DE1523101B2

DE1523101B2 - Mikrowellen-hohlraumresonator

Info

Publication number: DE1523101B2
Application number: DE1963V0024694
Authority: DE
Inventors: James Stewart Menlo Park Calif. Hyde (V-StA.)
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1962-10-23
Filing date: 1963-10-11
Publication date: 1977-03-31
Also published as: GB1043887A; CH420293A; DE1523101A1; US3250985A

Description

Die Erfindung betrifft Mikrowellen-Hohlraumresonatoren und insbesondere eine neue Vorrichtung zur Erzeugung überlagerter magnetischer Wechselfelder in Hohlraumresonatoren, wobei diese überlagerten Felder mit kleineren Frequenzen wechseln als die Mikrowellen-Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators.

Es ist bekannt, daß die Resonanzen von Elektronen und Kernen studiert werden können, indem eine paramagnetische Probe in einen Hohlraumresonator gebracht wird, der zwischen den Polschuhen eines ein magnetisches Gleichfeld erzeugenden Magneten liegt. Aus verschiedenen Gründen ist es üblich, diesem Gleichfeld ein magnetisches Wechselfeld zu überlagern. Wenn auch die folgende Beschreibung hauptsächlich auf Feldmodulation Bezug nimmt, d. h. der Hinzufügung einer kleinen Wechselkomponente zum Gleichfeld, damit empfindliche Wechselstrom-Detektortechniken angewandt werden können, gelten die gleichen Grundsätze immer, wenn ein magnetisches Wechselfeld auf eine in Resonanz kommende Probe überlagert wird, beispielsweise bei der Messung der gleichzeitigen Resonanzen von Elektronen und Kernen, bei der hochfrequente Magnetfelder mit den Präzessionsfrequenzen der Kerne in der Probe eingeführt werden, wobei diese Wechselfelder dem magnetischen Mikrowellenfeld des Hohlraumes überlagert werden, das mit

ίο der Präzessionsfrequenz der Elektronen in der Probe schwingt.

Eine Schwierigkeit bei den üblichen Hohlraumresonatoren liegt darin, daß eine Modulation des Magnetfeldes Wirbelströme indusiert, die in geschlossenen Stromschleifen in den Wandungen des Hohlraums fließen. Diesen Wirbelströmen sind drei unerwünschte Effekte zugeordnet, und zwar:

1. Vibration

2. Auslöschung des Modulationsfeldes und
3. Erwärmung.

Eine Vibration ergibt sich aus der Wechselwirkung der Wirbelströme mit dem statischen Gleich-Magnetfeld. Die Vibration bewirkt eine Änderung der*,-Hohlraumabmessungen und führt zu unechten resonanzartigen Signalen. Ein Auslöschen des Modulationsfeldes kommt dadurch zustande, daß die Magnetfelder der Wirbelströme dem die Wirbelströme induzierenden magnetischen Modulationsfeld entgegenwirken. Die Erwärmung ist ein bekannter Effekt, von dem eine Art aus I²R-Verlusten aufgrund des Widerstandes folgt, wenn die Wirbelströme in geschlossenen leitenden Wegen fließen. Es ist wichtig, daß diese mit den Wirbelströmen in Beziehung stehenden Effekte in einem Hohlraumresonator auf ein Minimum herabgesetzt werden, wenn ein hohes Q aufrecht erhalten, und bei leichter Herstellung eine mechanisch feste Struktur erhalten werden soll.

Wirbelströme, die durch die Magnetfeldmodulation erzeugt werden, sind darüber hinaus proportional der Modulationsfrequenz, so daß gewöhnlich niedrige Modulationsfrequenzen verwendet werden müssen, wenn solche Ströme klein gehalten werden sollen. Wenn jedoch ein Hohlraumresonator in einem Spektrometer zur Beobachtung der paramagnetischen Elektronenresonanz (EPR) beispielsweise verwendet werden soll, ist es erwünscht, hohe Modulationsfrequenzen zu verwenden, weil der Rauschabstand des Ausgangssignals eines solchen Spektrometers sich mit der Quadratwurzel der Modulationsfrequenz ändert. Modulationsfrequenzen in der Größenordnung von 100 kHz oder höher sind für EPR-Spektrometer wünschenswert. Bei bisherigen Spektrometem wurden hohe Empfindlichkeiten durch hochfrequente Feldmodulation auf Kosten der Erhöhung eines oder mehrerer der erwähnten Wirbelstromeffekte erzielt. Durch die Erfindung soll deshalb ein Hohlraumresonator mit hoher Empfindlichkeit verfügbar gemacht werden, in dem magnetische Wechselfelder niedriger oder sehr hoher Frequenz überlagert werden können, während Wirbelströme gleichzeitig stark herabgesetzt und mit Wirbelströmen in Verbindung stehende Effekte vermieden werden.

