Nmr－頻譜儀的探測器頭的製作方法
2023-05-10 20:18:51 2
專利名稱：Nmr－頻譜儀的探測器頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及到NMR-頻譜儀的探測器頭，探測器頭至少有用於產生高頻電磁激勵波的發射器單元和至少有用於將經過激勵波激勵的測量探測器的測量信號放大的前置放大器，具有低溫冷卻的初級測量迴路，測量迴路至少有第一個天線和第一個波導管，其中天線經過第一個波導管與前置放大器是連接的。
NMR-試驗的目的是觀察電磁射線，電磁射線是通過電子和/或原子核的能量過度在測量探測器中作為對頻率為ω0的高頻場B1激勵的反應在時間和空間均勻的磁場B0中引起的。產生高頻場B1激勵波的頻率ω0此時有利的是位於HF-區域和大約為300MHz至3GHz。相對於普通的背景電磁噪聲測量電磁射線，背景電磁噪聲是由初級測量迴路和測量探測器或者環境中的溫度變化引起的。
在大多數NMR-試驗中的特殊問題是從測量探測器中出來的信號的減弱，其中常常由於在測量探測器中的反應或者由於射線吸收測量探測器的組成部分附加地減弱信號。如果連續試驗，提高探測器頭的敏感性和改善信噪比。
為了使信噪比最大人們爭取，將恆定均勻的磁場B0和高頻場的頻率ω0提高到可能的最大值。同時在初級測量迴路中使用儘可能好的導電的甚至超導材料直到儘可能低的溫度，使導線耗損和固有電磁噪聲最小。此外有規律地將初級測量迴路相對於由於環境影響引起的噪聲進行屏蔽。
在US5,258,710中已知上述形式的探測器頭。探測器頭有第一個和與其耦合的第二個諧振器，其中第二個諧振器與發送器單元耦合和第一個諧振器容納測量探測器。為了激勵測量探測器將射頻信號經過第二個諧振器在第一個諧振器中進行耦合和第一個諧振器包括的測量探測器用這個信號進行輻射。然後第一個諧振器的情況類似於接收線圈和將被接收的測量信號輸出給第二個諧振器。為了改善信噪比在探測器頭中的一邊為了減少熱噪聲進行低溫冷卻和在另一邊為了改善信號強度通過使用超導材料提高探測器頭的導電性。
此外在US5,751,146中對於NMR-試驗已知在一端開放的表面線圈上是高導電性的導電材料，其中導電材料的厚度至少為三至五倍集膚深度，則導電材料的高頻電阻不受導電材料外部尺寸的影響。
雖然已經進行了很大的努力以顯著提高信噪比，目前NMR-頻譜儀特別是對於很小放射功率的測量探測器還沒有滿意的信噪比。
此任務以本發明為基礎，提供開始敘述形式的具有最佳天線和前置放大器單元效應的和具有明顯改善信噪比的探測器頭。
此任務一方面是這樣解決的，至少第一個波導管工作在非正常集膚效應範圍，此時至少在第一個波導管中電荷載體的平均自由行程長度大於電磁集膚深度，和為了最快的電荷匹配初級測量迴路安排了用於短時與其特徵阻抗匹配的裝置。
一旦導電電子的自由行程長度大於電磁場進入深度δem』1＞δem』，出現具有其特徵集膚深度δelf的非正常集膚效應。於是導電電子特別是在低溫時的平均自由行程長度1可以達到毫米至釐米範圍。在這種情況下由于波導材料原則上有可能沒有損耗的波導使天線接收的測量信號的信號強度可以沒有明顯減少地到達前置放大器單元和在那裡可以繼續處理。
因此具有極低導線電阻的這種波導管作為諧振器在最短時間之後可以用電波加載，它必須短時間與其特徵阻抗相匹配。同樣必須發生，如果激勵波的能量在測量探測器成功激勵之後在測量開始之前必須耗散。為此例如可以經過Pin-二極體連接的阻抗將天線轉換為特徵阻抗。
這種在非正常集膚效應範圍工作的波導管相對於超導波導管的特殊優點在於其改善了的導電特性，特別是因為在其上不出現通量量子問題。
使用有可能使其波導處於非正常集膚效應的波導管材料同樣有益的是在第一個和可能其他的天線範圍。
有利的至少第一個波導管應該可以工作在極不正常的集膚效應範圍，以便將導線耗損減少到絕對最小值。
在這種關係中特別是金屬的具有固有電阻比為ri≥103，特別是ri≥104的導電材料表明了是適合的。
將固有電阻比ri＝ρRT/ρLT定義為在室溫時導電材料ρRT的固有電阻與在低溫，有益的是溫度≤20K時其固有電阻ρLT之比。
