DE3614155A1

DE3614155A1 - Funktionsgenerator fuer nmr-geraete

Info

Publication number: DE3614155A1
Application number: DE19863614155
Authority: DE
Inventors: William Spencer Ealing London Percival; Reginald Alfred Southall Middlesex Willard
Original assignee: National Research Development Corp UK; National Research Development Corp of India
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1985-05-03
Filing date: 1986-04-26
Publication date: 1986-11-06
Anticipated expiration: 2006-04-27
Also published as: DE3614155C2; FR2587564A1; US4706030A; FR2587564B1; US4701711A; DE3614154A1; FR2581490A1; FR2581490B1

Description

'⁵" 36H155

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION, London, England Funktionsgenerator für NMR-Geräte

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Punktionsgenerator für eine Resonanzschaltung mit einem hohen Q-Wert und insbesondere einen Funktionsgenerator für NMR-Geräte. Nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erzeugt dieser Funktionsgenerator eine Schwingung, die bei Anlegen an eine Resonanzschaltung Schwingungen in dieser Schaltung erzeugt, die eine dreieckige Einhüllende mit einem linearen Anstieg und einem linearen Abfall aufweisen. Der erfindungsgemäße Generator ist insbesondere, jedoch nicht exklusiv, für die Benutzung in NMR (nuclear magnetic resonance)-Geräten gedacht.

Wie in der britischen Patentanmeldung 2141236A beschrieben ist, verwendet ein vorteilhaftes Verfahren einer kernmagnetischen Bohrlochmessung eine Zylinderspule, die zwischen zwei Permanentmagneten angeordnet ist und gepulst betrieben wird, um ein Hochfrequenzmagnetfeld im Bereich der Spule zu erzeugen. Eine Anwendung der vorliegenden Erfindung besteht darin, Schwingungen in einer Resonanzschaltung zu erzeugen, von der die Zylinderspule einen Teil bildet. Bei dieser Anwendung kann das benötigte Steuersignal eine Größe von ungefähr 250 V aufweisen, es ist jedoch erforderlich, daß ungefähr 500/us nach jeder Zuführung dieses Steuersignals die Zylinderspule dazu verwendet wird, ein Signal von den Protonen des Wassers aufzunehmen, welches sich in einem ein Bohrloch umgebenden Material befindet, wobei dieses Signal geringer als ein Mikrovolt sein kann. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Steuerspannung in einem Zeitintervall von ungefähr

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500/us um mehr als 10 zu dämpfen. Bisse Dämpfung wird

hauptsächlich mittels eines schaltbaren Dämpfungsgliedes erzeugt, das in der gleichzeitig anhängigen britischen Patentanmeldung Nr. 8511354 mit dem Titel "Resonant Circuit with Switched Attenuator" der Anmelderin der vorliegenden Anmelgung (mit denselben Erfindern und demselben Anmeldetag wie die hierzu entsprechende britische Patentanmeldung Nr. 8511382) beschrieben ist. Jedoch ist die in diesem Dämpfungsglied erforderliche Dämpfung durch die vorliegende Erfindung herabgesetzt.

Ähnliche Geräte wie das der eingangs erwähnten Patentanmeldung können ebenso in anderen Arten von Hohlräumen oder Öffnungen verwendet werden, beispielsweise könnte eine Miniaturausführung für NMR im menschlichen Körper oder im Tierkörper verwendet werden.

λ_ Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,

einen neuen Funktionsgenerator zu schaffen, der die obigen Erfordernisse erfüllt. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Schwingungen anzugeben, die den obigen Erfordernissen genügen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 bzw. 7 gelöst.

