DE2504003B2

DE2504003B2 - Verfahren zum Messen der Elektronenspinresonanz und dafür geeignetes Spektrometer

Info

Publication number: DE2504003B2
Application number: DE2504003A
Authority: DE
Inventors: Martin Albert Sunnyvale Hiusjen; James Stewart Menlo Park Hyde
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1974-02-06
Filing date: 1975-01-31
Publication date: 1979-08-23
Also published as: DE2504003A1; JPS50127689A; DE2504003C3; US3879653A; CA1015031A; CH587490A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 sowie ein Spektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 bzw. 4.

Es sind bereits Spektrometer für die paramagnetische Elektronenresonanz bekanntgeworden, in denen ein bimodaler Probenhohlraumresonator verwendet wird, der so dimensioniert und angeordnet ist, daß zwei orthogonale Modi geführt werden, die-einen gemeinsamen Bereich miteinander teilen, in dem die zu untersuchende Probe angeordnet wird. Die Probe wird mit Pump-Mikrowellenenergie bestrahlt, die mit einem der Schwingungsmodi des Hohlraums gekoppelt ist, und zwar über einen Pump-Mikrowellenkanal. Die Resonanz wurde dadurch beobachtet, daß der zweite orthogonale Modus des Resonators mit Mikrowellenenergie angeregt wurde, die allgemein einen niedrigeren Energiepegel hat und von einer zweiten Mikrowellenquelle abgeleitet und dem Hohlraum über einen Beobachtungs-Mikrowellenkanal zugeführt wird. Resonanz wurde mit einem Mikrowellendetektor im Beobachtungskanal detektiert (US-Patentschrift 3559043).

Es ist ferner bekannt, ein Spektrometer für die paramagnetische Elektronenresonanz mit einer Mikrowellen-Reflexionshohlraumbrücke auszustatten. Die Brücke weis', einen Zirkulator mit vier Öffnungen auf, wobei eine Mikrowellenenergiequelle an eine erste Öffnung angelegt ist, ein angepaßter Probenhohlraumresonator mit einer zweiten öffnung gekoppelt ist und ein Detektor mit einer dritten öffnung gekoppelt ist, wobei ein Bezugskanal die Mikrowellenquelle und den Mikrowellcndetektor miteinander verbindet, um eine Bezugsphase für den Detektor zu liefern (US-Patentschrift 3714550).

Ferner ist bekannt, einen bimodalen Hohlraum in einem Spektrometer fü: die paramagnetische Elektronenresonanz mit Impulsbetrieb zu verwenden. In einem dieser bekannten Spektrometer wird die Magnetisierung der in einem Pumpmodus des bimodalen Hohlraums angeordneten Probe dadurch umgekehrt, daß ein 180"-Mikrowellen-Impuls an die Probe gegeben wird. Die Wiedererholung der Spinsysteme wird mit einer schwachen, nicht sättigenden Beobachtungsquelle für Mikrowellenenergie überwacht, die dem Beobachtungsmodus des bimodalen Hohlraums zugeführt wird. In diesem bekannten Spektrometer waren jedoch die Beobachtungs- und die Pump-Quelle inkohärent, d. h. sie wurden nicht von der gleichen Quelle für Mikrowellenenergie abgeleitet und waren nicht kohärent in dem Sinne, daß sie die identische Frequenz sowohl für den Pump- als auch den Beobachtungs-Modus verwendeten (S. A. Collins, Jr.,R. L. Kyle und M. W. P. Strandberg »Physical Review Letters«, Nr. 2, Seite 88, 1959).

Impuls-EPR-Experimente sind historisch in verschiedenen Arten ausgeführt worden, nämlich: Spinecho, Sättigungserholung, freier Induktionszerfall und Torrey-Oszillationen, Vorrichtungen, die für einen solchen Anwendungsfall entworfen sind, können häufig für andere brauchbar sein. Insbesondere ist die hier beschriebene Vorrichtung zur Beobachtung von Sättigungserholung, freiem Induktionszerfall und Torrey-Oszillationen verwendet worden. Ihr Hauptzweck ist jedoch, Spin-Gitter-Relaxationszeiten unter Verwendung der Sättigungs-Erhol-Technik zu messen. Bei diesem Verfahren wird die Besetzung von zwei Niveaus durch ein intensives Pump-Hochfrequenzfeld gegenüber der Gleichgewichts-Boltzman-Besetzung geändert, und die Erholung zum thermischen Gleichgewicht hin wird mit einem schwachen Beobachtungs-Mikrowellenfeld beobachtet. Die Sättigungs-Erholungs-Technik wurde erstmals beschrieben von C. F. Davis, Jr., M. W. P. Strandberg und R. L. Kyle, »Physical Review« III, 126S (1958).

