专利名称：Nmr－频谱仪的探测器头的制作方法
技术领域：
本发明涉及到NMR-频谱仪的探测器头，探测器头至少有用于产生高频电磁激励波的发射器单元和至少有用于将经过激励波激励的测量探测器的测量信号放大的前置放大器，具有低温冷却的初级测量回路，测量回路至少有第一个天线和第一个波导管，其中天线经过第一个波导管与前置放大器是连接的。
NMR-试验的目的是观察电磁射线，电磁射线是通过电子和/或原子核的能量过度在测量探测器中作为对频率为ω0的高频场B1激励的反应在时间和空间均匀的磁场B0中引起的。产生高频场B1激励波的频率ω0此时有利的是位于HF-区域和大约为300MHz至3GHz。相对于普通的背景电磁噪声测量电磁射线，背景电磁噪声是由初级测量回路和测量探测器或者环境中的温度变化引起的。
在大多数NMR-试验中的特殊问题是从测量探测器中出来的信号的减弱，其中常常由于在测量探测器中的反应或者由于射线吸收测量探测器的组成部分附加地减弱信号。如果连续试验，提高探测器头的敏感性和改善信噪比。
为了使信噪比最大人们争取，将恒定均匀的磁场B0和高频场的频率ω0提高到可能的最大值。同时在初级测量回路中使用尽可能好的导电的甚至超导材料直到尽可能低的温度，使导线耗损和固有电磁噪声最小。此外有规律地将初级测量回路相对于由于环境影响引起的噪声进行屏蔽。
在US5,258,710中已知上述形式的探测器头。探测器头有第一个和与其耦合的第二个谐振器，其中第二个谐振器与发送器单元耦合和第一个谐振器容纳测量探测器。为了激励测量探测器将射频信号经过第二个谐振器在第一个谐振器中进行耦合和第一个谐振器包括的测量探测器用这个信号进行辐射。然后第一个谐振器的情况类似于接收线圈和将被接收的测量信号输出给第二个谐振器。为了改善信噪比在探测器头中的一边为了减少热噪声进行低温冷却和在另一边为了改善信号强度通过使用超导材料提高探测器头的导电性。
此外在US5,751,146中对于NMR-试验已知在一端开放的表面线圈上是高导电性的导电材料，其中导电材料的厚度至少为三至五倍集肤深度，则导电材料的高频电阻不受导电材料外部尺寸的影响。
虽然已经进行了很大的努力以显著提高信噪比，目前NMR-频谱仪特别是对于很小放射功率的测量探测器还没有满意的信噪比。
此任务以本发明为基础，提供开始叙述形式的具有最佳天线和前置放大器单元效应的和具有明显改善信噪比的探测器头。
此任务一方面是这样解决的，至少第一个波导管工作在非正常集肤效应范围，此时至少在第一个波导管中电荷载体的平均自由行程长度大于电磁集肤深度，和为了最快的电荷匹配初级测量回路安排了用于短时与其特征阻抗匹配的装置。
一旦导电电子的自由行程长度大于电磁场进入深度δem’1＞δem’，出现具有其特征集肤深度δelf的非正常集肤效应。于是导电电子特别是在低温时的平均自由行程长度1可以达到毫米至厘米范围。在这种情况下由于波导材料原则上有可能没有损耗的波导使天线接收的测量信号的信号强度可以没有明显减少地到达前置放大器单元和在那里可以继续处理。
因此具有极低导线电阻的这种波导管作为谐振器在最短时间之后可以用电波加载，它必须短时间与其特征阻抗相匹配。同样必须发生，如果激励波的能量在测量探测器成功激励之后在测量开始之前必须耗散。为此例如可以经过Pin-二极管连接的阻抗将天线转换为特征阻抗。
这种在非正常集肤效应范围工作的波导管相对于超导波导管的特殊优点在于其改善了的导电特性，特别是因为在其上不出现通量量子问题。
使用有可能使其波导处于非正常集肤效应的波导管材料同样有益的是在第一个和可能其他的天线范围。
有利的至少第一个波导管应该可以工作在极不正常的集肤效应范围，以便将导线耗损减少到绝对最小值。
在这种关系中特别是金属的具有固有电阻比为ri≥103，特别是ri≥104的导电材料表明了是适合的。
将固有电阻比ri＝ρRT/ρLT定义为在室温时导电材料ρRT的固有电阻与在低温，有益的是温度≤20K时其固有电阻ρLT之比。
