DE102008009376B4

DE102008009376B4 - Resonatoranordnung für Messungen an einer Probe in einem konstanten Magnetfeld mittels magnetischer Resonanz

Info

Publication number: DE102008009376B4
Application number: DE102008009376A
Authority: DE
Inventors: Alexander Krahn; Peter Dr. Höfer; Marian Dr. Kloza; Frank Dr. Engelke
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2008-02-14
Filing date: 2008-02-14
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2028-02-15
Also published as: DE102008009376A1; US20090230963A1; US7919963B2

Abstract

Resonatoranordnung für Messungen an einer Probe (36) in einem konstanten Magnetfeld (B₀) mittels magnetischer Resonanz, mit einem eine Längsachse (11) definierenden Resonatorteil (13), der in Axialrichtung einen Hohlraum (22) für eine Anregung von Elektronenresonanz in der Probe (36) enthält, und mit einem in Axialrichtung an den Resonatorteil (13) angeschlossenen Koppelteil (14), wobei der Resonatorteil (13) einen in Richtung der Längsachse (11) gestuften, mindestens an seiner Innenoberfläche elektrisch leitfähigen Durchgang (22, 24, 30) enthält, von dem ein erster, mittlerer Abschnitt den Hohlraum (22) bildet, und ein zweiter und ein dritter an axial gegenüberliegende Seiten des Hohlraums (22) angrenzender Abschnitt (24, 30) jeweils derart dimensioniert ist, dass in dem zweiten und in dem dritten Abschnitt (24, 30) ein in dem Hohlraum (22) resonanter Grundmodus (62) nicht ausbreitungsfähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum zusätzlichen Anregen einer Kernresonanz in der Probe (36) vorgesehen sind, wobei die Mittel als um den Resonatorteil (13a) herum...

Description

Die Erfindung betrifft eine Resonatoranordnung für Messungen an einer Probe in einem konstanten Magnetfeld mittels magnetischer Resonanz, mit einem eine Längsachse definierenden Resonatorteil, der in Axialrichtung einen Hohlraum für eine Anregung von Elektronenresonanz in der Probe enthält, und mit einem in Axialrichtung an den Resonatorteil angeschlossenen Koppelteil, wobei der Resonatorteil einen in Richtung der Längsachse gestuften, mindestens an seiner Innenoberfläche elektrisch leitfähigen Durchgang enthält, von dem ein erster, mittlerer Abschnitt den Hohlraum bildet und ein zweiter bzw. ein dritter an axial gegenüberliegende Seiten des Hohlraums angrenzender Abschnitt jeweils derart dimensioniert sind, dass in dem zweiten und in dem dritten Abschnitt ein in dem Hohlraum resonanter Grundmodus nicht ausbreitungsfähig ist.
Eine Resonatoranordnung der vorstehend genannten Art ist aus der DE 30 29 754 C2 bekannt.
Bei Messungen an Proben mittels magnetischer Resonanz wird ein hochfrequentes Magnetfeld benötigt, das zusammen mit dem konstanten Magnetfeld magnetische Resonanzvorgänge in der Probe auslöst. Um am Probenort ein möglichst intensives hochfrequentes Magnetfeld zu erzeugen, sind verschiedenste Resonatoranordnungen bekannt geworden.
Für Messungen mittels Kernresonanz liegt die Frequenz des Magnetfeldes üblicherweise im Hochfrequenzbereich von einigen 100 MHz. Dann sind die Resonatoranordnungen meist als Spulenanordnungen ausgebildet. Bei Messungen mittels Elektronenresonanz hingegen liegt die Frequenz des Magnetfeldes wegen des im Vergleich zu Kernen sehr viel höheren gyromagnetischen Verhältnisses von Elektronen im Bereich von 10 GHz bis zu einigen 100 GHz. In diesem Falle sind die Resonatoranordnungen üblicherweise als Hohlraumresonatoren ausgebildet.
