DE2227725C3 - Resonator für ein mit gyromagnetischer Resonanz arbeitendes Spektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Resonator für ein mit gyromagnetische Resonanz arbeitendes Spektrometer mit einem zylindrischen Raum ;:ur Aufnahme einer zu untersuchenden Probe, mit ein;m im wesentlichen kapazitiv wirkenden, auf der Mantelfläche des zylindrischen Raums angeordneten enten Leitungsabschnitt, und einem ebenfalls auf dei Mantellläche angeordneten und in axialer Richtung an den e:rsten

6o Leitungsabschnitt anschließenden zweiten Leitungsabschnitt, dessen zwei Leiter eine im wesentlichen induktiv wirkende Lecherleitung bilden, deren Wellenwiderstand größer ist als der Wellenwiderstand des ersten Leitungabschnitts.

Die mit gyroniagnetischer Resonanz arbeitenden Spektrometer enthalten einen Resonator, der auf eine Frequenz /₀ abgestimmt ist und mit dieser gleichen Frequenz erregt wird; die Probe wird so angeordnet, daß sie eine enge induktive Kopplung mit dem Resonator aufweist, und sie wird andererseits der Wirkung eines magnetischen Gleichfeldes H₀ ausgesetzt, das senkrecht zu dem im Resonator erzeugten magnetischen Wechselfeld steht und dessen Wert langsam verändert wird, so daß nacheinander die verschiedenen Resonanzen (nukleare magnetische Resonanzen oder elektronische paramagnetische Resonanzen) der Probe für die Frequenz /₀ erscheinen. An den Resonator ist eine Detektorschaltung angeschlossen. Sie enthält beispielsweise eine Brückenschaltung, die einerseits mit dem Hochfrequenzgenerator und andererseits mit dem Resonator \erbunden ist.

Die Eigenschaften, die für den Resonator gefordert werden, damit die Empfindlichkeit des Spektrometer erhalten wird, sind einerseits ein großer Gütefaktor Q und andererseits ein hoher Füllfaktor η, wobei dieser Füllfaktor die Konzentration der Kraftlinien des von dem Resonator unter dem Einfluß der Erregung durch den Hochfrequenzgenerator erzeugten elektromagnetischen Feldes in dem von der Probe eingenommenen Volumen ausdrückt.

Es ist andererseits erwünscht, daß der Resonator aus Gründen des Raumbedarfs ein verhältnismäßig kleines Volumen einnimmt.

Bei einem aus der Zeitschrift »Review of Scientific Instruments«, Oktober 1965, S. 1509 und 1510, bekannten Resonator der eingangs angegebenen Art haben die Leiter des ersten Leitungsabschnitts einen Querschnitt in Form von konzentrischen Kreisbögen, die sich über einen Winkel von etwas weniger als 180° erstrecken und bis auf zwei Schlitze ein zylindrisches Volumen seitlich begrenzen. Die Leiter des zweiten Leitungsabschnitts sind symmetrisch in der axialen Verlängerung der das zylindrische Volumen begrenzenden Zylinderfläche angeordnet, doch haben ihre Querschnitte die Form von Kreisbögen mit einem kleineren Zentriwinkel; dieser zweite Leitungsabschnitt ist an seinem Ende kurzgeschlossen. Der erste Leitungsabschnitt, der im wesentlichen kapazitiv wirkt, hat einen Wellenwiderstand Z₁, und der zweite Leitungsabschnitt, der im wesentlichen induktiv wirkt, hat einen größeren Wellenwiderstand Z„. Die ganze Anordnung ist die Nachbildung einer Viertelweller.längenleilung, die am einen Ende kurzgeschlossen und am anderen Ende offen ist, wobei aber die kapazitiven und induktiven Impedanzen in zwei verschiedenen Abschnitten des Resonators lokalisiert sind. Die Achse des die Probe enthaltenden Rohres fällt mit der Achse des zuvor erwähnten zylindrischen Volumens (Resonatorachse) zusammen, und der analysierte Teil der Probe liegt auf der Höhe des zweiten Leitungsabschnitts, wo das magnetische Wechselfcld des Hohlraums sehr groß ist. Der Resonator steht unter einem magnetischen Gleichfeld, das parallel zu der Resonatorachse liegt.

Unter einer im wesentlichen kapazitiv wirkenden

7.

Leitung ist hier eine Leitung zu verstehen, deren Induktivitätsbelag vernachlässigbar ist, während ihr Kapazitätsbelag groß ist. Ebenso ist unter einer im wesentlichen induktiv wirkenden Leitung hier eine Leitung zu verstehen, deren Kapazitätsbclag vernachlässigbar ist, während ihr Induktivi'ätsbelag groß ist.

