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Verfahren und Anordnung ur selbsttätigen Regelung eines hochauflösenden
Kernresonanz-Spektrometers Die Rrfindung betrifft ein Verfahren zur selbsttailgen
Regelung eines hochauflösenden, nach dem SeitenTand-Modulationsverfahren arbeitenden
Kernresonanz-Spektrometers zwecks Darstellung von stets reinen Absorptions-bzw.
reinen Dispersionssignalen sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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In der Kernresonanz-Spektroskopie (NMR-Spektroskopie) wird von dem
durch eine Probe verursachten Kernresonanzsiganl entweder die Åbsorptions- oder
die Dispersionskomponente aufgezeichnet. Nach inbringen- einer Probe in den zum
Nachweis der Kernresonanz dienenden Hochfrequenz-Detektor eines Kernresonanz-Spektrometers
muß vor der eigentlichen Messung der Abgleich wahlweise auf reines Absorptions--oder
auf reines Dispersionssignal vorgenommen werden. Ein genauer Abgleich auf Absorptionssignal,
der schwierig und zeitraubend ist, ist besonders dann wichtig, wenn das aufgenommene
Kernresonanz-Spektrum integriert werden soll. Dieser Abgleich muß über die Meßzeit
hinweg erhalten bleiben. Er erfolgt in allen bekannten NMR-5pektrometern von Hand
an Stellgliedern der Nachweiselektronik.
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Die Phasenlage zwischen der Detektorausgangsspannung und der eingespeisten
Hochfrequenzspannung ist für die Signalform entscheidend.
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Nach Jedem Probenwechsel ändert sich Jedoch die-sorgegebene Phasen
einstellung, - da nach Maßgabe der Stoffkonstanten der neuen Probe und ihrer ;Usungsmittel
dse Abstimmung im Hochfrequenz-Detektor gestört wird. Dasselbe geschieht
bei
iüiderung der Temperatur am Ort der Probe und bei Drlf der Nachweiselektronik. Daher
muß nach jeder innern oder äußeren Störung der Phasenabgleich auf reines Absorptions-oder
reines Dispersionssigrlal erneut vorgenommen werden.
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Das Nachjustieren der Phaseneinstellung an den otellgliedern der Nachweiselektronik
ist jedoch lästig und zeitraubend. Bei Kernresonanz-Spektrometern für Routinemessungen
ist der Vorgang der erneuten Abstimmung besonders hinderlich. Aus diesen Gründen
wurde nach Wegen gesuchte die Nachstellung auf reines Absorptions- oder Dispersionssignal
automatisch durchzuführen und die Phasenlage nach erfolgter Störung wieder automatisch
und exakt auf den richtigen Wert zu justieren.
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Moderne hochauflösende Kernresonanz-Spektrometer enthalten in der
Regel ein Modulationssystem, das eine Signalaufzeichnung nach dem Seitenband-Verfahren
ermöglicht. Dieses Seitenband-Modulationsverfahren, vielfach auch als Verfahren
der schnellen Modulation bezeichnet, stellt gegentiber dem langsamen Modulationsverfahren"
einen entscheidenden Fortschritt beüglich der Empfindlichkeit, Nullinienstabilität
und der einfachen Handhabung des Spektrometers dar. Die mathematische Beschreibung
der auftretenden Modulationseffekte einerseits, die Diskussion der daraus folgenden
physikalischen Vorstellungen und der HUglichkeiten zur Optimierung und automatischen
Einstellung der Meßparameter sowie technische Realisationsmjglichte1-ten andererseits
finden sich in einer zusammenfassenden Darstellung in der Literatur. (M. Birkle,
G. Schule; J. Sci.
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Instr., Series 2, Volume 2, p. 846, 1969; im folgenden als Zitat 1
bezeichnet.) Diese Arbeit ist im Oktober 1969 erschienen; sie liegt deshalb noch
innerhalb der durch PatG § 2, Satz 2 gesetzten Frist von 6 Monaten.
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Die folgende Beschreibung des Standes der Technik und der Erfindung
macht Gebrauch von der in Zitat 1 entwickelten
Darstellung der beim
schnellen Modulationsverfahren auftretenden physikalischen Effekte.