Weiter ist ein Spektrometer für die paramagnetische Elektronen-Resonanz mit Impulsbetrieb bekannt, das zur Beobachtung von Sättigungserholeffekten eine gemeinsame Quelle für Mikrowellerisnergie sowohl für den Pump- als auch den Beobachtungs-kanal benutzt. In solchen Spektrometem wurden sowohl Transmissions- als auch Reflexions-Hohlräume verwendet, jedoch nie bimodale Hohlräume. Solche Spektrometer mit gemeinsamer kohärenter Quelle für Pump- und Beobachtungs-Kanal sind mehrfach bekannt geworden (K. D. Bowers und W. B. Mims, »Physical Review«, Band 115, Seite 285,1959 undP. L. Scott und C. D. Jeffries »Physical Review«, Band 127, Seite 32, 1962).

Ein zentrales Problem, das bei Impulsexperimenten der paramagnetischen Elektronenresonanz auftritt, besteht darin, daß es sehr schwierig ist, einen Impuls zu liefern, der eine vernachlässigbare Projektion der Elektronenspin-Magnetisierung M auf die X-Y-Ebene im rotierenden Bezugsrahmen liefert, d. h. M_x und M_f. Das liegt hauptsächlich daran, daß die verfügbare HF-Feld-Intensität H, erheblich kleiner ist als die spektralen Breiten und oft kleiner als die Breite von inhomogen verbreiterten Hyperfeinbtrukturlinien. Wenn nach dem Pump-Mikrowellenimp.uls M_x und M_y endlich sind, ergibt sich ein freies Induktionszerfallssignal, das mit dem Sättigungs-Erholsignal wetteifert. Freier Induktionszerfall ist die zeitliche Entwickung der beobachtbaren Komponenten der Magnetisierung M_x und M_f beim Fehlen irgendwelcher auf die Probe auftreffenden Mikrowellenleistung zur Intensität O hin. Es ist ein Quer-Relaxationsprozeß oder eine Entphasung der Spins. Wenn ein freies ItiduMionssignal vorhanden ist, überlagert es sich dem Sättigungserholsignal in kohärenten Spektrometem und ergibt in inkohärenten Spektrometem eine Schwebung. Dieses Problem scheint bisher nicht erkannt zu sein, möglicherweise weil die Entphasungszeiten erheblich kurzer waren als Spin-Gitter-Relaxationszeiten in tatsächlich untersuchten Proben.

Es besteht also ein Bedarf für ein verbessertes Spektrometer für die paramagnetische Elektronenresonanz mit einer Einrichtung, mit der das freie Induktionszerfallssignal vom Sättigungs-Erholungssignal getrennt werden ktnn. Ein solches Spektrometer ist besonders nützlich für Zeitdomänen-Resonanzuntersuchungen der paramagnetischen Elektronenresunanz bei Proben, die chemisch und biologisch interes-

sant sind, insbesondere freie Radikale in Lösung uiuf durch Nitroxydgruppen spin-markierte Biomoleküle. Interesse für chemische und biologische Anwendungen schließt hinsichtlich der Instrumentierung die Notwendigkeit für schnelles Ansprechverhalten in der Größenordnung von 0,1 bis 1 Mikrosekunde und hohe Empfindlichkeit ein.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Messen der Elektronenspinresonanz sowie ein Elektronenspinresonanz-Spektrometer zu schaffen, mit dem die freien Induktionszerfallsignale von Siittigungserholungssignalen getrennt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1, 2, 3 bzw. 4 genannten Maßnahmen gelöst.

Zur Anpassung eines solchen Spektrometers an verschiedene Probenmaterialien, insbesondere auch an unbekannte Probeninaterialien. dienen die Merkmale des Anspruchs.").

Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient die Zeichnung, in der ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Schaltbild eines Spektrometers für die paramagnetische Elektronenresonanz mit Impulsbetrieb dargestellt ist.

In der Zeichnung ist ein Impuls-Spektrometer 11 für die paramagnetische Elektronenresonanz dargestellt. Eine zu untersuchende Probe ist in einem bimodalen Hohlraumresonator 12 untergebracht. Der bimodale Hohlraum 12 ist entsprechend der US-Patentschrift 3559 043 aufgebaut, eine nähere Besprechung ist deshalb nicht erforderlich.

Der bimodale Hohlraum ist so ausgelegt, daß zwei orthogonale Schwingungsmodi bei der gleichen Frequenz geführt werden; er weist einen gemeinsamen Bereich und zwei nicht gemeinsame Bereiche auf, wobei die Probe längs der V-Achse normal zur Richtung des magnetischen Polarisationsfeldes im gemeinsamen Bereich des Hohlraums angeordnet ist. Die Probe wird magnetischen Mikrowellen-Wechselfeldern der beiden orthogonalen Schwin^oun«ⁱ«!nodi des Hohlraums ausgesetzt. Ein kräftiges magnetisches Polarisationsfeld H₀ beaufschlagt die Probe in der Weise, daß in der Probe beide magnetischen Mikrowellenfelder sich unter einem Winkel zum Polarisationsfeld H₀ befinden. Mikrowellenenergie wird dem Hohlraum 12 längs der A"-Achse von beiden Enden zugeführt, um die beiden orthogonalen Schwingungsmodi des Hohlraums 12 anzuregen. Eine Mikrowellenenergiequelle 13, beispielsweise ein Reflexklystronoszillator 13, regt einen Pumpkanal 14 und einen Beobachtungs-Mikrowellenkanal 15 an.

