CN108475894B - 带有电磁振荡回路的cw微波激射器 - Google Patents

带有电磁振荡回路的cw微波激射器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微波激射器，其具有电磁振荡回路，所述电磁振荡回路包括接收器线圈(1)、电容器(2)和滤波器线圈(3)，在接收器线圈中由有机的或具有微波激射能力的分子构成的活性介质(5)，以及粒子数反转装置(7)，用于在活性介质中产生粒子数反转。

Description

带有电磁振荡回路的CW微波激射器
技术领域
本发明涉及一种用于产生相干电磁波的微波激射器。与发射可见光的激光器不同，微波激射器产生微波或无线电波。微波激射器包括活性介质、用于在活性介质中产生粒子数反转的装置以及谐振器，所述谐振器与微波激射器的微波频率相协调。例如在利用地球卫星的通信的情况下在无线天文接收设备和用作放大器的无线电中继设备中使用微波激射器，用于驱动原子钟以及用作毫米波的发生器。
背景技术
在许多情况下，为了驱动微波激射器必须产生低温或高真空。通常需要复杂的泵浦过程譬如射束分离、泵浦激光器或动态核极化(DNP)。
在室温中可以运行的带有有源的固体介质的微波激射器在出版物DOI:10.1038/nature11339中公开。在活性介质中的粒子数反转通过光学泵浦借助脉冲式的激光器产生。此外，微波激射器包括与微波激射器频率相协调的空腔谐振器。总之，这样提供了微波激射器，其能够产生频率f为大约1.42GHz的微波。由于为了光学泵浦必须消耗相对多的能量，所以只能脉冲式地运行。
在出版物DOI:10.1038/ncomms 9251和Nature 488,353-356(2012)中公开了实施例，在室温中能运行的微波激射器如何可以借助钻石中的NV中心或借助光学泵浦的有机的或具有微波激射能力的分子在存在蓝宝石谐振器的情况下实现。
微波激射器的频率越小，则电磁波的波长就越大。如果微波激射器包括空腔谐振器，则该微波激射器必须构建得足够大。
如果粒子数反转通过光学泵浦来实现，则必须提供高光学质量和品质因数并且因此具有高技术开销的有机介质。
在出版物DOI:10.1038/nphys 3382中获知了一种NMR谱仪，其具有高品质因数的电磁振荡回路，该电磁振荡回路包括接收器线圈、电容器和滤波器线圈。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种进一步改进的微波激射器，其可以在室温中运行。
为了解决该任务，微波激射器包括电磁振荡回路，该电磁振荡回路包括接收器线圈、电容器和滤波器线圈；在接收器线圈中由有机的或具有微波激射能力的分子构成的活性介质以及粒子数反转装置，用于在活性介质中产生粒子数反转。这样构建的微波激射器可以在室温中运行并且能够实现连续的微波辐射或无线电波辐射。也可以自由选择活性介质，使得可以实现不同的微波激射器频率。电磁振荡回路用作谐振器甚至在微波激射器频率在MHz范围以及在kHz范围中时能够实现小型的结构。1kHz到10MHz的频率也是可行的。
在本发明的一个实施例中，提出了一种粒子数反转装置，使得有机的或具有微波激射能力的分子的核自旋通过粒子数反转装置置于负的自旋温度上和这样获得粒子数反转。该实施例有利地能够实现，可以省去光学泵浦、射束分离或DNP方法。也可以覆盖达到四个量级的频率范围，更确切而言尤其也可以覆盖从kHz到10MHz的频率范围。尽管频率比较小，但需要大的结构空间，因为使用电磁振荡回路而不使用空腔谐振器。
