DE2207547A1

DE2207547A1 - Hohlraumresonator für Mikrowellen

Info

Publication number: DE2207547A1
Application number: DE19722207547
Authority: DE
Inventors: Stuart Carl Palo Alto Calif. Hansen (V.St.A.)
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1971-03-24
Filing date: 1972-02-18
Publication date: 1972-10-05
Also published as: US3701959A; CH539342A; DE2207547C3; DE2207547B2; CA939025A; GB1355143A; AU3941872A; AU463492B2; JPS5418591B1; FR2130338A1; FR2130338B1

Description

gemacht werden, um das Eindringen des Modulationsfeldes in den Hohlraumresonator zu verbessern«

Hintergrund der Erfindung

In modernen wissenschaftlichen Instrumenten, beispielsweise Spektrometern für die paramagnetische Slektronenresonanz, werden Mikrowellen-Hohlraumresonatoren dazu verwendet, die erforderliche Mikrowellenenergie der zu untersuchenden Probe zuzuführen, um die gewünschte Elektronenresonanz in der Substanz hervorzurufen. Die Probe wird in den Hohlraumresonator gebracht, der im allgemeinen in einen Arm einer Mikrowellenbrücke montiert ist, wobei eine sich in den Hohlraum öffnende Blende der Mikrowellenenergie erlaubt, von der Brücke in den Resonator einzutreten. Der Hohlräum wird in den Spalt eines Magneten gebracht, der das notwendige magnetische Polarisationsfeld für die Probe liefert. An zwei gegenüberliegende Seiten des Hohlraumresonators werden zwei Modulations spul en montiert=, um eine niederfrequente Modulation des magnetischen Polarisationsfeldes zu ermöglichen, damit dieses periodisch einen Sweep durch den Punkt maximaler Elektronenresonanz ausführen kann«.

Die Präzisionsforderungen für solche Hohlraumresonatoren haben zu aufwendigen Herstellungstechniken geführt, etwa Fräsen des Hohlraumresonators und Handwicklung der Modulationsspulen, die an dessen Seiten befestigt werden. Die Herstellungskosten des Hohlraumresonatoraufbaus haben beträchtlich zum Endpr-iis des Spektrometers beigetragen, so daß das Gerät für Erziehung.·?- rand Bildungsinstitutionen zu teuer ist.

Aber selbst wenn die Hohlrauraresonatoren mit Präzisionstechniken hergestellt sind, ergeben sich im Betrieb einige Probleme«

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Beispielsweise sind die auf die Seiten de,*·: HoiilraijffiH amm^-ex^n Modulationsspulen von Hand gewickelt nr-.ä bestehen ai-s ^xuler» Windungen aus elektrisch isoliertem Drc-Jitj, wobei dl® einisolner Windungen nebeneinanderliegen und auch, in mehreren lagen übereinander liegen.

Die Spule wird dann mit der Hohlraumseitenwand zusammengebaut, d.h. an dieser mit einem geeigneten Kleber, beispielsweise Epoxy, befestigt. Im Betrieb treten abstellende Kräfte zwischen dem vom Magneten erzeugten unidirektionalen Magnetfeld auf, in das der Hohlraumresonator eingetaucht ist_r und dem Magnetfeld, das durch den Wechselstrom aufgebaut wird, der durch die Modulationsspulen fließt und die Modulation oder den Sweep des Magnetfeldes liefert. Diese Kraft erstreckt sich in Richtung der Ebene der Spule, d«h. parallel zur Oberfläche der Hohlraumwand, an der die Spule befestigt ist, und wechselt mit der Frequenz der Modulation die Richtung, Diese Kraft versucht also_; die Windungen von der Wandoberi'Xäche und voneinander zu trennen* so daß sich Vlbrationen in den Spulenwindungen und den Hohlraumwänden ergeben, die einen unerwünschten Störeffekt ergeben, der mit "Kartoffel" (Fotatoe) bezeichnet wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch die Erfindung wird ein Mikrowellen-Hohlraumresonator verfügbar gemacht, der durch einfache, billige Montagetechniken herstellbar ist, jedoch selbst in komplizierten Systemen, wie Spektrometer^! für die paramagnetische Elektronenresonans_$ ein gutes Betriebsverhalten zeigt.