这种材料的固有电阻也应该尽可能少地受环境磁场的影响，这样其比例Δρ/ρ＝(ρ(ri,T，B≠0)-ρ(ri,T，B＝0))/ρ(ri，T，B＝0)，其中ρ是受固有电阻比ri，绝对温度T和周围磁场B影响的固有电阻，尽可能的低，特别是当温度T≤20K和固有电阻ri≥104时不明显地超过数值Δρ/ρ≤5。
结果表明特别适合的金属是具有纯度为＞99，9999％(6N-铝)最高纯度的铝和极少缺陷集中的铝。
然而原则上具有纯度为≈99，9％的铝也还可以使用作为导电材料，当从非正常的集肤效应过度为电磁集肤效应时导体的表面电阻Rs变化很大。
如果至少第一个波导管内部和外部的导电表面与导电内部有同样的固有导电性时也是特殊的优点。
原则上这也适合于整个的初级测量回路。此外导电材料通过恒温可以完全消除应力和导电表面例如借助于电子抛光进行处理，在制造波导管时将冷成形的表面层完全去除。附加地可以将导电表面钝化。
因此当运行在T≤4K和磁场强度为11，744 T时表面电阻可以达到10-7Q区域或者高于这个区域，同样特别是在最高纯度铝时电阻比ri在105区域时。
在另外有利的实施结构中前置放大器单元与天线是可以相互连接的。如果在测量探测器的激励周期期间连接是中断的，可以确保前置放大器单元在这期间不承受天线接收激励信号的负荷。因此达到激励波比较准备测量的，从测量探测器发射的信号强很多，不会影响准备测量的信号在前置放大器单元中的处理。
原则上还可以想象一种实施结构，在其中激励波的传播方向与可以被天线接收的准备测量的信号的传播方向处于正交，则本身不需要中断前置放大器与天线之间的连接没有激励波信号在激励周期期间被天线接收。
已经表明氦-II作为有利的准备使用的低温介质。这里氦-II理解为低于λ-线以下的液态氦。此外由于其超流体的和因此超热传导的特性氦-II显示出和氦-I是不同的没有沸腾的倾向。因此当使用氦-II作为低温介质时避免了由于沸腾引起的噪声和因此整体降低了噪声电平。
这样由于温度梯度为4.3·10-4K/m用氦-II可以传送功率为6·104W/m2，这样在室温时与铜比较达到了3·105倍有效热传导性。
探测器头的运行温度为1.85K，在这个温度时氦-II有最大的热流动密度。
氦-II在第一个波导管中同样如在所有其他波导管中和天线上一样也作为介电介质，因为其特性具有介电常数εr≈ 1，005和固有电阻为ρel≤1013Q m与真空的很相似。因此氦-II可以使用作为低温介质和介电介质的双功能。
同样使用真空作为介质不是不可能的。
如果将NMR-频谱仪的天线安排在第一个波导管之下也是一个优点。则当频谱仪运行进行摄像时在冷却到运行温度期间在初级测量回路中形成的氦气沿着第一个波导管到达低温恒温器向上泄漏和在这种情况下不集中在天线上。
因此也解决了开始叙述方式的探测器头的任务。第二个波导管特别是经过开口与第二个波导管耦合以及与发送器单元连接，和在第一个波导管上安排了与第二个波导管的激励波在第一个波导管耦合的装置，通过这个抑制了激励波到前置放大器单元方向的传播。
因此在第一个波导管中的激励波在天线方向耦合，则这样实施形式的天线除了接收测量探测器信号功能之外还有其他的产生激励测量探测器的B1-场的功能。
通过第二个波导管的激励波在第一个波导管耦合的装置可以保证前置放大器单元不受比测量信号大很多的激励波的影响，则在测量探测器激励结束之后尽可能短的时间装置就可以准备好用于开始测量。
用这种方法可以达到，对于接收弱的高频信号校准的前置放大器单元不受高功率激励波的干扰和这种干扰在测量周期对成功的激励测量探测器还起作用。随后为了接收不受干扰的测量信号的无效时间很短，则前置放大器单元在很短时间之后或者立即在结束测量探测器激励之后准备好运行。
有各种可能性抑制激励波在前置放大器单元方向的传播。
则用于激励波耦合的装置可以包括λ/2-迂回导线和有定向耦合器的功能。
在这种实施形式中将第二个波导管在第一个波导管中耦合的激励波细分，此时分成两个子电波，特别是分成为四分之一波长的非偶数倍(2n+1)·λ/4(n＝0，1，2…)，在第一个波导管中耦合和到天线方向同相位传送，而子电波到前置放大器单元方向的相位移为λ/2。因此当相应转换和阻抗匹配时将作为激励波的第一个子电波传送到激励测量探测器的天线上和由于第二个子电波结构破坏的干涉在很大程度上消除了从那里反射回来的电波。