在一个实施例中化学地泵浦，更确切而言优选借助对位氢来泵浦，以便在活性介质的有机的或具有微波激射能力的分子中获得负的核自旋温度。这尤其是借助催化剂来实现，活性介质以及对位氢的有机的或具有微波激射能力的分子可以对接催化剂。对位氢于是可以将其核自旋传递到有机的或具有微波激射能力的分子上，以便这样实现粒子数反转。技术开销是小的，更确切地说尤其是相较于针对光泵浦必须花费的技术开销是小的。这样可以提供微波激射器，其能够连续地产生相干电磁波，即所谓的CW-微波激射器。CW-微波激射器能够在长时间段中实现非常精确地测量，这利用脉冲式微波激射器并不能同样实现。利用这样的CW-微波激射器例如实现了工作非常精确的NMR传感器或磁场传感器。
优选的是，活性介质是液体。活性介质相较于气态介质可以实现高的自旋密度，这有助于能够以低的技术开销提供CW激光器。与固体相比，必须花费明显少的能量来产生粒子数反转。因此也可能的是，提供一种CW微波激射器，而为此不必花费过大的开销。
在一个实施例中，活性介质是固体，更确切而言尤其是由软质聚合物构成或包括软质聚合物。
在一个实施例中，提出粒子数反转装置，即液体的相对应的有机的或具有微波激射能力的分子分离为使得由此提供了具有负的自旋温度的介质。
这种分离方法在一个实施例中针对氢实施为，使得在氢中包含的对位氢被分开。利用被分开的对位氢来化学泵浦，以便这样在活性介质中产生负的自旋温度。可替选地，可以通过转换来获得对位氢。这样的转换基本上在低温下实施。
负的自旋温度在如下情况下出现：能够占据核自旋的较高能量水平强于较低的能量水平。
在多于一个的自旋位置中，也存在产生更复杂的非平衡占有数(Nichtgleichgewichtsbesetzungen)的可能性，在非平衡分子数中更高的多极次序(Multipolordnung)或者部分的分子数反转。处于这种状态中的微波激射器目前尚未得到论证。包括常规的粒子数反转在内的本质上不同的原理可以通过本发明实现。这是在本发明意义下的部分的粒子数反转。
具有负的自旋温度的有机的或具有微波激射能力的分子被极化。为此，地磁场或因磁屏蔽而弱于地磁场的磁场就足够了。极化理解为在活性介质中的核自旋的有序的定向。在此，存在自旋状态的不同的次序等级：单自旋(双极)、双自旋(四极)和多自旋次序(多极)。反转的双极状态(单自旋转状态)也称粒子数反转，其对应于负的自旋温度。高的极化程度比低的极化程度更有利。因此优选混合极化，即在活性介质中的核自旋的有序定向远远超过温度平衡。
对于用来实现本发明的有机分子的示例是吡啶即C5H5N或乙腈即CH3CN。这些分子溶解在溶剂中，更确切而言溶解在甲醇中。
已证明的是，谐振器的特性可以随着结构空间的减小而增加。尤其是，接收器线圈优选是小的。接收器线圈并且由此还有活性微波激射器介质的结构空间减小有利地改进了活性微波激射器介质与谐振器的耦合。与之不同，现有技术中已知的微波激射器的质量随着结构空间大小而增加。后者例如适合于在出版物DOI:10.10.38/MPHYS3382中公开的微波激射器。
对于该微波激射器的运行而言，应注意：提供足够高品质因数的电磁振荡回路。滤波器线圈和电容器因此优选具有至少100、有利地至少200、特别优选至少500的高品质因数。可替选地或补充地，振荡回路的品质因数为至少100、有利地为至少200、特别优选地为至少300。
在一个实施例中，滤波器线圈具有接地的中间抽头，以便以技术上简单的方式获得合适的电磁振荡回路。
滤波器线圈的品质因数和电容器的品质因数基本上超过接收器线圈的品质因数，更确切而言优选为其多倍、至少两倍、特别优选至少三倍。作为接收器线圈，优选柱形线圈，带有位于其中的活性介质的容器可以插入到所述柱形线圈中。接收器线圈可以仅具有几个绕组，例如达到10个绕组。接收器线圈的和/或滤波器线圈的丝线或多股线例如可以由铜、银或金构成。
优选地，接收器线圈和/或滤波器线圈包括多股线，其薄的丝线电绝缘，更确切而言尤其通过绝缘漆层电绝缘，以便实现进一步改进的电磁振荡回路。现有的多股线因此优选是耐受高频的。
后续的实施例单独地以及任意组合地进一步改进了电磁振荡回路的有利的特性。