Der Hohlraumresonator besteht grundsätzlich aus einer einzelnen _t flachen Leiterplatte, die auf einer Seite_s d.h. der Oberseite, mit einer Schicht aus elektrisch leitendem Material beschichtet ist» und diese Platte wird dann so gefaltet, daß eine .Anzahl

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der Innenwände eines parallelepipedisrhen HoUrsuji:¹ esciiitorn durch die leitende Oberfläche der Leiterplatte gebildet werden.

Bei einer /usführungsform sind die beiden Seitenwände_; der Boden und die Decke des Hohlraumresonators durch Faltung der Leiterplatte längs drei Falzen gebildet, die ihrerseits drei der Verbindungen der inneren Wände bilden, während die vierte Verbindung durch eine elektrisch leitende Naht gebildet wird. Die beiden Stirnwände können durch geeignete elektrisch leitende Platten gebildet werden.

Die beiden Modulationsspulen werden nach Art gedruckter Schaltungen auf der Unterseite der Leiterplatte gebildet und mit den beiden Seitenwand-Segmenten auf der Oberseite ausgefluchtet, so dai3 nach Faltung der Leiterplatte zur Bildung des Hohlraums die Modulationsspulen auf den Außenflächen der beiden Seitenwände des Hohlraums positioniert sind. Die inneren Seitenwand-Oberflächen werden in geeigneter Weise durchlässig gemacht, so daß das Modulationsfeld in den Hohlraum eindringen kann, während erhebliche Stromwege auf den inneren Wandoberflächen beibehalten werden, in denen die Mikrowellenströme fließen können.

Die elnlag.igen Modulationsspulen, die nach Art gedruckter Schaltungen hergestellt werden, sind durch die Zähigkeit der Verbindung jeder Windung mit der Leiterplatte sehr gut geger Abheben gesichert, und die Vibrationen, die normalerweise den unerwünschten Kartoffel-Effekt ergeben, sind effektiv beseitigt

Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen näher erläutert werden; es zeigen:

i'.ig. 1 oine Aufsicht «mi die Unterseite einer Leiterplatte vor dfiiü 7-i3amni<mf'alten zum Aufbau eine;? UoM'-,inc-·

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platte ^acr/ B¹Ig,, 1;

ti.£ > eine per^pekti^;/.ti'cb *. A.asiohi. eines vcuJ.-

ständlgoa HohlzuuLttrssonators., der ana βνιο gefalteten Leiterplatte imd daran bef^.stig StirnwäKden besteht;

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FMg ^i:) den in Figo 2 mit du- Liiile ;:<--5 iMschlos

raasohenartj^en Ts il der ilcbli ,^arn· Ss^ti^^a*!. und

Flg. 6 einen Schnitt längs dar Linif 6-6 Ln Fig, !;

Der neuartige Hohlraumresonator nach der Br£indvj\;? fe.Lr-i aas einer Leiterplatte bekannter Konstruktion ^eoiidy-t,. :li& nach üblichen fotografischen Techniken hergestellt i.s.<:, DLe Plat to besteht aus einer Glas-Epoxy-Gnuidlage 11, d-ie 1 ■ S icm ('-/1S ^:l) stark iiit und eine 65 ^f/ (2 ^j mil) sterk? Kupfers ".bleut i'üc dia Baueleraente trägt _p d.h. mit :' IJr.zen Kupfer pie YA i art. m:\t s.imr Golc-Srhlaggalvariisierung auf der- übe rf läehfi,

