146019
ATENTOVY SPIS
ČESKOSLOVENSKA SOCIALISTICKÁ R E P U B L I K A
Právo k využití vynálezu přísluší státu podle § 3 odst. 6 zák. č. 34/1957 Sb.
^yy
^
PT
42 I 3/09 42 h 20/02
MPT
G Qi „ 27/78 G 01 j 3/38
DT
539.143.43.078
-
Přihlášeno 28. VÍL 1970 [PV 5290-70) u
Vyloženo 31. XII. 1971 OftAD PRO PATENTY A VYNÁLEZY
Vydáno 15. XI. 1972
Ing. VLADIMÍR ZEMAN, BRNO
Zapojení s p e k t r o m e t r u n u k l e á r n í m a g n e t i c k é r e s o n a n c e
1 Vynález popisuje zapojení spektrometru nukleárni magnetické rezonance [dále NMR), používající metody rozmítání kmitočtu vysílače. Nukleární m a g n e t i c k á r e z o n a n c e je významnou oblastí vysokofrekvenční spektroskopie, k t e r á zkoumá m o l e k u l á r n í s t r u k t u r u zejména organických látek. Její podstatou je i n t e r a k c e elektromagnetického, vlnění s jádry atomu v silném m a g n e t i c k é m poli. Spektrometr NMR umožňuje sledovat nukleární rezonanci zkoumané látky obvykle ve f o r m ě zápisu s p e k t r a . Spektrum n u k l e á r n í m a g n e t i c k é rezonance lze s n í m a t dvojí metodou, rozmítáním kmitočtu n e b o rozmítáním m a g n e t i c k é h o pole. Vzhledem k aplikacím techniky dvojí rezonance je výhodné používat metody rozmítání kmitočtu. Protože s p e k t r o m e t r p r a c u j e se synchronní detekcí, musí být v dané šířce rozmítání zachován věrný amplitudový a fázový p ř e n o s celé signální trasy až po detektcí/. U dosavadních spektrometrů, k t e r é jsou převážně stavěny pro r e z o n a n c i vodíku, se prohlém rozmítání kmitočtu řeší pomocí modulace magnetického, pole n í z k o f r e k v e n č n í m g e n e r á t o r e m , jehož kmitočet je lineární f u n k c í řídicího napětí. Požadavek věrného a m p l i t u d o v é h o a fázového přenosu se tím 14 G 0 1 9
5
io
m
to
30
přesouvá p ř e v á ž n ě do n í z k o f r e k v e n č n í části signální trasy. Protože šířka vodíkových spekter je ve většině p ř í p a d ů maximálně 1 k Hz, je t e n t o požadavek technicky p o m ě r n ě s n a d n o řešitelný. Problém vyvstal v poslední době, kdy se zájem c h e m i k ů přesouvá i n a jiná jádra, zejména n a f l u o r 1QF. Šířka fluorových spekter může dosahovat hodnoty 30 — 40 kHz. V tomto rozsahu je řešili pomocí modulace po.le p r o m ě n n ý m kmitočtem vzhledem k e ztrátám ve vodivém tělese sondy prakticky nemožné. Bylo nutno, sáhnout k rozmítání kmitočtu vysílače, Dosavadní známá zapojení s p e k t r o m e t r ů NMR sestávají z vysokofrekvenční části tvo<řící signální t r a s u , kterou p ř e d s t a v u j e vysílač signálu s rozmítaným kmitočtem, sonda u m í s t ě n á ve vzduchové mezeře magnetu, do níž se vkládá m ě ř e n ý vzorek a přijímač n u k l e á r n í h o signálu, jehož výstup je připojen n a n í z k o f r e k v e n č n í č á s t spektrometru. Přijímač je tvořen vstupním vysokef r e k v e n č n í m zesilovačem, směšovačem, lokálním oscilátorem, m e z i f r e k v e n č n í m zesilovačem a s y n c h r o n n í m detektorem. Referenční signál d r u h é trasy pro. řízení sync h r o n n í h o d e t e k t o r u zajišťuje lokální oscilátor, r e f e r e n č n í směšovač a r e f e r e n č n í mezifrekvenční zesilovač, k t e r é jsou rovněž
I 4 B O 1 9 4
3
součástí přijímače. Rosmítaný signál f v ± Á f z vysílače je veden do sondy. Signál nukleární rezonance je zesílen v citlivém vstupním zesilovači a veden dále p ř e s směšovač na mezifrekvenční zesilovač a s y n c h r o n n í detektor. Lokální oscilátor, jehož signál je veden do směšovače, p r a c u j e na kmitočtu rozdílném od f v o mezifrekvenci f m . Aby se získal r e f e r e n č n í , tj. řídicí signál pro synchronní detektor, je signál z vysílače a z lokálního oscilátoru veden do r e f e r e n č n í h o směšovače. Výsledný signál f m je zesílen v r e f e r e n č n í m m e z i í r e k v e n č n í m zesilovači a je zaveden přes fázový měnič do synchronního detektoru. Fázový měnič umožní přesné