CN105074490A - 用于电子自旋共振的共振器装置 - Google Patents

Abstract

在一些方面中，说明了自旋共振应用的共振器装置。在一些示例中，所述共振器装置包括基板、端子和共振器。所述端子包括：第一端子，其具有布置在所述基板表面上的第一端子分段；以及第二端子，其具有与所述第一端子分段相对地布置在所述基板表面上的第二端子分段。所述共振器包括在所述第一端子和所述第二端子之间布置在所述基板表面上的导体。各导体都布置在所述第一端子分段之一和各个相对的所述第二端子分段之一的中间。

Description

用于电子自旋共振的共振器装置

技术领域

本申请要求2013年2月1日提交的标题为“共振器装置”的美国临时专利申请61/759,813以及2013年6月28日提交的标题为“用于电子自旋共振的共振器装置”的美国发明专利申请13/931,382的优先权。

背景技术

本发明涉及针对包括电子自旋共振(ESR)应用的磁共振应用的共振器装置。磁共振系统用于研究各种类型的样品和现象。在一些磁共振应用中，静止的外部磁场对样品中的自旋进行偏振，并且共振器通过以接近自旋的共振频率的频率产生磁场来操作该自旋。在电子自旋共振(ESR)应用中，共振器通常在微波频率处工作以与样品中的电子自旋进行交互。

发明内容

在这里所述的一个一般方面中，共振器装置包括可以被同相驱动的多个平行共振器。

在一些方面中，电子自旋共振(ESR)共振器装置包括具有平面基板表面的基板。所述ESR共振器装置包括：第一端子，其包括布置在所述基板表面上的第一端子分段；第二端子，其包括与所述第一端子分段相对地布置在所述基板表面上的第二端子分段；以及共振器，其在所述第一端子和所述第二端子之间。所述共振器包括布置在所述基板表面上的导体。各共振器的导体布置在所述第一端子分段和各个相对的所述第二端子分段之一的中间。

实现可以包括一个或多个以下特征。所述共振器是各自配置成在相同微波共振频率处共振的微带共振器。各所述共振器是半波共振器、全波共振器或多半波共振器。各共振器被配置成在各半波分段的中心处提供最大磁场。

此外或可选地，这些和其它实现可以包括一个或多个以下特征。所述ESR共振器装置包括基板，其具有包括所述基板表面的第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧。所述ESR共振器装置包括布置在所述基板的所述第二侧上的接地导电平面。

此外或可选地，这些和其它实现可以包括一个或多个以下特征。所述共振器导体彼此平行，并且导体的各相邻对之间的间距相等。各所述导体是长形的并且包括：第一末端，其电容性耦合至所述第一端子分段之一；以及第二相对末端，其电容性耦合至所述第二端子分段之一。所述ESR共振器装置可以包括：第一介电体积，其在各导体的所述第一末端和所述第一端子分段之一的中间；以及第二介电体积，其在各导体的所述第二末端和所述第二端子分段之一的中间。所述介电体积可以包括介电材料、真空或介电材料和真空二者。所述介电体积也可以称为“介电间隙”或“间隙”。所述第一介电体积和所述第二介电体积可以是不同材料。

此外或可选地，这些和其它实现可以包括一个或多个以下特征。所述第一端子包括布置在所述基板表面上的第一端子导体。所述第一端子导体具有第一端子输入侧和第一端子分段侧。所述第一端子分段侧包括所述第一端子分段。所述第二端子导体具有第二端子输入侧和第二端子分段侧。所述第二端子分段侧包括所述第二端子分段。所述第一端子包括所述第一端子输入侧和所述第一端子分段侧之间的第一分支结构；以及所述第二端子包括所述第二端子输入侧和所述第二端子分段侧之间的第二分支结构。

此外或可选地，这些和其它实现可以包括一个或多个以下特征。所述第一分支结构和所述第二分支结构各自包括输入侧和各分段侧之间的连续级，并且各级中的单个分支具有前一级中的单个分支的阻抗的两倍的阻抗。所述分支结构可以各自包括从所述端子侧起的第三级开始的一个或多个锥形分支部分。

此外或可选地，这些和其它实现可以包括一个或多个以下特征。所述第一端子导体和所述第二端子导体、以及共振器导体在所述基板上形成表面线圈(或平面共振器)。所述第一端子导体和所述第二端子导体、以及所述共振器导体由导电材料或超导电材料制成。所述ESR共振器装置包括与所述表面线圈邻接并且在所述基板的相对侧上的样品区域。

在一些方面中，说明了电子自旋共振(ESR)方法。在ESR共振器装置的端子输入处接收激励和控制信号。所述端子输入导电性耦合至端子输出分段。从所述端子输出分段向多个所述共振器提供所述激励和控制信号。从各所述端子分段向各共振器同相地传送所述激励和控制信号。

实现可以包括一个或多个以下特征。在所述ESR共振器装置的第一端子输入和第二端子输入处接收所述激励和控制信号。例如通过连接至所述端子输入的电子装置在所述ESR共振器装置外部生成所述激励和控制信号。所述第一端子输入导电性耦合至端子输出分段的第一集合并且所述第二端子输入导电性耦合至端子输出分段的第二集合。从所述端子输出分段的第一集合和第二集合向所述共振器提供所述激励和控制信号。通过所述端子输出分段的第一集合与所述共振器的第一末端之间以及所述端子输出分段的第二集合与所述共振器的第二相对末端之间的电容性耦合向所述共振器提供所述激励和控制信号。所述共振器生成在整个平面样品区域中均一的磁场。所述样品区域中的进动电子自旋可以在所述共振器两端以微波频率感应出电动势(emf)。

在一些方面，说明了电子自旋共振(ESR)方法。在布置于基板上的平面表面线圈处接收激励和控制信号，并且所述平面表面线圈包括多个平行的共振器。在与所述表面线圈邻接并且与所述基板相对的样品区域中生成磁场。所述磁场是通过多个所述平行导体各自在同一方向上并且并行地传导所述激励和控制信号所生成的。

