DE2167217C3 - Bimodaler Hohlraumresonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen bimodalen Hohlraumresonator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher bimodaler Hohlraumresonator ist bekannt (FR-PS 15 71 862) und Gegenstand des Hauptpatentes.

Bei solchen bimodalen Hohlraumresonatoren ist es erforderlich, den einen Resonanzmodus mit Bezug auf den anderen Resonanzmodus abzustimmen. Bei dem bekannten Hohlraumresonator war zu diesem Zweck wenigstens in dem zweiten Rechteck-Hohlleiterabschnitt ein bewegliches Abstimmglied vorgesehen. Beim Abstimmen wurden dadurch zwangsläufig in das Magnetfeld des zweiten Schwingungsmodus im ersten Rechteck-Hohlleiterabschnitt Asymmetrien eingeführt,

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den bekannten bimodalen Hohlraumresonator nach dem Hauptpatent derart auszubilden, daß eine asymmetrische Störung des erster; Schwingungsmodus im Probenbereich verhindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs aufgeführten Maßnahmen gelöst. Es wird auf diese Weise nämlich erreicht, daß die Magnetfelder des zweiten Schwingungsmodus durch die Abstimmeinrichtung symmetrisch in bezug auf die Mitte des ersten Rechteck-Hohlleiterabschnittes gestört werden, so daß durch die Abstimmung dieses Schwingungsmodus nicht die Symmetrie seines Magnetfeldes im Probenbereich gestört wird.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

Fig. I eine perspektivische Ansicht, teilweise als Blockschaltbild, eines Spektrometer mit bimodalem Hohlraumresonator und

Fig.2 schematisch die Anordnung des bimodalen Hohlraumresonators nach Fig. 1 im Spalt eines Magneten.

Fig. I zeigt ein Mikrowellenspektrometer für gyromagnetische Resonanz. Das Spektrometer 1 enthält

ίο einen bimodalen Hohlraumresonator 2, der aus Kupfer oder mit Silber plattiertem Messing besteht und der in einem verhältnismäßig starken polarisierenden magnetischen Gleichfeld Hz angeordnet ist, das in der Z-Richtung verläuft.

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

Der erste 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 Endwände 16 und 17 abgeschlossen.

Der Wellenleiter 3 schneidet den ersten Wellenleiter

4 an den breiten Stirnflächen 12 und 13 der ersten Wellenleiteranordnung 4. wobei die Mittellängsachsen der Wellenleiter 3 und 4 sich unter im wesentlichen rechten Winkeln schneiden, und wobei die Ebene der breiten Wände 5 und 6 des zweiten Wellenleiters 3 allgemein parallel zu der Längsachse des Wellenleiters 4 verläuft. Die breiten Wände 5 und 6 des Wellenleiters 3 verlaufen senkrecht zu den breiten Wänden 12 und 13 des Wellenleiters 4. Der Wellenleiter 3 erstreckt sich als solcher nicht körperlich durch den Wellenleiter 4, sondern ist lediglich, etwa durch Lötin, mit den breiten Wänden 12 und 13 an den rechteckigen Lippenteilen der offenen Münder der Abschnitte des Wellenleiters 3 verbunden, die sich von einander gegenüberliegenden Seiten des Wellenleiters 4 weg erstrecken.

Der erste Wellenleiter 4 ist so bemessen, daß er bei der Betriebsfrequenz eines Sender-Empfängers 21 eine Resonanzfrequenz für den Modus TEi« aufweist, wobei der Sender-Empfänger 21 an den Wellenleiter 4 über einen Wellenleiter 22 und eine Iris 23 Mikrowellenener gie abgibt, um in diesem Wellenleiter den Modus TEwi anzuregen. Der Modus TEwi besitzt einen Bereich eines starken gleichförmigen Magnetfeldes Hy in der V-Richtung in der Mitte des Wellenleiters 4. Eine 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 ihre Grenzfrequenz unter der Betriebsfrequenz des Spektrometer liegt, und die Längsachsen dieser zylindrischen Wellenleiter 24 verlaufen senkrecht zu den schmalen Wänden 14 und IS und schneiden die Mitte des Wellenleiters 4. Die Stoffprobe wird durch den abgeschnittenen Wellenleiter 24 so eingeführt, daß sie im wesentlichen auf der Mittellinie der abgeschnittenen Wellenleiterabschnitte

M 24 und in der Mitte des Wellenleiters 4 liegt. Die magnetische Mikrowellenfeldkomponente Hy des Modus, die in dem 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 gyromagnetisehen Körper, etwa Elektronen, in der Probe befindet. Der erste Wellenleiter 4 ist Teil einer Mikrowellenbrükke, die nicht gezeigt ist, so daß bei einer Energieabsorption oder einer Energiereflexicn 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-Empfängers 21 erzeugt wird.