3ei der Viertelwellenlängenleitung, die durch die zuvor beschriebene Vorrichtung nachgebildet wird, liegt der im wesentlichen induktiv wirkende LeiUngsabschnitt in der Nähe eines Kurzschlusses, d. h. eines Strombauches. Demzufolge ist das abgestrahlte Magnetfeld nicht nur in der Nähe des Maximums dieses Leitungsabschnitts, sondern auch an sich sehr groß. Dies wäre bei dem im Strombauch eines im wesentlichen kapazitiv wirkenden Leitungsabschnitts abgestrahlten maximalen Magnetfeld nicht der Fall.

Dieser bekannte Resonator weist neben dem angegebenen Vorteil zwei Nachteile auf:

1. Damit die Einführung der Probe die Homogenität der Magnetfelder auf der Höhe des zweiten Leitungsabschnitts nicht stört, ist es notwendig, daß das Probenträgerrohr in das Innere des zylindrischen Volumens des eine hohe Kapazität aufweisenden Teils des Resonators ein- „ dringt, was zur Folge hat, daß die Abstimmung des Resonators durch Änderung des dielektrischen Mediums (die von der Art der Probe abhängt) merklich verändert wird.

2. Der Füllfaktor η wächst mit dem Verhältnis Z., Z₁. Man ist hinsichtlich einer Vergrößerung von Z₂ dadurch beschränkt, daß es notwendig ist, eine große Homogenität der Magnetfelder

in dem zylindrischen Raum mit großer Induktion zu gewährleisten; auf Grund dieser Tatsache ist der Wellenwiderstand Z₁ des bekannten Resonators zu groß.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Resonators der eingangs angegebenen Art, dessen Abstimmung weitgehend unabhängig von der Beschaffenheit der Probe ist und der einen großen Füllfaktor ergibt.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Raum innerhalb der Leiter des ersten Leitungsabschnitts in der Nähe des zweiten Leitungsabschnitts gegen das von dem ersten Leitungsabschnitt erzeugte elektrische Feld abgeschirmt is·.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Resonators und

F i g. 2 eine zweite Ausführungsform eines Resonators.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Resonators für ein mit gyromagnetischer Resonanz arbeitendes Spektrometer mit einer möglichen Art der Verbindung des Resonators mit einer Meßbrücke.

Der Resonator enthält einen isolierenden Körpci, der durch ein Rohr gebildet ist, das beispielsweise aus Pyrex oder aus Siliziumoxid besteht; auf der Außenwand des Rohres sind die Leiter von zwei Leitungen durch Metallisieiung oder durch Aufkleben von Metallfolien, beispielsweise von Silberfolien, gebildet.

55 Zur Vereinfachung soll in der folgenden Beschreibung angenommen werden, daß es sich im vorliegenden Fall um eine Metallisierung handelt

Der Klarheit wegen ist dieses Rohr T nur durch seine (metallisierte) Stirnfläche im oberen Teil der Zeichnung dargestellt.

Ferner sind der Klarheit der Zeichnung wegen die Maßstabverhäitnisse nicht eingehalten worden. Ein Dimensionierungsbeispiel wird später angegeben.

Der erste Leitungsabschnitt ist bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ein Koaxiaüeiuingsabschnitt, dessen beide Leiter 11 und 12 durch Metallisierungen gebildet sind, die über eine bestimmte Länge auf der Innenwand bzw. auf der Außenwand des Rohres angebracht sind. Da die beiden Leiter sehr nahe beieinanderlicgen, wirkt dieser Leitungsabschnitt im wesentlichen kapazitiv, und er weist daher einen sehr kleinen Wellenwiderstand auf.

Der zweite Leitungsabschnitt isi ein Abschnitt einer Lecherleitung, die durch zwei Leiter gebildet ist, deren Querschnitte Kreisbogen sind, die sich über einen mehr oder weniger großen Zentriwinkel erstrecken, der jedoch ausreichend klein ist, so daß dieser Leitungsabschnill im wesentlichen induktiv wirkt und sein Wellenwiderstand groß gegen den Wellenwiderstand des ersten Leitungsabschnitts ist. Der eine Leiter 21 des Lecher-Lcitungsabschnilts ist auf der Innenwand des Rohres gebildet und der andere Leiter 22 auf der Außenwand des Rohres, damit diese Leiter mit dem Innenleiter 11 bzw. dem Außenleiter 12 des ersten Leitungsabschnitts verbunden werden können.

Das Kurzschließen des Resonators am oberen Ende erfolgt in diesem Fall durch einen kurzen Koaxialleitungsabschnitt, dessen Leiter 31 und 32 am einen Ende mit dem Leiter 21 bzw. dem Leiter 22 verbunden sind, während der aus den Leitern 31 und 32 gebildete Koaxialleitungsabschnitt an ihrem anderen Ende kurzgeschlossen ist. Der Koaxialleitungs-Endabschnitt 31, 32 ermöglicht eine bessere Begrenzung des induktiven Teils des Resonators in der Längsrichtung und eine Verringerung der Energicstrahlung.