Die eingangs erwähnte DE 30 29 754 C2 beschreibt einen Probenkopf für Messungen paramagnetischer Elektronenresonanz. Der Probenkopf weist einen Hohlraumresonator auf, der in einem zylindrischen Rohrabschnitt zwischen einem Kolben und einem durch ein Koppelglied verschlossenes Ende des Rohrs gebildet wird. Durch den Kolben führt eine axiale Bohrung zum Einführen einer Probe und durch das gegenüberliegende Koppelglied ein außeraxialer Hohlleiterabschnitt. Der in dem Hohlraum ausbreitungsfähige Schwingungsmodus, der zum Anregen der Elektronenresonanz in der Probe verwendet wird, ist weder in dem Hohlleiterabschnitt noch in der Bohrung für die Probe ausbreitungsfähig. Der bekannte Probenkopf ist für die gleichzeitige Anregung einer Kernresonanz in der Probe nicht vorgesehen noch geeignet.
Bei Hohlraumresonatoren spielen die Ankopplung des Mikrowellensignals und die Probenaufnahme eine wesentliche Rolle. Für die Ankopplung des Mikrowellensignals wird meist eine Iriskopplung verwendet oder eine Ankopplung mittels einer Antenne. Bei sehr hohen Mikrowellenfrequenzen im Bereich von einigen 100 GHz ergeben sich jedoch Probleme wegen der dann sehr geringen Abmessungen der Bauelemente, die sich an der Wellenlänge orientieren, die bei 300 GHz nur 1 mm beträgt.
In diesem Zusammenhang ist aus einer Arbeit von Denysenkov et al. eine ENDOR(Electron Nuclear Double Resonance)-Resonatoranordnung bekannt geworden, mit der gleichzeitig Elektronenresonanz (ESR) bei einer Frequenz von 260 GHz und Kernresonanz (NMR) bei einer Frequenz von 400 MHz in einer Probe angeregt wird, die sich in einem konstanten Magnetfeld von 9,4 T Feldstärke befindet. Die bekannte Resonatoranordnung verwendet einen zylindrischen Hohlraumresonator für das ESR-Mikrowellenfeld, der durch helikoidales Aufwickeln eines Bandmaterials gebildet ist. Die dadurch gebildete Helix dient zugleich als Hochfrequenz-Spule für das Einstrahlen des NMR-Hochfrequenzfeldes. In den Hohlraum tauchen axial seitlich zwei metallisch beschichtete, zylindrische Kurzschlussschieber ein, von denen einer oder beide zur Frequenzabstimmung axial verschiebbar ist/sind. Das ESR-Mikrowellenfeld wird durch eine in der Mitte der Helix befindliche Koppeliris seitlich von einem Hohlleiter eingekoppelt. Eine flüssige Probe befindet sich in einer Quarzkapillare, die entlang der Achse im Hohlraum, d. h. zwischen den Kurzschlussschiebern, angeordnet ist.
Bei dieser bekannten Anordnung ist die Kopplung des Mikrowellenfeldes diffizil, und das Einsetzen einer Probe in den Hohlraum erfordert zunächst, dass einer der Kurzschlussschieber entfernt wird, wenn nicht in einem der Kurzschlussschieber eine zentrische Durchgangsöffnung vorgesehen wird.
Aus der DE 10 2005 039 087 B3 ist ein Probenkopf für Kernresonanzmessungen bekannt. Der Probenkopf ist für MAS-Experimente geeignet, bei denen die Probe um eine Achse rotiert, die zur Hauptfeldrichtung um den so genannten ”magischen Winkel” von 54,7° geneigt ist. Das Hochfrequenzfeld wird auf die Probe mittels eines dielektrischen Resonators eingestrahlt, der als Hohlzylinder um die Probe herum angeordnet ist. Zum Anregen einer zweiten Kernart ist der Probenkopf ferner mit einer Solenoidspule versehen, die innerhalb des dielektrischen Resonators ebenfalls um die Probe herum angeordnet ist. Die Anregung einer Elekronenresonanz ist nicht vorgesehen.
