DE1283566B - Mikrowellenmessbrueckenanordnung fuer die Messung von Resonanzeigenschaften von Probekoerpern - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

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AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 421-3/09

Nummer: 1283 566

Aktenzeichen: P 12 83 566.4-52 (V 16409)

Anmeldetag: 20. April 1959

Auslegetag: 21. November 1968

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenmeßbrückenanordnung für die Messung von Resonanzeigenschaften eines Sättigungserscheinungen aufweisenden Probekörpers, insbesondere für gyromagnetische Elektronenresonanzmessungen.

Es ist bei Mikrowellenmeßbrückenanordnungen für Elektronenspinresonanzmessungen bekannt, Einweg-Dämpfungsvorrichtungen (Ferrit-Dämpfungsglieder) in dem Leitungszug zu verwenden, der von dem Mikrowellenklystron zu dem »Magischen-T«- Glied der Mikrowellenbrückenschaltung führt, um einerseits sicherzustellen, daß im Interesse einer hohen Empfindlichkeit eine möglichst hohe Hochfrequenzleistung dem an das »Magische-T«-Glied angeschlossenen Meßhohlraum zugeleitet wird, andererseits jedoch der Meßhohlraum keine verstimmende Rückwirkung auf den Klystrongenerator ausübt. Es wird dabei von der Annahme ausgegangen, daß die in dem Meßhohlraum vorgesehene zu Elektronenresonanzen angeregte Substanz Sättigungserscheinungen nicht unterliegt.

Die Erfindung bezweckt, gerade die Möglichkeit von Sättigungserscheinungen der in dem Hohlraum vorgesehenen Substanz zu berücksichtigen und sicherzustellen, daß während des Betriebes der Detektor im linearen Bereich seiner Kennlinie ausgesteuert werden kann, ohne daß dabei für die Probensubstanz die Gefahr einer Strahlungssättigung besteht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß ein in einer Richtung bevorzugt eine Dämpfung bewirkendes Dämpfungsglied in dem durch den Probekörper abgeschlossenen Meßzweig der Brücke vorgesehen ist derart, daß die Mikrowellenstrahlung, die dem Probekörper zugeführt wird, gedämpft wird, daß aber nicht die von dem Probekörper in die Brücke zurückreflektierte und die Gleichgewichtsstörung der Brücke bewirkende Strahlung wesentlich gedämpft wird.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird der Vorteil erzielt, daß bei Substanzen, deren gyromagnetische Resonanzen im Mikrowellengebiet liegen, sowohl das dispergierende als auch das absorbierende Resonanzverhalten beobachtet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung erörtert.

Die Zeichnung zeigt in schematischer Weise das Schaltbild eines gyromagnetischen Resonanzspektrometers gemäß der Erfindung.

Der zu untersuchende Probekörper befindet sich in einem Hohlraumresonator 1 und in einem polarisierenden Magnetfeld//, welches durch einen Elektro-

Mikrowellenmeßbrückenanordnung für die
Messung von Resonanzeigenschaften von
Probekörpern

Anmelder:

Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. phil. Gerhard B. Hagen, Patentanwalt,

8000 München

Als Erfinder benannt:

Robert Charles Rempel, Los Altos;

Harry Edward Weaver, Portola Valley, Calif.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. Mai 1958 (737 340) -

as magneten 2 erzeugt wird, zu dessen Erregung eine Stromquelle 3 vorgesehen ist.

Der Hohlraumresonator 1, in welchem sich der zu untersuchende Probekörper befindet, bildet den Abschluß des Meßzweigs einer Mikrowellenbrücke. Ein der selbsttätigen Frequenzregelung dienender Hohlraumresonator 11 ist am Ende des anderen Armes der Brücke vorgesehen. Die Mikrowellenleistung wird der Brückenanordnung von einem Klystron-Oszillator 4 zugeleitet, welcher sich in dem die Leistung zuführenden Arm der Brücke befindet. Sie wird über einen Entkoppler 5 und ein einstellbares Dämpfungsglied 6 dem Meßzweig und dem Frequenzregelungszweig der Mikrowellenbrücke über ein magisches Tl zugeführt. Ein Kristalldetektor 13 befindet sich am Ende des Detektorarmes der Brücke und ist mit einer Mehrzahl geeigneter Abstimmschrauben versehen.