這種材料的固有電阻也應該儘可能少地受環境磁場的影響，這樣其比例Δρ/ρ＝(ρ(ri,T，B≠0)-ρ(ri,T，B＝0))/ρ(ri，T，B＝0)，其中ρ是受固有電阻比ri，絕對溫度T和周圍磁場B影響的固有電阻，儘可能的低，特別是當溫度T≤20K和固有電阻ri≥104時不明顯地超過數值Δρ/ρ≤5。
結果表明特別適合的金屬是具有純度為＞99，9999％(6N-鋁)最高純度的鋁和極少缺陷集中的鋁。
然而原則上具有純度為≈99，9％的鋁也還可以使用作為導電材料，當從非正常的集膚效應過度為電磁集膚效應時導體的表面電阻Rs變化很大。
如果至少第一個波導管內部和外部的導電錶面與導電內部有同樣的固有導電性時也是特殊的優點。
原則上這也適合於整個的初級測量迴路。此外導電材料通過恆溫可以完全消除應力和導電錶面例如藉助於電子拋光進行處理，在製造波導管時將冷成形的表面層完全去除。附加地可以將導電錶面鈍化。
因此當運行在T≤4K和磁場強度為11，744 T時表面電阻可以達到10-7Q區域或者高於這個區域，同樣特別是在最高純度鋁時電阻比ri在105區域時。
在另外有利的實施結構中前置放大器單元與天線是可以相互連接的。如果在測量探測器的激勵周期期間連接是中斷的，可以確保前置放大器單元在這期間不承受天線接收激勵信號的負荷。因此達到激勵波比較準備測量的，從測量探測器發射的信號強很多，不會影響準備測量的信號在前置放大器單元中的處理。
原則上還可以想像一種實施結構，在其中激勵波的傳播方向與可以被天線接收的準備測量的信號的傳播方向處於正交，則本身不需要中斷前置放大器與天線之間的連接沒有激勵波信號在激勵周期期間被天線接收。
已經表明氦-II作為有利的準備使用的低溫介質。這裡氦-II理解為低於λ-線以下的液態氦。此外由於其超流體的和因此超熱傳導的特性氦-II顯示出和氦-I是不同的沒有沸騰的傾向。因此當使用氦-II作為低溫介質時避免了由於沸騰引起的噪聲和因此整體降低了噪聲電平。
這樣由於溫度梯度為4.3·10-4K/m用氦-II可以傳送功率為6·104W/m2，這樣在室溫時與銅比較達到了3·105倍有效熱傳導性。
探測器頭的運行溫度為1.85K，在這個溫度時氦-II有最大的熱流動密度。
氦-II在第一個波導管中同樣如在所有其他波導管中和天線上一樣也作為介電介質，因為其特性具有介電常數εr≈ 1，005和固有電阻為ρel≤1013Q m與真空的很相似。因此氦-II可以使用作為低溫介質和介電介質的雙功能。
同樣使用真空作為介質不是不可能的。
如果將NMR-頻譜儀的天線安排在第一個波導管之下也是一個優點。則當頻譜儀運行進行攝像時在冷卻到運行溫度期間在初級測量迴路中形成的氦氣沿著第一個波導管到達低溫恆溫器向上洩漏和在這種情況下不集中在天線上。
因此也解決了開始敘述方式的探測器頭的任務。第二個波導管特別是經過開口與第二個波導管耦合以及與發送器單元連接，和在第一個波導管上安排了與第二個波導管的激勵波在第一個波導管耦合的裝置，通過這個抑制了激勵波到前置放大器單元方向的傳播。
因此在第一個波導管中的激勵波在天線方向耦合，則這樣實施形式的天線除了接收測量探測器信號功能之外還有其他的產生激勵測量探測器的B1-場的功能。
通過第二個波導管的激勵波在第一個波導管耦合的裝置可以保證前置放大器單元不受比測量信號大很多的激勵波的影響，則在測量探測器激勵結束之後儘可能短的時間裝置就可以準備好用於開始測量。
用這種方法可以達到，對於接收弱的高頻信號校準的前置放大器單元不受高功率激勵波的幹擾和這種幹擾在測量周期對成功的激勵測量探測器還起作用。隨後為了接收不受幹擾的測量信號的無效時間很短，則前置放大器單元在很短時間之後或者立即在結束測量探測器激勵之後準備好運行。
有各種可能性抑制激勵波在前置放大器單元方向的傳播。
則用於激勵波耦合的裝置可以包括λ/2-迂迴導線和有定向耦合器的功能。