实现可以包括一个或多个以下特征。所述平行共振器是长形的，并且所述方法包括以下步骤：接收各共振器的第一末端处的端子分段处以及各共振器的第二相对末端处的端子分段处的所述激励和控制信号。所述平行共振器电容性耦合至所述端子分段。

此外或可选地，这些和其它实现可以包括一个或多个以下特征。所述磁场操作所述样品区域中的电子自旋。所述样品区域可以是在半波共振器的中心处的平面体积。所述磁场在所述基板上方的平面体积中是大致均一的。

这里所述的一些示例装置和技术可以用于电子自旋共振(ESR)应用、核磁共振(NMR)应用和其它应用。在一些实现中，所述共振器装置可以包括有效地用作具有高品质因数的耦合腔的多个共振器，并且可以生成具有小模体积的大致均一的微波频率磁场。在一些示例中，这里所述的示例共振器装置和技术可以用于附加或不同的应用，这些应用包括期望高品质因数、低模体积、或高品质因数和低模体积的组合、或其它特性的其它状况。

将在以下附图和说明书中说明一个或多个实现的细节。根据说明书和附图、以及根据权利要求，其它特征、目的和优点将是明显的。

附图说明

图1是示例共振器装置的示意性立体图。

图2A、2B和2C是示例共振器装置的表面线圈的顶视图。

图3是示出示例电子自旋共振技术的流程图。

图4A和4B是示例共振器装置模拟所生成的磁场的示意图。

图5A是N个相同共振器的阵列的示例等效电路模型的电路图；图5B是图5A中所示的等效电路模型的示例简化版本的电路图；图5C是馈送部分的示例诺顿表示的电路图；以及图5D是示例有效共振器的电路图。

图6是示出不同数量的共振器的示例品质因数的图。

各图中的相似附图标记表示相似元件。

具体实施方式

这里所述的一些方面中，具有高品质因数的共振器装置可以产生具有低模体积的磁场。在一些实现中，共振器装置可以用于ESR(电子自旋共振)应用(例如，脉冲ESR和连续波ESR)以产生在整个ESR样品的平面内大致均匀的微波频率(μf)磁场。在一些示例中，共振器装置可以基于包括超导电微带传输线(μTL)的阵列的微带结构来建立。在一些示例中，以指定的频率同相地驱动微带线，并且微带线产生均一地分布在与微带线的基板平行的平面上的具有小模体积的磁场分布。

在一些示例实现中，共振器装置可以包括两个端子和在两个端子之间的共振器的阵列。端子和共振器可以构造成微带传输线，并且接地平面和表面导体布置在介电基板的相对侧上。表面导体可以在基板的一侧上限定表面线圈，并且接地平面布置在该基板的相对侧上。在操作中，端子可以接收来自电子装置的信号(例如，微波频率共振信号)，并且将该信号传送至共振器的阵列。输入信号可以是源自共振器装置外部的电子装置的驱动信号。共振器可以在两个端子之间并行地承载输入信号，并且在共振器以外的样品区域中(例如，在基板上方的区域中)产生磁场。在一些示例中，共振器可以用作耦合腔，并且共振器装置可以具有高品质因数并且在共振器上方的样品区域中产生微波磁场。

在一些实现中，端子具有在共振器的阵列中分割输入信号的分支结构。例如，各端子可以包括在端子的一侧上的端子输入以及在端子的另一侧上的多个分段。分支结构可以匹配各分支点处的阻抗以向各分段传送相等功率，并且各分段可以将各自的功率传送至其中一个共振器。两个端子可以是例如彼此对称的，以使得一个端子中的各分段是另一个端子中的对应分段的镜像，其中一个共振器在分段的各相应对之间对齐。

在一些示例中，共振器装置可以仅具有单个端子。例如，可以在共振器的一个末端处使用单个端子并且共振器的另一末端可以保持开放，或者由诸如50欧姆电阻性负载等的电路负载所终止。在这种情况下，单个端子可以用于传输和检测这二者。可以将如图1、2A、2B和2C中所示的具有两个端子的示例共振器装置修改为仅具有单个端子。例如，可以从共振器装置中省略两个端子之一，或者可以将共振器装置修改为通过单个端子来工作。

在一些实现中，分段通过各共振器的两个末端上的介电间隙末端耦合至共振器。端子和共振器可以电容性耦合在各个介电间隙两端。通过共振器和端子分段之间的末端耦合可以将输入信号同相地传送至各共振器。共振器可以沿着各自的侧面彼此边缘耦合。共振器的阵列可以作为半波共振器、单波共振器或多半波共振器工作，并且各共振器都可以与其它共振器同相地承载输入信号。承载输入信号的共振器的阵列可以在共振器上方和附近的局部区域中生成均一磁场。

图1是示例共振器装置100的示意性立体图。图1示意性地示出了示例共振器装置100的各种特征；参考图2A、2B和2C示出和说明了示例尺寸和几何形状。示例共振装置100可以被操作以在共振器装置100上方的样品区域160中产生时间变化磁场。例如，共振器装置100可以产生被配置成对样品区域160中的核自旋或电子自旋进行操作的无线频率(rf)或微波频率(μf)。

图1中所示的示例共振器装置100包括两个端子110a和110b以及端子110a和110b之间的共振器的阵列120。端子110a和110b、以及共振器的阵列120连同接地平面142可以限定介电基板130的上表面132上的包括任何金属材料(例如，导电材料和超导电材料等)的微带传输线结构，其中介电基板130的上表面132与介电基板130的下表面134上的接地平面142分离。介电基板130可以由诸如例如蓝宝石、硅、石英或其它类型的非磁性介电晶体材料等的介电材料制成。共振器装置可以包括附加或不同的特征，并且共振器装置的特征可以按所示结构中或者其它结构进行配置。