nastavení absorbce zapisovaného' spektra. Popisované řešení vyžaduje, aby obě trasy tj. t r a s a signální a t r a s a r e f e r e n č n í h o napětí, byly fázově shodné v celém r o z s a h u rozmítání p r a c o v n í h o kmitočtu. Amplitudový přenos signální trasy musí být v rozsahu přen á š e n é h o f r e k v e n č n í h o p á s m a nezkreslený. To přináší zvýšené n á r o k y z e j m é n a na mezifrekvenční zesilovač, který musí p ř e n é s t bez zakreslení p o ž a d o v a n é kmitočtové pásmo. Při použití detekce jedn o h o postranního pásma pro zvýšení odstupu signálu od šumu, musí n a o p a k mezifrekvenční zesilovač svou selektivitou potlačit střední p á s m o a nežádoucí postranní pásmo. Synchronní detektor a fázový měnič p r a c u j í rovněž s p r o m ě n n ý m kmitočtem, což je nevýhodné zejména z h l e d i s k a stability nuly detektoru a z hlediska k o n s t a n t n í fáze r e f e r e n č n í h o napětí v celém f r e k v e n č ním rozsahu. Zapojení s p e k t r o m e t r u NMR podle vynálezu o d s t r a ň u j e tyto dosavadní nevýhody tím. že úzkopásmový mezifrekvenční zesilovač a vysolíofrelcevnční s y n c h r o n n í detektor p r a c u j í s k o n s t a n t n í m kmitočtem, čímž je u m o ž n ě n o dosažení širšího frekvenčního' rozs a h u při zvýšení citlivosti detekcí j e d n o h o postranního pásma. Podstatou vynálezu je zapojení spektrometru nukleární m a g n e t i c k é r e z o n a n c e sestávající z vysílače signálů, přijímače nukleárního signálu, sondy, která je u s p o ř á d á n a mezi pólovými nástavci m a g n e t u a nízk o f r e k v e n č n í části se zapisovačem s p e k t r a , kde vysílač signálů je o p a t ř e n čtyřmi výstupy vyvedenými n a svorky, z nichž svorka vysokofrekvenčního r o z m í t a n é h o s i g n á l u je spojena se sondou, k t e r á je dále z a p o j e n a n a p ř i j í m a č ke vstupnímu zesilovači, spojenému se srněšovačem, m e z i f r e k v e n č n í m zesilovačem a synchronním detektorem, a svorka pomocného' signálu je z a p o j e n a p r e s zesilovač směšovače se směšovačem a svorka vysokofrekvenčního, referenčního, signálu je zapojena p ř e s měnič fáze na s y n c h r o n n í detektor přijímače, jehož výstup je p ř i p o j e n na n í z k o f r e k v e n č n í zesilovač, přičemž svorka m o d u l a č n í h o signálu ie s p o j e n a j e d n a k s m o d u l á t o r e m m a g n e t i c k é h o pole a j e d n a k přes n í z k o f r e k v e n č n í m ě n i č f á z e s nízko-
f r e k v e n č n í m detektorem spojeným jednak s nízkofrekvenčním zesilovačem a j e d n a k se zapisovačem. Vysílač signálů je možno vytvořit n a p ř í 5 klad vysokofrekvenčním g e n e r á t o r e m zapojeným jednak s děličem napětí, jehož výstup je spojen se svorkou vysokofrekvenčníh o rozmítaného signálu a jednak s pomocným srněšovačem, jehož výstup je s p o j e n se in svorkou pomocného signálu, a vazebně propojeným s pomocným oscilátorem, jehož výstup je spojen se svorkou vysokofrekvenčního. r e f e r e n č n í h o signálu a dále je t v o ř e n nízkofrekvenčním generátorem, jehož vý35 stup je spojen se svorkou modulačního signálu. Výhodnější zapojení vysílače signálů j e tvořeno syntezátorem zapojeným prvním výstupem jednak přes dělič napětí se svorkou 2U vysokofrekvenčního rozmítaného. signálu a jednak s pomocným srněšovačem, jehož výstup je spojen se svorkou pomocného signálu, přičemž druhý výstup syntezátoru je připojen k pomocnému směšovači a n a svor2S ku vysokofrekvenčního r e f e r e n č n í h o signálu a třetí výstup syntezátoru je s p o j e n se svorkou modulačního signálu. Příkladná provedení předmětu vynálezu jsou na připojeném výkresu, kde na obr. 1 30 je celkové blokové schéma zapojení spektro.m e t r u n u k l e á r n í magnetické rezonance. Na obr. 2 je příklad zapojení vysílače signálů s vysokofrekvenčním g e n e r á t o r e m a na obr. 3 zapojení vysílače se syntezátorem p r o t ř i 35 kmitočty.
