DE1523112A1 - Vorrichtung fuer gyromagnetische Resonanz,insbesondere Resonanz-Spektrometer - Google Patents

Description

"Vorrichtung für gyromagnetische Resonanz, insbesondere Reaonanz-Spektrometer"

Priorität: 12. November I963 Vereinigte Staaten von Amerika Serial ITo. 323 O4I

Die Erfindung betrifft allgemein gyromagnetische Resonanz und inabesondere ein verbessertes System zur Beobachtung und Messung von Signalen alektronen-paramagnetischer Resonanz (EPR-Signalen).

Eine kurze Analyse der bekannten EPR-Theorie und -Betriebsweise zeigt, dass sich Elektronen entsprechend den Larmor-Theorien verhalten, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind, weil die Elektronen sovrohl ein magnetisches Moment als auch ein Winkelmoment aufweisen, d.h. ein Elektron

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präzediert um die Feldachse mit einer Frequenz, die direkt proportional ist der Feldstärke. Wenn eine zu analysierende Probe, die unpaarige Elektronen enthält, gleichzeitig einem magnetischen Gleichfeld ausgesetzt und mit einem relativ schwächeren HF-Magnetfeld mit der Präzes3ionsfrequenz bestrahlt wird, tritt Elektronenresonanz ein. Diese Erscheinung der elektronen-paramagnetischen Resonanz wird in Spektrometersystemen zur Beobachtung, Feststellung und Messung der Strukturen und Änderungen von atomischen und molekularen Partikeln und anderen Eigenschaften benutzt.

Genauer gesagt, werden der Ab3orptionsmodu3 oder der Dispersionsn.odus eines EPR-Signala beobachtet, um die Eigenschaften der analysierten Probe festzustellen. Diese Signalmodi wurden auch in dür Bezeichnungsv/eise von F. Bloch, Physical Review, Volume 70, I946, Seite 46O, als "v" und "u¹¹-Ivlodi bezeichnet. Andare Autoren haben diese Si.-^nalraodi den Imaginär teil und Realteil der komplexen magnetischen Hochfrequenz-Suszeptibilität genannt und die Bezeichnungen j · und"^ " verwendet. Aus Empfindlichkeitsgründen ist es üblich, eine zu analysierende Probe in den Bereich maximaler Stärke des magnetischen HF-Feldes eines Resonators zu bringen, etwa einem Resonanzhohlraum für Mikrowellen-Frequenzen. Wenn gyromagnetische Resonanz eintritt, ergibt sich der Absorptions-Signalmodus aus einer Änderung des Gütefaktors Q des Hohlraums, und der Dispersionssignalmodua ergibt sich aus einer Änderung in der Resonanzfrequenz des Hohlraums. Am Detektorpunkt, beispielsweise einer Mikrowellendiode, in der die HF-Spannung gleichgerichtet wird, sind die Absorptions- und Dispersiona-Signalmodi durch BF-Spannungen mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung

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von 90 gekennzeichnet.

Die magnetischen Resonanzsignalmodi können dadurch gemessen werden, dass hochfrequentes Magnetfeld an eine Materialprobe gelegt wird, die in einem polarisierten Magnetfeld liegt, und das ein Wobbeisignal erhält, welches dafür sorgt, dass die Probe durch gyromagnetische Resonanz läuft. Beide Signalmodi treten am Detektorpunkt gleichzeitig auf. Yfenn am Detektorpunkt eine kohärente Mikrowellen-Bezugsspannung vari- ^ abier Phase mit erheblich grösscrer Amplitude als die Signalmodi vorliegt, ist es möglich, reine Absorption odor reine Dispersion festzustellen. Es wird der Signalmodus festgestellt, der mit der Bezugsspannung in Phase liegt.

Die Beobachtung der Absorptionsmodi hilft bei der Interpretation von komplexen, viellinigen Resonanzcharakteriatiken, während die Beobachtung des Dispersionsmodus dazu dient, schwache, unbekannte Resonanzsignale zu lokalisieren und in der Technik nützlich ist, die als Doppelresonanz- ^ Elektron-Kern bezeichnet wird (vergl. G. Feher, Physical Review 103,501 (1956)). Es ist also erwünscht, beide Modi zur Beobachtung verfügbar zu haben. Eine weitere Beschreibung und Erläuterung dieses Problems ist in dem Buch "NMR and EPR Spectroscopy", herausgegeben von der Abteilung NIiIR-EPR der Anmelderin, Permagon Press I960» insbesondere Kapitel 1, 3, und 6, enthalten.