Es sind bereits Hohlraumresonatoren bekannt, deren Begrenzungswände zur Änderung der Resonanzfrequenz verschiebbar sind. Tritt durch diese Wände ein magnetisches Wechselfeld, so werden in diesen Wänden Wirbelströme erzeugt, so daß die besprochenen Probleme auftreten (deutsche Patentschrift 8 95 468,

US-Patentschrift 26 44 095).

Zur Verbesserung der Kreisgüte ist bereits ein Hohlraumresonator bekannt, dessen innere Begrenzung aus einer Anzahl von Drähten oder ähnlichen Leitern besteht, die nach Art einer Hochfrequenzlitze derart in Bezug aufeinander angeordnet sind, daß im wesentlichen der ganze Drahtquerschnitt über die ganze Länge der Drähte an der Stromführung teilnimmt (DT-PS 8 92 150). Wenn dieser bekannte Hohlraumresonator einem magnetischen Wechselfeld derart ausgesetzt wird, daß die Drähte senkrecht zur Richtung des magnetischen Feldes verlaufen, so werden wieder Wirbelströme induziert, so daß das der Erfindung zugrunde liegende Problem nicht gelöst wird.

Es ist bereits bekannt, zur Verhinderung eines Kurzschlusses für ein Modulationsfeld, im Hohlraumresonator einen Längsschlitz vorzusehen, der parallel zu den HF-Strömen im Hohlraum verläuft (Physical Review Vol. 98, Nn 2,5. April 1955, S. 337-348). Durch einen solchen Schlitz wird die mechanische Festigkeit des Resonators stark herabgesetzt. Zur Erzielung eines hohen Gütefaktors ist jedoch auch eine hohe mechanische Stabilität erforderlich, damit sich die kritischen Abmessungen im Betrieb nicht ändern.

Wegen der bei dünnwandigen oder geschlitzten Hohlraumresonatoren auftretenden Schwierigkeiten ist es auch bekannt geworden, zur Erzeugung von Mikrowellenfeldern Verzögerungswendeln anstelle von Hohlraumresonatoren zu verwenden (Review Sei. Instr., Vol. 33, Nr. 7, S. 732 bis 737, Juli 1962). Für Spektrometer der hier interessierenden Art haben Verzögerungswendeln zwei sehr wesentliche Nachteile. Sie sind mechanisch nicht steif genug, um die übliche Feldmodulätion mit höheren Frequenzen zu erlauben, und die Querschnittsabmessungen liegen bei größenordnungsmäßig 1 mm, so daß die Probenabmessungen für die meisten Anwendungsfälle zu stark begrenzt sind. Darüberhinaus sind Verzögerungswendeln breitbandig, es kann also kein hoher Gütefaktor Q ausgenutzt werden.

Ausgehend von einem Mikrowellen-Hohlraumresonator für Spektrometer zur Beobachtung von magnetischen Resonanzen für die Stoffuntersuchung und Analyse, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes innerhalb des Resonators, einer Modulationseinrichtung für dieses Feld, mit der diesem ein magnetisches Wechselfeld parallel überlagert wird, und einer Einrichtung zur Erzeugung eines Mikrowellenfeldes im Inneren des Resonators zur Erregung der Resonanz der Probe, wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens die Wandteile des Resonators, durch die das modulierte statische Magnetfeld tritt, aus im Abstand voneinander befindlichen Leitern und einem Träger aus einem schlecht oder nicht leitenden Werkstoff bestehen und die Leiter in Richtung des Stromflusses der Mikrowellenströme des gewünschten Hohlraumresonanzmodus verlaufen und in Richtung senkrecht zum modulierten statischen Magnetfeld im wesentlichen keine geschlossenen Stromwege bilden.