Im Pumpkanal 14 wird Mikrowellenenergie vom Klystron 13 über einen Isolator 34 einer Eingangsöffnung 16 eines Mikrowellenzirkulators 17 zugeführt. In den Zirkulator 17 bei öffnung 16 eintretende Mikrowellenenergie läuft gegen den Uhrzeigersinn um den Zirkulator herum an öffnung 18 vorbei und tritt über Öffnung 23 zum bimodalen Hohlraum 12 aus. Die Öffnung 18 ist mit einem Mikrowellenleitungsteil 19 gekoppelt, der mit einer angepaßten Last 21 abgeschlossen ist und in dem eine PIN-Diode 22 in der Weise angeordnet ist, daß, wenn diese leitend ist, Mikrowellenenergie zum Zirkulator durch öffnung 18 zurück reflektiert wird und dann aus öffnung 23 hinaus, und wenn die Diode nichtleitend ist, Energie in den angepaßten Dämpfer oder die Last 21 eintreten kann. Ein verschiebbarer Tauchtrimmer 24 ist im Stumpf 19 zwischen der PIN-Diode 22 und der öff-

nung 18 des Zirkulators angeordnet, um die Impedanz der PIN-Diode 22 anzupassen. Ein Isolator 25, ein variabler Dämpfer 26 und ein variabler Phasenschieber 27 sind im Pumpkanal 14 zwischen der Quelle und dem Zirkulator 17 vorgesehen, um eine unerwünschte Reflexion der Pumpenergie in die Quelle 13 und den Beobachtungskanal 15 zu verhindern, während eine Variation der Phase und Amplitude der Pumpenergie ermöglicht wird.

Vom bimodalen Hohlraum 12 reflektierte Mikrowellenenergie läuft zurück durch den Pumpkanal 14 zur öffnung 23 des Zirkulators 17 und von dort, gegen den Uhrzeigersinn, zur öffnung 28 und von dorl in den Arm 29. Der Arm 29 enthält einen angepaßten Mikrowellenkristalldetektor 31, um reflektierte Mikrowellenenergie zu detektieren. Das detektierte Signal wird dann übereine Leitung einem Eingangeines Oszilloeraphen 33 zur Anzeige zugeführt.

Im Beobachtungskanal 15 wird Mikrowellenenergie vom Ausgang des Klystrons 13 und Isolator 34 über einen Richtungskoppler 35 in den Beobachtungskanal 15 gekoppelt. Von dort wird die Mikrowellenenergie einer Eingangsöffnung 36 eines zweiten Mikrowellenzirkulators 37 zugeführt. In den Zirkulator 37 bei 36 eintretende Mikrowellenenergie pflanzt sich in Richtung gegen den Uhrzeiger um den Zirkulator herum fort und aus der öffnung 38 hinaus und von dort über einen Hohlleiter zum zweiten oder Beobachtungsmodus des bimodalen Hohlraums 12. Vom bimodalen Hohlraum 12 reflektierte Mikrowellenenergie läuft zurück durch den Beobachtungskanal 15 und über öffnung 38 in den Zirkulator 37. Innerhalb des Zirkulators 37 pflanzt sich die reflektierte Beobachtungs-Mikrowellenenergie gegen den Uhrzeigersinn um den Zirkulator herum fort und tritt aus öffnung 39 aus; von dort wird sie über einen Isolator 41 in einen Mikrowellen-Kristalldetektor 42 zum Nachweis eingespeist.

Eine Mikrowellenenergie-Bezugsphase oder -Referenzphase wird dem Kristalldetektor 42 über einen Referenz-Mikrowellenarm 43 zugeführt, der im Nebenschluß zum Zirkulator 37 liegt und über einen Richtungskoppler 44 mit dem stromaufwärtigen Ende des Beobachtungskanal-Hohlleiters verbunden ist. Der Referenzarm 43 weist einen variablen Dämpfer 45 auf, um den Mikrowellenenergiepegel zu kontrollieren, der dem Kristalldetektor 42 zugeführt wird, und einen variablen Phasenschieber 46, mit dem die Phasenlage der Referenz-Mikrcwellenenergie kontrolliert wird, die dem Detektor 42 zugeführt wird.

