- und Ausschaltung des Feldes H₁ durch Impulsgabe, wenn die Kombination als Speicher verwendet werden soll. In diesem Zusammenhang sind den verschiedenen Impulsen gemäß dem Diagramm bestimmte Namen gegeben worden. Die »Echos« werden immer als besondere Echos der »,Angaben«- oder Einführungsimpulse angesehen. Der »Erinnerungs«impuls heißt so, weil er immer dann angelegt wird, wenn man Echos der Angabenimpulse zu erhalten wünscht, welche vor dem Erinnerungsimpuls »gespeichert« worden sind. Wie noch erklärt wird, treten Echos aus physikalisch verschiedenen Gründen auf und werden daher je nach ihrem Typ durch verschiedene Namen unter-. schieden. Die zwei hier veranschaulichten Typen sind »Spiegelechos« und »angeregte« Echos, und zwar sind diese beiden Typen mit zwei bestimmten Zeitsymmetrien im Arbeitszyklus verbunden.

In Fig. 3 stellt die Ordinate die Spannung über den Klemmen der HF-Spule 32, die die Stoffprobe enthält, dar, während die Abszisse die¹ Zeit darstellt. Zur Erleichterung der graphischen Darstellung sind die Echoimpulse io⁵mal größer gezeichnet worden, als sie auf einem Maßstab der Ordinate sein würden, der für das Zeichnen der Angaben- und Erinnerungsimpulse richtig ist. Die Dauer jedes Angabenimpulses kann in der Größenordnung einiger Mikrosekunden liegen, während die Zeiten τ, die die »Speicher«-Zeiten sind, z. B. in der Größenordnung von Sekunden liegen können, wenn Wasser als Speichermittel verwendet wird.

Man kann sehen, daß in der Figur für Spiegelechos die Echoimpulse und Angabenimpulse hinsichtlich der Mitte des Erinnerungsimpulses spiegelsymmetrisch sind, wobei τ die Speicherzeit ist, die jeden beliebigen Wert von wenigen Mikrosekunden bis zu. mehreren Sekunden haben kann.

Im Falle der Erzeugung angeregter Echos geht ein »Vorimpuls« der Anlegung der Angabenimpulse um

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die Zeitdauer T₁ voraus, während die angeregten Echoimpulse dem Erinnerungsimpuls um dieselbe Zeit T₁ folgen, und zwar in derselben Reihenfolge, in der ihre entsprechenden Angabenimpulse eingeführt worden sind. Die Figur für die angeregten Echos hat also eine »fortschreitende« anstatt der Spiegelsymmetrie. Der Zeitabschnitt T₂ ist die Speicherzeit und hat denselben Bereich wie das vorerwähnte τ. Da T₁ willkürlich klein gemacht werden kann, können angeregte

ίο Echos veranlaßt werden, unmittelbar nach der Erinnerung aufzutreten, und wie oben erwähnt, erscheinen sie in derselben Reihenfolge wie die entsprechenden Angabenimpulse.
,Während die unendlich zahlreichen einzelnen Be-Ziehungen zwischen gyromagnetischen Kernen in das Gebiet der Quantenmechanik gehören und nicht direkt veranschaulicht werden können, ist die Darstellung ihrer makroskopischen resultierenden Effekte, die im Spin-Echo-Verfahren verwendet werden, durch vereinfachte mathematische Modelle möglich. Um den Unterschied zwischen »Spiegel«-Echos und »angeregten« Echos weiter aufzuklären, wird nachstehend die Erzeugung dieser beiden Typen beschrieben:

Spiegelechos

Fig. 4 zeigt eine dreidimensionale geometrische Figur mit einer senkrechten Z-Achse und mit X- und Y-Achsen, die in einer zur Z-Achse normalen Ebene liegen. Die Z-Achse stellt die Richtung des Hauptmagnetfeldes H₀ dar, das die Stoffprobe 30 beeinflußt. Bei H₀ und anderen hier verwendeten Symbolen zeigt der Strich über dem Buchstaben den Durchschnittswert an.

Wenn die Probe 30 genügend lange dem einzigen Einfluß des Feldes H₀ ausgesetzt worden ist, um seine sich drehenden Kerne auszurichten, wie oben beschrieben, ist ein resultierender oder kombinierter ■ magnetischer Momentvektor M₀ in der Z- oder i7₀-Richtung vorhanden.

Ein schwingendes Feld 2 H₁ cos ω₀ wird der Probe 30 rechtwinklig zu M₀ durch die HF-Spule 32 angelegt, und zwar bildet diese Anlegung einen »Angaben «- Impuls (Fig. 3). An jeder Stelle der Probe kann das schwingende magnetische Feld 2 H₁ in zwei Komponentenvektoren konstanter Größe Ji₁ aufgelöst werden, die in entgegengesetzter Richtung mit der Winkelgeschwindigkeit ω₀ rotieren. Infolge der in einer Richtung wirksamen Drehung der Kerne, deren magnetische Momente den Vektor M₀ bilden, wird letzterer darauf vorbereitet, um H₀ in der einen Richtung zu präzedieren. Die HF-Feldkomponente, die in der Präzessionsrichtung von M₀ rotiert, übt einen Drall auf die Kerne aus, der zeitlich konstant ist, während der Zeitdurchschnitt des durch die andere Komponente ausgeübten Dralls gleich Null ist. Der durch H₁ auf M₀ ausgeübte konstante Drall hat die Wirkung, M₀ weg von H₀ zu drehen um einen Winkel θ = γ ■ H₁ ■ ί, wobei t die Dauer des HF-Impulses ist. Zur Veranschaulichung ist in Fig. 4 der Winkel θ mit go° angegeben, so. daß M₀ in die XY-Ebene gedreht wird. '