Danach ist der erfindungsgemäße Funktionsgenerator einmal in einem NMR-Gerät vorgesehen, welches erste und zweite Einrichtungen zur Erzeugung entgegengesetzter Magnetfelder in einem Raum aufweist, welcher eine erste zylinderförmige Wicklung aufweist, deren Achse mit diesen Feldern ausgerichtet ist und die einen Kern aus magnetischem Material enthält, ferner einen Blindwiderstand, der über diese erste Wicklung zur Ausbildung einer Resonanzschaltung mit hohem Q-Wert gelegt ist,

eine Einrichtung zur Erzeugung von Impulsen, die aus Schwingungspaketen oder Bursts gebildet sind, und zum Zuführen dieser Impulse zu der ersten Wicklung, wobei jeder Impuls eine rechteckige Einhüllende und zwei aneinanderstoßende Bereiche mit einer Phasenänderung von 180° am Verbindungspunkt dieser beiden Bereiche aufweist. Ferner weist das NMR-Gerät mit erfindungsgemäßeR Funktionsgenerator Vorrichtungen zur Einstellung der Amplitude eines der Bereiche von jedem Impuls neben Vorrichtungen auf, die die Dauer dieses Bereiches oder des anderen Bereiches von jedem Impuls einstellen, und Vorrichtungen zum Ableiten von Signalen, die repräsentativ für in der ersten Wicklung zwischen diesen Bursts erzeugte Signale sind.

Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der erfindungsgemäße Funktionsgenerator für eine Resonanzschaltung mit einem hohen Q-Wert verwendet, um in dieser Resonanzschaltung Schwingungen zu erzeugen, welche eine Einhüllende aufweisen, die bezüglich ihrer Größe linear bis auf ein Maximum ansteigt und daraufhin unmittelbar linear auf Null abfällt. Hierbei sind eine Einrichtung zur Erzeugung von Impulsen vorgesehen, die aus Schwingungspaketen oder Bursts bestehen, wobei jeder Impuls eine rechteckige Einhüllende und zwei aneinanderstoßende Bereiche mit einer Phasenänderung von 180 am Verbindungspunkt der beiden Bereiche aufweist, und Vorrichtungen zur Einstellung der Amplitude eines der Bereiche jedes Impulses neben weiteren Vorrichtungen zur Einstellung der Dauer dieses Bereiches oder des anderen Bereiches jedes Impulses.

Die Bursts sind vorzugsweise Bursts aus sinusförmigen Schwingungen.

Der erste Bereich jedes Impulses erzeugt, wenn er der Resonanzschaltung mit hohem Q-Wert zugeführt wird, Schwingungen in der Spule, die eine Einhüllende aufweisen, welche im wesentlichen linear ansteigt. Wenn der zweite Bereich mit seiner umgekehrten Phase folgt, so klingen diese Schwingungen mit einer im wesentlichen linear abfallenden Einhüllenden ab.

Bei Benutzung von Impulsen mit dieser Einhüllenden in der Zylinderspule des NMR-Bohrlochmeßgeräts ergibt sich ein Steuersignal, welches am Ende eines Impulses relativ nahe bei Null liegt, so daß folglich die Abschwächung des Steuersignals erleichtert ist, bevor die NMR-Signale aufgenommen werden.

Ein wichtiges vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß das lineare Abklingen oder der lineare Abfall der Einhüllendenfunktion so einstellbar ist, daß sie im wesentlichen linear auf Null fortgeführt wird. Diese Einstellung wird erreicht, indem die Funktion untersucht wird, und die Vorrichtungen zur Einstellung der Amplitude und Dauer dazu benutzt werden, das lineare Abklingen auf Null sicherzustellen. Dieses Verfahren wird einfacher, wenn die Amplitude und Dauer des zweiten Bereiches jedes Impulses einstellbar sind. Bei Benutzung einer Form der Erfindung ist es möglich, die Amplitude am Ende jedes Impulses in der Resonanzschaltung auf weniger als 1% der Maximalamplitude zu reduzieren, und in einem angegebenen Ausführungsbeispiel wird die Spannung auf weniger als 1 V reduziert.

-O-

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

P I G . 1 ein Blockschaltbild eines NMR-Geräts, welches den erfindungsgemäßen Punktionsgenerator verwendet.

F I G . 2 Impulse, die von einem erfindungsgemäßen Funktionsgenerator erzeugt werden, 10

F I G . 3 Impulse einer Resonanzschaltung mit hohem Q-Wert, welche aus den in FIG. 2 gezeigten Impulsen resultieren,

F I G . 4 eine detailliertere Abbildung von einem dieser in FIG. 2 gezeigten Impulse,

F I G . 5 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Funktionsgenerators,
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F I G . 6 ein Schaltungsdiagramm des in FIG. gezeigten schaltbaren Dämpfungsgliedes und

F I G . 7 den Funktionsverlauf oder die Kurvenform eines Umschaltimpulses, der in der Schaltung aus FIG. 6 verwendet wird.

