DE1523101C3

DE1523101C3 - Microwave cavity resonator

Info

Publication number: DE1523101C3
Application number: DE19631523101
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: 1977-11-17

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.The invention relates to microwave cavity resonators and, more particularly, to a novel apparatus for Generation of superimposed alternating magnetic fields in cavity resonators, these superimposed fields alternate with frequencies lower than the microwave resonance frequency of the cavity resonator.

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 der Präzessionsfrequenz der Elektronen in der Probe schwingt.It is known that the resonances of electrons and nuclei can be studied by a paramagnetic sample is placed in a cavity resonator between the pole pieces of a Magnetic constant field generating magnet lies. It is common for this DC field to superimpose an alternating magnetic field. Even if the following description is mainly based on Refers to field modulation, i.e. the addition of a small alternating component to the constant field, in order for sensitive AC detection techniques to be used, the same principles apply whenever an alternating magnetic field is superimposed on a sample coming into resonance, for example when measuring the simultaneous resonances of electrons and nuclei, when high-frequency magnetic fields with the precession frequencies of the nuclei in the sample are introduced, these alternating fields are superimposed on the magnetic microwave field of the cavity with the precession frequency of the electrons oscillates in the sample.

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:A difficulty with the usual cavity resonators is that a modulation of the magnetic field Eddy currents are induced, which in closed current loops in the walls of the cavity flow. Three undesirable effects are associated with these eddy currents, namely:

1. Vibration1. Vibration

2. Auslöschung des Modulationsfeldes und
3. Erwärmung.2. Cancellation of the modulation field and
3. Warming.

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.A vibration results from the interaction of the eddy currents with the static DC magnetic field. The vibration causes a change in the cavity dimensions and leads to spurious resonance-like signals. The modulation field is extinguished because the magnetic fields of the eddy currents counteract the magnetic modulation field which induces the eddy currents. Heating is a well-known effect, one type of which ^{follows I 2} R losses due to resistance when the eddy currents flow in closed conductive paths. It is important that these eddy current related effects be minimized in a cavity if a high Q is to be maintained and a mechanically strong structure is to be maintained with ease of manufacture.

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 Spektrometer sich mit der Quadratwurzel der Modulationsfrequenz ändert. Modulationsfrequenzen in der Größenordnung von 100 kHz oder höher sind für EPR-Spektrometer wünschenswert. Bei bisherigen Spektrometern 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.Eddy currents generated by the magnetic field modulation are also proportional to the Modulation frequency, so that usually low modulation frequencies have to be used, if such currents are to be kept small. However, if a cavity resonator in a spectrometer can be used to observe electron paramagnetic resonance (EPR), for example it is desirable to use high modulation frequencies because of the S / N ratio of the output signal of such a spectrometer changes with the square root of the modulation frequency. Modulation frequencies on the order of 100 kHz or higher are desirable for EPR spectrometers. In previous spectrometers, high sensitivities were achieved through high-frequency field modulation Cost of increasing one or more of the mentioned eddy current effects achieved. Through the Invention, therefore, a cavity resonator with high sensitivity should be made available in the alternating magnetic fields of low or very high frequency can be superimposed while Eddy currents are at the same time greatly reduced and effects associated with eddy currents are avoided will.

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,There are already known cavity resonators, the boundary walls of which to change the resonance frequency are movable. If an alternating magnetic field occurs through these walls, then in these walls Eddy currents generated, so that the problems discussed occur (German Patent 8 95 468,

US-Patentschrift 26 44 095).U.S. Patent 2,644,095).

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.To improve the circular quality, a cavity resonator is already known, its inner limitation consists of a number of wires or similar conductors, which in the manner of a high-frequency braid in Are arranged with respect to each other that essentially the entire wire cross-section over the entire length the wires take part in the current flow (DT-PS 8 92 150). When this known cavity resonator is exposed to an alternating magnetic field in such a way that the wires are perpendicular to the direction of the Magnetic field run, eddy currents are induced again, so that the invention underlying problem is not resolved.

