DE3022481A1

DE3022481A1 - Probenkopf fuer elektronenspinresonanz- und paramagnetische elektronenresonanz-messungen

Info

Publication number: DE3022481A1
Application number: DE19803022481
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. 7500 Karlsruhe Biehl; Dieter Dr. 7501 Marxzell Schmalbein
Original assignee: Bruker Analytische Messtechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1980-06-14
Filing date: 1980-06-14
Publication date: 1981-12-24
Also published as: DE3022481C2; JPS5724849A; US4399406A

Description

Anmelderin; Stuttgart, 2.Juni 19Ö0

Bruker-Analytische Meßtechnik GmbH JP 3Ö7Ü 3/Zr

Silberstreifen

7512 Rheinstetten-Forchheim

Vertreter:

Kohler - Schwindling - Späth
Patentanwälte
Hohentviielstraße J4I
7000 Stuttgart 1

Probenkopf für Elektronenspinresonanz- und paramagnetisch^ Elektronenresonanz-Messungen

Die Erfindung betrifft einen Probenkopf für Elektronenspinresonanz- und paramagnetische Elektronenrtaonanz-Messungen mit eitlem kreiszylindrischen Resonator, der zur Aufnahme eines koaxial angeordneten Probenrohres eingerichtet ist, und mit einer an den Resonator angekoppelten Hohlleiteranordriung zum Anregen der H₀-,-Welle im Resonator, die einen mit seinem Ende an eine Stirnwand des Resonators anschließenden und mit dem Resonator über eire in der Stirnwand ange-

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ordnete Öffnung in Verbindung stehenden Hohlleiterabschnitt umfaßt.

Die Spektrometer, die für Elektronenspinresonanz- und paramagnetische Elektronenresonanz-Messungen eingerichtet sind, arbeiten bei Frequenzen über 2It-GHz und sind für kontiniierlichen Betrieb als Reflexions-Spektrometer ausgebildet. Dabei bildet der auf Resonanz abgestimmte Resonator einen Abschlußwiderstand, der an den Wellenwiderstand der Hohlleiteranordnung möglichst gut angepaßt wird. Hat die in den Resonator eingeführte Probe bei der Frequenz des zugeführten HF-Signals eine Elektronenspinresonanz oder eine paramagnetische Elektronenresonanz, absorbiert die Probe Energie, wodurch der Widerstand des Resonators verändert und die Anpassung an den Wellenwiderstand der Hohlleiteranordnung gestört wird. Dadurch entsteht eine Fehlanpassung, die eine Reflexion des HF-Signals am Resonator zur Folge hat. Diese Reflexionen werden zur Feststellung der Resonanzen gemessen.

Der Betrieb eines solchen Spektrometers machte es daher erforderlich, nicht nur den Resonator mit eingeführter Probe auf die Frequenz des zur Anregung benutzten HF-Signals abzustimmen, sondern auch den Widerstand unter den jeweils herrschenden Bedingungen bestmöglich an die Hohlleiteranordnung anzupassen. Dabei ist der Widerstand des auf Resonanz abgestimmten Hohlraumresonators nicht nur von den Verlusten der nicht in Resonanz befindlichen Probe abhängig, sondern auch von der Betriebstemperatur des Resonators, weil die Leitfähigkeit des Resonators und damit dessen Güte temperaturabhängig ist. ua solche Resonanzmessungen in einem Temperaturbereich von etwa Ij. bis 35OK vorgenommen werden, kann der Widerstand des abgestimmten Resonators erheblichen änderungen unterliegen. Dabei besteht insbesondere ein Bedarf

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dafür, eine genaue ..npassung der Resonatorimpedanz auch bei tiefen Temperaturen vornehmen zu können.

Bei den bisher bekannten Irobenköpfen war der an die Stirnwand anschließende Hohlleiter mit dem Resonator über eine kreisrunde Bohrung gekoppelt, in die ein kegelförmiger Zapfen aus einem dielektrischen Material von der Hohlleiterseite her eintauchte. In diesen Zapfen war noch ein Metallstift koaxial eingebettet, der eine Art antenne bildete. Der Kegel war in dem Hohlleiterabschnitt in dessen Längsrichtung verschiebbar angeordnet, so daß durch Verschieben des Zapfens mit der Antenne der Kopplungsgrad verändert werden konnte. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß diese Kopplungsanordnung nicht von störenden Blindwiderständen frei ist, welche eine vollständige Anpassung des Resonatorwiderstandes verhindern, und daß außerdem das unmittelbar am Resonator liegende Abstimmglied nicht ohne weiteres von Außen zugänglich ist, so daß insbesondere bei Tiefsttemperaturen ein Anpassen des Resonatorwiderstandes an die Hohlleiteranordnung nicht mehr möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Probenkopf der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine Anpassung des Resonatorwiderstandes an den Wellenwiderstand der Hohlleiteranordnung für einen sehr großen Bereich verschiedener Resonatorwiderstände möglich ist und die Einstellung auch dann vorgenommen werden kann, wenn der Resonator mit der Probe bis auf Tiefsttemperaturen abgekühlt ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Hohlleiterabschnitt einen kreisrunden (Querschnitt aufweist, die H,.-welle führt und mit dem Resonator über einen

