DE2105281A1

DE2105281A1 - Bimodaler Hohlraumresonator fur Mikro wellenspektrometer

Info

Publication number: DE2105281A1
Application number: DE19712105281
Authority: DE
Inventors: Robert Campbell Campbell Cahf Sneedjun (V St A ) GOIn
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1970-02-04
Filing date: 1971-02-04
Publication date: 1971-08-12
Also published as: CA931221A; DE2105281B2; JPS5328787B1; FR2079242A1; US3609520A; DE2167217B1; DE2105281C3; DE2167217C3; FR2079242B1

Description

andergrenzenden gemeinsamen und nicht gemeinsamen Bereichs sind Gruppen aus leitenden Stäben angeordnet, die allgemein parallel zu dem Magnetfeldvektor de3 Schwingun^smodus verlaufen, der sowohl in dem gemeinsamen wie auch in dem nicht gemeinsamen Bereich auftritt und allgemein senkrecht auf dem Magnetfeldvektor des Sehwingungsinodus steht, der von dem nicht gemeinsamen Bereich ausgeschlossen ist, wodurch die räumliche OriDgonalität und die Lage des Magnetfelds der beiden ochwingungsinodi in dem gemeinsamen Probenuntersuchungsvolumen verbessert wird·

Ausgangspunkt der Erfindung;

Die Erfindung betrifft in v/eiterer Ausbildung des Patents . ο . . . (Patentanmeldung P 17 73 746.1) ein ITikrowellenspektrometer mit einem Mmodalen Hohlraumresonator der mit einem gemeinsamen Seil ausgestattet ist, der einen ersten und einen zweiten räumlich orthogonalen Schv/ingungs-Resonanzmodus führen kann, und einer Einrichtung, Kit der eine zu untersuchende Stoffprobe in den gemeinsamen Teil des Hohlraumresonators eingesetzt werden kann, v/obei dieser gemeinsame Teil aus einem Raumbereich besteht, der den Feldern sowohl des ersten als auch des zweiten Schwingunge— resonanzmodus gemeinsam ist, und v/obei der Hohlraum gleichfalls einen nicht gemeinsamen Raumteil enthält, der an diesen gemeinsamen Teil angrenzt und der unter Ausschluß der Felder des zweiten üchwingungs-Resonanzmodus lediglich Felder des ersten Schwingungs-Resonanzmodus führt.

Bisher waren Mikrowelienspektrometer bekannt, die einen bimodalen Hohlraumresonator verwenden, um eine Mikrowellen-

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resonanz einer zu untersuchenden Stoffprobe anzuregen. Der bimodale Hohlraumresonator enthalt einen gemeinsamen und einen nicht gemeinsamen Raumbereich, wobei der gemeinsame Bereicii wenigstens teilweise von der Probe eingenommen wii*d und einen ersten und einen zweiten Schwingungs-Resonansmodus des Hohlraums enthält, die räumlich orthogonal zueinander sind. Der erste Schwin^ungsinDcLue ninnit einen Raumbereich ein, der sowohl zu den gerne ins :-tnen v/ie auch dem iiich* uer?.einsamen Bereich des Eolilr--uns gehört, während der zweite o0hv.ingun.3s odus von den nicht gemeinsamen Bereich piis^eachlossen ist. Ein cerprtijrer Hohlraum und ein solches Spektrometer ist in der KnuptAnmeldung M

P 17 15 746.1 "beschrieben. Der Ycrteil eines derartigen bimodnlen Hohlraumes besteht df-riii, de.3 der erste 3chwingungs-ResoiiPiiEiaodus in dein nicht gemeinsamen Bereich, der den ersten ochv/ingungsinudus unter Ausschluß des zweiten Schwingungeinoöus enthält, abgeotirnnt werden kann, ohne daß eine Beeinträchtigung oder ein übersprechen durch den zweiten orthogonalen Modus erfolgt, der von dem nicht gemeinsamen Äbstimmbereich ausgeschlossen ist«

Der nicht gemeinsame Bereich des Hohlraums best-nd typischerv;eise aus einem Abschnitt eines v.ellenleiters mit rechteckigem Querschnitt, der sich in einen größeren bimodalen Wellenleiterpbschnitt hineinöffnet, der &en gemeinsamen Be- ™ reich des biniodalen Eohlraums bildet. Die Schwierigkeit besteht bei dieser Anordnung darin, daß der Kund des nicht gemeinsamen rechteckigen Wellenleiters eine verhältnismäßig gro.?e Öffnung bildet, durch die sich ein Teil der Magnetfelder des zweiten ocir.vingungsmodus, der von dem nicht gemeinsamen Bereich ausgeschlossen werden sollte, in den nicht gemeinsamen rechteckigen Wellenleiterbereich des Hohlraums hinein

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ausbauchen können. Hierdurch besteht die Neigung, daß die Feldsymmetrie des zweiten Modus zerstört und der Bereich des maximalen Magnetfeldvektors für den zweiten Modus aus der Mitte des Probenvolumens herausbewegt wird, und daß folglich ein kleiner Betrag des elektrischen Feldes des zweiten Modus in den Probenbereich hineinbewegt wird. Diese Ankopplung des elektrischen Feldes an die Probe führte bei verlustreichen Proben dazu, daß das Q für den zweiten Resonanzmodus verringert und somit die Empfindlichkeit des Spektrometers verringert wird.

