DE3300766C2

DE3300766C2 -

Info

Publication number: DE3300766C2
Application number: DE3300766A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. 7500 Karlsruhe De Biehl; Dieter Dr. 7501 Marxzell De Schmalbein; Guenther Prof. Dipl.-Phys. Dr. 7512 Rheinstetten De Laukien
Original assignee: Bruker Analytische Messtechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1983-01-12
Filing date: 1983-01-12
Publication date: 1990-05-31
Also published as: GB2134721A; US4551694A; GB2134721B; GB8400418D0; DE3300766A1; JPH0260081B2; JPS59172802A

Description

Die Erfindung geht aus von einer Koppelanordnung zum Zuführen eines Hochfrequenzsignals zu einem Hohlraumresonator nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine solche Koppelanordnung ist aus der GB-PS 10 28 229 bekannt.

Die bekannte Koppelanordnung koppelt ein über einen Hohlleiter zugeführtes Hochfrequenzsignal in einen Hohlraumresonator. Die Koppelanordnung koppelt das Hochfrequenzsignal kapazitiv mittels einer in einem Gewinde eines Deckelteils des Hohlraumresonators schraubbar gehaltenen Gewindehülse und einer mit dieser mit ihrem einen Ende verbundenen Koppelschleife ein. Durch die von außerhalb des Hohlraumresonators und des Hohlleiters manuell in den Hohlraumresonator oder aus dem Hohlraum des Hohlraumresonators herausdrehbare Gewindehülse läßt sich die Eintauchtiefe der Schleife und damit der Grad der kapazitiven Ankopplung des Hochfrequenzsignals verändern. Weil bei dieser Art der Zufuhr der Hochfrequenzenergie mittels eines Hohlleiters bereits ein definierter Schwingungmodus im Hohlleiter vorliegt, sind die eine Grundeinstellung der Impedanzanpassung beeinflussenden Größen, wie der Ort der Koppelanordnung und der diese verstellenden Verstelleinrichtung bezüglich des Gehäuses des Hohlraumresonators und die Lage im Hohlleiter als auch die Geometrie des Aufbaus verhältnismäßig einfach im voraus ermittel- und festlegbar, so daß bei der bekannten Koppelanordnung die Impedanzanpassung im wesentlichen durch die im voraus festgelegte Geometrie durchgeführt ist.

In der analytischen Meßtechnik ist es bekannt, zur Er mittlung 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 be zeichnet werden. Bei der Elektronenspinresonanz wird die Probe dabei gleichzeitig einem hochfrequenten Magnetfeld - üblicherweise im Mikrowellenbereich - und einem Kon stantmagnetfeld - 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 Struk tur der zu untersuchenden Probe zulassen.

Üblicherweise werden die Proben hierzu in einen Hohlraum resonator an einer Stelle eingeführt, an der die mag netischen 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 kom plexen Suszeptibilität der Probe, die bei abgestimmtem Resonator zu einer Änderung der Güte bzw. der Eigenfre quenz führt, da sich die komplexe Belastung des Resona tors durch die Probe ändert.

Will man nacheinander unterschiedliche Proben messen, die eine unterschiedliche Grundsuszeptibilität aufweisen, beispielsweise einerseits Festkörper und andererseits flüssige Proben, muß der Resonator entsprechend nachge stimmt 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 beispiels weise über einen Hohlleiter und eine Irisblende im Re sonator 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 Resona tors über eine Schleife vorzunehmen, die so angeordnet ist, daß sie einen Teil der magnetischen Feldlinien im Hohlraumresonator umschließt. Wird beispielsweise ein zylindrischer Hohlraumresonator vom H₀₁₁-Schwingungs typ 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 angeord net 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.

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.