Eine PIN-Diode 47 ist zwischen der Eingangsöffnung 36 des Zirkulators 37 und dem Klystron 13 vorgesehen, um die Amplitude der Mikrowellenenergie zu modulieren, die durch den Beobachtungskanal 15 vom Klystron 13 zum bimodalen Hohlraum 12 läuft. Ein variabler Dämpfer 48 ist zwischen dem Zirkulator 37 und dem Klystron 13 vorgesehen, um den Leistungspegel der Mikrowellenenergie variabel einzustellen, die vom Klystron 13 zum bimodalen Hohlraum 12 läuft. Ein Isolator 49 ist zwischen dem Klystron und dem variablen Dämpfer 48 vorgesehen, um die Reflexion von Mikrowellenenergie zurück zum Klystron 13 zu verhindern. Eine vierte Öffnung 51 des Zirkulators 37 ist mit einer angepaßten Last 52 abgeschlossen.

Zwei Feldmodulationsspulen 53 sind angrenzend an den bimodalen Hohlraum 12 oder innerhalb desselben angeordnet, um dem magnetischen Polarisa-

tionsfeld H„ eine Komponente eines Magnetfeldes parallel zu H₀ zu überlagern. Ein Empfänger 54 ist so angeschlossen, daß er Resonanzsignale detektiert, die vom Detektor 42 aufgenommen werden, um ein Ausgangssignal zu liefern, das auf einem Schreiber 55 in Abhängigkeit von der Zeit oder anderen Signalen, je nach Wunsch, aufgezeichnet wird. Ein Taktgeber und Yci'er 56 dienen dazu, eine Anzahl verschiedener Zeitgabesignale zu liefern, die verschiedenen Elementen des Empfängers und Pumparms zugeführt werden, um die Pumpenergieimpulse zeit/ich zu steuern, die zur Anregung der Probe angelegt werden, um gewisse Funktionen des Empfängers 54 zeitlich zu steuern, und um das Feld über Feldmodulationsspule 53 zu modulieren oder die Amplitude der Beobachtungs-Mikrowellenenergie über Modulation, die an die PIN-Diode 47 angelegt wird, zu modulieren. Diese verschiedenen Modulationstechniken und Empfangstechniken werden im einzelnen noch erläutert.

Zusätzlich ist eine automatische Frequenzregelschaltung vorgesehen, die ein detektiertes Resonanzausgangssignal vom Empfänger 54 ableitet und es einem Eingang eines phasenempfindlichen Detektors 57 zuführt, zwecks Vergleich mit einem Bezugssignal von einem Oszillator 58. Der Oszillator dient auch dazu, die Frequenz der Mikrowellenenergie zu modulieren, die von Quelle 13 abgeleitet wird, über eine Transformatorkopplung 59 und eine zweite Leitung 61, die mit einer Frequenzsteuer- oder Reflektorspannung eines Reflexklystronoszillators verbunden ist, w*nn dieses als Quelle 13 dient. Eine Frequenzmodulation der Quelle 13 um ihre Mitten- oder Trägerfrequenz liefert eine detektierte Resonanzsignalkomponente bei dieser Frequenz, die phasenempfindlich in dem phasenempfindlichen Detektor 57 gleichgerichtet wird, um ein Abweichungs-Gleichstromsignal zu liefern, das ebenfalls der Frequenzregelungs- oder Reflektor-Spannung des Klystrons 13 über Leitung 61 zugeführt wird, um die Trägerfrequenz des Klystrons 13 mit der Mitte einer Resonanzlinie der Probe zu verrasten, wie sie mit dem Detektor 42 im Beobachtungskanal 15 beobachtet wird.

Das Spektrometer 11 für die paramagnetische Elektronenresonanz kann in einer Anzahl von verschiedenen Betriebsarten benutzt werden, sowohl in einem Dauerstrichbetrieb als auch im Impuisbetrieb. Das in der Zeichnung dargestellte Spektrometer ist besonders gut geeignet zur Analyse von Einschwing-Resonanzsignalen und insbesondere zur Trennung des flüchtigen, freien Induktionszerfall-Resonanzsignals vom flüchtigen Sättigungs-Erholungssignal. Um diese beiden Signale zu trennen, wird das Spektrometer anfänglich durch Betrieb im Dauerstrichbetrieb eingestellt, und die Parameter werden so eingestellt, daß im Detektor 42 detektiert wird, wobei die Beobachtungsenergie abgeschaltet ist oder niedrig liegt in der Mitte einer Dispersions-Resonanzlinie der zu untersuchenden Probe. Wenn auf diese Weise im Impulsbetrieb gearbeitet wird, hat das freie Induktionszerfallsignal, wie es vom Pumpkanal in den Beobachtungskanal durch die Resonanz der Probe gekoppelt wird, die Amplitude 0, und stört damit das Detektieren des Sättigungserholungssignals nicht, das durch die Beobachtungsenergie im Beobachtungskanal überwacht wird.