另外的可能性是第二个波导管在第一个波导管耦合和前置放大器单元范围之间的第一个波导管有用于短路，特别是至少一个Pin-二极管的装置。
有意义的是短路是在第一个波导管范围进行的，在其中在第一个波导管中形成的驻波有电压节点，因为那里的振荡电流最大和因此在第一个波导管中由于短路激励波的传播可以中断到前置放大器单元方向的作用。
在有利的实施形式结构中第二个波导管的激励波在第一个波导管中的耦合是可以开关控制的。因此发送器单元在任何时间可以与初级测量回路绝缘。
因此创建了一种适合的开关，将第二个波导管形成为开放的可以关闭的导线谐振器，导线谐振器与第二个波导管开口的距离为N·λ/2用于在第一个波导管耦合在放大器单元相反方向的一边可以瞬时经过放电间隙进行短路。
放电间隙可以位于第二个波导管开放端部的导电层之间，这样端部经过氦等离子体放电或者电弧放电可以直接在放电间隙上短路。
但是第二个波导管的导电层也可以在其端部短路，此时放电间隙在短路端部的前边可以直接中断一个导电层。于是放电间隙是这样设计的，第二个波导管端部在“开放的″放电间隙上是开放的关闭的。
开关是建立在第二个波导管端部开放的或者短路的交替作用基础上，第二个波导管为了激励波在第一个波导管的耦合具有相距λ/2的开口。在第二个波导管中传送的电波在第二个波导管短路的端部反射回来，则形成为一个驻波。在开口区域出现电压节点和因此出现磁场振荡的最大值(反节点)，可以将这个在第一个波导管中耦合。如果打开短路，将在第二个波导管中传送的电波现在在开放的端部反射，则驻波移位λ/4。在这种情况下在第二个波导管开口区域有一个电压反节点，这在很大程度上产生绝缘。
为了避免不必要的噪声，在测量信号传输期间不允许操纵开关的控制电流流过。因此其优点为，为了操纵开关改变驻波的相位不使用专门的控制电流。
这种有利的使用的开关，在氦等离子放电情况下是由激光器控制，在电弧放电情况下是由激励波控制。
在这种开关有利的结构中至少放电间隙的一个电极是通过氦-II冷却的，其中电极与具有氦-II入口和出口的至少一个通道是接触的和出口有半渗透性的薄膜。
因为超流体的氦-II在最短时间之后流动到热源，由于薄膜定向的氦-II-流体将热在生成期间可以直接传输出去。
开关的另外有利结构中将第二个波导管分成两个导电路径，这些以(2n+1)·λ/4的距离在第一个波导管中耦合，此时两个有一个短路的端部和经过一个短路电路可以缩短(2n+1)·λ/4。
在这种电路结构的特殊实施形式中有两个导电路径，在其端部短路的导电长度为(2n+1)·λ/4，特别借助于至少一个Pin-二极管可以将其输入端短路。
而当Pin-二极管产生短路时在气蚀入口产生激励波的电压节点和将激励波在第一个波导管中耦合，这个电压节点移位λ/4，如果Pin-二极管释放导电长度，则第一个波导管中的激励波不再可以耦合。
可以这样安排两个导电路径，将相对于其他导电路径形成为λ/2-迂回导线和两个导电路径有定向耦合器的功能。
两种有利的准备使用的电路类型在几分之毫微妙内可以开关的，因此发送器单元与测量回路可以进行非常短的脱耦。这是这样达到的，第二个波导管或者导电路径之一可以瞬时地用其特征阻抗规定期限，这样波导管有一个有限的阻尼值和可以很快用激励波加载。
在另外有益的实施形式中至少将波导管之一形成为同轴导体。
具有内部，圆柱形导体和外部，圆柱形导体外表面的同轴导体在HF-区域相对于其他空心波导管提供的优点是，均匀的和与外表面厚度相比很小的集肤效应。电磁场几乎完全沿着位于其间的介质传播，这样就不产生散射场。
同轴导体外部导体圆周表面的外表面也提供好的屏蔽针对外部环境电磁射线的射入。
将多个同轴波导管也可以形成为多层的具有共同轴的同轴导体。于是同轴导体除了圆柱形的内导体之外有两个或者多个通过介电介质相互分开的，同轴的导体圆周表面，此时将圆周表面的外表面用于作为安排在其上的圆周表面的内导体。