Koppelanordnungen für Hohlraumresonatoren mit mechanisch verstellbaren Schleifen, bei denen das Hochfrequenzsignal zum Hohlraumresonator mittels Koaxialleitungen zugeführt wird, sind aus der DE-PS 11 21 666 und der US-PS 40 41 447 bekannt. Bei der aus der DE-PS 11 21 666 bekannten Koppelanordnung ist das mit dem Resonatorgehäuse verbundene Ende an einer drehbaren Hülse befestigt, während das andere Ende über einen Schleifkontakt mit dem Innenleiter einer Koaxialleitung in Verbindung steht. Durch Drehen der Hülse ist die Stellung der Schleife in bezug auf den Hohlraumresonator und damit auf das in dem Hohlraumresonator herrschende Feld veränderbar. Durch die Verstellung der Koppelschleife wird im wesentlichen eine Veränderung des Ankopplungsgrades bewirkt. Dagegen ist eine vom Kopplungsgrad weitgehend unabhängige Impedanzanpassung nicht möglich.

Bei der aus der US-PS 40 51 457 bekannten Kopplungsanordnung ist das mit dem Innenleiter einer Koaxialleitung in Verbindung stehende Ende der Koppelschleife in einem axial verschiebbaren Verbindungsstück befestigt, an das dann der Innenleiter einer Koaxialleitung anschließbar ist. Hier erfolgt durch Verschieben des Verbindungsstückes neben einer Änderung der wirksamen Schleifenfläche auch eine Veränderung der Induktivität der Schleife. Hierdurch ergeben sich zwar verbesserte Möglichkeiten der Impedanzanpassung, jedoch ist die Verstellung nicht mehr nach Anschluß der Koaxialleitung möglich, sondern es muß das Verbindungsstück nach dem Auffinden seiner optimalen Stellung arretiert werden. Daher ist diese Koppelanordnung im Betrieb nicht mehr verstellbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Koppelanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie bei Zufuhr eines Hochfrequenzsignals durch eine Koaxialleitung während des Betriebs eine Impedanz-Anpassung und nicht nur eine Änderung des Kopplungsgrads ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen dieser Koppelanordnung sind in den Unter ansprüchen angegeben.

Mit der beanspruchten Koppelanordnung ist es mit Vorteil möglich, gleichzeitig eine Abstimmung des Hohlraumresonators mit der Koppelschleife an unterschiedliche Proben als auch eine vollkommene Anpassung des Hohlraumresonators an die zuführende Koaxialleitung während des Betriebs durchzuführen. Dadurch kann der Resonator bei gleicher Leistung der Hochfrequenzquelle mit höherer Intensität des hochfrequenten Magnetfeldes betrieben werden. Durch Verstellen der kapazitiven Kopplung wird das Stehwellenverhältnis auf der zuführenden Leitung minimiert und damit die Leistungsausbeute der Hochfrequenzquelle maximiert.

Durch die gleichsinnige 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.

Durch die Gesamteinstellung der Koppelanordnung bezüglich ihrer Lage am Gehäuse des Hohlraumresonators läßt sich auch eine Grundeinstellung der Koppelanordnung während des Betriebs vornehmen, so daß ein noch weiterer Bereich von unterschiedlichen Proben abgestimmt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht mit Teilschnitt auf einen zylindrischen Hohlraumresonator mit einer Ausführungsform der Koppelanordnung;

Fig. 2 einen zur Darstellung gemäß Fig. 1 senk rechten Schnitt durch die dargestellte Ausführungsform der Koppelanordnung;

Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild für die Koppelan ordnung.