Die dann anfangs von M₀ in der XY-Ebene eingenommene Richtung ist in Fig. 4 durch Y' gekennzeichnet, wozu das zugehörige X' rechtwinklig liegt. Wie man gleich sehen wird, sind die erzeugten Echoeffekte Ergebnisse von Veränderungen in den relativen Winkelrichtungen von Momentvektoren in dem rotierenden X' Y'-Feld. Die Y'-Achse ist, obwohl sie tatsächlich umläuft, der Bequemlichkeit halber als fester Vektor dargestellt, um die Art dieser relativen Veränderungen zu zeigen.

Bei Beendigung des HF-Angabenimpulses beginnen die Momente, die den Vektor M₀ bilden, um H₀ mit ihren eigenen charakteristischen Larmorfrequenzen zu präzedieren. Da jedoch M₀ aus den Momenten gyromagnetischer Kerne besteht, die, in verschiedenen Teilen der Stoffprobe 30 vorhanden sind, und daher durch verschiedene Stärken des inhomogenen magnetischen Feldes H₀ beeinflußt wird, präzedieren diese Momente mit verschiedenen Larmorfrequenzen, wie oben erklärt. Während also das gesamte X'Y'-System seine Drehung fortsetzt, dreht sich der Vektor M₀ nicht mehr mit ihm als eine Einheit, sondern teilt sich in Bestandteile auf, wie z. B. die Vektoren α und b (Fig. 5), die größere bzw. kleinere Winkelgeschwindigkeiten als ein Vektor c haben, welch letzterer genau die Rotationsfrequenz Co₀ der X' Y'-Ebene hat. Wenn man also c als feststehenden Vektor ansieht, weichen die Vektoren höherer Präzessionsfrequenzen, wie z. B. α von c in der einen Richtung ab, während diejenigen niedrigerer Frequenzen, wie z.B. b, von c in der entgegengesetzten Richtung abweichen. Solange diese Rotationsdivergenz fortdauert, ist die Verteilung der verschiedenen rotierenden Momente in der X'Y'-Ebene eine solche, daß sie nicht zur Koinzidenz gelangen können, um ein wirksames resultierendes Moment zu bilden.

Nach einer Zeitdauer τ und unter der Annahme, daß die Momentvektoren a, b und c die in Fig. 5 gezeigten relativen Positionen eingenommen haben, werden sie einem weiteren HF-Impuls von längerer Dauer als der erste ausgesetzt, und zwar ist dies der Erinnerungsimpuls (Fig. 3). Die Wirkung dieses Impulses besteht darin, daß die Vektoren um i8o° um die X-Achse gedreht werden, d.h., die X'Y'-Ebene wird übergekippt oder wie ein Pfannkuchen umgedreht. Dadurch gelangen die verschiedenen Vektoren in die in Fig. 6 gezeigten Stellungen,, und zwar haben ihre diesbezüglichen Orientierungen ein Spiegelverhältnis zu denen von Fig. 5. Da die Vektoren weiterhin in ihren ursprünglichen Richtungen präzedieren, ist es offensichtlich, daß α und b nun in Richtung auf c konvergieren mit denselben Geschwindigkeiten, mit denen sie zuvor von c divergiert sind. Daher kommen nach einem zweiten Zeitabschnitt τ alle »schnellen« und »langsamen« Vektoren, die durch α und b dargestellt sind, wieder in Koinzidenz mit c. Durch diese Konvergenz verstärken die verschiedenen Momente einander und bilden wieder das magnetische Moment M₀ und der JT'Y'-Ebene (Fig.7). Da M₀ mit der Winkelgeschwindigkeit ω₀ rotiert in bezug auf die Spule 32, wird in dieser Spule ein Signal induziert, das das »Echo« des ersten der Stoffprobe aufgeprägten »Angaben«-Impulses ist. Nachdem die Vektorenkomponenten von M₀ den Zustand der Koinzidenz erreicht haben und immer noch mit ihren verschiedenen Larmorfrequenzen präzedieren, breiten sie sich wieder aus, wie Fig. 8 zeigt, so daß das Echosignal ausschwingt.

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Die größte Anzahl von Vektoren in Fig. 8 veranschaulicht die Tatsache, daß, obwohl zur besseren Verständlichkeit nur die Vektoren a, b und c in Fig. 5 und 6 gekennzeichnet sind, tatsächlich an dem Effekt eine ungeheure Anzahl solcher zusammenwirkender Momentvektoren beteiligt ist.

Die obenstehende Erklärung hat die Spiegel-Spin-Echo-Bildung im einfachsten Falle demonstriert, d.h. die Bildung eines einzigen Echos eines einzigen Angabenimpulses. Natürlich handelt es sich normalerweise bei der nützlichen Anwendung des Verfahrens um vielfache Impulsspeicherung und -entnahme, wie Fig. 3 zeigt, aber da diese Phase des Verfahrens Faktoren enthält, die sowohl der Spiegel- als auch der angeregten Echoerzeugung gemeinsam sind, sei hier eine kurze Beschreibung der angeregten Echos als solche eingefügt.