用这种方法可以建立两层、三层或者多层的具有共同轴的同轴波导管各自的长度为n·λ/4，这些相互没有关系地传导高频电流。
因此有可能用简单的方法当紧凑的结构时除了NMR-试验时经常需要的质子频率之外将其他有益的低频输入到探测器头。将低频激励波从外部的同轴导体输入到内部的同轴导体有益的是在阻抗-零点上进行的，阻抗零点同时是在内部同轴导体中的激励波的电压节点上。在电压节点上确保低频和高频通道之间的高度绝缘。
其他频率的耦合可以经过相应的开口和阻抗匹配进行。
用不同频率脉冲序列对测量探测器激励常常对于确定在其中包含的基质和其结构是必要的。这样就将比较高频的，一般来说常常将质子频率通道使用在所谓的交叉偏振以及偶极子脱耦和将低频通道使用在观察，解相位或者相关变换上。
在这种关系中同样也是优点，如果将第一个和第二个波导管形成为具有共同轴的多层同轴导体。因此可以非常节省地方地将波导管相互安排在一起。于是这特别是有益的，如果使用氦-II作为介电介质，通过相应定位的半渗透性薄膜通过喷泉-效应使氦-II循环和用于充分的热输出。通过紧凑结构的波导管也使探测器头的尺寸可以达到尽可能小，这样最佳利用了在超导高磁场中非常小的空间。
特别是如果由同一种材料形成的同轴波导管，使波导管在非正常集肤效应时有可能进行功率传输，其阻尼系数为α≤10-8Np/m是可能的。因此这样的同轴波导管几乎没有损耗。
此外为了显著改善信噪比在另外按照本发明的实施形式中安排了第二个天线，此时天线是这样安排的，第一个天线测量测量信号和在测量探测器的赤道近场测量噪声信号和第二个天线单独在测量探测器的轴向近场测量噪声信号。
最好通过用赫芝偶极子描述NMR-测量探测器，偶极子是用激励波激励的和本身是发射的。将这样的赫芝偶极子安排在第一个天线的中央，天线在x-方向生成高频B1-场，此时不仅B1-场而且赫芝偶极子是定向于垂直z-方向伸展的第一个天线的纵轴相同的方向。
在赫芝偶极子的近场由于激励发射的能量在其赤道平面最大，而在轴向方向没有这种能量发射。相反由热决定的尼奎斯特-噪声原则上被测量探测器在所有方向各向同性地发射。这种近场发射图样提供了可能性，将两个没有关系的信号同时被测量探测器接收，如果人们在测量探测器的近场测量赤道平面以及轴向方向发射的能量时。
此时在有益的实施形式中可以将第一个天线形成为在纵向方向双边开出细缝的管子形状的谐振器具有反应的短路端部。这样的结构相当于目前在高分辨率的NMR-试验中使用的开出细缝的，马鞍形的u.h.f-单绕组-亥姆霍兹-线圈。
为了用最短时间有可能对初级测量回路用激励波加载和卸载，可以将有反应的短路短时间通过在特性阻抗上附加接上阻抗进行变换。
其中第一个天线可以经过λ/4-变换与频率有关的补偿在第一个波导管中进行耦合。因此第一个波导管的阻抗最大程度无损耗地与天线阻抗相匹配，这样就避免了起干扰作用的反射。
例如第二个天线可以通过简单的，在测量探测器近场实现对准B1-场轴向的短的电的或者电磁的偶极子天线特别是具有前置的楞勃透镜。
各种解决方法的出发点-充分利用非正常集肤效应，激励波的可转换的耦合和与此相连接的发送器单元和前置放大器单元之间的绝缘，使用氦-II作为低温介质和介电介质以及还充分利用被激励的测量探测器的近场特性-是各自单独的适用于显著改善信噪比。
同样确定，当考虑所有解决方法的出发点时最佳地解决了开始提出的任务。这样当NMR-试验时在具有极弱放射信号的测量探测器上使得信噪比的改善与目前在室温运行的探测器头相比较可以大大达到超过50。
下面借助于有利的实施例表示的附图详细叙述本发明。
附图表示附
图1本发明可能的有利实施形式的等效电路图，附图2本发明可能的有利实施形式的纵截面图，附图3沿附图2III-III剖面线的实施形式的截面图，附图4沿附图2IV-IV剖面线的实施形式的截面图，附图5沿附图2V-V剖面线的实施形式的截面图，附图6沿附图2VI-VI剖面线的实施形式的截面图，附图7在第一个波导管上整个λ/4耦合的有利实施形式的天线等比例的示意图。
在附图1上表示了按照本发明的探测器头可能的实施形式的等效电路图。
