DE1773846C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeu gung eines linearen Frequenzvorschubs bei Kernresonanzspektrographen - Google Patents

Description

ίο Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines linearen Frequenzyorschubes bei Kernresonanzspektrographen, bei welchem eine von einer Aufnahmefrequenz abgeleitete, in einem gegenüber der Aufnahmefrequenz kleinen Frequenzbereich linear

veränderliche Frequenz sowie eine oder mehrere zur Verschiebung des Frequenzbereiches dienende, gegenüber der Aufnahmefrequenz kleine Hilfsfrequenzen vorhanden sind. Die Erfindung betrifft; ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei Kernresonanzspektrographen mit keraresonanzstabilisiertem Feld wird der lineare Vorschub zur Aufnahme der Kernresonanzspektren als Frequenzvorschub ausgebildet. Es sind Vorrichtungen bekannt, welche zur Erzeugung solcher Frequenz-

zs Vorschübe dienen. Im schweizerischen Patent 417 155 ist eine solche auf Eiienkernstabil'sierung beruhende Vorrichtung beschrieben, welche lineare Vorschübe bis ± 15 ppm der Aufnahmefrequenz erzeugt, indem, ausgehend von einer Grundfrequenz/₀, zur Auf-

nahmefrequenz m · /₀, welche durch Multiplikation aus /o gewonnen wird, eine Frequenz ε addiert oder subtrahiert wird, wobei r in den Grenzen O < F < 15 ppm von m /₀ variabel ist. Auch Variationsbereiche bis zu 100 ppm sind bekannt Die Genauigkeit des linearen Vorschubes ist dabei gegeben einerseits durch die Genauigkeit, mit welcher die Frequenz e innerhalb ihres Variationsbereiches verschoben werden kann, und andererseits durch die Stabilität der Aufnahmefrequenz m · /₀ selbst und die Stabilität des durch die Resonanzstabilisierung an sie gebundenen Magnetfeldes. Die Fortschritte der Kernresonanztechnik haben sowohl die erreichbare Auflösung als auch die Frequenz- und Magnetfeldstabilität in einer Weise verbessert, daß die mit den bisherigen Methoden erzielbare Herstell- und Vorschubgenauigkeit der Frequenz c den höchsten Ansprüchen nicht mehr genügen icann.

Es ist ferner ein auf Fremdkernstabilisierung beruhendes Verfahren bekannt (Exp. Technik der Physik, 13, 1965, S. 270 bis 272), bei dem eine Zusatzfrequenz zur Abtastfrequenz addiert wird. Diese Zusatzfrequenz ist definitionsgemäß so groß, daß eine Unterteilung und Verschiebung eines Frequenzyorschubbereiches im Spektrenaufnahmebeieich keinen Vorteil bringt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Präzision des linearen Frequenzvorschubes zu erhöhen, um sie den heute erreichbaren Genauigkeiten der anderen maßgebenden Größen in der Kernresonanztechnik anzupassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufnahm« von hochaufgelösten, kernresonanzstabilisicrtcn Kernresonanzspektren ist dadurch gekennzeichnet, daß die linear veränderliche Frequenz dadurch gewonner wird, daß eine in einem größeren Bereich linear veränderliche Frequenz durch einen Faktor größer als 1 geteilt wird und daß die Hilfsfrequenzen kleiner sine als der genannte größere Bereich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der linear veränderlichen Frequenz und der genannten Hilfsfrequenzen Referenzspannungen und Spannungs-Frequenzwandler umfassen, daß ein Frequenzteiler zur Unterteilung der von der Aufnahmefrequenz abgeleiteten linear variablen Frequenz durch einen Faktor größer als 1 vorgesehen ist und daß die genannten Addierstufen zur Addition der Aufnahmefrequenz zur heruntergeteilten linear variablen Frequenz dienen.

Durch die Frequenzteilung erreicht man den Vorteil, daß die relative Genauigkeit der Linearität bei der Spannungs-Frequenzwandlung erhöht wird, wenn die absolute Genauigkeit der Spannungs-Frequenzwandlung durch einfache Einschränkung der Variationsbreite nicht mehr erhöht werden kann.