Die DE 198 34 939 A1 beschreibt ein Mikrospektrometer für die ESR-Spektroskopie, bei dem die Frequenzabstimmung eines H₁₀₂-Resonators durch Eindrehen einer dielektrischen Schraube in den Resonator vorgenommen wird.
In der US 4 633 180 A ist ein Hohlraumresonator offenbart, der als so genannter Split-Ring-Resonator ausgebildet ist, also beispielsweise mit zwei halbzylindrischen Schalen, die zu einer Längsachse spiegelsymmetrisch angeordnet und in Umfangsrichtung um einen Spalt beanstandet sind.
Die US 2007/0 007 961 A1 beschreibt ein Spektrometer, bei dem eine Kernresonanz oder eine Elektronenresonanz angeregt wird, indem man ein entsprechendes Hochfrequenz-Magnetfeld mittels einer Antenne auf die zu untersuchende Probe einstrahlt.
In der US 3 372 331 A ein gyromagnetisches Spektrometer offenbart, das eine Helix als Sende- und Empfangsspule für ESR-Signale verwendet. Die Helix wird aus einer Koaxialleitung gespeist, wobei der Übergang von der Koaxialleitung zu der Helix als dielektrischer Kegel ausgebildet ist.
Die CH 402 464 A beschreibt einen Hohlraumresonator für ESR-Messungen, bei dem bestimmte Teile des Resonatorgehäuses aus einem Material mit höherem spezifischem Widerstand bestehen als die übrigen Teile und bei dem die Innenseite des Gehäuses mit einer Schicht aus diamagnetischem Material überzogen ist.
In einem Aufsatz von Hessinger D. et al., Journal of Magnetic Resonance, 147, S. 217–225(2000) ist schließlich ein Puls-ESR-Spektrometer für MAS-Messungen beschrieben, das als Resonator einen dielektrischen Ring aus Saphir verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Resonatoranordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass Messungen magnetischer Resonanz verbessert werden. Insbesondere sollen derartige Messungen bei sehr hohen Frequenzen erleichtert werden. Weiterhin sollen Messungen ermöglicht werden, die bei hohen Frequenzen Doppelresonanzen erfassen, also Messungen mit dynamischer Polarisation (DNP) oder Elektronen-Kern-Doppelresonanzen (ENDOR).
Bei einer Resonatoranordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Mittel zum zusätzlichen Anregen einer Kernresonanz in der Probe vorgesehen sind, wobei die Mittel als um den Resonatorteil herum gewickelte Spule ausgebildet sind, dass der Resonatorteil einen torusförmigen Körper aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist, in dem der gestufte Durchgang ausgebildet ist, und dass der torusförmige Körper mit mindestens einem axialen Schlitz versehen ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Die Erfindung gestattet es nämlich, auch bei sehr hohen Frequenzen einen resonanten Grundmodus in einem Hohlraum zuverlässig anzuregen und auf diese Weise einen Resonator mit extrem hoher Güte darzustellen, in dem die Feldverteilung nahezu ungestört ist. Dabei ist der Hohlraum von zwei gegenüberliegenden Seiten her zugänglich, so dass von der einen Seite eine Kopplung möglich ist, die mit einfach handhabbaren Elementen arbeitet, und von der anderen Seite eine Probe eingeführt und gewechselt werden kann, ohne dass dazu Bauelemente zuvor entfernt werden müssen.
Die Erfindung hat ferner den Vorteil, dass sich die durch das von außen eingestrahlte Hochfrequenzfeld in der Oberfläche des Körpers verursachten Ströme nicht schädlich auswirken, weil der axiale Schlitz eine Split-Ring-Struktur bildet.
Obwohl die Gestalt des Hohlraums im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht eingeschränkt ist, wird vorzugsweise ein Hohlraum eingesetzt, der zylindrisch ist, wobei die Längsachse des Hohlraums mit der Längsachse des Resonatorteils zusammenfällt.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass auf eine bewährte Resonatorstruktur zurückgegriffen werden kann.