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Die Resonanzbedingung in der Kernresonanz-Spektroskopie ist gegeben
durch wO = g HO,-wobei wO die reis£requenz des Hochfeldes im Resonanzfall, Ho die
Größe des statischen Magnetfeldes im Resonanzfall und g das gyromagnetische Verhälüiis
der untersuchten Atomkerne bedeutet. Im Kernresonanzexperiment wird die Resonanzstelle
mit Hilfe des sogenannten Sweeps langsam überfahren. Das bedeutet, man überstreicht
entweder mit der Hochfrequenz w die Resonanzfrequenz w0 bei konstantem H0, oder
man fährt mit dem Magnetfeld H über die Resonanzstelle 110 bei festem w0. Beim Modulationsverfahren
wird zusätzlich entweder das Hochfrequenzfeld mit der Niederfrequenz wm frequenzmoduliert,
oder dem homogenen Gleichfeld H wird ein schwaches Wechselfeld mit der Frequenz
wm und der Amplitude Rm überlagert.
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Die mathematische Behandlung (K. Halbach, Phys.. Rev. 119, 1230, 1960)
zeigt, daß bei den in der hochauflösenden Kernresonanz-Spektroskopie verwendeten
Größenordnungen von w0, H0, Wm, Hm und H1 (H1 ist der magnetische Feldvektor des
Hochfreuquenzfeldes) die Kernresonanzmodulation mittels einer Frequenzmodulation
und die Kernresonanzmodulation mittels einer Feldmodulat.on die gleichen Ergebnisse
liefern und im Formalismus als gleich behandelt werden können. -Die Bedingung für
schnelle Modulation liegt vor, wenn wm und g Hm groß sind -gegenEber der Halbwertsbreite
der beobachteten Kernresonanzlinie.
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In allen Bällen werden die Kernresonanzeffekte durch. die Lösung der
sogenannten Bloch'schen Differentialgleichungen mathematisch beschrieben. Nach Zitat
1 erhält man unter der Voraussetzung, daß nur Gleichgewichtszustände durchlaufen
werden, d.h. für hinreichend langsames Überstreichen der Resonanzstelle, die in
der komplexen Summe G = u + iv definierten Größen u und v explizit als Funktionen
der Zeit und weiterer Parameter. Die Größe G wird als Kernresonanzsignal
im
Kernresonanzexperiment gemessen. Sie ist proportional zum zeitlichen Verlauf der
Magnetisierung und der Suszeptibilität.
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Bei Eernresonal1zexperimenten ohne Modulation und bei solchen mit
langsamer Modulation (differentielles Aufzeichnen der Resonanzlinien) beschreibt
die Größe v den Verlauf eines reinen Absorptionssignals und die Große u den Verlauf
eines reinen Dispersionssignals. u und v sind bezüglich ihrer Hochfrequenz-Phasenlage
um 900 gegeneinander phasenverschoben. Die technische Aufgabe besteht darin, entweder
nur das reine Absorptionssignal oder nur das reine Dispersionssignal aufzuzeichnen.
Die gewünschte Trennung in einen reinen Dispersions- oder in einen reinen Absorptionsanteil
läßt sich nach der Hochfrequenz-Gleichrichtung durch eine Einstellung von Einstellern
am Hochfrequenz-Detektor (z.3.
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Brückenanordnung) erreichen (Phasenabgleich). Dabei wird der Phasenwinkel
p(ilF) zwischen der angelegten Hochfrequenzspannung und der am Ausgang des HF-Detektors
auftretenden, das Kernresonanzsignal tragenden hochfrequenten Antwortspannung eingestellt.
- Im statischen Fall (ohne Modulation) oder im Fall der langsamen Modulation erhält
man lediglich ein einziges Resonanzsignal bei der Resonanzfrequenz wO der Probe.
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Bei Kernresonanzexperimenten mit dem Verfahren der schnellen Modulation
hingegen erhält man zusätzliche Signale bei den )3eitenband-Frequenzen wO + m .
Wm (1 = 0 + 1, + 2, ...), die man Kernresonanz-Seitenbandsignale nennt.
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Nach der Hochfrequenz-Gleichrichtung treten bei jedem Seitenbandsignal
1 weitere Signale mit den Frequenzen ((l-k)wm) auf, wobei k alle Werte k = 0, +
1, + 2, ... durchläuft.
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Bei der Mehrzahl der modernen hochauflösenden Eernresonans-Spektrometer
werden die Signale des Zentralbandes (1 t 0) oder des ersten Seitenbandes (1 - 1)
beobachtet, und zwar nur die Komponente, die mit der Modulationsfrequenz
nach
der Hochfreqquenz-Gleichrichtung auftritt. Man beschränkt sich also allein auf den
spektralen Anteil mit d.h.'auf die Bedingung l-k = + 1.