中间抽头优选恰好位于滤波器线圈的中部中。通过中间抽头抑制了振荡回路的寄生振荡倾向，更确切而言特当中间抽头恰好居中设置时是特别好的。这起到正面作用。
中间抽头在一个实施例中通过附加的丝线或附加的多股线来实现。附加的丝线或附加的多股线的一个端部与地连接，即接地。此外，滤波器线圈的另一丝线的一个端部与地连接。
为了制造，例如将两个电导体(尤其是第一和第二丝线或者第一和第二多股线)彼此扭曲或彼此扭转。接着，两个彼此扭转的电导体被绕制成线圈。第一电导体(丝线或多股线)的端部以及第二电导体(丝线或多股线)的相对置的端部于是接地。这两个另外的端部于是形成线圈的电端子。如果前述的两个电导体等长，则中间抽头恰好处于中部中。
滤波器线圈尤其通过电的和/或磁的屏蔽部来屏蔽。屏蔽部的壁在磁的屏蔽部的情况下优选由Mu金属或铁构成，优选由高导磁性的铁构成。
磁的屏蔽部优选通过基本上磁闭合的腔室或闭合的接线盒形成。然而，微波激射器也可以在没有这样的屏蔽部的情况下运行。这在该示例中实现。
磁的屏蔽部有利地对电磁干扰进行防护并且这样有助于改进信噪比。
屏蔽部的壁优选双壁地构成或在接线盒之内存在第二接线盒，所述第二接线盒通过间隔保持器间隔地被第一接线盒保持。在第二接线盒之内于是存在滤波器线圈。屏蔽部因此特别优选地由双壁的腔室或双壁的接线盒构成。
在NMR或ESR谱仪的情况下，通过磁的屏蔽部可以被磁性与磁性B0场屏蔽，该场在NMR或ESR情况下使用。屏蔽部实现进一步的改进。
磁的屏蔽部的双壁的壁或磁的屏蔽部的一个或两个接线盒的这些壁有利地为1mm至3mm厚，这样例如1.5mm厚。电磁屏蔽部的壁优选达到3mm厚和/或至少0.5mm厚。电磁屏蔽部的壁优选是开槽的。电磁屏蔽部的壁优选由铜构成。
屏蔽部优选接地。在两个接线盒的情况下，基本上靠外的接线盒接地。但也可替选地或补充地，靠内的接线盒接地。
有利地，接收器线圈与针对NMR或ESR谱仪使用的激励线圈分离。于是存在第二线圈，所述第二线圈用作激励线圈以实施NMR或ESR谱仪。由此可能的是，测量设备与激励线圈无关地优化，这能够实现改进的信噪比。激励线圈优选地在激励线圈之内。在激励线圈与接收器线圈之间的间距有利地为至少5mm，优选至少10mm、以便保持在两个线圈之间的不利的耦合足够低。激励线圈的主轴线(＝方向rf-场)优选基本上垂直，优选垂直于接收器线圈的敏感的轴线地设置，以便将两个线圈之间的不利的耦合保持得足够低。
一方面接收器线圈而另一方面包括滤波器线圈在内的电容器在一个有利的实施例中通过特别低损耗的电传输线路彼此连接。这通过由良好的电导体构成的传输线路实现，这样例如通过由铜构成的传输线路、通过例如至少1mm2的传输线路的大横截面、通过传输线路的两个电导体的缠绕或扭曲和/或通过合适的电绝缘尤其通过由特氟龙的绝缘部实现。为了绝缘的目的，传输线路的每个单独的导体和/或两个电导体可以处于特氟龙护套中。导体可以由丝线或多股线形成。
传输线路优选地由两个彼此扭转的多股线形成，其优选包括前述的特氟龙护套，以便这样为ESR或NMR谱仪提供特别低损耗的传输线路，形成独立的发明。
如果传输线路通过两个多股线形成，则所述的至少1mm2的横截面与两个多股线的单丝线的横截面之和有关，更确切而言包括可选存在的绝缘体。传输线路的多股线又优选地彼此电绝缘，更确切而言通过漆表面涂层和/或耐受高频地构成，以便提供低损耗的传输线路，这得到进一步改进的信噪比。
接收器线圈优选通过多股线形成，即由薄的单丝线构成的电导体形成。多股线的单丝线有利地彼此电绝缘。单丝线的表面因此有利地设置有电绝缘的漆。多股线优选是耐受高频的。
具有由多股丝线构成的绕组的圆环形的或柱形的滤波器线圈证明是合适的。为了实现具有QE>1000的高品质因数的外部谐振器，滤波器线圈应以尽可能小的能量损耗地跟随磁的交变场，或具有低的AC损耗。为此，滤波器线圈必须具有可忽略的漏磁场并且绕组的交流电电阻应尽可能小。其他损耗譬如滤波器线圈的介电损耗或磁芯的损耗也应最小化。