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Koppelschlitz in Verbindung steht, der in Bezug auf den Resonator exzentrisch angeordnet und dessen Winkellage in Bezug auf den durch seine Mitte gehenden Radius des Resonators veränderbar ist.

Da die magnetischen Feldlinien der H_n..-welle radial verlaufen, besteht eine maximale Ankopplung zwischen dem Hohlleiterabschnitt und dem Resonator, wenn der Koppelschlitz ebenfalls radial gerichtet ist. Ist dagegen der Koppelschlitz senkrecht zu den radialen magnetischen Feldlinien gerichtet, ist die Kopplung zwischen Hohlleiterabschnitt und Resonator minimal. Es lassen sich daher durch Drehen des Koppelschlitzes stark unterschiedliche Kopplungsfaktoren einstellen, die eine Anpassung in einem sehr weiten Bereich gewährleisten. Eine drehbare Blende, welche die Lageänderung des Koppelschlitzes ermöglicht, läßt sich auf einfache Weise realisieren und mit einem Antrieb versehen, der ohne weiteres, beispielsweise mittels einer einfachen Antriebswelle, aus einem gekühlten Bereich herausführbar ist, so daß die Verstellung auch dann erfolgen kann, wenn sich der Probenkopf in einer gekühlten Umgebung befindet. Weiterhin ist die Verstellung der Lage des Koppelschlitzes und damit die Anpassung des Resonators auch jederzeit während des laufenden Betriebes möglich, so daß Justierungen zu jeder Zeit vorgenommen und die Anpassung zu jeder Zeit korrigiert werden kann.

Der Koppelschlitz wird vorzugsweise in Bezug auf den Resonator an einer Stelle angeordnet, an der in der Stirnwand des Resonators die größte Stromdichte herrscht, im dieser Stelle wird bei gegebenen Dimensionen des Koppelschlitzes die stärkste Ankopplung sowie auch die größte Variation der Ankopplung erzielt.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsf orin der Erfindung ist der Koppelschlitz symmetrisch zur Achse des die H. -Welle führenden Hohlleiterabschnittes in einem mit diesem hohlleiterabschnitt verbundenen Wandabschnitt angeordnet und der Hohlleiterabschnitt um seine Achse gegenüber dem Resonator verdrehbar. Eine solche Anordnung ist für den mechanischen aufbau des Probenkopfes besonders günstig, weil der im Querschnitt kreisrunde Hohlleiterabschnitt gute Möglichkeiten zur drehbaren Lagerung bietet und außerdem der mit diesem Hohlleiter verbundene Wandabschnitt, der einen Teil der Stirnwand des Resonators bildet, mit den angrenzenden Wandabschnitten des Resonators keinen elektrischen Kontakt zu haben braucht, weil bei der im Resonator herrschenden H^₁₁-WeIIe nur zur Resonatorachse konzentrische, ringförmige Ströme fließen. Daher ist es insbesondere möglich, daß der zugleich die Stirnwand des Resonators bildende wandabschnitt von einer dielektrischen Platte gebildet wird, die auf der dem Hohlleiterabschnitt zugewandten Seite mit einer dünnen Metallschicht versehen ist. Da diese dielektrische Platte mit dem Hohlleiterabschnitt fest verbunden ist, kann auch die Metallschicht mit der Wandung dieses Hohlleiterabschnittes elektrisch leitend verbunden sein. Dagegen sitzt der Mantel des Resonators auf der unbeschichteten Seite der dielektrischen Platte auf. Der dadurch entstehende Spalt am Ende des Resonators hat aus den oben dargelegten Gründen keinen Einfluß. Auch stört das dielektrische Material der Platte an dieser Stelle im Resonator nicht, weil hier die Stärke des elektrischen Feldes gegen WuIl geht. Zugleich bietet diese Ausführungsform die Möglichkeit, für die dielektrische Platte ein Material mit guten Gleiteigenschaften zu wählen, das der Relativbewegung zwischen Resonator und Platte beim Verdrehen oes Kopplungsspaltes keinen nennenswerten Widerstand entgegensetzt. Vorzugsweise kann