Zusammenfassung der Erfindung:

Gemäß der vorliegenden Erfindung soll hauptsächlich ein verbesserter bimodaler Hohlraumresonator für Mikrowellenspektrometer angegeben werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein bimodaler Hohlraumresonator vorgesehen, der zwei räumlich orthogonale üchwingungs-Resonanzmodi führen kann und einen den beiden Schwingungsmodi gemeinsamen Raumbereich und einen Raumbereich aufweist, injdem lediglich einer der Schwingungsmodi vorhanden ist, während der andere öchwingungsmodus ausgeschlossen ist, und der eine Gruppe von langgestreckten elektrischen leitern aufweist, die sich an der Grenze des gemeinsamen und des nicht gemeinsamen Raumes durch den Hohlraum hindurch von einer Wand des Hohlraums zu der gegenüberliegenden Wand erstrecken, um ein erhebliches Ausbauchen des Magnetfeldes des Schwingungsmodus zu verhindern, der von dem nicht gemeinsamen Bereich ausgeschlossen werden soll, wodurch eine verbesserte räumliche Orthogonalität und eine verbesserte Anordnung der Magnetfelder der beiden Resonanzmodi in dem Probenvolumen

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erhalten wird*

Vorzugsweise wird eine Anordnung vorgesehen, bei der der bimodale Hohlraum durch einen ersten und einen zweiten sich gegenseitig durchsetzenden rechteckigen Wellenleiter gebildet wird, die allgemein kreuzförmig angeordnet sind und von denen jeder an gegenüberliegenden Enden kurzgeschlossen ist, wobei diese Wellenleiter so angeordnet sind, daß die Längsachse des ersten Wellenleiterabschnitts senkrecht zu der breiten Stirnfläche des zweiten Wellenleiters aus- m gerichtet ist, wobei die breiten Wände des ersten Wellenleiters parallel zu der Längsachse des zweiten Wellenleiters ausgerichtet sind.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden zweckmäßigerweise zwei mechanisch gekuppelte Abstimmglieder vorgesehen, wobei ein Abstimmglied jeweils in einem von zwei nicht gemeinsamen Bereichen eines der Wellenleiter angeordnet ist, wodurch einer der Resonanzmodi in Bezug auf den anderen Resonanzmodus abstimmbar ist, ohne daß in das Magnetfeld des abgestimmten Modus in dem gemeinsamen Bereich des Hohlraums Asymmetrien eingeführt werden, , f

Vorzugsweise sind die Wände der bimodalen Hohlraumanordnung in dem nicht gemeinsamen Bereich entlang Mittelebenen parallel zu dem_o elektrischen Feldvektor in den nicht gemeinsamen Resonatorbereichen unterteilt, wodurch während einer Feldmodulation nicht 30 leicht ein Magnetfeld in den Hohlraum durch Wirbelströme eindringen kann, die durch eine äußere Feldmodulation erzeugt werden.

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Weiterhin wird vorzugsweise ein optisch durchsichtiges Fenster in einer Endwand eines nicht gemeinsamen 3ereieh.es des Hohlraums vorgesehen, wobei dieses durchsichtige Fenster dem gemeinsamen Rfcumbereich zugewandt ist, so daß eine optische Strahlung durch die YfencL des HohlrauiLs in den Probenbereich gelangen kann.

Im folgenden soll die ürfindung näher anhand von in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungformen erläutert werden. In der Zeichnung zeigen*

Pig» 1 eine perspektivische Ansicht, zum ^eil in einer Blοckbilddarsteilung, eines °pektrometers, das einen gemäß der vorliegenden Erfindung ciusgebildeten bimodalen Hikrowellenhohlraumresonator verwendet,

Fig_e 2 eine schematische Schaltanordnung in Draufsicht, in der der "bimodale Hohlraum der Fig. 1 in dem Spalt eines Magneten angeordnet ist, und

Fig, 3 eine vereinfachte perspektivische Darstellung in der ein anderer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeter "bimodaler Hohlraum dargestellt ist.

Beschreibung vorzugsv/eiser Ausfuhrungsformen;

In Fig. 1 ist ein Kikrowellenspektrometer für gyromagnetische Resonanzuntersuehungen gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Spektrometer 1 enthält eine bimodale Hohlraumresonatoranordnung 2, die aus Kupfer oder mit Silber plattiertem Messing besteht und die in einem verhältnis-

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mäßig starken polarisierenden magnetischen Gleichfeld H„ angeordnet ist, das in der Z-Richtung verläuft.

