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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen des Fett- oder Ölgehaltes einer Probe, mit einer Mikrowellenquelle zum Trocknen der Probe, mit einem Magnetsystem zum Erzeugen eines Kernresonanz-Magnetfeldes in der Probe, mit einer Kernresonanz-Messanordnung zum Einstrahlen von Hochfrequenz-Signalen in die Probe und zum Empfangen von angeregten Kernresonanzsignalen aus der Probe.
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Eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art ist aus der
US 6 548 303 B2 bekannt.
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Um den Fett- oder Ölgehalt von Proben, insbesondere von Lebensmitteln, auf schnelle Art und Weise messen zu können, ist es bekannt, die Probe mittels niedrig auflösender, gepulster Kernresonanz (NMR) zu untersuchen, beispielsweise mit einer Auflösung von 10–5 in einem konstanten Magnetfeld von 1 Tesla Feldstärke, was einer Kernresonanzfrequenz von Protonen in der Größenordnung von 50 MHz entspricht. Für diesen Zweck speziell ausgelegte NMR-Spektrometer sind kommerziell erhältlich, beispielsweise unter der Typenbezeichnung „minispec” von der Anmelderin.
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Bei Proben, die neben dem Fett oder Öl auch einen merklichen Wassergehalt aufweisen, ist eine solche Messung jedoch mit dem Problem verbunden, dass das starke Protonensignal des Wassers die Messung des Fett- oder Ölgehaltes stört. Es ist daher in der
DE 41 33 643 C1 schon vorgeschlagen worden, die Probe in einem Ofen, beispielsweise einem Mikrowellenofen, vorzutrocknen oder den Wassergehalt mittels chemischer Trocknung zumindest teilweise zu entfernen.
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In der eingangs genannten
US 6 548 303 B2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung der bereits erwähnten Art beschrieben, bei denen die Probe durch Vortrocknen in einem Mikrowellenofen von ihrem Wasserbestandteil befreit wird. Die Probe wird zu diesem Zweck zunächst in einen separaten Mikrowellenofen eingebracht. Dort wird die Probe unter Einwirkung eines Mikrowellenfeldes einer Frequenz von 2,45 GHz und unter der Kontrolle eines Sensors geregelt erhitzt und damit getrocknet. Die Probe befindet sich dabei auf einer im Mikrowellenofen angeordneten Waage, so dass der Gewichtsverlust der Probe bei fortlaufender Trocknung gemessen und damit zusätzlich auch der Wassergehalt bestimmt werden kann. Nach Abschluss des Trocknungsvorganges wird die Probe manuell aus dem Mikrowellenofen entnommen und in einen separaten NMR-Analysator überführt, in dem dann die Kernresonanzmessung stattfindet.
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Diese bekannte Vorgehensweise hat den Nachteil, dass die Probe umständlich gehandhabt werden muss. Um diese Handhabung zu ermöglichen, muss die Probensubstanz zunächst auf ein als Träger wirkendes Gewebestück aus Quarz- oder Glasfasern aufgebracht werden. Dieses Gewebestück ist für Mikrowellen transparent und im hier interessierenden NMR-Messbereich frei von Protonensignalen. Da sich das Probenmaterial infolge der Fett- oder Ölanteile während des Austrocknens verflüssigt, muss die auf das Gewebestück aufgebrachte Probensubstanz zumindest für die NMR-Messung ferner in eine Folie eingewickelt werden, die aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht. Es liegt auf der Hand, dass all diese Schritte sehr umständlich und zeitaufwendig sind. Automatisierte Messungen an einer Vielzahl von Proben sind daher mit dieser bekannten Vorgehensweise nicht möglich.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass diese Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll eine erhebliche Vereinfachung des Messverlaufes erreicht werden, die auch automatisierte Messungen an einer Vielzahl von Proben ermöglicht.