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Bei Anwendung des Seitenband-Modulationsverfahrens (schnel le Modulation-)
und Beobachtung des ersten Seitenbandes mit Wm sind nach Zitat 1 die beiden Signalgrbßen
u und v Bunktionen der Modulationsfrequenz Wm und der Zeit t. Die einfache Zuordnung
der Größe u zum Dispersionssignal und der Größe v zum Absorptionssignal., wie bei
der langsamen Modulation, ist in diesem Fall nicht gegeben. Sowohl u als auch v
enthalten nach der Hochfrequenz-Gleichrichtung, wenn der Sweep hinreichend- langsam
ist, jeweils eine Xomponente, die zum Dispersionssignal, und eine Komponente, die
zum Absorptionssignal proportional ist.
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Die beiden Größen u und v lassen sich durch entsprechende Phaseneinstellung
der Referenzspannung eines phasenempfindlichen Gleichrichters für die Hochfrequenz
wO oder durch eine HF-Diodengleichrichtung bei großer Detektorausgangsspannung trennen,
Jede Größe enthält jedoch immer noch ein Absorptions- und ein Dispersionssiganl,
die sich erst durch entsprechende Einstellung der Niederfrequenzphase trennen lassen.
Demnach läßt sich die Aufzeichnung eines reinen Absorptionssignals bzw. eines reines
Dispersionssignals beim Seitenband-Modulationsverfahrens erreichen entweder durch
geeignete Einstellung der Hochfrequenzphase des entstehenden Resonanzsignals bei
fester Niederfrequenzphasenbedingung oder durch entsprechende Einstellung der Niederfrequenzphase
bei vorgegebener, fester Rochfrequenzphasenbeziehung.
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Es ist bekannt, in Kernresonanz-Spektrometern eine Hochfrequenzbrücks,
z.3. eine Dcppel-T-Brücke, als. Hochfrequenz-Detektor zu verwenden (H. L.- Anderson,
Phys.Rev. 76, 1460 (1949); P'Grivat-, M. Soutif, R. Gabillard, Physica XVII, 420
(1951)). Die Doppel-T-Brücke nach Anderson besteht
aus zwei Brückenzvreigen,
in denen eine zahl von Widerstanden und Impedanzen angeordnet ist. Ein Brückenzweig
enthält den Meßkreis mit der Probe. An Einstellern in der Doppel--T-Brücke können
Amplituden- und Phasengleichgewicht unabhängig voneinander eingestellt werden. Sowohl
beim Verfahren ohne Modulation als auch beim langsamen Modulationsverfahren erhält
man bei Einstellung der Brücke auf Amplitudengleichgewicht und Phasenungleichgewicht
den u-Anteil allein, d.h. ein reines Dispersionssignal, dagegen bei Amplitudenungleichgewicht
und Phasenabgleich den v-Anteil des Kernresonanzsignals allein, d.h. ein reines
Absorptionssignal.
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Es ist ferner bereits ein Regelkreis für das langsame Nodulationsverfahren
bekannt (R. L. Collins, Rev. Sci. Instr.
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28, 502 (1957); US-Patentschrift 2 995 698), der eine Doppel-2-BrUcke,
beispielsweise bei Temperaturänderung auautomatisch auf das einmnl auf maximale
Empfindlichkeit eingestellte Absorptionssignal zurückregelt. Nach Oollins wird die
Kapazität eines spannungsabhängigen gondensators (Kapazitätsdiode), der Bestandteil
der Doppel-t-BrUcke ist, und damit auch die Brückenabgleichbedingung selbst, mit
einer Niederfrequenz wb moduliert, die wesentlich kleiner als die Hochfrequenz w
und größer als die Modulationsfrequenz Wm ist. Bei Verstimmung der Brücke beispielsweise
durch Temperatureinfluß erhält man nach der HF-Gleichrichtung am Ausgang eines schmalbandigen
Filters für wb ein Regelsignal, dessen Amplitude bei exaktem.Phasenabgleich durch
Null geht und dessen Phase beim Ueberfahren der Abgleichbedingung das Vorzeichen
wechsel. Dieses Signal wird auf einen phasenempfindiichen Gleichrichter gegeben,
dessen Äusgangssignal, eine Gleichspannung, die Kapazität der gapazitätsdiode so
verändert, daß im Ausgang des HP-Verstärkers das Signal mit der Frequenz wb verschwindet
und die Brücke wiederum auf reines Absorptionssignal eingestellt wird. Das Kriterium
für exakten Phasenabgleich ist das Verschwinden eines Signals mit wb und das Auftreten
eines solchen mit 2wb.
