專利名稱：核磁共振譜儀用的徑流探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的目標(biāo)在于核磁共振(NMR)測試裝置，特別是用于NMR譜儀的探頭。
背景技術(shù)：
利用核磁共振(NMR)測試物質(zhì)以確定其中的組分在技術(shù)上是眾所周知的。在已知的設(shè)備中，將樣品置放在一磁體的兩個極之間并被線圈包圍，以使樣品經(jīng)受預(yù)定頻率的RF電磁脈沖。然后用NMR裝置探測受檢樣品的核子所發(fā)生的NMR脈沖并用熟知的方法加以處理，以識別樣品的組分。
NMR分析可以在通常稱為譜儀的設(shè)備中進(jìn)行。這些譜儀被設(shè)計成在磁體的兩極之間具有探頭，以接納待分析的樣品。與探頭相關(guān)聯(lián)的RF線圈和調(diào)諧電路產(chǎn)生一種使核子凈磁化強度旋轉(zhuǎn)的電磁場(B)。這些RF線圈還探測核子在X、Y平面內(nèi)旋進(jìn)時的橫向磁化強度。該RF線圈使樣品的核子以拉莫爾頻率脈動。因而產(chǎn)生用于樣品識別的可讀信號。
在共同擁有的美國專利No.5,371,464(Rapoport)中公開了一種按上面剛描述過的方法工作的示范性探頭，此處將結(jié)合作為參考。這種探頭，以及其它與之相似的探頭，盡管在技術(shù)上有了改進(jìn)，但仍然存在不少缺點。
最大的缺點涉及到溫度的變化，特別是由于樣品流和磁體本身之間存在的強的熱傳導(dǎo)性，致使與加熱磁體相關(guān)使溫度升高。這主要是由樣品必須貫穿高溫流以維持用于分析的液態(tài)，從而避免冷卻所產(chǎn)生的膠凝、固化等。這些樣品典型地會在探頭內(nèi)外擴(kuò)散，通過空氣在周圍環(huán)境中傳遞，最終到達(dá)磁體而使磁體溫度升高。來自樣品的熱量還可以經(jīng)輻射傳遞到周圍環(huán)境和通過探頭本身的材料傳導(dǎo)。
由于磁體溫度同磁通量成正比，所以加熱使磁體經(jīng)受磁通量的變化。這些磁通量的變化改變了磁體的均勻性，因而使得到的結(jié)果不準(zhǔn)確，且在某些情況下是沒有價值的。
即使是樣品流溫度的小的變化也足以引起磁通量大的改變。如美國專利No.5,166,620(Panosh)中所公開的那樣，將頻率鎖定技術(shù)引入探頭，通過控制RF線圈的頻率來對抗磁通量的改變。對于磁均勻性的改變，只能用磁體的調(diào)整(shimming)來實現(xiàn)。
當(dāng)今，要想在這些系統(tǒng)中對磁體實行控制，需將復(fù)雜的、高準(zhǔn)確性的熱交換器用于這些探頭。這些熱交換器被放置在樣品流進(jìn)入探頭之前的路途上。但已發(fā)現(xiàn)這種方案成本極為昂貴，因而難于在聯(lián)機(jī)處理環(huán)境下實施。
此外，磁體和樣品流之間的溫度傳導(dǎo)性也影響樣品本身。在所希望的測試時間(期間)內(nèi)將樣品強行留駐在探頭內(nèi)，由于在分析期間它的流動暫時停止，樣品本身發(fā)生改變。這種溫度的改變可以影響NMR測試結(jié)果。
發(fā)明概述本發(fā)明通過提供一種杜瓦瓶型(a dewer type)探頭裝置以改進(jìn)當(dāng)代技術(shù)，它便于樣品流同磁體的熱屏蔽。這是通過消除探頭內(nèi)的熱傳遞實現(xiàn)的。這種裝置特別適合于聯(lián)機(jī)處理環(huán)境。
本發(fā)明的該裝置是一種NMR探頭，它包括限定一內(nèi)室的主體。該內(nèi)室適于支持真空，而主體是一種非磁性材料。一導(dǎo)管穿過主體內(nèi)的內(nèi)室。該導(dǎo)管具有與一些第二段相聯(lián)系的第一段，第一段對這些第二段起著聯(lián)接作用(intermediate)，采用熱膨脹系數(shù)基本上相等的非磁性材料制做第一段和第二段。RF線圈沿至少第一導(dǎo)管段的基本段設(shè)置。這種裝置最好在其內(nèi)室內(nèi)還包括有場或頻率鎖定單元以及吸氣器，便于除去室內(nèi)的氣體以維持優(yōu)選的高壓真空。