在這種實施形式中將第二個波導管在第一個波導管中耦合的激勵波細分，此時分成兩個子電波，特別是分成為四分之一波長的非偶數倍(2n+1)·λ/4(n＝0，1，2…)，在第一個波導管中耦合和到天線方向同相位傳送，而子電波到前置放大器單元方向的相位移為λ/2。因此當相應轉換和阻抗匹配時將作為激勵波的第一個子電波傳送到激勵測量探測器的天線上和由於第二個子電波結構破壞的幹涉在很大程度上消除了從那裡反射回來的電波。
另外的可能性是第二個波導管在第一個波導管耦合和前置放大器單元範圍之間的第一個波導管有用於短路，特別是至少一個Pin-二極體的裝置。
有意義的是短路是在第一個波導管範圍進行的，在其中在第一個波導管中形成的駐波有電壓節點，因為那裡的振蕩電流最大和因此在第一個波導管中由於短路激勵波的傳播可以中斷到前置放大器單元方向的作用。
在有利的實施形式結構中第二個波導管的激勵波在第一個波導管中的耦合是可以開關控制的。因此發送器單元在任何時間可以與初級測量迴路絕緣。
因此創建了一種適合的開關，將第二個波導管形成為開放的可以關閉的導線諧振器，導線諧振器與第二個波導管開口的距離為N·λ/2用於在第一個波導管耦合在放大器單元相反方向的一邊可以瞬時經過放電間隙進行短路。
放電間隙可以位於第二個波導管開放端部的導電層之間，這樣端部經過氦等離子體放電或者電弧放電可以直接在放電間隙上短路。
但是第二個波導管的導電層也可以在其端部短路，此時放電間隙在短路端部的前邊可以直接中斷一個導電層。於是放電間隙是這樣設計的，第二個波導管端部在「開放的″放電間隙上是開放的關閉的。
開關是建立在第二個波導管端部開放的或者短路的交替作用基礎上，第二個波導管為了激勵波在第一個波導管的耦合具有相距λ/2的開口。在第二個波導管中傳送的電波在第二個波導管短路的端部反射回來，則形成為一個駐波。在開口區域出現電壓節點和因此出現磁場振蕩的最大值(反節點)，可以將這個在第一個波導管中耦合。如果打開短路，將在第二個波導管中傳送的電波現在在開放的端部反射，則駐波移位λ/4。在這種情況下在第二個波導管開口區域有一個電壓反節點，這在很大程度上產生絕緣。
為了避免不必要的噪聲，在測量信號傳輸期間不允許操縱開關的控制電流流過。因此其優點為，為了操縱開關改變駐波的相位不使用專門的控制電流。
這種有利的使用的開關，在氦等離子放電情況下是由雷射器控制，在電弧放電情況下是由激勵波控制。
在這種開關有利的結構中至少放電間隙的一個電極是通過氦-II冷卻的，其中電極與具有氦-II入口和出口的至少一個通道是接觸的和出口有半滲透性的薄膜。
因為超流體的氦-II在最短時間之後流動到熱源，由於薄膜定向的氦-II-流體將熱在生成期間可以直接傳輸出去。
開關的另外有利結構中將第二個波導管分成兩個導電路徑，這些以(2n+1)·λ/4的距離在第一個波導管中耦合，此時兩個有一個短路的端部和經過一個短路電路可以縮短(2n+1)·λ/4。
在這種電路結構的特殊實施形式中有兩個導電路徑，在其端部短路的導電長度為(2n+1)·λ/4，特別藉助於至少一個Pin-二極體可以將其輸入端短路。
而當Pin-二極體產生短路時在氣蝕入口產生激勵波的電壓節點和將激勵波在第一個波導管中耦合，這個電壓節點移位λ/4，如果Pin-二極體釋放導電長度，則第一個波導管中的激勵波不再可以耦合。
可以這樣安排兩個導電路徑，將相對於其他導電路徑形成為λ/2-迂迴導線和兩個導電路徑有定向耦合器的功能。
兩種有利的準備使用的電路類型在幾分之毫微妙內可以開關的，因此發送器單元與測量迴路可以進行非常短的脫耦。這是這樣達到的，第二個波導管或者導電路徑之一可以瞬時地用其特徵阻抗規定期限，這樣波導管有一個有限的阻尼值和可以很快用激勵波加載。
在另外有益的實施形式中至少將波導管之一形成為同軸導體。
具有內部，圓柱形導體和外部，圓柱形導體外表面的同軸導體在HF-區域相對於其他空心波導管提供的優點是，均勻的和與外表面厚度相比很小的集膚效應。電磁場幾乎完全沿著位於其間的介質傳播，這樣就不產生散射場。
同軸導體外部導體圓周表面的外表面也提供好的屏蔽針對外部環境電磁射線的射入。
將多個同軸波導管也可以形成為多層的具有共同軸的同軸導體。於是同軸導體除了圓柱形的內導體之外有兩個或者多個通過介電介質相互分開的，同軸的導體圓周表面，此時將圓周表面的外表面用於作為安排在其上的圓周表面的內導體。