Angeregte Echos

Wie man sieht, treten die eben beschriebenen »Spiegelechos« auf, wenn magnetische Momentvektoren, die in der XY-Ebene rotiert haben, veranlaßt werden, sich in dieser Ebene wieder zu sammeln. Man kann also sagen, daß die Angaben »in der XY-Ebene gespeichert werden«. Außerdem können Angaben entlang der Z-Achse wie folgt gespeichert werden:

Gemäß Fig. 9, die etwas Ähnlichkeit mit Fig. 4 hat, wird das resultierende magnetische Moment M₀ in die XY-Ebene durch einen HF-Impuls entsprechender Stärke und Dauer gedreht. Dies ist jedoch kein Angabenimpuls, wie er im ersteren Falle angelegt worden ist, sondern der in der unteren Kurve von Fig. 3 gezeigte »Vorimpuls«. Nach dem Vorimpuls breiten sich die verschiedenen präzedierenden Bestandteilvektoren von M₀ um die XY-Ebene herum aus und bedecken sie mehr oder weniger gleichmäßig, wie Fig. 10 zeigt.

Nach dem Verstreichen einer Zeit T₁ wird ein zweiter HF-Impuls (der »Angaben«-Impuls) angelegt. Kurz vor diesem-Impuls wollen wir die Vektorenbündel a, b, d, e in Fig. 10 betrachten. Das Bündel α selbst enthält einzelne Vektoren, die sich in der Präzessionsfrequenz in der Weise unterscheiden, daß sie, nachdem sie eine oder mehrere Umdrehungen in dem X' Y'-System ausgeführt haben, die gezeigte Position erreicht haben. Würden die Richtungen jedes Vektors innerhalb des Bündels α in dem in Fig. 10 gezeigten Augenblick umgekehrt, würden sie sich alle wieder an der Position von M₀ in Fig. 9 sammeln.

In der vorliegenden Darstellung dreht nun der Angabenimpuls alle Vektoren in der XY-Ebene um 90° um die X'-Achse. Aus ihren in Fig. 11 gezeigten Positionen beginnen bei Beendigung des Angabenimpulses ■ die Vektoren der Bündel α und b um die Z-Achse mit den verschiedenen Frequenzen, die sie darstellen, zu präzedieren. Sie breiten sich also über die Oberfläche eines Kegels ab um die Z-Achse herum aus, wie Fig. 12 zeigt.

Bei Weiterverfolgung des einfachsten Falles der Erzeugung eines einzigen angeregten Echos aus einem ein-. zigen Angabenimpuls wird nach einer willkürlichen Zeitdauer ein dritter oder »Erinnerungs «-HF-Impuls angelegt. Dieser Impuls dreht die Achse des Kegels ab in die X'Y'-Ebene, wie Fig. 13 zeigt. Die bedeutsame Tatsache in diesem Stadium besteht darin, daß alle Vektoren der Bündel α und b auf dem Kegel ab liegen. Sie beginnen daher ihre Wiederversammlüng von Winkelpositionen aus, die sich nicht sehr von dem Spiegelbild der Positionen unterscheiden, die sie unmittelbar vor Anlegung des Angabenimpulses innehatten. Dieser Umstand ist in der Draufsicht von Fig. 14 für einen bestimmten Vektor A des Bündels a veranschaulicht. Wenn also der Vektor A in die Position A' gedreht wird, kann angenommen werden, daß er zu der Y'-Achse zurückkehrt. Infolge seiner Bewegung auf dem Kegel kann er vor A' mit dem Vorsprung 2 0 zurückkehren. In dieser Anordnung gleicht die durch Impuls bewirkte Drehung um i8o° um X' beim Übergang von dem Zustand von Fig. 10 zu dem von Fig. 13 der Umkehrung der Drehrichtungen aller Vektoren.

Nach der Zeitdauer T₁ im Anschluß an den Erinnerungsimpuls haben sich die Vektoren der Bündel α und b wieder versammelt, wie es etwa in Fig. 15 gezeigt ist. Die Vektoren des Bündels α befinden sich, nun auf der Oberfläche des Kegels α und die von b auf der Oberfläche des Kegels b. Die Gesamtkomponente entlang der Y'-Achse ist proportional zu der Projektion der Bestandteile des Kegels α oder b auf seine Achse, multipliziert mit der Projektion dieser Achse auf die Y'-Achse, d.h. zu cos 2 0. Da cos 90⁰ gleich Null ist, ergeben diejenigen Bündel, die α und b ähneln und für die 0 = 90⁰ ist, keine Nettokomponente. Da dies der größte Wert von 0 ist, den man zu berücksichtigen

braucht [für θ > — wird 0 durch (π — 0) ersetzt,

und dieselben Ergebnisse treffen zu], ist es offensichtlieh, daß die Komponente entlang der Y'-Achse niemals negativ ist; daher muß eine Nettokomponente vorhanden sein, während sich die Momente wieder sammeln, und es erscheint ein »angeregtes« Echosignal. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen XY-Ebenen~ Speicherung im Falle eines »Spiegek-Echos sieht man, daß die Speicherung der Angaben im vorliegenden Falle vor dem Erinnerungsimpuls in der Z-Richtung verlief, so daß man sie als »Z-Speicherung« oder »Z-Achsen-Speicherung« bezeichnen kann.

Mehrimpulsspeicherung

In den vorstehenden beiden Abschnitten ist beschrieben worden, wie ein einzelner HF-Impuls für Zeitdauern gespeichert werden kann, die zwischen wenigen Mikrosekunden und mehreren Sekunden liegen können. Fig. 16 und 17 zeigen nun, wie mehrere Impulse gespeichert werden können.