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Der Regelkreis nach Collins wurde verschiedentlich weiterentwickelt
(J. haupt, W. MDller-Marrnuth, G. Schulz, Zeitschrifangew. Phys. 18, 132 (1964.);
M. Mehring, O. Kanert, J. Sci. Instr. 42, 449 (1965), C.W,. It'ryer, J. Sci. Instr.
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Series 2, Volume 2, (Februar 1969)).
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Die bisher bekannten selbsttätigen Regelvorrichtungen zur Erzielung
eines reines Absorptionssignals oder eines reinen Dispersionssignals beziehen sich
auf Kernresonanz-Spektrometer, die ohne Modulation oder mit langsamer Modulation
arbeiten. Für hochauflösende Spektrometer, die mit schneller Modulation nach dem
Seitenband-Modulationsverfahren arbeiten, gab e-s bisher keine derartigen Vorrichtungen.
Die Nachstellung wurde bisher mit der Hand vorgenommen. Für eine automatische Nachstellung
der Signalform bei Spektrometern mit schneller Modulation genügt der von Collins
angegebene Regelkreis nicht, .sofern nicht weitere Eingriffe im Kernresonanz-Spektrometer
vorgenommen werd.en, da er nur imstande ist, den u- oder v-Anteil der Suszeptibilität
darzustellen und automatisch nachzuregeln. Beide Anteile enthalten jedoch bei schneller
Modulation - wie bereits erwähnt - jeweils ein Absorptions-und ein Dispersionssignal,
so daß eine Doppel-T-Brücke, die mit einem Regelkreis nach Collins zur Stabilisierung
des v-Anteils versehen wäre, nicht zwangsläufig ein reines Absorptionssignal, sondern
ein Mischsignal abgeben würde. Außerdem ist der apparative Aufwand des Collins-Regelkreises
beträchtlich, da mit zwei verschiedenen Niederfrequenzen (wm und w) gearbeitet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein hochauflösendes
Kernresonanz-Spektrometer mit Seitenband-Modulationsverfahren ein Verfahren zur
selbsttätigen Regelung anzugeben, so daß trotz störender Einflüsse stets nur ein
reines Absorptions- bzw. ein reines lispersionssignal ur Darstellung im Nachweissystem
des xernresonanz-
Spektrometer3 gelangt. Ferner soll die Anordnung
zur Durchführung des Verfahrens einen möglichst geringen apparativen Aufwand erfordern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in bekannter
Weise die Kernresonanzbedingung einer sich in Resonanz mit einem HochErequenzfeld
befindlichen, in einem homogenen Magnetfeld angeordneten Probe mittels einer ersten
Wechselspannung von fester Niederfrequenz moduliert wird, daß ein Hochfrequenz-Detektor
des Eernresonanz-Spektrometers durch eine zweite Wechselspannung von derselben Niederfrequenz
und von einstellbarer Phase in seiner elektrischen Abgleichbedingung moduliert wird,
daß ein durch diese Detektormodulation nach einer Hochfrequenz-Gleichrichtung zusätzlich
zu einem durch die Kernresonanzmodulation erzeugten Kernresonanzsignal bei einer
über einen Regelkreis erfolgten Detektorverstimmullg auftretendes Detektorsignal
aufgrund der Phaseneinstellung zwischen beiden Wechselspannungen zur Kompensation
desjenigen Anteils des Kernresonanzsignals, der dieselbe Phasenlage besitzt, dient,
so daß der verbleibende Anteil des Kernresondnzsignals nach einer Niederfrequenz-Gleichrichtung
das darzustellende reine Absorptionssignal bzw. das reine Dispersionssignal ist,
und daß-eine durch störende Einflüsse verursachte Veränderung des dargestellten
Kernresonanzsignals mittels des Regelkreises vollständig rückgängig gemacht wird.
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Bezeichnend für das Regelverfahren nach der Erfindung ist also, daß
Wechselspannungen mit nur einer einzigen Niederfrequenz, nämlich der Modulationsfrequenz,
benötigt werden.
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Mittels einer ersten niederfrequenten Wechselspannung wird demnach
auf bekannte Weise eine Kernresonanzmodulation, also z.B. eine Feldmodulation bewirkt.
Das nach der Hochfrequenz-Gleichrichtung vorhandene ternresonanssignal enthält zwei
Anteile, die um s/2 phasenverschoben sind.