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.It is already known to prevent a short circuit for a modulation field in the cavity resonator to provide a longitudinal slot that runs parallel to the RF currents in the cavity (physical Review Vol. 98, Nn 2, April 5, 1955, pp. 337-348). Through Such a slot greatly reduces the mechanical strength of the resonator. To achieve a However, a high quality factor also requires a high level of mechanical stability so that the critical Do not change dimensions during operation.

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 Feldmodulation 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.Because of the difficulties encountered with thin-walled or slotted cavity resonators, it has also become known to use delay coils instead of cavity resonators to generate microwave fields (Review Sei. Instr., Vol. 33, No. 7, pp. 732 to 737, July 1962). For spectrometers of the type of interest here, delay coils have two very important disadvantages. They are not mechanically stiff enough to allow the usual field modulation at higher frequencies, and the cross-sectional dimensions are on the order of 1 mm, so that the sample dimensions are too limited for most applications. In addition, delay coils are broadband, so a high quality factor Q cannot be used.

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.Starting from a microwave cavity resonator for spectrometers for the observation of magnetic Resonances for substance investigation and analysis, with a device for generating a static magnetic field within the resonator, a modulation device for this field, with this an alternating magnetic field is superimposed in parallel, and a device for generating a microwave field inside the resonator to excite the resonance of the sample, that of the invention is based The object is achieved in that at least the wall parts of the resonator through which the modulated Static magnetic field occurs, from spaced conductors and a support from one Poor or non-conductive material and the conductors in the direction of the current flow of the microwave currents of the desired cavity resonance mode and in the direction perpendicular to the modulated static magnetic field essentially do not form closed current paths.

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.The shape of the resonator wall parts through which the modulated static magnetic field passes and the arrangement the conductor depends essentially on the desired cavity resonator mode. According to a Embodiment of the invention, the desired cavity resonator mode is the TEio2 mode and are the resonator walls. This embodiment has the advantage that there are no conductors at all Need to form closed current paths, and then it is easily possible to use different magnetic To radiate alternating fields in different directions into the cavity, as in the The above-mentioned measurement of the simultaneous resonances of electrons and nuclei is desirable.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der gewünschte Hohlraumresonatormodus der TE011-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.In another embodiment of the invention, the desired cavity mode is the TE011 mode, and the resonator wall is cylindrical with a conductor wound helically. Such Arrangement makes it possible to rotate the resonator with the sample relative to the static magnetic field.

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.The ladder can be combined with the carrier to form a wall in various ways. Especially at flat resonator walls, the conductors are expediently in the manner of a printed circuit on the Applied carrier, in the case of a cylindrical resonator wall, it is particularly advantageous from a manufacturing point of view if the Conductor is a wire wound on the carrier.

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.In various examinations it is necessary, or at least desirable, that light or one of the Light related radiation can reach the sample. To carry out such investigations is in accordance with In a further embodiment of the invention, the carrier material is transparent and the distance between the conductors or of the adjacent conductor turns so large that light can enter the interior of the cavity.

Die Erfindung soll an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden; es zeigtThe invention is to be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing will; it shows

F i g. 1 eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung einer zylindrischen Hohlraumanordnung, die im TEon-Mikrowellenmodus erfindungsgemäß betrieben werden kann,F i g. 1 is a partially sectioned perspective illustration of a cylindrical cavity arrangement, which can be operated in TEon microwave mode according to the invention,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1,F i g. 2 shows a section along line 2-2 in FIG. 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,F i g. 3 is a partial cross-sectional view of the detachable endplate and tuning plunger combination shown in a modification of the embodiment according to FIG. 1 can be used

Fig.4 eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung einer zylindrischen TEoti-Hohlraumanordnung zur Erzeugung von zwei magnetischen Wechselfeldern, die dem magnetischen Hohlraumfeld erfindungsgemäß überlagert werden,4 shows a partially sectioned perspective illustration of a cylindrical TEoti cavity arrangement for generating two alternating magnetic fields that correspond to the magnetic cavity field according to the invention be superimposed,