Der zweite Wellenleiter 3 ist so bemessen, daß er bei dem Modus TEm in Resonanz ist und daß er über ein Frequenzband abstimmbar ist, in dem die zu untersuchenden Spektrallinien der Probe liegen. Durch einen Mikrowellensender 25 wird Mikrowellenenergie an den Wellenleiter 3 über eine Übertragungsleitung 27 und eine Iris 26 abgegeben. Der Sender 25 ist im Zusammenwirken mit dem abstimmbaren Wellenleiter 3 abstimmbar, um den Modus Γ£Ίο2 in dem Resonanzwellenleiter 3 anzuregen und um einen dem Modus 7ΈΊ02 entsprechenden magnetischen Vektor Hx in der Probe zu erzeugen, um Resonanzlinien der Probe von der beobachteten Resonanzlinie spinmäßig zu entkoppeln. Zwei Feldmodulations-Helmholtzspulen 28 werden um den Wellenleiter 3 in der Nähe der breiten Stirnflächen 12 und 13 des ersten Wellenleiters 4 gewickelt, um die polarisierende Hz Magnetfeldkomponente mit einer geeigneten Modulationsfrequenz, von etwa 100 kHz, zu modulieren. Durch die 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 wird, um das Signal als Funktion der Zeit oder eines sich sehr langsam in der Frequenz ändernden Signals aufzuzeichnen, durch das die polarisierende magnetische Feldintensität Hz mit einer sehr langsamen Geschwindigkeit verschoben wird, um ein Elektronenspinresopanzspektrum der Probe zu erhalten. Gemäß einem typischen Beispiel besitzt die Mikrowellenenergie des Sender-Empfängers eine Frequenz von 9,3 GHz in einem polarisierenden magnetischen Gleidifeld Hz in der Größenordnung von 3350 Gauß. Gemäß einer anderen Betriebsweise des Spektrometer 1 wird die Frequenz des Sender-Empfängers auf Resonanz mit einer der Elektronenresonanzlinien der Probe bei einem festen Wert für die Größe des polarisierenden magnetischen Gleichfelds eingestellt. Die Spinentkopplungsfrequenz des zweiten Senders 25 wird durch die Resonanz der nicht beobachteten Resonanzlinien der Probe gefahren. Die Leistungshöhe des zweiten Senders wird so eingestellt, daß eine gesättigte Resonanz der Linien der Probe erhalten wird, um eine Spinentkopplung aufeinanderfolgender Resonanzlinien von der beobachteten Resonanzlinie zu erhalten, um auf diese Weise von der Probe ein spektrales Ausgangssignal zu bekommen. Gemäß einem typischen Beispiel beträgt die Größe der Spinentkopplungsleistung das Wfache der Energie des Beobachtungssenders 21.

Bei dem Spektrometer 1 ist es besonders erwünscht, daß der bimodale Hohlraum derart angeordnet wird, daß die Mikrowellenenergie von dem zweiten Sender 25 nicht kreuzweise über Jen Hohlraum 2 in den Empfängerteil des Sender-Empfängers 21 gekcppelt wird. Mit anderen Worten sollte der Hohlraum 2 die Spinentkopplungsenergie des zweiten Senders von den' Empfängerteil 21 so entkoppeln, daß das einzige Signal, das der Empfängerteil des Sender-Empfängers 21 aufnimmt, aus dem beobachteten Resonanzsignal besteht. Eine Verringerung der Kreuzkopplung zwischen dem Spinentkopplungssender 25 und dem Empfänger 21 wird dadurch erleichtert, daß sicherge-

ID stellt wird, daß der erste Resonanzmodus in dem ersten Wellenleiterabschnitt 4 räumlich orthogonal zu dem zweiten Resonanzmodus des Hohlraums 2 in dem zweiten Wellenleiter 3 ist. Jeder Wellenleiter 5 und 4 muß jedoch einen gemeinsamen Bereich umfassen, der

ι ι von der Probe eingenommen wird.