用這種方法可以建立兩層、三層或者多層的具有共同軸的同軸波導管各自的長度為n·λ/4，這些相互沒有關係地傳導高頻電流。
因此有可能用簡單的方法當緊湊的結構時除了NMR-試驗時經常需要的質子頻率之外將其他有益的低頻輸入到探測器頭。將低頻激勵波從外部的同軸導體輸入到內部的同軸導體有益的是在阻抗-零點上進行的，阻抗零點同時是在內部同軸導體中的激勵波的電壓節點上。在電壓節點上確保低頻和高頻通道之間的高度絕緣。
其他頻率的耦合可以經過相應的開口和阻抗匹配進行。
用不同頻率脈衝序列對測量探測器激勵常常對於確定在其中包含的基質和其結構是必要的。這樣就將比較高頻的，一般來說常常將質子頻率通道使用在所謂的交叉偏振以及偶極子脫耦和將低頻通道使用在觀察，解相位或者相關變換上。
在這種關係中同樣也是優點，如果將第一個和第二個波導管形成為具有共同軸的多層同軸導體。因此可以非常節省地方地將波導管相互安排在一起。於是這特別是有益的，如果使用氦-II作為介電介質，通過相應定位的半滲透性薄膜通過噴泉-效應使氦-II循環和用於充分的熱輸出。通過緊湊結構的波導管也使探測器頭的尺寸可以達到儘可能小，這樣最佳利用了在超導高磁場中非常小的空間。
特別是如果由同一種材料形成的同軸波導管，使波導管在非正常集膚效應時有可能進行功率傳輸，其阻尼係數為α≤10-8Np/m是可能的。因此這樣的同軸波導管幾乎沒有損耗。
此外為了顯著改善信噪比在另外按照本發明的實施形式中安排了第二個天線，此時天線是這樣安排的，第一個天線測量測量信號和在測量探測器的赤道近場測量噪聲信號和第二個天線單獨在測量探測器的軸向近場測量噪聲信號。
最好通過用赫芝偶極子描述NMR-測量探測器，偶極子是用激勵波激勵的和本身是發射的。將這樣的赫芝偶極子安排在第一個天線的中央，天線在x-方向生成高頻B1-場，此時不僅B1-場而且赫芝偶極子是定向於垂直z-方向伸展的第一個天線的縱軸相同的方向。
在赫芝偶極子的近場由於激勵發射的能量在其赤道平面最大，而在軸向方向沒有這種能量發射。相反由熱決定的尼奎斯特-噪聲原則上被測量探測器在所有方向各向同性地發射。這種近場發射圖樣提供了可能性，將兩個沒有關係的信號同時被測量探測器接收，如果人們在測量探測器的近場測量赤道平面以及軸向方向發射的能量時。
此時在有益的實施形式中可以將第一個天線形成為在縱向方向雙邊開出細縫的管子形狀的諧振器具有反應的短路端部。這樣的結構相當於目前在高解析度的NMR-試驗中使用的開出細縫的，馬鞍形的u.h.f-單繞組-亥姆霍茲-線圈。
為了用最短時間有可能對初級測量迴路用激勵波加載和卸載，可以將有反應的短路短時間通過在特性阻抗上附加接上阻抗進行變換。
其中第一個天線可以經過λ/4-變換與頻率有關的補償在第一個波導管中進行耦合。因此第一個波導管的阻抗最大程度無損耗地與天線阻抗相匹配，這樣就避免了起幹擾作用的反射。
例如第二個天線可以通過簡單的，在測量探測器近場實現對準B1-場軸向的短的電的或者電磁的偶極子天線特別是具有前置的楞勃透鏡。
各種解決方法的出發點-充分利用非正常集膚效應，激勵波的可轉換的耦合和與此相連接的發送器單元和前置放大器單元之間的絕緣，使用氦-II作為低溫介質和介電介質以及還充分利用被激勵的測量探測器的近場特性-是各自單獨的適用於顯著改善信噪比。
同樣確定，當考慮所有解決方法的出發點時最佳地解決了開始提出的任務。這樣當NMR-試驗時在具有極弱放射信號的測量探測器上使得信噪比的改善與目前在室溫運行的探測器頭相比較可以大大達到超過50。
下面藉助於有利的實施例表示的附圖詳細敘述本發明。
附圖表示附
圖1本發明可能的有利實施形式的等效電路圖，附圖2本發明可能的有利實施形式的縱截面圖，附圖3沿附圖2III-III剖面線的實施形式的截面圖，附圖4沿附圖2IV-IV剖面線的實施形式的截面圖，附圖5沿附圖2V-V剖面線的實施形式的截面圖，附圖6沿附圖2VI-VI剖面線的實施形式的截面圖，附圖7在第一個波導管上整個λ/4耦合的有利實施形式的天線等比例的示意圖。