Ein weiterer nur durch Herunterteilung erreichbarer Vorteil besteht darin, daß um den Teilungsfaktor kleinere Minimalfrequenzen des Frequenzvorschubs erzeugt werden können.

Darüber hinaus lassen sich durch einfaches Ausschalten der Herunterteilung Spektren mit dem ganzen, ungeteilten Vorschub aufnehmen. Die erfindungsgemäße Lösung bedeutet somit auch eine Einsparung an elektronischen Elementen.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine bekannte Vorrichtung zur Erzeugung eines Frequenzvorschubes bisheriger Genauigkeit,

F i g. 2 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur Erzeugung eines Frequenzvorschubs,

F i g. 3 ein Beispiel einer Einteilung von Frequenzbereichen,

F i g. 4 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung zur Erzeugung eines Frequenzvorschubs,

F i g. 5 für einen Wert von - · f_k den resultierenden Bereich der linear veränderlichen Aufnahmefrequenz und dessen Lage zur Stabilisierungsfrequenz und

F i g. 6 dieselbe Darstellung wie F i g. 5, jedoch

fr

mit zwei anderen Werten von - · f_k.

F i g. 1 zeigt beispielsweise eine bekannte Vorrichtung zur Erzeugung eines für kernresonanzstabilisierte Kernresonanzaufnahmen bisheriger Genauigkeit geeigneten Frequenzvorschubes. Der hochstabile Quarzsonder 1 erzeugt die Frequenz f_s , welche sowohl für die Magnetfeldstabilisierung als auch als Autnahmefrequenz dienen kann. In einem ziehbaren Quarzoszillator 2 wird eine Frequenz von annähernd /_s, nämlich f_s + f erzeugt, welche in einer Mischstufe 3 mit der genauen Frequenz /_v verglichen wird. Ein Frequenzdiskriminator 4 verwandelt die gemessene Differenzfrequenz f in eine Gleichspannung, welche im passiven Differenzglied 5 mit einer Referenzspannung verglichen wird.

Diese Referenzspannung ist auf bekannte Weise in einem Bereiche linear variabel, welcher dem gewünschten Bereich der Vorschubfrequenz ε entspricht Das Fehlersignal wird über einen Gleichstromverstärker 7 verstärkt und zur Regelung des Oszillators 2 benutzt. Während der Ausgang 8 also die feste Fre-

quenz Z₁ für die Kernresonanzstabilisierung liefert, erscheint am Ausgang 9 die durch die Referenzspannung 6 gesteuerte variable Aufnahmefrequenz /, + e. Eine erste Ausführungsform der Vorrichtung ist in F i g. 2 wiedergegeben. Quarzsender 1, ziehbarer Quarzoszillator 2 und Mischstufe 3 sind unverändert; dagegen wird nun für die Regelung des Oszillators 2 ein anderes Verfahren verwendet: Die Referenzspannung 6 wird in einem Spannungs-Frequenz-Umwand-

ler (u-f-Converter) 10 in eine Frequenz verwandelt, welche in einem phasenempfindlichen Gleichrichter 11 mit der Differenzfrequenz aus dem Mischer 3 verglichen wird. Das im Verstärker verstärkte Fehlersignal steuert wieder den Oszillator 2. Die so ent-

standene variable Frequenz f, + e wird nun mittels eines Frequenzteilers 13 durch die Zahl η dividiert Ein ähnlicher Frequenzteiler 14 dividiert die Frequenz /_s durch dieselbe Zahl n. Die beiden Frequenzen werden in einer Mischstufe 15 zur Frequenz - f gemischt, womit die Vorschubfrequenz

durch den Faktor η > 1 geteilt ist.

Ein zweiter ziehbarer Quarzoszillator 16 erzeugt ebenfalls angenähert eine Frequenz f_s , die im Mi-

scher 17 mit der genauen Frequenz f_s verglichen wird. Eine stufenweise einstellbare Referenzspannung 1% erzeugt im Spannungs-Frequenz-Wandler 19 die stufenweise veränderliche Hilfsfrequenz f_k, welche im Phasendetektor 20 mit der Differenzfre-

quenz aus dem Mixer 17 verglichen wird. Das Fehlersignal regelt über den Verstärker 21 den Oszillator 16. Die so entstandene Frequenz /_s + f_k wird im