Bevorzugt ist, wenn der dritte Durchgangsabschnitt auf der vom Koppelteil abgewandten Seite an den Hohlraum angrenzt und einen Probenhalter aufweist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine besonders gute Zugänglichkeit des Hohlraums für die Probe gegeben ist und die Probe auch ohne weiteres ausgewechselt werden kann.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung grenzt der zweite Durchgangsabschnitt auf der dem Koppelteil zugewandten Seite an den Hohlraum an, das Koppelteil weist einen entlang der Längsachse des Resonatorteils angeordneten dielektrischen Stab auf, und ein erstes Ende des dielektrischen Stabes ragt mit radialem Abstand in den zweiten Durchgangsabschnitt hinein.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass durch das Dielektrikum die Grenzfrequenz bei der Ankopplung herabgesetzt wird.
In diesem Fall wird eine gute Wirkung dadurch erzielt, dass das erste Ende des dielektrischen Stabes in dem zweiten Durchgangsabschnitt in einem vorbestimmten Abstand von dem Hohlraum ausläuft.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine kritische Kopplung durch Einstellen des vorbestimmten Abstandes eingestellt werden kann.
Ferner ist in diesem Zusammenhang bevorzugt, wenn ein dem ersten Ende des dielektrischen Stabes gegenüberliegendes zweites Ende abschnittsweise in einer Durchgangsbohrung eines mindestens an seiner Innenoberfläche elektrisch leitfähigen Körpers des Koppelteils aufgenommen ist und in einen Hohlleiter ausläuft.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Anschluss an eine übliche Mikrowellenquelle in einfacher Weise hergestellt werden kann.
Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass das zweite Ende des dielektrischen Stabes mit einem vorbestimmten Abstand in den Hohlleiter hineinragt, wobei vorzugsweise das zweite Ende einen axialen Vorsprung verminderten Querschnitts aufweist, der um einen weiteren vorbestimmten Abstand in den Hohlleiter hineinragt.
Bei bevorzugten Weiterbildungen der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele weitet der zweite Durchgangsabschnitt sich auf der vom Hohlraum abgewandten Seite in Richtung auf das Koppelteil auf. In entsprechender Weise ist bevorzugt, wenn die Durchgangsbohrung sich in Richtung auf den Resonatorteil aufweitet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Übergang in den und von dem dielektrischen Stab stetig verläuft und sich keine störenden stehenden Wellen bilden.
Obwohl im Rahmen der vorliegenden Erfindung keine Einschränkung hinsichtlich der Querschnittsform des dielektrischen Stabes besteht, ist bevorzugt, wenn dieser zylindrisch ist. Diese Formgebung, insbesondere im Zusammenwirken mit einem zylindrischen Hohlraumresonator und einem zylindrischen Hohlleiteranschluss, ergibt ebenfalls einen stetigen Übergang ohne störende stehende Wellen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der axiale Schlitz in dem torusförmigen Körper durch Abschnitte eines mäanderförmigen axialen Schlitzes ausgebildet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass einerseits die Split-Ring-Struktur erhalten bleibt, andererseits aber das im Hohlraum erzeugte Mikrowellenfeld nicht austritt.
Bei einer dritten Variante ist der torusförmige Körper massiv ausgebildet und mit einem wendelförmigen Schlitz versehen, derart, dass er eine Helix bildet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine besonders kompakte Anordnung entsteht, was insbesondere bei sehr kleinen Probenkopfräumen in Hochfeld-Magneten nützlich ist.
Bei einer vierten Variante schließlich ist der torusförmige Körper durch eine Drahtspule mit gestuftem Durchmesser ausgebildet.
Diese Maßnahme hat ebenfalls den Vorteil, dass eine kompakte Anordnung entsteht.
Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, das zusätzliche Mittel zum Anregen einer weiteren Kernresonanz in der Probe vorgesehen sind.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass weitere Messungen durchgeführt werden können, bei denen beispielsweise eine erste Kernart beobachtet und eine zweite Kernart gesättigt wird.