In der US-Patentschrift 3 O9O ®®3 ist si-ⁿ Spektrometer beschrieben, in dem eine neuartige Mikrowellenbrücke eine Beobachtung der Absorption-und der

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Dispersionsmodi ermöglicht. Bei diesem bekannten Spektrometer wird eine automatische Frequenzkontrolle (AFK) dazu verwendet, die Frequenz des Signals von der Mikrowellenquelle auf der Resonanzfrequenz eines Bezugshohlraumes zu halten. Die Resonanzfrequenz des Probenhohlraums wird auf den gleichen Wert eingestellt wie die des Bezugshohlraumes» Es ist nur ein Mikrowellendetektor vorgesehen; aber das ganze Spektrometer ist so aufgebaut, dass die auf den Proben-Hohlraum auftreffende Leistung erheblich kleiner ist als die auf den Bezugshohlraum auftreffende. Das ist deshalb erwünscht, damit die AFK-Schaltung die Frequenz des Signals von der Mikrowellenquelle hauptsächlich bezüglich des Bezugs-Hohlraumes festhält statt bezüglich des Proben-Hohlraumes. Ein variabler Phasenschieber ermöglicht die Festeilung von Dispersion oder Absorption. Bei diesem bekannten Spektrometer ist es jedoch nicht möglich, den Dispersionsmodus bei voller Ausgangsleistung der Mikrowellenquelle zu beobachten, weil eine Dämpfung zwischen der Mikrowellenquelle und dem Proben-Hohlraum liegt, mit der die Mikrowellenenergie in beträchtlichem Maße herabgesetzt wird.

Es wäre erwünscht, die maximale, von der Quelle abgegebene Leistung zu verwenden, insbesondere wenn Proben mit kurzer Relaxationszeit analysiert werden, so dass ein hoher Störabstand verwirklicht werden kann.

Weiter ist es mit diesem bekannten Spektrometer schwierig gewesen, den variablen Phasenschieber in einer solchen Weise zu justieren, dass die Dispersions- oder Absorptions-Signalmodi unzweideutig festgestellt werden

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können. Oft ergibt 3ich eine Mischung der beiden Modi, weil die Bezugs-Mikrowellenspannung nicht genau,mit dem gewünschten Signalmodus in Phase liegt, und es sind deshalb versuchsweise Änderungen des variablen Phasenschiebers erforderlich, um einen reinen Signalmodus zu erhalten.

Durch die Erfindung soll ein neuartiges und verbessertes gyromagnetisches Resonanzspektrometer verfügbar gemacht werden.

Ein Merkmal der Erfindung liegt darin, dass eine gyromagnetische Resonanzvorrichtunff verfügbar gemacht rfird, in der entweder der Absorptionsoder der Dispersionsmodus beobachtet v/erden kann, wobei im wesentlichen die volle, von einer Mikrowellensignalquelle gelieferte Leistung ausgenutzt wird.

Ein weiteres Merkmal liegt darin, dass eine EPE-Vorrichtung mit einer AFK-Sclialtung verfügbar gemacht wird, die die Energiequelle auf der Resonanzfrequenz der in in Resonanz befindlichen Struktur hält, die das zu analysierende Material enthält, und die es ermöglicht, den Dispersionsmodus sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Leistungspegeln zu beobachten.

Ein weiteres Merkmal liegt darin, dass eine EPR-Vorrichtung mit einer AFK-Schaltüng verfügbar gemacht wird, in der entweder reine Absorptionsoder reine Dispersions-Signalmodi unzweideutig festgestellt werden können.

Erfindung3gemäss besteht ein gyromagnetisches Resonanzspektrometer aus

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einem Resonator} der eine Probe des zu analysierenden Materials enthält _f einer HF-Energlequelle, die Leistung an diesen Resonator liefert, und Einrichtungen, mit denen die Frequenz der Energiequelle auf die Resonanzfrequenz der die Probe enthaltenden Struktur stabilisiert wird. Gyromagnetische Resonanzsignale, die von der Probe abgenommen werden, werden in einem einzigartigen Mischer festgestellt, der aus mehreren HP-Detektoren besteht, einem Phasenschieber und einer Anzahl HF-Energiekopplern. Die gyromagnetisohen Resonanzsignale werden in dieser Anordnung mit einem Bezugssignal gemischt, das von der HF-Energiequelle durch einen variablen Phasenschieber geliefert wird.

Während des Betriebes der erfindungsgemaasen Vorrichtung ist es erwünscht, die gyromagnetische Resonanz in gewisser Weise zu modulieren, beispielsweise durch Modulation dee polarisierenden Magnetfeldes, so dass sich eine Wechselspannungsmodulation der gyromagnetischen Resonanzsignale ergibt. Darüber hinaus ergibt sich durch die Frequenzstabilisierung der Energiequelle auf den Resonator eine Modulation des HF-Pegels am Mischer bei einer Frequenz, die sich von der zur Modulation der gyromagnetischen Resonanz benutzten Frequenz unterscheidet.