在附圖1上表示了按照本發明的探測器頭可能的實施形式的等效電路圖。
探測器頭有第一個天線1，天線經過用箭頭V標誌的第一個波導管2的端部與沒有表示的前置放大器單元V連接。
此外天線1與兩個發送器單元連接。在等效電路圖上表示了天線1與發送器單元耦合的兩種不同結構，其中用′標誌的參考符號屬於一種和用″標誌的參考符號屬於其他的結構。結構是通過激勵波在第一個波導管2中的耦合方式加以區別的。
在兩種結構中激勵波在第一個波導管2中的耦合是經過第二個波導管3′、3″進行的，在其中第三個波導管4′、4″和第四個波導管5′、5″的發送器單元的激勵波是在第二個波導管3′、3″中各自的電壓節點(阻抗最小)上耦合的。其中例如可以將具有u.h.f-頻率的脈衝序列經過第三個波導管4′、4″和將具有(h.f.-)頻率的多個脈衝序列經過第四個波導管5′、5″傳送。
第三個波導管4′、4″和第四個波導管5′、5″與第二個波導管3′、3″的阻抗匹配是經過λ/10-變換6′，6″，7′，7″進行的，如在Meinke/Gundlach，高頻技術手冊，第五版，2卷，L3f.頁中敘述的。
將所有這些波導管與所有普通的波導管相同形成為具有兩個引導電流的導線層的同軸波導管。
結構的區別是第二個波導管3′、3″的激勵波在第一個波導管2中的耦合方式。
附圖1左邊表示的結構是將第二個波導管3′發送器單元的激勵波在一個波導管中耦合，通過耦合將激勵波分成兩個子電波。電波分離器包括第一個導線8′和第二個導線9′，其中將第二個導線9′形成為λ/2-迂迴導線和兩個導線8′、9′在第一個波導管2中以距離為λ/4耦合。在波導管中將第一個子電波的相位對應於另一個子電波在放大器V方向移位λ/2，則取消了在第一個波導管2中形成的在放大器V方向的駐波。這種結構則有定向耦合器的功能，定向耦合器允許只到天線1方向的激勵波通過。
激勵波在波導管中的耦合是可以開關控制的。為此第二個波導管3′在距離波導管耦合區λ/2位置上有放電間隙11′，放電間隙根據氦等離子體-或者電弧放電的結構形式這樣設計，放電間隙在非短路狀態下給予第二個波導管3′開放的導線端部特性。從而在第二個波導管3′中產生駐波，駐波在電波分離器的耦合開口區有電壓反節點，和因此在電波分離器中阻止電波的耦合。在放電間隙11′中的放電或者經過高頻激勵波本身或者也-在氦等離子體放電情況下-由於雷射器的激勵點燃。
當測量探測器被激勵波激勵期間，第二個波導管3′在放電間隙之後直接通過Pin-二極體10′短路。
只在測量探測器開始和結束短時間接通Pin-二極體10′，從而將波導管3′通過特性阻抗薄膜12′進行匹配，阻抗薄膜是直接安排在Pin-二極體10′後面λ/4距離上的。因此第二個波導管3′得到無窮的波導管的特性，這樣用激勵波充電可以進行得非常快-數量級大約為幾個毫微妙-。同時將阻抗薄膜12′前邊反射的電波通過距離波導管短路端部λ/4反射的電波湮滅。
如果將測量探測器激勵，放電間隙11′被短路。因此第二個波導管3′在距離波導管耦合區λ/2處是短路的，則形成為駐波的第二個波導管3′在波導管中的信號耦合區有電壓節點和因此可以在電波分離器中耦合。
如果放電結束，由於在第二個波導管3′目前開放端部的激勵波的反射使激勵波的駐波移位λ/4，則在耦合區產生電壓反節點和激勵波不再可以在波導管中耦合。
附圖1右邊表示的實施結構將從第二個波導管3″的激勵波在電波分離器中與第一個導線13″和第二個導線14″耦合，通過電波分離器將激勵波分成兩個子電波。將兩個子電波在第一個波導管2中以距離λ/4進行耦合，其中在第一個波導管2中耦合的一個子電波的相位相對於在第一個波導管2中耦合的其他子電波向前置放大器單元V方向移位λ/2，則由於解結構的幹涉取消了在第一個波導管2中形成的向前置放大器單元V方向的駐波。因此兩個導線13″、14″在開口區域，開口區域是為了子電波耦合安排在第一個波導管2中的，有Pin-二極體17″、18″，用這些在開口區域可以強迫產生電壓節點。即使這種結構也有定向耦合器的功能，定向耦合器只允許激勵波通向天線方向。