Im Falle eines einzigen Angabenimpulses zur Erzeugung eines einzigen Echos z. B. nach dem beschriebenen Spiegelverfahren ist der Winkel 0, durch den hindurch der Momentvektor M₀ durch den HF-Angabenimpuls übergekippt wurde, mit dem optimalen Wert von 90⁰ angenommen worden, wodurch M₀ in die XY-Ebene in einer einzigen Operation gebracht wird. Wenn jedoch der Kippwinkel 0 kleiner als 90⁰ gemacht wird, ist es offensichtlich, daß M₀ und damit auch seine Komponentenvektoren trotzdem ihre Komponenten in der XY-Ebene haben, welche Komponenten zur Echoerzeugung verwendet werden können.

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Es sei angenommen, daß die Stoffprobe 30 einen einzigen Angabenimpuls vollkommen für eine bestimmte Zeitdauer, etwa 2 T₇., im Gedächtnis behält und ihn dann vergißt. Nehmen wir an, daß N Echos während der Zeit T_r erzeugt werden sollen. Die maximale Zeit zur Einführung von Angaben, wenn alle Angaben erinnert werden sollen, ist dann die erste Periode T_r.

Der Vorgang der Vorbereitung der Vorrichtung auf die Erzeugung dieser N Echos ist in Fig. 16 und 17 für den ersten und den zweiten Impuls veranschaulicht, und zwar ist natürlich die Darstellung eine notwendige darstellerische Vereinfachung des komplizierten tatsächlichen Verhaltens der physikalischen Materialien. Der erste Impuls kippt M₀ um den Winkel Θ, so daß das Moment M₀ sin θ in der X¹Y'-Ebene erscheint. Nach dem Ende des ersten Angabenimpulses haben sich in einer Zeitdauer, die gleich der halben Dauer des folgenden Echos ist, die Komponentenvektoren von M₀ über die X'Y'-Ebene ausgebreitet, so daß in keiner Richtung ein Nettovektor vorhanden ist. Der Verlauf dieser Ausbreitung ist im unteren Draufsichtteil von Fig. 16 veranschaulicht. Bei Veranschaulichung einer Situation, in der M₀ zuerst übergekippt wird ohne Ausbreitung und sich danach ausbreitet, wird angenommen, daß das nachfolgende Echo beträchtlich länger als die Dauer des Angabenimpulses ist.

Die Wirkung des zweiten Impulses (Fig. 17) besteht darin, daß er die Ebene P, die die Vektoren des ersten Impulses enthält, aus der X'Y'-Ebene heraus um den Winkel θ um die JT'-Achse dreht. Die Vektoren dieser Ebene P breiten sich über die- Oberfläche eines Segmentes einer Kugel S aus, aber alle behalten projizierte Komponenten in der X'Y'-Ebene bei. Da die Nettokomponente dieser Vektoren entlang der Z-Achse gleich Null ist, erzeugt der zweite ■ Impuls auch die Komponente (M₀ cos Θ) sin θ in der X'Y'-Ebene, wodurch eine zweite »Scharcc von Vektoren in der letztgenannten Ebene zur darauffolgenden Erzeugung des zweiten Echos entsteht.

Max En «a E₁

Bei diesem Wert von θ ist der erste Impuls

Auf dieselbe Art und Weise beeinflußt jeder zusätzliche Angabenimpuls, während er seine Schar von wirksamen Vektoren errichtet, gleichzeitig die Amplitude der bereits eingeführten. Dieses Verhältnis, das ein Hauptfaktor bei der Bestimmung der Speicherkapazität eines Spin-Echo-Systems ist, kann kurz wie folgt analysiert werden:

Die Summe der Längen der Projektionen auf die XY-Ebene der Vektoren in der Ebene P ist für ein

kleines θ proportional zu cos —=■. Bei N Angabenimpulsen sind die Echo amplituden E₁, E₂ ... für den ersten, den zweiten usw. Angabenimpuls

E₁ = kM₀ sin θ · cos θ^-¹ —=-,

■ 1/2

E₂ = kM₀ cos θ · sin θ ■ cos θ^-² —— ,

1/2

E_m = kM₀ cos™-¹ θ ■ cos^-^m —- ■ sin θ.

Für ein kleines θ ist dann die Funktion E_n ein

Maximum für 6_m = 1/ —?— . Aus der obenstehenden f N -{- m

Gleichung für E₁ geht hervor, daß, wenn N — ι ist, ein Maximum E erlangt wird, wenn Θ = o.o° ist, der optimale Winkel, der in der vorstehenden Erklärung einer einzelnen Echobildung (Fig. 4) verwendet worden ist. Wenn wir also diese maximale Echoamplitude E₁ nennen, haben wir

E₁ = kM₀.

Wenn der m-te Impuls auf sein Maximum verstärkt wird, haben offensichtlich keine anderen Impulse einen Maximalwert. Eine gute Wahl für θ besteht darin, den JV-ten Impuls zu maximalisieren,

d. h. θ — 1/ — zu wählen. Für ein kleines θ und ein

großes N ist dann

E₁ sa E₁ -—=-

Yn

₄NJ ^Λ / ο,·

Wn J

Bei Einführung weiterer Impulse in der Speicherzeit Tr fällt also die maximale Echoamplitude ab

'τ ■ ■

mit

V-N ■

Durch eine ähnliche Ableitung wie oben kann man zeigen, daß im wesentlichen dieselbe Bedingung im Falle des angeregten Echoverfahrens zutrifft wie beim Spiegelechoverfahren.