40
Blokové schéma na o.br. 1 z n á z o r ň u j e zapojení podle vynálezu, kde s p e k t r o m e t r NMR sestává z vysílače signálů A, přijímače B, n í z k o f r e k v e n č n í části C a sondy S me>zi pólovými nástavci magnetu M. Tyto části jsou p r o názornost odděleny čárkovaně.
Vysílač signálů A je opatřen čtyřmi výstupními svorkami 1, 2, 3, 4, z nichž svorka 1 je u r č e n a p r o spoj vysokofrekvenč45 n í h o r o z m í t a n é h o signálu, svorka 2 pro pomocný signál, svorka 3 pro vysokofrekvenční r e f e r e n č n í signál, svorka 4 pro m o d u l a č n í signál. Přijímač B tvoří vstupní zesilovač 5, zapojený na směšovač 6, mezifrekvenční ze50 silovač 7 a synchronní detektor 8, dále zesilovač 9 připojený ke svorce 2 a n a směšovač 0, dále měnič fáze 10, připojený ke svorce 3, a n a s y n c h r o n n í detektor 8. Nízkomagne55 f r e k v e n č n í část C tvoří modulátor tického pole 11, n a p o j e n ý na svorku 4 a p ř e s n í z k o f r e k v e n č n í měnič fáze 14 na nízkofrekvenční s y n c h r o n n í detektor 12 opatřený zapisovačem 15 a spojený s n í z k o f r e k v e n č n í m so zesilovačem 13 zapojeným na synchronní detektor 8. Na 0'br. 2 je uveden příklad zapojení vysílače signálů A, k t e r ý sestává j e d n a k z vys o k o f r e k v e n č n í h o g e n e r á t o r u 20 s p o j e n é h o es s děličem napětí 22 se svorkou l a s pomocným srněšovačem 23 se svorkou 2 a dále pomocným oscilátorem 24 se svorkou 3 a jed-
3 4 6
0 1 9
5
6
n a k z nízkofrekvenčního g e n e r á t o r u 25 se f r e k v e n č n í m zesilovači 13 a detekován v svorkou 4. nízkofrekvenčním s y n c h r o n n í m d e t e k t o r u 12. Jiný příklad zapojení vysílače signálů A Jako r e f e r e n č n í napětí p r o řízení detektoje n a z n a č e n n a ohr. 3, kde syntezátor 21 nar u 12 je využit modulační signál, vedený ze h r a z u j e vysokofrekvenční g e n e r á t o r 20 a s svorky 4 p ř e s n í z k o f r e k v e n č n í měnič f á z e f u n k c i pomocného oscilátoru 24 i nízkofrek14 na detektor 12. Detekovaný signál je vevenčního! g e n e r á t o r u 25. den n a vstup zapisovače 15. Zapojení podle vynálezu je výhodné zeZapojení podle obr. 1 p r a c u j e v provo-zu j m é n a p ř i použití syntezátoru 21, k d e kmipři použití vysílače signálů A podle obr. 2 takto: Kmitočet f v g e n e r á t o r u 20 je p ř i sní- K, točet f v , pomocný kmitočet í m a modulační kmitočet f morl jsou odvozeny pomocí syntém á n í s p e k t r a rozmítán n a p ř . synchronně s zy z jediného kmitočtového n o r m á l u . posuvem p a p í r u v zapisovači 1,1 Roizmítaný signál fv- -hAf je veden do děliče napětí Na obr. 3 je zapojení vysílače signálů A s 22, k d e je vhodně u p r a v e n a j e h o úroveň a použitím syntezátoru 21 pro pracovní kmito*dále do sondy S pro vytvoření vysokofrek- i5 čet s p e k t r o m e t r u f v = 80 MHz, m e z i f r e k v e n c i venčního pole, p o t ř e b n é h o k ozáření vzorfm = 10,75 MHz a modulační kmitočet f ínot i = ku. Z n í z k o f r e k v e n č n í h o g e n e r á t o r u 25 je — 50 kHz. Všechny tři kmitočty jsou odvozeveden