Um anfänglich die Parameter des Spektrometers auf die Mitte einer Dispersions-Resonanzlinie der zu untersuchenden Probe einzustellen, wird der Schalter 65 in die Mittelstellung gebracht, so daß die Rechteck-Ausgangsspannung des Taktgebers 56 von 50 Hz von der Feldmodulationsspule 53 getrennt wird. Der Schalter 67 wird so eingestellt, daß der Ausgang eines 100-kHz-Oszillators 68 mit den Modulationsspulen 53 verbunden wird. Der ???????? Signalausgang des Detektors 42 wird im Verstärker 69 verstärkt und einem Eingang eines phasenempfindlichen Detektors 42 zugeführt, wo er phasenempfindlich gegen den

>') 100-kHz-Oszillator-Ausgang gleichgerichtet wird, um ein Gleichstrom-Resonanzsignal abzuleiten, das im Schreiber 72 aufgezeichnet wird. Der Dämpfer 26 im Pumparm 14 wird auf maximale Dämpfung eingestellt, und der Dämpfer 48 im Beobachtungsarm 15

' > wird auf einen Pegel eingestellt, der adäquat zum Selektieren der magnetischen Resonanz einer Probe ist, die im bimodalen Hohlraum 12 angeordnet ist.

Das Resonanzsignal, das im Schreiber 72 durch die Modulation des Poiarisations-Gieichfeides durch Ös-

-" zillator 68 aufgezeichnet wird, ist die erste Ableitung des betreffenen detektierten Resonanzliniensignals. Eine Einheit 73 steuert die Größe des magnetischen Polarisationsfeldes /Z₀, das mit einem Elektromagneten erzeugt wird, wie durch Spule 74 angedeutet wird.

-■> Der Benutzer stellt die Phase des Phasenschiebers 46 im Bezugsarm 43 auf reine Absorptionsmodusresonanz ein.

Als nächstes wird die vom Klystron 13 zum bimodalen Hohlraum über den Beobachtungskanal gesen-

i'i dete Mikrowellenenergie praktisch abgestellt, indem der Dämpfer 48 im Beobachtungsarm so eingestellt wird, daß die Beobachtungsenergie stark gedämpft wird. Der Dämpfer 26 im Pumpkanal wird dann auf erhebliche Leistung im Pumparm eingestellt. Die

i> Dauerstrichresonanz der Probe wird am Beobachtungskristall 42 durch Transmission vom Pumparm über den Hohlraum zum Detektor 42 detektiert. Der Phasenschieber 27 im Pumparm wird variiert, um die reine Absorptionsmodusresonanz der Probe im Bein obachtungskanal am Detektor 42 zu detektieren.

Als nächstes wird der Dämpfer 48 im Beobachtungskanal eingestellt, bis das Absorptionsmodussignal vom Pumpkanal, wie es in den Detektor 42 im Bcobachtungskanal 15 gekoppelt wird, in Amplitude

r> gleich und entgegengesetzt dem Absorptionsresonanzsignal ist, wie es im Beobachtungskanai 15 am Detektor42 detektiert wird. Falls notwendig, wird der Phasenschieber 27 im Pumparm 14 um 180° verschoben, um eine Auslöschung der Signale zu erhalten.

■.<> Der Phasenschieber 27 im Pumpkanal 14 ist vorzugsweise ein kalibrierter Phasenschieber, so daß die Phase nach Wunsch verschoben werden kann. Der kalibrierte Phasenschieber 27 im Pumparmkanal 14 wird dann um 90^s verschoben, so daß das Resonanzsignai,

->■> das im Detektor 42 durch die Kopplung von Pumpenergie bei Resonanz durch den bimodalen Hohlraum detektiert wird, dem Dispersionsmodussignal entspricht. Das magnetische Polarisationsfeld H₀ ist auf den Nulldurchgang einer Dispersions-Resonanzlinie

bo eingestellt. Die Energie im Beobachtungskanal wird dann auf einen kleinen, nicht sättigenden Pegel eingestellt, in dem die Dämpfung des Dämpfers 48 erhöht wird. Auf diese Weise ist das Spektrometer dann auf den Nulldurchgang des Dispersionsmodus der Pump-

bs energie eingestellt, die bei Resonanz durch die Probe zum Detektor 42 gekoppelt wird, und der Beobachtungskanal ist auf das Absorptionsmodus-Resonanzsignal eingestellt, wie es durch Resonanz der Probe

in den Beobachtungskanal zurück reflektiert wird.

Der Schalter 67 wird dann in die mittlere oder »Aus«-Stellung gebracht, und Schalter 65 wird geschaltet, so daß die Feldmodulationsspulen 53 mit dem SO-Hz-Rechteckschwingungsausgang des Taktgebers und der Teiler 56 verbunden werden. Ein weiterer Ausgang des Taktgebers 56 wird auch der PIN-Diode 22 im Pumpkanal zugeführt, um die Pumipenergie bei einer bequemen Pump-Impuls-Wiedtsrholrate von 6,25 bis 50 kHz zu pulsen. Dadurch ergibt sich ein Betrieb des Spektrometers 11 im Kuraieit- oder Impulsbetrieb.