Um ganz klar die unterschiedliche Bildung von Spiegel- und angeregten Echos zu zeigen, sind diese Vorgänge notwendigerweise getrennt in ihrem idealisierten oder reinen Zustand beschrieben worden, d. h. als ob jeder Echovorgangtyp ohne Vorhandensein des anderen ausgeführt würde und als ob jede Angabenimpuls und sein Echo eine äußerlich unbeeinflußte Kombination wären. Da jedoch, wie oben erwähnt, bei den tatsächlichen physikalischen Vorgängen die Beziehungen zwischen zahllosen rotierenden Kernen eine Rolle spielen, umfassen die beschriebenen Wirkungen die sogenannten dominanten resultierenden Erscheinungen, sind aber keineswegs die einzigen vorhandenen Wirkungen. Wenn also An-

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gabenimpulse in erster Linie zur Erzeugung von Spiegeleehos gespeichert werden, erfolgt außerdem eine sekundäre oder teilweise Z-Achsen-Speicherung, und ebenso kann gleichzeitig mit einer Speicherung zur Erzeugung angeregter Echos die Erzeugung sekundärer teilweiser Spiegelechoeffekte erfolgen. Es ist offensichtlich, daß solche unerwünschten Echoeffekte, wenn sie nicht beseitigt werden, einen verschlechternden Einfluß auf die Erzeugung der vorherrschenden oder erwünschten Echos ausüben müssen.

In der Praxis kann bei mehrfacher Angabenimpulseinführung und Echobildung eine Beschränkung der praktischen Anzahl von Impulsen erfolgen durch die Erzeugung von ungewollten Echos infolge von Zwischenimpulseffekten, die den vorerwähnten »Rauschpegel« des Systems erhöhen und die Amplitude der gewünschten Echoimpulse beeinflussen. Diese Zwischenimpulseffekte sind vor allem das Ergebnis der Wirkung jedes Angabenimpulses nach dem ersten auf die ihm vorangegangenen Impulse.

Bei Zuführung eines Impulszuges wirkt jeder Einzelimpuls nach dem ersten außerdem als HaIb-Erinnerungsimpuls und erzeugt Echos. Wenn viele solche Zwischenimpulsechos gleichzeitig mit irgendeinem gewünschten Echo auftreten, wird die Amplitude des Netto-Echosignals stark herabgesetzt gegenüber derjenigen, die sich allein aus dem gewünschten Echo ergeben würde. Dies ist insbesondere der Fall bei gleichen Impulsabständen im Impulszug und ist in Fig. 18 veranschaulicht, wo es erwünscht ist, Spiegelechos 7, 6, 5, 4, 3, 2 und 1 aus entsprechenden Angabenimpulsen 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7 zu erzeugen. Das Vorhandensein von Zwischenimpulsechos ist bei a, b, c und d usw. gezeigt.

Solche störenden Echos fallen allgemein in drei Kategorien. Klasse I entsteht infolge teilweiser Entnahme durch den Erinnerungsimpuls von der Z-Achsen-Speicherung, was möglich ist, da jeder Angabenimpuls auf jeden vorhergehenden Impuls einwirkt. Die Stärke jedes solchen gespeicherten Elementes ist daher proportional sin² θ_{, wobei B_t der durch den Angabenimpuls bewirkte Kippwinkel ist. Diese Entnahme erscheint, wie gezeigt, als Satz von angeregten Echos a, b usw., die dem Erinnerungsimpuls nach einer Zeitdauer folgen, welche durch den Abstand zwischen den beiden auslösenden Impulsen bestimmt ist.

Wenn z. B. t der Impulsabstand und t_r die Zeit des Erinnerungsimpulses sind, entsteht zur Zeit (t_r + t) ein zusammengesetztes Echo, bewirkt durch die Paare 1-2, 2-3, 3-4 usw.; bei N Impulsen entstehen (N—1) solche Paare. Bei konstanter Frequenz im HF-Eingang addieren sich diese Störechos, und wenn der Erinnerungsimpuls eine Drehung d_r bewirkt, ist das resultierende störende Echo bei {t_r + t) proportional zu (N—1) sin² θ j sin θ_τ. Ähnlich folgt daraus, daß das Störsignal bei (t_r-\-kt) proportional zu (N—k) sin² Q₁ sind θ_τ ist, wobei k ig N ist. Diese Echos nehmen also mit der Zeit ab und verschwinden bei (t_r-\-kt). Es ist jedoch klar, daß, wenn der Impulszug mehr als die Hälfte des gesamten Zeitabschnittes zwischen dem ersten Impuls und dem Erinnerungsimpuls einnimmt, die oben beschriebenen Störechos der Klasse I in den gewünschten Echozeitabschnitt eindringen und eine Störung verursachen.

Eine zweite und eine dritte Klasse von Störechos ergeben sich im wesentlichen aus denselben Gründen, wie oben beschrieben, d.h., es wird ein· angeregtes Zwischenimpulsecho durch jede Kombination von drei Angabenimpulsen erzeugt und hat eine Stärke proportional¹ zu sin³ O₄. Diese angeregten Echos werden dann durch den Erinnerungsimpuls um 180° »gekippt«. Dadurch wird ein Spiegelecho der angeregten Zwischenimpulsechos . (Klasse II) erzeugt, und außerdem entsteht ein zweiter folgender Satz von Echos (Klasse III), der eine Wiederholung der Zwischenimpulsechos von Klasse II darstellt.