Schließlich kann erfindungsgemäß noch ein weiteres Ausführungsbeispiel verwendet werden, bei dem der Resonatorteil in einem Gehäuse um die Längsachse drehbar angeordnet ist und Mittel zum Befestigen des Gehäuses unter einem vorbestimmten Winkel zur Richtung des konstanten Magnetfeldes vorgesehen sind.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass Messungen im so genannten „magischen” Winkel möglich sind.
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 schematisierte Seitenansicht (im Schnitt) eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Resonatoranordnung;
2: ein Detail aus 1, nämlich einen Resonatorteil, zur Veranschaulichung der Wirkungsweise;
3: eine Darstellung ähnlich 2, jedoch für ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, im Axialschnitt entlang der Ebene III-III von 4;
4: eine perspektivische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels als Ganzes;
5: ein Detail aus 4, im Radialschnitt entlang der Linie V-V von 4;
6: eine Darstellung ähnlich 3, jedoch für ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7: eine weitere Darstellung ähnlich 3, jedoch in vergrößertem Maßstab und stark vereinfacht, für ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
8: eine schematisierte Seitenansicht, im Schnitt, eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung.
In 1 bezeichnet 10 als Ganzes eine Resonatoranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Resonatoranordnung 10 erstreckt sich entlang einer Längsachse 11, die sich parallel zu einer z-Achse eines bei 12 angedeuteten kartesischen Koordinatensystems erstreckt.
Die Resonatoranordnung 10 weist einen Resonatorteil 13 sowie einen Koppelteil 14 auf.
Der Resonatorteil 13 besteht im Wesentlichen aus einem ersten, torusförmigen Körper 20, der eine Länge L aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Formgebung des Körpers 20 insgesamt zylindrisch, was aber nur bevorzugt und nicht zwingend ist. In dem Körper 20 ist axial ein gestufter, zylindrischer Durchgang mit drei Abschnitten unterschiedlicher Abmessungen vorgesehen.
Ein erster Abschnitt wird durch einen mittigen Hohlraum 22 gebildet, dessen Durchmesser mit d₁ und dessen Länge mit l₁ bezeichnet ist. In 1 links schließt sich daran ein zweiter Durchgangsabschnitt 24 der Länge l₂ an. Dieser unterteilt sich in einen rechten, zylindrischen Teil 26 mit dem Durchmesser d₂ und einen links daran anschließenden konischen Teil 28, der sich vom Durchmesser d₂ nach links mit einem Winkel α aufweitet. Rechts vom Hohlraum 22 schließt sich an diesen ein dritter Durchgangsabschnitt 30 der Länge l₃ an, der nur aus einem zylindrischen Teil 32 des Durchmessers d₃ besteht. In dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist d₂ = d₃.
Entlang der Längsachse 11 ist in dem Hohlraum 22 ein Probengefäß, im dargestellten Beispiel ein Probenröhrchen 34, angeordnet. Hierfür ist vorzugsweise ein Probenhalter 35 in dem zylindrischen Teil 32 vorgesehen. Das Probenröhrchen 34 enthält eine bei 36 angedeutete flüssige oder feste Probe.
Der Koppelteil 14 weist einen zweiten torusförmigen Körper 40 auf. Auch für diesen gilt, dass er bevorzugt zylindrisch ausgebildet ist aber nicht sein muss. Der zweite torusförmige Körper 40 ist mit einem linken Abschnitt 42 versehen, der als Rundhohlleiter 44 ausgebildet ist. Über den Rundhohlleiter 44 ist das Koppelteil 14 in an sich bekannter Weise an eine Mikrowellenquelle angeschlossen. Ein rechter Abschnitt 46 des zweiten torusförmigen Körpers 40 weist eine Durchgangsbohrung 48 mit einem Durchmesser d₄ auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist d₄ < d₂, d₃.