探测器头有第一个天线1，天线经过用箭头V标志的第一个波导管2的端部与没有表示的前置放大器单元V连接。
此外天线1与两个发送器单元连接。在等效电路图上表示了天线1与发送器单元耦合的两种不同结构，其中用′标志的参考符号属于一种和用″标志的参考符号属于其他的结构。结构是通过激励波在第一个波导管2中的耦合方式加以区别的。
在两种结构中激励波在第一个波导管2中的耦合是经过第二个波导管3′、3″进行的，在其中第三个波导管4′、4″和第四个波导管5′、5″的发送器单元的激励波是在第二个波导管3′、3″中各自的电压节点(阻抗最小)上耦合的。其中例如可以将具有u.h.f-频率的脉冲序列经过第三个波导管4′、4″和将具有(h.f.-)频率的多个脉冲序列经过第四个波导管5′、5″传送。
第三个波导管4′、4″和第四个波导管5′、5″与第二个波导管3′、3″的阻抗匹配是经过λ/10-变换6′，6″，7′，7″进行的，如在Meinke/Gundlach，高频技术手册，第五版，2卷，L3f.页中叙述的。
将所有这些波导管与所有普通的波导管相同形成为具有两个引导电流的导线层的同轴波导管。
结构的区别是第二个波导管3′、3″的激励波在第一个波导管2中的耦合方式。
附图1左边表示的结构是将第二个波导管3′发送器单元的激励波在一个波导管中耦合，通过耦合将激励波分成两个子电波。电波分离器包括第一个导线8′和第二个导线9′，其中将第二个导线9′形成为λ/2-迂回导线和两个导线8′、9′在第一个波导管2中以距离为λ/4耦合。在波导管中将第一个子电波的相位对应于另一个子电波在放大器V方向移位λ/2，则取消了在第一个波导管2中形成的在放大器V方向的驻波。这种结构则有定向耦合器的功能，定向耦合器允许只到天线1方向的激励波通过。
激励波在波导管中的耦合是可以开关控制的。为此第二个波导管3′在距离波导管耦合区λ/2位置上有放电间隙11′，放电间隙根据氦等离子体-或者电弧放电的结构形式这样设计，放电间隙在非短路状态下给予第二个波导管3′开放的导线端部特性。从而在第二个波导管3′中产生驻波，驻波在电波分离器的耦合开口区有电压反节点，和因此在电波分离器中阻止电波的耦合。在放电间隙11′中的放电或者经过高频激励波本身或者也-在氦等离子体放电情况下-由于激光器的激励点燃。
当测量探测器被激励波激励期间，第二个波导管3′在放电间隙之后直接通过Pin-二极管10′短路。
只在测量探测器开始和结束短时间接通Pin-二极管10′，从而将波导管3′通过特性阻抗薄膜12′进行匹配，阻抗薄膜是直接安排在Pin-二极管10′后面λ/4距离上的。因此第二个波导管3′得到无穷的波导管的特性，这样用激励波充电可以进行得非常快-数量级大约为几个毫微妙-。同时将阻抗薄膜12′前边反射的电波通过距离波导管短路端部λ/4反射的电波湮灭。
如果将测量探测器激励，放电间隙11′被短路。因此第二个波导管3′在距离波导管耦合区λ/2处是短路的，则形成为驻波的第二个波导管3′在波导管中的信号耦合区有电压节点和因此可以在电波分离器中耦合。
如果放电结束，由于在第二个波导管3′目前开放端部的激励波的反射使激励波的驻波移位λ/4，则在耦合区产生电压反节点和激励波不再可以在波导管中耦合。
附图1右边表示的实施结构将从第二个波导管3″的激励波在电波分离器中与第一个导线13″和第二个导线14″耦合，通过电波分离器将激励波分成两个子电波。将两个子电波在第一个波导管2中以距离λ/4进行耦合，其中在第一个波导管2中耦合的一个子电波的相位相对于在第一个波导管2中耦合的其他子电波向前置放大器单元V方向移位λ/2，则由于解结构的干涉取消了在第一个波导管2中形成的向前置放大器单元V方向的驻波。因此两个导线13″、14″在开口区域，开口区域是为了子电波耦合安排在第一个波导管2中的，有Pin-二极管17″、18″，用这些在开口区域可以强迫产生电压节点。即使这种结构也有定向耦合器的功能，定向耦合器只允许激励波通向天线方向。