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Zunächst wird ein NMR-Gerät, welches die vorliegende Erfindung verwendet, beschrieben. In der FIG. 1 sind ein Kondensator 11, eine Wicklung 12 in Form einer Zylinderspule, zwei Permanentmagnete 13 und 14 und ein Kern 15 (für die Wicklung 12) aus einem Material hoher ferrimagnetischer Permeabilität so angeordnet, daß sie in der zuvor im Zusammenhang mit der britischen Patentanmeldung Nr. 2141236A beschriebenen Funktionsweise arbeiten. Jedoch kann dieses Gerät, welches gegebenenfalls bezüglich seiner Größe modifiziert wird, auch für andere NMR-Anwendungen verwendet werden. Die Magnete, die Wicklung 12 und ihr Kern sowie die meisten oder sämtliche der in FIG. 1 gezeigten elektronischen Bauteile werden in einem (nicht dargestellten) zylindrisehen Gehäuse untergebracht, welches im Betrieb beispielsweise in eine Bohrung oder ein Bohrloch abgesenkt wird oder in einen Körperhohlraum eingeführt wird.

Ein Schrittaktgenerator 16 liefert eine Folge von Impulsen über eine Vielfachleitung oder einen Bus 17, um einen Funktionsgenerator 18 zu veranlassen, eine Serie von Impulsen der in FIG₆ 2 gezeigten Form als Eingangssignale für einen symmetrischen oder Gegentakt-Steuerverstärker 19 zu liefern, der eine über die Wi cklung 12 gewickelte Wicklung 21 versorgt. Die Wicklung induziert in der Wicklung 12 Funktionsimpulse, die in einer Flüssigkeit (wie Wasser oder Öl) in einer ein Bohrloch umgebenden geologischen Formation oder in einen Hohlraum umgebenden Körpergewebe NMR erregen.

Der Funktionsgenerator wird weiter unten näher erläutert. Die von der Resonanzschaltung, die aus der Wicklung 12 und dem Kondensator 11 besteht, erzeugte Funktionsform ist in FIG. 3 dargestellt, wobei am Ende jedes Schwingungspakets oder Bursts, der einen Impuls bildet, jedwede Restspannung von einem schaltbaren Dämpfungsglied 22 gedämpft wird, welches mit einer Wicklung 26 verbunden ist, die über die Wicklung 12 ge-

wickelt ist. In den Intervallen zwischen den Schwingungsbursts, wenn die Erregerspannung abgeklungen und ausreichend gedämpft worden ist, werden NMR-Signale von der Wicklung 12 aufgenommen und über einen Kondensator 23 einem rauscharmen Verstärker 24 zugeführt. Nichtdargestellte Begrenzungsdioden sind mit dem Eingang des Verstärkers verbunden, um die Steuerspannung während der Schwingungsbursts aus FIG. 3 zu reduzieren. Ferner können ein oder mehrere FET-Kurzschlußschalter (nicht dargestellt) ebenfalls im Verstärker enthalten sein, die von dem Schrittaktgenerator 16 so angesteuert werden, daß sie beim Vorhandensein der Steuer spannung geschlossen werden.

Die Impulse (welche durch die Schwingungsbursts gebildet sind) aus FIG. 3 weisen die allgemeine Form von Carr-Purcell-Folgen auf, welche für die Anwendung in kernmagnetischer Resonanz (NMR) allgemein bekannt ist. Jedoch unterscheiden sich diese gezeigten Impulse von der normalen Carr-Purcell-Folge insofern, daß in der Mitte eines jeden Impulses eine 180°-Phasenänderung auftritt. Wie üblich beginnt die Folge mit einem Impuls halber Amplitude, der mit Ίΐ/Ζ gekennzeichnet ist und auf den Impulse voller Amplitude mit alternierender Phase folgen, welche mit einem Impuls von zu dem Ί/2 Impuls entgegengesetzter Phase beginnen. Bezüglich der Phasenänderung zu Beginn jedes Impulses sind die folgenden Impulse unter der Bezeichnung -T und ^Impulse, die alterniert,bekannt. DieΎ und -^Impulse sind in diesem Ausführungsbeispiel durch Intervalle von angenähert 4 ms (vom Impulsbeginn zum nächsten Impulsbeginn gemessen) getrennt, während das Anfangsintervall zwischen dem T/2-Impuls und dem ersten -IT Impuls angenähert 2 ms von Impulsbeginn zu Impulsbeginn beträgt.