Die Erfindung umfasst weiterhin einen einzigartigen Signal-Modus-Selektor mit einem mehrpoligen Schalter und einer Filteranordnung, mit dem diese verschiedenen Frequenzen im Anschluss an die HF-Gleichrichtung in den verschiedenen HF-Detektoren richtig geschaltet und gefiltert werden, so dasa die Dispersions- oder Absorptiona-Signale unzweideutig festgestellt werden können.

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Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung noch näher erläutert werden} es zeigen:

Fig. 1 ein schematisch.es Blockschaltbild einer erfindungsgemässen gyroinagnetischen Res onanzvorrichtung}

Fig. 2 eine teilweise geschnittene isometrische Ansicht eines neuartigen Mischers, wie er in einer Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet wird}

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Teil des Mischers längs Linie 3-3 in Fig. 2}

Fig. 4 eine Kurve zur Veranschaulichung eines symmetrischen Klystron-Modus-Signals mit einer zentrierten, angepassten Hohlraumeinsenkung, wie sie auf einem Kathodenstrahloszillographen beobachtet wird} und

Fig. 5 eine Kurve zur Veranschaulichung eines symmetrischen Modus-Signals, das bei einem beobachteten Diapersionsmodus mit richtiger Phasenlage dea Bezugssignales erhalten wurde.

Gemäss Fig. 1 liefert eine Hochfrequenz- oder Mikrowellenquelle 10, beispielsweise ein Klystronoszillator, mit ' 35 GHz, Mikrowellenenergie an eine Resonatorstruktur oder einen Hohlraum 12, der eine Probe des zu analysierenden Materials enthält. Der Klystronausgang kann 100 Milliwatt Leistung haben und über 1000 MHz beispielsweise abstimmbar sein} diese Leistung dient dazu, die Probe zu bestrahlen. Zwischen die Quelle 10 und den Probenhohlraum 12 sind eine variable Dämpfung 14 zur Regelung des Mikrowellen-Signalpegels am Proben-Hohlraum und ein Zirkulator 16 geschaltet, der eine in einer Richtung wirkende Ferriteinrichtung vom Faraday-Rotations-Typ mit Öffnungen 16a, 16b und 16c sein kann, mit denen die Mikrowellenenergie zum und vom Hohlraum geführt wird. Die Dämpfung

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kann ein Dämpfer mit rotierender Fahne sein, der durch eine Phasenverschiebung Null gekennzeichnet ist. Die Dämpfung I4 dient dazu, eine Sättigung zu verhindern und den Mikrowellen-Leistungspegel am Hohlraum 12 für magnetische Resonanz einzujustieren.

Die Mikrowellenenergie wird vom variablen Dämpfer I4 über Öffnung 16a aufgenommen und das ganze gedämpfte Signal wird über Öffnung 16b zum Proben-Hohlraum 12 geleitet. Ein gyromagnetisches Resonanzsignal wird vom Hohlraum 12 reflektiert, und das ganze reflektierte Signal läuft durch Öffnung 16c zum angeschlossenen Mischerarm oder den Hohlleitern 18 und 20 eines Mischers 22. Der Mischer 22 weist zwei weitere gekoppelte Arme oder Hohlleiter 24 und 26 auf, die durch Koppler 25 gekoppelt sind, während die Arme 18 und 20 durch Koppler I9 gek-oppelt sind. Die Arme 18 und 24 sind auch durch Koppler 23 gekoppelt, während die Arme 20 und 26 durch Koppler 27 gekoppelt sind. Die Mischerarme 18 und 20 sind mit Kristalldetektoren 28 bzw. 30 versehen, die an den Enden angeorndet sind. Im Folgenden wird der Kristalldetektor 28 manchmal als "Resonanzkristall¹¹ und der Kristalldetek tor 30 als "AFK-Kristall" bezeichnet.

Der Hohlraumresonator 12 ist in einem magnetischen Polarisationsfeld H von beispielsweise 3400 Gauss angeordnet, das von einem Magnet 32 erzeugt wird, der entweder ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein kann. Wenn ein Elektromagnet verwendet wird, dient eine Magneterregung 34 dazu,. Erregungsenergie an den Magneten 32 zu liefern. Im Betrieb liefert ein Wobbelgenerator 36 eine Wobbelspannung irgendeiner Frequenz, beispielsweise

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100 kHz oder statt dessen eine niedrige Tonfrequenz an den Probenhohlraumi so dass die zu analysierende Probe zyklisch durch gyromagnetische Resonanz läuft, und zwar durch die Modulation des Polarisationsfeldes des Magneten Der Wobbelgenerator 36 liefert das Wobbeisignal an ein Paar geeignete elektromagnetische Spulen 38, die den Probenhohlraum 12 umfassen.