導體13″在耦合開口後面在短路的λ/4-導線長度15″處結束，在其上安排了變容二極體19″用於精確協調耦合和激勵波細分的電壓節點。導體14″在耦合開口距離短路的λ/2-導線長度的後面結束，在其中點處有形成為特性阻抗的表面20″用於在儘可能最快的充電和放電期間短時與激勵波相匹配。
如果將導體13″、14″不通過其Pin-二極體17″、18″短路，子駐波的電壓節點向短路的導線端部移位λ/4。因此在子電波耦合區域產生電壓反節點，則子電波不再可以在第一個波導管2中耦合。經過變容二極體19″可以準確地協調在兩個導體13″、14″中形成的激勵波的子駐波。用上面敘述的方式將經過Pin-二極體18″可以短時關閉的特性阻抗20″用於用激勵波對波導管快速充電和放電。前置放大器單元V與激勵波附加的脫耦也可以這樣進行，將第一個波導管2經過安排在第一個波導管2耦合區域上面的Pin-二極體21短時間短路。為此將Pin-二極體安排在第一個波導管2形成駐波的電壓節點區域。
將為了子電波耦合的第一個波導管2中的開口有益地實施為有規則的環繞間隙。
為了避免不同發送器單元的離散激勵波以及前置放大器V之間不希望的相互交替作用將這些通過相應的帶阻濾波器以同軸結構形式在其輸入端或者輸出端進行保護。
在第一個波導管2的下端安排了天線1。其阻抗是與第一個波導管2經過具有與頻率有關平衡22、23、24的λ/4-變換器相匹配，如同在Meinke/Gundlach中敘述的。
將天線1形成為諧振器。天線有與電感耦合的屏蔽25。反應的關閉電阻26的作用是，使天線上的駐波與電壓節點準確地在測量探測器地方形成，從而顯著地降低測量探測器的介電耦合。此外安排了由Pin-二極體27可以關閉的阻抗28，則產生特性關閉阻抗。因此一方面第一個波導管在很短時間之後用激勵波充電。因此另一方面在最短時間之後消耗掉在天線上存在的剩餘能量，如果測量過程應該開始時。
用類似的方式有選擇地作為可以快速關閉初級測量迴路的特性關閉阻抗，可以在藍寶石基質上塗上由硬的型號-II-超導體例如NbN或者Nb4Sn大約為Ginzburg-Landau-相干長度厚度的非電感表面膜38、39，其表面與B0平行，和可以深入到毫無問題超導的第一個波導管的實際上導電非常好的導電層中。藉助於半導體雷射器當相應的尺寸設計時可以將這個在毫微秒之後可以正常導電和因此轉換為特性阻抗。
天線可以協調安排在第一個波導管2上面的可變電阻29、30和諧振器和經過對稱的頭部31與前置放大器單元V相匹配。這兩個是在第一個波導管2包括有電感的區域中進行的。
在附圖2上表示附圖1的探測器頭相應的實施形式。其中縱軸的左邊形成的圖對應於附圖1的左邊部分和縱軸右邊形成的圖原則上對應於附圖1的右邊。
特別是與這種實施形式的截面圖表示的附圖3、4、5和6相聯繫，很明顯將所有波導管2、3′、3″、4′、4″、5′、5″、6′、6″、7′、7″、8′、9′、13″、14″、15″和16″形成為具有共同軸的同軸導體。
將同軸導體完全用氦-II填充，滿足了作為介電介質和作為冷卻手段的雙功能。
在左邊表示的實施例中將複合同軸波導管的最內部的導體構成為空心圓柱體，空心圓柱體被構成為放電間隙11′的石英或者藍寶石氦等離子體容器封閉。氦等離子體的放電通過在空心圓柱體中延伸的光纜32′引導的雷射射線進行控制。
放電間隙11′的電極是由具有從和到第一個波導管2的氦-II入口33′和出口34′的通道將氦等離子體放電時散逸的熱傳出。出口34′安排了這裡沒有表示的，例如由Al2O3-粉末的半滲透性表面，則通過氦-II中的噴泉-效應起作用。因此保證了，在探測器頭形成氦-II循環，其中氦-II將低溫恆溫器中導出的熱傳出去。
在另外沒有表示的實施形式中藉助於噴泉-效應可以使用第二個波導管3′和3″作為輸出代替在通道中形成的輸出，因為第二個波導管毫無問題與低溫恆溫器是連接的。
探測器頭的所有波導管部件是很仔細相互匹配的和相互連接的，因此避免了電磁波的反射。而且所有Pin-二極體10′、17″、18″、21和27一端通過相應的電容器隔開，因此它們可以由幾個毫安的直流電流控制，不會受高頻電波的幹擾。