Jeder der Impulse (#72, -Ii" und T) weist eine Dauer von angenähert 500 >us auf.

Wird die erste Hälfte von einem der in FIG. 2 gezeigten Impulse einer Resonanzschaltung mit einem hohen Q-Wert zugeführt, die so beschaffen ist wie ein zuvor erwähntes NMR-Bohrlochmeßinstrument, in dem die Resonanzschaltung eine zwischen zwei Permanentmagneten angeordnete Zylinderspule aufweist, so resultiert ein lineares Anwachsen der Amplituden von den Schwingungen in der Zylinderspule, vorausgesetzt, die Frequenz der sinusförmigen Funktion ist gleich oder liegt nahe der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung. Auf dieses lineare Anwachsen der Amplitude folgt ein lineares Abklingen, welches bei auftretender Phasenänderung von 180° einsetzt. Derartige Impulse der Resonanz-r schaltung sind in FIG. 3 gezeigt.

Das Maximum der Einhüllenden der Toder -ΎImpulsen weist eine Amplitude im Spannungsverlauf in der Größenordnung von 250 V auf, und es ist erforderlich, daß die Einhüllende linear auf 0 V abfällt. Dies wird erreicht, indem jeder ΊΓ oder -T' Impuls in der in FIG. 4 gezeigten Form erzeugt wird, wobei der erste Bereich eine konstante Dauer und eine konstante Amplitude aufweist, der zweite Bereich jedoch eine einstellbare Amplitude und Dauer aufweist. Beim Einstellen des Geräts wird die Kurvenform der Funktion über der Resonanzschaltung beobachtet, indem beispielsweise ein Oszilloskop benutzt wird, und die zweite Hälfte des Impulses wird so eingestellt, daß sie den erforderlichen linearen Abfall auf Null liefert. Auf diese Weise kann ein Bereich 25 über die Lage hinaus, in der das Signal bei einem Überkreuzungspunkt oder Schnittpunkt beendet würde, vorgerückt (wie dargestellt) oder zurückgehalten werden, so daß die zweite Hälfte jedes Impulses mit Hilfe der Amplitudeneinstellung erzeugt werden kann, um jede erste Hälfte so exakt wie möglich "auszulöschen", so daß die sinusförmige Funktion in jedem Impuls so nahe wie möglich bei Null endet. Die erste Hälfte jedes Im-

pulses aus FIG. 4 besteht wie die zweite Hälfte aus 5 bis 10 Sinusschwingungen.

Die in den FIG. 2 und 4 gezeigte Kurvenform erscheint an einem Ausgangsanschluß 110 in FIG. 5 und wird durch Umschalten einer sinusförmigen Funktion erzeugt, welche alternierend einem Eingangs anschluß ohne Invertierung und einem invertierenden Verstärker 119 zugeführt wird. Für NMR-Anwendungen weist die dem Anschluß 111 zugeführte Funktion die Larmor-Frequenz auf, die von dem erzeugten Magnetfeld und dem diesem Feld ausgesetzten Material abhängt. Als Beispiel wird die Larmor-Frequenz von 41,5 kHz angenommen. Um die erste Hälfte von K Bursts und die zweite Hälfte von 4Γ Bursts zu erzeugen, wird der Eingangsanschluß 111 jeweils über Kontakte 112 und 113 in Dual-Analogschaltern 114 und 115 und über Widerstände 120 und dem Eingang eines Summierverstärkers 118 zugeführt. Ein variabler Widerstand 126 ist zwischen den Widerstand 130 und den Verstärker 118 geschaltet. Die zweite Hälfte jedes ¹^ Bursts und die erste Hälfte jedes -^C Bursts wird entsprechend erhalten, indem der Ausgang des invertierenden Verstärkers 119, der mit dem Eingangsanschluß 111 verbunden ist, über Kontakte 121 und 122 und Widerstände 123 und 124 mit dem Summierverstärker 118 verbunden wird. Ein variabler Widerstand 125 ist zwischen den Widerstand 123 und den Summierverstärker 118 geschaltet.