Die leitende Schicht 12 auf ier Oberseite -iev hei-l&vnl r-1 s \'. bedeckt die gesamte Oberfläche* ausgenoiime/i zwei Bereiobe i'j and 14» wo eine Vielzahl kleiner, voneinander eni-i&niber ^r)?£n'X. In der Schiebt vorhanden j-i.tnd^ die noch näher erläutert war

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r die Kwt I. ^ertiche "15> und 16 l»ngs dar bilil-r

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Längükäiiten der Leiterplatte ur«d zwei öpulenv/indumgen 17 und ';8_S die etwa in der Quermitte der Platte liegen und in Längsrichtung voneinander entfernt sind. Zwei rechtackförrnige Bereiche 21 und sind mit den Spulen I7 und 18 ausgefluchtet, wobei ein Bereich 2I zwischen den Spulen liegt und der andere Bereich auf der fernen Seite der Spule 18 liegt. Eine Anzahl zusatzlicher kleiner Flecken 23 sind auf der Oberfläche vorgesehene

Löcher 24, 25 durch die Leiterplatte sind in den beiden rechteckförmigen Bereichen 21, 22 angeordnet»

Zur Bildung des Hohlraums wird die Unterseite der Platte 11 längs drei Linien 26, 27 und 28 geritzt oder gefräst, die sich quer über die Breite der Oberfläche und zwischen den Spulen und Flecken erstrecken, und die Platte wird längs dieser irei Linien so gefaltet, daß die obere, beschichtete Seite 12 auf der Innenseite der gefalteten Form liegt. Die Beschichtung 12 bleibt an den drei Knick- oder Falzstellen intakt, d.h. zusammenhängend, und dient als Scharnier für die Wandteile. Die vierte Verbindung 29, die entsteht, wo die beiden Enden der Platte zusammenkommen, wird mit einer Lötnaht aus elektrisch gut leitendem Material geschlossen.

Die gefaltete Platte 11 bildet somit einen Kasten mit vier Wänden und offenen Stirnflächen, der zwei Seltenwände 31 und 32 und einen Deckel 33 "ozw. einen Boden 34 aufweist.

Zwei becherförmige Stirnplatten 35 und 36 aus elektrisch leitendem Materi al werden in die offenen Stirnwände des Hohlraums dicht eingesetzt und schließen diese ab. An einerEndplatte 35 ist der Steg einer U-förmigen Klemme 37 befestigt, und eine Blendenöffnung 38 erstreckt sich durch den Steg und die Stirnplatte, um eine Verbindung zum Inneren des Hohlraums herzustellen. Die Schenkel der Klemme 37 sind so angeordnet, daß sie in das offene

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Ende eines Hohlleiters 39 eindringen können«; um O.en Hohlraumresonator mit der Mikrowellen-Brücke zu koppeln»

Die Seitenwände 31 und 32 tragen die Spulen 17 bzw* 18₁ die als Modulations spulen verwendet v/erden, um das Magnetfeld zu modulieren,, das sich senkrecht zu diesen Seitenwänden erstreckt, wenn der Hohlraum in den Magneten des Systems gebracht worden ist.

An den beiden Flecken 21 und 22 sind über den darir befindlichen Öffnungen Rohre 41 bzw. 42 befestigt, damit die in einer Phiole befindliche zu untersuchende Probe in den Hohlraumresonator eingesetzt werden kann.

Mit den beiden Anschlußflecken 43 der beiden Spulen werden die elektrischen Verbindungen zur Speiseleitung hergestellt, die das Modulationssignal an die Spulen 17_S 18 liefert* L.:r* gesamte Hohlraumaufbau wird dann in ein geeignetes, isolierendes Gießmateria]. 44 eingeschlossen. Die beschichteten Bereiche 15» und 23 dienen dazu, die Haftung des isolierenden Außengehäuses an den Hohlraumwänden zu verbessern.