Der bimodale Hohlraum 2 enthält eine erste und eine zweite, sich schneidende rechteckige Wellenleiteranordnungen 3 bzw. 4, die einen allgemein kreuzförmigen, zusammengesetzten Hohlraum bilden. Im einzelnen umfaßt die erste Wellenleiteranordnung 3 zwei breite Wände 5 und 6, die durch zwei schmale Seitenvrände 7 und 8 miteinander verbunden sind, -^ie einander gegenüberliegenden Enden des Wellenleiterabschnittes 3 sind durch leitende Endwände 9 bzw. 11 verschlossen.

Der zweite rechteckige Wellenleiterabschnitt 4 umfaßt zwei breite Wände 12 und 13, die durch zwei schmale Seitenwände 14 und 15 miteinander verbunden sind. Die einander gegenüberliegenden Enden des Wellenleiters 4 sind durch Sndwände 16 und 17 abgeschlossen.

Der Wellenleiter 3 schneidet den zweiten Wellenleiter 4 an den breiten 3tirnflachen 12 und 13 der zweiten V/ellenleiteranordnung 4, wobei die Hittellängsachsen der Wellenleiter 3 und 4 sich unter im wesentlichen rechten Winkeln schneiden, und wobei die Ebene der breiten Wände 5 und 6 des ersten Wellenleiters 3 allgemein parallel zu der Längsachse des V.ellenleiters 4 verläuft. Die breiten Wände 5 und 6 des ersten Wellenleiters 3 verlaufen senkrecht zu den breiten Wänden 12 und 13 des zweiten Wellenleiters 4o Der ert=te Wellenleiter 3 erstreckt sich als solcher nicht körperlieh durch den zweiten Wellenleiter 4, sondern ist leciifclich, etwa durch Löten, mit den breiten Wänden 12 und 13 an den rechteckigen Lippenteilen der offenen

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Münder der Abschnitte des Wellenleiters 3 verbunden, die sich voneinander gegenüberliegenden Seiten des zweiten Wellenleiters 4 weg erstrecken.

Der zweite Wellenleiter 4 ist so bemessen, daß er bei der Betriebsfrequenz; eines Senders-Empfängers 21 eine Resonanzfrequenz für den Modus TE.. _Qp auf v/eist, wobei der Sender-Empfänger 21 an den Wellenleiter 4 über einen Wellenleiter 22 und eine Iris 23 Mikrowellenenergie abgibt, um in diesem Wellenleiter den Modus TE^q₂ anzuregen. Der Modus TE^q₂ besitzt einen Bereich eines starken gleichförmigen Magnetfeldes Hy in der Y-Riehtung in der Mitte des Wellenleiters 4. Sine zu untersuchende (nicht gezeigte^ Stoffprobe wird in die Mitte des Wellenleiters 4 über zwei kurze Abschnitte eines zylindrischen Wellenleiters 24 eingeführt, die so bemessen sind, daß sie bei der Betriebsfrequenz des Spektrometers abgeschnitten sind, und die Längsachsen dieses zylindrischen Wellenleiters 24 verlaufen senkrecht zu den schmalen Wänden 14 und 15 und schneiden die Mitte des zweiten Wellenleiters 4ο Die Stoffprobe wird durch den abgeschnittenen wellenleiter 24 so eingeführt, daß sie im wesentlichen auf der l-'ittellinie der abgeschnittenen Wellenleiterabschnitte 24 und in der Hitte den Wellenleiters 4 liegt. Die magnetische llikrowellenfeldkomponente Hy des zweiten Modus, die in dem zweiten Wellenleiter 4 auftritt, verläuft senkrecht zu dem polarisierenden magnetischen Gleichfeld H„, und es wird in der Probe eine gyromagnetische Resonanz angeregt, wenn sich die Vorrichtung auf der gyromagnetischen Resonanzfrequenz der gyromagnotischen Körper, etwa Elektronen, in der Probe befindet. Der zweite Wellenleiter 4 ist Teil einer MikrowellenbrHcke, die nicht gezeigt ist, so daß bei einer Energieabsorption oder einer ünergie-

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reflexion durch die in Resonanz befindliche Probe in dem Resonanzwellenleiter 4 ein Ungleichgewicht in der Brücke erzeugt wird, durch das ein Ausgangssignal in dem Empfängerteil des Sender-Epmfängers 21 erzeugt wird.