附圖簡述參照附圖將對本發(fā)明加以說明，其中相同的附圖標(biāo)記或符號表示相應(yīng)的或相同的組件。在附圖中

圖1是本發(fā)明裝置的正視圖2是本發(fā)明裝置的剖切圖；圖3是移去組件的本發(fā)明的底視圖；圖4是沿圖1中4-4線所取的本發(fā)明剖視圖；圖5是沿圖1中5-5線所取的本發(fā)明的剖視圖；和圖6是本發(fā)明組件的原理圖。
附圖詳述圖1從總體上表示同磁體M(典型地具有北極“N”和南極“S”)一起使用的本發(fā)明裝置20，由磁體M產(chǎn)生磁場(用矢量Bo表示)。該磁體M是本發(fā)明引作參考的美國專利No.5,371,464中詳述的裝置的一部分，它被設(shè)計成適應(yīng)于管狀或其他類似形狀的探頭，例如本發(fā)明的裝置20。
該裝置20包括封裝圓柱體26的底座22和上蓋24。底座22最好包括一環(huán)形件27，而環(huán)形件27最好是用作散熱片的單片。待分析的流體從中通過的導(dǎo)管28，穿過圓柱體26延伸。在導(dǎo)管28和圓柱體內(nèi)壁26a之間有一空間30。RF線圈40最好沿導(dǎo)管28的非磁性特別是非金屬的區(qū)段包繞(journal)導(dǎo)管28。圓柱體26同底座22及上蓋24相組合形成氣密，使之在需要工作時該空間30中可以完全抽空達(dá)到超高真空度(約為10-6至10-8毫米水銀柱)。該裝置20包括附帶的電子控制線路，其詳細(xì)情況在下面加以說明。
圖2和圖3更詳細(xì)地示出了裝置20。場或頻率鎖定單元或機(jī)械裝置43，包括由RF線圈46包繞的密封樣品44以及相關(guān)的電子學(xué)線路，雖不要求但最好是裝置20的一部分。該頻率鎖定單元43是例如依照共同擁有的美國專利No,5,166,620(Panosh)細(xì)述的那種，在此引為參考。
RF線圈40、46端接在線40a、40b、46a、46b上，其經(jīng)連通頭(feedthrough)50a、50b和52a，52b連接到控制電子線路(以下詳述)上。連通頭50a、50b、52a、52b位于底座22上的孔54a、54b、56a、56b中并與之固定，使之在它們各自的孔54a、54b、56a、56b中形成氣密封。端線40a、40b、46a、46b優(yōu)選為鍍銀銅線，最好穿過導(dǎo)向盤58、59上大小成比例的開口并用非磁性材料焊接將其固定在該處。這些導(dǎo)向盤58、59優(yōu)選采用陶瓷或非磁性和非導(dǎo)電材料，并沿導(dǎo)管28懸掛在導(dǎo)管28段的附著點，并用于保持線40a、40b、46a、46b的適當(dāng)走線，使之不會相互接觸。
采用吸氣器，如St172標(biāo)準(zhǔn)吸氣器系列，最好是ST172/H1/7-6/150C型，制造代碼為5K0350，產(chǎn)自Saes Getters，Via Gallatate 215，Milan20151，意大利，以保持裝置20的空間30內(nèi)的真空，尤其是高真空。該吸氣器，以及其他任何被采用的吸氣器最好是圓柱體形或相同形狀(雖然其他形狀，例如方形、長方形、多角形、三角形，橢圓形也是允許的)。該吸氣器60用線62a、62b連接到以氣密封方法安裝在洞66a、66b內(nèi)的連通頭64a、64b上，同上面細(xì)述過的連通頭50a、50b、52a、52b的情形相似。該吸氣器60被配置成經(jīng)由線62a、62b(根據(jù)上面線40a、40b、46a、46b)接收電壓，典型地約為5伏，以吸收在該裝置內(nèi)由于組件隨時間出現(xiàn)的放氣而形成的分子(典型地為氣體)，因此將真空保持在最佳水平(詳細(xì)如上所述)。雖然只示出了單個吸氣器60，采用多個吸氣器也是允許的。