Wenn das Spektrometer anfänglich in der beschriebenen Weise eingestellt ist, entspricht das freit Inc.uktionssignal, wie es im Detektor 42 detektiert wird, einer Nullstelle des Dispersions-Resonanzsignals. D'as detektierte vorübergehende freie Induktionszerfall-Resonanzsignal bleibt im Anschluß an jeden Pump-

Iflf}/ui3 UtI liitwnaiiat </. uaa ,jaiiiguiiga-i^i ii^iunjpsi-

gnal kann bequem überwacht werden, indem die schwache, nicht sättigende Beobachtungs-Mikrowdlenenergie im Beobachtungskanal verwendet wird. Die automatische Frequenzregelschaltung wirkt auf den Beobachtungsmodus derart, daß das Erholsignal reine Absorption ist.

Die Impulswiederholrate, wie sie von der Taktgeber- und Teilerschaltung 56 abgeleitet und der PIN-Diode 22 zugeführt wird, wird auf eine solche Wiederholrate eingestellt, daß die Wiederholperiode größer ais 7", ist, die Longitudinal-Relaxationszeit der Probe. Die Rechteckschwingung-Feldmodulation bei der niedrigen Frequenz von 50 Hz bewirkt abwechselnd die Erfüllung und Nichterfüllung der Resonanzbedingung für die Probe. Das Absorptions-Resonanzsignal, wie es im Detektor 42 detektiert wird, wird einem Eingang eines Vorverstärkers 78 des Empfängers 54 zur Verstärkung zugeführt und von dort über ein Hochpaßfilter 79 zu einem Impulsverstärker 81. Der Ausgang des Impulsverstärkers 81 wird einem Eingang eines Boxcar-Integrators 82 zugeführt.

Um die Impuls-Signale besser zu analysieren, ist der Boxcar-Integrator 82 vorgesehen. Der Boxcar-Integrator 82 erhöht den Fremdspannungsabstand einer sich wiederhoienden Schwingungsform dadurch, daß wiederholt ein kleiner Teil der Schwingungsform in einen Integrator gegattert wird, wobei das Gatter langsam iängs der Schwingungsform bewegt wird, im vorliegenden Falle weist der Boxcar-Integrator 82 eine PMOSFET-Einrichtung auf, um das Signal in einen aktiven Integrator zu gattern. Die Gatter- (oder öffnungs-)Impuise werden von einem Schieberegister und anderen Digitalschaltungen innerhalb der Taktgeber- und Teiler-Schaltung 56 abgeleitet. Die öffnung wird mit kleiner Geschwindigkeit um einen Betrag gleich der Öffnungsbreite fortgeschaltet, so daß die Resonanzsignale, wie sie im Schreiber 55 aufgezeichnet werden, das Aussehen einer Treppe erhalten. In einem typischen Falle können immerhin 100 Stufen vorgesehen sein, d. h. Öffnungsimpulse, wenn durch eine gegebene Schwingungsform hindurchgeschritten wird. Die minimale Öffnungszeit beträgt etwa 100 Nanosekunden.etwa genauso viel wie die Abklingzeit des bimodalen Hohlraums 12.

Die Öffnungsbreite, die Öffnungsschrittrate, die Pumpimpuls-Wiederholrate, die Pumpimpulslänge, und die SO-Hz-Rechteckschwingungsmoduiation der Beobachtungsleistung oder des Magnetfeldes werden alle vom 10-MHz-Haupt-Taktgeber 56 abgeleitet.

Diese Art einer kohärenten Zeitgabe vermeidet Probleme, die durch Schwebungen von Harmonischen der verschiedenen Frequenzen auftreten können.

Das Hochpaßfilter 79 hält niederfrequente Störungen davon ab, auf das Integratorgatter zu treffen und nach oben in die Wiederholfrequenz gewandelt zu werden. Bei der Zeitgabefolge wird die Pumpleistung mehrfach während jedes Halbzyklus der 50-Hz-Modulation ein- und ausgeschaltet.

Der Ausgang des Boxcar-Integrators 82 wird einem Eingangeines phasenempfindlicnen Detektors 83 zugeführt, wo er phasenempfindlich gegen die 50-Hz-Rechteckschwingung vom Taktgeber 56 gleichgerichtet wird. Die phasenempfindliche Gleichrichtung bei 50 Hz wird dadurch verwirklicht, daß der Integratorausgang abwechselnd mit zwei Abfrage- und HaIt'-schaltungen am Ende eines jeden Halbzyklus abgefragt wird. Nach jedem Abfragen wird der Integrator ■κ V t% t^ ψ 1 f^ f\n t% lit f\

J_nIt_n C,.K..U...,„.,.,

"6"

speisen einen Differentialverstärker, dessen Ausgang ein konventionelles RC-Filter speist, dessen Zeitkonstante etwas geringer ist als die Haltezeit für jede Stufe der Zerfallskurve des beobachteten vorübergehenden Resonanzsignals. Schließlich wird das phasenempfindlich detektierte Resonanzsignal der Y-Achse des X-Y-Schreibers 55 zugeführt. Die -Y-Achse des Schreibers 55 wird gleichlaufend mit den Schritten oder Stufen der Öffnungsverzögerung fortgeschaltet. Statt dessen kann der Ausgang des RC-Filters am Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 83 einem logarithmischen Verstärker und von dort dem Schreiber 55 zugeführt werden.