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die Platte aus glasfaserverstärktem Polytetrafluorethylen bestehen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Hohlleiterabschnitt mittels eines H₁₀-H .-Übergangsstückes mit einem gleichachsig angeordneten Rechteckhohlleiter verbunden sein. Ist der die H₁-Welle führende Hohlleiterabschnitt in der oben angegebenen Weise drehbar, so kann er auch gegenüber dem Ende des H --H₁₁-Übergangstückes drehbar sein. In jedem Fall wird die Polarisation der H -Welle in dem Hohlleiterabschnitt durch die Ausrichtung des Rechteckhohlleiters bestimmt, bei dem die magnetischen Feldlinien parallel zu dessen Breitseite verlaufen. Die Verdrehung des Koppelschlitzes, gegebenenfalls zusammen mit der Verdrehung des Hohlleiterabschnittes, hat auf die Polarisation der H₁₁-WeIIe in diesem Hohlleiterabschnitt keinen Einfluß. Demgemäß wird durch das Verdrehen des Koppelschlitzes auch die Ankopplung an die H -Welle geändert. Damit bei maximaler Ankopplung an den Resonator auch eine maximale Ankopplung an die H₁₁-WeIIe stattfindet, ist es vorteilhaft, wenn die Breitseiten des Rechteckhohlleiters zu der Radialebene des Resonators parallel verlaufen, in der sich der Mittelpunkt des Koppelschlitzes befindet.

Um eine spielfreie Lagerung der gegeneinander verdrehbaren Komponenten des Probenkopfes in dem sehr großen Bereich der möglichen Betriebstemperaturen zu gewährleisten, sind bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung diese gegeneinander verdrehbaren Komponenten in Axialrichtung federnd aneinandergepreßt.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der

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Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels. Die der Zeichnung und der Beschreibung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Probenkopfes nach der Erfindung und

Fig. 2 bis Ij. Darstellungen der Feldverteilungen in den einzelnen Komponenten des Probenkopfes nach Fig.1.

Der in Fig. 1 dargestellte Probenkopf umfaßt einen Resonator 1 mit kreiszylindrischem Querschnitt, dessen obere Stirnfläche 2 eine zentrale Bohrung 3 _zum Einführen eines Probengefäßes l± aufweist. Die obere Stirnfläche 2 des Resonators 1 kann in an sich bekannter und nicht näher dargestellter Weise von einem zur FrequenzabStimmung dienenden Stempel gebildet werden.

Nach unten ist der Resonator 1 durch eine dielektrische Platte 5 abgeschlossen, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus glasfaserverstärktem Polytetrafluoräthylen besteht und eine Dicke von etwa 0,2 mm aufweist. Diese Platte ist an ihrer dem Resonator 1 abgewandten Seite mit einer Metallschicht 6 versehen, deren Dicke etwa 0,02 mm betragen kann. An der Unterseite der dielektrischen Platte5 ist ein Hohlleiterabschnitt 7 mit zylindrischem Querschnitt befestigt, der mit der Metallschicht 6 an der Unterseite der Platte 5 in elektrisch leitender Verbindung steht. Die Platte 5 und der Hohlleiterabschnitt 7 sind konzentrisch zueinander angeordnet. In einer zum Hohlleiterabschnitt 7 konzentrischen Lage weist die Metallschicht 6 der Platte 5

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eine Durchbrechung in p'orm eines Koppelschlitzes 8 auf. ule achse 9 des Hohlleiterabschnittes ist gegenüber der Achse 10 des Resonators 1 so weit versetzt, daß die Achse 9 den Resonator 1 an einer Stelle durchdringt, an der der Strom in den Stirnwänden des Resonators 1 die größte Dichte besitzt^Der Hohlleiterabschnitt 7 wird von einem Rechteckhohlleiter 11 gespeist. Zwischen dem ftechteckhohlleiter 11 und dem im Querschnitt kreisrunden Hohlleiterabschnitt 7 befindet sich ein Übergangsstück 12. Der Hohlleiterabschnitt 7 ist gegenüber dem angrenzenden, im querschnitt kreisrunden Ende des Übergangsstückes 12 drehbar. Der Rechteckhohlleiter 11 mit dem anschließenden Übergangsstück 12 ist in seiner Axialrichtung in gewissen Grenzen beweglich. Das Übergangsstück 12 wird an seinem Ende von einer Brücke 13 gehalten, die sich ihrerseits über Schraubendruckfedern 1ij. an festen Widerlagern 15 abstützt. Auf diese Weise wird das Übergangsstück federnd gegen den drehbaren Hohlleiterabschnitt 7 und dieser federnd mit seiner Platte 5 gegen den Resonator 1 gepreßt. Damit ist eine spielfreie Lagerung der gegeneinander beweglichen Komponenten des Probenkopfes gewährleistet, ohne daß infolge von temperaturbedingten Dimensionsänderungen ein Verklemmen der Komponenten zu befürchten wäre. Zum Verdrehen des Hohlleiterabschnittes 7 mit der Platte 5 kann der Hohlleiterabschnitt oder die Platte mit einem Zahnkranz versehen sein, in den ein auf eine Antriebswelle angeordnetes Ritzel eingreift. In dieser Hinsicht bestehen viele Möglichkeiten zur Ausbildung eines geeigneten Antriebes, so daß bei der schematischen Wiedergabe des Probenkopfes in Fig. 1 auf die Darstellung solcher Einrichtungen verzichtet wurde.