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Der eine Anteil trägt das Dispersionssignal, de andere Anteil das
Absorptionssignal. Weil nur einer dieser Anteile zur Darstellung gelangen soll,
wird der andere lllteil durch Beimischung eines weiteren Signals kompensiert.
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Dazu wird eine zweite Wechselspannung derselben Frequenz in den Hochfrequenz-Detektor
eingespeist (Dete'Ktormodulation). Der Phasenwinkel zwischen der ersten und der
zwei ten Wechselspannung ist einstellbar. Aufgrund der Detektormodulation entsteht
bei Verstimmung des Detektors ein weiteres Signal, das hier als Detektorsignal bezeichnet
wird. Bei Abgleich des Detektors ist dieses Detektorsignal Null.
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Der Phasenwinkel zwischen der ersten und zweiten Wechselspannung wird
so eingestellt, daß bei vorliegender Kernresonanz der Phasenwinkel zwischen Detektorsignal
und dem nicht gewünschten Anteil des Kernresonanzsignals X wird.
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Dadurch wird der nicht gewünschte Anteil des Eernresonanzsignals kompensiert,
während der gewünschte Anteil unbeeinflußt bleibt. Die Detektorverstimmung wird
über den Regelkreis von dem nicht gewünschten -Anteil des Kernresonanzsignals selbst
erzeugt. Wegen der Detektormodulation tritt dann in Detektorsignal auf. Der nicht
gewünschte Anteil des Kernresonanzsignals erzeugt folglich das ihn kompensierende
Detektorsignal.
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Der Regelkreis kann so ausgebildet sein, daß bei durch störende Einflüsse
verursachter Veränderung des zuvor rein dargestellten Kernresonanzsignals das Detektorsignal
und der zu kompensierende, mit dem Detektorsignal gleichphasige Anteil des Eernresonanzßignals
in einer Regeleinrichtung in bezug auf den nicht gleichphasigen Anteil des Kernresonanzsignals
phasenmäßig selektiert werden, daß die Regeleinrichtung eine entsprechende Stellt
größe an ein Stellglied im Hochfrequenz-Detektor abgibt, und daß der Hochfrequenz-Detektor
daraufhin das Eernresonanzsignal derart beeinflußt, daß das Detektorsignal
den
gleichphasigen Anteil des Kernresonnzzignals vollständig kompensiert.
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Wenn die Xernresonanzbedingung nicht erfüllt ist, wirkt dieser Regelkreis
so, daß der Detektor auch bei Störungen (z.B. Probenwechsel, Teinperaturänderung)
selbsttätig in abgeglichenem Zustand gehalten wird. Das bedeutet: Beim Einbringen
einer neuen Probe in das Kernresonn/r1 spektrometer liegt im allgemeinen ein Resonanzfall
nicht vor. Dann bewirkt der Regelkreis einen Abgleich des Detektors. Wird nun z.B.
das homogene Magnetfeld so verändert, daß Resonanz eintritt, dan wirkt der nicht
gewunschte Anteil des Kernresonanzsignals über die Regeleinrichtung auf den Detektor
ein und verstimmt diesen. Die Verstimmung hat ein Detektorsignal zur Folge, das
den nicht gewünschten Anteil des Kernresonanzsignals kompensiert.
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In der Regel ist ein Kernresonanz-Spektrometer ausgerüstet mit einem
Magneten zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes, Zusatzspulen zur Modulation
des homogenen Magnetfeldes, einem Niederfrequenz-Oszillator zur Erzeugung einer
Modulationsfrequenz, einem Hochfrequenz-Sender, einem Hochfrequenz-Detektor und
einem Nachweis system zum Nachweis und zur Aufzeichnung eines Kernresonanzsignals.
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In einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens wird die Modulation
der Kernresonanzbedingung über ein magnetisches Wechselfeld (Feldmodulation) und
die Detektormodulation durch Einspeisung der zweiten Wechselspannung direkt in den
Hochfrequenz-Detektor bewirkt. Diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß der
Niederfrequenz-Oszillator über eine erste Zuleitung zum Zwecke einer an sich bekannten
Feldmodulation an die Zusatzspulen und über eine zweite Leitung zur Detektormodulation
an ein Bauglied des Hochfrequenz-Detektors angeschlossen ist, daß in eine der beiden
Leitungen ein Phaseneinsteller geschaltet ist, und daß das Nachweissystem über eine
Regeleinrichtung mit dem Hochfrequenz-Detektor zu einem Regelkreis verbunden ist.