Der erste Wellenleiter 3 ist so bemessen, daß er bei dem Modus EE.jQ₂ ⁱⁿ Resonanz ist und daß er über ein Frequenzband abstimmbar ist, in dem die zu untersuchenden Spekträfclinien der Probe liegen. Durch einen Mikrowellensender 25 wird Mikrowellenenergie an den ersten V/ellenleiter 3 über M eine Übertragungsleitung 27 und eine Iris 21 abgegeben. Der Sender 25 ist im Zusammenwirken mit dem abstimmbaren Wellenleiter 3 abstimmbar, um den Modus TE^_Q2 *ⁿ &^em ^er"" sten Resonanzwellenleiter 3 anzuregen und um einen dem Modus IE^₀₂ entsprechenden magnetischen Vektor Η_χ in der Probe zu erzeugen, um Resonanzlinien der Probe von der beobachteten Resonazlinie spinmäßig zu entkoppeln. Zwei Feldmodulations-Helmholtespulen 28 werden um den Wellenleiter 3 in der Mhe der breiten Stirnflächen 12 und 13 des zweiten Wellenleiters 4 gewickelt, um die polarisierende H_z Magnetfeldkomponente mit einer geeigneten Modulationsfrequenz, von etwa 100 kHz, zu modulieren. Durch die j Feldmodulation wird eine ähnliche Modulation der Resonanz . ' der gyromagnetischen Körper erzeugt, und ein Anteil des Feldmodulationssignals wird dem Empfängerteil des Sender-Empfängers 21 zugeleitet, um eine Phasenverschiebung gegenüber der Modulation festzustellen, die dem beobachteten Resonanzsignal überlagert wird, um ein gleichgerichtetes Resonanzsignal abzuleiten, das auf eine Anzeigevorrichtung 31 gegeben v/ird, um das Signal als Punktion der Zeit oder eines sich sehr langsam in der Frequenz ändernden Signals aufzuzeichnen, durch das die polarisierende magnetische

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Feldintensität H„ mit einer sehr langsamen J-eschvindigkeit verschoben wird, um ein Elektronenspinresonanzspelctrum der Probe zu erhalten. Gemäß einem typischen Beispiel der vorliegenden Erfindung "besitzt die Kikrowellenenergie des üender-Empfängers eine Frequenz von 9,3 G-Hz in einem polarisierenden magnetischen G-leichfeld H„ in der Größenordnung von 3350 Gauss. -Gemäß einer anderen Betriebsweise des Spektrometers 1 wird die frequenz des Senders-Empfrlngers suf Resonanz mit einer der Elektronenresonanzlinlen der Probe bei einem festen Wert für die Größe des polax'isierenden magnetischen Gleichfelds eingestellt. Die 3jAi entkopplungfrequenz des zv/eiten Benders 25 v;ird durch die iie&one.nz der nicht beobachteten Resonanzlinien der Probe gefahren. Die Leistungshöhe des zweiten Senders wird εο eingestellt, daß eine gesättigte Resonanz der Linien der Probe erhalten wird, um eine Spinentkopplung aufeinanderfolgender Resonanzlinien von der beobachteten Reaonanzlinie zu erhalten, um auf diese Weise von der Probe ein spektrales Ausgangssignal zu bekommen. Gemäß einem typischen Beispiel beträgt die Große der Spinentkopplungsleistun;₃ ^r das "&⁴-f--:-:che der Energie des Beobachtungssenders 21.

Bei den Spektrometer 1 ist es besonders er'rinuchi;, daß der bimodale Hohlraum derart angeordnet v.ird, daß die I'ikrowellenenergie von dem zweiten Sender 25 nicht kreuzv/eise über den Hohlraum 2 in den Empfängerteil deb üeiider-Empfängers 21 gekoppelt wird. Kit anderen V/orten sollte der Hohlraum 2 die Spinentkov. lungsenergie 2e^ zweiten Senders von dem Empfängerteil 21 so entkoppeln, daß dns einzige Signal, das der Enpfängerteil des 3ender-£.mpf:In-er« 21 aufnimmt, aus dem beobachteten Sesonanzsignal besteht, üi;,.·? Verringerung der Ereuzkopf-lung zwischen dem üpinentkopp-

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lungssender 25 und dem Empfänger 21 wird dadurch erleichtert, daß sichergestellt wird, dnß der zweite Resonanzmodus in den zweiten V«^Tellenleiterabschnitt 4 räumlich orthogonal zu dem ersten Resonanzmodus des Hohlraums 2 in dem ersten Wellenleiter 3 ist. Jeder Wellenleiter 3 und 4 nuß j ei", ο eh ein«i geneineamen Bereich umfassen, der von der Trete eingenommen wird.

G-er.iäii einem Kerlanal der vorliegenden Erfindung werden !•lodussMune im Inneren des binodalen Hohlraumes 2 vorgesehen, um den gemeinsamen und den nicht gemeinsamen Bereich des Hohlraumes 2 voneinander abzugrenzen. Im einzelnen v:ird ein erster Kodusz3un (furch zwei Gruppen γόη parallelen leittiideii stäben 32 gebildet, die sich von einer schmalen Wand 15 zu der gegenüberliegenden schnalen Wand 14 durch den zweiten Wellenleiterabschnitt 4 erstrecken, wobei uiese otr.be 32 im v^resentlichen in den Ebenen der schmalen Wände 7 und O des ersten Wellenleiters 3 angeordnet sind und p.llcu::ein senkrecht zu dem magnetischen Feldsektor des angeregter; llodus ΧΕ^_Λρ iⁿ ^-^eT:· ersten Wellenleiter 3 liegen, so dri? sich Jie Magnetfelder des ersten Resonanzmodus TE_{1 Q?} in dom ersten wellenleiter 3 nicht in den angrenzenden nicht gemeiner-nen Endbereich 33 und 34 des zweiten Wellenleiters 4 hinein ausbauchen, da die Endabschnitte nicht den ITodus UE₁ ξ.-, in dem Wellenleiter 3 gemeinsam haben₀