Die Form der Resonatorwandteile, durch die das modulierte statische Magnetfeld tritt, und die Anordnung der Leiter richtet sich im wesentlichen nach dem gewünschten Hohlraumresonatormodus. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der gewünschte Hohlraumresonatormodus der TEio2-Modus und sind die Resonatorwände eben. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, daß die Leiter überhaupt keine geschlossenen Stromwege zu bilden brauchen, und dann ist es ohne weiteres möglich, verschiedene magnetische Wechselfelder in voneinander unterschiedlichen Richtungen in den Hohlraum einzustrahlen, wie das bei der oben erwähnten Messung der gleichzeitigen Resonanzen von Elektronen und Kernen erwünscht ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der gewünschte Hohlraumresonatormodus der TEon-Modus, und ist die Resonatorwand zylindrisch, wobei ein Leiter wendelförmig gewickelt ist. Eine solche Anordnung ermöglicht es, den Resonator mit der Probe relativ zum statischen Magnetfeld zu drehen.

Die Leiter können in verschiedener Weise mit dem Träger zu einer Wand vereinigt werden. Besonders bei ebenen Resonatorwänden werden die Leiter zweckmäßigerweise nach Art einer gedruckten Schaltung auf den Träger aufgebracht, bei zylindrischer Resonatorwand ist es fabrikationstechnisch besonders günstig, wenn der Leiter ein auf den Träger gewickelter Draht ist.

Bei verschiedenen Untersuchungen ist es notwendig, oder wenigstens erwünscht, daß Licht oder eine dem Licht verwandte Strahlung an die Probe gelangen kann. Zur Durchführung solcher Untersuchungen ist gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Trägerwerkstoff transparent und der Abstand der Leiter bzw. der benachbarten Leiterwindungen so groß, daß Licht in das Hohlrauminnere eintreten kann.

Die Erfindung soll an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden; es zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung einer zylindrischen Hohlraumanordnung, die im TEou-Mikrowellenmodus erfindungsgemäß betrieben werden kann,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 einen Teilquerschnitt der Kombination einer abnehmbaren Endplatte und Abstimmplungers, die bei einer Abwandlung der Ausführungsform nach F i g. 1 verwendet werden kann,

Fig.4 eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung einer zylindrischen TEon -Hohlraumanordnung zur Erzeugung von zwei magnetischen Wechselfeldern, die dem magnetischen Hohlraumfeld erfindungsgemäß überlagert werden,

Fig.5 eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung einer rechteckigen TEio2-Hohlraumanordnung gemäß der Erfindung,

F i g. 6 eine schematische perspektivische Darstellung eines rechteckigen TEio2-Hohlraums mit Darstellung des Flusses von Hohlraum-Mikrowellenströmen und

F i g. 7 eine schematische perspektivische Darstellung eines rechteckigen TEio2-Hohlraums mit Darstellung von durch ein Modulationsfeld erzeugten Wirbelströmen, dessen Achse längs der Linie A-A liegt.

In F i g. 1 und 2 ist ein zylindrischer Hohlraumresonator 1 dargestellt. Bei einer beispielsweisen Ausführungsform hat der Resonator 1 einen Durchmesser von 4 cm (1,65") und eine effektive Länge von 4 cm (1,65") zum Beispiel; diese Abmessungen sind zum Betrieb des Resonators im TEon-Mikrowellenmodus bei einer Resonanzfrequenz von etwa 10 Gigahertz geeignet. Drähte oder Fäden 2, die außen um die Seitenwand des Resonators 1 gewickelt sind, werden von einer diamagnetischen Trägerform 3 getragen, die zwischen kreisförmigen Endplatten 4 und 5 gehaltert ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform bestehen die Fäden 2 aus einem durchgehenden wendelförmig auf einen entfernbaren Kern aufgewickelten Draht, der mit einem

diamagnetischen Epoxyharz festgelegt ist. Stattdessen kann der Draht z. B. auf ein dünnwandiges Quarzrohr aufgewickelt sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform hat der Draht 2 einen kleinen Durchmesser von 0,26 mm z. B, und die Windungen haben voneinander einen Abstand in der Größenordnung des Drahtdurchmessers, oder weniger, beispielsweise einen Abstand von 0,13 mm. Eine unbelastete hohe (^-Kennzahl in der Größenordnung von 22 000 für den Hohlraumresonator 1 wird dadurch erreicht, während Wirbelstromeffekte beseitigt werden, einschließlich eines Auslöschen des von verschiebbaren Spulen 13 erzeugten Modulationsfeldes und einer Vibrationserscheinung an den Drähten 2.