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In einer weiteren Anordnung zur Durchführung des Verfahrens wird die
Modulation der Kernresonanzbedingung gleichfalls über ein magnetisches Wechselfeld
(Feldmodulation), die Detektormodulation dagegen durch Einspeisung der zweiten lt3echselspannung
in den Hochfrequenz-Sender bewirkt.
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Diese Anordnung ist also dadurch gekennzeichnet,, daß der Niederfrequenz-Oszillator
über eine erste Leitung zum -Zwecke einer an sich bekannten Beldmodulation an die
Zusatz spulen und über eine zweite Leitung zur Frequenzmodulation an den Hochfrequenz-Sender
angeschlossen ist, daß in eine der beiden Leitungen ein Phaseneinsteller geschaltet
ist, und daß das Nachweissystem über eine Regeleinrichtung mit dem Hochfrequenz-Detektor
zu einem Regelkreis verbunden ist.
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In einer weiteren Ausbildung einer Anordnung gemäß der Erfindung ist
eine mit dem Hochfrequenz-Detektor verbundene Regeleinrichtung vorgesehen, an die
der Niederfrequenz-Oszillator über eine dritte Zuleitung zwecks Zuführung einer
Referenzspannung angeschlossen ist. In diese Zuleitung kann auch ein weiterer Phaseneinsteller
geschaltet sein.
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Als Hochfrequenz-D.eteltoren lassen sich bei dem Verfahren gemäß der
Erfindung alle bekannten Detektorschaltungen verwenden. Der llochfrequenz-Detektor
kann also eine Ereusspulenanordnung besitzen; er kann aber auch eine der üblichen
Brückenschaltungen, speziell eine Doppel-T-Brücke sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Regelkreis so aufgebaut,
daß der Ausgang eines Eochfrequenz-Gleichrichters im Nachweissystem mit dem Eingang
der Regelt in richtung verbunden und daß der Ausgang der Regeleinrichtung an ein
Stellglied im Hochfrequenz-Detektor angeschlossen St. Es ist zweckmäßig, als Regeleinrichtung
einen phasenempfindlichen Gleichrichter und als Stellglied eine Kapazitätsdiode
zu verwenden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Lrfindw:ig ist der Niederfrequenz-Oszillator
über einen Phasene intellor in der zweiten Zuleitung an dasselbe Stellglied sngeschlossen
wie die Regeleinrichtung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Blockschaltbi]d in der
Figur darge,stellt und wird im folgenden näher beschrieben.
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Die in der Figur dargestellte Schaltung zeigt ein hochauf lösendes
Kernresonanz--Spektrometer mit einer Anordnung zur Darstellung von stets reinen
Absorptionssignalen. Ein Hochfrequenz-Sender HF-S gibt eine Spannung der Hochfrequenz
w an den Eingang a eines IIochfrequenz-Detektors, der als an sich bekannte Doppel-T-Brücke
B ausgebildet ist.
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Die Doppel-g-Brücke B enthält eine Spule mit einer Probe P in einem
(nich-t dargestellten) statischen homogenen Magnetfeld, dem ein langsamer Sweep
überlagert ist. Dieses Magnetfeld wird über eine erste.Leitung in bekannter Weise
von einem Niederfrequenz-Oszillator NF-O mit einer Wechselspannung der Frequenz
wm unter der Beachtung der Bedingung für schnelle Modulation über Zusatzspulen Z
moduliert (Feldmodulation). - Die Doppel-T-Brücke B enthält ferner in bekannter
Weise einen Drehkondensator C2, an dem der Amplitudenabgleich, und einen Kondensate
r C1, der an dem normalerweise im Handbetrieb der Phasenabgleicham Ausgang b auftretenden
hochfrequenten Antwortspannung eingestellt wird. Der Kondensator Ci ist zum Zwecke
der Regelung, die weiter unten beschrieben wird, als Kapazitätsdiode ausgebildet.
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Der Niederfrequenz-Oszillator NF-O ist ferner zur Modulation der Doppel-T-Brücke
B mit der Niederfrequenz wm über ein Phasenstellglied PS3 und einen Kondensator
K in einer zweiten Leitung mit dem Brückeneingang c verbunden (Detektor- oder Brückenmodulation).
Eine Frequenzmodulation des Hochfrequenz-Senders HF-S durch den Niederfrequenz-Oszillator
NF-O würde jedoch zu- demselben Ergebnis führen.