Die kleinen Löcher 45, beispielsweise .0,75 ram (30 Tausendstel) Durchmesser, in den Bereichen 13 und 14 der Innenflächen der beiden Seitenwände, die mit den Modulationsspulen 17» 18 ausgefluchtet sind, bilden eine durchlässige, maschenartige Oberfläche, die es den Modulationsfeldern erlaubt, in den Hohlraum einzudringen, so daß die Modulation erheblichverbessert wird. Die Porösität der Maschenbereiche 13» 14 wird zu etwa 40 ^c/o gewählt, so daß ausreichend leitende Oberfläche um die Öffnungen 44 herum vorgesehen ist, um einen guten Stromweg für die Mikrowellenströme zu erhalten. Der Umfangs-Widerstand jedes der Löcher 45 wird ausreichend hoch gehalten, so daß die kleinen

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magnetischen Gegenfelder, die durch die Wirbelströme aufgebaut werden, die in der Oberfläche um die Löcher herum entstehen, die Stärke des durch das Netz hindurchtretenden magnetischen Polarisationsfeldes nicht merklich herabsetzen.

Die einlagige Wicklung der Modulationsspule, die an der Oberfläche der Leiterplatte befestigt ist, ist in Seher-Richtung, d.h. parallel zur Wandoberfläche, wegen der kräftigen Haftung der gedruckten Schaltung an der Leiterplatte sehr fest. Die Spulen 17, widerstehen deshalb den angelegten Kräften, die versuchen, die Wicklungen seitlich zu bewegen, und zwar durch Wechselwirkung der durch den Modulationsstrom aufgebauten Magnetfelder mit dem Feld des Magneten. Der durch handgewickelte, mehrlagige Spulen hervorgerufene Kartoffeleffekt wird durch die Verwendung von solchen Spulen nach Art gedruckter Schaltungen im wesentlichen eliminiert.

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Claims

Patentansprüche

1.) Mikrowellen-Hohlraumresonator bestehend aus einem parallelepipedischen Hohlraum mit zwei Seitenwänden, einer Decke, einem Boden und zwei Stirnwänden, die elektrisch leitende innere Wandflächen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens vier der Seitenwände aus einer einstückigen Leiterplatte gebildet sind, von der eine Oberfläche mit einem elektrisch leitenden Film versehen ist, der die elektrisch leitenden inneren Wandoberflächen bildet, und die längs einer Anzahl von Linien so gefaltet ist, daß jede Faltung die Verbindung von zwei der inneren Wandoberflächen bildet.

2. Hohlraumresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß die vier Wände die beiden Seitenwände, die Decke und den Boden bilden, die Faltlinien drei der Verbindungen zwischen den inneren Wandoberflächen bilden und die vierte Verbindung durch eine elektrisch leitende Naht gebildet wird.

3. Hohlraumresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet. daß die Stirnwände aus elektrisch leitenden Platten gebildet sind, die elektrisch mit den Außenkanten der vier inneren Wandoberflächen verbunden sind.

4. Hohlraumresonator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Decke und der Boden jeweils eine durch sie hindurchführende öffnung aufweisen und oberhalb der öffnungen rohrförmige Elemente befestigt sind.

5. Hohlraumresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der zwei der vier Wände die beiden Seitenwände bilden.,, dadurch

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gekennzeichnet. daß die inneren elektrisch leitenden Wandoberflächen der beiden Seitenwände zum Teil für elektromagnetischen Fluß durchlässig sind und eine nach Art einer gedruckten Schaltung gebildete Modulationsspule auf der
Außenfläche jeder der beiden Seitenwände mit diesen durchlässigen Teilen der inneren Wandoberflächen ausgefluchtet sind.

6. Hohlraumresonator nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet. daß die durchlässigen Teile aus einer Anzahl von voneinander entfernten Öffnungen gebildet sind, die durch die elektrisch leitende Fläche hindurchführen.

7. Hohlraumresonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet. daß die Öffnungen weniger als die Hälfte der Oberfläche der durchlässigen Teile der Seitenwände einnehmen.

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