Im Betrieb wird im Rechteckhohlleiter 11 eine H --Welle angeregt, deren Feldlinien in Fig. 2 schematisch dargestellt

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sind. Die gestrichelten Linien veranschaulichen den Verlauf des magnetischen Feldes, während die durchgehenden Linien den Verlauf des elektrischen Feldes angeben. Die Pfeilspitzen bezeichnen jeweils den Richtungssinn des Feldes. Die H₁₀-WeIIe wird vom Übergangsstück 12 in die H..-Welle transformiert, deren Feldverteilung in Fig. 3 veranschaulicht ist. Wie ersichtlich, ist die Feldverteilung der H₁₁-WeIIe im kreisrunden Hohlleiter der Feldverteilung der H_1n-WeIIe im Rechteckhohlleiter im wesentlichen gleich. Insbesondere hat die H₁₁-WeIIe im kreisrunden Hohlleiter eine Polarisation, welche zu den Breitseiten des Rechteckhohlleiters 11 parallel verläuft. Der Rechteckhohlleiter 11 ist so angeordnet, daß die Polarisationsebene der H₁₁-VVeIIe mit der Radialebene 16 des Resonators 1 zusammenfällt, in der sich die Achse 9 des Rechteckhohlleiters 11 und des kreisrunden Hohlleiterabschnittes 7 befindet.

In Fig. 1 nimmt der Koppelschlitz 8 eine Stellung ein, in der seine Längsachse mit der genannten Radialebene 16 und damit mit der Polarisationsebene der H₁₁-WeIIe zusammenfällt. Infolgedessen ist eine maximale Kopplung zu dieser Welle vorhanden. Der Resonator 1 ist so ausgebildet, daß er bei der gewählten Betriebsfrequenz für die H₁-WeIIe in Resonanz ist. Wie Fig. \\ zeigt, hat die H₁₁₁-WeIIe ein radial verlaufendes magnetisches Feld, mit dem der Koppelschlitz 8 in der gezeichneten Stellung ebenfalls maximal koppelt. Infolgedessen ist in diesem Fall eine maximale Kopplung k₁ zwischen dem flohlleiterabschnitt 7 und dem Resonator 1 vorhanden. Wird durch Drehen des Hohlleiterabschnittes 7 mit der Platte 5 der Koppelschlitz 8 um die Achse 9 verdreht, so bildet er sowohl mit dem Feld der H₁₁-WeIIe im Hohlleiterabschnitt 7 als auch mit den radialen Feldlinien der H -Welle im Resonator 1 einen Winkel 0. Je größer dieser

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Winkel 0 ist, um so mehr nimmt die Kopplung ab, bis nach einer Drehung um 90°, wenn also die Längsrichtung des Koppelschlitzes 8 zur Radialebene 16 senkrecht steht, nur noch eine Restkopplung k„ vorhanden ist. u& die den Resonator 1 vom Hohlleiterabschnitt 7 trennende Metallschicht 6 sehr dünn ist, kann ihr Einfluß vernachlässigt werden, so daß die für Koppelschlitze in unendlich dünnen Flatten geltende Beziehung für die Kopplung k anwendbar ist:

ρ
k = k^ + k.. cos '0.

Demgemäß ist die Kopplungsstärke von dem Winkel 0 zwischen der Ausrichtung des Koppelschlitzes und der durch seine Mitte gehenden Radialebene abhängig. Der Dynamikumfang ist

definiert als , ,

η 1 " 0
D - —τ- .