Ähnliche Verbindungen sind zur Erzeugung des K]2. Bursts vorgesehen, wobei ein Dual-Analogschalter 127 mit Kontakten 128 und 129, Widerstände 131 und 132 und ein variabler Widerstand 133 benutzt werden. Jedoch ist in diesem Fall ein Verstärker 134 mit variabler Ver-Stärkung mit einem festen und einem variablen Widerstand 135 und 136 und einem Ausgangswiderstand 137 vor den Eingang des Summierverstärkers 118 geschaltet.

Im Betrieb wird ein Tastimpuls 139 zunächst einem Anschluß 140 zugeführt, wobei dieser Tastimpuls die erste Hälfte des"7F/2 Impulses erzeugt, indem er den Kontakt 128 schließt und das 41,5-kHz-Signal im Verstärker 118 und damit am Ausgangsanschluß 110 einblendet. Die zweite Hälfte wird gewonnen, indem ein Tastimpuls 141, der sich fortlaufend an das Ende des Impulses 139 anschließt, gestartet wird, um einen ähnlichen, jedoch invertierten Impuls des 41,5-kHz-Signals im Verstärker 118 mittels des Kontakts 129 einzublenden. Auf diese Weise wird die erforderliche Phasenänderung in der Mitte des 'T/2 Impulses erzielt. Der variable Widerstand 136 wird benutzt, um die Amplitude der TJ2. Impulse einzustellen, und der variable Widerstand 133 wird entsprechend benutzt, um die Amplitude der zweiten Hälfte dieser Impulse einzustellen. Sowohl der Impuls 139 als auch der Impuls 141 weisen eine Dauer von angenähert 250 Ais auf.

Nach einem Zeitintervall von angenähert 1,5 ms wird ein Tastimpuls 142 einem Anschluß 144 zugeführt, auf den unmittelbar ein Tastimpuls 143 folgt, der einem Anschluß 145 zugeführt wird. Invertierte und nicht invertierte Zyklen von 41,5 kHz-Signalen erreichen den Ausgangsanschluß 110 jeweils über die Kontakte 122 und 113, um -Hf Impulse zu erzeugen. Der variable Widerstand 126 ermöglicht, daß die Amplitude der nicht invertierten Zyklen so eingestellt wird, wie dies in FIG. 3 angezeigt ist. Die Impulse 142 und 143 weisen wie spätere Impulse 146 und 147 ebenfalls eine Dauer von angenähert 250/us auf.

Nach einem Zeitintervall von angenähert 3,5 ms treten Tastimpulse 146 und 147 aufeinanderfolgend an den Schaltkontakten 112 und 121 auf und erzeugen die ^Impulse, wobei die Amplitude des invertierten Bereichs

mittels des variablen Widerstands 125 einstellbar ist.

Impulspaare 142, 143 und 146, 147 werden nun alternierend mit ungefähr 4 ms Intervallen erzeugt, bis das Ende der Erregungsimpulsfolge erreicht ist. Daraufhin wird die ¹^CfZ, -^F und T"Folge nach einem vorbestimmten Zeitintervall wiederholt.

Die Tastimpulse 139, 142 und 146 werden im Schritttaktgenerator 16 durch Teilung von einem gesteuerten Hauptquarzoszillator (nicht dargestellt) abgeleitet, und die Impulse von diesem Oszillator triggern ebenfalls entsprechende nichtdargestellte monostabile Schaltungen, welche die Impulse 140, 143 und 147 liefern. Diese monostabilen Schaltungen sind so einstellbar, daß sie die Einstellung 25 der Dauer der zweiten Hälfte der T₉ -'T"' und ΊΓ/2 Impulse liefern. Die Tastimpulse erreichen den Funktionsgenerator 18 über den Bus 17.