In Fig. 1 ist 10 ein zylindrischer Hohlraumresonator für Elektronenspinresonanz-Messungen. An einem Deckelteil des Hohlraumresonators 10 ist eine Schraubkappe 11 ersicht lich, mit der Proben 17 über ein nicht sichtbares Futter in der Resonatorachse gehalten werden. Das Hochfrequenz signal wird dem Resonator 10 über ein Koaxialkabel 12 zugeführt, das über einen Innenleiter 13 verfügt. Der Innenleiter 13 geht in eine Schleife 14 über, die ihrer seits in einen Schleifenhalter 15 ausläuft. Der Schlei fenhalter 15 ist über eine Schraube 16 axial verstellbar ausgebildet.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel wird der Hohl raumresonator 10 mit einem H₀₁₁-Schwingungstyp angeregt, bei dem die magnetischen Feldlinien in der Resonatorachse verlaufen, von dort in radialer Richtung über ein Deckel teil, in der Nähe der Mantelfläche des Resonators 10 wieder in axialer Richtung, um sich dann über das andere Deckelteil in radialer Richtung wieder zur Resonator achse 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 kreibogenförmigen Sektors in einem Deckelteil des Resonators 10 angeordnet, so daß sie einen Teil der magnetischen Feldlinien des Resonators bei dem erwähnten H₀₁₁-Schwingungstyp umfaßt. Bei einer Draufsicht auf den in Fig. 1 dargestellten Resonator würden sich daher die Zuführung des Koaxialkabels 12 und der Schleifenhalter 15 auf einem gemeinsamen Umfang befinden.

In Fig. 2 ist die Koppelanordnung im einzelnen dargestellt. Ein Deckelteil oder 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 die in Fig. 1 dargestellte Schraubkappe 11 aufschraubbar ist. Auf einer geneigten Fläche, die in das Abschlußteil 20 eingefräst ist, sitzt ein Klemmglied, eine Klemmfaust 24 und ist dort, beispielsweise durch Verschrauben, befestigt. Quer zur Achse der Klemmfaust 24 ist diese mit einer Schraube 25 versehen. In der Achse der Klemmfaust 24 gleitet eine metallische Hülse 28, die mit einem Innengewinde 27′ ver sehen ist. Im Innengewinde 27′ läuft die aus Kunststoff bestehende Schraube 16 mit ihrem Außengewinde 27. 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 me tallische Hülse 28 entsteht eine Kondensatoranordnung mit dem Schleifenhalter 15 als Innen- und der Hülse 28 als Außenelektrode, wobei die Kunststoffschraube 16 als Dielektrikum wirkt.

Die beiden Gewinde 27 und 31 sind mit unterschiedlicher Steigung ausgestattet, wobei vorzugs weise das Gewinde 31 eine kleinere Steigung hat als das Gewinde 27. Dreht man nun die Kunststoffschraube 26 mit einem geeigneten Instrument, verschiebt sich diese re lativ zur Hülse 28 und gleichzeitig erfolgt eine Relativ bewegung 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 Längs achse nicht möglich ist. Demzufolge kann der Schleifen halter 15 sich nur in axialer Richtung bewegen, wodurch, wie man aus Fig. 1 und 2 erkennt, die in das Resonator innere 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 ver ändert. 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 Koppelanordnung dar. Die Kapazität zwischen Schleifenhalter 15 und Hülse 28 wird durch den Konden sator C dargestellt, während die Induktivität der Schlei fe durch das Element L _s symbolisiert wird. Der Hohlraum resonator 10 wird durch die Induktivität L _O und die parallel dazu angeordnete Kapazität C _O dargestellt. Die Belastung durch die Probe 17 schlägt sich im Ersatzschalt bild durch einen komplexen Widerstand Z _p nieder.

Wird nun eine Probe 17 durch eine andere Probe mit ande rem komplexen Widerstand Z _p ersetzt, ändert sich die Grund-Resonanzfrequenz des Resonators, so daß zum korrek ten Abgleich der Leitung die Elemente Z und über die wirksame Schleifeninduktivität L _s auch die Gegenindukti vität M verändert werden müssen, wobei M die Kopplung zwischen Schleife 14 und Resonator darstellt.

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

Der Abgleich des Resonators mit der 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 L _s verändert. Die anschließende Feinabstimmung erfolgt durch Drehen der Schraube 16, wobei in der oben be schriebenen Weise die Relativbewegung von Schraube 16 und Schleifenhalter 15 relativ zur Hülse 28 eintritt. Dabei wird gleichzeitig die Kapazität C und die Indukti vität L _s verändert, so daß insgesamt ein optimaler Ab gleich des Resonators durch Verändern der Ankopplung möglich ist.