Nach unten hin ist der Leiter 11 des Koaxialleitungsabschnitts 11, 12 über den Leiter 12 hinaus bis zum unteren Ende des Rohres T verlängert, und diese Verlängerung ist über eine bestimmte Länge von einer Metallisierung 20 umgeben, die von dem Leiter 12 getrennt und auf der Außenwand des Isolierrohref gebildet, ist; diese Metallisierung bildet zusammen mit dem Leiter 11 eine Kopplungskapazität.

Diese Kapazität kann entfallen, wenn der Leiter 20 bis zum unteren Ende des Rohres T und über die untere Stirnfläche des Rohres T derart verlängert wird, daß er elektrisch mit dem Inne.ileiter 11 verbunden ist.

In dem Außenleiter 12 ist in der Nähe des offenen Endes des Leitungsabschnitts 11, 12 mittels eines in der Metallisierung angebrachten Umfangsschlitzes e^;". Sektor 13 isoliert, der eine enge kapazitive Kopplung mit dem Innenleiter 11 aufweist.

Auf dem Sektor 13 ist bei 14 ein Leiter 15 angelötet, der über einen einstellbaren Kondensator 16 mit dem Inncnleiter eines Koaxialkabels 50 verbunden ist. welches den Resonator mit der Meßbrücke verbindet.

Ein zweiter Draht 18 ist bei 17 an dem Leiter 12

selbst angelötet; der Draht 18 ist mit Masse, mit eiern Außenleiter des Koaxialkabels 50 und mit der ersten Belegung eines einstellbaren Kondensators 19 verbunden. Die zweite Belegung des Kondensators 19 ist mit dem einen Ende eines Leiters verbunden, dessen anderes Ende bei 26 an dem leitenden Ring 20 angelötet ist.

Der Kondensator 16 ermöglicht die Anpassung des

Resonators an das Kabel 50.

Der einstellbare Kondensator 19 ermöglicht die Verbesserung der Abstimmung, die durch die Dinicnsionicrung des Resonators und die Kapazität 11 bis 20 erzielt ist.

In der Zeichnung ist icrner ein Probenträgerrohr 10 dargestellt, das koaxial zu den Koaxialleitungen des Resonators angeordnet ist. Dieses Rohr, das an seinem oberen Teil von an sich bekannten Einrichtungen gehallen wird, ist hier abgebrochen dargestellt.

Es ist zu erkennen, daß bei dieser Ausführungsform die innere Belegung 11 des Koaxialleitungsabschnitts 11, 12 eine Abschirmung bildet, die verhindert, daß die Abstimmfrequenz des Resonators durch die Einführung der Probe verändert wird.

Die Abmessungen können näherungsweise so berechnet werden, daß eine gegebene Abstimmfrequenz erhalten wird, wobei es am einfachsten ist, die Abstimmfrequenz genau durch die Erfahrung zu bestimmen. Unter sonst gleichen Voraussetzungen wächst die Abstimmfrequenz mit einer Verringerung der Lange der Leitungen.

Für eine Abstimmfrequenz von 240 MHz und ein Siliziumoxidrohr, dessen Wanddicke 0,5 mm beträgt, gelten beispielsweise folgende Abmessungen:

Länge des ersten Leitungsabschnitts: 45 mm,

Länge des zweiten Leitungsabschnitts: 6 mm.

Länge des kurzgeschlossenen Leitungsabschnitts:

15 mm,

Außenradius der Koaxialleitungsabschnitte:

3,5 mm,

Zentriwinkel der Querschnitte der Leiter des zweiten Leilungsabschnitts: 50".

F i g. 2 zeigt eine weniger vollkommene Ausführungsform, die jedoch den Vorteil aufweist, daß sie ohne weiteres aus einem Resonator mit zwei Lecher-Leitungsabschnitten der zuvor angegebenen bekannten Art erhalten werden kann.

Der Resonator enthält wieder ein Isolierrohr T', das nur durch seine Stirnfläche auf der Höhe der Trennstelle zwischen den beiden Leitungsabschnitten dargestellt ist.

Der erste Lecher-Leitungsabschnitt besteht aus zwei Leitern 111 und 112, deren Querschnitte Kreisbögen sind, die sich über einen Zentriwinkel von etwa 180 erstrecken und die jeweils durch cine Metallisierung auf der Außenwand des Rohres gebildet sind.