Der Anschluß 110 am Ausgang der Schaltung aus FIG. 5 ist über den Steuerverstärker 19 mit der Wicklung 21 verbunden, die einen niedrigen Q-Wert aufweist. Die Wicklung 12 weist eine Sekundärwicklung mit hohem Q-Wert auf und bildet mit dem Kondensator 11 die Resonanzschaltung (in diesem Beispiel mit einer Resonanzfrequenz bei 41,5 kHz), in der die in FIG. 3 gezeigte Funktion auftritt.

Das schaltbare oder geschaltete Dämpfungsglied 22 wird nun an Hand der FIG. 6 erläutert. Klingen die Schwingungen aus FIG. 3 in der Resonanzschaltung (aus Kondensator 11 und Wicklung 12) ab, so werden sie weiterhin sehr schnell mittels des schaltbaren Dämpfungsgliedes 22, das mit der Wicklung 26 verbunden ist, heruntergedämpft. Das Dämpfungsglied 22 weist zwei MOSFETs 214 und 215 auf, die Verarmungsfeldeffekttran-

sistoren (η oder ρ Kanal) sind, wobei von jedem dieser Transistoren die Source-ELektrode mit einem Mittelabgriff 216 der Wicklung 26 über einen Widerstand 229 mit einem typischen Wert von 10 kOhm verbunden ist. Widerstände 217 und 218 sind jeweils zwischen gegenüberliegende Enden der Wicklung 26 und die Drain-Anschlüsse der FETs 214 und 215 geschaltet. Gemeinsam weisen die Widerstände 217 und 218 einen Widerstand auf, der addiert zu den Widerständen der FETs (oft jeweils um 1 Ohm) und bezogen auf die Wicklung 12 gleich der halben Reaktanz des Induktors entspricht, welcher durch die Wicklungen 12, 21 und 26 und den Kern 15, ebenso bezogen auf die Wicklung 12, gebildet ist. Es ist allgemein bekannt, daß die Verbindung eines Widerstandes dieses Wertes über den Induktor einer Resonanzschaltung ein Abklingen der Schwingungen in der Schaltung bewirkt, welches mit maximal möglicher Rate auftritt. Bei vielen Anwendungen können die MOSFETs 214 und 215 beispielsweise IRF 830 (International Rectifier Type) 830 oder ähnliche Typen sein, die im leitenden Zustand einen Widerstand von ungefähr 1 0hm aufweisen, und die Widerstände 217 und 218 können dann 1,5 Ohm Widerstände sein, wobei angenommen wird, daß die Reaktanz des oben erwähnten Induktors, bezogen auf die Wicklung 26, 5 0hm beträgt.

Bei Abwesenheit eines Steuersignals werden die FETs 214 und 215 durch eine Vorspannung oder Biasspannung in ihren nicht leitenden Zustand vorgespannt, wobei die Biasspannung von einem Widerstand 220 und variablen Widerständen 221 und 222 abgeleitet wird, die über eine positive Spannungsversorgung verbunden sind. Ein Kondensator 219 entkoppelt die Widerstände 220 und 221. Die Spannung von diesen Widerständen wird über einen Operationsverstärker 223, einen bipolaren Transistor 224 mit Emitterwiderstand 225 und zwei gleiche Widerstände 226 und 227 mit typischen Werten

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von 100 Ohm in Serie mit den jeweiligen Gate-Elektroden der entsprechenden FETs verbunden. Fein- und Grobeinstellung der Biasspannung wird durch die jeweilige Einstellung der Widerstände 221 und 222 erzielt, und ein variabler Widerstand 228 mit einem typischen Wert von 10 kOhm liegt zwischen dem Gate des FET 215 und Erde, um die Gate-Elektroden über den Bereich der FET-Kennlinien, in dem ein Übergang zwischen niedrigem und hohem Widerstand stattfindet, gegenüber Erde abzugleichen bzw. zu symmetrisieren.