In ähnlicher Weise sini zwei zusätzliche Gruppen aus zwei leitenden otäben 35, von denen sich Jeder dort, w.o der erste Wellenleiter cert 2.·/reiten Wellenleiter 4 schneidet, quer zu jeweils dem Munö. des ersten Wellenleiters 3 erstreckt. Die „Stäbe 35 sind parallel zueinander angeordnet

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und sie erstrecken sich von einer schmalen Wand 7 zu der gegenüberliegenden schmalen Wand 8, und sie sind parallel zu den breiten Wänden 5 und 6 des ersten Wellenleiters 3. Die Stäbe 35 verlaufen gleichfalls senkrecht zu den verhältnismäßig starken Magnetfeldlinien· Hy des zweiten. Resonanzmodus TE..Q2 in dem zweiten Wellenleiter 4o Auf diese Weise verhindern die Stäbe 35 ein Ausbauchen des Magnetfeldes des zweiten Resonanzmodus ΤΈ,Q₂ in dem zweiten Wellenleiter 4 in die nicht gemeinsamen äußeren Endteile 36 und 37 des erster. Wellenleiters 3 hinein. Somit dienen die beiden Gruppen von Stäben 32 und 35, die an den Grenzen zwischen den gemeinsamen und nicht gemeinsamen Bereichen des bimodalen Hohlraums 2 angeordnet sind, dazu, die Orthogona.lität der beiden Resonanzmodi in dem gemeinsamen Bereich sicherzustellen und zusätzlich ein Ausbauchen der Ilodi in die nicht gemeinsamen Bereiche des Hohlraumes 2 zu verhindern, von denen sie ausgeschlossen sind.

Die Moduszäune 35 und 32 gestatten, daß die beiden Wellenleiter 3 und 4 durcheinander hindurchgeführt werden, so daß sie einen kreuzförmigen, zusammengesetzten Hohlraum 2 bilden, während ein verhältnismäßig hoher Q Wert für jeden der orthogonalen Hohlraumteile aufrechterhalten wird. Die Q-Werte würden wesentlich niedriger sein, wenn die Koduazäune 35 und 32 nicht vorhanden wären.

Die nicht gemeinsamen Bereiche 33» 34 und 36» 37 des jeweiligen Wellenleiters 4 bzw. 3 werden durch Schlitze 39, 41 bzw. 42, 43 getrennt, um das Fließen von Wirbelströmen zu unterbinden, die leicht in den Wänden des Hohlraumes 2 durch das zeitveränderliche äußere magnetische Modulationsfeld induziert werden, das durch die Helmholtz-Spulen 28

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erzeugt wird. Die Benutze 39 bis 43 laufen durch die Wände der V/ellenleiterabschnitte 3 und 4 in einer Ebene senkrecht zu den breiten Wänden und sie enthalten die Mittellinie des ersten bzw_e des zweiten Wellenleiterabschnitts 3 bzw.

Im allgemeinen ist es erwünscht, daß der Modus ^Qp dem ersten Wellenleiterabschnitt 3, der an den Spinentkopplungssender 25 angekoppelt ist, getrennt in Bezug auf den zweiten Modus TE-Q₂ abstimmbar ist, der dazu verwandt wird, die Resonanz der Probe in dem zweiten Wellenleiter-4 zu beobachten. Zu diesem Zweck ist eine Abstimmvorrichtung 44 (siehe Figuren 1 und 2) in jedem des nicht gemeinsamen Teils 36 und 37 des ersten Wellenleiters 3 angeordnet. Jede Abstimmvorrichtung 44 umfaßt einen leitenden Stab 45, der etwa aus mit Silber plattiertem Messing besteht, der an einer leitenden Welle 46» die etwa aus mit Silber plat tiertem Messing besteht, befestigt ist, die sich von dem Abstimmglied 45 nach auswärts aus dem Resonator 3 in einer Richtung senkrecht zu den schmalen Wänden 8 des Wellenleiters 3 erstreckt. Die leitenden Wellen 46 sind durch nicht elektrisch Kontakt gebende Lager 47 in den Wellenleiter wänden 8 geführt, und jede Welle weist ein Zahnrad 48 auf, das mit dem Zahnrad 48 auf der anderen Welle 46 kämmt. Eine der Abstimmwellen 46 erstreckt sich derart zu einem Abstimmknopf 49, daß durch eine Drehung des Abstimmknopfes 49 die Bewegung der Abstimmglieder 45 in dem Wellenleiter 3 derart mechanisch gekoppelt wird, daß eine symmetrische Bewegung der Abstimmglieder 45 in dem abgestimmten ersten Wellenleiter 3 so ausgeführt wird, daß die Symmetrie des abgestimraten Resonanzmodus TE..Q₂ in dem ersten Wellenleiter 3 oder in dem gemeinsamen Bereich des Hohlraumes 2 nicht gestört wird. Die Abstimmglieder 45 sind so auf der Längs»