如图1中示意性地示出，各端子110a和110b分别包括布置在基板130的上表面132上的导体111a和111b。各导体111a和111b的主体分别具有输入侧112a和112b以及分段侧114a和114b。各分段侧114a和114b分别包括从主体向共振器的阵列120延伸的分段组116a和分段组116b。将分段侧114a和114b示出为各自包括四个分段116a和116b。在各种实现中，各端子可以包括2个分段(例如，如图2A或者其它结构中那样)、4个分段(例如，如图2B或者其它结构中那样)、8个分段(例如，如图2C或者其它结构中那样)、16个分段、32个分段、64个分段或者一般的2的幂次方个分段。端子110a和110b在共振器的阵列120的相对侧上彼此对齐，以使得一个端子110a上的各分段116a与另一个端子110b上的分段116b的一个对应分段对齐。

如图1中示意性地示出，共振器的阵列120中的各共振器分别包括布置在基板130的上表面132上的导体122。各导体122都在分段116a之一和各个相对的分段116b之一之间对齐。各导体122都是长形的，并且包括两个末端124a和124b。各导体122的第一末端124a电容性耦合至各端子分段116a，而各导体122的第二相对末端124b电容性耦合至各端子分段116b。共振器的阵列120可以包括2个共振器(例如，如图2A或者其它结构中那样)、4个共振器(例如图2B或者其它结构中那样)、8个共振器(例如图2C或者其它结构中那样)、16个共振器、32个共振器、64个共振器或者一般的2的幂次方个共振器。

在图1所示的示例中，介电间隙140a限定在各导体122的第一末端124a和分段116a之间。类似地，介电间隙140b限定在各导体122的第二末端124b和分段116b之间。介电间隙140a和140b可以包括真空、介电材料(例如蓝宝石、硅和石英等)或者真空和介电材料的组合。端子分段116a和116b可以用作经由介电间隙114a和114b耦合至共振器的阵列120的馈线。在一些实现中，各共振器120电容性地末端耦合至各末端处的对应分段。在操作期间的一些示例中，所有共振器120都从同一对端子110a和110b经历电磁等效的馈线路径，并且共振器120可以以其基频同相地共振。

在一些实现中，各端子110a和110b的主体都包括输入侧112a和112b与各分段侧114a和114b之间的分支结构。分支结构可以用作将来自端子输入侧112a和112b的功率分割并传送至端子分段116a和116b的功率分割器。在一些示例中，分支结构可以包括端子输入侧112a和112b与各分段侧114a和114b之间的连续级(或者分割阶段)。在一些示例中，分支结构可以被配置成实现各分割阶段处的期望分支阻抗。例如，分支结构被设计成匹配特定的分割阶段中的分支的所有输入阻抗，以改进(例如，提高、最大化、最优化或者其它改进)功率传输并且减少信号反射。在一些实现中，各级中的单独分支可以具有前一级中的单独分支的阻抗的两倍的阻抗。在一些实现中，功率分割器可以包括例如锥形的分支部分，以调整用于匹配阻抗的线。端子110a和110b示出了分别具有四个端子分段116a和116b的示例分支结构。图2A、图2B和图2C中示出了一些示例分支结构。端子110a和110b可以具有其它类型的结构。

在一些实现中，各共振器120都具有微带结构，在微带结构中，上表面132上的导体122各自与下表面134上的公共接地平面142进行交互。在一些实现中，示例共振器120可以是彼此相同的。在一些示例中，导体122彼此平行，其中各对相邻的导体122之间的间距相等。这里，“平行”广泛用于描述精确平行或者在考虑到结构的最大长度尺度的情况下大致平行的结构。例如，在两个结构的相邻侧、中心线或者其它主导结构特征都平行或者仅包括相对于平行的非显著的偏离的情况下，可以将这两个结构视为平行。

示例共振器120可以基于期望共振频率的波长来设置尺寸。例如，共振器120的长度(例如，从一个末端124a到另一末端124b)可以被设计成在操作的期望频率(例如，ω_γ＝10GHz)附近产生第一共振。各共振器120可以是半波共振器、全波共振器或者多半波共振器。例如，如果期望共振频率是λ，则共振器120可以具有λ/2、λ、3λ/2、2λ等长度。

共振器120可以被配置成在相同的微波共振频率处共振。在一些示例中，例如通过针对各共振器120使用半波共振器，共振器120可以被配置成生成在共振器的半波分段的中心处具有最大场强的磁场。在一些实现中，共振器120可以是彼此边缘耦合的，以使得各共振器所生成的磁场与一个或多个相邻共振器所生成的磁场发生干涉。在某些情况下，共振器120在与表面132垂直的方向上产生平面内均一场。

端子110a和110b的导体111a和111b以及共振器120的导体122可以在基板130的上表面132上形成平面线圈。上表面132上的示例平面线圈延伸至上表面132上方的某个高度，并且该平面线圈具有小的长径比。这里，“平面”广泛用于描述平面尺寸(长度和宽度)之一或二者与高度尺寸相比显著更大的结构。在一些示例中，平面结构在其平面范围上具有大致均一的高度(例如，与结构的整体长度和宽度相比)。在一些实现中，平面表面线圈可以接收输入信号(例如，通过端子输入侧112a)，并且将信号以相同方向传导穿过各平行的共振器120，并且在样品区域160中生成磁场。

在一些实现中，端子110a和110b以及共振器120被配置成超导电传输线。端子110a和110b的导电材料、以及共振器120的导电材料可由诸如例如铌、铌钛、氮化铌、铝、钇、氧化钇钡铜(又称为“YBCO”)或其它适当的材料等的超导电材料制成。端子110a和110b的导电材料以及共振器120的导体122可由诸如例如包括铜、金等的非超导电材料等的其它类型的导电材料制成。通过标准沉积技术可以将导电材料沉积在基板130上。基于标准加工技术，可以对基板130进行蚀刻或调整。