有利地，在一方面为接收器线圈而另一方面为包括滤波器线圈在内的电容器之间的间距为至少5cm，有利地为至少50cm、特别有利地至少60cm。这避免了在B0场(如在ESR或NMR谱仪的情况下存在的那样)与通常被屏蔽的滤波器线圈之间的相互干扰的磁影响。实现了屏蔽部对B0场没有不利影响。此外避免了，屏蔽部因B0场不利地饱和。
电容器有利地可以调谐，以便能够容易地设定合适的谐振。有利地，电容器由多个单个电容器形成，所述电容器可以合适彼此并联地接线以及接线为使得在需要时可以改变电容。可以使用具有高品质因数的市售的电容器，以便提供具有高品质因数的可调谐的电容器。
在德国专利申请102014218873中，也借助附图示出了振荡回路，利用其实现根据本发明的微波激射器。
尤其是，本发明涉及一种微波激射器，该微波激射器具有电磁振荡回路，该电磁振荡回路包括接收器线圈、电容器和滤波器线圈；在接收器线圈中由具有微波激射能力的分子构成的活性介质以及粒子数反转装置，用于在活性介质中产生粒子数反转更确切地说部分粒子数反转。
粒子数反转装置优选构成，使得分子的核自旋可以置于负的自旋温度上。可替选地，粒子数反转装置优选构成为，使得产生复杂的非平衡占位数(多极次序)。
微波激射器优选构成为，使得粒子数反转装置包括对位氢，用于在活性介质中产生粒子数反转，使得分子可以置于负的自旋温度上。
微波激射器优选构成为，在微波激射器活性的分子上可以产生复杂的自旋次序。
粒子数反转装置尤其包括用于产生粒子数反转的催化剂，更确切而言尤其在活性介质中产生部分的粒子数反转或用于产生高次序的非平衡占位数。
通过催化剂尤其实现了利用对位氢的(部分的)粒子数反转。
活性介质尤其是液体。固体同样可以是有利的。尤其是，固体由软质聚合物构成或包括软质聚合物。
在一个实施例中，活性介质包括甲醇。
在一个实施例中，活性介质包括有机溶剂如甲醇，更确切地说优选包括d4-甲醇。
活性介质在一个实施例中包括吡啶即或乙腈。
在一个实施例中，活性介质包括能够利用对位氢混合极化的物质。
活性介质在一个实施例中包括PHIP(parahydrogen induced polarization(对位氢诱导极化))活性物质。
活性介质在一个实施例中包括SABRE(signal amplification by reversibleexchange(通过可逆交换的信号放大))活性物质。
活性介质在一个实施例中包括含氮的化合物。
活性介质在一个实施例中包括一个或多个N杂环的化合物和/或腈。
活性介质在一个实施例中包括吡啶和/或乙腈。
活性介质在一个实施例中包括[IrCl(cod)(IMes)]。
在一个实施例中，微波激射器以连续运行方式运行。
附图说明
在下文中参照两个实施例连带附图详细地阐明本发明。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的微波激射器的结构，该微波激射器具有电磁振荡回路，该电磁振荡回路包括用作接收器线圈1的柱形线圈、可调谐的电容器2和带有铁氧体芯4的滤波器线圈3。电容器和柱形线圈的品质因数为大约300。接收器线圈包括大约100个绕组，其由铜构成，并且具有大约1cm的内直径以及大于1cm的高度。滤波器线圈的品质因数为340。
由溶解在液体中的有机的或具有微波激射能力的分子构成的活性介质5处于容器6中。容器6设置在接收器线圈1内部。为了实现粒子数反转更确切而言部分粒子数反转，存在用于产生对位氢的装置7，所述对位氢被装置7经由管路8借助设置在管路8的端部上的充气针9导入到容器6中。由此将有机的或具有微波激射能力的分子的核自旋置于部分的粒子数反转上。其中的特殊情况是负的自旋温度。对位氢的输送经由阀10来控制。