Ist es erforderlich, die Schwingungen in der Resonanzschaltung zu dämpfen, so wird ein positiver Impuls vom Schrittaktgenerator 16 dem Transistor 224 zugeführt, wobei dieser Impuls beide FETs einschaltet. Die FETs sind daraufhin leitend und übertragen beide einen sehr schnell abklingenden Wechselstrom, angesteuert durch die Spannung über der Wicklung 26. Werden die FETs am Ende dieses Impulses in den nicht leitenden Zustand geschaltet, so sind sämtliche möglichen transienten Spannungen, die über den FETs 214 und 215 auftreten, an der Primärwicklung 26 entgegengesetzt zueinander und werden folglich annuliert. Eine sorgfältige Einstellung der Gate-Elektrodenvorspannung und des Erdabgleichs sind erforderlich, um sicherzustellen, daß vernachlässigbare ungewollte Kopplungssignale in der Resonanzschaltung innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite erzeugt werden, die beispielsweise der zuvor erwähnten entspricht.

Der für die FETs erforderliche Schaltimpuls beträgt einige Volt und muß auf beträchtlich weniger als 1 Mikrovolt reduziert werden, um eine Streuung in die Resonanzschaltung zu verhindern. Würde ein Rechteckimpuls verwendet,' so träten beträchtliche Spannungskomponenten beispielsweise in der zuvor erwähnten Bandbreite auf, und diese Komponenten könnten nicht voll-

ständig durch den Abgleich bzw. die Symmetrisierung beseitigt werden. Aus diesem Grund weist der Schaltimpuls die in FIG. 7 gezeigte Kurvenform auf, die eine steil und abrupt ansteigende Vorderkante 40 und eine angenähert exponentiell abfallende Rückflanke aufweist, die angenähert eine im wesentlichen Konstante Änderungsrate aufweist, welche innerhalb einer erforderlichen Bandbreite kein Auftreten signifikanter Komponenten bewirkt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein negativer Rechteckimpuls einer Dauer von ungefähr 500Λ18 dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 230 zugeführt, dessen Ausgang mit einer Impulsformerschaltung verbunden ist, die einen 500 Ohm-Widerstand 231, einen 10 kOhm-Widerstand 232, einen 6800 pF-Kondensator 233 und eine Diode 234 aufweist. Die Anstiegszeit des resultierenden Impulses wird durch den Widerstand 231 und die Diode 234 bestimmt, und der exponentielle Abfall wird durch den Widerstand 232 und den Kondensator 233 eingestellt.

Die Werte dieser Komponenten sind empirisch ausgewählt, sie sind jedoch in keiner Weise kritisch. Das Ausgangssignal der Impulsformerschaltung wird über einen weiteren Operationsverstärker 236, der als Buffer geschaltet ist, und über einen variablen Widerstand 237 übertragen, der die jeweils erforderliche Einstellung der Amplitude der Impulse ermöglicht.

Die kapazitive Kopplung zwischen den Wicklungen 21 und 26 und der Wicklung 12 des Induktors bewirkt eine additive Komponente, die von Schaltstößen herrührt, und muß aus diesem Grunde so weit wie möglich eliminiert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Wicklungen 21 und 26 jeweils innerhalb eines dünnen Koaxialkabels gewickelt, dessen Äußeres an einem Punkt geerdet ist. Darüber hinaus sind diese Wicklungen über die gesamte Länge der Wicklung 12 gewickelt, um die Magnetfeldstreuung zu reduzieren.

Der erfindungsgemäße Funktionsgenerator kann zur Erzeugung von Schwingungsbursts in zahlreichen Resonanzschaltungen verwendet werden, wobei über die Anwendung in der Resonanzschaltung des weiter oben beschriebenen NMR-Geräts hinaus ein breites und vielfältiges Anwendungsspektrum möglich ist.

Claims

11206

Pctfentcmwälte

Ileichel u. Reichel ._C1/1,

Parktiraße 13 3 6 I 4

eCCC Frankfurt a. M. 1

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION, London, England

Patentansprüche

1, Funktionsgenerator für eine Resonanzschaltung mit hohem Q-Wert zur Erzeugung von Schwingungen in der Resonanzschaltung, welche eine Einhüllende aufweisen, die bezüglich ihrer Größe bis auf ein Maximum linear ansteigt und daraufhin unmittelbar linear auf Null abklingt, mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Impulsen, die aus Schwingungspaketen gebildet sind und jeweils eine rechteckige Einhüllende aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Impuls zwei aneinanderstoßende Bereiche mit einer Phasenänderung von 180° im Verbindungspunkt der beiden Bereiche aufweist und daß Vorrichtungen (125, 126, 133, 136) zur Einstellung der Amplitude eines der Bereiche jedes Impulses neben weiteren Vorrichtungen (16) vorgesehen sind, die die Dauer dieses Bereiches oder des anderen Bereiches von jedem Impuls einstellen.