导体13″在耦合开口后面在短路的λ/4-导线长度15″处结束，在其上安排了变容二极管19″用于精确协调耦合和激励波细分的电压节点。导体14″在耦合开口距离短路的λ/2-导线长度的后面结束，在其中点处有形成为特性阻抗的表面20″用于在尽可能最快的充电和放电期间短时与激励波相匹配。
如果将导体13″、14″不通过其Pin-二极管17″、18″短路，子驻波的电压节点向短路的导线端部移位λ/4。因此在子电波耦合区域产生电压反节点，则子电波不再可以在第一个波导管2中耦合。经过变容二极管19″可以准确地协调在两个导体13″、14″中形成的激励波的子驻波。用上面叙述的方式将经过Pin-二极管18″可以短时关闭的特性阻抗20″用于用激励波对波导管快速充电和放电。前置放大器单元V与激励波附加的脱耦也可以这样进行，将第一个波导管2经过安排在第一个波导管2耦合区域上面的Pin-二极管21短时间短路。为此将Pin-二极管安排在第一个波导管2形成驻波的电压节点区域。
将为了子电波耦合的第一个波导管2中的开口有益地实施为有规则的环绕间隙。
为了避免不同发送器单元的离散激励波以及前置放大器V之间不希望的相互交替作用将这些通过相应的带阻滤波器以同轴结构形式在其输入端或者输出端进行保护。
在第一个波导管2的下端安排了天线1。其阻抗是与第一个波导管2经过具有与频率有关平衡22、23、24的λ/4-变换器相匹配，如同在Meinke/Gundlach中叙述的。
将天线1形成为谐振器。天线有与电感耦合的屏蔽25。反应的关闭电阻26的作用是，使天线上的驻波与电压节点准确地在测量探测器地方形成，从而显著地降低测量探测器的介电耦合。此外安排了由Pin-二极管27可以关闭的阻抗28，则产生特性关闭阻抗。因此一方面第一个波导管在很短时间之后用激励波充电。因此另一方面在最短时间之后消耗掉在天线上存在的剩余能量，如果测量过程应该开始时。
用类似的方式有选择地作为可以快速关闭初级测量回路的特性关闭阻抗，可以在蓝宝石基质上涂上由硬的型号-II-超导体例如NbN或者Nb4Sn大约为Ginzburg-Landau-相干长度厚度的非电感表面膜38、39，其表面与B0平行，和可以深入到毫无问题超导的第一个波导管的实际上导电非常好的导电层中。借助于半导体激光器当相应的尺寸设计时可以将这个在毫微秒之后可以正常导电和因此转换为特性阻抗。
天线可以协调安排在第一个波导管2上面的可变电阻29、30和谐振器和经过对称的头部31与前置放大器单元V相匹配。这两个是在第一个波导管2包括有电感的区域中进行的。
在附图2上表示附图1的探测器头相应的实施形式。其中纵轴的左边形成的图对应于附图1的左边部分和纵轴右边形成的图原则上对应于附图1的右边。
特别是与这种实施形式的截面图表示的附图3、4、5和6相联系，很明显将所有波导管2、3′、3″、4′、4″、5′、5″、6′、6″、7′、7″、8′、9′、13″、14″、15″和16″形成为具有共同轴的同轴导体。
将同轴导体完全用氦-II填充，满足了作为介电介质和作为冷却手段的双功能。
在左边表示的实施例中将复合同轴波导管的最内部的导体构成为空心圆柱体，空心圆柱体被构成为放电间隙11′的石英或者蓝宝石氦等离子体容器封闭。氦等离子体的放电通过在空心圆柱体中延伸的光缆32′引导的激光射线进行控制。
放电间隙11′的电极是由具有从和到第一个波导管2的氦-II入口33′和出口34′的通道将氦等离子体放电时散逸的热传出。出口34′安排了这里没有表示的，例如由Al2O3-粉末的半渗透性表面，则通过氦-II中的喷泉-效应起作用。因此保证了，在探测器头形成氦-II循环，其中氦-II将低温恒温器中导出的热传出去。
在另外没有表示的实施形式中借助于喷泉-效应可以使用第二个波导管3′和3″作为输出代替在通道中形成的输出，因为第二个波导管毫无问题与低温恒温器是连接的。
探测器头的所有波导管部件是很仔细相互匹配的和相互连接的，因此避免了电磁波的反射。而且所有Pin-二极管10′、17″、18″、21和27一端通过相应的电容器隔开，因此它们可以由几个毫安的直流电流控制，不会受高频电波的干扰。