Man sieht also, daß durch das Eindringen von Zwischenimpulsechos unerwünschte Wirkungen nicht nur dadurch erzeugt werden, daß die unerwünschten Echos selbst entstehen, sondern auch dadurch, daß die Amplitude und Eindeutigkeit der gewünschten Echos verringert werden, wie es in Fig. 18 in vereinfachter Form dargestellt ist; d.h., es wird das Verhältnis der Signal- zur Rauschspannung verkleinert. Ohne eine weitere genaue Beschreibung ist es offensichtlich, daß solche Zwischenimpulsechos auch bei Erzeugung von gewünschten angeregten Echos mit ähnlich nachteiligen Wirkungen entstehen.

Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Verhindern der Bildung solcher falschen Zwischenimpulsechos durch eine fortlaufende Veränderung des Feldgradienten vor. Fig. 19 zeigt schematisch eine typische Anordnung zur Ausführung des verbesserten Verfahrens. In dieser Vorrichtung wird die Einführung der HF-Angabenimpulse, des Erinnerungsimpulses und des Vorimpulses und der Ausgang der Echos im wesentlichen ebenso ausgeführt wie oben in bezug auf Fig. 2 beschrieben, mit der Ausnahme, daß in dieser Abbildung die Echoimpulse induktiv zurück durch die Spule 39, von dort aus über das Netzwerk 38 und die Leitung 44 zum Verstärker 43 übertragen werden.

Ein zweiter an eine Wechselstromquelle angeschlossener Synchronisator 49 stößt den Hauptsynchronisator oder die Impulsquelle 35 über Leitung 50 an in einem vorherbestimmten synchronen Verhältnis zu den Veränderungen der Stromquelle, z. B. bei jedem achten Zyklus der Quelle, um den Angaben- und Echozyklus einzuleiten. Zur Erleichterung der Darstellung kann die primäre Wechselstromfrequenz mit normalen 60 Hertz angenommen werden.

Der zweite Synchronisator 49 wandelt auch den primären Wechselstrom in eine Rechteckwelle um, welche zu einem Integrierkreis 51 übertragen wird, der die Gleichstromquelle 48 steuert. Der Ausgang der Quelle 48 wird zwei Magnetspulen 52 und 53 zugeleitet, die so verbunden sind, daß ihre Felder einander entgegengesetzt sind. Diese Spulen sind im rechten Winkel zur Achse der die Stoffprobe 30 enthaltenden Spule 32 und auch zur Richtung des Feldes H₀ des Magneten 31 (Fig. 1) angeordnet. Der letztgenannte Hauptmagnet ist jedoch in Fig. 19 nicht eingezeichnet, um keine dreidimensionale Komplikation in die Abbildung hineinzubringen. Die Spulen 52 und 53

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empfangen also Strom mit einer bestimmten Wellenform 54, ζ. B. mit. einem konvexen Anstieg und einem konkaven Abfall, und erzeugen infolgedessen entsprechende Inhomogenitätsveränderungen in dem magnetischen Feld, das auf die Probe 30 einwirkt. Diese Feldveränderungen erzeugen wirksame' Veränderungen in den Larmorfrequenzverhältnissen der sich drehenden Kerne, welche Veränderungen zur Zerstörung unerwünschter Echos wie folgt verwendet werden können:

Aus der obenstehenden Erklärung der Art und Weise, wie sich zusammengehörende Momentvektoren wieder zusammenfinden, um Spin-Echos zu erzeugen, geht hervor, daß es für die Bildung solcher Echos erforderlich ist, daß die magnetischen Feldbedingungen, die die Larmor-Präzessionsfrequenzen der verschiedenen durch jeden Angabenimpuls in Gang gesetzten Teilvektoren steuern, zur Zeit, zu der das Echo gebildet werden soll, so sein müssen, daß sie die Teilvektoren vereinigen, d. h. bei Spiegelechos muß Ji dt zwischen den Angabenimpulsen und dem Erinnerungsimpuls gleich fidt zwischen dem Erinnerungsimpuls und den Echos sein, wobei i den die Spulen 52 und 53 durchfließenden Strom bezeichnet und damit die dadurch erzeugte Veränderung des Feldzustandes darstellt. Da also Spiegelechos eine Spiegelsymmetrie um den Erinnerungsimpuls herum haben, ergibt sich, daß gewünschte Spiegelechos entstehen, wenn die Feldveränderung ebenfalls eine Spiegelsymmetrie in bezug auf den Erinnerungsimpuls hat.

Wie ebenfalls oben erwähnt, folgen angeregte Echos nach ihrem Erinnerungsimpuls einander direkt in derselben Reihenfolge und demselben Abstand wie ihre erzeugenden Angabenimpulse in bezug auf den Vorimpuls, d.h., sie haben eine fortschreitende Symmetrie. Zur Bildung solcher Echos in einem veränderlichen Feld genügt es daher, daß / i dt zwischen dem Vorimpuls und den Angabenimpulsen gleich/i dt zwischen dem Erinnerungsimpuls und den Echos ist, und wenn die Wirkung einer solchen Symmetrie der Integrale nicht eintritt, werden die Echos nicht gebildet.

Dieselben integralen Symmetriebedingungen wie im Falle der gewünschten Hauptechos für Echobildung treffen auch auf die falsche Echospeicherung zu. Es ist daher klar, daß, wenn eine fortgesetzte Veränderung im Feldinhomogenitätszustand so aufrechterhalten wird, daß die erforderliche Symmetrie für die gewünschten Echos vorhanden ist, für die falsche Speicherung dagegen nicht, die sonst durch letztere entstehenden unerwünschten Echos verhindert werden, während die erwünschten Echos erhalten bleiben.

