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Spindetektor für die Kernresonanzspektroskopie Die Erfindung betrifft
einen Spindetektor für die Kernresonansspektroskepie unter Verwendung einer HF-Brückenschaltung
mit einem die Probe enthaltenden Sekwingkreis und einem Vergleicheschwingkreis.
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Die Auswahl der Spindetektoren richtet sich hauptsächlich nach der
Art und den interessierenden Eigenschaften der mittels Kernresonanz zu untersuchenden
Probe. Zur Krreichung starker Signalintensitätenist es wichtig, die magnetische
Induktion für das notwendige magnetische Gleichfeld Ho möglichst hoch zu wählen,
(z. B. bis 1,8 Vs/m2 bei 4 cm nutsbaren Polflächenabstand und ausreichener Hemogenität).
Um die Resonans der zu messenden Kerasorte ansuregen, ist es erforderlich, ein kleines
magnetisches Wechselfeld H1 senkrecht sur Richtung des Gleichfeldes auf die Prebe
wirken zu lassen. Die Frequens des Wechselfeldes ergibt sich aus der Larmerbesie@ung
#o = γi Ho (1) γ1 = gyromagnetisches Verhältnis der entsprechenden Kernsorte
Aus der Besiehung 1 resultiert für die in Betracht kemmenden Kernserten unter Berücksichtigung
der erwhnten Bedingung für große Signalintemsitäten ein Frequensbereich des Wechselfeldes
von # 4 bis # 70 MHz.
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@s ist nützlich, die einselnen Keraserten unter der Gesichtsyunkt
ihrer Untersuchung bei möglichst heben Feldstärken des Gleichfeldes in einzelne
Gruppen susammensufassen.
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Für jede Gruppe ergibt sich dann eine bestimmte feste Frequems für
das zugehörige Dec@zelfeld (z.B. fünf Gruppen, Bereich der magestischen Induktion
für jode Gruppe # 0,7# 1,6 Vs/m2, für jede Gruppe eine feste Frequens des H1-Feldes
im Bereich 4 # 62 MHz).
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Als Spindetektewen werden hauptsächlich HF-Brückenschaltungen verwendet,
da sie allen auftretenden Problemen (Vewend@ung der Sättigung des Spinsystems, große
@mpfindlich@eit usw.) am besten gerecht werden.
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Die Fig. @ zeigt das Sebema einer solchen Erückemschaltung.
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@@@ diesen ist ein HF-Generater mit der ausgewälten Meßfrequens @@
und der einetellbaren Amplitude @an den Bruckeneingung geschaltet.
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Nach vellständigen Abgleich, sowchl nach Phase und Amplitude, tritt
swiseben den Funkten 1 - 1' keine HF-Spennung der Freque@@ #o auf. Ein Schaltelement
der Brücke, meistem die Spule eines Schwingkreises, enthäklt die Prebe. Wird die
Besenansbedingung der Gleichung (1) eingestellt, so kemmt die Brücke infolge des
jetst verunderten Proeneinflusses auf das erwühnte Schaltelement aus dem Gleichgewicht
und zwischen den Funkten 1 - 1' tritt nach Meßgabe des veranderten Prebeneinflusses
eine HF-Spannung der Frequens #o auf. Diese Spannung wird verstärkt und registrier
wobei die 1. HF-Verstärkerstufe aus Rupfindliekkeite- und A@@es@ungsgründen gleich
mit auf den Brückenebassis montiert wird. Die Verbindung mit der nachfolgenden Registrie@
einrichtung @@felgt durch ein HF-Kabel.
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Als HF-Drückanschaltung für Kernresen@@@untersuchungen ist res allem
die Deppel-T-Schaltung beh@@@@t, wie sie in der Fig. 1 dargestellt ist.
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Um st@tilche, für die Ker@@esenansspekt@@@@epie sugänglishe Kowrs@@ten
untersuchen zu können, mäßte sich die Brühke bei allen dafür erferderlich@@ @@@@@@@@en
abgleichen l@ssen.
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Der Abgleich der Brücke läßt sich aber emakt sur bei einer Frequems
und sagemähert zur in einem sehr kleinen Bereich um diese Frequens heren ereiehen.
Der Nachteil besteht derin, daß ein Abgleich für die einselnen ausgewählten Frequensen
in Dereich bis zu #60 MHz die catsprechende Veränderung der Ke@iensateren C1; C2;
C3; C4; Co und der Spule L bedingt, Men muß daher in @alle der Doppel-@-Brächen
für jede Arbeitsfrequens jeweils eine kemplette Brücks aufbenem.
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Daneben ist die in der Fig. 3 dargestellte Erückensehaltung bekannt.
Diese Brücke ist völlig symmetrisch aufgebeut.