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Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Probe dem Mikrowellenfeld, dem Hochfrequenzsignal sowie dem Magnetfeld am selben Messort in einer gemeinsamen Messkammer ausgesetzt. Dadurch, dass sich beide Vorgänge des Trocknens und der NMR-Messung am selben Ort abspielen, ist es nämlich nicht mehr erforderlich, die Probe zwischen diesen Vorgängen zu handhaben. Damit entfällt auch die Notwendigkeit des Aufbringens der Probensubstanz auf ein Substrat und vor allem Dingen die Notwendigkeit des Verpackens der Probensubstanz zusammen mit dem Substrat. Vielmehr braucht lediglich die Probe in einem üblichen Probengefäss, z. B. einem üblichen NMR-Probenröhrchen oder -glas an den Messort in der Messkammer gebracht zu werden, wo dann am selben Ort getrocknet und gemessen wird. Dies ermöglicht einen schnellen Probenwechsel und damit auch automatisierte Messungen an einer Vielzahl von Proben.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist weiterhin eine Waage in der Messkammer vorgesehen, auf der die Probe angeordnet ist.
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Auch diese an sich bekannte Maßnahme hat den Vorteil, dass zusätzlich der Wassergehalt der Probe quantitativ bestimmt werden kann.
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Die Probe kann dem Mikrowellenfeld, dem Hochfrequenzsignal sowie dem Magnetfeld gleichzeitig ausgesetzt werden.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Messung des Fett- und/oder Ölgehaltes in der kürzestmöglichen Zeit ablaufen kann, weil die NMR-Messung bereits einsetzt, wenn das Mikrowellenfeld noch eingeschaltet ist, andererseits aber der Wassergehalt bereits auf einen für die NMR-Messung nicht mehr störenden Betrag abgesunken ist.
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Die Probe kann nach der Einwirkung des Mikrowellenfeldes gewogen werden.
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Die Probe und das Mikrowellenfeld können während der Einwirkung des Mikrowellenfeldes relativ zueinander bewegt werden.
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Nach einer ersten Variante wird dabei die Probe dabei bewegt oder gedreht, und zwar weiter vorzugsweise um eine Achse, die im wesentlichen quer zur Richtung des NMR-Magnetfeldes verläuft.
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Nach einer zweiten Variante wird das Mikrowellenfeld bewegt. Dies kann bevorzugt dadurch geschehen, dass die räumliche Verteilung des Mikrowellenfeldes zeitlich verändert wird, so zum Beispiel, indem die Probe einem Mikrowellen-Wanderfeld oder einem Mikrowellenfeld mit sich ändernder Frequenz ausgesetzt wird, oder indem ein die räumliche Verteilung des Mikrowellenfeldes beeinflussendes Element im Mikrowellenfeld bewegt wird.
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All diese Maßnahmen haben den Vorteil, dass Inhomogenitäten des Mikrowellenfeldes ausgeglichen oder zumindest in ihrer Auswirkung vermindert werden. Wenn nämlich das Mikrowellenfeld im Raum steht, befinden sich die Orte des maximalen elektrischen Mikrowellenfeldes ebenfalls an raumfesten Punkten, so dass dann die Probensubstanz an diesen Orten überhitzt werden könnte. Wenn man hingegen die räumliche Verteilung des Mikrowellenfeldes zeitlich variiert, wandern die Orte maximaler elektrischer Mikrowellenfeldstärke.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Mikrowellenquelle an eine Mikrowellen-Sendeanordnung und die Kernresonanz-Messanordnung an eine Hochfrequenz-Sende- und Empfangsanordnung angeschlossen, und die Probe ist von der Mikrowellen-Sendeanordnung und der Hochfrequenz-Sende- und Empfangsanordnung dicht umgeben.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Anordnungen, die zum Einstrahlen des Mikrowellenfeldes bzw. zum Einstrahlen und Empfangen des Kernresonanz-Hochfrequenzsignales dienen, in ihrer Ausbildung optimal an die jeweiligen Probe und die Messkammer angepasst werden können.
