DE3300766A1

DE3300766A1 - Koppelanordnung fuer einen hohlraumresonator

Info

Publication number: DE3300766A1
Application number: DE3300766A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. 7500 Karlsruhe Biehl; Günther Prof. Dipl.-Phys. Dr. 7512 Rheinstetten Laukien; Dieter Dr. 7501 Marxzell Schmalbein
Original assignee: Bruker Analytische Messtechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1983-01-12
Filing date: 1983-01-12
Publication date: 1984-07-12
Also published as: DE3300766C2; US4551694A; JPH0260081B2; JPS59172802A; GB8400418D0; GB2134721A; GB2134721B

Description

J JUU /DO

Anmelderin: Stuttgart, den 13.12.1982

Bruker Analytische P 4295 W/Lö Meßtechnik GmbH

Silberstreifen

7512 Rheinstetten-Forchheim

Vertreter:

Kohler - Schwindling - Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 4-1

7OOO Stuttgart 1

Koppelanordnung für einen Hohlraumresonator

Die Erfindung geht aus von einer Koppelanordnung für einen Hohlraumresonator, insbesondere zur Messung Magnetischer Resonanz an einer im Hohlraumresonator angeordneten Probe, wobei dem Hohlraumresonator ein Hochfrequenzsignal zugeführt und in den Hohlraumresonator mittels einer Schleife zum Anregen eines Schwingungsmodus eingekoppelt wird.

In der analytischen Meßtechnik ist es bekannt, zur Ermittlung von Stoffeigenschaften von Proben in den Proben magnetische Dipolübergänge zu induzieren. Hierzu werden Verfahren verwendet, die unter dem Begriff Magnetische Resonanz zusammengefaßt werden und beispielsweise als magnetische Kernresonanz oder Elektronenspinresonanz bezeichnet werden. Bei der Elektronenspinresonanz wird die Probe dabei gleichzeitig einem hochfrequenten Magnetfeld

- üblicherweise im Mikrowellenbereich - und einem Konstantmagnetfeld - üblicherweise im Bereich einiger Tesla

- ausgesetzt. Bei entsprechendem Verhältnis der Frequenz des hochfrequenten Magnetfeldes zu der Intensität des Konstantmagnetfeldes werden in der Probe magnetische Dipolübergänge erzeugt, die Rückschlüsse auf die Struktur der zu untersuchenden Probe zulassen.

Üblicherweise werden die Proben hierzu in einen Hohlraumresonator an einer Stelle eingeführt, an der die magnetischen Feldlinien H eine maximale Intensität aufweisen, während die elektrischen Feldlinien minimal sind. Tritt nun die vorstehend beschriebene Elektronenspinresonanz ein, manifestiert sich dies in einer Änderung der komplexen Suszeptibilität der Probe, die bei abgestimmtem Resonator zu einer Änderung der Güte bzw. der Eigenfrequenz führt, da sich die komplexe Belastung des Resonators durch die Probe ändert.

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Will man nacheinander unterschiedliche Proben messen, die eine unterschiedliche Grundsuszeptibilität aufweisen, beispielsweise einerseits Pestkörper und andererseits flüssige Proben, muß der Resonator entsprechend nachgestimmt werden, da diese unterschiedlichen Proben eine sehr unterschiedliche Belastung des Resonators bedeuten.

Diese Änderung kann beispielsweise dadurch vorgenommen werden, daß die Ankopplung des Hochfrequenzsignales variiert wird. Wird das Hochfrequenzsignal beispielsweise über einen Hohlleiter und eine Irisblende im Resonator zugeführt, kann die Nachstimmung des Resonators dadurch erfolgen, daß die wirksame Irisfläche durch eine geeignete leitfähige Schraube verändert wird.

Es ist jedoch auch bekannt, die Ankopplung des Resonators über eine Schleife vorzunehmen, die so angeordnet ist, daß sie einen Teil der magnetischen Feldlinien im Hohlraumresonator umschließt. Wird beispielsweise ein zylindrischer Hohlraumresonator vom H₀^ -Schwingungstyp verwendet, bei dem sich die magnetischen Feldlinien in axialer Richtung längs der Resonatorachse sowie der Mantelfläche ausbreiten und in radialer Richtung über die Deckflächen des zylindrischen Resonators schließen, kann die Schleife in einem Resonatordeckelteil angeordnet sein, wobei sie sich längs eines Kreissegmentes oder Kreissektors im Abstand von der Resonatorachse in diesen hinein erstreckt und somit einen Teil der magnetischen Feldlinien umschließt.