Im Inneren des bimodalen Hohlraumes 2 werden Moduszäune vorgesehen, um den gemeinsamen und den nicht gemeinsamen Bereich des Hohlraums 2 voneinander abzugrenzen. Im einzelnen wird ein erster Moduszaun durch zwei Gruppen von parallelen leitenden Stäben 32 gebildet, die wich von einer schmalen Wand 15 zu der gegenüberliegenden schmalen Wand 14 durch den Wellenleiterabschnitt 4 erstrecken, wobei diese Stäbe 32 im wesentlichen in den Ebenen der schmalen Wände 7 und 8 des Wellenleiters 3 angeordnet sind und allgemein senkrecht zu dem magnetischen Feldvektor des angeregten Modus 7ΈΊο2 in dem Wellenleiter 3 liegen, so daß sich die Magnetfelder des zweiten Resonanzmodus TEi 02 in dem zweiten Wellenleiter 3 nicht in den angrenzenden nicht gemeinsamen Endbereich 33 und 34 des ersten Wellenleiters 4 hinein ausbauchen, da die Endabschnitte nicht den Modus TEi02 in dem Wellenleiter 3 gemeinsam haben.

In ähnlicher Weise sind zwei zusätzliche Gruppen aus zwei leitenden Stäben 35 vorgesehen, von denen sich jeder dort, wo der erste Wellenleiter 4 den zweiten Wellenleiter 3 schneidet, quer zu jeweils dem Mund des zweiten Wellenleiters 3 erstreckt. Die Stcbe 35 sind parallel zueinander angeordnet und sie erstrecken sich von einer schmalen Wand 7 zu der gegenüberliegenden schn-.alen Wand 8, und sie sind parallel zu den breiten Wänden 5 und 6 des Wellenleiters 3. Die Stäbe 35 verlaufen gleichfalls senkrecht zu den verhältnismäßig starken Magnetfeldlinien Hy des ersten Resonanzmodus TE\m in dem ersten Wellenleiter 4. Auf diese Weise verhindern die Stäbe 35 ein Ausbauchen des Magnetfeldes des ersten Resonanzmodus ΤΕΊ02 in dem ersten Wellenleiter 4 in die nicht gemeinsamen äußeren Endteile 36 und 37 des zweiten 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 Orthogonalität der beiden Resonanzmodi in dem gemeinsamen Bereich sicherzustellen und zusätzlich ein Ausbauchen der Modi in die nicht gemeinsamen Bereiche des Hohlraums 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 Moduszäune 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 Wirbclströmen zu unterbinden, die leicht in den Wänden des Hohlraumes 2 durch das zeilveränderliche iiußere magnetische Modulalionsfeld induziert werden, das durch die Heimholt/Spulen 28 erzeugt wird. Die Schlitze 39 bis 43 laufen durch die Wände der Wcllcnlciterabschnitte 3 und 4 in einer Fbene senkrecht zu ilen breiten Wänden, und sie enthalten die Mittellinie des ersten bzw. des zweiten Wellenleitcrabschniits 4 bzw. 3.

im allgemeinen ist es erwünscht, daß der zweite Modus 77Tim.> indem zweiten Wcllenleiterabschnitt 3.der an den Spinentkopplungssender 25 angekoppelt ist. getrennt in bezug auf den ersten Modus T/:",,,.. abstimmbar ist. der dazu verwandt wird, die Resonanz der Probe in dem ersten Wellenleiter 4 zu beobachten Zu diesem Zweck ist eine Absiimmvorriehtung 44 (siehe F i g. I und 2) in jedem der nicht gemeinsamen Teile 36 und 17 des Wellenleiters 3 angeordnet. |ede Abstimm vorrichtung 44 umfaßt einen leitenden Stab 45. der etwa :■ aus mn Silber plattiertem Messing besteht, der an einer leitenden Welle 46, die etwa aus mit Silber plattiertem Messing besieht, befestigt ist. die sich \on dem Abstimmglied 45 nach auswärts aus dem Resonator 3 in einer Richtung senkrecht zu den schmalen VV.mden 8 : des Wellenleiters 3 erstreckt. Die leitenden Wellen 46 sind durch nicht elektrisch Kontakt gebende Lager 47 in den Wellenleiterwänden 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 e erstreckt sich derart zu einem Abstimmknopf 49. daß durch eine Drehung des Abstimmknopfes 49 die Hew egung der Abstimmglieder 45 indem Wellenleiter 3 derart mechanisch gekoppelt wird, daß eine symmetrische Bewegung der Abstinimgüeder 45 in dem r. abgestimmten Wellenleiter 3 so ausgeführt w ird. daß die Symmetrie des abgestimmten Resonanzmodus TE,? in dem Wellenleiter 3 oder in dem gemeinsamen Bereich des Hohlraumes 2 nicht gestört wird. Die Abstimmglieder 45 sind so auf der Längsachse der Wellenleiterab- j> schnitte J angeordnet, daß sie in einer Ebene senkrecht zu den breiten Wänden 5 und 6 drehbar sind. Wenn das