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Die Anordnungen sind dabei in einem Luftspalt des Magnetsystems angeordnet.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass herkömmliche resistive oder permanente Magnetsysteme mit Luftspalt verwendet werden können.
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Bei einer ersten bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Mikrowellen-Sendeanordnung als Mikrowellen-Verzögerungsleitung ausgebildet und vorzugsweise die Hochfrequenz-Sende- und Empfangsanordnung als Hochfrequenzspule. Insbesondere ist die Mikrowellen-Verzögerungsleitung als Wendelleitung ausgebildet und koaxial innerhalb der Hochfrequenzspule angeordnet.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine konstruktiv besonders kompakte Bauform entsteht.
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Dies gilt insbesondere dann, wenn die Mikrowellen-Verzögerungsleitung und die Hochfrequenzspule baulich zu einer einzigen Spule vereinigt sind.
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Bei einer zweiten bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Mikrowellenquelle und die Kernresonanz-Messanordnung an einen gemeinsamen Resonator angeschlossen, in dem sowohl das Mikrowellenfeld als auch das Hochfrequenz-Signal ausbreitungsfähig sind.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine besonders einfache Bauform entsteht, bei der sich beide Signale, nämlich das Mikrowellensignal und das Hochfrequenzsignal in der selben Vorrichtung ausbreiten.
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Dies gilt insbesondere dann, wenn der Resonator als Loop-Gap-Resonator ausgebildet ist und der Loop-Gap-Resonator einen Zylindermantel mit einem axialen Schlitz sowie zwei im Abstand von axialen Enden des Zylindermantels radial angeordnete Deckel aufweist, wobei der Schlitz von einer Mehrzahl Kondensatoren überbrückt ist und der Zylindermantel sowie die Deckel mindestens an einer Oberfläche elektrisch leitfähig sind.
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Weiterhin ist auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt, wenn Mittel zum relativen Bewegen der Probe und der räumlichen Verteilung des Mikrowellenfeldes vorgesehen sind.
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Auch diese Maßnahme hat den Vorteil, dass Inhomogenitäten des Mikrowellenfeldes ausgeglichen oder zumindest in ihrer Auswirkung vermindert werden.
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Schließlich zeichnet sich eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch aus, dass die Probe in der Messkammer auf einer Waage angeordnet ist.
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Auch diese an sich bekannte Maßnahme hat den Vorteil, dass zusätzlich der Wassergehalt der Probe quantitativ bestimmt werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine äußerst schematisierte Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 in stark vergrößertem Maßstab eine Sende- und Empfangsanordnung, wie sie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 verwendet werden kann, mit einer Mikrowellen-Verzögerungsleitung;
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3 eine Darstellung ähnlich 2, jedoch für eine Sende- und Empfangsanordnung mit einem Loop-Gap-Resonator.
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In 1 bezeichnet 10 als ganzes eine Vorrichtung zum Messen des Fett- oder Ölgehaltes einer Probe. Die Vorrichtung 10 enthält eine Messkammer 12 mit einem Innenraum 14.
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Im Innenraum 14 ist eine Waage 16 mit einem Teller 18 angeordnet. Auf dem Teller 18 befindet sich eine Probe 22 und zwar zweckmäßigerweise in einem schematisch angedeuteten Probengefäss 20, beispielsweise einem Probenröhrchen oder -glas, wie es bei Kernresonanz-Messungen verwendet wird. Die Probe in dem Probenröhrchen definiert eine erste Achse 24, die üblicherweise eine vertikale Achse ist.