modulační signál f m o d do> modulátoru ny ze syntezátoru 21. m a g n e t i c k é h o pode 11, Při splnění podmínky Rozmítaný signál pro ozáření vzorku je n u k l e á r n í m a g n e t i c k é r e z o n a n c e vznikne ve 20 veden z výstupu syntezátoru 21 p ř e s dělič speciální cívce sondy S slabý signál oi kminapětí 22 do sondy S. Při splnění r e z o n a n č točtu f v - r A f ± n f m a c i , kde n je celé, kladné ní podmínky vznikne v cívce sondy S signál číslo. Signál je zesílen ve vstupním zesiloo kmitočtu f v + Aí ± nfmoci- Signál je opět vači 5 a veden do směšovače 6. Pomocný zesílen ve vstupním zesilovači 5 a veden do> signál p r o směšovač 6 j e získán jako p r o d u k t 25 směšovače 6. Pomocný signál p r o směšovač směšování signálu z g e n e r á t o r u 20 f v + A f a B je získán směšováním signálu i v -f Af a z p o m o c n é h o oscilátoru 24, k t e r ý p r a c u j e n a f,n ze syntezátoru 21 v pomocném směšovakmitočtu r o v n é m m e z i f r e k v e n c i f m . Za tím či 23. Zesilovač 9 směšovače 0 je n a l a d ě n ý účelem je veden signál z g e n e r á t o r u 20 a n a rozdílovou složku, tedy n a kmitočet f = ' p o m o c n é h o oscilátoru 24 do: pomocného so =80—10,75 = 69,75 MHz. Při rozmítání p r a směšovače 23, n a jehož výstupu se objeví covního kmitočtu fv je směšovač 6 řízen sigsoučet a rozdíl obou signálů ( f v - f A f ] ± f m . nálem, jehož kmitočet je 69,75 MHz 4- Af. Za pomocným směšovačem 23 je z a ř a z e n zeZe směšovače B je k dalšímu zpracování silovač 9 směšovače 6 n a l a d ě n ý n a rozdílov mezifrekvenčním zesilovači 7 vybrán rozvou nebo součtovou kmitočtovou složku. Ta- 35 dílový kmitočet 10,75 MHz ± nf mo( i. Pro zvýto složka je vedena do směšovače 6 j a k o říšení odstupu signálu od šumu je použita medicí signál. Dále je uvažován případ, kdy je toda detekce jednoho p o s t r a n n í h o p á s m a . Z k řízení směšovače 0 využita rozdílová složhlediska intenzity signálu je výhodné použít ka f v -:-Af—f m . Kmitočet signálů n a výstupu první p o s t r a n n í pásmo. Mezifrekvenční zesměšovače 6, u r č e n é h o k dalšímu zpracová- 4o silovač 7 je úzkopásmový s krystalovým filní, bude t r e m s jmenovitým kmitočtem 10,7 MHz. Vybere tedy ze signálu směšovače 6 pouze první clolní postranní pásmo', k t e r é má kmitočet f='(fv-:-Af ± n f m o d ) — (f v +Af—f ! T ,) = p r á v ě 10,7 MHz. Signál je po> zesílení v mezif m — Tlfinurf45 f r e k v e n č n í m zesilovači 7 z p r a c o v á n v sync h r o n n í m detektoru 8, k t e r ý je řízen vyso>Mezifrekvenční zesilovač 7 a s y n c h r o n n í k o f r e k v e n č n í m r e f e r e n č n í m kmitočtem 10,75 detektor 8 přijímače B p r a c u j í s konstantMHz p ř e s m ě n i č fáze 10 ze syntezátoru 21. ním kmitočtem a n e u p l a t n í se vliv kmitočtoNa výstupu detektoru 8 je pak k dispozici sigvé závislosti jejich obvodů. Mezifrekvenční zesilovač 7 pak může být ř e š e n ý jako úzkoi- 50 n á l s kmitočtem 50 kHz, k t e r ý je dále zpracován v n í z k o f r e k v e n č n í m zesilovači 13 a v pásmový, n a p ř í k l a d s použitím