由砷化鎵構成的Pin-二極體作為可能使用的Pin-二極體。將附圖7上的天線1表示為空間的。天線是由兩邊在縱軸方向直到其下端前一點開槽的管子35構成的，其中槽是在管子圓周各自大約100°上面延伸的。開槽的管子35可以由電容封閉接頭封閉(見Meinke/Gundlach，高頻技術手冊，第5版，第1卷，C21)。
由槽子形成的在縱軸延伸的隔板37特別是在附圖2中表示的，無損耗的多福-切比雪夫-導線40與第一個波導管外導體的內導體面相連接。另外的隔板36是與管子軸線同心的圓柱形的，在第一個波導管2方向延伸的管子導體串聯的。
圓柱形管子導體在其上端是開放的λ/4-變換導線24。將圓柱形管子導體的外邊用作為開槽形式製成的λ/4-導線23的內導體。λ/4-導線23在其下端是短路的和其上端與第一個波導管2內部是連接的。
而多福-切比雪夫-導線40延伸在大約177°的圓扇形上，λ/4-導線23延伸在大約35°的圓扇形上，其中圓扇形是相互對立的。不僅將隔板36與λ/4-變換導線24的內導體連接的連接導線，而且將λ/4導線23短路的連接導線同樣可以有益地構成為多福-切比雪夫-導線。
因此天線1與第一個波導管2的耦合構成為以λ/4-變換的方式具有與頻率有關的平衡，如在Meinke/Gundlach，a.a.0.中敘述過的。
在被表示的裝置中在垂直於管子軸線相對立的隔板之間形成電磁駐波場，此時測量探測器位於其中心，在中心上面產生電壓節點和因此產生非常均勻的高頻電磁場。因此天線1的作用如同開槽的單繞組-亥姆霍茲-線圈類似於目前在高解析度的NMR-頻譜儀中使用的。用相似的方式和方法將高解析度的一個或多個頻率或者「魔術角紡紗」以及「交叉偏振」或者「減弱震波」試驗的天線可以具有或者沒有梯度場與第一個波導管相匹配。
將測量探測器從下邊插入超導高磁場。測量探測器是通過杜瓦瓶與低溫冷卻的天線元件隔開，則測量探測器可以在室溫或者另外單獨的溫度下進行試驗。
在有利的探測器頭中使用低溫冷卻的前置放大器單元V，以便也在這個區域中避免由於熱噪聲降低信噪比。作為可使用的前置放大器特別是如同R.J.Prance等人在物理雜誌E科學儀器，第15卷，101-104頁，1982年1月「U.H.F.超低噪聲低溫FET前置放大器」中敘述的。
將整個探測器頭包括天線1封閉在附圖中沒有表示的具有1.85K封閉循環運行的低溫發生器的循環-低溫恆溫器中，將探測器頭從上邊送入具有垂直孔的超導磁體中，此時在孔的區域是室溫。測量探測器的空間是構成為向低溫恆溫器上邊凹進向裡折彎的。
權利要求
1.NMR-頻譜儀的探測器頭，至少有一個發送器單元用於產生高頻電磁激勵波和至少有一個前置放大器單元(V)用於將經過激勵波激勵的測量探測器的測量信號放大，具有低溫冷卻的初級測量迴路，這至少有一個第一個天線(1)和第一個波導管(2)，其中天線(1)經過第一個波導管(2)與前置放大器單元(V)是連接的，其特徵為，至少第一個波導管(2)工作在非正常集膚效應區域，其中至少在第一個波導管(2)中放電載體的平均自由行程長度大於電磁集膚深度，和安排了用於短時與其特徵阻抗相匹配的初級測量迴路。
2.按照權利要求1的探測器頭，其特徵為，至少第一個波導管(2)工作在極端不正常的集膚效應區域。
3.按照權利要求1或2的探測器頭，其特徵為，至少第一個波導管(2)是由具有儘可能高的固有電阻比為ri≥104的金屬構成的。
4.按照權利要求3的探測器頭，其特徵為，用於第一個波導管(2)的導電材料至少使用最高純度的鋁。
5.按照權利要求3或4的探測器頭，其特徵為，第一個波導管(2)的至少內部和外部的導體表面有與導體內部同樣的固有導電性。
6.按照上述權利要求之一的探測器頭，其特徵為，前置放大器單元(V)和天線(1)是可開關控制地相互連接的。
7.按照上述權利要求之一的探測器頭，其特徵為，使用氦-II作為低溫介質。
8.按照權利要求7的探測器頭，其特徵為，運行溫度為1.85K。
9.按照權利要求7或8的探測器頭，其特徵為，將氦-II至少使用在第一個波導管(2)中作為介電介質。