Die Mikrowellenquelle 10 liefert auch einen Teil der Ausgangsleistung durch eine Bezugsschleife an die gekoppelten Brückenzweige oder Hohlleiter 24 und 26. Die Bezugsschleife liefert eine Bezugsspannung an die Detektoren 28 und 30 und enthält einen Frequenzmesser 4O» mit dem die Frequenz der Mikrowellen-Bezugsspannung vom Klystron 10 angezeigt wird, einen Bezugs-Dämpfer 42, der die Amplitude der Bezugsspannung verändert und dafür sorgt, dass die Detektoren im linearen Bereich mit optimalem Umwandlungsgewinn arbeiten, und einem variablen Phasenschieber 44» der es ermöglicht, die Phase der Bezugsspannung relativ zur Phase des Ausgangssignals an die Brücke 22 vom Hohlraum 12 zu verändern. Die Phase der Bezugsspannung kann durch den vollen Bereich von 36O geändert werden, und kann so eingestellt werden, dass das beobachtete Klystronmodus-Wobbelsignal, das durch eine Einsenkung modifiziert ist, die sich durch die Mikrowellen-Energieabsorption im Probenhohlraum ergibt, symmetrisch ist. Der Einfachheit halber i3t in Fig. 1 keine Möglichkeit dargestellt, die Klystronmodus-Wobbelung zu beobachten, in der Praxis wird das jedoch dadurch erreicht, dass ein Tonfrequenzsignal genügend grosser Amplitude an die Mikrowellenquelle 10 gelegt wird, um sie durch ihren Oszillationamodus hin- und herzusteuern. Das sich ergebende Ausgangesignal der beiden Kri3talldetektoren 24 oder

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kann auf einem Kathodenstrahloszillographen beobachtet werden. Die Einstellung des variablen Phasenschiebers 44 wird durch Beobachtung des augeworfenen Wobbelsignals vor Ablesung des Absorptions- odor Dispersionsmodus durchgeführt. Während dieser Einstellung ist die Schaltung zur automatischen Frequenzkontrollo, dia später erwähnt icird, abgeschaltet.

Das reflektierte Signal vom Hohlraum 12 in den Armen 18 und 20 und die Bezugsspannung von dar Bezugsschleife in den Armen 24 und 26 werden in den Armen der Brücke 22 gemischt, durch die Dtektoren 28 und 30 festgestellt und an einen Signalmodusselektor geliefert, der oinen zusammengesetzten Schalter 46 aufweist. Der I.Iischer 22 und der Schalter 46 sorgen zusammen für eine unzweideutige Beobachtung von Dispersions- oder Abaor^tionssignalen. Der zusammengesetzte Schalter 46 ist ein dreipoliger Dreifunktion3-Schalter mit den drei Schaltstellungen A, B und C. Zur Beobachtung daa Absorptionsmodus wird der Schalter in Stellung A gebracht und mit dem Eesonanz-Kristalldetektor 28 gekoppelt. In der Schaltstellung A wird das vom Mischer 22 kommende Signal an einen Verstärker 26 geliefert, und das verstärkte Signal wird an eine Eegistriereinrichtung oder einen Kathodenstrahloszillographen 50 durch einen phasenempfindlichen Detektor 52 geliefert. Gleichzeitig erhält der Phasendetektor 52 ein Bezugssignal vom Generator 36 und dient dazu, statistische und kurzzeitige Signale auszumitteln.

In Stellung A wird daa Ausgangssignal vom Verstärker 48 auch an eine Schaltung zur automatischen Frequenzkontrolle (AFK) gegeben, die dazu

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verwendet wird, das Ausgangssignal vom Klystron 10 auf der Resonanzfrequenz des Probenhohlraums 12 zu halten. Die AFK-Schaltung enthält einen Wobbelgenerator 54» cLö^r ein sinusförmiges Wobbeisignal von hoher Tonfrequenz, beispielsweise 10 kHz, und jedenfalls mit einer Frequenz, die sich von der unterscheidet, die dazu verv/endet wird, das magnetische Polarisations-Gleichfeld zu modulieren, an einen geeigneten Frequenzmodulator 56 liefert. Der Modulator 56 dient dazu, den Ausgang des Klystrons 10 im wesentlichen um gleiche Frequenzabweichungen übar und unter der g*

Mittenfrequenz zu modulieren. Der frequenzmodulierte Ausgang des Klystrons 10 wird zum Probenhohlraum 12 geliefert, der auf die gewünschte Frequenz des Klystronoszillators 10 abgestimmt ist.