Fig.5 eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung einer rechteckigen TEio2-Hohlraumanordnung gemäß der Erfindung,5 is a partially sectioned perspective Representation of a rectangular TEio2 cavity arrangement according to the invention,

F i g. 6 eine schematische perspektivische Darstellung eines rechteckigen TEio2-Hohlraums mit Darstellung des Flusses von Hohlraum-Mikrowellenströmen undF i g. 6 is a schematic perspective illustration of a rectangular TEio2 cavity with illustration the flow of cavity microwave currents and

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 liegtF i g. 7 shows a schematic perspective illustration of a rectangular TEio2 cavity with the illustration of eddy currents generated by a modulation field, the axis of which lies along the line AA

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 einemIn Fig. 1 and 2, a cylindrical cavity resonator 1 is shown. In an exemplary embodiment, the resonator 1 has a diameter of 4 cm (1.65 ") and an effective length of 4 cm (1.65") for example; these dimensions are necessary for the operation of the Resonator in TEon microwave mode at a resonance frequency of about 10 gigahertz. Wires or threads 2, which are externally wound around the side wall of the resonator 1, are of a diamagnetic support form 3 supported, which is held between circular end plates 4 and 5. In the Preferred embodiment, the threads 2 consist of a continuous helical to a removable Core wound wire that is connected to a

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.diamagnetic epoxy resin is set. Instead, the wire can e.g. B. on a thin-walled quartz tube be wound up. In the preferred embodiment, the wire 2 has a small diameter of 0.26 mm e.g. B, and the turns are spaced from one another in the order of magnitude of the wire diameter, or less, for example a distance of 0.13 mm. An unencumbered high (^ number in the The order of magnitude of 22,000 for the cavity resonator 1 is achieved during eddy current effects can be eliminated, including a cancellation of the modulation field generated by displaceable coils 13 and a vibration phenomenon on the wires 2.

Die beiden leitenden Endabschluß wände 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.The two conductive end termination walls 4 and 5 have centrally arranged metal tubes 6 and 7, respectively, which represent waveguides outside the cut-off, so that the tubes containing the sample can be inserted into the cavity and without microwave power being lost & The end wall 4 is detachable and can be replaced by an end wall with a tuning plunger.

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.A coupling to a transmission line made of rectangular waveguides is made with a waveguide coupling 8 achieved, which consists of a variable coupler 9, a rectangular one filled with a dielectric Waveguide 10, a taper II and an end flange 12 consists of the variable coupler 9 is arranged so that it eccentrically into an area of maximum magnetic field in cavity 1 inductively into cavity 1 in the end wall 5 is coupled.

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 wirdThe modulation coils 13 are excited by an external energy source and are used to the static To modulate the DC magnetic field, which is generated between the pole pieces 14 of a powerful magnet. The coils 13 are enclosed by segmented diamagnetic carriers 15. The coils and carriers can rotate freely between the end plates 4 and 5 due to their bearing. A pair of positioning spring arms 15a are attached to the carrier 15. The arms serve to keep the axis of the modulation coils coaxial with the axis of the To keep pole pieces 14 of the electromagnet. So if the pole pieces are twisted by a certain angle the modulation field always remains parallel to the static DC magnetic field, so that it is possible Resonance measurements at different directions of the constant magnetic field in a resonance sample without affecting the sensitivity

Der zylindrische Hohlraum 1 kann über einen Frequenzbereich abgestimmt werden, indem die abnehmbare Endplatte 4 entfernt und durch eine Endplatten-Abstimmanordnung nach F i g. 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.The cylindrical cavity 1 can be tuned over a range of frequencies by removing the removable end plate 4 and using an end plate tuning arrangement of FIG. 3 is replaced. According to FIG. 3 the tuning plunger 16 is screwed into the end plate housing 17. Because the endplate housing is cut away to expose the plunger, normal frequency tuning is performed simply by twisting the plunger to move it toward or away from the cavity. This modification is advantageous in connection with applications where it is desired to insert dewars and samples into the cavity without changing the resonant frequency of the resonator.
It should be noted that the open wall construction of the present invention enables external radiation such as light to be introduced if desired. In this case the wires and the parts carrying the modulation coil must be constructed in such a way that blocking of the radiation is avoided. These parts can e.g. B. made of a material that is transparent to light in the desired range of light frequencies, such as quartz.