Ein dielektrischer, im dargestellten Beispiel zylindrischer Stab 50 ist entlang der Längsachse 11 angeordnet. Der dielektrische Stab 50 hat einen Durchmesser d₄. Ein in 1 rechtes Ende 52 des dielektrischen Stabes 50 ragt mit radialem Spiel Δy bis in den zylindrischen Teil 26 und endet stirnseitig im axialen Abstand z₁ vor dem Übergang zwischen dem zylindrischen Teil 26 und dem Hohlraum 22. Ein in 1 linkes Ende 53 des dielektrischen Stabes 50 ragt um eine axiale Länge z₂ in den Rundhohlleiter 44 hinein und setzt sich dann mit einem axialen Vorsprung 54 des Durchmessers d₅ um eine weitere axiale Strecke z₃ fort.
2 zeigt in äußerst schematisierter Weise die Einkopplung eines Hochfrequenz-Magnetfeldes in den Hohlraum 22. Das hochfrequente Signal ist dabei ein Mikrowellensignal vom zylindrischen Typ TE₀₁.
Links in 2 ist zu erkennen, dass geschlossene magnetische Feldlinien 60 die Oberfläche des dort frei verlaufenden dielektrischen Stabes 50 schneiden. Dort wo der dielektrische Stab 50 in den Bereich des konischen Teils 28 gelangt, werden die Feldlinien in den dielektrischen Stab 50 hineingezwungen und regen dann im Hohlraum 22 eine Grundwelle 62 an. Im dargestellten Beispiel ist die Grundwelle 62 vom Typ TE₀₁₁. Der Abstand z₁ ist dabei so eingestellt, dass eine kritische Kopplung an den Hohlraum 22 vorliegt. Zu diesem Zweck kann der dielektrische Stab 50 mittels einer geeigneten Vorrichtung, beispielsweise einer Feingewinde-Schraubvorrichtung, axial verstellbar sein, was der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist.
Wichtig ist vor allem, dass die Durchmesser d₂ und d₃ so dimensioniert sind, dass eine TE₀₁-Welle der Resonanzfrequenz des Hohlraums 22 dort nicht ausbreitungsfähig ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind für eine Resonanzfrequenz f_ESR des Hohlraums 22 von 94 GHz die vorgenannten Abmessungen wie folgt:
L = 11 mm
l₁ = 5 mm
l₂ = 3 mm
l₃ = 3 mm
d₁ = 4,6 mm
d₂ = 2,5 mm
d₃ = 2,5 mm
d₄ = 2,5 mm
d₅ = 1,25 mm
z₁ = 0,3 mm
z₂ = 0,5 mm
z₃ = 1,1 mm
α = 45°
Das Ausführungsbeispiel der 1 und 2 verwendet einen geschlossenen ersten torusförmigen Körper 20. Es ist in erster Linie für Elektronenresonanz-Messungen geeignet.
Für Anwendungen, bei denen zusätzlich zur Anregung der magnetischen Resonanz von Elektronen auch Kerne angeregt werden sollen, ist ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, das in 3 bis 5 dargestellt ist. Darin ist der erste torusförmige Körper des Resonatorteils 13a etwas modifiziert und daher mit 20a bezeichnet. Das Koppelteil ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 unverändert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Hochfrequenzspule 66 in Solenoid-Bauweise um den ersten torusförmigen Körper 20a herum gewickelt. Über einen Anschluss 68 kann die Spule 66 mit einem Hochfrequenzsignal der Frequenz f_NMR gespeist werden. Damit das durch die Spule 66 erzeugte Hochfrequenzfeld, dessen magnetische Feldlinien bei 70 angedeutet sind, in den Hohlraum 22 eindringen kann, ist der erste torusförmige Körper 20a axial geschlitzt. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung einen mäanderförmigen Schlitz 74, dessen axiale Abschnitte 72 den axialen Schlitz bilden. 5 zeigt die Wirkung des axialen Schlitzes 72. Dieser bewirkt nämlich, dass die von dem Hochfrequenzfeld induzierten Wandströme 76 auf der Außenoberfläche des ersten torusförmigen Körpers 20a in einer ersten Umfangsrichtung (im dargestellten Beispiel in Gegenuhrzeigerrichtung) verlaufen, dann durch den axialen Schlitz 72 auf die Innenoberfläche gelangen und dort in entgegengesetzter Umfangsrichtung (im dargestellten Beispiel in Uhrzeigerrichtung) verlaufen. Diese Anordnung wird in der Fachwelt als „split ring” bezeichnet.