Bei einem experimentellen Probenkopf nach der Erfindung konnte ein Dynamikumfang D von etwa JjOO erzielt werden. In diesem extrem großen Bereich ist die Kopplung k mit großer Genauigkeit reproduzierbar auf beliebige Werte einstellbar, weil die oben erwähnte strenge Abhängigkeit der Kopplung von dem Winkel 0 der Stellung des Koppelschlitzes besteht. Die Werte k~ und k. lassen sich durch eine Eichung für 0=0° und 0 = 90° bestimmen. Der Wert von k» hängt im wesentlichen nur vom Längen/Breitenverhältnis des Koppelschlitzes ab.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines lediglich schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Dabei wurde auf die Wiedergabe von Einzelheiten des konstruk tiven Aufbaues verzichtet, weil dem Durchschnittsfachmann hierf'ir viele Möglichkeiten zur Verfügung stehen. Dies gilt sowohl für die Lagerung und den Antrieb der beweglichen Teile als auch für die Anordnung von Federn zum Aneinanderpressen der einzelnen Komponenten. Beispielsweise könnte

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anstelle der beiden schematisch dargestellten oohraubendruckfedern II4. eine einzige, die Hohlleiteranordnung umgebende Schraubendruckfeder verwendet werden, weiterhin wäre es möglich, den Hohlleiterabschnitt 7 niit einer im Boden des Resonators 1 drehbaren ßndwand zu versehen, auch wenn dann für einen einwandfreien Kontakt zwischen dieser Endplatte und dem restlichen Teil des Bodens des Resonators gesorgt werden müsste. Die beschriebene anordnung hat den Vorteil, daß die H_n-.-Welle im Kesonator 1 k^ine Ströme besitzt, die von der Mantelfläche auf die Stirnflächen übergehen, so daß ein Kontakt zwischen den Mantelflächen und den Stirnflächen des Resonators nicht erforderlich ist und die die Stirnfläche des Resonators 1 bildende Metallschicht 6 von der Zylinderwand des Resonators 1 getrennt sein kann.

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Claims

Patentansprüche

1./Probenkopf für Elektronenspinresonanz- und paramagneti- ^v—^ sehe Elektronenresonanz-Messungen mit einem kreiszylindrischen Resonator, der zur Aufnahme eines koaxial angeordneten Probenrohres eingerichtet ist, und mit einer an den Resonator angekoppelten Hohlleiteranordnung zum Anregen der H₀₁₁-WeIIe im Resonator, die einen mit seinem Ende an eine Stirnwand des Resonators anschließenden und mit dem Resonator über eine in der Stirnwand angeordnete Öffnung in Verbindung stehenden Hohlleiterabschnitt umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiterabschnitt

(7) einen kreisrunden Querschnitt aufweist, die H₁₁-WeIIe führt und mit dem Resonator (1) über einen Koppelschlitz

(8) in Verbindung steht, der in Bezug auf den Resonator (1) exzentrisch angeordnet und dessen Winkellage (0) im Bezug auf die durch seine Mitte gehende Radialebene (16) des Resonators veränderbar ist.

2. Probenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelschlitz (8) im Bezug auf den Resonator (1) an einer Stelle angeordnet ist, an der in der Stirnwand des Resonators die größte Stromdichte herrscht.

3. Probenkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelschlitz (8) symmetrisch zur Achse (9) des die H₁₁-WeIIe führenden Hohlleiterabschnittes (7) in einem mit diesem Hohlleiterabschnitt verbundenen Wandabschnitt angeordnet und der Hohlleiterabschnitt (7) um seine Achse (9) gegenüber dem Resonator (1) verdrehbar ist.

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Ii. Probenkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zugleich die Stirnwand des Resonators (1) bildende Wandabschnitt von einer dielektrischen Platte (5) gebildet wird, die auf der dem Hohllexterabschnitt (7) zugewandten Seite mit einer dünnen Metallschicht (6) versehen ist.

5. Probenkopf nach Anspruch J+, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (5) aus glasfaserverstärktem Polytetrafluorethylen besteht.

6. Probenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohllexterabschnitt (7) mittels eines H._Q-H.-Übergangsstückes (12) mit einem gleichachsig angeordneten Rechteckhohlleiter (11) verbunden ist.

7. Probenkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breitseiten des Rechteckhohlleiters (11) zu der Radialebene (16) des Resonators (1) parallel verlaufen, in der sich die Achse (9) des Rechteckhohlleiters und des Hohlleiterabschnittes (7) mit kreisrundem Querschnitt befindet.

8. Probenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine gegeneinander verdrehbaren Komponenten (12, 7» 1) in Axialrichtung federnd aneinandergepreßt sind.

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