BAD

Während jedoch bei der oben beschriebenen Ankopplung über eine Irisblende mit veränderlichem Querschnitt eine Anpassung an unterschiedliche Proben relativ einfach möglich ist, ist dies bei den genannten Schleifenanordnungen nicht möglich, weil die Schleife einerseits in einem zuführenden Hohlleiter oder einem Koaxialkabel und andererseits in der Resonatorwand mündet.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Koppelanordnung für einen derartigen Hohlraumresonator zu schaffen, bei der eine Kopplung über eine Schleife möglich ist, gleichzeitig jedoch eine Anpassung des Resonators an sehr unterschiedliche Belastungen durch unterschiedliche Proben problemlos möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel zum mechanischen Verstellen der Schleife vorgesehen sind.

Auf diese Weise ist es mit Vorteil möglich, Koppelanordnungen mit Schleifen zu verwenden, wie sie für einige Schwingungstypen bzw. Resonatorformen.vorteilhaft sind, wobei jedoch gleichzeitig eine Abstimmung des Resonators nur mit der Schleife an unterschiedliche Proben möglich ist, die eine unterschiedliche Grundbelastung des Resonators darstellen, insbesondere dann, wenn zum einen Festkörper und zum anderen flüssige Proben verwendet werden, die den Resonator wesentlich stärker belasten.

ο ο uu / ου

χ.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird dabei die Schleife kapazitiv mit dem Resonatorgehäuse gekoppelt. Auf diese Weise kann eine noch bessere Kopplung des Resonators an die zuführende Hochfrequenzleitung erzielt werden, so daß der Resonator bei gleicher Leistung der Hochfrequenzquelle mit höherer Intensität des hochfrequenten Magnetfeldes betrieben werden kann.

Gestaltet man in weiterer Ausbildung der Erfindung auch diese kapazitive Kopplung verstellbar, kann eine vollkommene Anpassung des Resonators an die zuführende Hochfrequenzleitung erzielt werden, so daß das Stehwellenverhältnis auf der zuführenden Leitung minimiert und damit die Leistungsausbeute der Hochfrequenzquelle maximiert wird.

Von besonderem Vorteil ist dabei, wenn die mechanische Verstellung der Schleife und die Verstellung der kapazitiven Kopplung durch eine gemeinsame Verstellung erreicht wird. Dies bedeutet eine erhebliche Vereinfachung der Anpassung des Resonators bei unterschiedlichen Proben und eine optimale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Hochfrequenzleistung.

Bei gleichsinniger Veränderung der Verstellung der Induktivität der Schleife und der Kapazität der Ankopplung kann ein weiter Bereich von Belastungen des Resonators durch unterschiedliche Proben kompensiert werden.

BAD ORIGINAL

Eine besonders einfache mechanische Verstellung der Schleife ist dadurch möglich, daß die von der zuführenden Hochfrequenzleitung kommende Schleife in einen Schleifenhalter mündet, der - vorzugsweise über eine Schraube - verstellbar ist.

Gestaltet man die Schraube dabei aus einem Kunststoff, wobei der Schleifenhalter in die Schraube mündet und läßt man die Schraube in der metallischen Abdeckung des Resonators laufen, wird hierdurch die kapazitive Ankopplung auf besonders einfache Weise realisiert.

Eine besonders gute Wirkung wird dabei dadurch erzielt, daß das Außengewinde der Kunststoffschraube und das Innengewinde der Schraube, in dem der Schleifenhalter läuft, eine unterschiedliche Steigung aufweisen, so daß .bei Verdrehen der Schraube eine Relativbewegung von Schraube und Schleifenhalter eintritt, die einmal zu, einer Veränderung der kapazitiven Ankopplung und zum anderen zu einer mechanischen Verstellung der Schleife führt.

Umgibt man die Kunststoffschraube mit einer elektrisch leitfähigen Hülse, die ihrerseits auch justierbar im Resonatorgehäuse angeordnet ist, läßt sich auch eine Grundeinstellung der erfindungsgemäßen Koppelanordnung vornehmen, so daß ein noch weiterer Bereich von unterschiedlichen Proben abgestimmt werden kann.

υ υ / υ υ

40.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung sowie der beigefügten Zeichnung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht mit Teilschnitt auf

einen zylindrischen Hohlraumresonator mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Koppelanordnung;

Fig. 2 einen zur !Darstellung gemäß Fig. 1 senkrechten Schnitt durch die dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Koppelanordnung;

Fig. 3 ^eiⁿ elektrisches Ersatzschaltbild für

die erfindungsgemäß verwendete Koppelanordnung.

In Fig. 1 ist 10 ein zylindrischer Hohlraumresonator für Elektronenspinresonanz-Messungen. An einem Deckelteil des Hohlraumresonators 10 ist eine Schraubkappe 11 ersichtlich, mit der Proben 17 über ein nicht sichtbares Futter in der Resonatorachse gehalten werden. Das Hochfrequenzsignal wird dem Resonator 10 über ein Koaxialkabel 12 zugeführt, das über einen Innenleiter 13 verfügt. Der

_BP,o owe»«-

Λ/.