Fig. 20 zeigt die Feldveränderung im einfachsten Falle der Spiegelechoerzeugung, worin der durch die Spulen 52 und 53 fließende Strom und damit die Feldveränderung zunächst abnehmen und danach zunehmen, und zwar symmetrisch zu dem Erinnerungsimpuls P_T. Da die Angabenimpulse P₁ vor allem in die XY-Ebenen-Speicherung eingeführt werden, erfüllt die Spiegelsymmetrie zu dem Erinnerungsimpuls die erwähnte Vorbedingung für die Spiegelechobildung, und daher erscheinen die Spiegelechos, wie die Zeichnung zeigt.

In'bezug auf die oben beschriebene mögliche Bildung störender Echos treten jedoch folgende Effekte ein: Normalerweise würden angeregte Zwischenimpulsechos des Typs 1 aus der Z-Achsen-Speicherung direkt nach dem Erinnerungsimpuls P_r entnommen. Sie werden aber durch das Fehlen der fortschreitenden Feldsymmetrie zerstört, d. h. sie begegnen Feldveränderungen, die sich nicht nur richtungs-, sondern auch zeitmäßig von ihren ursprünglichen Bildungsumständen unterscheiden.

Jedes Zwischenimpulsecho vom Typ 2 verbringt eine gewisse Zeit (mindestens ^) entlang der Z-Achse, bevor es durch den folgenden Angabenimpuls (der als Erinnerungsimpuls wirkt) entnommen wird. Weil das Feld nicht richtig symmetrisch in bezug auf die Angabenimpulskombination ist, wird der Typ 2 zerstört, was seine Echos sowohl vor und nach dem als solchen wirkenden Erinnerungsimpuls angeht. Der Typ 3 ergibt sich normalerweise aus dem Typ 2, wie oben erwähnt, und weil er mindestens für die Zeit t_t entlang der Z-Achse gespeichert war, begegnet er nicht der erforderlichen Feldsymmetrie auf beiden Seiten.des Erinnerungsimpulses und wird ebenfalls zerstört. Außerdem ist offensichtlich, daß jeder durch die Wirkung von zwei oder mehr Angabenimpulsen entstehende Zwischenimpulsechoeffekt sich in einem anderen Zeitverhältnis nach dem Erinnerungsimpuls bilden müßte als das Echo seines erzeugenden Impulses und daher zerstört würde.

Bei der Arbeitsweise mit angeregten Echos, welche wegen ihrer Eigenschaft der Echobildung in derselben Reihenfolge wie die Angabeneinführung im allgemeinen dem Spiegeltyp in der nützlichen Anwendung vorgezogen wird, bestehen zwei Vorbedingungen, die zu einer optimalen Wirkung führen, darin, daß wirksame übertragene Symmetriebedingungen in bezug auf die gewünschten Echos selbst erhalten bleiben, während sie in bezug auf Z-Achsen-Zwischenimpulsspeichereffekte verhindert werden, und eine dritte Vorbedingung ist die Zerstörung jeder falschen XY-Ebenen-Speicherung durch Verhinderung einer wirksamen Spiegelsymmetrie.

Wie die Erfindung die oben angeführten drei Vorbedingungen erfüllt, zeigt Fig. 21.

Nach Fig. 21, worin die obere Kurve die Wechselstromzufuhr zu dem zweiten Synchronisator 49 zeigt, hat der durch die Feldspulen 52 und 53 fließende Strom die charakteristische Kurvenform 54 nach Fig. 19, und zwar ist der Anstieg 55 der (Kurve von konvexer Form im Gegensatz zu der Konkavität des Abfalls 56 nach der Spannungsspitze. Zur Einleitung des Echozyklus stößt der zweite Synchronisator 49 den Synchronisator 35 an, um den Vorimpuls Pp zu Beginn oder am niedrigsten Punkt einer Kurve 54 einzuleiten, wodurch die Kernmomente der Stoffprobe 30 (Fig. 1) vorbereitet werden, um die Z-Achsen- oder »angeregte-Echo«·- Speicherung zu empfangen. Die HF-Aiigabenimpulse P_{ werden während des Anstiegs 55 des Feldspulenstroms angelegt und werden also der diesem ansteigenden Strom entsprechenden Feldveränderungsbedingung unterworfen.

Der Erinnerungsimpuls P_r wird zu Beginn einer folgenden Kurve 54 angelegt, d.h. in einer Position fortschreitender Feldsymmetrie in bezug auf den Vor-

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impuls P<p. Da die Neigungen 55 der beiden Kurven 54 gleich sind, wird der Zustand der übertragenen Symmetrie in der Feldveränderung in bezug auf den Vorimpuls und den Erinnerungsimpuls aufrechterhalten, wie es für die Erzeugung angeregter Echos erforderlich ist, und daher erscheinen diese gewünschten Echos, wie die Zeichnung zeigt. Im Falle einer Neigung zur Bildung störender Zwischenimpulsechos sind jedoch die Umstände anders. Da, wie oben erklärt, diese Effekte durch Wechselwirkung zwischen den Angabenimpulsen selbst in Gruppen von zwei, drei usw. entstehen, ist es klar, daß für die Bildung solcher Echos innerhalb und unmittelbar nach der Angabenimpulsperiode dieselben wirksamen Bedingungen der Feld- und Zeitsymmetrie bestehen müssen wie bei den Hauptimpulsen des gewünschten Echozyklus. Damit also ein Angabenimpuls als Erinnerungsimpuls wirkt und ein Echo aus einem oder mehreren früheren Angabenimpulsen bildet, muß also die Speicherung der letzteren denselben wirksamen Feld-Zeit-Bedingungen nach dem »lokalen« Erinnerungsimpuls begegnet sein wie während der Zeit in der XY-Ebenen-Speicherung.

