DE1448264C - Hohlraumresonator für gyromagnetische Resonanzspektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hohlraumresonator für gyromagnetische Resonanzspektrometer, deren polarisierendes magnetisches Gleichfeld moduliert ist.

Hohlraumresonatoren dieser Art müssen zwei sich widersprechenden Forderungen genügen. Wegen des zur Erregung der Resonanz benutzten HF-Feldes muß der Gütefaktor außerordentlich hoch sein, beispielsweise zwischen 6000 und 8000 liegen, und andererseits soll die Modulation des magnetischen Gleichfeldes möglichst ungeschwächt in den Hohlraumresonator gelangen können, das heißt, es sollten so wenig Wirbelströme wie möglich in den Wandungen des Hohlraumresonators induziert werden.

Es ist bekannt, einen Längsschlitz in der Resonatorwand vorzusehen, der parallel zu den HF-Strömen im Hohlraum läuft und deshalb den Gütefaktor des Hohlraums nicht merklich verringert (Phys. Rev., 98 [1955], S. 337). Bei Hohlraumresonatoren mit hohen Gütefaktoren macht sich die Beeinflussung durch den Längsschlitz jedoch bereits bemerkbar, und überdies wird die Entstehung von Wirbelströmen dadurch zwar verringert, es bleiben aber immer noch erhebliche Wirbelstromverluste übrig, die einen Teil der Gleichfeldmodulation abschirmen und darüber hinaus zur Erwärmung des Hohlraumresonators führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohlraumresonator der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Gütefaktor nicht verringert wird und trotzdem die Bildung von Wirbelströmen praktisch vollständig unterbunden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wände des Hohlraumresonators aus einem Material mit geringer elektrischer Leitfähigkeit bestehen, die innen mit einem diamagnetischen Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit beschichtet sind.

Der Gütefaktor des erfindungsgemäßen Hohlraums wird durch die Innenschicht bestimmt, in der wegen der geringen Dicke praktisch keine Wirbelstromverluste auftreten. Diese werden vielmehr praktisch ausschließlich durch die äußeren Wände mit geringer elektrischer Leitfähigkeit bestimmt, in denen sich bestenfalls schwache Wirbelströme ausbilden können.

Es genügt selbstverständlich, wenn nur die Wände des Hohlraumresonators, die quer zur Richtung des polarisierenden Magnetfeldes liegen, entsprechend geschichtet sind.

Eine wichtige Frage ist die Bemessung der Dicke der Innenschicht. Gemäß einer speziellen Ausbildung der Erfindung beträgt diese Dicke das 1- bis 20fache der Skin-Effekt-Tiefe bei der Frequenz des hochfrequenten Anregungsfeldes. Unter »Skin-Effekt-Tiefe« eines Materials wird der Wert verstanden,

£ -= 5,033

μ/

wobei /' der spezifische Widerstand in Ohm/cm³, μ die Permeabilität des Materials und /die Frequenz in Hz ist.

Je starker die Wandung, gemessen in Skin-Effekt-Tiefen, ist, inn so hölier ist der Gütefaktor des Hohlraums bei sonst gleichen Verhältnissen, je großer aber umgekehrt eine uin/elne Skin-Effekt-Tiefe ist, um so kleiner ist der Sdiwächungsfaktor F für die Modulation des Magnetfeldes (hauptsächlich des Wirbelstrom-Verlustes), der sich näherungsweise errechnet aus ' t'd

worin t die Stärke der Metallschicht, d. h. der Wand, el eine charakteristische Querabmessung des Hohlraums und .Edie bereits erwähnte Skin-Effekt-Tiefe ist.

ίο Wird nun durch Wahl eines Metalls mit geringer Permeabilität, also eines nicht ferromagnetischen, oder besser eines diamagnetischen Materials hoher Leitfähigkeit eine geringe Skin-Effekt-Tiefe erreicht, so daß schon bei geringer Wandstärke ein hoher Gütefaktor des Hohlraums erreicht wird, so wird der Schwächungsfaktor F ziemlich groß, wie sich aus der obigen Gleichung ergibt, zumal die Stärke / schon aus mechanischen

. Gründen nicht zu gering gewählt werden darf. Bei dem erfindungsgemäß geschichteten Aufbau des Hohlraumresonators werden durch die Materialwahl beide Forderungen erfüllt, und zwar optimal bei der angegebenen Bemessung der Dicke der Innenschicht.

Der äußere Körper, der erfindungsgemäß mit einer diamagnetischen Schicht versehen ist, besteht, ebenfalls auf Grund der vorangegangenen Überlegungen über die Schwächung des modulierten Magnetfeldes, aus Keramik oder Glas, also Isolierstoffen, oder, wenn weniger spröde Materialien benötigt werden, aus Metallen hohen Widerstandes, wie Edelstahl, Neusilber oder Mangankupfer.

Die Innenschicht besteht zweckmäßigerweise aus Kupfer, Silber und/oder Gold; vor allem kommen wegen der guten Leitfähigkeit Kupfer und Silber in Frage, zur Verhinderung einer Oxydation od. dgl. werden diese jedoch zweckmäßigerweise mit einer dünnen Schutzschicht aus Gold versehen.