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 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.According to FIG. 4, the cavity resonator shown in FIG. 1 can easily be modified so that simultaneous measurements of the electron and nuclear resonances of a resonance sample can be carried out can by a second pair of coils 18 for generating a high frequency magnetic field with the nuclear magnetic resonance frequency is added to the sample. The axis of these coils is perpendicular to that of the adjustable coils 13 ', so that an alternating magnetic field is generated which essentially is perpendicular to the static constant field. Eddy current effects due to the superposition of this magnetic Alternating fields are avoided by the unique spacing arrangement of the thin threads 2. ^ The resulting arrangement is otherwise in every respect with that of FIG. 1 identical.

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.Another embodiment of the invention made by the rectangular cavity resonator 19 according to F i g. 5 is, for example, suitable for operation in TEio2 microwave mode. According to FIG. 6 In this mode, microwave currents flow around the walls, as indicated by the streamlines 20. Areas 21 and 22 made up of converging and diverging streamlines are areas with a current amplitude Zero.

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 TE|₀2-Hohlraumausbildung nach Fig.5 veranschaulicht sind. Die leitenden Fäden 23 sind deshalb in den Bereichen 21 und 22 der F i g. 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 würden.According to FIG. 5, thin metallic conductive strips can be arranged along the streamlines, for example using "printed circuit" techniques, so that a grid of discontinuous, wire-like conductive threads 23 is formed. In this embodiment, the conductive threads are in areas 21 and 22 according to FIG. 6 not united. Coils 24 for generating a modulation of the static DC magnetic field of an electromagnet (not shown) are embedded in diamagnetic material 25. A magnetic field modulation normally generates eddy currents 26 which flow in solid cavity walls, as in Figure 7 for the rectangular TE | ₀ 2 cavity formation are illustrated according to Figure 5. The conductive threads 23 are therefore in the areas 21 and 22 of FIG. 6 not connected in order to exclude closed conductive current loop paths for eddy currents 26, so that eddy current effects are avoided. It should also be noted that the open wire wall structures of FIG. 1 and 2 interrupt closed conductive current loop paths for eddy currents that would exist in a solid cylindrical wall.

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. The rectangular cavity resonator 19 may comprise tubes 27 made of metal or quartz for example through which makes it possible to arrange a resonance sample centrally in the cavity. Electromagnetic energy is coupled into the cavity by a rectangular waveguide 28 through a coupling plate section 29.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Microwave cavity resonator for spectrometers for observing magnetic resonances for substance investigation and analysis, with a device for generating a static magnetic field within the resonator, a modulation device for this field, with this one alternating magnetic field is superimposed in parallel, and a device for generating a microwave field inside the resonator to excite the sample's resonance, thereby characterized in that at least the wall parts of the resonator through which the modulated static Magnetic field occurs from conductors located at a distance from one another and a carrier from one poor or non-conductive material and the conductor in the direction of the current flow Microwave currents of the desired cavity resonance mode are perpendicular and in the direction There are essentially no closed current paths to the modulated static magnetic field.

2. Cavity resonator according to claim 1, characterized in that the desired cavity mode is the TE | 02 mode and the resonator walls are flat.

3. Cavity resonator according to claim 1, characterized in that the desired cavity resonator mode is the TEoii mode and the resonator wall is cylindrical with a conductor helical is wrapped.

4. Cavity resonator according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the conductors according to Art a printed circuit are applied to the carrier.

5. Cavity resonator according to claim 3, characterized in that the conductor is a on the carrier coiled wire is.

6. Cavity resonator according to one of claims 1 to 5, characterized in that the carrier material is diamagnetic.

7. Cavity resonator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the carrier material is transparent and the distance between the conductors or the adjacent conductor turns is so large that that light can enter the cavity interior.