Innenleiter 13 geht in eine Schleife 14· über, die ihrerseits in einen Schleifenhalter 15 ausläuft. Der Schleifenhalter 15 ist über eine Schraube 16 axial verstellbar ausgebildet.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel wird der Hohlraumresonator 10 mit einem Hq^^-Schwingungstyp angeregt, bei dem die magnetischen Feldlinien in der Resonatorachse verlaufen, von dort in radialer Richtung über ein Deckelteil, in der Nähe der Mantelfläche des Resonators 10 wieder in axialer Richtung, um sich dann über das andere Deckelteil in radialer Richtung wieder zur Resonatorachse zu schließen. Die Probe 17 befindet sich dabei in der Resonatorachse und damit in Maximum der magnetischen Feldlinien. Zur Ankopplung des Hochfrequenzsignales aus dem Koaxialkabel 12 ist die Schleife 14 daher entlang . eines kreisbogenförmigen Sektors in einem Deckelteil des Resonators 10 angeordnet, so daß sie einen Teil der magnetischen Feldlinien des Resonators bei dem erwähnten Hq_x,y,-Schwingungstyp umfaßt. Bei einer Draufsicht auf denin Fig. 1 dargestellten Resonator wurden sich daher die Zuführung des Koaxialkabels 12 und der Schleifenhalter auf einem gemeinsamen Umfange befinden.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Koppelanordnung im einzelnen dargestellt. Ein Abschlußteil 20 weist in seinem unteren Bereich eine Resonatorkappe 21, die die Deckfläche des Resonators bildet, auf. Das Abschlußteil 20 ist mit einer Probenöffnung 22 durchdrungen, auf die

ο ο υ

die in Fig. 1 dargestellte Schraubkappe 11 aufschraubbar ist. Auf einer geneigten Fläche, die in das Abschlußteil 20 eingefräst ist, sitzt eine Klemmfaust 24 und ist dort, beispielsweise durch Verschrauben, befestigt. Quer zur Achse der Klemmfaust 24 ist diese mit einer Schraube versehen. In der Achse der Klemmfaust 24 gleitet eine metallische Hülse 28, die mit einem Innengewinde 27 versehen ist. Im Innengewinde 27 läuft die aus Kunststoff bestehende Schraube 16. Die Schraube 16 ist mit einer axialen Sackbohrung 29 versehen, die ihrerseits über ein Innengewinde 31 verfügt. In dem Innengewinde 31 läuft der mit einem entsprechenden Außengewinde versehene Schleifenhalter 15.

Wie man aus Fig. 2 erkennt, wird durch die aus Kunststoff bestehende Schraube 16 eine kapazitive Ankopplung des Schleifenhalters 15 an das metallene Abschlußteil 20 des Resonators 10 dargestellt. Je nach Eintauchtiefe des einschraubbaren Abschnittes des Schleifenhalters 15 in die Kunststoffschraube 16 bzw. die diese umgebende metallische Hülse 28 entsteht eine Kondensatoranordnung mit dem Schleifenhalter 15 als Innen- und der Hülse als Außenelektrode, wobei die Kunststoffschraube 16 als Dielektrikum wirkt.

Die beiden Gewinde 27 und 31 sind erfindungsgemäß mit unterschiedlicher Steigung ausgestattet, wobei vorzugsweise das Gewinde 31 eine kleinere Steigung hat als das Gewinde 27. Dreht man nun die Kunststoffschraube 26 mit

BAD

- to -

einem geeigneten Instrument, verschiebt sich diese relativ zur Hülse 28 und gleichzeitig erfolgt eine Relativbewegung zwischen Schleifenhalter 15 und Hülse 28, weil der Schleifenhalter 15 an seinem unteren Ende von der insoweit raumfesten Schleife 14- derart gehalten wird, daß eine Drehung des.Schleifenhalters 15 um seine Längsachse nicht möglich ist. Demzufolge kann der Schleifenhalter 15 sich nur in axialer Richtung bewegen, wodurch, wie man aus Pig. 1 und 2 erkennt, die in das Resonatorinnere tauchende Fläche der Schleife 14 verändert wird. Da sich gleichzeitig die Stellung der Kunststoffschraube 16 verändert, werden somit gleichzeitig die wirksame Schleifenfläche und die Kapazität der oben beschriebenen Anordnung zwischen Schleifenhalter 15 und Hülse 28 verändert. Die Gewinde 27 und 31 sind dabei so gestaltet, daß die Kapazität sich gleichsinnig mit der Induktivität der Schleife 14 ändert.