由砷化镓构成的Pin-二极管作为可能使用的Pin-二极管。将附图7上的天线1表示为空间的。天线是由两边在纵轴方向直到其下端前一点开槽的管子35构成的，其中槽是在管子圆周各自大约100°上面延伸的。开槽的管子35可以由电容封闭接头封闭(见Meinke/Gundlach，高频技术手册，第5版，第1卷，C21)。
由槽子形成的在纵轴延伸的隔板37特别是在附图2中表示的，无损耗的多福-切比雪夫-导线40与第一个波导管外导体的内导体面相连接。另外的隔板36是与管子轴线同心的圆柱形的，在第一个波导管2方向延伸的管子导体串联的。
圆柱形管子导体在其上端是开放的λ/4-变换导线24。将圆柱形管子导体的外边用作为开槽形式制成的λ/4-导线23的内导体。λ/4-导线23在其下端是短路的和其上端与第一个波导管2内部是连接的。
而多福-切比雪夫-导线40延伸在大约177°的圆扇形上，λ/4-导线23延伸在大约35°的圆扇形上，其中圆扇形是相互对立的。不仅将隔板36与λ/4-变换导线24的内导体连接的连接导线，而且将λ/4导线23短路的连接导线同样可以有益地构成为多福-切比雪夫-导线。
因此天线1与第一个波导管2的耦合构成为以λ/4-变换的方式具有与频率有关的平衡，如在Meinke/Gundlach，a.a.0.中叙述过的。
在被表示的装置中在垂直于管子轴线相对立的隔板之间形成电磁驻波场，此时测量探测器位于其中心，在中心上面产生电压节点和因此产生非常均匀的高频电磁场。因此天线1的作用如同开槽的单绕组-亥姆霍兹-线圈类似于目前在高分辨率的NMR-频谱仪中使用的。用相似的方式和方法将高分辨率的一个或多个频率或者“魔术角纺纱”以及“交叉偏振”或者“减弱震波”试验的天线可以具有或者没有梯度场与第一个波导管相匹配。
将测量探测器从下边插入超导高磁场。测量探测器是通过杜瓦瓶与低温冷却的天线元件隔开，则测量探测器可以在室温或者另外单独的温度下进行试验。
在有利的探测器头中使用低温冷却的前置放大器单元V，以便也在这个区域中避免由于热噪声降低信噪比。作为可使用的前置放大器特别是如同R.J.Prance等人在物理杂志E科学仪器，第15卷，101-104页，1982年1月“U.H.F.超低噪声低温FET前置放大器”中叙述的。
将整个探测器头包括天线1封闭在附图中没有表示的具有1.85K封闭循环运行的低温发生器的循环-低温恒温器中，将探测器头从上边送入具有垂直孔的超导磁体中，此时在孔的区域是室温。测量探测器的空间是构成为向低温恒温器上边凹进向里折弯的。
权利要求
1.NMR-频谱仪的探测器头，至少有一个发送器单元用于产生高频电磁激励波和至少有一个前置放大器单元(V)用于将经过激励波激励的测量探测器的测量信号放大，具有低温冷却的初级测量回路，这至少有一个第一个天线(1)和第一个波导管(2)，其中天线(1)经过第一个波导管(2)与前置放大器单元(V)是连接的，其特征为，至少第一个波导管(2)工作在非正常集肤效应区域，其中至少在第一个波导管(2)中放电载体的平均自由行程长度大于电磁集肤深度，和安排了用于短时与其特征阻抗相匹配的初级测量回路。
2.按照权利要求1的探测器头，其特征为，至少第一个波导管(2)工作在极端不正常的集肤效应区域。
3.按照权利要求1或2的探测器头，其特征为，至少第一个波导管(2)是由具有尽可能高的固有电阻比为ri≥104的金属构成的。
4.按照权利要求3的探测器头，其特征为，用于第一个波导管(2)的导电材料至少使用最高纯度的铝。
5.按照权利要求3或4的探测器头，其特征为，第一个波导管(2)的至少内部和外部的导体表面有与导体内部同样的固有导电性。
6.按照上述权利要求之一的探测器头，其特征为，前置放大器单元(V)和天线(1)是可开关控制地相互连接的。
7.按照上述权利要求之一的探测器头，其特征为，使用氦-II作为低温介质。
8.按照权利要求7的探测器头，其特征为，运行温度为1.85K。
9.按照权利要求7或8的探测器头，其特征为，将氦-II至少使用在第一个波导管(2)中作为介电介质。