图1中所示的示例样品区域160位于与基板130相对地邻接于表面线圈处。样品区域160可以是平面体积或者其它类型的体积。在一些示例中，共振器120所生成的磁场在整个样品区域160上都是均一的。例如，样品区域160可以包括在操作期间共振器120所生成的瞬时磁场是均匀的(与表面132平行的)平面。样品区域160包括用于ESR应用或实验、或者用于附加或不同的应用的样品。在一些实现中，这些样品可以包括例如朗格缪尔·布洛杰特(Langmuir-Blodgett)膜、高分子膜和生物膜等的薄平面样品。共振器装置100的一些示例应用可以包括使用具有自由基的朗格缪尔·布洛杰特(Langmuir-Blodgett)膜来进行量子计算和使用生物膜来例如标记电子、以及使用ESR来研究膜结合蛋白。

在一些实现中(例如，用于脉冲ESR应用等)，可以将示例共振装置100和样品放置在外部静止磁场(B₀)中。该外部磁场可以与上表面132和下表面134平行，以使得外部场线不贯通表面线圈的超导电材料。该外部磁场可以对样品中的电子自旋进行偏置。在外部磁场中，电子自旋具有共振频率(或者自旋进动频率)。在ESR应用中，共振频率通常在GHz范围内(微波频率)。在操作中，共振器120可以在电子自旋的共振频率处生成微波磁场以操作电子自旋。

示例共振器装置100还可以用于生成检测信号。通过样品区域160中的电子自旋的进动在整个共振器120上所感应出的电压，可以产生检测信号。例如，随着自旋在外部磁场中进动，自旋可以感应地耦合至共振器。共振器120可以将检测信号传送至端子110a和110b。端子110a和110b可以将检测信号传送至可以对该信号进行检测、记录等的外部系统。

图2A、2B和2C是三个示例共振装置200、230和260的表面线圈的顶视图。示例共振器装置200、230和260的端子包括具有多个部分的分支结构以例如将功率按多个阶段分割至端子分段。如图2A、2B和2C所示，示例共振装置200、230和260中的端子分段分别耦合至2个、4个和8个共振器。三个示例装置200、230和260可以包括图1的示例共振装置100的某些或全部特征。例如，三个示例表面线圈可以由沉积在基板上的超导电材料制成，其中接地导电平面在该基板的相对侧上。共振器装置中可以包括附加或不同的部分或者组件，并且可以用其它方式来配置共振器。

所示的示例共振器装置200、230和260包括具有示例大小(例如，长度、宽度、间距等)和参数(例如，阻抗等)的组件。根据装置的期望特性和功能、应用、系统要求、以及其它标准，可以设计、实现、修改或者配置这些尺寸和参数。在所示的示例中，示例共振装置200、230和260包括各具有宽度W₀和长度L₀＝λ/2的半波共振器阵列，其中λ是微波信号的波长。各邻接成对的共振器之间的间距是S。还可以使用其它长度、宽度、间距或类型的共振器。

图2A、2B和2C中所示的示例共振器装置200、230和260是镜像对称的。在接下来的讨论中，说明各示例共振器装置200、230和260的右半部分；左半部分在镜像的方位上具有相同结构。共振器装置可以用其它类型的对称来构建，共振器装置还可以具有不对称结构。

图2A是示出包括两个共振器202的第一示例共振器装置200的表面线圈的顶视图。第一示例共振器装置200的端子204包括两个部分：具有长度L₁和宽度W₁的第一部分206，以及长度是L₂的第二部分。第一部分206的长度(L₁)可以被设计成对在外部微波发射器和连接器的不连续处所产生的所有边缘场和消逝模进行抑制，而第一部分206的宽度(W₁)可以被设计成实现第一部分206的期望阻抗值。例如，宽度(W₁)可以被设计为在第一部分206中具有50Ω的传输线，这依赖于基板(例如，图1中的基板130)的高度和介电常数。在第二部分208处，50Ω的传输线可以被分割成两个较小的100Ω的分段205，其各自具有与共振器202的宽度相同的宽度W₀。分支结构可以用作功率分割器，其中，各分段205可以用作与共振器202之一匹配的馈线，以提供最大的功率传输。

在图2A中所示的示例中，宽度是G的间隙220在共振器202的末端和两个分段205之间延伸。间隙220可以包括介电材料、真空或介电材料和真空的组合。在一些示例中，间隙220可以在分段205和共振器202之间提供电容性耦合。间隙220的大小(G)可以影响装置200的品质因数Q。例如，如果间隙220的大小与两个邻接共振器202之间的间距S相比小，则间隙220可以利用分段205之一和对应的共振器202之一之间的串联电容器来模拟。另一方面，如果间隙220的大小G增加，则分段205和接地平面(例如，图1中的接地平面142)之间的并联电容以及各分段205和各共振器202的尖端之间的间电容可以影响耦合部分。参考图6示出馈线和共振器之间的间隙大小对品质系数Q的一些示例影响。

图2B是示出包括4个共振器232的第二示例共振器装置230的表面线圈的顶视图。第二示例共振器装置230的端子234包括3个部分：长度是L₁的第一部分236、长度是L₂的第二部分238和长度是L₃的第三部分240。作为示例，与第一示例共振器装置200的第一部分206类似地，第一部分236可以是具有宽度W₁的50Ω的微带线。第一部分236分割成具有宽度W₂的两个较小分支235。分支235的宽度(W₂)被选择为用以实现第二部分238中的两个分支235的期望阻抗值。例如，两个分支235可以各自是100Ω的微带线。第二部分238的长度(L2)可以被设计成例如保持负载阻抗不变，以使得两个并联的100Ω的微带线形成与第一部分236中输入的50Ω微带线的阻抗相匹配的阻抗。

在第三部分240中，各个100Ω的分支235分割成两个较高阻抗传输线以限定4个分段245。在一些实现中，第二部分238中的两个分支235之间的间距可以是2S，以使得4个分段是与各对相邻共振器之间的间距是S的4个λ/2共振器232对齐的传输线。可以选择共振器之间的间距以调整敏感平面中的微波磁场的强度和均一性。4个分段可以通过介电间隙250电容性耦合至4个λ/2共振器232。与第一示例装置200的间隙220类似地，间隙250可以包括介电材料、真空或介电材料和真空的组合。如之前所讨论的，间隙250的大小G可以被设计成用以实现期望特性(例如，高品质因数和临界耦合条件)。