Wenn die Mittenfrequenz des Klystronoszillators 10 genau mit der Mittenfrequenz des Probenhohlraums 12 übereinstimmt, wird im Hohlraum Energie vora Klystron zweimal während jedes Wobbeizyklus der Frequenzmodulation absorbiert. Diese doripelte Absorption pro Wobbeizyklus des Oszillators 10 liefert eine kräftige zweite Harmonische des 10 kHz-Wobbelsignals M

in den AusgangsSignalen der Kristalldetektoren 28 und 30. Wenn die Frequenz des Klystrons 10 auf die des Probenhohlraums 12 abgestimmt ist, kann der reine Absorptionsmodus unzweideutig festgestellt werden. Der Resonanz-Kristalldetektor 28 fühlt die Resonanzinformation ebenso wie die AFK-Information, so dass ein reines Absorptionsmodus-Signal erhalten wird. Das trifft unabhängig von der Einstellung des variablen Phasenschiebers 44 zu, es ist jedoch festzustellen, dass die maximale gyromagnetische Resonanzsignalamplitude auftritt, wenn der variable

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Phasenschieber 44 so eingestellt ist, dass kein Gleichstrom-Fehlersignal von der AFK-Schaltung an die Mikrowellenquelle 10 gegeben wird. Mit dem Mehrfachschalter 46 iⁿ Stellung A soll also die Klystronmodus-Wobbolkurve mit der Probenhohlraum-Absorptionseinsenkung symmetrisch 3ein.

Wenn auf der anderen Seite die Mittenfrequenz des Klystronoszillators 10 nicht mit der Mittenfrequenz des Probenhohlraums 12 übereinstimmt, ergibt sich nur eine maximale Absorption des Oszillators pro Zyklus der Frequenzmodulations-Wobbelung. Das bedeutet, dass eine deutliche Grundkomponente der Frequenzmodulations-Wobbelfrequenz im Ausgangs3ignal der Kristalldetektoren 2ü und 30 vorhanden ist. Die Phase und Grosse dieser Grundkomponente hängt davon ab, in welchem Sinne und in welchem Grad die Frequenz des Klystronoszillators über oder unter der Mittenfrequenz des Probenhohlraume liegt. Das Grund-Fehleraignal wird im Verstärker 40 verstärkt und an einen phasenempfindliohen Frequenzkontrolldetektor 58 geliefert, in dem es mit einem Bezugssignal verglichen wird, das vom Wobbelgenerator 56 abgeleitet wird, um ein Gleichstrom-Fehlersignal zu erhalten. Das Fehlersignal wird an den Frequenzmodulator 56 gegeben,

um di· Frequenz des Klystronoszillators 10 mit Bezug auf den Probenhohlraum 12 zu zentrieren»

Es ist üblich, vom Realteil «nd vom Imaginärteil der Mikrowellenspannung zu Sprechen, die von einem Resonanzhohlraum reflektiert wird» wobei diese beiden Komponenten um 9O⁰ gegeneinander versetzt sind. Ea trifft auch zu, der Eealteil und der Imaginärteil der gyromagnetisohen Resonanz-

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Mikrowellenspannungen in Phase mit den betreffenden Real- und Imaginärteilen der vom Resonanzhohlraum 12 reflektierten Spannungen ist. Wenn die Phase der Bezugsspannung so eingestelit wird, dass die beobachtete Klyatronmodus-Wobbelung symmetrisch ist, befindet sich die Bezugaspannung in Phase mit der imaginären oder Absorptions-Komponente sowohl des gyromagnetiachen Resonanzsignalmodus als auch der vom Resonanzhohlraum reflektierten Mikrowellenspannung.

Um den reinen Dispersionsmodus zu beobachten, wird zunächst der Mehrfachschalter 46 in Stellung B gebracht, die nur zur Ausrichtung verwendet wird, und der variable Phasenschieber 44 wird eingestellt, während das Modus-Wobbel3ignal auf dem Kathodenstrahloszillographen 50 beobachtet wird, um einen symmetrischen Modus zu erhalten, wie in Pig. 5 dargestellt. In Stellung B laufen alle auf den AFK-Kristalldetektor 30 auftreffenden Signale zum Verstärker 49ι während alle Signale, die am Resonanzkristall 28 auftreten, gesperrt werden. Der Schalter 46 wird dann in Stellung C gebracht, in der beide Detektoren 28 und 50 mit dem Verstärker 48 verbunden sind, so dass der reine Dispersionsmodus beobachtet werden kann.

In Stellung C lässt das Filter 48, das aus einem Bandpass 60 und einem Bandsperrfilter 62 besteht, mit Ausnahme des 10 kHz^AFK-Signals vom Resonanzdetektorkristall 28 alles durch das Bandsperrfilter 62 zum Verstärker 48 durch und sperrt mit Ausnahme des 10 kHz-Signals vom AFK-Kristall 30 alles im Bandpassfilter 60. Die durchgelassenen Signale werden addiert und gleichzeitig vom Verstärker 48 über eine koaxiale Übertragungsleitung 64 zum Phasendetektor 52 durchgelassen, und die Signale werden zur Registrier-

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einrichtung und zum Oszillographen 50 durchgelassen, wo sie f.iufgezeichnet und beobachtet werden, ebenso wie zum AFK-Phasendetektor 58. Es ist erwünscht, dass die AFK-Schaltung vernachläasigbaren Schleifengewinn auf der Frequenz des Wobbeigenerators 32 hat.