Die beiden leitenden Endabschlußwände 4 und 5 weisen zentral angeordnete Metallröhren 6 bzw. 7 auf, die Hohlleiter außerhalb des cut-off darstellen, so daß die Probe enthaltende Röhren in den Hohlraum eingesetzt werden können, und ohne daß Mikrowellenleistung verloren geht Bei einer Ausführungsform ist die Endwand 4 abnehmbar und kann durch eine Endwand mit einem Abstimmplunger ersetzt werden.

Eine Ankopplung an eine Übertragungsleitung aus rechteckigen Hohlleitern wird mit einer Hohlleiterkupplung 8 erreicht, die aus einem variablen Koppler 9, einem mit einem Dielektrikum gefüllten rechteckigen Hohlleiter 10, einem Taper Il und einem Endflansch 12 besteht Der variable Koppler 9 ist so angeordnet, daß er exzentrisch in einen Bereich maximalen magnetischen Feldes im Hohlraum 1 induktiv in den Hohlraum 1 in der Endabschlußwand 5 einkoppelt.

Die Modulationsspulen 13 werden von einer externen Energiequelle erregt und dienen dazu, das statische Gleichmagnetfeld zu modulieren, welches zwischen den Polschuhen 14 eines kräftigen Magneten erzeugt wird. Die Spulen 13 werden von segmentierten diamagnetischen Trägern 15 umschlossen. Die Spulen und Träger können frei zwischen den Endplatten 4 und 5 aufgrund ihrer Lagerung rotieren. Ein Paar Positionierfederarme 15a sind am Träger 15 befestigt. Die Arme dienen dazu, die Achse der Modulationsspulen koaxial zur Achse der Polschuhe 14 des Elektromagneten zu halten. Wenn die Polschuhe also um einen bestimmten Winkel verdreht werden, bleibt das Modulationsfeld immer parallel zum statischen Gleich-Magnetfeld, so daß es möglich ist, Resonanzmessungen bei verschiedenen Richtungen des magnetischen Gleichfeldes in einer Resonanzprobe durchzuführen, ohne daß die Empfindlichkeit beeinträchtigt wird.

Der zylindrische Hohlraum 1 kann über einen Frequenzbereich abgestimmt werden, indem die abnehmbare Endplatte 4 entfernt und durch eine Endplatten-Abstimmanordnung nach Fig.3 ersetzt wird. Gemäß F i g. 3 wird der Abstimmplunger 16 in das Endplattengehäuse 17 eingeschraubt. Weil das Endplattengehäuse abgeschnitten ist, um den Plunger zu exponieren, wird eine normale Frequenzabstimmung einfach durch Verdrehen des Plungers durchgeführt, so daß dieser auf den Hohlraum zu oder von diesem hinweg bewegt wird. Diese Modifikation ist in Verbindung mit Anwendungen vorteilhaft, bei denen es erwünscht ist, Dewar-Gefäße und Proben in den Hohlraum einzusetzen, ohne die Resonanzfrequenz des Resonators zu ändern.

Es ist zu erwähnen, daß die erfindungsgemäße Konstruktion mit offener Wand es ermöglicht, gewünschtenfalls eine externe Bestrahlung, wie Licht, einzuführen. In diesem Falle müssen die Drähte und die die Modulationsspule tragenden Teile so konstruiert sein, daß eine Blockierung der Strahlung vermieden wird. Diese Teile können z. B. aus einem Werkstoff hergestellt werden, der für Licht im gewünschten Bereich der Lichtfrequenzen transparent ist, wie beispielsweise Quarz.