連通頭50a、50b、52a、52b、64a、64b最好用諸如KOVAR牌的合金(CRS Holdings.，Inc，Wilmington，Delaware)制做，并做成圓柱形狀或相同形狀用于將線包圍。優(yōu)選采用KOVAR是由于它的熱膨脹系數(shù)與底座22的材料膨脹系數(shù)相近，并且可以用氣密封方法固定在底座22的孔54a、54b、56a、56b、66a、66b中。其他材料也可以滿足要求，只要它們具有與底座材料相適合的熱膨脹系數(shù)。其他的連通頭形狀，例如正方形，長方形，多角形、三角形、橢圓形等也是允許的，只要底座22上的孔54a、54b、56a、56b、66a、66b也有著相應(yīng)的形狀。
線40a、40b、46a、46b、62a、62b穿過相應(yīng)的連通頭50a、50b、52a、52b、64a、64b延伸，用線40a、40b、46a、46b連接到電子控制線路上，該線路的一部分在接合件(land)67、68上。每個接合件67、68典型地與用于RF線圈40、鎖定線圈46的控制電子線路對應(yīng)。當(dāng)希望吸收器60工作時，線62a、62b適于同外部電源接通并從外部電源接收電壓以供給吸氣器60。
同上面連通頭50a、50b、52a、52b、64a、64b相類似，同樣用氣密方法將管70固定在底座22的開口72內(nèi)。該管70適于連接到提供真空抽空的抽氣源，并且是一種可以被擠壓(例如展平)和密封的材料，典型地采用銅焊(按照下面詳述的那樣)或類似方法，以保持真空。這種管70最好用黃銅制做，但也可以是其他的材料，如鋁或其他材料，最好采用軟金屬，便于展平和近距離的氣密封方法的銅焊(用下面詳細(xì)介紹的銅焊)，以達(dá)到保持所希望的高水平真空的目的。
底座22也可以包括連接口76a、76b(虛線所示)，例如像出自MACOM，Massachusetts的部件No.2006-5010-00的SMA，允許用電纜、線等連接到控制電子線路，特別是位于接合件67、68上的那些電子線路。典型地至少有兩個連接口76a、76b，一個用于每個主RF線圈40和場或頻率鎖定RF線圈46。上蓋24同底座22相似，但典型的不包括如上詳述的那種連通頭和管。但是，如希望的話，可以在上蓋24中存在這些結(jié)構(gòu)。
底座22和上蓋24由非磁性材料制做，優(yōu)選材料是如不銹鋼的非磁性材料。其他材料，諸如鉬、鈦等同樣也合適?？梢杂孟嗤幕虿煌牟牧现谱龅鬃?2和上蓋24。
如圖4所示，圓柱體26最好由銅焊到不銹鋼上的鉬材料制做，其內(nèi)壁26a最好是發(fā)亮的，使之有高反射性。最好采用電拋光技術(shù)，然后用超聲清洗的方法使圓柱體26的內(nèi)壁發(fā)亮。
盡管示出的底座22、上蓋24和圓柱體26分別是圓形和圓柱形，但它們可以是方形(長方形)，三角形等其他形狀。最好用銅焊或焊接技術(shù)將底座22、上蓋24和圓柱體26接合在一起使之氣密封，以便能支持在空間30內(nèi)所希望的超高真空。
銅焊操作最好使用Palciul 10或Gapasil 9作為銅焊材料，其銅焊過程在真空條件下完成。在一種實例性的銅焊操作中，在大約700℃時抽氣約10分鐘，然后將溫度升至930℃再抽10分鐘。優(yōu)選的焊接操作是TIG焊接，例如可用TIG焊機(jī)和0.020電極在35-40設(shè)定上進(jìn)行。