In Fign. 2 und 3 ist eine Au3führungsforin eines neuartigen Mischers 22 dargestellt, wie er in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet werden kann. Ein Merkmal dieses speziellen Mischers 22 liegt darin, daas die Arme 24 und 26 die gleiche mechanische Länge haben, und die Arme 10 und 20 ähnliche mechanische Länge haben, so dass eine einfache Bestimmung der elektrischen Weglängen der Miecherzweige oder -arme möglich ist. Die vier Zweige 1Θ, 20, 24 und 26 bilden im wesentlichen ähnliche Hohlleiter mit gleichen Rechteokabmessungen, Die den gekoppelten Hohlleitern zugeordneten elektrischen Wege sind durch die Anordnung der Kuppelschlitze 19» 23, 25 und 27 festgelegt, die eine Signalmischung ermöglichen.

Im Betrieb erscheint ein Hauptteil des vom Hohlraum 12 reflektierten Signals am Hesonanzkristall 28, der dem Arm 18 zugeordnet ist, und ein Teil der Signalenergie wird durch einen 10 dB-Leistungsteiler in Form von Koppelachlitzen I9 abgespalten und trifft auf den AFK-Kristall auf, der dem Arm 20 zugeordnet ist. Gleichzeitig damit wird eine Bezugsspannung vom Phasenschieber 44 in &^er Bezugsachleife abgeleitet, und diese Spannung wird zum Ann 24 geführt, und durch einen 3 dB-Koppler oder Koppelschlitze 25 (vergl. Fig. 1) an einen festen 90 -Phasanschieber 66 gelegt, der im Arm 26 angeordnet ist. Es ist zu erwähnen, dass die elektrische Weglänge des Arms 26 sich von der elektrischen Weglänge des Arms 24 um 9O unter-

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scheidet. Die Phasenschieber-Bezugsspannungskomponente läuft vom Arm 26 durch Koppelschlitze 27 zum Mischerarm 20 und wird mit der Signalkomponente vom Hohlraum im Arm 20 gemischt} während die Bezugsspannungskomponente im Arm 24 durch Koppelachlitze 23 läuft und mit der Signalkomponente im Arm 18 gewischt wird. Die Hischersir-'nalkomponenten treffen auf die Kristalldetektoren 30 "bzw. 28 auf und sind im wesentlichen um 90 gegeneinander an den Detektoren in der Phase vorschoben. Der Mischer enthält ferner Belastungselemente 68 (vergl. Fig. i)_f die in den Armen des Mischers 22 angeordnet sind, um Energie zu absorbieren und daduroh eine richtige Impedanzanpassung zu gewährleisten.

Der Phasenschieber 66 ist im Hohlleiter 26 angeordnet, so dass die folgende Beziehung zwischen den elektrischen Weglängen der vier Zweige im Mischer 22 gilt:

worin j* die elektrische We^länge, in Grad_f des Hohlleiters 18 zwischen den Koppolöffnungen I9 zwischen dem ersten Hohlleiter 18 und dem zweiten Hohlleiter 20 einerseits und den Koppelöffnungen I9 zwischen dem ersten Hohlleiter 16 und dem dritten Hohlleiter 24 andererseits ist} *ψ' die elektrische Weglänge in Grad im zweiten Hohlleiter 20 zwischen den Koppelöffnungen I9 zwischen dem ersten Hohlleiter 18 und dem zweiten Hohlleiter 20 einerseits und den Koppe!öffnungen 27 zwischen dem zweiten Hohlleiter 20 und dem vierten Hohlleiter 26 Andererseits istj γ - die elektrische Weglänge im dritten Hohlleiter 24 zwischen den Koppelöffnungan 25 zwischen dem dritten Hohlleiter 24 und dem vierten Hohlleiter 26

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einerseita und den Koppelöffnungen 23 zwischen dem ersten Hohlleiter 1Θ und dem dritten Hohlleiter 24 andererseits ist; γ . die elektrische Weglänge im vierten Hohlleiter 26 zwischen den Koppelöffnungen 25 zwischen dem dritten Hohlleiter 24 und dem vierten Hohlleiter 26 einerseits ■ und den Koppelöffnungen 27 zwischen dem zweiten Hohlleiter 20 und dem vierten Hohlleiter 26 anderseits ist} und η eine ganze Zahl ist. Die elektrische Weglänge eines Hohlleiters wird definiert als 360 mal die Länge des Hohlleiters dividiert durch die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung im Hohlleiter.

