DE2915076C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren der Feld-Frequenz-Beziehung in einem Impuls-Kernspinresonanz- Spektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Spektrometer zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Die moderne Kernspinresonanz-Spektroskopie fordert die Stabilität der Beziehung des polarisierenden Magentfeldes zur Trägerfrequenz der HF-Anregung. Diese Bedingung wird mittels einer Feld-Frequenz-Verrastungseinrichtung erreicht, die gewöhnlich einen vom Analysekanal getrennten Informationskanal hat.

Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Spektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 sind bereits aus der DE-AS 23 52 315 bekannt. Das Abweichungssignal wird dort jedoch durch eine aufwendige Fourier-Transformation des empfangenen Interferogramms ermittelt. Weiterhin ist es aus der GB-PS 10 81 514 bekannt, den Dispersions- und den Absorptionsmodus des Resonanzsignals einer Bezugsprobe zu Regelzwecken für das polarisierende Magnetfeld und den Dispersionsmodus zum automatischen Stabilisieren der Feld-Frequenz-Beziehung zu verwenden.

Aus Advances in Magnetic Resonance, Bd. 5, 1971, S. 117-176 ist die Verwendung eines Phasen-Quadratur-Detektors für den Meßkanal eines Impuls-Kernspinresonanz-Spektrometers bekannt. Für die Stabilisierung der Feld-Frequenz-Beziehung wird dabei aber in aufwendiger Weise der Dispersionsmodus verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ermittlung des Abweichungssignals, das Größe und Richtung der Abweichung von einer Sollfrequenz wiedergibt, zu vereinfachen und den dafür erforderlichen apparativen Aufwand zu verringern. Die Lösung dieser Aufgabe ist durch das Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei ist ein vorteilhaftes Impuls-Kernspinresonanz-Spektrometer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Gegenstand des Anspruchs 3.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1A und B die Beziehung der Absorptionsmodussignale zu den Dispersionsmodussignalen für HF-Trägerfrequenzen unterhalb (A) und oberhalb (B) der Resonanzfrequenz;

Fig. 2 eine Blockschaltbild für die Abweichungssignal- Erzeugungseinrichtung; und

Fig. 3A und B die Signale gemäß Fig. 1 nach Transformation in Rechteckform in der Einrichtung nach Fig. 2.

In Fig. 1A und B sind die relativen Phasenlagen von Signalen des freien Induktionszerfalls an den Ausgängen eines Phasen-Quadratur-Detektors für die Fälle gezeigt, daß die HF- Trägerfrequenz höher bzw. niedriger ist als die Resonanzfrequenz f₀. Der Bequemlichkeit halber werden in der folgenden Diskussion die durch Phasen-Quadratur-Gleichrichtung aufgelösten Signale des freien Induktionszerfalls als Absorptions- bzw. Dispersions- Modus-Signale bezeichnet. Eine solche Wahl der Phase ist jedoch kein Erfordernis für die Erfindung. Relativ zum Absorptionsmodussignal ist das Dispersionsmodussignal in den beiden Fällen um 90° verzögert oder es eilt vor. Die die Signale charakterisierende Frequenz ist proportional der Abweichung der HF-Trägerfrequenz von der Resonanzfrequenz.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform für eine Schaltung zur Bildung eines Abweichungssignals. Ein Verrastungssignal von einem Empfänger eines Impuls-Kernspinresonanz-Spektrometers (nicht dargestellt) wird in einem ersten Signalverarbeitungskanal in einem ersten Phasendetektor 12 mit einem um 90° phasenverschobenen Referenzsignal verglichen, das durch einen Phasenschieber 13 von einem HF-Sender abgeleitet wird. Das Ausgangssignal des ersten Phasendetektors 12 wird einem Verstärker 16 zugeführt und danach in Rechtecksignale entsprechend den Absorptionsmodussignalen umgewandelt. Zu diesem Zweck vergleicht ein erster Komparator 20 das Eingangssignal mit einem kleinen Schwellenwertpegel, der so eingestellt ist, daß er geringfügig den Rauschpegel übersteigt. Impulse, die vom ersten Komparator 20 geliefert werden, sind Rechteckimpulse gleichförmiger Amplitude, die beispielsweise jeweils der positiven Halbwelle der Absorptionsmodussignale entsprechen, wie sie vom ersten Phasendetektor 12 abgeleitet sind; das heißt, das positive Eingangssignal ergibt positive Rechteckimpulse oder Null und negative Eingangssignale ergeben Ausgangssignale Null.

Parallel zu dem ersten Signalverarbeitungskanal weist ein zweiter Signalverarbeitungskanal einen zweiten Phasendetektor 14 auf, der auf das Verrastungssignal und das in der Phase unverschobene Referenzsignal arbeitet, um ein Dispersionsmodussignal zu erzeugen. Ein Verstärker 18 ergibt eine ausreichende Amplitude zur Verarbeitung in einem zweiten Komparator 22 ähnlich dem ersten Komparator 20.