導(dǎo)管28的詳情示于圖5，現(xiàn)結(jié)合圖1-3對它加以說明。該導(dǎo)管28包括分析段或管80，在它的兩端裝有適配器82。這些適配器82本身又裝在導(dǎo)管段84上，形成導(dǎo)管28的余下部分。這些導(dǎo)管段80、82、84應(yīng)對準(zhǔn)以形成同軸(沿軸85)。附著件最好是公-母型配合并用如銅焊技術(shù)(詳情見上面討論)將其接合在一起。也允許采用其它配合和接合方法。盡管只示出了圓的或圓柱體狀導(dǎo)管，但也可以是其他的形狀，如方形(長方形)，三角形，多角形等。
分析段或管80最好是一種陶瓷管，用一種如鋁的陶瓷材料制成的管，例如用96％的鋁或鋁23，它可以在高壓高溫下保持流體，鋁23可以從Frialit-Degussit，Postfach 710261，D-68222，Manheim，Germany買到。其他非磁性，非金屬材料，如玻璃和藍(lán)寶石同樣適合，只要對它們加以處理使之能在高壓下保持流體。管80是這樣一種導(dǎo)管，它能使RF線圈40圍繞它成軸頸，線圈40可以同導(dǎo)管接觸，也可以不同導(dǎo)管接觸，或者兼顧兩種方式(接觸區(qū)段和非接觸區(qū)段)。該管80形成公-母配合的“公段”，并有相應(yīng)的適配器82。該管80最好用上面說明的如銅焊技術(shù)連接到相應(yīng)的適配器82上。
適配器82最好是一段管子，它的材料最好是如鈦這種金屬。優(yōu)選采用鈦是因為它的熱膨脹系數(shù)同陶瓷尤其是鋁的熱膨脹系數(shù)相近。也可以用其他的材料形成這些適配器82，只要它們的熱膨脹系數(shù)同管80材料的熱膨脹系數(shù)相近。適配器82形成公-母配合的“公段”，并具有相應(yīng)的管段84。
管段84最好是不銹銅或其他類似的非磁性材料，并最好用如銅焊或焊接(詳情如上述)將它連接到相應(yīng)的適配器82上。管段84分別穿過底座22和上蓋上的洞86，87延伸，并以氣密方法加以密封(如上面詳述)，使之能保持裝置20內(nèi)的真空。同樣優(yōu)選采用熱膨脹系數(shù)同管80和適配器82材料的熱膨脹系數(shù)相近的材料制做管84。
對上面列舉的裝置20的組件，所有材料的選用都是因為它們的放氣即使存在也是很小，因此可以將真空長時間保持，典型地為數(shù)年。
圖6詳細(xì)示出了控制電路，特別是用于相應(yīng)的RF線圈40和鎖定線圈46的控制電路接合件67、68。這些控制電路接合件67、68包括調(diào)諧和匹配電路，在相應(yīng)的線圈40、46和SMA連接器76a、76b間起中介作用，最好將它們連接到控制單元90上，例如微處理器、CPU、個人計算機(jī)或其他計算機(jī)或類似型的設(shè)備，用硬件、軟件或二者之結(jié)合實現(xiàn)對RF線圈40和場或頻率鎖定單元46的協(xié)同控制。這種調(diào)諧和區(qū)配電路將RF線圈40調(diào)諧成高頻天線，并將它與大約50歐姆阻抗相匹配。
接合件67上的調(diào)諧和匹配包括一組形成網(wǎng)絡(luò)的電容器C7-C11。電容器C7、C8和C11是高Q片狀電容器，此處作為例子，它們的電容值分別為4.7微微法拉(PF)、33PF和3.3PF。電容器C9和C10分別為0.8-10PF和3-10PF的可變高Q片狀電容器。
接合件68上的調(diào)諧和匹配包括一組形成網(wǎng)絡(luò)的電容器C2-C6。電容器C3、C4和C6是高Q片狀電容器，此處作為例子，它們的電容值分別為180PF，27PF和5.3PF。電容器C2和C5分別為1-30PF和5-25PF的可變高Q片狀電容器。
工作時，裝置20置于磁體內(nèi)部，詳情如美國專利No.5,371,464所詳述。將電纜連接到SMA連接器76a、76b并將裝置抽空至大約10-6至10-8毫米汞柱的優(yōu)先真空水平，然后用管70，借助于銅焊技術(shù)(如上面所述)擠壓和密封。將樣品送入裝置20，當(dāng)進(jìn)行NMR分析時，可以將樣品流經(jīng)分析段或管80，或者也可以讓樣品在分析段或管80內(nèi)保持非流動方式。該NMR分析，包括RF線圈40和鎖定線圈46的操作，該操作包括脈沖序列方案，這些都依據(jù)常規(guī)NMR分析進(jìn)行。