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Die beiden Schwingkreise werden auf die beiden Br@@-kemzweige und
ergeben bei kerrekter Dimensiemierung der # Leitung swischen den Punkten B - B'
keinen Spansungebert. Erst durch den resemansbedingten Binfluß der Prebe auf dem
einen Schwingkreis gerät die Brücke wieder aus dem Gleichgewicht und swischen den
Punkten B - B' tritt als Maß dafür eine Spannung der Frequens #o auf. Geringe Auplitudemänderungen
für den Abgleich werden durch die Kendensatoren C1 erreicht. Im allgemeinen werden
die HF-Brücken nicht völlig abgeglichen, um je nack Art des verbleibenden Brückenungleichgewichts
einwandfreie Abscrptiens- oder dispersionssignale zu erhalten.
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Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß eine #- Leitung verwendet
wird. Diese ist für den Betrieb der Brücke im Frequensbereich von 4 bis 60 MHz unbequem.
Sie muß neben der Spule L für jede Arbeitefrequens ausgewechselt werden.
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Eine weitere Brückemschaltung arbeitet mit eine, Übertrager (Fig.
4). In dieser Brückenschaltung wird die NF-Spannung des beiden Brückensweigen durch
den Übertrager mit entgegengesetzter Phase entnommen bzw. sugeführt. Diese Anordnung
hat den Nachteil, daß es sehr mühevell ist, für die eimselnen Arbeitsfrequensen
die Symmetrierung und
Anpassung des Übertragers durchsuführen. Außerdem
müssen die Spulen L auch hier gegen passende Spulen ausgewechselt werden.
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Für den autemmtischen Phasenabgleich ist es bekannt, den Brückenschaltungen
Regelsch@@tungen nachzuordnen.
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Zweck der Erfindung ist es, den technischen Aufwand und die Einstellsohwierigkeiten
gegenüber den bekannten Anordnungen zu verringern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spindetektor mit automatischem
Phasen abgleich unter Verwendung einer HF-Brückenschaltung mit einem solchen Übertragerglied
zu schaffen, bei dem sich bis zu hchen Frequensen, die Ar die Schaltung wichtigen
Parameter nur wenig Indern.
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Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß im Eingang der Brückenschaltung
eine, zwei gegenphasige Spannungen erzeugende, Röhren- oder Transistorschaltung
angeordnet ist, und daß in an sich bekannter Weise fü den automatischen Phasenabgleich
einem der Schwingkreiskondensatoren ein von einem Miederfrequens-Oszillator angesteuerter
Kondensator mit spannungsabhängiger Kapazität parallelgeschaltet ist und @@m Brückenausgang
der Teil einer Regelschaltung liegt, der im wesentlichen aus einem HF-Verstärker,
einem AM-Demodulator, einem Schmalbandverstärker und einem phasenempfindlichen Gleichrichter
besteht, wobei der phasenempfindliche Gleichrichter sowohl nit dem Niederfrequenzoszillator
als auch alt der Kondensator spannungsabhängiger Kapazität verbunden ist. zur Erzeugung
der zwei gegenphasigen Spannungen kann im Eingang der Brückenschaltung eine Triode
angeordnet sein.
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Als Kondensator mit spannungsabhängiger Kapasität kann eine Kapasitätsdiode
angeordnet sein.
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Mit dieser Schaltungsanordnung wird erreicht, daß bei jeder Arbeitsfrequens
nur die Spule rit der Probe innerhalb des Magnetfeldes ausgewechseltwerden muß,
während die entsprechenden Vergleichsspulen durch Umschalten in die Brücke eingebracht
werden.
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Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen
näher erläutert werden.
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Es seigen: Fig. 5 eine Brückenschaltung gemäß der Erfindung, Fig.
6 a-c Abgleichskurven, Fig. 7 eine Brückenschaltung gemäß der Erfindung mit Phasenabgleichautomatik.
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Im Eingang der brückenschaltung liegt eine Triode 1, die als Phasenumkehrstufe
arbeitet.
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An dieser Röhre liegen Kondensatoren C 1, die bei allen Arbeitsfrequenzen
einen hohen Widerstand darstellen, damit die zum Resonanzeffekt gehörende Spannung
des Kreises an größten wird, Die Brückenschaltung enthält Spulen L1 und L2. Die
Spule L1 ist die Probenspule. Sie ist für die Arbeitsfrequens so dimensioniert,
daß sie zusammen mit einem Kondensator C3 einen Schwingkreis bei der Frequenz #o
ergibt. Die Spule L1 ist entsprechend der gewählten Frequens auswechselbar. Der
Vergleichskreis besteht aus einem Kondensator C4 und entsprechend der gewählten
Frequens aus einer der Spulen L2.
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Der aufbau der beiden Kreise ist annähernd gleich und sie sollen auch
annähernd die gleiche Güte haben.
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Widerstände R1, R2 werden für den besten Arbeitspunkt der Höhrenstufe
dimensioniert.
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Einer der widerstände - im vorliegenden Fall R2 - ist variabel. .b
Veränderung dieses Widersteides wtrd bereits ein Amplitudenabgleich erreicht. Geringe
Phasenuntemechiede
können mit dem Kendensator C3 oder mit dem Kendemsater
C4, falls dieser nicht fest ist, ausgeglieben werden.