Ein in einer Richtung wirkendes Dämpfungsglied 8 befindet sich in dem Meßzweig und dämpft in einstellbarer Weise die Schwingungsenergie, welche zu dem Hohlraumresonator 1 geleitet wird. Hingegen wird die von dem Hohlraumresonator 1 reflektierte Energie im wesentlichen ungedämpft dem magischen Γ 7 zugeführt. Das Dämpfungsglied 8 bewirkt, daß die dem Hohlraumresonator 1 zugeführte Leistung einen gewünscht niedrigen Wert von der Größenordnung einiger Mikrowatt besitzt, so daß keine unerwünschte Sättigung in dem zu untersuchenden

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gyromagnetischen Probekörper entsteht. Es kann aus einem Trennglied bestehen, welches die Mikrowellen-Feldverschiebung, die durch Anwendung von Ferrit bedingt ist, ausnützt, wobei zur Änderung des den Ferritteilen zugeführten magnetischen Feldes ein einstellbarer magnetischer Nebenschluß vorgesehen ist. Indem das Magnetfeld verändert wird, kann die Dämpfung des Dämpfungsgliedes verändert werden und die dem Hohlraumresonator 1 zugeführte Mikrowellenleistung geregelt werden.

Ein Phasenschieber 9 befindet sich zwischen dem Hohlraum 1 und dem Dämpfungsglied 8. Er gestattet eine Änderung der Phase der Energie, welche dem Hohlraum 1 zugeführt wird und von ihm reflektiert wird, so daß je nach Wunsch die Absorption oder die Dispersion des zu untersuchenden Probekörpers bestimmt werden kann. Die Arbeitsweise des einstellbaren Phasenschiebers ergibt sich noch im Laufe späterer Erörterungen.

Der Hohlraum 11, der der Frequenzregelung dient, ist abstimmbar und mit dem magischen T 7 über einen abstimmbaren Hohlleiter 12, der aus einem Hohlleiter mit einer Abstimmschraube bestehen kann, verbunden. Der der automatischen Frequenzregelung dienende Hohlraum 11 beeinflußt die Frequenz des Mikrowellengenerators 4 in einer noch zu erörternden Weise. Die Abstimmvorrichtung 12 regelt in bestimmtem einstellbarem Maße die Reflexion von Mikrowellenenergie zurück in die Brücke. Diese reflektierte Energie ist in der Phase durch Abstimmung des Abstimmorganes 12 einstellbar.

In dem Anzeigearm der Brückenanordnung befindet sich der Kristalldetektor 13; dieser ist so vorbelastet, daß er im linearen Bereich seiner Charakteristik arbeitet, indem ein Teil der Mikrowellenenergie von dem Brückenarm reflektiert wird, welcher der automatischen Frequenzsteuerung dient. Der Gleichstrom, welcher im Ausgangskreis des Kristalldetektors 13 auftritt, wird einem Niederfrequenzverstärker 14 zugeführt und dort verstärkt und danach einem Anzeigegerät 15 zugeleitet, in welchem in Abhängigkeit von der Zeit, d. h. in Abhängigkeit von der Spannung eines Durchlaufgenerators 16, der Strom aufgezeichnet wird. Der Durchlaufgenerator 16 dient dem Zweck, durch Modulation des polarisierenden Feldes, was durch die beiden Spulen 17 erfolgt, den Resonanzbereich des gyromagnetisch zu untersuchenden Probekörpers zu durchlaufen.

