DE3726045C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronenspinresonanz-Spektrometer mit einem in einem Magnetfeld konstanter Stärke und hoher Homogenität angeordneten, eine Meßprobe enthaltenden Resonator, in den Mikrowellen-Energie einstrahlbar ist und bei dem vom Resonator abgegebene Meßsignale Detektoranordnungen und einer sich daran anschließenden Signal-Auswertanordnung zuführbar sind, wobei das Spektrometer einen ersten, verstärkerlosen Kanal zur Einstrahlung eines Dauerstrichsignals oder eines getasteten Signals kleiner Leistung im mW-Bereich sowie einen zweiten Kanal zur Einstrahlung eines getasteten Signals hoher Leistung im W-Bereich aufweist, und ferner die Kanäle eingangsseitig an eine gemeinsame Mikrowellenquelle angeschlossen und wahlweise der erste Kanal alleine oder beide Kanäle gemeinsam betreibbar sind.

Ein Elektronenspinresonanz-Spektrometer der vorstehend genannten Art ist aus der US-PS 38 79 653 bekannt.

Bei dem bekannten Spektrometer wird als Mikrowellenquelle ein Klystron eingesetzt. Der Ausgang des Klystrons ist an einen Richtkoppler angeschlossen, dessen Auskoppelarm zu dem ersten Kanal und dessen Durchgangsarm zu dem zweiten Kanal führt. Der erste Kanal besteht aus einer konventionellen Zirkulator- Mikrowellenbrücke, in der eingangsseitig ein Abschwächer sowie ein Diodenschalter angeordnet sind. Der zweite Kanal ist ebenfalls mit einem Zirkulator versehen, der jedoch im zweiten Kanal als Hochleistungsschalter eingesetzt wird. Die Ausgänge der beiden Kanäle, d. h. die Ausgänge der jeweiligen Zirkulatoren in diesen beiden Kanälen, sind auf jeweils einen Eingang eines Bimodal-Resonators geführt, in dem sich die Meßprobe befindet.

Bei dem bekannten Spektrometer dient der erste Kanal als "Beobachtungskanal" und der zweite Kanal als "Pumpkanal". Demzufolge ist an den Zirkulator des ersten Kanals auch die Detektoranordnung zum Messen des ESR-Signals angeschlossen. Dies bedeutet, daß bei dem bekannten Spektrometer der erste Kanal stets eingeschaltet sein muß, weil nur über den ersten Kanal eine Beobachtung, d. h. eine ESR-Messung, möglich ist.

Bei dem bekannten Spektrometer kann in einer Betriebsart nur mit dem ersten Kanal gearbeitet werden, um in herkömmlicher Weise ESR-Messungen mit Dauerstrichsignalen oder getasteten Signalen kleiner Leistung auszuführen, wobei unter "kleiner Leistung" in der ESR-Technik eine Leistung im mW-Bereich zu verstehen ist. Bei dem bekannten Spektrometer wird zwar ein Klystron verwendet, von dem angenommen werden kann, daß es eine Leistung im W-Bereich abzugeben in der Lage ist, diese Leistung wird jedoch in den ersten Kanal über den bereits erwähnten Auskoppelarm des Richtkopplers eingespeist, so daß im ersten Kanal nur eine Leistung im mW-Bereich zur Verfügung steht, die jedoch für gängige ESR-Experimente vollkommen ausreicht.

In einer zweiten Betriebsart kann das bekannte Spektrometer auch so betrieben werden, daß beide Kanäle eingeschaltet sind. In diesem Falle wird über den direkten Arm des Richtkopplers nahezu die volle Ausgangsleistung des Klystrons in den zweiten Kanal geleitet, um dort im "Pumpbetrieb" auf den zweiten Eingang des Bimodal-Resonators geleitet zu werden. In dieser Betriebsart können sogenannte "Saturation-Recovery"-Experimente durchgeführt werden, indem zunächst die Besetzungszahlen zweier Energieniveaus aus dem Boltzmann'schen Gleichgewicht durch einen starken Pump-Impuls verändert werden und der anschließende Ausgleich dieses vorhergehenden Sättigungsvorganges mit einer Mikrowellen-Beobachtungsfeldstärke geringer Leistung ausgemessen wird. Hierzu wird bei dem bekannten Spektrometer der Bimodal-Resonator eingesetzt, bei dem in an sich bekannte Weise die Schwingungsmoden des Pumpkreises und des Beobachtungskreises geometrisch um 90° gegeneinander angestellt sind, um den Beobachtungskanal vom Pumpkanal bestmöglich zu entkoppeln.