Wenn der Hohlraumresonator aus einem paramagnetischen Material besteht, etwa aus 0,38 mm starkem Edelstahl, dessen Widerstand etwa 65mal größer ist als der von Silber, werden zwar Wirbelströme in den Resonatorwandungen praktisch unterdrückt. Zur Erzielung des gewünschten hohen Gütefaktors müßte auf der Innenseite dieser Wandungen eine Silberschicht von etwa 0,0025 mm Stärke aufgebracht werden. Um aber das Anregungsfeld (Mikrowellenfeld) innerhalb des Hohlraumresonators gegen die Einflüsse des paramagnetischen Gehäuses zu schützen, müßte eine erheblich stärkere Silberschicht aufgebracht werden. Um sicher auch die Ecken des Gehäuses beschichten zu können, an denen gerade starke magnetische Felder des Anregungsfeldes herrschen, müßte die minimal erforderliche Schichtstärke nochmals erhöht werden, so daß sich eine Silberschicht ergeben würde, die das modulierte Polarisationsfeld merklich schwächen würde.

Zweckmäßigerweise wird deshalb zwischen der Außenwand und der Innenschicht eine weitere Schicht vorgesehen, deren Dicke in der Größenordnung der Innenschicht liegt und die aus elektrisch leitfähigein, nicht ferromagnetischeiii Material besteht. Es kommen dazu schwach paramagnetische Materialien, wie Zinn, [Matin oder Palladium, in Frage oder, noch besser, diamagnetische Materialien, wie Hlei oder Wismut. Deispielsweise bei Wismut, dessen spezifischer Widerstand ungefähr 73inal gröller ist als der von Silber, ergeben sich bei einer Schichtstürke von 0,2 min 35 Skin-F.ffekt-Tiefen, ohne daß das modulierte Polarisationsfeld geschwächt würde. Diese Zwischenschicht wirkt also praktisch als isolierung der hochfrequenten

Magnetfelder im Hohlraum gegen das paramagnetische Material der Hohlraumresonator-Außenwand.

Wenn der Hohlraumresonator ein Rechteckresonator ist, ist es möglich, ihn aus einem Resonatorkörper und daran lösbar befestigten Wänden aufzubauen, wodurch die Fertigung, und vor allem die erfindungsgemäße Beschichtung der Wände, wesentlich vereinfacht wird. Es ist dann jedoch erforderlich, zwischen dem Resonatorkörper und den lösbar daran befestigten Wänden jeweils eine gewellte, unmagnetisch leitende Dichtung anzuordnen, die einerseits, durch die Wellung, die nötigen Federeigenschaften hat, andererseits aber für eine leitende Verbindung der Innenschicht der Wand mit dem Resonatorkörper sorgt.

Eine solche Dichtung kann beispielsweise aus einer Silberfolie von 0,025 mm Stärke bestehen und zwischen ein Gitter und ein Stück Gummi gepreßt sein, so daß sich ein Dichtungsring von 0,15 bis 0,2 mm Stärke ergibt. Eine möglichst nachgiebige Dichtung ist vor allem bei spröden Seitenwänden, wie solchen aus Keramik oder Glas, erforderlich. Die Befestigung erfolgt dann beispielsweise mit einem Rahmen und Schrauben, die in den Körper eingeschraubt werden.

Der Resonatorkörper selbst besteht vorzugsweise aus unmagnetischem, elektrisch leitendem Material wie Aluminium oder Messing.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Hohlraumresonator für gyromagnetische Resonanzspektrometer, deren polarisierendes magnetisches Gleichfeld moduliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß seine Wände aus einem Material mit geringer elektrischer Leitfähigkeit bestehen, die innen mit einem diamagnetischen Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit beschichtet sind.

2. Hohlraumresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Wände, die quer zur Richtung des polarisierenden Magnetfeldes liegen, entsprechend geschichtet aufgebaut sind.

3. Hohlraumresonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Innenschicht das 1- bis 20fache der Skin-Effekt-Tiefe bei der Frequenz des hochfrequenten Anregungsfeldes beträgt.

4. Hohlraumresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sein äußerer Körper aus Keramik, Glas, Edelstahl, Neusilber oder Mangankupfer besteht.

5. Hohlraumresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht aus Kupfer, Silber und/oder Gold besteht.

6. Hohlraumresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Außenwand und der Innenschicht eine weitere Schicht vorgesehen ist, deren Dicke in der Größenordnung der Innenschicht liegt und die aus elektrisch leitfähigem, nicht ferromagnetischem Material besteht.

7. Hohlraumresonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus Zinn, Platin, Palladium, Blei oder Wismut besteht.

8. Hohlraumresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Resonatorkörper und daran lösbar befestigten Wänden besteht und daß zwischen dem Resonatorkörper und den Wänden jeweils eine gewellte, unmagnetische, leitende Dichtung angeordnet ist.

9. Hohlraumresonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorkörper aus unmagnetischem, elektrisch leitendem Material wie Aluminium oder Messing besteht.