10.按照权利要求9的探测器头，其特征为。将NMR-频谱仪中的天线(1)安排在第一个波导管(2)的下边。
11.按照权利要求1前序部分的或者按照上述权利要求之一的探测器头，其特征为，将第二个波导管(3′，3″)特别是在至少一个开口的上边进行耦合以及与具有第一个波导管(2)的发送器单元相连接，和安排了将第二个波导管(3′，3″)的激励波在第一个波导管(2)中进行耦合的装置，通过这个装置压低传播到前置放大器单元(V)的激励波。
12.按照权利要求11的探测器头，其特征为，用于激励波耦合的装置包括λ/2迂回导线(9′)和有定向耦合器的作用。
13.按照权利要求11或12的探测器头，其特征为，第一个波导管(2)在第一个波导管(2)中的第二个波导管(3′，3″)和前置放大器单元(V)的耦合区域之间有用于短路的装置，特别是至少有一个Pin-二极管(21)。
14.按照权利要求11至13之一的探测器头，其特征为，第二个波导管(3′，3″)的激励波在第一个波导管(2)中的耦合是可开关控制的。
15.按照权利要求14的探测器头，其特征为，将第二个波导管(3′)构成为开放的封闭导线谐振器，导线谐振器与其用于耦合到第一个波导管(2)中的开口的距离为n·λ/2，在发送器单元方向相反一边可以将导线谐振器瞬时经过放电间隙(11′)短路。
16.按照权利要求15的探测器头，其特征为，至少将形成为电极的放电间隙(11′)的端部通过氦-II冷却，此时电极与具有至少一个入口(33′)和一个出口(34′)的氦-II通道处于接触和出口(34′)有半渗透性的薄膜。
17.按照权利要求14的探测器头，其特征为，将第二个波导管(3′)分成两个导线路径(13″，14″)，导线路径在第一个波导管(2)中有益的相互距离为(2n+1)·λ/4处进行耦合，其中两者有一个短路的端部和经过短路电路可以缩短(2n＋1)·λ/4。
18.按照权利要求17的探测器头，其特征为，两个导线路径(13″，14″)在其端部短路的导线长度(15″，16″)的长度为(2n+1)·λ/4，特别是借助于至少一个Pin-二极管(17″，18″)可以将其输入端短路。
19.按照权利要求11至18之一的探测器头，其特征为，至少将波导管之一构成为同轴导体。
20.按照权利要求19的探测器头，其特征为，将多个同轴波导管构成为具有一个共同轴的多层同轴导体。
21.按照权利要求1总概念或者按照上述权利要求之一的探测器头，其特征为，安排了第二个天线，其中天线是这样安排的，第一个天线(1)在作为赫芝偶极子发射的测量探测器的赤道近场测量测量信号和噪声信号和第二个天线单独在轴向近场测量噪声信号。
22.按照权利要求21的探测器头，其特征为，将第一个天线(1)构成为双边纵向开槽的具有短路的端部的管子形式。
23.按照权利要求21或22的探测器头，其特征为，第一个天线(1)经过具有与频率有关的平衡的λ/4-变换(22，23，24)耦合在第一个波导管(2)。
24.按照权利要求21至23之一的探测器头，其特征为，第二个天线是一个简单的、在测量探测器近场中B1-场的轴向方向装备的、短的电的或者磁的特别是具有前置楞勃-透镜的偶极子天线。
25.按照权利要求1前序部分的在探测器头中的氦-II作为低温介质特别是运行温度为1.85K时的应用。
26.按照权利要求1前序部分的在探测器头中的氦-II作为波导管中的电介质的应用。
全文摘要
NMR－频谱仪的探测器头,至少有用于产生高频激励波的发送器单元和至少有用于放大由激励波激励的测量探测器的测量信号,具有低温冷却的初级测量回路,这至少有第一个天线和第一个波导管,其中天线经过第一个波导管与前置放大器单元相连接,此时至少第一个波导管工作在非正常集肤效应区域,其中在第一个波导管中的平均自由行程长度大于电磁集肤深度,和其中初级测量回路安排了为了与其特性阻抗短时匹配的装置。
文档编号G01R33/345GK1328645SQ99813895
公开日2001年12月26日 申请日期1999年9月30日 优先权日1998年9月30日
发明者威尔弗里德·伯格曼 申请人:威尔弗里德·伯格曼