Um den Phasenvergleich der Ausgangssignale der Komparatoren 20 und 22 zu erleichtern, ist der erste Komparator 20 an einen Monoflop 30 angeschlossen, der gleichförmige Phasenmarkierungsimpulse erzeugt. Die Impulse werden vom Monoflop 30 an negativen Flanken des Absorptionsmodussignals erzeugt. In Fig. 3A und B sind die zeitlichen Beziehungen für das Ausgangssignal des ersten Komparators 20 (Absorptionsmodussignal), das zugehörige Phasenmarkierungs- Ausgangssignal des Monoflops 30 und das Ausgangssignal des zweiten Komparators 22 (Dispersionsmodussignal) unter der Bedingung dargestellt, daß die HF-Trägerfrequenz zu niedrig bzw. zu hoch im Vergleich zur Resonanzfrequenz liegt. An dem Punkt, an dem das Absorptionsmodussignal durch das Phasenmarkierungs- Ausgangssignal des Monoflops 30 markiert ist, ist die Dispersionsmodus-Rechteckschwingung auf hoher Spannung, wenn die HF-Trägerfrequenz niedriger ist als die Resonanzfrequenz und auf niedriger Spannung, wenn die HF-Trägerfrequenz über der Resonanzfrequenz liegt.

Gemäß Fig. 2 wird das Ausgangssignal des Monoflops 30 für zwei Zwecke verwendet. Zum einen wird es in einen bidirektionalen Zähler 32 eingegeben. Zum anderen wird es dazu verwendet, den Zustand des Ausgangssignals des zweiten Komparators 22 in einer als Zwischenspeicher ausgebildeten Einrichtung 34 zum Phasenvergleich der Ausgangssignale der Komparatoren 20 und 22 festzuhalten. Wie in den Fig. 3A und B gezeigt, ist dieser Zustand positiv, wenn die HF-Trägerfrequenz niedriger ist als die Resonanzfrequenz und negativ, wenn die HF- Trägerfrequenz über der Resonanzfrequenz liegt. Der Zwischenspeicher 34 liefert deshalb ein Ausgangssignal abhängig vom Zustand des Ausgangssignals des zweiten Komparators 22 in Beziehung zur Phase des Ausgangssignals des ersten Komparators 20 und dieses Ausgangssignal kontrolliert seinerseits die Zählrichtung des bidirektionalen Zählers 32.

Das digitale Ausgangssignal des bidirektionalen Zählers 32 wird dann vom Digital-Analog-Wandler 36 in ein analoges Abweichungssignal umgewandelt. Dieses Signal kann in bekannter Weise dazu verwendet werden, beispielsweise die Stärke des polarisierenden Magnetfeldes des Spektrometers in Beziehung zur HF-Trägerfrequenz zu steuern.

Die vorliegende Vorrichtung ist unempfindlich gegen die absolute Phase, nur die Phasendifferenz zwischen den Phasendetektorsignalen ist relevant. Eine Schwankung der Amplitude kann möglicherweise bewirken, daß die Phasendetektorsignale unter die Komparatorschwelle fallen, so daß die Funktion der Schaltung gestört ist. Das tritt periodisch dann auf, wenn die Frequenzabweichung ein Vielfaches der Impulswiederholfrequenz ist. Unter dieser Bedingung ergibt sich ein Abfall der Amplitude, der groß genug sein kann, um einen Verlust des Signals in den Phasendetektoren 12 und 14 zu verursachen.

Um in solchen Fällen ein Abweichungssignal aufrechtzuerhalten, liefert ein Logikmodul 40, der eine Impulsquelle enthält, eine Anzahl n von Impulsen (beispielsweise 1 bis 10 Impulse) mit einer Rate in der Größenordnung von 100 Hz an den bidirektionalen Zähler 32. Für die Wahl der Phasen gemäß Fig. 1 reicht es aus, daß der Logikmodul 40 seine Ausgangsimpulse als Antwort auf eine entsprechend zeitlich gemittelte Probe vom Ausgangssignal des ersten Komparators 20 sperrt, welche zum Signaleingang 41 geleitet wird. Bei Wiederholung des Kernspinresonanzsignals, oder nach Auftreten von n solcher künstlich gelieferter Impulse werden die künstlich gelieferten Impulse abgeschaltet. Dadurch gelangen zusätzlich Impulse zum bidirektionalen Zähler 32 nur während des Intervalls zwischen dem HF-Impuls und der ersten negativ gerichteten Flanke des Absorptionsmodussignals. Jedesmal, wenn das Kernspinresonanzsignal verlorengeht, werden Impulse zum bidirektionalen Zähler 32 für eine ausgewählte Anzahl von HF- Perioden geliefert, oder bis ein Kernspinresonanzsignal angeregt ist. In diesen Fällen wird die vorher eingestellte Richtung des bidirektionalen Zählers 32 im Zwischenspeicher 34 gehalten.