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achse der ersten Wellenleiterabschnitte 3 angeordnet, daß sie in einer Ebene senkrecht zu den breiten Wänden 5 und drehbar sind. Wenn das Abstimmglied 45 parallel zu der Y-Richtung liegt, erhält man eine maximale kapazitive Abstimmwirkung, und wenn das Abstimmglied 45 um 90° in eine stellung parallel zu den breiten Wänden 5 und 6 gedreht wird, erhält man eine minimale kapazitive Abstimmwirkung. Der Spirentkopplungssender 25 enthält einen Brückenkrei3, bei dem ein Arm der Brücke durch den abstimmbaren Wellenleiter 3 gebildet wird. Eine automatische Frequenzregelungsschal— tung legt die Frequenz des Spinentkopplungssenders 25 auf die abgestimmte Frequenz des Wellenleiters 3 fest, und ein Servomotor, der mit dem Abstimmknopf 49 gekoripelt istj führt die Frequenz des Resonanzwellenleiters 3 und den Gleichlauf -Bpinent'cop-.lungssender 25 durch aufeinanderfolgende Resonanzen der verschiedenen Linien der Probe. Durch Jie Symmetrische Bewegung der Abstimmglieder 45 wird eine frequenzabhängige Kreuzkopplung von dem opinentkopplungsseii— der 25 in den Beobaohtungsemofängerteil des ,vender-Empfanders 21 verhinderte

Eine optisch durchsichtige Fensteranordnung 51 ist in einer Endwand 17 des Wellenleiters 4 angeordnet· Das Fenster 51 umfaßt eine in einem engen Abstand voneinander angeordnete Reihe von feinen, leitenden streifen 50, die im wesentlichen in der Ebene der Und wand 17 liegen und prallel zueinander sind, und die allgemein senkrecht zu dein Ka^netfeldvektor für den zweiten Kodus T^-jq? ^ⁿ &^em zweiten wellenleiter 4 verlaufen, so daß sie für diesen I-'oSus als ein Kurzschlußkreis und als eine Fortsetzung der ündwand 17 erscheinen« Der Abstand zwischen den Leitern liegt in Jer G-rößenordnung der Breite der Leiter, so daß für eine outi-

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sehe Strahlung, die von dem Probenbereieh ausgehen kann, oder die von einer Lichtquelle 52 durch das Fenster 51 auf die Probe fallen kann, eine Transparenz in der 0-rößenorcnung von 50 ·'= erhalten wird.

In Fig. 2 ist der bimodale Hohlraum 2 der Fig. 1 gezeigt, wie er in der I-lagnetspalt zwischen zvei einander gegenüberlie£-nden parrllelen Polschuhen 53 und 54 eines starken L'^neteii qnpeordnet ist. In der Zeichnung ist die Ausrichtung der .Velleiileiterr-bschnitte 22 und 27 gezeigt, die den M Kohlrnum 2 mit dem Sender-Empfänger 21 "bzw«, den Spinentkor-pliuijisaender 25 verbinden. Hin birr.odr-ler Hohlraum 2, der so "beimessen ist, daß er Dei der oten genannten Frequenz von 9,3 3Hs "betrieben v/erden kann, kann, wenn die Wellenleiter 3 und 4 sowie 22 und 27 in der Art angeordnet sind, wie es in »leu i'ig. 1 und 2 geseilt ist, leicht in einen Spalt von 6,7 cm zwischen den Stirnflächen der Polschuhe 53 und angeordnet weröen.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführung· eines "binodalen Hohlraumes gei;iä:3 der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der MLiOa-P-Ie Hohlraum 56 enthält einen gemeinsamen Bereich 57, der durch eine Länge eines V«'ellenleiters mit allgemein "

reciiteol'-igem Querschnitt geMldet wird, der an seinen Enden durch Ent"vände 58 "bzw. 59 kurzgeschlossen ist. Ein ProtenrauiHvoluEien ist in der Kitte des gemeinsamen Bereiches enthalten. Die Endwand 53 ist mit dem offenen Ende eines Abschnittes eines rechteckigen Wellenleiters 61 verbunden, der an seinem äußeren Ende durch eine JÄndwand 62 ebgeechlessen ii.-:t. Der V/ellenleiterabschnitt 61 ist so angeordnet, &P-.5 zv/ei seiner breiten Wände 63 und 64 parallel zu einem ähnlichen Satz von breiten Wänden 65 und 66 des ge-

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meinsamen Teiles 57 des Resonators 56 verläuft. Die Endwand 58 weist eine rechteckige Öffnung 67 auf, die mit der Lippe an dem Mund bzw« der Öffnung des Wellenleiters 61 dort in Deckung gebracht ist, wo diese lippe mit der Wpnd 58 des Wellenleiters verbunden ist.