Aus technologischen Gründen ist der Leiter 112 durch einen geschlossenen Ring 113 verlängert, der von dem Leiter 111 durch einen horizontalen Schlitz in der Metallisierung der Außenwand isoliert ist.

Der zweite Lecher-Leitungsabschnitt ist von gleicher Art wie der Lecher-Leitungsabschnitt von Fig. 1, doch sind in diesem Fall seine beiden Leiter und 102 auf der Außenwand des Isolierrolires '5 gebildet, und sie erstrecken sich bei diesem Beispiel über einen kleineren Zentriwinkel. Der abschließende Kurzschluß ist durch einen einfachen leitenden Ring gebildet.

Die Abschirmung erfolgt in diesem Fall durch ein leitendes Rohr 130, das durch eine innere Metallisierung des Rohres 7" gebildet ist, wobei diese Metallisierung die Innenseile des Rohres wenigstens auf der Höhe des oberen Teils des ersten Lecher-Leilungsabschnitts bedeckt und sich vorzugsweise bis ^aj zum unteren Ende des Resonators erstreckt.

Diese Abschirmung kann auf ein konstantes Potential gelegt werden, doch zeigt die Erfahrung, daß sie auch auf einem feslpunktloscn Potential liegen kann.

Ferner ist in F i g. 2 ein Probenträgerrohr 110 dargestellt.

Die Verbindungen des Resonators mit den beiden Leitern des Koaxialkabels 150 für die Kopplung des Resonators mit der Meßbrücke erfolgen mit Hilfe von Leiterdrähten 115 und 118, die bcf131 an einem Ende des Leiter- 111 bzw. bei 132 an dem die Verlängerung des Leiters 112 bildenden zylindrischen Teil 113 angelötet sind. Der Draht 118 ist an Masse gelegt und andererseits über einen einstellbaren Abstimmkondensator 119 mit dem Draht 115 verbunden. Ein Anpassungskondensator 116 ist zwischen der Klemme 131 und dem Innenleiter des Kabels 150 in den Draht 115 eingefügt.

Auch diese Ausbildung ergibt einen Raum, der im wesentlichen frei von elektrischen Feldern ist, in dem Teil des Resonators, der eine große Kapazität: aufweist, die durch das Vorhandensein der Probe gestört werden könnte.

Andererseits ergibt das Vorhandensein der Abschirmung 130 in kleinem Abstand von den Leitern 111 und 112 eine Verringerung der Impedanz Z₁ des ersten Leitungsabschnitis.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche: V*/

1. Resonator für ein mit gyromagnetischer Resonanz arbeitendes Spektrometer mit einem zylindrischen Raum zur Aufnahme einer zu untersuchenden Probe, mit einem im wesentlichen kapazitiv wirkenden, auf der Mantelfläche des zylindrischen Raums angeordneten ersten Leitungsabschnitt, und einem ebenfalls auf der Mantelfläche angeordneten und in axialer Richtung »o an den ersten Leitungsabschnitt anschließenden zweiten Leitungsabschnitt, dessen zwei Leiter eine im wesentlichen induktiv wirkende Lecherleitung bilden, deren Wellenwiderstand größer ist als der Weilenwiderstand des ersten Leitungs- »5 abschnitts, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum innerhalb der Leiter des erstes Leitungsabschnitts (11,12; 111,112) in der Nähe des zweiten Leitungsabschnitts (21, 22; 101, 102) gegen das von dem ersten Leitungsabschnitt (11, 12; 111, 112) erzeugte elektrische Feld abgeschirmt ist.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitungsabschnitt eine Koaxialleitung mit rohrförmigen] Innenleiter ist, und daß der Zwischenraum zwischen den beiden Leitern (11, 12) der Koaxialleitung klein gegen ihre Radien ist.

3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (12) der Koaxialleitung einen Schlitz aufweist, der einen kleinen Abschnitt (13) dieses Außenleiters (12) von dem übrigen Teil des Außenleiters (12) ringsum isoliert, und daß der Ausgang des Resonators durch zwei Drähte (15, 18) gebildet ist, von denen der eine Draht (15) mit dem isolierten kleinen Abschnitt (13) und der andere Draht (18) mit dem verbleibenden Teil des Außenleiters (12) verbunden ist.

4. Resonator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den zweiten Leitungsabschnitt eine dritte Leitung (31, 32) folgt, die eine am anderen Ende kurzgeschlossene Koaxialleitung ist.

5. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitungsabschnitt eine Lecherleitung ist, deren beide Leiter (111, 112) Querschnitte in Form von Kreisbögen haben, die sich über einen Winkel von etwas we- ₅„ niger als 180° erstrecken, und daß ein zylindrisches Metallrohr (130) im Inntni des zylindrischen Raumes angeordnet ist, dir im wesentlichen durch die beiden Leiter der ersten Leitung begrenzt ist.