图2C是示出包括8个共振器262的第三示例共振器装置260的表面线圈的顶视图。第三示例共振器装置260的端子264包括5个连续部分：长度是L₁的第一部分266、长度是L₂的第二部分268、长度是L₃的第三部分270、长度是L₄的第四部分272和长度是L₅的第五部分274。前四级中的各级导体在下一连续级中分割成两个导体。因此，在第一部分266之后，各级都包括从前一级中的单个导体延伸出来的一对或多对导体。第一部分266和第二部分268与第二示例装置230的第一部分236和第二部分238类似。例如，第一部分266可以包括具有宽度W₁的50Ω的微带线，并且第二部分268可以包括两个分支255，其各自具有宽度W₂以实现100Ω的微带线。第一部分266和第二部分268可以用其它方式来配置。

示例第三部分270包括4个具有宽度W₃的高阻抗微带线分支265。第三部分270(具有长度L₃)可以在功率分割的第二阶段(在268部分处)之后建立。各分支265可以是高阻抗线(例如，Z₀＝140Ω～170Ω)，因此宽度W₃可以小。在一些实现中，长度L3可以被设计得小以使得其输入阻抗变得与从第三部分270的末端部分观看的负载阻抗相等。

示例第四部分272是包括4个锥形分支275的锥形分支部分。锥形分支275在与第三部分270邻接的一个末端处可以具有宽度W₃，并且在与第四部分274邻接的另一个末端处可以具有不同(更大的)宽度W₄。锥形分支部分可以被设计成例如将具有宽度W₃的第三部分270的高阻抗微带线转换成具有宽度W₄＝W₂的4个100Ω的微带线来作为第五部分274的输入线。可以选择第四部分272的长度(L₄)以使得其截止频率不与示例共振器装置260的期望共振频率发生干扰。

示例第五部分274包括具有高阻抗微带线的8个分段285。这8个分段285耦合至锥形分支275的较宽末端，并且具有宽度W₀与共振器262的宽度匹配的8个分段285。在一些实现中，8个分段285具有与第三部分270中的分支相同的宽度和长度(即，W₀＝W₃，L₅＝L₃)。因此，8个分段285可以呈现与第三部分270中的高阻抗微带线(例如，Z₀＝140Ω-170Ω)相同的特性阻抗。8个分段285可以用作馈线，并且可以经由介电间隙290电容性耦合至8个λ/2共振器262。间隙290可以包括介电材料、真空或介电材料和真空的组合。间隙250的大小G可以被设计成实现所期望的装置特性(例如，高品质因数和临界耦合条件)。

在一些示例中，各部分中的各对相邻分支之间的间距可以被设计成使得最后部分的分段与各共振器对齐。例如，在第三示例共振器装置260中，第二部分268中的两个分支255之间的间距是4S，第三部分270中的两个相邻分支265之间的间距是2S，其中S是两个邻接共振器262之间的间距。在一些示例中，邻接共振器之间的间距可以被选择为使得在共振器上方生成的均一磁场出现在所期望的高度。例如，该间距可以影响共振器之间的边缘耦合。适当的间距可以至少部分地基于由各单独共振器所生成的磁场之间的组合和干涉所导致的有效磁场来确定。

在一些示例中，共振器装置可以包括多于8个共振器，并且可以修改端子以对各共振器进行馈送。例如，根据需要，功率分割阶段(例如，第四部分272和第五部分274)可以彼此跟随地进行重复。例如，为了对16个共振器进行馈送，一个示例方法是在第三示例共振装置260的第五部分274之后再添加两个包括8个锥形分支的阶段，然后在8个锥形分支之后再添加16个具有高阻抗微带线的分段。可以继续该模式以通过间隙电容对共振器的阵列进行馈送。因此，共振器的数量可以以2的幂次为倍数增加，这导致有N＝2ⁿ个共振器。还可以应用附加或不同的方法或技术。

在一些示例中，为了增加共振器的数量，需要更多分割级来应对将具有越来越高的特性阻抗的微带线分段。具有高特性阻抗Z₀的微带线可能需要更难制造的低长径比，并且在一些示例中可能限制品质因数。一个示例方法是将第三分割阶段及其后续阶段中的传输线的特性阻抗限制在例如Z₀＝140Ω～170Ω的范围内。此外，诸如图2C中针对8个共振器所示等，可以使用小的锥形部分来建立功率分割器。

图3是示出示例电子自旋共振过程300的流程图。示例过程300的全部或者部分可以使用诸如例如图1中所示的示例共振器装置100、或者图2A、2B和2C中所示的示例共振器装置200、230或260、或者其它类型的共振器装置等的共振器装置来实现。过程300、过程300的个别操作或者操作的组可以迭代或者同时进行以实现所期望的结果。在某些情况下，过程300可以包括以相同或不同的顺序所进行的相同、附加、更少或者不同的操作。

首先，可以将包含电子自旋的集合的样品放置在静止的外部磁场中，并且该外部磁场可以(至少部分地)对该集合进行偏振并且限定电子自旋的共振频率。该样品可以定位在ESR共振器装置的样品体积中。

在302中，提供激励和控制信号给ESR共振器装置。在一些示例中，激励和控制信号是在外部生成的(即，在ESR共振器装置外部)并且通过ESR共振装置上的一个或多个引线被提供给ESR共振器装置。例如，可以通过连接至ESR共振器装置的端子的外部电子装置来生成激励和控制信号。

在某些情况下，ESR共振器装置的各端子包括端子输入和多个端子输出分段，并且端子输出分段耦合(例如，电容性耦合)至多个共振器。端子可以用作将来自端子输入的激励和控制信号分割并传送至端子输出分段的功率分离器，并且端子输出分段可以将激励和控制信号馈送至共振器。作为示例，可以在图1所示的示例共振器装置100的端子110a和110b处接收激励和控制信号。端子110a和110b可以将激励和控制信号传送至各端子分段116a和116b。