An jedem der Detektoren 24 oder 26 "bestimmt die Phase der Bezugsspannungskomponente relativ zur Phase dee von der Probe erhaltenen Signals, ob Absorption oder Dispersion festgestellt wird. Wenn also reine Absorption am AFK-Kristall 30 festgestellt wird, wird reine Dispersion am Resonanzkristall 28 festgestellt, und umgekehrt, weil die jeweiligen Bezugsspannungen an den Koppelpunkten 23 und 27, wo die Mischung mit den gyromag-

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netischen ResonanzSignalkomponenten eintritt, um 90 gegeneinander versetzt sind. In der hier beschriebenen Erfindung wird die ganze gyromagnetische Resonanzinformation vom Resonanzkristall 24 abgeleitet, aber die AFK-Information wird vom Resonanzkristall 24 zur Beobachtung des Absorptionsmodua und die AFK-Information vom AFK-Kristall 26 zur Beobachtung des Dispersionsmodus abgeleitet.

Wenn die Mikrowellenbrücke nach der Erfindung bei- hohen Mikrowellenleistungen betrieben wird, worunter Leistungen vorstanden werden, die dazu ausreichen, einen guten Störabstand im AFK-System zu erhalten, w'ird der

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Bezugsdämpfer 42 auf maximale Dämpfung eingestellt, und die variable Kopplung des Probenhohlraums 12 wird nachgestellt, bis die Hohlraumeinsenkung der Klystronmodus-Wobbelwelle die Bezugslinie des Kathodenstrahloszillographen berührt, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Dadurch wird der Probenhohlraum effektiv angepasst. Wenn der Probenhohlraum nicht angepasst ist, wird eine Mikrowellenspannung vom Hohlraum reflektiert, und diese Spannung addiert sich vektoriell zu' den Bezugsspannungen, die an den Mischpunkten 23 und 27 durch Arme 24 und 26 ankommen, so dass sich Be- M

zugsspannungen ergeben, die nicht mehr um 9O gegeneinander versetzt sind. Die Mikrowellenleistung in der Bezugsschleife wird dann mit dem Bezugsdämpfer 42 eingestellt, bis die Detektorkristalle 28, 50 im linearen Detektorbereioh entsprechend optimalem Umwandlungsgewinn arbeiten.

Die Brücke nach der Erfindung kann sowohl bei hohen Leistungen als auch mit relativ niedrigen Leistungen betrieben werden. Durch Einstellung des Phasenschiebers 44 und Einjustierung der Vorrichtung für Absorptione- oder Dispersionsmodus in der Weise, dass sich kein AFK-Fehler bei hoher Λ

Leistung ergibt, beeinflusst eine Erhöhung der Dämpfung im variablen Dämpfer I4, um bei niedrigen Leistungspegeln zu arbeiten, den Signalmodus nicht. Vorzugsweise weist der variable Dämpfer I4 auch eine vernachlässigbare Phasenverschiebung-auf.

Es ist eine Mikrowellenbrücke beschrieben worden, die in einem Spektrometer verwendet werden kann, das mit Mitteln ausgestattet ist, ein von einem Probenhohlraum reflektiertes Signal durch Resonanz zu wobbeln,

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wobei das reflektierte Signal in Amplitude und Pha3e variiert, und einor Bezugsschleife, die zwei um 90 ausser Phase befindliche Spannungen liefert. Durch eine Anzahl Detektoren in den Armen eines Mischers, der an diese Schleifen gekoppelt ist| und mittels eines mehrpoligen Schalters und einer Filterschaltung zwischen dem Mischer und der Ausgangsschaltung kann ein reiner Absorptionsmodua oder ein reiner Dispersionsmodus durch einfaches Umschalten beobachtet worden.

..,/Patentansprüche

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Claims (21)

PATENTANWALT DIPL-ING. H. KLAUS BERNHARDT 8000 MÖNCHEN 23 · MAINZERSTJJJ __ _V1 P28 D Patentansprüche

1. Vorrichtung für gyromagnetische Resonanz» insbesondere Resonanz-Spektrometer, bestehend aus einer Wechselspannungsquelle, einem die zu analysierende Probe enthaltenden Resonator, der mit der Wechselspannung beaufschlagt wird, einer Stabilisierschleife mit einer Einrichtung, mit der die Frequenz der Wechselspannung auf der Resonanzfrequenz des Resonators gehalten wird, einer Einrichtung zur Abnahme eines gyromagnetischen Resonanzsignals vom Resonator, einer Einrichtung zur Abnahme einer Bezugsspannung variabler Phase von der Wechselspannungsquelle, und einer Vergleiohseinrichtung, in der das Resonanzsignal mit der BezugsSpannung verglichen wird und die unabhängig von der Stabilisierschleife ist und nicht mit dieser in Wechselwirkung steht,

2· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der die Frequenz der Wechselspannung durch die Resonanzfrequenz des Resonators gewobbelt wird, um das gyromagnetische Resonanzsignal vom Resonator hervorzurufen»

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3« Vorrichtung naoh Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet duroh eine Einrichtung zur Einstellung der variablen Phase, um reine gyromagnetische Resonanzabsorption oder reine gyromagnetische Resonanzdispersion zu erhalten, die Mittel enthält, mit denen die resultierende Bezugsspannung und das Signal vom Resonator beobachtet werden kann, wenn die Frequenz der Wechselspannung durch die Resonanzfrequenz des Resonators läuft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleiohseinrichtung zwei Detektoren enthält, an die die Bezugsspannungen angelegt werden, die bezüglich der elektrischen Weglänge von den betreffenden Detektorstellen zum Resonator um 90° differieren.

5. Vorrichtung naoh Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise von einem der beiden Detektoren ein Signal zur automatischen Frequenzkontrolle ableitbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5t dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren Kristalldetektoren sind.

7. Vorrichtung naoh Anspruch 4t 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Signal-Modus-Selektor mit einem Sohalter zur Auswahl des festzustellenden Modus an die Detektoren angeschlossen ist, und dass ein Verbraucher an den Sohalter angeschlossen ist.

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8, Vorrichtung nach Anspruch ¹J, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filter vorgesehen ist, durch das die Signale zum Verbraucher laufen,

9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter aus einem Bandpass und einem Bandsperrfilter besteht, mit dem Signale verschiedener Frequenz am Schalter voneinander getrennt werden,

10, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 his 9ι dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter dazu dient, die automatische Frequenzkontrolle von einem Detektor zum anderen umzuschalten, von denen einer dazu dient, gyromagnetische Resonanz in jeder Stellung des Schalters festzustellen,

11, Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Frequgnzkontrolle zwischen den Verbraucher und die Wechselspannungsquelle geschaltet ist,

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zirkulator vorgesehen ist, mit dem die Wechselspannung von der Wechselspannungsquelle zum Resonator und ein reflektiertes Signal vom Resonator weg geleitet wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Registriereinrichtung zur Aufzeichnung der Ausgangs signale vorgesehen ist.

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14· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dämpfer für die dem Resonator zugeführte Spannung vorgesehen ist.

15· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - I4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnet vorgesehen ist, mit dem ein in einer Richtung wirkendes Magnetfeld an den Resonator gelegt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch I5» dadurch gekennzeichnet, dass die Grosse des Magnetfeldes veränderbar ist, um gyromagnetische Resonanz hervorzurufen.

17» Mischer zur Verarbeitung einer Anzahl Signale aus einer Signalquelle, für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine gerade Anzahl von Signalkanälen, von denen wenigstens ein Paar mit der Signalquelle gekoppelt ist, um ein erstes Signal zu verarbeiten, wobei beide Kanäle dieses Paa*es gleiche mechanische Länge haben, und von denen wenigstens ein zweites Paar mit der Signalquelle gekoppelt ist, um ein zweites Signal zu verarbeiten, wobei beide Kanäle dieses zweiten Paares sich in gleicher Länge erstrecken, während Kopplungen zwischen dem Kanalpaar angeordnet sind, um die Komponenten dea ersten und des zweiten Signales zu mischen.

18. Mischer nach Anspruch 171 dadurch gekennzeichnet, dass ein 9O -Phasenschieber in einem der Kanäle zwischen der Signalquelle und der Kopplung angeordnet ist.

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19· Mischer nach Anspruch 17 oder 18 für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 16, gekennzeichnet durch einen gyromagnetlachen Resonanz-Kriatalldetektor und einen Detektor zur automatischen Frequenzkontrolle.

20. Mischer nach Anspruch 18 oder. I9, dadurch gekennzeichnet, dasa die Kopplung 'der Kanäle des einen Paares zur Teilung von an den einen der beiden Kanäle gelieferter HF-Energie dient, und die Kopplung der Kanäle des anderen Paares zur Teilung von an den den Phasenschieber enthaltenden Kanal gelieferter HP-Energie dient,

21. Mischer nach Anspruch 18, I9 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle aus Hohlleitern gleicher Rechteckabmeaaungen bestehen, die zu einem länglichen Gebilde vereinigt sind, dass die Kopplungen Koppelöffnungen in den Trennwänden sind, und dass der Phasenschieber in einem Hohlleiter die Beziehung

Ψλ ⁺⁽f5 -¥2 ⁺Ya ^{+ 9}°° ^+{V ^{x 1Θ}°^Ο)

definiert, in der Jr₁, jot \tl und- Ja ^^e slektrischen Weglängen in den vier Hohlleitern sind und77 eine ganze Zahl.

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