Der gemeinsame Bereich 57 des Hohlraumes 56 ist so bemessen, daß er den Modus TE^Qp derart führt, daß dessen H-PeId parallel zu der Ebene der Seitenwände 68 und 69 des Resonators 56 verläuft« Der Wellenleiter 61 ist zusammen mit dem gemeinsamen Bereich 57 so bemessen, daß er einen Resonanzmodus ¹EBjQ-Z so führt, daß das H-PeId parallel zu der oberen und der unteren Wand 65 und 66 verläuft. Ein Moduszaun 71 ist an dem Mund des Wellenleiterabschnittes 61 an der Grenze zwischen dem gemeinsamen und dem nicht gemeinsamen Bereich des zusammengesetzten Resonators 56 angeordnet, um ein Ausbauchen der magnetischen Felder des Modus TE.JQ2 in den nicht gemeinsamen Bereich 61 des zusammengesetzten bimodalen Resonators 56 zu verhindern.

Der Moduszaun 71 besteht aus einer Gruppe von zwei leitenden Stäben 72, die sich quer über den Mund des Wellenleiters 61 erstrecken, wobei sie allgemein parallel zu seinen breiten Wänden 63 und 64 und senkrecht zu seinen schmalen Wänden 73 und 74 und den Seitenwänden 68 und 69 des Resonators 56 verlaufen. Auf diese Weise ctören die Stäbe den Modus ^E^q, nicht merklich, sondern schließen den Modus 2E-IQ2 an der Endwand 58 des gemeinsamen Bereiches 57 des Resonators 56 wirksam kurz. Die Irisöffnungen 75 und 76, die in den Entwänden 59 bzw« 62 vorgesehen sind, dienen dazu, Wellenleiter 27 bzw. 22, die nicht gezeigt sind, in ähnlicher Weise, wie es oben anhand der Pig, 1 und 2 be-

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schrieben wurde, an den bimodaJLen Hohlraum 56 anzukoppeln.

Pur gyromagnetische Resonanzproben, die verhältnismäßig hohe dielektrische Verluste besitzen, wie etwa Wasserproben, kann die Empfindlichkeit des Spektrometer wesentlich erhöht werden, wenn eine asymmetrische Feldausbauchung verhindert wird, da bei einer derartigen Feldausbauchung das Bestreben besteht, einen Teil des elektrischen Feldes des Rgsonanzmodus ^-\q2 ^ⁿ &^as Probenmaterial hineinzuverschieben, wodurch sich eine wesentliche Verringerung des Q-Wertes dieses Resonanzmodus ergibt. Zum Beispiel verhindert der Moduszaun 71 eine Ausbauchung des Modus TB^q2 *ⁿ den nicht gemeinsamen Bereich des Wellenleiters 61 hinein und verhindert auf diese Weis ^dielektrische VerluBte, und bei bestimmten verlustreichen Proben, wie etwa Mangan-Eisen in V/asser, wird durch den Moduszaun 71 das Verhältnis von Signal zu Rauschen des Spektrometers beträchtlich erhöht.

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Claims

Patentansprüche

Mikrowellenspektrometer in weiterer Ausbildung

des Patents (Patentanmeldung P 17 73 746.1)

mit einem bimodalen Hohlraumresonator, der einen ersten und einen zweiten räumlich orthogonalen Schwingungs-Resonanzmodus führen kann, wobei der bimodale Hohlraumresonator einen gemeinsamen Bereich aufweist, der teilweise von einem Volumen der zu untersuchenden Stoffprobe eingenommen werden kann, und der aus einem Raumbereich besteht, der von den Feldern sowohl des ersten als auch des zweiten Schwingungs-Resonanzinodus geteilt wird, wobei der Hohlraum gleichfalls einen nicht gemeinsamen Raumbereich angrenzend an den gemeinsamen Raumbereich enthält, der Felder lediglich des ersten Schwingungsresonanzmodus unter Ausschluß der Felder des zweiten Schwingungs-Resonanzmodus enthält, gekennzeichnet . durch eine Gruppe von Leitern (52, 35)» die an der Grenze des benachbarten gemeinsamen und nicht gemeinsamen Bereichs des bimodalen Hohlraumes quer durch den Hohlraum (2) von einer Endwsnd des Hohlraums zu einer gegenüberliegenden Endwand verlaufen, wobei die Gruppe von Leitern aus langgestreckten Leitern besteht, die allgemein parallel zueinander so angeordnet sind, daß ihre Längsrichtung allgemein parallel zu dem Magnetfeldvektor des ersten Resonanzmodus in dem nicht gemeinsamen Bereich des Hohlraumes und allgemein senkrecht zu dem Magnetfeldvektor des zweiten Resonanzmodus verläuft, um ein erhebliches Ausbauchen des Magnetfeldes des zweiten Resonanzmodus in den nicht gemeinsamen Teil des Hohlraumresonator hinein zu verhindern, wodurch eine ver-

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besserte räumliche Orthogonalität und eine verbesserte Lage des Magnetfeldes des ersten und des zweiten Resonanzmodus in dein gemeinsamen Probenvolumen erhalten wird.

2« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e Ic e η η zeichnet , daß die Gruppe von Leitern mehrere leitende Stäbe (32, 35) umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge keniizeichn et , daß der bimodale Hohlraumresonator einen ersten und einen zweiten, sich gegenseitig schneidenden rechteckigen Wellenleiter (3, 4) umfaßt, wobei ^eder dieser Wellenleiter an den Enden (9, 11, 16, 17) kurzgeschlossen ist, daß 3eder dieser V/ellenleiter zwei breite Wände (5, 6; 12, 13) j die durch zwei schmale Seitenwände (7, S; 14» 15) verbunden sind, enthält, und daß die beiden Wellenleiter so angeordnet sind, daß sie sich im wesentlichen unter rechten Winkeln schneiden; daß die breiten "äncle, (5, 6) des ersten Wellenleiters (3) im wesentlichen parallel zu der Längsachse de3 zweiten Wellenleiters C4) angeordnet sind, und daß die Ebenen der breiten wände des ersten Wellenleiters senkrecht zu den Ebenen der breiten Wände, (12, }3) des zweiten Wellenleiters (4) angeordnet sind«

4· Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß sowohl der erste als auch der zweite Wellenleiter Teile aufweisen, die aufeinander gegenüberliegenden äeiten des anderen Wellenleiters verlaufen, so daß sich cie allgemeine, zusammengesetzte Form eines Kreuzes ergibt, und daß erste und zweite Gruppen aus diesen Leitern, die orthogonal zueinander ausgerichtet sind, vor-

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gesehen sind, daß die erste Gruppe von Leitern (35) quer über die Münder des ersten Wellenleiters (3) an der Schnittstelle des ersten Wellenleiters mit dem zweiten Wellenleiter (4) verläuft, daß die erste Gruppe von leitern parallel zu den "breiten Wänden (-5, 6) des ersten Wellenleiters (3) verläuft und daß die zweite Gruppe von Leitern (32) quer zu dem zweiten Wellenleiter (4) von einer schmalen Wand (14) zu der gegenüberliegenden schmalen Wand (15) verläuft, wobei diese zweite Gruppe von Leitern im wesentlichen in den Ebenen der schmalen Wände (7, 8) des ersten Wellenleiters angeordnet ist, und daß die zweiten Leiter allgemein parallel zu den breiten Wänden (12, 13) des zweiten Wellenleiters verlaufen,

5* Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der erste und der zweite Wellenleiter (3, 4) so bemessen sind, daß sie eine Resonanz in dem Modus (TE-.₀₂) ^für ^en ersten bzw« den zweiten Schwingungs—Resonanzmodus des bimodalen Hohlraums bei der Betriebsfrequenz des Spektrometer aufweisen,

β_β Vorrichturg nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadui"ch gekennzeichnet , daß jeder Wellenleiter, der sich auf die einander gegenüberliegenden Seiten des anderen Wellenleiters erstreckt, durch einen Schlitz (39, 41, 42, 43), der durch die breiten Wände des Wellenleiters in einer Ebene parallel zu den schmalen Wänden des entsprechenden Wellenleiters und durch die Mitttellinie des entsprechenden Wellenleiters verläuft, unterteilt ist, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um ein sich zeitlich veränderndes Magnetfeld auf die Aufenseite des bimodalen Hohlraumes zu geben,

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so daß diese Schlitze dazu dienen, Wirbelströme zu unterbinden, die ansonsten bestrebt wären, den Probenbereich des Hohlraumes von dem angelegten, sich zeitlich verändernden Magnetfeld abzuschirmen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Abstimmeinrichtung (44) vorgesehen ist, die in jedem von zwei nicht gemeinsamen Bereichen des ersten Wellenleiters

(4) beweglich ist, um die Resonanzfrequenz des ersten Jj

Schwingungs-Resonanzmodus des bimodalen Hohlraumes abzustimmen, und daß Einrichtungen (46» 48, 49) vorgesehen sind, um die Bewegung der Abstimmeinrichtung derart mechanisch zu koppeln, daß die Magnetfelder des ersten Resonanzmodus durch die Abstimmeinrichtung symmetrisch in Bezug auf die Mitte des ersten Wellenleiters gestört werden, so daß durch die Abstimmung des ersten Resonanzmodus nicht die Symmetrie des Magnetfeldes des ersten Resonanzmodus in dem Probenvolumen gestört v/ird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß der zweite j

Wellenleiter (4) eine optisch durchlässige Endwand (51) in einem nicht gemeinsamen Bereich des Wellenleiters aufweist, die dem Probenbereich zugewandt ist, um eine optische Strahlung durch diese Endwand auf einem ungehinderten geraden Weg zu übertragen, der durch das Probenvolumen in dem gemeinsamen Bereich des bimodalen Hohlraumes verläuft.

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