10.按照權利要求9的探測器頭，其特徵為。將NMR-頻譜儀中的天線(1)安排在第一個波導管(2)的下邊。
11.按照權利要求1前序部分的或者按照上述權利要求之一的探測器頭，其特徵為，將第二個波導管(3′，3″)特別是在至少一個開口的上邊進行耦合以及與具有第一個波導管(2)的發送器單元相連接，和安排了將第二個波導管(3′，3″)的激勵波在第一個波導管(2)中進行耦合的裝置，通過這個裝置壓低傳播到前置放大器單元(V)的激勵波。
12.按照權利要求11的探測器頭，其特徵為，用於激勵波耦合的裝置包括λ/2迂迴導線(9′)和有定向耦合器的作用。
13.按照權利要求11或12的探測器頭，其特徵為，第一個波導管(2)在第一個波導管(2)中的第二個波導管(3′，3″)和前置放大器單元(V)的耦合區域之間有用於短路的裝置，特別是至少有一個Pin-二極體(21)。
14.按照權利要求11至13之一的探測器頭，其特徵為，第二個波導管(3′，3″)的激勵波在第一個波導管(2)中的耦合是可開關控制的。
15.按照權利要求14的探測器頭，其特徵為，將第二個波導管(3′)構成為開放的封閉導線諧振器，導線諧振器與其用於耦合到第一個波導管(2)中的開口的距離為n·λ/2，在發送器單元方向相反一邊可以將導線諧振器瞬時經過放電間隙(11′)短路。
16.按照權利要求15的探測器頭，其特徵為，至少將形成為電極的放電間隙(11′)的端部通過氦-II冷卻，此時電極與具有至少一個入口(33′)和一個出口(34′)的氦-II通道處於接觸和出口(34′)有半滲透性的薄膜。
17.按照權利要求14的探測器頭，其特徵為，將第二個波導管(3′)分成兩個導線路徑(13″，14″)，導線路徑在第一個波導管(2)中有益的相互距離為(2n+1)·λ/4處進行耦合，其中兩者有一個短路的端部和經過短路電路可以縮短(2n＋1)·λ/4。
18.按照權利要求17的探測器頭，其特徵為，兩個導線路徑(13″，14″)在其端部短路的導線長度(15″，16″)的長度為(2n+1)·λ/4，特別是藉助於至少一個Pin-二極體(17″，18″)可以將其輸入端短路。
19.按照權利要求11至18之一的探測器頭，其特徵為，至少將波導管之一構成為同軸導體。
20.按照權利要求19的探測器頭，其特徵為，將多個同軸波導管構成為具有一個共同軸的多層同軸導體。
21.按照權利要求1總概念或者按照上述權利要求之一的探測器頭，其特徵為，安排了第二個天線，其中天線是這樣安排的，第一個天線(1)在作為赫芝偶極子發射的測量探測器的赤道近場測量測量信號和噪聲信號和第二個天線單獨在軸向近場測量噪聲信號。
22.按照權利要求21的探測器頭，其特徵為，將第一個天線(1)構成為雙邊縱向開槽的具有短路的端部的管子形式。
23.按照權利要求21或22的探測器頭，其特徵為，第一個天線(1)經過具有與頻率有關的平衡的λ/4-變換(22，23，24)耦合在第一個波導管(2)。
24.按照權利要求21至23之一的探測器頭，其特徵為，第二個天線是一個簡單的、在測量探測器近場中B1-場的軸向方向裝備的、短的電的或者磁的特別是具有前置楞勃-透鏡的偶極子天線。
25.按照權利要求1前序部分的在探測器頭中的氦-II作為低溫介質特別是運行溫度為1.85K時的應用。
26.按照權利要求1前序部分的在探測器頭中的氦-II作為波導管中的電介質的應用。
全文摘要
NMR－頻譜儀的探測器頭,至少有用於產生高頻激勵波的發送器單元和至少有用於放大由激勵波激勵的測量探測器的測量信號,具有低溫冷卻的初級測量迴路,這至少有第一個天線和第一個波導管,其中天線經過第一個波導管與前置放大器單元相連接,此時至少第一個波導管工作在非正常集膚效應區域,其中在第一個波導管中的平均自由行程長度大於電磁集膚深度,和其中初級測量迴路安排了為了與其特性阻抗短時匹配的裝置。
文檔編號G01R33/345GK1328645SQ99813895
公開日2001年12月26日 申請日期1999年9月30日 優先權日1998年9月30日
發明者威爾弗裡德·伯格曼 申請人:威爾弗裡德·伯格曼