Beim dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 6 dargestellt ist, findet ein auf andere Weise modifizierter erster torusförmiger Körper 20b des Resonatorteils 13b Verwendung. Der Körper 20b ist nämlich als Helix 80 ausgebildet, indem ein helixförmiger Schlitz 82 in ihm angebracht ist. Damit bildet der Körper 20b zugleich eine Spule für das Hochfrequenzsignal zum Anregen der Kerne und ist zu diesem Zweck mit einem Anschluss 83 versehen.
In 6 ist noch eine weitere Fortbildung der Erfindung dargestellt. In dem Hohlraum 22 ist nämlich das Probenröhrchen 34 von einer weiteren Spule 84, nämlich einer Drahtspule, umgeben. Die Spule 84 kann über einen Anschluss 86 mit einem weiteren Hochfrequenzsignal zum Anregen einer weiteren Kernart gespeist werden. Insgesamt wird dann eine Dreifachresonanz angeregt, nämlich mit der Mikrowellenfrequenz f_ESR eine Elektronenresonanz im Hohlraum 22, mit der Hochfrequenz f_NMR1 eine Kernresonanz einer ersten Kernart in der Helixspule 80 und mit der Hochfrequenz f_NMR2 eine Kernresonanz einer zweiten Kernart in der Spule 84.
7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der erste torusförmige Körper 20c des Resonatorteils 13c als im Durchmesser gestufte Drahtspule 88 ausgebildet. Die Drahtspule 88 bildet dabei nicht nur den Hohlraum 22 aus. Sie kann nämlich über einen Anschluss 90 mit einem Hochfrequenzsignal gespeist werden und damit im Hohlraum 22 zusätzlich Kernresonanz in einer Probe anregen.
8 schließlich veranschaulicht, dass die erfindungsgemäße Resonatoranordnung in besonders bevorzugter Weise auch zur Messung der Kernresonanz unter dem so genannten „magischen Winkel” θ = 54,7° verwendet werden kann (MAS Magic Angle Spinning). Hierzu ist in 8 die Richtung des konstanten Magnetfeldes B₀ mit 92 bezeichnet, was der z-Achse entspricht. Der Resonatorteil 13 ist in einem Gehäuse 94 untergebracht, und die Längsachse 11 ist zur Richtung 92 um den genannten Winkel θ geneigt. Das Gehäuse 94 ist über Befestigungsmittel 98 beispielsweise an einer Innenwand eines Probenkopfes (nicht dargestellt) befestigt. Mit einem Pfeil 96 ist angedeutet, dass der erste torusförmige Körper 13 mit dem Probenröhrchen 34 um die Längsachse 11 rotiert. Zu diesem Zweck ist der Körper 13 beispielsweise mit Turbinenschaufeln versehen oder mit einem üblichen MAS-Rotor verbunden (nicht dargestellt), die mit Druckluft beaufschlagt werden, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Das Mikrowellensignal wird mittels einer gehäusefesten Einkopplung eingekoppelt.
Wenn in der MAS-Resonatoranordnung von 8 ein Resonatorteil 13b wie in 6 mit einer weiteren Spule für eine zweite Kernresonanz verwendet werden soll, dann kann das für die Drahtspule 84 erforderliche Hochfrequenzsignal mittels einer gehäusefesten Spule eingekoppelt werden, die außen um das Gehäuse 94 gewickelt ist (nicht dargestellt).