Mischer 22 mit der Vorschubfrequenz jq f gemischt,

und als Resultat entsteht die Frequenz f_s + f_k + - f

am Ausgang 23 Die leicht zu stabilisierenden Frequenzen /_s und f_k gehen in die Endfrequenz mit dem vollen Fehler ein, die größeren Fehler der 4c variablen Frequenz f jedoch nur mit ihrem /i-ten Teil. Vorteilhaft werden die festen, einstellbaren oder umschaltbaren Hilfsfrequenzen f_k wie folgt gewählt:

45

wodurch der Aufnahmebereich noch über den mit f überstreichbaren Bereich hinaus vergrößert wird. Vorteilhaft wird auch eine auf den Betrieb mit /, + e eingerichtete Schaltstellung eingebaut, um das ganze Spektrum mit weniger Präzision in einem Durchgang schreiben zu können. Dieser Ausgang ist tu F i g. 2 mit 45 bezeichnet.
Ein Beispiel einer Einteilung von Frequenzbereichen

für η = 4 und f_k = - ^e ist in F i g. 3 wiederge-

geben.

Die im ersten Beispiel gegebene Ausfuhrungsform hat den Nachteil, daß der Bereich in unmittelbarer Nähe von f_s wegen Interferenzerscheinungen zwischen der Aufnahmefrequenz und der Stabilisierungsfrequenz schlecht beherrscht wird. Diese Störungen werden in einem zweiten Apsführungsbeispiel dadurch vermieden, daß eine weitere Hilfsfrequenz f_h eingeführt wird.

Die Blockschaltung für dieses zweite Ausführungsbeispiel ist in F i g. 4 dargestellt. Die eingezeichneten Blöckbilder (1 bis 15) haben genau die gleiche Aufgäbe wie in Fig. 2, jedoch wird mit Hilfe der Referenzspannung 6 hier nicht die endgültige Vorschubfrequenz e, sondern eine variable Hilfsfrequenz 6 mit ebenfalls linearem Vorschub hergestellt. Der Mischer 15 liefert nun die linear variable Hilfsfrequenz δ/η. Ein ziehbärer Quarzoszillator 24 liefert eine ungefähre Frequenz /, + f_k und wird auf oben beschriebene Weise mit HiUe des Mixers 25, des Phasendetektors 26, des u —►/-Umwandlers 27 der festen Referenzspannung 28 und des Verstärkers 29 stabilisiert und an die· Frequenz /, angehängt. Die resultierende Frequenz f, + f_k wird mit Hilfe des durch π teilenden Teilers 30 in die Frequenz

(/* + /*) * ~ verwandelt Der Teiler 31 stellt die Frequenz ^ tief. Diese wird mit der Frequenz

(fs + fk)' ^ i^m Mixer32 gemischt, und im Vervielfacher 43 mit fe multipliziert, woraus die Frequenzen f_k · — resultieren. Eine niederfrequente Mischstufe 33, beispielsweise ein Ringmodulator, stellt die Differenz f_k · ^- + -£- her. Weiter wird in einem System mit ziehbarem Oszillator 34, Mixer 35, Phasendetektor 56, Umwandler 37, Referenzspannung 38 und Verstärker 39 auf oben beschriebene Weise eine Hilfsspannung f_s + f_h hergestellt, im Mischer 40 zu f_h reduziert und im Teiler 41 durch η

geteilt. Die entstehende Frequenz ~ wird mit dem

Ausgang des Ringmodulators 33 im Ringmodulator 42 gemischt und in einer Misch- oder Additionsstufe 44 mit /j zu den Frequenzen während der Bereich durch die Reihe von Frequenzen - · f_k verschoben wird. Das Resultat ist in F i g. 5

und 6 dargestellt. In F i g. 5 ist für zwei Werte von ft

-'fk der resultierende Bereich der linear veränderlichen Aufnahmefrequenz - und dessen Lage zur

Stabilisierungsfrequenz /, aufgezeichnet, in F i g. 6 to eine mögliche Aufteilung mit den Werten r = 20

verbunden wird. Diese stellen die gewünschten Spektrenaufnahmefrequenzen dar. Die durch Division verbesserte Vorschubfrequenz ist nun und „ + 2" ^{Em Te}'l °^^er der ganze Spektrenbereich kann auf diese Weise überlappend in die Teilbereiche ε aufgeteilt werden, wobei die Aufnahme-