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Die Vorrichtung 10 weist ferner ein Magnetsystem 26 auf. Das Magnetsystem 26 braucht hinsichtlich der Homogenität des von ihm erzeugten Magnetfeldes nur mittleren Anforderungen zu genügen, beispielsweise mit einer Homogenität von 10 über das Volumen der Probe 22. Derartige Magnetfelder lassen sich z. B. mit elektrisch gespeisten, resistiven Magneten in U-Form erzeugen, dessen Pole in 1 schematisch angedeutet sind. Zwischen den Polen befindet sich ein Luftspalt 27. Das Magnetsystem 26 kann sich – wie in 1 dargestellt – innerhalb der Messkammer 12 befinden oder aber die Messkammer ist als ganzes im Luftspalt 27 angeordnet. Alternativ lassen sich auch Magnetsysteme mit Permanentmagneten einsetzen. Das Magnetsystem definiert mit der Richtung des von ihm erzeugten Magnetfeldes B0 (2) eine zweite Achse 28, die im wesentlichen quer zur ersten Achse 24 verläuft.
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Im Luftspalt 27 befinden sich eine Mikrowellen-Sendeanordnung 30 sowie eine Hochfrequenz-Sende- und Empfangsanordnung 32. Die Mikrowellen-Sendeanordnung 30 ist mit einer Mikrowellenquelle 34 verbunden und die Hochfrequenz-Sende- und Empfangsanordnung 32 mit einer NMR-Messanordnung 36. Die Mikrowellenquelle 34 kann in ihrer Frequenz einstellbar sein, wie mit einem Pfeil 35 angedeutet.
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Wenn im Rahmen der vorliegenden Anmeldung von „Mikrowelle” die Rede ist, so ist darunter eine elektromagnetische Welle zu verstehen, wie sie üblicherweise zum Erwärmen von wasserhaltigen Objekten verwendet wird. Typischerweise liegt diese Mikrowelle im Frequenzbereich von einigen GHz, beispielsweise im sog. S-Band im Bereich von 2,45 GHz. Unter „Hochfrequenz” ist hingegen eine elektromagnetische Welle zu verstehen, die zusammen mit der Feldstärke B0 des Magnetsystems 26 über das sog. gyromagnetische Verhältnis eine Kernresonanz (NMR) von Protonen anzuregen vermag. Bei einer Feldstärke von beispielsweise 1 Tesla liegt die Hochfrequenz im Bereich von 50 MHz.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umgeben die Anordnungen 30, 32 die Probe 22 bzw. das Probengefäss 24 dicht. Die Mikrowellen-Sendeanordnung 30 befindet sich bei diesem Beispiel innen und die Hochfrequenz-Sende- und Empfangseinrichtung 32 aussen. Das ist jedoch keineswegs zwingend, weil die relative Positionierung dieser Elemente zueinander von der jeweiligen Feldverteilung abhängt, insbesondere der Verteilung des die Erwärmung der Probe 22 bewirkenden elektrischen Mikrowellenfeldes und des die Kernresonanz in der Probe 22 bewirkenden magnetischen Hochfrequenzfeldes. Dabei ist ferner zu beachten, dass im Bereich der elektrischen Komponente des einen Feldes keine leitfähigen Elemente für die Erzeugung des jeweils anderen Feldes vorhanden sein dürfen, weil dies sonst zu Kurzschlüssen führen würde.
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2 zeigt eine erste Variante einer Anordnung zum Senden/Empfangen der Mikrowellen- und Hochfrequenzsignale. Die Mikrowellen-Sendeanordnung ist in diesem Falle als Mikrowellen-Verzögerungsleitung 40, nämlich als Wendelleitung (Helix) ausgebildet. Die Verzögerungsleitung 40 erstreckt sich längs der ersten Achse 24. Koaxial um die Verzögerungsleitung 40 herum ist eine Hochfrequenzspule 42, nämlich eine Solenoidspule, vorgesehen. Derartige Anordnungen sind von Elektron-Kern-Doppelresonanzmessungen (ENDOR) her an sich bekannt (Poole, „Electron Spin Resonance”, 2. Auflage, Dover Publications, Mineola, 1996, Seiten 654–657), dienen dort jedoch der gleichzeitigen Anregung von Elektronenresonanzen und Kernresonanzen durch das magnetische Mikrowellenfeld und das magnetische Hochfrequenzfeld, im selben konstanten Magnetfeld.
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In der Verzögerungsleitung 40 wird ein Wanderfeld erzeugt, das die Probe 22 in Richtung der ersten Achse 24 durchläuft, so dass das elektrische Mikrowellenfeld an allen Orten der Probe 22 wirksam wird und diese daher hinreichend gleichmäßig erwärmt, so dass lokale Überhitzungen vermieden werden. Elektronenresonanzen werden dabei nicht angeregt, weil die Frequenz des Mikrowellenfeldes nicht gemäß dem gyromagnetischen Verhältnis mit der konstanten Feldstärke B0 des Magnetsystems 26 korreliert.
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Mittels der Hochfrequenzspule 42 wird in der üblichen Weise eine gepulste Kernresonanz in der Probe 22 angeregt und es werden in der Hochfrequenzspule 42 ferner die Kernresonanzsignale der Probe 22 empfangen. Es ist auch möglich, die Mikrowellen-Verzögerungsgleitung 40 als Hochfrequenzspule zu verwenden, so dass eine gesonderte Hochfrequenzspule 40 entfällt.
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3 zeigt eine zweite Variante einer Anordnung zum Senden/Empfangen der Mikrowellen- und Hochfrequenzsignale. Hierbei sind die Mikrowellen-Sendeanordnung und die Hochfrequenz-Sende- und Empfangsanordnung in einer gemeinsamen Anordnung vereinigt, nämlich in einem sog. Loop-Gap-Resonator 50.
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Der Loop-Gap-Resonator 50 besteht im wesentlichen aus einem Zylindermantel 52, der mit einem durchgehenden axialen Schlitz 54 oder Spalt versehen ist. Der Schlitz 54 ist entlang seiner Länge mit einer Mehrzahl von Kondensatoren 56 überbrückt. An seinen axialen Enden ist der Zylindermantel 52 im Abstande eines Luftspaltes 58 mit jeweils einem Deckel 60 abgeschlossen. Der Zylindermantel 52 und die Deckel 60 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material bzw. sind mit einem solchen beschichtet.
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Der Loop-Gap-Resonator 50 stellt für die Hochfrequenzsignale einen Resonator dar. Die Deckel 60 sind wegen des Luftspaltes 58 für die Hochfrequenzsignale nicht existent.
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Für Mikrowellensignale stellt der Loop-Gap-Resonator 50 einen leitfähigen Rundhohlleiter dar, weil die Kondensatoren 56 für die Mikrowellensignale als Kurzschlüsse wirken. Die Deckel 60 schließen den so gebildeten Rundhohlleiter auch für die Mikrowellensignale zu einem Resonator ab.
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Infolgedessen hat das Mikrowellenfeld im Loop-Gap-Resonator 50 eine stationäre Feldverteilung, so dass zur Vermeidung von lokalen Überhitzungen in der Probe 22 eine Relativbewegung zwischen der Probe und dem elektrischen Mikrowellenfeld erzeugt werden muß. Diese Relativbewegung kann auf verschiedene Weisen erreicht werden.
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Bei einer ersten Variante ist der Loop-Gap-Resonator 50 mit einem Flansch 70 versehen, an dem ein Aktuator (nicht dargestellt) angreift. Der Aktuator kann den Loop-Gap-Resonator 50 entlang kartesischer Koordinaten 72 bewegen oder z. B. um die erste Achse 24 drehen, wie mit einem Pfeil 74 angedeutet. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine entsprechende Bewegung der Probe 22 möglich.
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Bei einer zweiten Variante wird die räumliche Feldverteilung elektrisch verändert, indem z. B. die Mikrowellenfrequenz gewobbelt wird. Dies setzt jedoch eine genügend breitbandige Anordnung voraus oder die Verwendung von Schwingungsmoden hoher Ordnung. Andererseits kann die Feldverteilung variiert werden, indem ein elektrisch leitendes oder ein dielektrisches Element, das die räumliche Verteilung des elektrischen Mikrowellenfeldes beeinflusst, im Feld bewegt wird.