Um vom Suchmodus mit kleiner Wiederholrate in einen Verrastungsmodus mit hoher Wiederholrate umzuschalten, ist es notwendig, ein Signal zu entwickeln, das die Nähe der Resonanzbedingung anzeigt, d. h., daß die Feld-Frequenz- Beziehung Resonanz durchlaufen hat. Als Antwort auf ein solches Signal für die Resonanznähe werden Logiksignale gebildet, um die Anregungsamplitude herabzusetzen, die für den Suchmodus sehr hoch eingestellt ist. In diesem Zusammenhang wird unter einer hohen Amplitude eine solche verstanden, die groß mit Bezug auf Sättigungseffekte bei der Resonanz ist.

Bei einer Ausführungsform wird eine integrierte Probe des Absorptionsmodussignals in einer Logikschaltung 60 mit einem Schwellenwert verglichen, um ein solches Signal zu erhalten. Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Ausgangssignal des Zwischenspeichers 34 hinsichtlich eines Übergangs überwacht werden, der einen Durchgang durch die Resonanzspitze anzeigt.

Die Logikschaltung 60 bildet ein Signal, das eine automatische Rückkehr in den Suchmodus ermöglicht. Im Verrastungsmodus wird das Absorptionsmodussignal mit einer vorgegebenen Schwelle verglichen, um den Modus mit hoher Impulsfrequenz und geringer Leistung beizubehalten. Wenn das Ausgangssignal des ersten Phasendetektors 12 sich unter der gewählten Schwelle befindet, sorgt die Logikschaltung 60 für eine Rückkehr zum Suchmodus.

Eine Modus-Umschaltsteuerung 70 sorgt für die Umschaltung zwischen dem Such- und Verrastungsmodus. Dazu wird die Impulswiederholrate hoch oder niedrig gewählt, die Amplitude niedrig oder hoch, der bidirektionale Zähler 32 wird vorbereitet oder gesperrt, und ein Verrastungsmodus-Signal bei Einsatz der Resonanz vorbereitet, um jeweils das gewünschte Abweichungssignal für die Feldregulierung zu bilden. Zusätzlich wird eine Verzögerung für den Übergang vom Suchmodus in den Verrastungsmodus vorgesehen, um den Kernspins zu erlauben, sich von der Sättigung zu erholen, die während des Suchmodus eingetreten ist. Typischerweise liegt eine solche Verzögerungsperiode in der Größenordnung von einigen Sekunden. Wenn die Verrastung am Ende dieser Periode nicht hergestellt ist, kehrt das System wieder in den Suchmodus zurück.

Die Logikeinheit 40, die Logikschaltung 60 und die Modus-Umschaltungsteuerung 70 werden aus konventionellen elektronischen Logikkomponenten in herkömmlicher Weise zusammengesetzt und daher nicht näher diskutiert.

Claims (4)