Als eine Alternative zur Feldmodulation bei der niedrigen Frequenz von 50 Hz und dem Schalten zu und von der Resonanz kann der Schalter 65 so eingestellt werden, daß die Amplitude der Beobachtungsenergie von einem ersten auf einen zweiten, erheblich niedrigeren Pegel geschaltet wird, indem die 50-Hz-Modulation auf die PIN-Diode 47 im Beobachtungskanal geschaltet wird. Diese Modulation im Resonanzsignal, wie es im Detektor 42 detektier» wird, wird dann phasenempfindiich im phasenempfindiichen Detektor 83 gleichgerichtet, um das Ausgangsresonanzsignal zu reproduzieren, wie es auf Schreiber 55 aufgezeichnet wird.

Die freien Induktionszerfallsignale, wie sie vom Pump- zum Beobachtungskanai durchgekoppelt werden, hängen nicht vom Energiepegel im Beobachtungsmodus des bimodalen Hohlraums ab, während die Sattigungserholungssägnale tatsächlich vom Energiepegel im Beobachtungsmodus abhängen. Eine phasenempfindliche Gleichrichtung des detektierten Resonanzsignals mit der 50-Hz-Modulation des Energiepegeis im Beobachtungskanai ergibt also eine Möglichkeit, das Sättigungs-Erholungssignal vom freien Induktionszerfallsignal zu trennen.

Bei dem sehr niedrigen Beobachtungsleistungspcgel wird ein freies Induktionszerfallsignal im Anschluß an einen Pumpimpuls beobachtet, während beim höheren Beobachtungsleistungspegel das detektierte Resonanzsignal die Überlagerung des freien Induktionszerfallsignals und des Sättigungs-Erholungs-Signals ist. Die phasenempfindliche Gleichrichtung im phasenempfindlichen Detektor 83 ergibt damit eine experimentelle Einrichtung, mit der die beiden Zerf aiisignale subtrahiert werden können, so daß das freie Induktionszerfallsignal ausgelöscht und nur das Sättigungs-Erholungssignal aufgezeichnet wird. Es ist not-

wendig, daß der Beobachtungs-Leistungspegel während des Hochleitungsteils des Zyklus immer noch erheblich niedriger liegt, als zur Sättigung erforderlich.

Dieses letztere Verfahren zur Trennung des Sättigungs-Erholungs-Signals vom freien Induktionszerfallsignal kann verwendet werden, ohne daß das Spektrometer anfänglich auf eine Null des Dispersionsmodus der Pumpenergie eingestellt wird, die durch Resonanz der Probe in den Beobachtungskanal gekoppelt wird. Es werden jedoch besseir Resultate erzielt, wenn beide Trennungsverfahren der Sättigungserholung von dem freien Induktionszerfall gleichzeitig verwende' werden, d. h. der Beobachtungsleistungs-

pegel wird moduliert und das Spektrometer wird auf eine Null der Dispersion des Pumpmodus und eine Spitze des Absorptionsmodus im Beobachtungskanal eingestellt.

DasdetektierteSättigungs-Erholungssi"_;nal kann in Abhängigkeit vom magnetischen Polarisationsfeld H₀ ausgegeben werden, so daß sich ein aufgezeichnetes EPR-Spektrum ergibt. Das ist nützlich, um überlappende Spektren mehrerer paramagnetischer Arten mit unterschiedlichen Spin-Gitter-Relaxationszeiten zu trennen. Bei dieser Betriebsart wird die Öffnungsverzögerung für ein gegebenes Spektrum konstant gehalten, von Spektrum zu Spektrum jedoch variiert, um die überlappenden Spektren zu trennen.