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Die am Ausgang b auftretende hochfreuente Antwortspa.nnung wird in
einem Hochfrequenz-Verstärker HF-V verstärkt und anschließend in einem Hochfrequenz-Gleichrichter
HF--GS gleichgerichtet. Dessen Ausgangsspannung wird an ein schmalbandiges Filter
FI geführt. Das Filter FI läßt nur ein Signal mit der Niederfrequenz wm zu einem
Verstärker V, der auf die Modulationsfrequenz wm abgestimmt sein kann1 gelangen.
(Ohne Detektormodulation würde das am Ausgang des Niederfrequenz-Verstärkers V verstärkt
auftretende Signal je nach Abgleich der Phase p(HB), der mit Hilfe der Kondensatoren
Ci und C2 in der Doppel-2-Brücke B-vorgenommen wird, dem u-- oder Anteil der Suszeptibilität
oder einem Mischsignal entsprechen.) Das Ausgangssignal des Verstärkers V wird an
zwei verschiedene phasenempfindliche Gleichrichter PG1 und PG2 geführt.
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In dem phasenempfindlichen'Gleichrichter PG1 wird es in bezug auf
die Phase der den Wiederfrequenz-Oss. llator NF-O (Frequenz Wm) verlassenden Spannung
phasenempfindlich gleichgerichtet. Dazu ist der Niederfrequenz-Oszillator NF-O über
einen Phaseneinsteller PS1, an dem die Phase der Spannung des Niederfrequenz-Oszillators
NF-O auf einen festen Phasenwinkel eingestellt werden kann, mit dem phasenempfindlichen
Gleichrichter PG1 verbunden. Der Phaseneinsteller PS1 dient in üblichen Eernresonanz-Spektrometern
der Wahl der Form des Kernresonanzsignals S. Die bisher beschriebene Anordnung von
HF-V, HF-GL, FI, V und PGl ist als Nachweissystem in Kernresonanz-Spektrometern
gebräuchlich.
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Bei Funktion der zu beschreibenden selbsttätigen Regelanordnung zeigt
die am Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters PG1 auftretende und zur Aufzeichnung
(Schreiber, Ossillograph) gelangende Signalspannung S je nach Aufbau der Regelanordnung
entweder stets ein reines Absorptions- oder stets ein reines Dispersionssignal in
der Anordnung nach der Figur, jedoch ein reines Absorptionssignal, wenn am Phaseneinsteller
PS3 die Phase des nach dem Hochfrequenz-Gleichrichter HF-GL auftretenden
Detektorsignals
so eingestellt wird, daß das D.tt;cktor,iignal den Dispersionsanteil des Kernresonanzsignals
kompensiert. Im Gegensatz zu üblichen Kernresonanz-Spektrome-tern wird hier jedoch
die Amplitude der Signalspannung S am Phaseneinsteller PS1 eingestellt. - Auf den
Phaseneinsteller PS1 könnte hier auch verzichtet werden, wenn der phasenempfindliche
$Gleichrichter PG1 durch einen gebräuchliegen Niederfrequenz-Gleichrichter ersetzt
wird.
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In dem phasenempfindlichen Glei.eh-richter PG2 wird das am Ausgang
des Niederfrequenz-Versta"rkers V auftretende Signal ferner in bezug auf die Phase
der Spannung des Niederfrequcnz-Oszillators NF-O, der über zwei Phaseneinsteller
PS3 und PS2 mit dem phasenempfindlichen Gleichrichter PG2 verbunden ist, phasenempfindlich
gleichgerichtet. Dabei wird mit dem Phaseneinsteller PS2 der Arbeitspunkt der als
phasenempfindlicher Gleichrichter PG2 ausgebildeten Regeleinrichtung eingestellt.
D.e in einem Gleichstromverstärker GV verstärkte ausgangsseitige Gleichspannung
des phasenempfindlichen Gleichrichters PG2 wird über den Eingang c der Doppel-T-Brücke
B zugeführt.
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Zur Zuführung der Referenzspannung aus dem Niederfrequenz-Oszillator
NF-O in den phasenempfindlichen Gleichrichter PG2 können beide Geräte über den Phaseneinsteller
P52 in einer dritten Leitung direkt miteinander verbunden werden, d.h. PS2 braucht
nicht unbedingt an PS3 angeschlossen zu werden.