压力测量器11监控在容器6中的和管路21中的压力，以便监控和控制对位氢到容器6中的输送。另一针阀12和阀13可以有助于控制。
传输线路14由两个彼此扭转的多股线形成，所述多股线实现在一方面为接收器线圈1与另一方面包括滤波器线圈在内的电容器之间的比较大间距(>10cm)。差动放大器15与滤波器线圈3连接，以便在需要时放大接收器线圈1的信号。
接收器线圈1、传输线路14、可调谐的电容器2、包括铁氧体芯4在内的滤波器线圈3和差动放大器15处于屏蔽部16之内。在屏蔽部16之外，存在操纵和/或分析电子装置，其能够显示和/或分析由差动放大器15放大的信号。电子装置在所示的实施例中包括NMR操纵单元17和数据检测装置18。
屏蔽部16到达柱形线圈9中，使得容器6在柱形线圈19之内处于中央。通过绕制到线圈体20的柱形线圈19产生静态的磁场B0。
比例大约为92％的对位氢的对位氢气体利用5bar的压力导入到容器中，该对位氢在36K的温度下产生，所述容器具有位于其中的液体的活性介质。作为溶剂，液体的活性介质包括0.5cm3d4-甲醇，在该甲醇中在此情况下已溶解几微升的吡啶并且在另一情况下已溶解几微升的乙腈。此外，液体的活性介质包括几毫克的[IrCl(cod)(IMes)]作为催化剂。
通过柱形线圈已产生大约1-16mT的静态磁场B0。通过该构造已达到值ΔΒ/Β-10-6cm-3。
于是可以产生微波激射器振荡，其已经根据预放大通过锁定放大器进一步放大。这样放大的信号以16kHz的采样速度通过检测装置18记录。
这样获得的结果在图2(针对吡啶)中和图3(针对乙腈)中示出。针对单位为[s]的时间示出了相应测量的幅值，单位为V。这两个图阐明了，在起振之后产生连续的相干电磁波。

Claims (13)

1.一种微波激射器，其具有电磁振荡回路，所述电磁振荡回路包括接收器线圈(1)、电容器(2)和滤波器线圈(3)，在接收器线圈(1)中由有机的或具有微波激射能力的分子构成的活性介质(5)，以及粒子数反转装置(7)，用于在活性介质(5)中产生粒子数反转，其中，粒子数反转装置包含对位氢，用于在所述活性介质中产生粒子数反转，使得有机的或具有微波激射能力的分子能够被置于负的自旋温度上。
2.根据权利要求1所述的微波激射器，其特征在于，所述粒子数反转装置包括用于在所述活性介质中产生粒子数反转的催化剂。
3.根据上述权利要求中任一项所述的微波激射器，其特征在于，所述活性介质是液体。
4.根据权利要求1或2所述的微波激射器，其特征在于，所述活性介质包括d4-甲醇。
5.根据权利要求1或2所述的微波激射器，其特征在于，所述活性介质包括吡啶或乙腈。
6.根据权利要求1或2所述的微波激射器，其特征在于，所述活性介质包括1.17mg的[IrCl(cod)(IMes)]。
7.根据权利要求1或2所述的微波激射器，其特征在于，所述滤波器线圈和电容器具有至少100的高品质因数或振荡回路的品质因数是至少200。
8.根据权利要求1或2所述的微波激射器，其特征在于，所述滤波器线圈具有接地的中间抽头。
9.根据权利要求1或2所述的微波激射器，其特征在于，所述滤波器线圈的品质因数和所述电容器的品质因数超过所述接收器线圈的品质因数至少两倍。
10.根据权利要求1或2所述的微波激射器，其特征在于，所述滤波器线圈通过电的和/或的磁屏蔽部来屏蔽。
11.根据权利要求1或2所述的微波激射器，其特征在于，激励线圈与接收器线圈分离。
12.根据权利要求1或2所述的微波激射器，其特征在于，一方面所述接收器线圈而另一方面电容器和滤波器线圈通过低损耗的电传输线路彼此连接。
13.根据权利要求12所述的微波激射器，其特征在于，所述低损耗的电传输线路由两个彼此扭转的多股线形成。
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