Claims

Resonatoranordnung für Messungen an einer Probe (36) in einem konstanten Magnetfeld (B₀) mittels magnetischer Resonanz, mit einem eine Längsachse (11) definierenden Resonatorteil (13), der in Axialrichtung einen Hohlraum (22) für eine Anregung von Elektronenresonanz in der Probe (36) enthält, und mit einem in Axialrichtung an den Resonatorteil (13) angeschlossenen Koppelteil (14), wobei der Resonatorteil (13) einen in Richtung der Längsachse (11) gestuften, mindestens an seiner Innenoberfläche elektrisch leitfähigen Durchgang (22, 24, 30) enthält, von dem ein erster, mittlerer Abschnitt den Hohlraum (22) bildet, und ein zweiter und ein dritter an axial gegenüberliegende Seiten des Hohlraums (22) angrenzender Abschnitt (24, 30) jeweils derart dimensioniert ist, dass in dem zweiten und in dem dritten Abschnitt (24, 30) ein in dem Hohlraum (22) resonanter Grundmodus (62) nicht ausbreitungsfähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum zusätzlichen Anregen einer Kernresonanz in der Probe (36) vorgesehen sind, wobei die Mittel als um den Resonatorteil (13a) herum gewickelte Spule (66) ausgebildet sind, dass der Resonatorteil (13a) einen torusförmigen Körper (20a, 20b, 20c) aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist, in dem der gestufte Durchgang (22, 24, 30) ausgebildet ist, und dass der torusförmige Körper mit mindestens einem axialen Schlitz (72) versehen ist.
Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (22) zylindrisch ist und dass die Längsachse des Hohlraums (22) mit der Längsachse (11) des Resonatorteils (13) zusammenfällt.
Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Abschnitt (30) auf der vom Koppelteil (14) abgewandten Seite an den Hohlraum (22) angrenzt und einen Probenhalter (35) aufweist.
Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (24) auf der dem Koppelteil (14) zugewandten Seite an den Hohlraum (22) angrenzt, dass das Koppelteil (14) einen entlang der Längsachse (11) des Resonatorteils (13) angeordneten dielektrischen Stab (50) aufweist, und dass ein erstes Ende (52) des dielektrischen Stabes (50) mit radialem Abstand (Δy) in den zweiten Abschnitt (24) hineinragt.
Resonatoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende (52) des dielektrischen Stabes (50) in dem zweiten Abschnitt (24) in einem vorbestimmten Abstand (z₁) von dem Hohlraum (22) ausläuft.
Resonatoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem ersten Ende (52) des dielektrischen Stabes (50) gegenüberliegendes zweites Ende (53) abschnittsweise in einer Durchgangsbohrung (48) eines mindestens an seiner Innenoberfläche elektrisch leitfähigen Körpers (40) des Koppelteils (40) aufgenommen ist und in einen Hohlleiter (44) ausläuft.
Resonatoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende (53) des dielektrischen Stabes (50) mit einem vorbestimmten Abstand (z₂) in den Hohlleiter (44) hineinragt.
Resonatoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende (53) einen axialen Vorsprung (54) verminderten Querschnitts aufweist, der um einen weiteren vorbestimmten Abstand (z₃) in den Hohlleiter (44) hineinragt.
Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Durchgangsabschnitt (24) sich auf der vom Hohlraum (22) abgewandten Seite in Richtung auf das Koppelteil (14) aufweitet.
Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (48) sich in Richtung auf den Resonatorteil (13) aufweitet.
Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Stab (50) zylindrisch ist.
Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Schlitz (72) in dem torusförmigen Körper (20a) durch Abschnitte eines mäanderförmigen axialen Schlitzes (74) ausgebildet ist.
Resonatoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der torusförmige Körper (20b) massiv ausgebildet und mit einem wendelförmigen Schlitz (82) versehen ist, derart, dass er eine Helix (80) bildet.
Resonatoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der torusförmige Körper (20c) durch eine Drahtspule (88) mit gestuftem Durchmesser ausgebildet ist.
Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Mittel (84) zum Anregen einer weiteren Kernresonanz in der Probe (36) vorgesehen sind.
Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonatorteil (13) in einem Gehäuse (94) um die Längsachse (11) drehbar (96) angeordnet ist und dass Mittel (98) zum Befestigen des Gehäuses (94) unter einem vorbestimmten Winkel (θ) zur Richtung des konstanten Magnetfeldes (B₀) vorgesehen sind.