krystalovénízkofrekvenčním s y n c h r o n n í m detektoru h o filtru a n a l a d ě n na ž á d a n é modulační po12. Nízkofrekvenční s y n c h r o n n í detektor 12 s t r a n n í pásmo n u k l e á r n í h o signálu, napříje řízen modulačním signálem 50 kHz odvoklad jfm—fmoci. Vysokofrekvenční r e f e r e n č n í slgnř.i pro synchronní detektor 8 je odebí- 55 zeným z modulačního: signálu ze syntezátoru 21 přes n í z k o f r e k v e n č n í měnič fáze 14. Sigr á n z pomocnéhoi oscilátoru 24 p ř e s měnič n á l je po detekci veden do zapisovače 15. fáze 10. Na výstupu d e t e k t o r u S je signál o kmitočtu fmo,«, který je zesílen v nízkO'PŘEDMĚT PATENTU 1. Zapojení s p e k t r o m e t r u n u k l e á r n í magnetické rezonance, sestávající z vysílače signálů, přijímače n u k l e á r n í h o signálu, sondy, k t e r á je u s p o ř á d á n a mezi pólovými nástavci m a g n e t u a n í z k o f r e k v e n č n í částí se zapisovačem spektra, vyznačené tím, že vy-
sílač signálů (A) je opatřen čtyřmi výstupy so vyvedenými n a svorky (1, 2, 3, 4], z nichž svorka (1] vysokofrekvenčního rozmítaného signálu je spojena se sondou (S), k t e r á je z a p o j e n a na přijímač (B) se vstupním zesilovačem (5), spojeným p ř e s směšovač
1 4 6 0
19
8
7
jednak s pomocným směšovačem (23), jehož (6) a mezifrekvenční zesilovač (7) na synvýstup je spojen se svorkou (2] pomocného chronní detektor (8), a svorka (2) pomocsignálu a vazebně propojeným s pomocným n é h o signálu je zapojena pres zesilovač směoscilátorem (24), jehož výstup je spojen se šovače [9] se směšovačem (6) a svorka (3) vysokofrekvenčního r e f e r e n č n í h o signálu je 5 svorkou (3) vysokofrekvenčního referenčního signálu a dále je tvořen nízkofrekvenčzapojena přes měnič fáze [10] na synchronním generátorem (25), jehož výstup je sponí detektor (8) přijímače (B), jehož výstup jen se svorkou (4) modulačního signálu. je připojen n a nízkofrekvenční zesilovač 3. Zapojení spektrometru podle bodu 1 vy[13], přičemž svorka (4) modulačního signálu je spojena jednak s modulátorem mag- io značené tím, že vysílač signálů (A) je tvoř e n syntezátorem (21) zapojeným prvním netického pole (11) a jednak přes nízkovýstupem jednak přes dělič napětí (22) se frekvenční měnič fáze (14) s nízkofrekvenčsvorkou (1) vysokofrekvenčního rozmítanéním synchronním detektorem (12) opatřeho signálu a jednak s pomocným směšovaným zapisovačem (15) a spojeným s nízko15 čem (23), jehož výstup je spojen se svorkou frekvenčním zesilovačem (13). (2) pomocného signálu, přičemž druhý vý2. Zapojení spektrometru podle bodu 1 stup syntezátoru (21) je připojen k pomocvyznačené tím, že vysílač signálů (A) je tvonému směšovači (23) a na svorku (3) vysoiřen vysokofrekvenčním generátorem (20) koírekvenčního referenčního signálu a třetí zapojeným jednak s děličem napětí (22], so výstup syntezátoru (21) je spojen se svorjehož výstup je spojen se svorkou (1) vykou (4] modulačního signálu. sokofrekvenčního r o z m í t a n é h o signálu, a 1 list výkresů
SevGrugrafia, n. p., provozovna 32, Most
1 4 6 0 1 9
Obr. T
Obr. 2
Obr. 3