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Die am Eingang c anliegende Vorspannung besitzt bei ungestörter Brücke
B einen festen Wert und bestimmt den Kapazitätswert der Kapazitätsdiode Ci. Bei
Störung der Brücke B wird diese Vorspannung automatisch so verändert, daß die Signalspannung
S des Kernresonanz-Spektrometers stets ein reines Kernresonanzsignal darstellt.
Die Kapazitätsdiode C1 wirkt dabei als Stellglied.
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Der il de: Figur enthaltene Regelkreis besteht demnach aus folgenden
Geraten: B, iiF-V, HF-GL, FT, V, PG2, GV und Ci.
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In dieser Schaltung wird mit dem Phaseneinsteller P53 die Einstellung
auf reines Absorptionsignal oder reines Dispersionssignal e'üimalig fest vorgenommen.
Der, Phaseneinsteller PS1 ändert nur die Amplitude des mit dem Phaseneinsteller
PS3 eingestellten Porm.des Ausgangssignals S.
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Daher können die beiden Phaseneinsteller PS1 und PS2 als feste Phaseneinsteller
(RC-Glieder) ausgeführt sein.
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Da- in der Figur der phasenempfindliche Gleichrichter über GV an Ci
angeschlossen ist, erhält- man trotz störender Einflüsse eine selbsttätige Regelung
auf reines Absorptionssignal oder reines Dispersionssignal. Dasselbe gilt, wenn
der Gleichstromverstärker GV bei anderer Bemessung der Eapazitätswerte von Ci, und
C2 an den Kondensator C2 angeschlossen ist, wobei Ci jetzt ein Drehkondensator und
C2 eine Kapazitätsdiode ist. Man erhält also dasselbe Regelverhalten, wenn man den
Ampli.tudenabgleich automatisch an C2 nachregelt.
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Bei der in der Figur gezeigten Anordnung ist die Frequenz, mit der
der Regelkreis betrieben wird, gleich der Modulationsfrequenz w. Der Regelkreis
wirkt wie ein Proportionalregelkreis. Im Resonanzfall ist die Brücke B nach Maßgabe
der Größe der Resonanzsignale verstimmt, also nicht - wie in bisher üblichen Spektrometern
- im allgemeinen abgeglichen. Bei einer Störung, z.B. Temperaturänderung, oder auch
bei änderung der Induktivität der Spule infolge eines Wechsels der Probe P wird
der gesamte Phasengang des Kernresonanz-Spektrometers durch Nachstellung der Hochfrequenzphase
an der Kapazitätsdiode C1 automatisch nachgeregelt. Dasselbe gilt auch für die beschriebene
Regelanordnung bei der der Regelkreis an e2 angeschlossen ist.
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Der Regelvorgang sei am Beispiel der Darstellung eines reinen Absorptionssignals
beschrieben: Die Kernresonanzmodulation, also die Fcldmodulation, bewirkt das Auftreten
eines Kernresenanzsignals mit der Frequenz wm am Ausgang des IIochfreq-uenz-Gloichrichters
HF-GL, das sich aus einem Absorptions- und einem Dispersionsanteil zusammensetzt.
Beide Aslteile sind um n/2 gegeneinander phasenverschoben. Aufgrund der Brückenmodulation
entsteht bei Verstimmung der Brücke B am zugang des Hochfrequenz-Gleichrichters
HF-GL ein Signal gleicher Frequenz (Detektorsignal)..
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An dem Phaseneinsteller PS3 wird seine Phasenlage einmalig fest so
eingestellt, daß es zum Absorptionsanteil um lt /2 phasenverschoben ist. Der Dispersionsanteil
des Kernresonanzsignals wird folglich durch das Detektorsignal kompensiert. übrig
bleibt der Absorptionsanteil, der als Amplitude das Absorptionssignal trägt. Nach
der Gleichrichtung im phasenempfindlichen Gleichrichter PG1 gelangt das reine ibsorptionssignal
S zur Aufzeichnung. Der Empfang eines reinen Absorptionssignals S ist folglich unabhängig
von der Einstellung der Niederfrequenzphase am Phaseneinsteller PSl. Der Regelkreis
gewährleistet, daß das Detektorsignal auch bei störungen stets den Dispersionsanteil
kompensiert.
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Für das dynamische Verhalten eines selbsttätigen Regelkreises gilt,
daß die Zeitkonstante TR des Regelkreises groß sein muß gegenüber l/wm und klein
gegenüber der Zeit die die zum Überstreichen der Resonanzlinie benötigt wird.
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Diese Bedingung läßt sich bei wm = 5 kHz leicht experimentell realisieren.
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14 Patentansprüche 1 Figur