Es versteht sich, daß die oben an einem Beispiel ge schilderte Ankopplung an einen zylindrischen Hohlraum resonator 10 vom H₀₁₁-Typ nur als illustrierendes Bei spiel zu verstehen ist. Selbstverständlich kann die Koppelanordnung in entsprechender Varia tion auch für andere Resonatorkonfigurationen und andere Schwingungstypen eingesetzt werden.

Claims

1. Koppelanordnung zum Zuführen eines Hochfrequenzsignals zu einem Hohlraumresonator (10) mit einer durch eine metallische Wand des Hohlraumresonators (10) in diesen eintauchenden bezüglich Kopplungsgrad und Eintauchtiefe von außerhalb des Hohlraumresonators mittels einer Verstelleinrichtung mechanisch verstellbaren Koppelschleife (14) zum Anregen eines Schwingungsmodus, die an einem Ende mit dem Resonatorgehäuse elektrisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschleife (14) an ihrem anderen Ende der verlängerte Innenleiter (13) eines den Hohlraumresonator (10) mit dem Hochfrequenzsignal versorgenden Koaxialkabels (12) ist und daß die Koppelschleife (14) mit ihrem einen Ende an der Verstelleinrichtung mündet, die aufweist

- eine elektrisch leitende, ein Gewinde (27′) aufweisende Hülse (28), die in elektrischer Verbindung mit der metallischen Wand des Hohlraumresonators (10) steht,
- eine aus dielektrischem Material bestehende Schraube (16) die ein erstes Gewinde (27) aufweist, im Gewinde (27′) der Hülse (28) läuft, sowie ein zweites Gewinde (31), mit anderer Steigung als das erste Gewinde (27),
- und einen mit einem Gewinde versehenen elektrisch leitenden Schleifenhalter (15), dessen Gewinde in das zweite Gewinde (31) der Schraube (16) schraubbar eingreift und mit dem die Koppelschleife (14) mit ihrem einen Ende elektrisch verbunden ist, während sie über die Verstelleinrichtung kapazitiv mit der Wand des Hohlraumresonators gekoppelt ist.

2. Koppelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde der Hülse (28) ein Innengewinde ist, daß das erste Gewinde (27) der Schraube (16) ein Außengewinde ist, das im Innengewinde der Hülse (28) läuft, und daß das zweite Gewinde (31) der Schraube (16) als Innengewinde (31) in einer mit dem Hohlraumresonator in Verbindung stehenden axialen Sackbohrung (29) in der Schraube (16) ausgebildet ist, die den Schleifenhalter (15), wenn dieser in das Innengewinde (31) geschraubt wird, aufnimmt.

3. Koppelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung als Ganzes bezüglich ihrer Lage am Gehäuse des Hohlraumresonators (10) mechanisch justierbar ist.

4. Koppelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (16) mittels ihres ersten und zweiten Gewindes (27 und 31) unabhängig bezüglich der Hülse (28) und des Schleifenhalters (15) drehbar ist und daß der Schleifenhalter (15) in fester Verbindung mit dem einen Ende der Koppelschleife (14) gehalten ist und dadurch nicht mit der Schraubendrehung der Schraube (16) gedreht wird, wodurch der Schleifenhalter (15) durch die Drehung der Schraube weiter in den Hohlraumresonator (10) hinein oder aus diesem heraus bewegbar ist.

5. Koppelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (28) einstellbar in einem an einer den Hohlraumresonator (10) bildenden Wand befestigten Klemmgied (24) gehalten ist.

6. Koppelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschleife (14) in einem eine Kappe eines zylindrischen Hohlraumresonators (10) bildenden Deckelteil (20) vorgesehen ist.

7. Koppelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschleife (14) in Form eines Kreisbogens um die Resonatorachse und in das Innere des Hohlraumresonators (10) ragt.