«5 frequenz durch die Herunterteilung von r = f_k - δ die höhere Genauigkeit erhält und an die Stabilisierungsfrequenz/, angekoppelt ist. Dieses Ausführungsbeispiel hat gegenüber dem ersten den Vorteil, daß f_h und δ in einem um eine Größenordnung

höheren Frequenzbereich liegen als ε und deshalb leichter gehandhabt werden können. Durch Wahl von r > η wird weiter erreicht, daß die präzisen £-Bereiche einander überlappen. In obigen AusFüh·· rungsbeispielen sind absichtlich sowohl niederfrequente Teilungen und Mischungen in Ringmodulatoren als auch hochfrequente Teilungen und Ankoppelungen verwendet worden. Die Schaltungen werden bei konsequenter Niederfrequenz-Teilung und -Mischung einfacher, bei hochfrequenter Teilung und

Mischung ist die Ankoppelung mit größerer Genauigkeit durchführbar.

Wird als Grundfrequenz/, nicht die Stabilisierungsfrequenz, sondern ihr m-ter Teil gewählt, so kann durch Multiplikation des Ausganges /_s,

sowie des Ausganges

f fk ^U

.k _f r ^h

mit m auf bekannte Weise eine an verschiedene Magnetfeldstärken angepaßte Aufnahme- und Stabili sierungsfrequenz gewonnen werden, beispielsweise aus L = 5 MHz die Frequenzen 30, 60, <K} und 120MHz sowie die zugehörigen Aufnahü.efrequenzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines linearen Frequenzvorschubes bei Kernresonanzspektrographen, bei welchem eine von einer Aufnahmefrequenz abgeleitete, in einem gegenüber der Aufnahmefrequenz kleinen Frequenzbereich linear veränderliche Frequenz sowie eine oder mehrere zur Verschiebung des Frequenzbereiches dienende, gegenüber der Aufnahmefrequenz kleine Hilfsfrequenzen vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte linear veränderliche Frequenz dadurch gewonnen wird, daß eine in einem größeren Bereich linear veränderliche Frequenz durch einen Faktor größer als 1 geteilt wird und daß die genannten Hilfsfrequenzen kleiner sind als der genannte größere Bereich.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens von Anspruch 1 mittels eines Keraresonanzspektrographen, welcher Mittel enthält zur Erzeugung einer Aufnahmefrequcnz, Mittel zur Ableitung einer in einem gegenüber der Aufnahmefrequenz kleinen Bereich linear veränderlichen Frequenz aus der Aufnahmefrequenz und Mittel zur Erzeugung von Hilfsfrequenzen und zur Addition dieser Hilfsfrequenzen zu einer linear veränderlichen Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der genannten linear veränderlichen Frequenz und der genannten Hilfsfrequenzen Referenzspannungen und Spannungs-Frequenzwandler umfassen, daß ein Frequenzteiler zur Unterteilung der von der Aufnahmefrequenz abgeleiteten linear variablen Frequenz durch einen Faktor größer als 1 vorgesehen ist und daß die genannten Addierstufen zur Addition der Aufnahmefrequenz zur heruntergeteilten linear variablen Frequenz dienen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfrequenz in Stufen eingeteilt ist, deren Größe dem Bereich der heruntergeteilten linear veränderlichen Frequenz entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Variationsbereich der Hilfsfrequenz größer ist als der Variationsbereich der nicht heruntergeteilten linear veränderlichen Frequenz.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß umschaltbar auch die ungeteilte linear veränderliche Frequenz benutzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die linear veränderliche Frequenz als Differenz einer festen und einer anderen linear variablen Frequenz hergestellt wird und daß die Teilung durch einsn Faktor größer als 1 an diesen genannten Frequenzen durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfrequenz in Stufen eingeteilt wird, welche kleiner sind als der Bereich der geteilten linear veränderlichen Frequenz.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung und die Differenzbildung hochfrequenzmäßig durchgeführt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungen und J ie Differenzbildung niederfrequenzmäßig mit Hilfe von Ringmodulatoren durchgeführt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmfcfrequenz zusammen mit den addierten Frequenzen weiter multipliziert wird.