Hierzu I Hhitt Zcicliniiimen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der Elektronenspinresonanz einer Probe, bei dem

a) die Probe in ein polarisierendes Gleichmagnetfeld gebracht wird,

b) die Probe mit einem gepulsten Pumpmilirowellensignal hoher Leistung beaufschlagt wird,

c) die Probe weiter mit einem gleichfrequentem, aber orthogonal entkoppelten Beobiichtungsmikrowellensignal vergleichsweise geringer Leistung beaufschlagt wird, und

d) die Resonanz der Probe mit einem Mikrowellendetektor überwacht wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) das Pump- und das Beobachtungsmikrowellensignal von der gleichen Mikrowellenquelile abgeletiet werden,

f) das Verhältnis der Frequenz von Pump- und Beobachtungsmikrowellensignal zur Stärke des Gleichmagnetfeldes entsprechend dem gyromagnetischen Verhältnis einer zu beobachtenden Resonanzlinie der Probe gewiählt wird,

g) dem Mikrowellendetektor ein von der Mikrowellenquelle abgeleitetes BezugsmiUrowellensignal zugeführt wird, dessen Phasenlage relativ zu der des Pumpmikrowellemsignals cWart eingestellt wird, daß der Dispersionsmodus des vom Pumpmikrowellensignal angeregten und zum Detektor gekoppelten freien I-idukt'onszerfallssiginals empfangen wird,

und

h) die Phasenlage des Beobachtungsmikrowellensignals relativ zu der des Bezugsmikrowellensignals so eingestellt wird, daß der Absorptionsmodus der vom Beobachtungsmikrowellensignal angeregten Resonanz detektiert wird,

2. Verfahren zum Messen der Elektronenspinresonanz einer Probe, bei dem

a) die Probe in ein polarisierendes Gleichmagnetfeld gebracht wird,

b) die Probe mit einem gepulsten Pumpmikrowellensignal hoher Leistung beaufschlagt wird,

c) die Probe weiter mit einem gleichfrequen ten, aber orthogonal entkoppelten Beobachtungsmikrowellensignal vergleichsweise geringer Leistung beaufschlagt wird, und

d) die Resonanz der Probe mit einem Mikrowellendetektor überwacht wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

e) das Pump- und das Beobachtungsmikrow:!- lensignal von der gleichen Mikrowellenquelle abgeleitet werden,

f) die Leistung des Beobachtungsmikrowellensignals moduliert wird, und

g) die Modulatonssignalkomponente im Aiiisgangssignal des Mikrowellendetektors synchron detektiert wird.

3. Elektronenspinresonanz-Spektrometer mit a) einem Magneten zur Erzeugung eines eine

zu untersuchende Probe polarisierenden Gleichfeldes,

b) einem bimodalen Hohlraumresonator, in dem die Probe innerhalb eines zwei Moden gleicher Frequenz führenden Bereichs angeordnet ist,

c) Einrichtungen zur Erzeugung eines gepulsten Pumpmikrowellensignals hoher Leistung sowie eines gleichfrequenten Beobachtungsmikiowellensignals vergleichsweise geringer Leistung,

d) einem das Pumpmikrowellensignal dem Hohlraumresonator zuführenden Pumpsignalkanal sowie einem das Beobachtungsmikrowellensignal dem Hohlraumresonator zuführenden Beobachtungssignalkanal,

e) einem Mikrowellendetektor im Beobachtungssignalkanal, und

f) einer an den Mikrowellendetektor angeschlossenen Signalverarbeitungsschaitung,

dadurch gekennzeichnet, daß

g) die Einrichtungen zur Erzeugung des Pump- und des Beobachtursgsmikroweüensignals eine einzige Mikrowellenquelle (13) umfassen,

h) Mittel zur Einstellung des Verhältnisses der Frequenz der MikrowellenqueUe zur Stärke des polarisierenden Gleichfeldes vorgesehen sind,

i) ein die MikrowellenqueUe (13) mit dem Mikrowellendetektor (42) verbindender Bezugsmikrowellensignalkanal (43) vorgesehen ist, und

j) in zweien der drei Mikrowellensignalkanäle (14,15,43) jeweils ein einstellbarer Phasenschieber (27, 46) angeordnet ist.

4. Elektronenspinresonanz-Spektrometer mit

a) einem Magneten zur Erzeugung eines eine zu untersuchende Probe polarisierenden Gleichfeldes,

c) Einrichtungen zur Erzeugung eines gepulsten Pumpmikrowellensignals hoher Leistung sowie eines gleichfrequenten Beobachtungsmikrowellensignals vergleichsweise geringer Leistung,

e) einem Mikrowellendetektor im Beobachtungssignalkanal, und

f) einer an den Mikrowellendetektor angeschlossenen Signalverarbeitungsschaltung,

dadurch gekennzeichnet, daß

g) die Einrichtungen zur Erzeugung des Pump- und des Beobachtungsmikrowellensignals eine einzige MikrowellenqueUe (13) umfassen,

h) im Beobachtungssignalkanal ein Modulator (47) zur Umtastung der Leistung des Beobachtungsmikrowellensignals zwischen zwei jeweils nicht sättigenden Pegeln angeordnet ist, und

i) in der Signalverarbeitungsschaltung (54) eine Differenzbildungseinrichtung (82, 83) zur

Subtraktion der bei den beiden Pegeln jeweils detektierten Resonanzsignale enthalten ist.

5. Spektrometer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (26, 45,48) zur variablen Einstellung der relativen Amplituden von Pumpmikrowellensignal und Beobachtungsmikrowellensignal vorgesehen sind.