Wegen NichtVorhandenseins der hierfür wesentlichen Spiegelsymmetrie im Feldzustand (Fig. 21) können keine solchen störenden Echos aus der XY-Ebenen-Speicherung gebildet werden. Tatsächlich ist es angesichts der asymmetrischen Form der Kurven 54 offensichtlich, daß keine wirksame Spiegelsymmetrie irgendwo in dem System vorhanden sein kann, so daß keine Spiegelechos aus irgendeiner. Speicherquelle entstehen können, solange eine solche Kurvenform verwendet wird. Ähnlich werden Anf angszwischenimpulsechos aus einer falschen Z-Achsen-Speicherung, wie sie normalerweise unmittelbar nach ihren »lokalen«· Erinnerungs-(Angaben-) Impulsen in der Art angeregter Echos entstehen würden, dadurch zerstört oder ihre Bildung verhindert, daß die erforderliche wirksame fortschreitende Symmetrie fehlt, da der Feldzustand fortlaufend verändert wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die Erfindung durch die Einführung der fortlaufenden Feldveränderung in einem ganzen Spin-Echo-Zyklus ein Verfahren schafft, das wirksam die Bildung störender Echos verhindert, während es erwünschte Echos in ihrem reinsten und daher brauchbarsten Zustand erzeugt. Natürlich sind die gezeigten genauen Verhältnisse und Wellenformen nur zur Veranschaulichung benutzt worden und können in verschiedener Weise abgeändert werden und trotzdem in derselben Weise funktionieren. So kann z.B. zur Erzeugung gewünschter Spiegelechos der Integrierungskreis 51 so eingestellt werden, daß er eine dreieckige Wellenform erzeugt, welche die in Fig. 20 gezeigte Feldänderung ermöglicht. Ähnlich wurde der Echozyklus beschreibungsgemäß z.B. bei jedem achten Zyklus der Wechselstromquelle eingeleitet, aber dieses Verhältnis kann natürlich dahingehend abgeändert werden, daß es anderen Quellenfrequenzen angepaßt wird, wobei im wesentlichen zu beachten ist, daß die Kippintervalle genügend »Erholungszeit cc lassen, damit die sich drehenden Teilchen der betreffenden Stoffprobe sich in dem den Echos folgenden Polarisationsfeld wieder ausrichten können. Obwohl das Verfahren in Anwendung auf magnetische Momente sich drehender Kerne in einem magnetischen Feld beschrieben worden ist, kann es ähnlich bei elektrischen Momenten solcher Kerne in einem elektrischen Feld oder bei Momenten anderer spinender Gebilde in geeigneten Polarisationsfeldern verwendet werden.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Speichern von elektrischen Impulsen mittels Spin-Echo, und zwar mit Hilfe von durch die Wirkung eines steuerbar inhomogen gemachten Gleichfeldes präzedierenden, Vorzugsweise magnetischen Atomkernmomenten und deren nachfolgender Echoerzeugung (Kern-Spin-Echo), bei der die die Speicherbedingungen darstellenden Kernmomentvektoren sich entweder in der Richtung des Gleichfeldes (Z-Achsen-Speicherung) oder in einer dazu senkrechten Ebene (XY-Ebenen-Speicherung) oder in beiden Lagen befinden und bei der beide Arten von Vektoren durch einen Erinnerungsimpuls um eine zur Feldrichtung normale Achse gedreht werden, wodurch sie die Fähigkeit, ein Echo unter Präzession im Gleichfeld zu bilden, erlangen, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhomogenität des Gleichfeldes zeitlich kontinuierlich und periodisch derart verändert wird, daß die Inhomogenitätsänderung spiegelsymmetrisch zum Erinnerungsimpuls [PV in Fig. 20) unter ausschließlicher Erzeugung von Spiegelechos oder fortschreitend symmetrisch zu einem vor den Angabenimpulsen [P_{) vorgesehenen Vorimpuls [Pp in Fig. 21) und zum Erinnerungsimpuls unter ausschließlicher Erzeugung von angeregten Echos erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei der durch einen Vorimpuls angeregte Angabenimpulse nach dem Erinnerungsimpuls zu Echoimpulsen führen, die die gleiche Reihenfolge wie die Angahenimpulse haben (angeregte Echos), gekennzeichnet durch die Veränderung der Inhomogenität des Feldes nach einer Kurvenform, die in einem fortschreitenden symmetrisch zeitlichen Verhältnis zu dem Vorimpuls und dem , Erinnerungsimpuls periodisch wiederholt wird, jedoch innerhalb ihrer Periode asymmetrisch ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Punkte niedrigster Amplitude der periodischen Feldveränderungskurve mit dem Vorimpuls und dem Erinnerungsimpuls zusammenfallend gewählt werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet durch eine derartige Feldinhomogenitätsveränderung, daß der Anstieg ihrer Kurve nach der Zeitachse zu gekrümmt ist (konvex), während der Abfall von der Zeitachse weg gekrümmt ist (konkav).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen