DE102006056064A1

DE102006056064A1 - Probenkopf zum Messen magnetischer Resonanz

Info

Publication number: DE102006056064A1
Application number: DE200610056064
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Engelke; Alexander Krahn; Peter Dr. Höfer
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2008-05-29

Abstract

Ein Probenkopf (10) dient zum Messen magnetischer Resonanz in einer Probe (24). In der Probe (24) wird gleichzeitig mittels eines Hochfrequenzfeldes Kernresonanz (NMR) und mittels eines Mikrowellenfeldes Elektronenresonanz (ESR) angeregt. Ein sowohl für eine Kernresonanzfrequenz als auch für eine Elektronenresonanzfrequenz schwingungsfähiges Resonanzsystem enthält die Probe (24). Das Resonanzsystem ist als ein bei der Elektronenresonanzfrequenz schwingungsfähiger Hohlraumresonator ausgebildet, dessen Wand (14, 18) mit Spalten (16, 20) versehen ist. Die Spalten (16, 20) verlaufen parallel zu Wandströmen (70) des Mikrowellenfeldes und/oder sind im Verhältnis zur Wellenlänge des Mikrowellenfeldes schmal ausgebildet. Die Spalten (16, 17) definieren in der Wand (14, 18) einen bei der Kernresonanzfrequenz schwingungsfähigen Loop-Gap-Resonator (Figur 1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Probenkopf zum Messen magnetischer Resonanz in einer Probe, bei dem in der Probe gleichzeitig mittels eines Hochfrequenzfeldes Kernresonanz und mittels eines Mikrowellenfeldes Elektronenresonanz angeregt wird, mit einem sowohl für eine Kernresonanzfrequenz als auch für eine Elektronenresonanzfrequenz schwingungsfähigen, die Probe enthaltenden Resonanzsystem.
Probenköpfe der vorstehend genannten Art sind aus dem Buch von Poole, C.P. „Electron Spin Resonance", 2. Auflage, Dover Publications, Inc. 1983, Seiten 649-661 bekannt.
Auf dem Gebiete der magnetischen Resonanz sind zahlreiche Meßmethoden bekannt, bei denen in einer Probe sowohl Kernresonanz (NMR) als auch Elektronenresonanz (ESR) angeregt wird. Beispiele dafür sind die Elektron-Kern-Doppelresonanz (ENDOR – Elektron Nuclear Double Resonance) und die Dynamische Kernpolarisation (DNP – Dynamic Nuclear Polarisation), aber auch Tripelresonanzmethoden und andere mehr.
Bei diesen Methoden ist es aus apparativer Sicht erforderlich, die Probe in einem Resonanzsystem anzuordnen, das sowohl für die Kernresonanzfrequenz als auch für die Elektronenresonanzfrequenz schwingungsfähig ist, worunter im Folgenden auch ausbreitungsfähig verstanden werden soll. Dabei ist zu beachten, dass diese Frequenzen um einen Faktor von etwa 660 auseinander liegen. Wird also beispielsweise die Elektronenresonanz im klassischen X-Band (9 – 12 GHz) angeregt, liegt die Kernresonanzfrequenz bei 13 – 18 MHz. In der heute möglichen Hochfeldspektroskopie mit Konstant-Magnetfeldern von über 10 T Feldstärke werden Elektronenresonanzfrequenzen von 260 – 520 GHz eingesetzt, was Kernresonanzfrequenzen von 400 – 800 MHz entspricht.
In dem eingangs erwähnten Buch von Poole werden in Verbindung mit ENDOR-Experimenten zahlreiche aus der wissenschaftlichen Literatur bekannte Probenköpfe referiert. Bei diesen Probenköpfen sind viele denkbare Ansätze realisiert worden, also Probenköpfe mit einem Hohlraumresonator und einer darin angeordneten Hochfrequenzspule oder mit einem Hohlraumresonator und einer darum herum angeordneten Hochfrequenzspule oder Resonanzsysteme, die für beide Frequenzen schwingungsfähig sind.
Aus der Technik der DNP sind Resonatoren bekannt, die als gewickelter Zylinder mit kleiner Steigung ausgebildet sind, wobei der Zylinder als Hohlraumresonator und die gewickelte Spule als Hochfrequenzspule dient.
In einem Aufsatz von Becerra, L.R. et al. „A Spectrometer for Dynamic Nuclear Polarization and Electron Paramagnetic Resonance at High Frequencies", Journal of Magnetic Resonance Series A 117, S. 28-40 (1995). sind zwei derartige Probenköpfe für DNP-Experimente bei einer Mikrowellenfrequenz im Bereich von 140 GHz beschrieben. Bei einem ersten Probenkopf in MAS-Bauweise befindet sich die Probe innerhalb einer NMR-Solenoidspule. Das Mikrowellensignal wird von einer Stirnseite der Solenoidspule, also axial, über einen WR-8 Wellenleiter eingestrahlt und an der entgegengesetzten Stirnseite mittels eines Kupferspiegels reflektiert, so dass die Solenoidspule mit dem Spiegel als Mikrowellenresonator wirkt. Bei einem zweiten Resonator in statischer Bauart liegt die NMR-Solenoidspule quer, und das Mikrowellensignal wird von der einen Seite her, also radial durch die Windungen hindurch, über einen WR-8 Wellenleiter eingestrahlt und an der gegenüberliegenden Seite mittels eines Fabry-Perot Spiegels reflektiert. Auch hier wirkt die Solenoidspule zusammen mit dem Spiegel als Mikrowellenresonator. In beiden Fällen ist die Güte des Resonators für das Mikrowellensignal mit 1 bis 5 extrem schlecht.
Diese bekannten Probenköpfe sind unter Laborbedingungen aufgebaute Einzelanfertigungen und nur für den jeweiligen experimentellen Spezialfall im wissenschaftlichen Bereich brauchbar. Sie eignen sich nicht für ein kommerzielles Spektrometer, das für eine große Bandbreite von Experimenten einsetzbar sein muss. Außerdem sind die bekannten Probenköpfe größtenteils für klassische ESR-Frequenzen im S- oder X-Band ausgelegt, und ihr Konzept lässt sich nicht ohne weiteres auf hohe Frequenzen im Bereich von über 100 GHz übertragen.
Auf dem Gebiet der magnetischen Resonanz sind ferner so genannte Loop-Gap-Resonatoren (gelegentlich auch als Split-Ring-Resonatoren bezeichnet) allgemein bekannt geworden.
In der US 4 435 680 A ist ein derartiger Resonator beschrieben. Der Resonator besteht aus einem Hohlzylinder geringer Wandstärke, der auf einer oder auf zwei gegenüberliegenden Seiten mit einem entlang einer Mantellinie verlaufenden schmalen Längsspalt versehen ist. Dieser Loop-Gap-Resonator wird auf eine Art und Weise angeregt, die nachfolgend als „direkte Ankopplung" bezeichnet wird. Die direkte Ankopplung besteht im einfachsten Fall aus einer schleifenförmigen Antenne, die in geringem axialen Abstand von dem Hohlzylinder positioniert ist. Durch diese Ankopplung werden in dem geschlitzten Hohlzylinder auf dessen Innenseite und dessen Außenseite Wandströme in gleicher Umfangsrichtung, also in azimutaler Richtung erzeugt. Diese Wandströme schließen sich über den Verschiebungsstrom im Spalt kurz, wodurch der Spalt überbrückt wird. Als Folge entsteht ein Hochfrequenzfeld, dessen Feldlinien den Innenraum des Hohlzylinders in einer axialen Richtung und den Außenraum in der entgegengesetzten axialen Richtung durchsetzen.
In der US 5 539 15 ist ein Kernresonanz-Probenkopf beschrieben, der ebenfalls einen Loop-Gap-Resonator verwendet. Im Gegensatz zu dem im vorhergehenden Absatz beschriebenen Loop-Gap-Resonator wird dieser jedoch auf eine Art und Weise angeregt, die nachfolgend als „indirekte Ankopplung" bezeichnet wird (in der Fachliteratur wird auch der Begriff „Driven Loop Gap Mode" verwendet). Die indirekte Ankopplung besteht bei diesem Loop-Gap-Resonator darin, dass eine Solenoid-Spule mit geringem radialem Abstand koaxial um den Loop-Gap-Resonator herumgewickelt ist. Diese Solenoid-Spule wird mit dem Hochfrequenz-Signal gespeist. Das zwischen der Solenoid-Spule und dem Hohlzylinder erzeugte hochfrequente Magnetfeld induziert an der Außenseite des Hohlzylinders azimutale Wandströme. Diese Wandströme fließen von der Außenseite über den Spalt auf die Innenseite und schließen sich dort in entgegengesetzter Richtung kurz. Dadurch entsteht im Innenraum des Hohlzylinders ein Hochfrequenz-Magnetfeld, das in der selben Richtung wie das von der Solenoid-Spule unmittelbar im Außenraum erzeugte Hochfrequenz-Magnetfeld verläuft.
Die beiden vorstehend geschilderten bekannten Loop-Gap-Resonatoren haben den Nachteil, dass sie jeweils nur für die isolierte Messung einer Kernresonanz oder einer Elektronenresonanz verwendbar sind, weil sie nur für eine Frequenz schwingungsfähig sind.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Probenkopf der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll es möglich werden, einen Probenkopf für die gleichzeitige Anregung von Kernresonanz und von Elektronenresonanz in der selben Probe zu schaffen, der durch seinen einfachen Aufbau für eine Vielzahl derartiger Experimente einsetzbar ist und der auch bei sehr hohen Frequenzen betrieben werden kann.
Bei einem Probenkopf der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Resonanzsystem als ein bei der Elektronenresonanzfrequenz schwingungsfähiger Hohlraumresonator ausgebildet ist, dessen Wand mit Spalten versehen ist, wobei die Spalte parallel zu Wandströmen des Mikrowellenfeldes verlaufen und/oder im Verhältnis zur Wellenlänge des Mikrowellenfeldes schmal ausgebildet sind, und dass die Spalte in der Wand einen bei der Kernresonanzfrequenz schwingungsfähigen Loop-Gap-Resonator definieren.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Die Erfindung verwendet nämlich einen Kunstgriff, indem sie für die Anregung der Elektronenresonanz einen an sich herkömmlichen Hohlraumresonator verwendet, der dann jedoch durch intelligent angeordnete Spalte so modifiziert wird, dass darin zugleich ohne merkliche Veränderung seines Resonanzverhaltens im Mikrowellenbereich ein im Hochfrequenzbereich resonantes Bauelement, nämlich ein Loop-Gap-Resonator, definiert wird. Die beiden Bauelemente Hohlraumresonator und Loop-Gap-Resonator werden also mit ihren jeweiligen, sehr unterschiedlichen Resonanzfrequenzen auf diese Weise baulich vereinigt. Im Ergebnis entsteht auf diese Weise ein sehr einfach aufgebautes System, das im Bereich der Doppelresonanz (ENDOR, DNP usw.) für zahlreiche Experimente einsetzbar ist, beispielsweise für temperierte Messungen, für Experimente mit schneller Rotation der Probe unter dem so genannten „magischen Winkel" (MAS – Magic Angle Spinning) und dergleichen mehr.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Hohlraumresonator ein zylindrischer Resonator mit einer zylindrischen Wand sowie jeweils einer kreisförmigen oberen und unteren Platte, wobei ein Längsspalt entlang einer Mantellinie der Wand verläuft, und zwei Ringspalte zwischen den Deckeln und der Wand verlaufen.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass ein besonders einfacher Aufbau entsteht, bei dem ein auf dem Gebiet der Elektronenresonanz bewährtes Resonatorkonzept aufgegriffen wird.
Bei dem vorgenannten Ausführungsbeispiel wird eine besonders gute Wirkung dadurch erzielt, dass die Ringspalte in ihrer Breite und Tiefe, bezogen auf den Umfang, hinsichtlich von Abstrahlverlusten des Mikrowellenfeldes aus dem zylindrischen Resonator optimiert sind. Bei einer Ringtiefe von etwa einer halben Wellenlänge wird der TEM-Mode reflektiert.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Güte des Resonators durch das Vorsehen der Spalte so wenig wie möglich beeinträchtigt wird.
Weiter ist in diesem Zusammenhang bevorzugt, wenn in dem zylindrischen Resonator bei der Elektronenresonanzfrequenz ein TE_01p-Mode schwingungsfähig ist.
Diese Maßnahme hat den bereits erwähnten Vorteil, dass auf ein bewährtes Konzept zurückgegriffen wird, bei dem sich eine lange Probe in einem Raum des Resonators um dessen Längsachse herum befindet, an dem das magnetische Mikrowellenfeld für die Anregung der Elektronenresonanz maximal und das elektrische Mikrowellenfeld minimal ist, wobei im vorliegenden Zusammenhang besonders wichtig ist, dass auch das magnetische Hochfrequenzfeld für die Anregung der Kernresonanz dort maximal ist.
Bei einer ersten Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung weist der zylindrische Resonator an einer dem Längsspalt gegenüber liegenden Position ein Ankoppelelement auf, das bevorzugt eine Koppeliris ist.
Hier ergibt sich der Vorteil bewährter Konzepte für die Einkopplung von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator.
Dabei ist bei einer ersten Variante bevorzugt, wenn die Koppeliris an einen Hohlleiter angeschlossen ist. Bei einer zweiten Variante hingegen ist die Koppeliris an einen dielektrischen Hohlleiter angeschlossen.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der zylindrische Resonator an einem der Deckel ein Ankoppelelement auf.
Schließlich ist noch bevorzugt, wenn die Deckel in Richtung einer Längsachse des zylindrischen Resonators bewegbar ausgebildet sind.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Deckel als Abstimmkolben verwendet werden können.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn die Wand des Loop-Gap-Resonators mehrere Skintiefen, vorzugsweise mehr als drei Skintiefen, der Kernresonanzfrequenz dick ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Ausbreitung der Wandströme im Falle der indirekten Ankopplung ungestört ist, weil diese sich in voneinander beabstandeten Oberflächenbereichen ausbreiten.
Bei einer ersten Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird der Loop-Gap-Resonator mit der Kernresonanzfrequenz durch direkte Ankopplung angeregt, derart, dass Wandströme des Hochfrequenzfeldes auf einer Innenseite des Loop-Gap- Resonators in der selben Umfangsrichtung wie Wandströme auf einer Außenseite des Loop-Gap-Resonators verlaufen.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Loop-Gap-Resonator bei der NMR-Frequenz resonant ist, was zu einer erhöhten NMR-Empfindlichkeit führt.
Bei einer zweiten Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung hingegen wird der Loop-Gap-Resonator mit der Kernresonanzfrequenz durch indirekte Ankopplung angeregt, derart, dass Wandströme des Hochfrequenzfeldes auf einer Innenseite des Loop-Gap-Resonators in der entgegengesetzten Umfangsrichtung wie Wandströme auf einer Aussenseite des Loop-Gap-Resonators verlaufen.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Loop-Gap-Resonator bei der NMR-Frequenz breitbandig ist, so dass beispielsweise Experimente mit mehreren NMR-Resonanzfrequenzen mit besseren Ergebnissen durchgeführt werden können.
Bei der als zweites genannten Gruppe von Ausführungsbeispielen ist bevorzugt eine Hochfrequenz-Spule, insbesondere eine Solenoidspule, um den Loop-Gap-Resonator herum gewickelt.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass ein besonders einfacher Aufbau entsteht.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist ein Hohlleiter in einer Richtung quer zu einer Langsachse der Solenoidspule an den Hohlraumresonator angeschlossen, wobei erste Windungen axial seitlich neben dem Hohlleiter schmal und zweite Windungen im axialen Bereich des Hohlleiters breit ausgebildet sind.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine homogenere Sromverteilung auf der Außenfläche erzielt wird.
Wie bereits angedeutet wurde, eignet sich die Erfindung besonders für Messungen bei sehr hohen Frequenzen. Besonders bevorzugt ist, wenn die Kernresonanzfrequenz bei 400 – 800 MHz und die Elektronenresonanzfrequenz bei 260 – 520 GHz liegt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht, im Schnitt, durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Probenkopfes;
2 eine Draufsicht auf den Probenkopf von 1;
3 in etwas verkleinertem Maßstab eine Abwicklung des Probenkopfes von 1 und 2;
4: einen schematisierten Radialschnitt durch einen Loop-Gap-Resonator, wie der in dem Probenkopf der 1 bis 3 enthalten ist, darstellend die Feldlinien des magnetischen Hochfrequenzfeldes für den Fall einer direkten Ankopplung;
5: eine Darstellung wie in 4, jedoch für den Fall einer indirekten Ankopplung;
6: eine Darstellung wie in den 4 und 5, jedoch für die Feldlinien des magnetischen Mikrowellenfeldes im TE₀₁₁-Mode; und
7: eine Darstellung, ähnlich 1, jedoch für ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In 1 und 2 bezeichnet 10 als Ganzes ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Probenkopfes. Der Probenkopf 10 enthält einen zylindrischen Resonator 12 mit einer Längsachse 13. Die Länge des Resonators 12 ist mit L und der Durchmesser mit D bezeichnet. Der Resonator 12 weist eine hohlzylindrische Wand 14 der Dicke d auf, in die auf der in 1 und 2 rechten Seite ein entlang einer Mantellinie verlaufender Längsspalt 16 der Breite s vorgesehen ist.
In die hohlzylindrische Wand 14 ist oben und unten jeweils ein Deckel 18a, 18b bzw. eine Platte eingesetzt, wobei zwischen der Wand 14 und den Deckeln 18a, 18b jeweils ein Ringspalt 20a, 20b vorhanden ist, deren radiale Breite mit b und deren axiale Tiefe mit t bezeichnet ist. Die hohlzylindrische Wand 14 und die Deckel 18a, 18b bestehen aus einem elektrisch gut leitfähigen Werkstoff bzw. sind mit einem derartigen Werkstoff beschichtet.
Die Spalte 16 und 20a, 20b sind in ihren Abmessungen so bemessen, dass möglichst geringe Abstrahlverluste für das Mikrowellenfeld entstehen. Insbesondere ist die Tiefe t der Ringspalte 20a, b vorzugsweise größer als eine Wellenlänge der Elektronenresonanzfrequenz.
Der zylindrische Resonator 12 ist vorzugsweise für einen Betrieb im TE_01p-Mode, insbesondere im TE₀₁₁-Mode ausgelegt. Die dabei entstehenden Feldlinien des magnetischen Mikrowellenfeldes sind in 1 mit 22 bezeichnet. Das magnetische Mikrowellenfeld hat ein Maximum an Feldstärke und Homogenität im Bereich der Längsachse 13. Dort ist auch eine Probe 24 positioniert.
Auf der in 1 und 2 linken Seite ist ein Rechteckhohlleiter 30 im Wesentlichen axial mittig an die hohlzylindrische Wand 14 angeschlossen, die dort mit einer Koppeliris 32 versehen ist. Dadurch wird ein sich im Rechteckhohlleiter 30 ausbreitender TE₀₁-Modus in den Resonator 12 eingekoppelt.
Alternativ kann das Mikrowellensignal aber auch im Bereich eines der Deckel 18a, 18b eingekoppelt werden. Dies ist in 1 mit einem Koppelelement 34 in Gestalt einer Antenne bei dem unteren Deckel 18b angedeutet.
Das Vorsehens des Längsspalts 16 und der Ringspalte 20a, 20b beeinträchtigt das Mikrowellen-Resonanzverhalten des Resonators 12 nicht bzw. nicht merklich. Durch die Spalte wird aber innerhalb der Wand des Resonators 12 ein schwingungsfähiges Gebilde, nämlich ein bei der Kernresonanzfrequenz schwingungsfähiger Loop-Gap-Resonator, gebildet. Dadurch ist es möglich, am Ort der Probe 24 nicht nur ein magnetisches Mikrowellenfeld zum Anregen von Kernresonanz, sondern auch ein magnetisches Hochfrequenzfeld zum Anregen von Kernresonanz zu erzeugen.
Der Probenkopf 10 kann bereits in der vorstehend geschilderten Konfiguration durch eine im Rahmen der vorliegenden Anmeldung so bezeichnete „direkte Ankopplung" betrieben werden, die weiter unten erläutert werden wird.
Zum Betrieb mit so bezeichneter „Indirekter Ankopplung" ist eine Solenoid-Spule 40 koaxial um den Resonator 12 herum gewickelt. Der radiale Abstand a der Solenoidspule 40 von der Wand 14 wird dabei so klein wie möglich gewählt.
Insbesondere in 3 ist dargestellt, dass die Solenoid-Spule 40, deren Anschlüsse bei 42a, 42b angedeutet sind, im Bereich axial neben dem Rechteckhohlleiter 30 in schmalen Windungen 44 ausgeführt ist, weil dort die Oberfläche des Resonators 12 nur zylindrisch ist. Im Bereich des Rechteckhohlleiters 30 hingegen sind die unmittelbar axial neben dem Rechteckhohlleiter 30 befindlichen schmalen Windungen im Umfangsbereich des Rechteckhohlleiters verbreitert ausgeführt, wie bei 46 angedeu tet. Damit kann die Homogenität des magnetischen Hochfrequenzfeldes im Innenraum des Resonators 12 trotz der durch den Rechteckhohlleiter verursachten Inhomogenität weitgehend aufrechterhalten werden.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel des Probenkopfes 10 für eine Kernresonanzfrequenz von 800 MHz und eine Elektronenresonanzfrequenz von 520 GHz ergeben sich folgende Abmessungen:
L = 12 mm
D = 3,3 mm
s = 0,25 mm
b = 0,25 mm
t = 0,25 mm
a = 0,25 mm
Wie bereits erwähnt, wird im einfachsten Fall, d.h. ohne Vorhandensein der Solenoid-Spule 40, das Hochfrequenzfeld im Loop-Gap-Resonator durch eine direkte Ankopplung erzeugt, die in 4 veranschaulicht ist. Die direkte Ankopplung besteht im einfachsten Fall aus einer schleifenförmigen Antenne 48, die entlang der Längsachse 13 in geringem axialen Abstand von dem Resonator 12 positioniert ist. Durch diese direkte Ankopplung werden in der geschlitzten hohlzylindrischen Wand 14 auf deren Außenseite Wandströme 54 und auf deren Innenseite Wandströme 56 jeweils in Umfangsrichtung, also in azimutaler Richtung, erzeugt. Diese Wandströme 54, 56 schließen sich über den Verschiebungsstrom im Längsspalt 16 kurz, wodurch dieser überbrückt wird. Als Folge entsteht ein magnetisches Hochfrequenzfeld, dessen Feldlinien den Außenraum des Resonators 12 bei 50 in einer axialen Richtung und den Innenraum bei 52 in der entgegengesetzten axialen Richtung durchsetzen.
Bei der indirekten Ankopplung hingegen, die nicht-maßstäblich in 5 veranschaulicht ist, induziert das im Abstand a zwischen der Solenoid-Spule 44 und der hohlzylindrischen Wand 14 erzeugte hochfrequente Magnetfeld an der Außenseite der hohlzylindrischen Wand azimutale Wandströme 62. Diese Wandströme 62 fließen über den Längsspalt 16 auf die Innenseite der hohlzylindrischen Wand 14 und fließen dort bei 64 in entgegengesetzter Richtung, bis sie sich mit den Wandströmen 62 kurzschließen. Damit dies ungestört geschehen kann, ist die Dicke d des Mantels so bemessen, dass sie größer als einige Skintiefen für die Kernresonanzfrequenz ist.
Dadurch entsteht im Innenraum des Resonators 12 ein Hochfrequenz-Magnetfeld, das bei 60 in der selben Richtung wie das von der Solenoid-Spule unmittelbar im Außenraum erzeugte Hochfrequenz-Magnetfeld bei 58 verläuft.
In 6 ist der Vollständigkeit halber noch einmal der Verlauf der Feldlinien des magnetischen Mikrowellenfeldes für den bereits in 1 veranschaulichten TE₀₁₁-Modus dargestellt. Die Feldlinien verlaufen in der Nähe der Längsachse 13 bei 68 in einer axialen Richtung und in der Nähe der Wand 14 bei 66 in der entgegengesetzten Richtung. Die dabei erzeugten Wandströme 70 verlaufen azimutal und schließen sich über den Längsspalt 16 kurz.
Die Verwendung eines zylindrischen Resonators 12 ist nur beispielhaft zu verstehen. Man kann alternativ auch einen Rechteckresonator verwenden, der an einer schmalen Längsseite axial geschlitzt ist und dessen schmale Seitenwände über umlaufende Spalte galvanisch von den breiten Seitenwänden getrennt sind. Der Loop-Gap-Resonator hätte dann die radiale Querschnittsform eines U.
In 7 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich ein Probenkopf 72 dargestellt. Wie der Probenkopf 10 der 1 weist der Probenkopf 72 einen zylindrischen Resonator 72 mit einer Längsachse 76 auf. Der zylindrische Resonator 74 hat ebenfalls eine hohlzylindrische Wand 78 mit einem Längsspalt 80.
Anders als beim Probenkopf 10 der 1 sind beim Probenkopf 72 an den Stirnseiten der hohlzylindrischen Wand 78 zwei bewegbare Deckel 82a, 82b bzw. Platten vorgesehen, die allerdings ebenfalls einen Ringspalt 83a, 83b zur hohlzylindrischen Wand 78 einhalten. Die Deckel 82a, 82b sind mittels eines in 7 nicht dargestellten Mechanismus, beispielsweise eines Schraubmechanismus, in Richtung der Längsachse 76 verstellbar. Dies ist in 7 mit Pfeilen 84a und 84b dargestellt. Wie 7 deutlich zeigt, sind die Deckel 82a, 82b nach Art eines Kurzschlussschiebers mit entsprechenden Ringnuten an ihrem Umfang aufgebaut. Sie sind ferner mit in der Längsachse 76 verlaufenden Bohrungen 86a, 86b versehen. Die Bohrungen 86a, 86b dienen zur Aufnahme eines Probengefäßes, im dargestellten Beispiel eines Kapillarröhrchens 88, das eine Probe 90 enthält.
Beim Ausführungsbeispiel der 7 wird das Mikrowellensignal ebenfalls an einer Position gegenüber dem Längsspalt 80 eingekoppelt. Zu diesem Zweck ist hier eine Koppeliris 92 vorgesehen, die mit einem dielektrischen Hohlleiter 94 verbunden ist. Der dielektrische Hohlleiter 94 kann durch die Koppeliris 92 in den Innenraum des zylindrischen Resonators 74 hineinragen.