1. Verfahren zum Stabilisieren der Feld-Frequenz- Beziehung in einem Impuls-Kernspinresonanz-Spektrometer mit einer Feld-Frequenz-Verrastungsvorrichtung, bei dem zunächst in einem Suchmodus unter Anregung von Kernspinresonanzsignalen in einer Bezugsprobe mit von einem HF-Sender erzeugten HF- Impulsen mit vorgegebener HF-Trägerfrequenz, deren Wiederholrate niedrig im Vergleich zur Relaxationszeit der Kernspins in der Bezugsprobe und deren Amplitude hoch verglichen mit der eine Sättigung des Signals bei Resonanz hervorrufenden Amplitude ist, und Auswertung des Signals des freien Induktionszerfalls von der Bezugsprobe ein Abweichungssignal gebildet wird, das Größe und Vorzeichen der Abweichung von einer durch die Resonanzbedingung für die Bezugsprobe festgelegten Sollfrequenz für die HF- Trägerfrequenz wiedergibt und mit dem eine automatische Korrektur der Feld-Frequenz-Beziehung initialisiert wird, und bei dem bei ausreichender Annäherung an die Resonanzbedingung vom Suchmodus auf einen Verrastungsmodus übergegangen wird, in dem die HF-Impulse eine niedrige, keine Sättigung des Signals hervorrufende Amplitude und eine, verglichen mit der Relaxationszeit der Kernspins in der Bezugsprobe, hohe Wiederholraten haben, eine feste Feld-Frequenz-Beziehung automatisch aufrechterhalten wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Suchmodus mit einem Phasen-Quadratur-Nachweis des Signals des freien Induktionszerfalls von der Bezugsprobe gearbeitet wird, derart, daß dabei das Signal der Bezugsprobe in einem ersten Signalverarbeitungskanal in einem ersten Phasendetektor (12) mit einem Referenzsignal verglichen wird, das von dem HF-Sender abgeleitet und dabei um 90° phasenverschoben wird, und
daß das Signal der Bezugsprobe in einem zweiten Signalverarbeitungskanal in einem zweiten Phasendetektor (14) mit einem von dem HF-Sender abgeleiteten und dabei in seiner Phase nicht verschobenen Referenzsignal verglichen wird,
daß weiter die Ausgangssignale der Phasendetektoren (12, 14) verstärkt und jeweils durch Vergleich mit einem vorgebbaren Schwellwertpegel in einem ersten bzw. einem zweiten Komparator (20, 22) in Rechtecksignale umgewandelt werden, und
daß schließlich das Abweichungssignal als Ausgangssignal eines bidirektionalen Zählers (32) aus einem ersten und einem zweiten Korrektursignal gewonnen wird, wobei das erste Korrektursignal das Vorzeichen der Abweichung von der Sollfrequenz angibt und aus einem Phasenvergleich der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Komparators ermittelt und einem Zählrichtungseingang des bidirektionalen Zählers (32) zugeführt wird, und das zweite Korrektursignal die Größe der Abweichung von der Sollfrequenz angibt und aus dem im ersten Signalverarbeitungskanal auftretenden Ausgangssignal des ersten Komparators (20) ermittelt und einem Zähleingang des bidirektionalen Zählers (32) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Suchmodus zurückgegangen wird, wenn nicht innerhalb einer vorgeschriebenen Zeit nach Übergang in den Verrastungsmodus ein ausreichend starkes Resonanzsignal des freien Induktionszerfalls von der Bezugsprobe erhalten wird.

3. Impuls-Kernspinresonanz-Spektrometer zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Feld-Frequenz-Verrastungsvorrichtung, die eine Bezugsprobe, eine einen HF-Sender enthaltende HF- Anregungseinrichtung zur Anregung von Kernspinresonanzsignalen der Bezugsprobe, einen Detektor zum Nachweis der Kernspinresonanzsignale sowie eine Einrichtung zur Feststellung der Annäherung an die Resonanzbedingung für die Bezugsprobe und zum Erzeugen eines Abweichungssignals, das Größe und Vorzeichen der Abweichung von einer durch die Resonanzbedingung festgelegten Sollfrequenz wiedergibt, enthält, wobei diese Einrichtung für zwei Betriebsmoden, einen Suchmodus zum Variieren der Feld-Frequenz-Beziehung in Richtung auf die Resonanzbedingung und einen Verrastungsmodus zum Stabilisieren der Feld-Frequenz-Beziehung sowie für eine automatische Umschaltung vom Suchmodus in den Verrastungsmodus bei ausreichender Annäherung an die Resonanzbedingung ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Detektor ein Phasen-Quadratur-Detektor ist, der aus einem in einem ersten Signalverarbeitungskanal vorgesehenen ersten Phasendetektor (12) und aus einem in einem zweiten Signalverarbeitungskanal vorgesehenen zweiten Phasendetektor (14) besteht, wobei die Phasen der Referenzsignale der beiden Phasendetektoren um 90° gegeneinander verschoben sind,
daß sich an den ersten Phasendetektor (12) ein Verstärker (16) und ein erster Komparator (20) und an den zweiten Phasendetektor (14) ein Verstärker (18) und ein zweiter Komparator (22) zur Umwandlung des Signals der Bezugsprobe in Rechteckimpulse anschließen,
daß sich an den ersten Komparator (20) ein Monoflop (30) anschließt, dessen einer Ausgang mit einem Zählrichtungseingang eines bidirektionalen Zählers (32) und dessen anderer Ausgang mit einer Einrichtung (34) zum Phasenvergleich der Ausgangssignale der Komparatoren (20, 22) und zur Kontrolle der Zählrichtung mit einem Zählrichtungseingang des bidirektionalen Zählers (32) verbunden ist, und
daß an den Ausgang des bidirektionalen Zählers (32) ein Digital-Analog-Wandler (36) angeschlossen ist, der ein dem Inhalt des bidirektionalen Zählers (32) entsprechendes Analogsignal als Abweichungssignal liefert.

4. Spektrometer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Logikschaltung (60), die mit dem Ausgang des Verstärkers (16) im ersten Signalverarbeitungskanal verbunden ist und ein Zurückschalten vom Verrastungsmodus auf den Suchmodus ermöglicht, wenn nicht innerhalb einer vorgeschriebenen Zeit nach Übergang in den Verrastungsmodus ein ausreichend starkes Resonanzsignal des freien Induktionszerfalls von der Bezugsprobe vorliegt.