ίο Gemäß Fig.4 kann der in Fig. 1 dargestellte Hohlraumresonator einfach modifiziert werden, so daß gleichzeitige Messungen der Elektronen- und Kernresonanzen einer Resonanzprobe durchgeführt werden können, indem ein zweites Paar Spulen 18 zur

ij Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes mit der magnetischen Kernresonanzfrequenz der Probe hinzugefügt wird. Die Achse dieser Spulen ist senkrecht zu der der verstellbaren Spulen 13', so daß ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, welches im wesentlichen senkrecht zum statischen Gleichfeld ist. Wirbelstromeffekte aufgrund der Überlagerung dieses magnetischen Wechselfeldes werden durch die einzigartige Abstandsanordnung der dünnen Fäden 2 vermieden. Die sich ergebende Anordnung ist im übrigen in jeder Beziehung mit der nach F i g. 1 identisch.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung, die durch den rechteckigen Hohlraumresonator 19 nach F i g. 5 repräsentiert wird, ist beispielsweise zum Betrieb im TEio2-Mikrowellenmodus geeignet. Gemäß Fig.6 fließen Mikrowellenströme in diesem Modus um die Wände, wie von den Stromlinien 20 angedeutet wird. Bereiche 21 und 22 aus konvergierenden und divergierenden Stromlinien sind Bereiche mit Stromamplitude Null.

Gemäß Fig.5 können dünne metallisch leitende Streifen längs der Stromlinien beispielsweise durch »Gedruckte Schaltungs«-Techniken angeordnet werden, so daß ein Gitter aus diskontinuierlichen, drahtartigen leitenden Fäden 23 gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform sind die leitenden Fäden in den Bereichen 21 und 22 nach F i g. 6 nicht vereinigt. Spulen 24 zur Erzeugung einer Modulation des statischen Gleich-Magnetfeldes eines nicht dargestellten Elektromagneten sind in diamagnetischem Werkstoff 25 eingebettet. Eine magnetische Feldmodulation erzeugt normalerweise Wirbelströme 26, die in massiven Hohlraumwänden fließen, wie in Fig.7 für die rechteckige TEio2-Hohlraumausbildung nach F i g. 5 veranschaulicht sind. Die leitenden Fäden 23 sind deshalb in den Bereichen 21 und 22 der Fig.6 nicht verbunden, um geschlossene leitende Stromschleifenwege für Wirbelströme 26 auszuschließen, so daß Wirbelstromeffekte vermieden sind. Es ist auch zu erwähnen, daß die offenen Drahtwandstrukturen nach F i g. 1 und 2 geschlossene leitende Stromschleifenwege für Wirbelströme unterbrechen, die in einer massiven zylindrischen Wand bestehen wurden.

Der rechteckige Hohlraumresonator 19 kann Röhren 27 aus Metall oder Quarz zum Beispiel umfassen, durch die es ermöglicht wird, eine Resonanzprobe zentral im Hohlraum anzuordnen. Elektromagnetische Energie wird von einem rechteckigen Hohlleiter 28 durch einen Kupplungsplattenabschnitt 29 in den Hohlraum eingekoppelt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrowellen-Hohlraumresonator für Spektrometer zur Beobachtung von magnetischen Resonanzen für die Stoffuntersuchung und Analyse, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes innerhalb des Resonators, einer Modulationseinrichtung für dieses Feld, mit der diesem ein magnetisches Wechselfeld parallel überlagert wird, und einer Einrichtung zur Erzeugung eines Mikrowellenfeldes im Inneren des Resonators zur Erregung der Resonanz der Probe, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Wandteile des Resonators, durch die das modulierte statische Magnetfeld tritt, aus im Abstand voneinander befindlichen Leitern und einem Träger aus einem schlecht oder nicht leitenden Werkstoff bestehen und die Leiter in Richtung des Stromflusses der Mikrowellenströme des gewünschten Hohlraumresonanzmodus verlaufen und in Richtung senkrecht zum modulierten statischen Magnetfeld im wesentlichen keine geschlossenen Stromwege bilden.

2. Hohlraumresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gewünschte Hohlraummodus der TEio2-Modus ist und die Resonatorwände eben sind.

3. Hohlraumresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gewünschte Hohlraumresonatormodus der TEon-Modus ist und die Resonatorwand zylindrisch ist, wobei ein Leiter wendelförmig gewickelt ist.

4. Hohlraumresonator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter nach Art einer gedruckten Schaltung auf den Träger aufgebracht sind.

5. Hohlraumresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter ein auf den Träger gewickelter Draht ist.

6. Hohlraumresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerwerkstoff diamagnetisch ist.

7. Hohlraumresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerwerkstoff transparent ist und der Abstand der Leiter bzw. der benachbarten Leiterwindungen so groß ist, daß Licht in das Hohlrauminnere eintreten kann.