在一些实现中，激励和控制信号可以是微波信号。例如，激励和控制信号的频率可以在1GHz～50GHz的范围内。在一些示例中，激励和控制信号的频率是ESR共振器装置的期望共振频率。例如，如果ESR共振器装置具有10GHz的共振频率，则可以以10GHz向ESR共振器装置供电。

在一些实现中，激励和控制信号被提供给布置在基板上的平面线圈，其中平面线圈包括多个平行的导体。例如，平面线圈可以包括由端子110a和110b的导体所形成的表面线圈、以及图1中的示例共振器装置100的共振器120的平行导体122。

在304中，激励和控制信号被提供给ESR共振器装置的共振器。在一些示例中，激励和控制信号是从端子输出分段提供给共振器的。例如，可以通过端子输出分段与共振器的各末端之间经由介电间隙的电容性耦合来提供激励和控制信号。在一些示例中，激励和控制信号可以从各端子输出分段被同相地传送至各共振器。例如，所有共振器可以在共振器上各自的位置处接收到具有共同相位的相同的信号。这样，各共振器上的信号的相位在每个时刻可以大致相同。

在306中，共振器在ESR共振器装置的样品体积上生成时间变化(例如，微波频率)磁场。例如，共振器可以将激励和控制信号转换成样品体积中的磁场。在一些示例中，共振器在例如由微波信号供电的情况下可以生成微波磁场。该磁场可以与表面线圈邻接并且与基板相对地生成。在一些实现中，该磁场在样品区域(例如，平面样品区域)中可以是平面内均匀的，以使得该磁场在横跨样品区域的平面中是均一的。该场在强度上可以是大致均一的，并且占据与样品的体积良好匹配的小模体积。所生成的磁场可以被施加至例如用于脉冲ESR的样品区域中的一个或多个样品。

在308中，共振器所生成的磁场操作样品体积中的电子自旋。共振器所产生的磁场的频率可以调谐至样品中的电子自旋的共振频率。在一些实现中，磁场的持续时间和功率(由共振器在306中产生)可以被指定为以特定的角度使电子自旋转动。在一些示例中，在给定样品中可能存在具有不同共振频率的电子自旋，并且微波场的频率可以调谐为选择性地操作电子自旋的特定集合。

在某些情况下，ESR共振器装置基于样品体积中的电子自旋的动态来生成检测信号。例如，随着电子自旋的进动，电子自旋可以在整个共振器上产生电动势(emf)，并且该感应emf可以被检测为ESR共振信号。

图4A和4B是示例共振器装置模拟的示意图。图4A是包括4个共振器的示例共振器装置404的示例模拟的示意图402，并且图4B是包括8个共振器的示例共振器装置454的示例模拟的示意图452。数值模拟是通过Ansoft高频结构模拟器(AnsoftHFSS)来进行的。

如图4A所示，示例共振器装置404受到沿z轴的外部磁场B₀(410)的影响。该外部磁场410与4个共振器416的导体平面平行，从而避免磁场410穿透共振器416。激励和控制信号可以被施加至共振器装置404的端子414a和414b并且被传送至共振器416。共振器416可以生成磁场408。样品区域406位于共振器装置404的基板表面418上方。磁场408可以在与基板表面418平行的平面中沿y轴均一分布。磁场408可以具有小模体积。在一些示例中，磁场408的均一性水平依赖于相对于基板表面418沿x轴的高度。在一些示例中，在较高位置(例如，100μm)处，磁场408可以变得高度均一并且可以将自旋系统的样品区域406置于该位置处以经受均一磁场408。

类似地，在图4B中，将共振器装置454与8个共振器466的导体平面平行地沿z轴置于外部磁场B₀(460)中。8个共振器466可以是边缘耦合的并且可以生成具有沿y轴均一分布的磁场458。平面样品区域456位于基板表面468上方并且与基板表面468平行，以使得磁场458在整个样品区域456中是均一的。置于样品区域456中的样品可以经受例如用于ESR的均匀磁场。

在一些实现中，例如通过对施加至共振器装置(例如404或454各自)的激励和控制信号(例如在频率、振幅、持续时间等方面)进行控制，可以调整磁场(例如，408或458)的特性(例如，方向、强度、时间持续期、模体积共振频率等)。在另一些实现中，共振器装置404和454可以被修改为提供期望磁场特性。例如，邻接共振器(例如，416或466)之间的间距可以被调整为提供出现在期望高度处的均一磁场。端子和共振器阵列的大小(例如，长度、宽度、间距和形状等)以及其它特性(导体和基板材料、基板的厚度、导体的厚度、介电常数和衰减常数等)可以被调整为用以提供期望品质因数和模体积。在提供共振器装置所生成的期望磁场时可以并入和实现附加或不同的因素。

在一些示例中，可以对装置的各方面(例如，辐射、耦合、封装和连接器的效果等)进行全波模拟。在一些示例中，通过研究共振器装置的等效电路模型可以获得对装置功能性的新见解。作为示例，针对包括N个相同共振器的阵列的共振器装置，在间隙的尺寸大的情况下共振器可以针对高品质因数的情况以高阻抗终止(接近开路)。图5A、5B和5C示出了示例共振器装置的一些示例等效电路模型。

图5A是示出具有N个相同共振器的阵列的共振器装置的示例等效电路模型500的电路图。例如，电路模型500可以用于对图2A、2B和2C所示出的示例共振器装置200、230和260的某些方面进行建模。在图5A所示的示例中，等效并联RLC电路502对半波共振器建模，并且π型电容器电路504对馈线与共振器之间的间隙建模。集总电路参数R、L和C可以例如以传输线特性阻抗Z₀、相位常数β和与共振器相关联的衰减常数α的形式来得出。