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2. NMR-Gerät, welches eine erste und eine zweite Einrichtung zur Erzeugung entgegengesetzter Magnetfelder in einem Raum aufweist, der eine zylinderförmige erste Wicklung enthält, deren Achse mit diesen Feldern ausgerichtet ist und die einen Kern aus magnetischem Material enthält, einen Blindwiderstand, der über die erste Wicklung gelegt ist, um eine Resonanzschaltung mit hohem Q-Wert zu bilden, eine Einrichtung zur Erzeugung von Impulsen, die aus Schwingungspaketen gebildet sind, und zur Zuführung dieser Impulse zu dieser ersten Wicklung, wobei jeder Impuls eine rechteckige Einhüllende aufweist, und Einrichtungen zur Ableitung von Signalen, die repräsentativ für Signale sind, welche zwischen diesen Schwingungspaketen in der ersten Wicklung induziert werden,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder Impuls zwei aneinanderstoßende Bereiche mit einer Phasenänderung von 180° am Verbindungspunkt dieser beiden Bereiche aufweist und daß Vorrichtungen (125, 126, 133, 136) zur Einstellung der Amplitude eines der Bereiche jedes Impulses neben weiteren Vorrichtungen (16) vorgesehen sind, die die Dauer dieses Bereiches oder des anderen Bereiches von jedem Impuls einstellen.

3. Generator oder Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (18) zur Erzeugung der Impulse Pakete sinusförmiger Schwingungen erzeugt.

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4. Generator oder Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (18) zur Erzeugung der Impulse Schwingungspakete erzeugt, in denen die Anfangsphase von jedem aufeinanderfolgenden Schwingungspaket in einer Folge von derartigen Paketen bezüglich zur Anfangsphase des vorhergehenden Pakets um 180° geändert ist.

5. Generator oder Gerät nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (18) zur Erzeugung der Impulse in jeder Folge einen ersten Impuls erzeugt, der die halbe Maximalamplitude der darauffolgenden Impulse aufweist.

6. Generator oder Gerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (18) zur Erzeugung der Impulse enthält:

Zufuhreinrichtungen (111) zum Zuführen eines Schwingungssignals,

eine Invertierereinrichtung (119), die mit den Zufuhreinrichtungen verbunden ist,

eine erste und eine zweite Gruppe von Schaltvorrichtungen (114, 115), die mit den Zufuhreinrichtungen und der Invertier er einrichtung verbunden sind, eine Kombinationseinrichtung (118), die die Ausgangssignale dieser Gruppen von Schaltvorrichtungen kombiniert und

eine Vorrichtung (16, 17), die den Schalteinrichtungen solche Schaltimpulse zuführt, daß die Folge von Impulsen mit den erforderlichen relativen Impulsphasen am Ausgang (110) der Kombinationseinrichtung erscheint.

7. Verfahren zur Erzeugung von Schwingungen in einer Resonanzschaltung, wobei die Schwingungen eine Einhüllende aufweisen, die in ihrer Größe bis zu einem Maximum linear ansteigt und daraufhin unmittelbar linear auf Null abklingt, wobei in dem Verfahren Impulse erzeugt werden, die aus Schwingungspaketen bestehen und die jeweils eine rechtwinklige Einhüllende aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Impuls mit zwei aneinandergrenzenden Bereichen mit einer Phasenänderung von 180° am Verbindungspunkt der beiden Bereiche erzeugt wird und daß sowohl die Amplitude eines der Bereiche jedes Impulses als auch die Dauer dieses Bereiches oder der anderen Bereiches jedes Impulses so eingestellt werden, daß sich der erforderliche lineare Abfall auf Null ergibt.