Im Betrieb wird die Mikrowellenleistung, die dem T-Stück 7 von dem Generator 4 zugeführt wird, auf den Meßzweig und auf den der automatischen Frequenzsteuerung dienenden Zweig in gleichem Maße aufgeteilt. Die Leistung, die dem Meßzweig zugeführt wird, wird in einstellbarer Weise durch das Dämpfungsglied 8 auf ein gewünschtes niedriges Niveau gebracht und nach Verlassen desselben über den einstellbaren Phasenregler 9 dem zu untersuchenden Probekörper zwecks Erregung der Resonanz zugeführt. Die von dem Hohlraumresonator 1 reflektierte Resonanzleistung schwankt in bezug auf Phase und Größe in Abhängigkeit von der Resonanz in dem Probekörper. Die in der Amplitude schwankende Mikrowellenenergie, die ein Anzeichen für das Auftreten der Resonanz bildet, wird über den Meßarm dem T-Stück 7 zugeleitet, wo ein Teil der Leistung dem Kristalldetektor 13 zugeleitet wird.

Der Teil 'der Mikrowellenleistung, der dem zur selbsttätigen Frequenzregelung dienenden Brückenarm zugeführt wurde, wird zu dem T-Stück 7 zurückreflektiert und gelangt ebenfalls zu dem Kristalldetektor 13, wo er mit dem reflektierten Teil, welcher von dem zu untersuchenden Probekörper zurückgelangt, zusammentrifft, wobei ein Ausgangssignal sehr niedriger Frequenz erzeugt wird, dessen Leistung von der Resonanz des Probekörpers abhängt. Dieses Resonanzsignal wird in einem Niederfrequenzverstärker 14 verstärkt und einem Anzeige- und Aufzeichnungsgerät 15 zugeführt.

Der nicht zur Ausnützung gelangende Teil der in dem zur automatischen Frequenzregelung dienenden Arm und in dem Meßarm reflektierten Leistung trifft in dem T-Stück 7 zusammen und wird in den die Leistungszufuhr zur Brücke bewirkenden Arm reflektiert. Diese reflektierte Energie wird zum Teil in dem Dämpfungsglied 6 gedämpft und in dem den Mikrowellengenerator 4 abtrennenden Kopplungsglied 5 sehr stark gedämpft, so daß keine reflektierte Leistung zu dem Generator 4 zurückgelangt. Wenn reflektierte Energie zu dem Mikrowellengenerator 4 zurückgelangen würde, würden sich Schwankungen im Brückenabgleich als Schwankungen der Belastung des Mikrowellengenerators äußern und unerwünschte Frequenzänderungen zur Folge haben.

Das einstellbare Dämpfungsglied 6 gestattet eine Regelung der der Brückenanordnung zugeführten Mikrowellenleistung und gestattet daher die Einstellung der gewünschten Arbeitsbedingungen der Brücke.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Mikrowellenmeßbrückenanordnung für die Messung von Resonanzeigenschaften eines Sättigungserscheinungen aufweisenden Probekörpers, insbesondere für gyromagnetische Elektronenresonanzmessungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein in einer Richtung bevorzugt eine Dämpfung bewirkendes Dämpfungsglied (8) in dem durch den Probekörper (1) abgeschlossenen Meßzweig der Brücke vorgesehen ist, derart, daß Mikrowellenstrahlung, die dem Probekörper zugeführt wird, gedämpft wird, daß aber nicht die von dem Probekörper in die Brücke zurückreflektierte und die Gleichgewichtsstörung der Brücke bewirkende Strahlung wesentlich gedämpft wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in einer Richtung bevorzugt wirkende Dämpfungsglied (8) ein einstellbares Dämpfungsvermögen besitzt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einstellbare Mittel (9) zur Phasenregelung der Strahlung, welche von dem Probekörper zurückreflektiert wird, vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
The Review of Scientific Instruments, 17 (1946),

Nr. 11, S. 490 bis 505, und 27 (1956), Nr. 8, S. 602 und 603;

Telefunken-Zeitung, 28 (1955), S. 246 bis 252;
D. J. E. Ingram: Free Radicals as Studied by

Electron Spin Resonance, London, 1958, S. 88.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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