图5B是示出图5A的电路模型500的简化版本的示例的电路图525。在对于所有共振器而言所有馈线和间隙大小都相同的情况下，图5A中的A、B、C、D和E节点的所有集合都可以具有相同电位。因此，如图5B所示，A、B、C、D和E节点可以彼此相连，并且作为结果，该电路可以简化为单个有效共振器。根据该简化电路图525，π型电容器电路中的有效耦合π型电容器与π型电容器电路504中的π型电容器相比增加为N倍。因此，针对N个共振器的耦合集合，可以利用是单个共振器情况下的耦合电容器的1/N的耦合电容器来实现临界耦合。此外，等效共振器的内部品质因数Q_int＝ω_rRC与单个共振器相比可以大体保持不变。

图5C是示出馈送部分(例如，端子处的功率分割部分)的示例诺顿表示的电路图550。在图5C中，源阻抗R_S(或输出中的R_L)和π型电容器网络之间的串联被转换成R^* _in和C^* _in(或R^* _out和C^* _out)的诺顿等效并联。根据如下公式可以计算R^* _in和C^* _in(或R^* _out和C^* _out)：

$R_{in}^{*}=\frac{1+N^2{\mathrm{\ω}}_r^2{(C_{pin}+C_{\sin })}^2{R}_S^2}{N^2{\mathrm{\ω}}_r^2{C}_{\sin }^2{R}_S}---\left(1\right)$

$C_{in}^{*}={\mathrm{NC}}_{pin}+\frac{{\mathrm{NC}}_{sin}\mathrm{\[}1+N^2{\mathrm{\ω}}_r^2{C}_{pin}(C_{pin}+C_{\sin })R_S^2\]}{1+N^2{\mathrm{\ω}}_r^2{(C_{pin}+C_{\sin })}^2{R}_S^2}---\left(2\right)$

$R_{out}^{*}=\frac{1+N^2{\mathrm{\ω}}_r^2{(C_{pout}+C_{s\mathrm{out}})}^2{R}_L^2}{N^2{\mathrm{\ω}}_r^2{C}_{sout}^2{R}_L}---\left(3\right)$

$C_{out}^{*}={\mathrm{NC}}_{pout}+\frac{{\mathrm{NC}}_{sout}\mathrm{\[}1+N^2{\mathrm{\ω}}_r^2{C}_{pout}(C_{pout}+C_{sout})R_L^2\]}{1+N^2{\mathrm{\ω}}_r^2{(C_{pout}+C_{sout})}^2{R}_L^2}---\left(4\right)$

其中，ω_r是共振器的第一共振频率。在共振器装置的端子处使用50Ω微带线的情况下，R_S＝R_L＝Z₀＝50Ω。

图5D是示出并入全部耦合部分后的示例有效共振器的电路图575。通过将输入输出两个部分的影响考虑到有效共振器中，图5D中所示的有效并联RLC共振器可以具有如下参数：

$Q_{\mathrm{int}}=\frac{R}{{\mathrm{\ω}}_r^{*}L}---\left(5\right)$

$Q_{ext}=\frac{N\left(R_{in}^{*}\right|\left|R_{out}^{*}\right)}{{\mathrm{\ω}}_r^{*}L}---\left(6\right)$

${\mathrm{\ω}}_r^{*}=\frac{1}{\sqrt{LC+\frac{L(C_{in}^{*}+C_{out}^{*})}{N}}}---\left(7\right)$

其中，Q_int、Q_ext和ω^* _r可以分别表示内部品质因数、外部品质因数和偏移后的共振频率。例如，如图5A、5B、5C和5D所示的共振器装置的等效电路模型可以提供用于设计、分析、修改、细化或实现共振器装置的框架。

图6是示出具有不同数量的共振器的示例共振器装置的示例品质因数的图600。示例共振器装置包括4个、8个和16个共振器，并且可以包括图1、2A、2B和2C中所示的示例共振器装置的特征。例如，示例装置可以针对所有共振器使用具有长度L₀＝5650μm和宽度W₀＝15μm的λ/2共振器，并且可以具有长度W₁＝355μm的端子。示例装置可以具有使用430μm厚的蓝宝石晶体作为具有衰减常数α＝10^-4m^-1和介电常数ε_r＝9.34的基板的微带线结构。其它成分可以例如基于R＝Z₀/(αL₀)，C＝π/(2ω_rZ₀)，and来计算。

针对具有相同耦合(例如，R_S＝R_L、C_pin＝C_out和C_sin＝C_sout)的对称输入和输出线，针对共振器和馈线之间的间隙的大小(例如，图2B中的间隙250或图2C中的间隙290的大小G)来显示不同数量的共振器的品质因数(例如，内部、外部和总体品质因数)。在图6的所示示例中，品质因数随着间隙大小的增加而提高。间隙的大小可以例如基于共振器之间的间距和其它适当因素被配置成在馈线和各共振器之间提供适当的电容性耦合。在一些示例中，在Q_int＝Q_ext的情况下可以达到临界耦合。ESR中的信噪比可以依赖于品质因数Q和模体积等。在一些实现中，通过提高品质因数以及将模体积与样品体积进行匹配，可以提高系统性能。

尽管本说明书包含许多细节，但这些细节不应被解释为对可以要求保护的范围的限制，而是作为对特定示例所特有的特征的说明。本说明书中的分开的实施例的上下文中所说明的特定特征也可以组合起来。另一方面，在单个实施例的上下文中所说明的各种特征也可以在多个实施例中分开地实现或者以任何合适的子组合的形式实现。

说明了若干实施例。然而将会理解，可以进行各种修改。因此，其它实施例也在以下权利要求书的范围内。

Claims (29)

1.一种电子自旋共振即ESR共振器装置，包括：

平面基板，其具有基板表面，并且具有与所述基板表面相对的接地平面表面；

接地平面，其布置在所述接地平面表面上；

第一端子，其包括布置在所述基板表面上的第一端子分段；

第二端子，其包括与所述第一端子分段相对地布置在所述基板表面上的第二端子分段；以及

共振器，其在所述第一端子与所述第二端子之间，其中所述共振器包括布置在所述基板表面上的导体，各所述导体布置在所述第一端子分段中的一个第一端子分段与所述第二端子分段中的各自相对的第二端子分段之间。