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Zur Anpeseung der Brücke an den nachfelgenden HF-Verstärher sind Kendensateren
C2 angeerdnet.
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Bie gesente Brückenschaltung mit dem nachfelgenden HF-Verstärker arbeitet
für jede ausgewühlte Frequens innerhalb eines bestimmten Bereiehes, z. B. zwischen
4 bis @@ MHz. Beim Übergang auf eine andere Frequens braucht nur die Spule L1 immerhalb
des Magnetspaltes ausgewechsel@ zu werden und die entsprechende Spule L2 des vErgleichskreises
durch einen Schalter parallel zum Kondensator C4 geschaltet werden.
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In der Fig. 7 wird geseigt, wie die Brückenschaltung in einer automatischen
Phasenabgleichsautomatik arbeitet.
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Bekammtlich ist fü den Wert eines Spindetekters die Einstellung der
Eindeutigkeit des Abgleichs (Phasenabgleich oder amplitudenabgleich) zum Nachweis
reiner Kernresonans-Absorptions- oder Diepersionssignale sehr wiehtig. Zum Nachweis
reiner Kernresenans-Absorptionssignale benutzt die hergestellte Phasenabgleichsautomatik
den Umstand, daß ab einem bestimmten Grad des Abgleichs durch geringfügige Veränderung
der Kondensatoren C3 oder C4 im wesentlichen nur noch der Phasenabgleich vorgenommen
wird. Vor dem erwähnten Abgleichgrad beeinflussen diese Kondensatoren sowohl den
Phasen- als auch den Amplitudenabgleich.
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Die Fig. 6 a-c zeigt die verschiedenen Abgleichfälle.
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In der Fig. 6 a liegt für die Arbeitsfrequens fo exakter Phasen- und
Amplitudenabgleich vor. In der Fig. 6 b ist swar ein exakter Phasenabgleich vorhanden,
aberkein vollständiger Amplitudenabgleich und in der Fig. 6 o sind beid@ umvollständig.
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Für die Aufnahme der Abgleichkurven wird die Brückeneingas spannung
konstant gehalten.
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In den Fällen der Fig. 6 b und o soll der Abgleich für die Frequens
fo bereits den erwähnten Grad haben
(im allgemeimen: u@@@@@@@@@@@@@@@
(V) 1 ) # . u@@@@@@@@@@@@@@ (V) 1000 e Ändert man im Fall der Fig. 6 b z. B. den
Kendensator C3 periodisch um einen hinreiebend kleinen Betrag + #C, se wird dew
Abgleich im Funkt E der Abgleichkurve gleichfalls periedisch geändert.
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Um die Kapasität des Kondensaters C3 periodisch zu ändern, schaltet
man diesem die Sperrechiektkapazität einer Kapasitätediode D parallel. Legt man
an diese Sperrechiektkapazität eine Wechselspannung passender Amplitude und Frequens
(# 2 bis 10 kHz), se ändert sich die Sperrschicht. kapasität mit dermiben Frequens
und damit auch in gewünschtem Maße die Kapasit1 t des Kondensators C3. Die Amplitude
der an die Diede gelegten Wechselspannung bestimmt auch die Größe der Änderung der
Sperrschichtkapasität und damit auch des Kondensators C3.
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Infolge der Lage des Arbeitspunktes E auf der Abgleichkurve wird die
Brückenausgangsspannung #(Brückenausgang) bei passend kleiner Änderung ## C um den
für den Punkt E charakteristischen Wert des Kondensators C3 nur eine minimal kleine
Amplitudenmodulation (der Frequenz # 2 bis 10 kHz) aufweisen. Wird der Kondensator
C3 aber dahingehend verändert, daß der Punkt F auf der Abgleichkurve erreicht wird,
dann wird die Brückenausgangsspannung eine wesentlich stärkere Amplitudenmodulation
zeigen bei gleichem Änderungsbetrag des Kondensators C3 um den Betrag ## C.
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Diese amplitudenmodulierte Brückenausgangsspannung wird durch einen
HF-Verstärker fü die Frequenz fo verstärkt.
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Nach AM-Demodulation wird die Modulationsfrequenz schmalbandig verstärkt
und nach Passieren eines PHasenschiebernetzwerker in einem phasenempfindlichen Gleichrichter
mit der fü die Aussteuerung der Kapazitätsdiode D erforderlichen
Wechselspannung
der gleichen Frequenz verglichen. Phasenmäßig ist die nach der AM-Demodulation erhaltene
Modulationsfrequenz je nach Lage des Arbeitspunktes auf der Abgleichkurve (F oder
G) um 180° gegeneinander verschoben.
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Nach vergleich im phasenempfindlichen Gleichrichter erhält man danach
entweder eine + oder - Gleichspannung (im Fall des Arbeitspunktes E die Gleichspannung
Null Velt), die unter Berücksichtigung der Gegensinnigkeit obenfalls der Sperrschichtkapazität
der Kapazitätsdiode zugeführt wird und die Kapasität des Kondensators C3 dermaßen
verändert, daß der Punkt E auf der Abstimmkurve erreicht wird.