Bei dem in Fig. 3 aufgetragenen Ersatzschaltbild der Anordnung stellt Z den wirksamen Abschlußwiderstand aus Resonator und Koppe!anordnung dar. Die Kapazität zwischen Schleifenhalter 15 und Hülse 28 wird durch den Kondensator C dargestellt, während die Induktivität der Schleife durch das Element L symbolisiert wird. Der Hohlraum-

resonator 10 wird durch die Induktivität L. und die parallel dazu angeordnete Kapazität C_Q dargestellt. Die Belastung durch die Probe 17 schlägt sich im Ersatzschaltbild durch einen komplexen Widerstand Z nieder.

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Wird nun eine Probe 17 durch eine andere Probe mit anderem komplexen Widerstand Z ersetzt, ändert sich die Grund-Resonanzfrequenz des Resonators, so daß zum korrekten Abgleich der Leitung die Elemente Z und über die wirksame Schleifeninduktivität L₃ auch die Gegeninduktivität M verändert werden müssen, wobei M die Kopplung zwischen Schleife 14- und Resonator darstellt.

Bei gleichsinniger Änderung der Elemente C und L wird nach Art eines Vor-Resonanzkreises ein Abgleich derart bewirkt, daß das Stehwellenverhältnis VSWR auf der zuführenden Leitung minimiert wird und damit ein maximaler Anteil der Leistung der Hochfrequenzquelle in den Resonator gelangt.

Der Abgleich des Resonators mit der erfindungsgemäßen Koppelanordnung kann dabei in zwei Stufen erfolgen. Ein gewisser Grundabgleich kann dadurch hergestellt werden, daß die metallische Hülse 28 in der Klemmfaust 24- axial verschoben und alsdann durch die Schraube 25 fixiert wird. Hierdurch wird im wesentlichen nur die wirksame Fläche der Schleife 14-, d.h. die Schleifeninduktivität L₃ verändert. Die anschließende Feinabstimmung erfolgt durch Drehen der Schraube 16, wobei in der oben beschriebenen Weise die Relativbewegung von Schraube 16 und Schleifenhalter 15 relativ zur Hülse 28 eintritt. Dabei wird gleichzeitig die Kapazität C und die Induktivität L_ verändert, so daß insgesamt ein optimaler Abgleich des Resonators durch Verändern der Ankopplung möglich ist.

BAD ORIGINAL

AB.

Es versteht sich, daß die oben an einem Beispiel [geschilderte Ankopplung an einen zylindrischen Hohlraumresonator 10 vom Hq_x, ^-Typ nur als illustrierendes Beispiel zu verstehen ist. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Koppelanordnung in entsprechender Variation auch für andere Resonatorkonfigurationen und andere Schwingungstypen eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche

Koppelanordnung für einen Hohlraumresonator (10), insbesondere zur Messung Magnetischer Resonanz an einer im Hohlraumresonator (10) angeordneten Probe (17), wobei dem Hohlraumresonator (10) ein Hochfrequenzsignal zugeführt und in den Hohlraumresonator (10) mittels einer Schleife (14·) zum Anregen eines Schwingungsmodus (H_Q^) eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum mechanischen Verstellen der Schleife (14) vorgesehen sind.
2. Koppelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife (14) kapazitiv mit dem Resonatorgehäuse gekoppelt ist.
3. Koppelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Kopplung verstellbar ist.
4. Koppelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verstellung und die kapazitive Kopplung mit einem gemeinsamen Mittel verstellbar sind.
5. Koppelanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Verstellung die Induktivität L₃) der Schleife und die kapazitive Ankopplung (C) gleichsinnig verändert.
6. Koppelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife (14-) in einen Schleifenhalter (15) mündet, der vorzugsweise über eine Schraube (16) verstellbar ist.
7. Koppelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (16) aus Kunststoff besteht und mit einer axialen Sackbohrung (29) mit Innengewinde (31) versehen ist, in dem der mit einem entsprechenden Außengewinde versehene Schleifenhalter (15) läuft.
8. Koppelanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (16) ferner ein Außengewinde (27) aufweist, das in einem entsprechenden Innengewinde einer metallischen Hülse (28) läuft, wobei das Außengewinde (27) der Schraube (16) eine andere Steigung aufweist als das Innengewinde (31) der Sachbohrung (29).
9. Koppelanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (28) in einer Klemmfaust (24) justierbar gehalten ist, die mit dem Resonatorkörper verbunden ist.
10. Koppelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife (14-) in einem eine Deckfläche bildenden Kappenteil (20) eines zylindrischen Hohlraumresonators (10) angeordnet ist.
11. Koppe!anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Hohlraumresonator (10) im ^011-"Schwingungsmodus angeregt wird, und sich die Schleife (14) kreisbogenförmig um die Resonatorachse in den Resonatorinnenraum erstreckt.
12. Koppelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (10) über ein Koaxialkabel (12) mit dem Hochfrequenzsignal versorgt wird, wobei die Schleife (14) eine Verlängerung des Innenleiters (13) des Koaxialkabels (12) ist.