2.根据权利要求1所述的ESR共振器装置，其中，所述共振器是各自配置成在相同微波共振频率处共振的微带共振器。

3.根据权利要求1所述的ESR共振器装置，其中，各所述导体是长形的并且包括：

第一末端，其电容性耦合至所述第一端子分段中的一个第一端子分段；以及

相对的第二末端，其电容性耦合至所述第二端子分段中的一个第二端子分段。

4.根据权利要求3所述的ESR共振器装置，其中，还包括：

第一介电体积，其在各所述导体的所述第一末端与所述第一端子分段中的一个第一端子分段之间；以及

第二介电体积，其在各所述导体的所述第二末端与所述第二端子分段中的一个第二端子分段之间。

5.根据权利要求4所述的ESR共振器装置，其中，所述介电体积包括介电材料和真空中的至少之一。

6.根据权利要求1所述的ESR共振器装置，其中，所述导体彼此平行，其中各相邻成对的导体之间的间距相等。

7.根据权利要求1所述的ESR共振器装置，其中，各所述共振器是半波共振器、全波共振器或多半波共振器。

8.根据权利要求1所述的ESR共振器装置，其中，各所述共振器被配置成在共振频率处共振，并且各所述共振器的长度是偶数个针对所述共振频率的半波长。

9.根据权利要求1所述的ESR共振器装置，其中，各所述共振器被配置成在共振频率处共振，并且各所述共振器的长度是奇数个针对所述共振频率的半波长。

10.根据权利要求1所述的ESR共振器装置，其中，各所述共振器被配置成在所述共振器中的半波分段的中心处提供最大磁场。

11.根据权利要求1所述的ESR共振器装置，其中，

所述第一端子包括布置在所述基板表面上的第一端子导体，其中所述第一端子导体具有第一端子输入侧和与所述第一端子输入侧相对的第一端子分段侧，所述第一端子分段侧包括所述第一端子分段；以及

所述第二端子包括布置在所述基板表面上的第二端子导体，其中所述第二端子导体具有第二端子输入侧和与所述第二端子输入侧相对的第二端子分段侧，所述第二端子分段侧包括所述第二端子分段。

12.根据权利要求11所述的ESR共振器装置，其中，

所述第一端子包括所述第一端子输入侧与所述第一端子分段侧之间的第一分支结构；以及

所述第二端子包括所述第二端子输入侧与所述第二端子分段侧之间的第二分支结构。

13.根据权利要求12所述的ESR共振器装置，其中，所述第一分支结构和所述第二分支结构各自包括一个或多个锥形分支部分。

14.根据权利要求12所述的ESR共振器装置，其中，所述第一分支结构和所述第二分支结构各自包括输入侧和各分段侧之间的连续级，并且各级中的单独分支具有前一级中的单独分支的阻抗的两倍的阻抗。

15.根据权利要求11所述的ESR共振器装置，其中，所述第一端子导体和所述第二端子导体以及共振器的导体在所述基板上形成表面线圈。

16.根据权利要求15所述的ESR共振器装置，其中，还包括与所述表面线圈邻接并且与所述基板相对的样品区域。

17.根据权利要求11所述的ESR共振器装置，其中，所述第一端子导体和所述第二端子导体以及所述共振器的导体由超导电材料制成。

18.根据权利要求1所述的ESR共振器装置，其中，所述平面基板包括蓝宝石。

19.根据权利要求1所述的ESR共振器装置，其中，所述平面基板包括硅和石英中的至少之一。

20.一种电子自旋共振即ESR方法，包括以下步骤：

在ESR共振器装置的端子输入处接收激励和控制信号，其中所述端子输入导电性耦合至端子输出分段；

从所述端子输出分段向多个共振器提供所述激励和控制信号，其中所述激励和控制信号从各所述端子输出分段同相地传送至所述多个共振器中的各个共振器；以及

通过在所述多个共振器上同相地传导所述激励和控制信号，在所述共振器外部的样品区域中产生磁场。

21.根据权利要求20所述的ESR方法，其中，还包括以下步骤：所述多个共振器共同生成在整个薄样品区域上均一的磁场。

22.根据权利要求20所述的ESR方法，其中，还包括以下步骤：

在所述ESR共振器装置的第一端子输入和第二端子输入处接收所述激励和控制信号，其中所述第一端子输入导电性耦合至第一组所述端子输出分段，所述第二端子输入导电性耦合至第二组所述端子输出分段；以及

从第一组所述端子输出分段和第二组所述端子输出分段向所述共振器提供所述激励和控制信号。

23.根据权利要求22所述的ESR方法，其中，还包括以下步骤：通过以下部分之间的电容性耦合向所述共振器提供所述激励和控制信号：

第一组所述端子输出分段与所述共振器的第一末端；以及

第二组所述端子输出分段与所述共振器的相对的第二末端。

24.根据权利要求23所述的ESR方法，其中，还包括以下步骤：通过在所述多个共振器上同相地传导微波频率信号在所述样品区域中产生微波频率磁场。

25.一种电子自旋共振即ESR方法，包括以下步骤：

在基板的表面上布置的平面表面线圈处接收激励和控制信号，所述平面表面线圈包括布置在所述表面上的多个平行导体；以及

在与所述表面线圈邻接并且与所述基板相对的样品区域中生成磁场，其中所述磁场是通过所述多个平行导体在同一方向上且并行地各自同时传导所述激励和控制信号所生成的。

26.根据权利要求25所述的ESR方法，其中，所述平行导体是长形的，并且所述方法包括在各导体的第一末端处的多个第一端子分段处以及各导体的相对的第二末端处的多个第二端子分段处接收所述激励和控制信号。

27.根据权利要求26所述的ESR方法，其中，所述平行导体电容性耦合至所述端子分段。

28.根据权利要求25所述的ESR方法，其中，还包括以下步骤：通过所述磁场来操作所述样品区域中的电子自旋。

29.根据权利要求25所述的ESR方法，其中，所述样品区域是平面体积并且所述磁场在整个所述平面体积中是均一的。