盡管已經(jīng)對本發(fā)明的優(yōu)選實施方案進(jìn)行了說明，使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以實踐本發(fā)明，但前面的說明并非只對實例。不應(yīng)當(dāng)將它視為對本發(fā)明的限制，而應(yīng)當(dāng)參照以下的權(quán)利要求加以確定。
權(quán)利要求
1.一種NMR探頭，包括一主體，所說的主體限定一內(nèi)室，該內(nèi)室適于支持真空，該主體采用非磁性材料；一在所述主體內(nèi)貫穿內(nèi)室的導(dǎo)管，該導(dǎo)管有與一些第二段相聯(lián)系的第一段，該第一段聯(lián)接這些第二段，所述第一段和第二段采用熱膨脹系數(shù)基本相等的非磁性材料；和一RF線圈，沿該第一導(dǎo)管段的至少一基本段設(shè)置。
2.如權(quán)利要求1的探頭，它還包括一頻率鎖定單元，該頻率鎖定單元和RF線圈在操作上相聯(lián)系。
3.如權(quán)利要求1的探頭，它還包括至少一個吸氣器。
4.如權(quán)利要求1的探頭，其中所說的第一導(dǎo)管段包括一陶瓷管。
5.如權(quán)利要求4的探頭，其中所說的RF線圈包繞所說的陶瓷管。
6.如權(quán)利要求5的導(dǎo)管，其中所說的導(dǎo)管包括第三段聯(lián)系所說的第一和第二段，該第三段采用非磁性材料，該材料的熱膨脹系數(shù)基本上等于第一導(dǎo)段管的材料的熱膨脹系數(shù)。
7.如權(quán)利要求6的探頭，其中所說的陶瓷是氧化鋁。
8.如權(quán)利要求1的探頭，其中所說的第一導(dǎo)管段包括選自氧化鋁、玻璃和藍(lán)寶石組中的一種材料的管。
9.如權(quán)利要求7的探頭，其中所說的第二段包括不銹鋼。
10.如權(quán)利要求7的探頭，其中所說的第三段包括鈦。
11.如權(quán)利要求1的探頭，其中所說的主體為圓柱形。
12.如權(quán)利要求1的探頭，其中所說的導(dǎo)管是圓柱形。
13.如權(quán)利要求3的探頭，其中所說的RF線圈與所說的至少一個吸氣器在操作上相聯(lián)系。
14.如權(quán)利要求11的探頭，其中所說的主體由選自不銹鋼，鉬、鈦或它們之結(jié)合的組中的材料制做。
15.如權(quán)利要求14的探頭，其中所說的該圓柱形主體內(nèi)的壁是反射型的。
全文摘要
公開一種NMR探頭,它包括限定一內(nèi)室的主體。該內(nèi)室適于支持真空,該主體為非磁性材料。一導(dǎo)管貫穿主體內(nèi)的內(nèi)室延伸。該導(dǎo)管具有與一些第二段相聯(lián)系的第一段,第一段和這些第二段相聯(lián)接。第一段和第二段為熱膨脹系數(shù)基本相同的非磁性材料。一RF線圈沿第一導(dǎo)管段的至少基本段設(shè)置。該裝置最好在內(nèi)室內(nèi)還包括場或頻率鎖定單元和一吸氣器,以讓該內(nèi)室放氣而維持優(yōu)選的高壓真空。本發(fā)明同時還公開了利用這種NMR探頭進(jìn)行NMR分析的方法。
文檔編號G01R33/30GK1378650SQ00814196
公開日2002年11月6日 申請日期2000年9月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月13日
發(fā)明者塔爾·科恩, 內(nèi)姆·萊維, 雅伊爾·舒爾, 尤里·拉伯保特 申請人:?？怂辊U羅核磁共振有限公司