Claims

Probenkopf zum Messen magnetischer Resonanz in einer Probe (24; 90), bei dem in der Probe (24; 90) gleichzeitig mittels eines Hochfrequenzfeldes Kernresonanz (NMR) und mittels eines Mikrowellenfeldes Elektronenresonanz (ESR) angeregt wird, mit einem sowohl für eine Kernresonanzfrequenz als auch für eine Elektronenresonanzfrequenz schwingungsfähigen, die Probe (24; 90) enthaltenden Resonanzsystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonanzsystem als ein bei der Elektronenresonanzfrequenz schwingungsfähiger Hohlraumresonator ausgebildet ist, dessen Wand (14, 18; 78, 82) mit Spalten (16, 20; 80, 83) versehen ist, wobei die Spalte (16, 20; 80, 83) parallel zu Wandströmen (70) des Mikrowellenfeldes verlaufen und/oder im Verhältnis zur Wellenlänge des Mikrowellenfeldes schmal ausgebildet sind, und dass die Spalte (16, 20; 80, 83) in der Wand (14, 18; 78, 82) einen bei der Kernresonanzfrequenz schwingungsfähigen Loop-Gap-Resonator definieren.
Probenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraumresonator ein zylindrischer Resonator (12; 74) mit einer zylindrischen Wand (14; 78) sowie jeweils einer kreisförmigen oberen und unteren Platte (18a, 18b; 82a, 82b) ist, dass ein Längsspalt (16; 80) entlang einer Mantellinie der Wand (14; 78) verläuft, und dass zwei Ringspalte (20a, 20b; 83a, 83b) zwischen den Deckeln (18a, 18b; 82a, 82b) und der Wand (14; 78) verlaufen.
Probenkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringspalte (20a, 20b; 83a, 83b) in ihrer Breite (b) und Tiefe (t), bezogen auf den Umfang, hinsichtlich von Abstrahlverlusten des Mikrowellenfeldes aus dem zylindrischen Resonator (12; 74) optimiert sind.
Probenkopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zylindrischen Resonator (12; 74) bei der Elektronenresonanzfrequenz ein TE_01p-Mode schwingungsfähig ist.
Probenkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Resonator (12; 74) an einer dem Längsspalt (16; 80) gegenüberliegenden Position ein Ankoppelelement aufweist.
Probenkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ankoppelelement eine Koppeliris (32; 92) ist.
Probenkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeliris (32) an einen Hohlleiter (30) angeschlossen ist.
Probenkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeliris (92) an einen dielektrischen Hohlleiter (94) angeschlossen ist.
Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Resonator (12) an einem der Deckel (18b) ein Ankoppelelement (34) aufweist.
Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (82a, 82b) in Richtung einer Längsachse (76) des zylindrischen Resonators (74) bewegbar (84a, 84b) ausgebildet sind.
Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (16) des Loop-Gap-Resonators mehrere Skintiefen, vorzugsweise mehr als drei Skintiefen, der Kernresonanzfrequenz dick (d) ist.
Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Loop-Gap-Resonator mit der Kernresonanzfrequenz durch direkte Ankopplung angeregt wird, derart, dass Wandströme (56) des Hochfrequenzfeldes auf einer Innenseite des Loop-Gap-Resonators in der sel ben Umfangsrichtung wie Wandströme (54) auf einer Außenseite des Loop-Gap-Resonators verlaufen.
Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Loop-Gap-Resonator mit der Kernresonanzfrequenz durch indirekte Ankopplung angeregt wird, derart, dass Wandströme (64) des Hochfrequenzfeldes auf einer Innenseite des Loop-Gap-Resonators in der entgegengesetzten Umfangsrichtung wie Wandströme (62) auf einer Außenseite des Loop-Gap-Resonators verlaufen.
Probenkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochfrequenz-Spule um den Loop-Gap-Resonator gewickelt ist.
Probenkopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Spule eine Solenoidspule (40) ist.
Probenkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlleiter (30) in einer Richtung quer zu einer Längsachse (13) der Solenoidspule (40) an den Hohlraumresonator angeschlossen ist, dass erste Windungen (44) axial seitlich neben dem Hohlleiter (30) schmal und zweite Windungen (46) im axialen Bereich des Hohlleiters (30) breit ausgebildet sind.
Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernresonanzfrequenz bei 400 – 800 MHz und die Elektronenresonanzfrequenz bei 260 – 520 GHz liegt.