AhctitnTKTJiorl 4^ r.or.iUl „, Λ „ - \.D.„U. i;. , „,(,si,

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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 Spinentkopplungssender 25 enthalt einen Briiekenkreis, bei dem ein Arm der Brücke durch den abstimmbaren Wellenleiter 3 gebildet wird. Fine automatische Frequenzregeliingsschaltiing iegt die frequenz des Spinentkopplungssenders 25 auf die abgestimmte Frequenz des Wellenleiters 3 fest, und ein Servomotor, der nut dem Abstimmknopf 49 gekoppelt ist. fahrt die Frequenz des Resonanzwcllenlciters 3 und den Glcichlauf-Spinentkopplungssender 25 durch aufeinanderfolgende Resonanzen der verschiedenen Linien der Probe. Durch die symmetrische Bewegung der ■Nhstimnijilieder 45 w ird eine frcquen/abhängigc Kreuzkopplung w>n dem Spinentkopplungssender 25 in den Beobachlungsempfangertcil des Scnder-F.mpfängers 21 \ i'rhindert

Fine optisch durchsichtige Fensteranordnung 51 isi in einer Fndwand 17 des Wellenleiters 4 angeordnet. Das l-enster 51 umfaßt eine in einem engen Abstand voneinander angeordnete Reihe von feinen, leitenden Streiten 5ö. die im wesentlichen in der Fbene der l.ndw.ind 17 liegen und parallel zueinander sind, und die allgemein senkrecht zu dem Magnetfeldvcktor'fur den ersten Modus 77:"w> in dem ersten Wellenleiter 4 verlaufen, so daß sie für diesen Modus als ein Kurzschlußkreis und als eine Fortsetzung der Fndwand 17 erscheinen. Der Abstand zwischen den Leitern liegt in der Größenordnung der Breite der Leiter, so daß für eine optische Strahlung, die von dem Probenbereich ausgehen kjnn. ober die von einer Lichtquelle 52 durch das Fenster 51 auf die Probe fallen kann, eine Transparenz in der Größenordnung von 50% erhalten wird.

In Fig. 2 ist der bimodale Hohlraum 2 der Fig. I gezeigt, wie er in dem Magnetspalt zwischen zwei einander gegenüberliegenden parallelen Polschuhen 53 und 54 eines starken Magneten angeordnet ist. In der Zeichnung ist die Ausrichtung der Wellenleiterabschnitte 22 und 27 gezeigt, die den Hohlraum 2 mit dem Sender-Empfänger 21 bzw. dem Spinentkopplungssender 25 verbinden. Ein bimodaler Hohlraum 2. der so bemessen ist. daß er bei der obengenannten Frequenz von 9.3GHz betrieben werden kann. kann, wenn die \i/_eit_e:,i_c;._sr. 3 .j„A α c_C.»,;» 33 ι,ηΗ ->η ;„ rW 4« angeordnet sind, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. leicht in einem Spalt von 6,7 cm zwischen den Stirnflächen der Polschuhe 53 und 54 angeordnet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Bimodaler Hohlraumresonator für gyromagnetische Resonanzspekirometer mit

   a) einem die zu untersuchende Probe aufnehmenden ersten Rechteck-Hohlleiterabschnitt, der als Resonator für einen ersten, im wesentlichen auf diesen Hohlleiterabschnitt beschränkten Schwingungsmodus ausgebildet ist,

   b) einem zweiten Rechteck-Hohlleiterabschnitt, der über wenigstens eine seiner Querschnittsfläche entsprechende Öffnung mit dem ersten Rechteck-Hohlleiterabschnitt in Verbindung steht und zusammen mit dem ersten Rechteck-Hohlleiterabschnitt einen Resonator für einen zum ersten Schwingungsmodus orthogonalen zweiten Schwingungsmodus bildet, nach Patent 17 73 746,

   dadurch gekennzeichnet, daß

   c) der zweüe Rechteck-Hohlleiterabschnitt (3) aus zwei getrennten Weüenleiterstücken besteht, die auf gleicher Achse symmetrisch zueinander jeweils an eine der breiten Seiten (12 bzw. 13) des ersten Rechteck-Hohlleiterabschnitts (4) derart angesetzt sind, daß ihre Schmalseiten (7, 8) parallel und ihre Breitseiten (5, 6) senkrecht zur breiten Kante des Rechteckquerschnitts des ersten Rechteck-Hohlleiterabschnitts (4) verlaufen,

   d) in beiden Wellenleiterstücken des zweiten Rechteck Hohlleiterabschnitts (3) je ein bewegliches Abstimmglied (45) angeordnet ist, und die Bewegungen der beiden Abstimmglieder (45) mechanisch gekoppelt sind.