Das bekannte Spektrometer hat damit den Nachteil, daß es auf einen bestimmten Resonatortyp (Bimodal-Resonator) angewiesen ist und daß isolierte Spin-Echo-Experimente mit gepulster Mikrowellenleistung nicht möglich sind, weil der zweite Kanal alleine nicht arbeitsfähig ist.

Aus einem Aufsatz von Schweiger, abgedruckt in der US-Z: Phys. Rev. Lett. 54, Siete 1241 (1985), ist ein weiteres Elektronen­ spinresonanz-Spektrometer bekannt.

Bei diesem bekannten ESR-Spektrometer wird eine einkanalige Anordnung verwendet, die alternativ im Dauerstrich-Betrieb (CW) oder im getasteten Betrieb (sogenannter Puls-Betrieb) betreibbar ist. Der Mikrowellen-Kanal enthält zur Erzeugung der für ESR-Pulsexperimente erforderlichen hohen Mikrowellen- Spitzenleistungen einen Leistungsverstärker mit einer Wanderfeldröhre. Diese einkanalige Ausführungsform hat jedoch zwei systemimmanente Nachteile:

Zum einen ist bei einer Wanderfeldröhre als Leistungsverstärker das Tastverhältnis, d. h. das Verhältnis von Impulslänge zu Impulspause, auf einen relativ kleinen Wert von beispielsweise 1% beschränkt. Man kann daher bei Verwendung von Wanderfeldröhren nur relativ kurze "Impulse" (korrekt: bursts) erzeugen, und bei Impulsfolgen ist stets ein minimaler Mindestabstand zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen einzuhalten, zum einen wegen der Schaltzeiten bei Wanderwellenverstärkern, zum anderen aber auch deshalb, weil man bei Impuls-Experimenten die Phase der aufeinanderfolgenden Impulse frei einstellen können möchte und die üblicherweise verwendeten Elemente zum Umschalten der Phase ebenfalls eine gewisse Schaltzeit benötigen.

Der zweite wesentliche Nachteil der bekannten einkanaligen Ausführung ist, daß sie für Dauerstrich-Experimente mit niedriger Mikrowellenleistung nicht geeignet ist, weil bei niedrigen Mikrowellenleistungen sich das Eigenrauschen einer Wanderfeldröhre sehr störend bemerkbar macht.

Bei einem weiteren ähnlichen Spektrometer, wie es aus dem Aufsatz von Narayana, abgedruckt in der US-Z: Rev. Sci. Instrum. 53 (5), Seiten 624 bis 626 (1982), bekanntgeworden ist, wird ausschließlich mit hohen Mikrowellenleistungen gearbeitet. Ein Mikrowellensignal einer Welle wird über einen Richtkoppler geleitet, dessen direkter Arm über einen Schalter mit einem Wanderwellenverstärker von 1 kW Ausgangsleistung verbunden ist. Der Ausgang dieses Wanderwellenverstärkers ist wiederum über den direkten Arm eines Richtkopplers auf eine Mikrowellenbrücke geführt, die den Meßresonator enthält. Ein paralleler Senderzweig wird dabei durch eine Verbindung der beiden Auskoppelarme der Richtkoppler dargestellt. In diesem parallelen Senderzweig ist ein zweiter Wanderwellenverstärker mit 20 W Leistung angeordnet, der eingangsseitig und ausgangsseitig jeweils mit einem Mikrowellenschalter versehen ist. Die Amplitude und die Phase dieses zweiten Senderkreises können separat eingestellt werden.

Mit diesem bekannten Spektrometer soll die Totzeit von ESR-Spektrometern vermindert werden. Diese Totzeit entsteht dadurch, daß beim Einstrahlen von Mikrowellen-Impulsen hoher Leistung ein Ausklingvorgang bei Resonatoren hoher Güte entsteht. Dieser Ausklingvorgang kann nur unterdrückt werden, indem an den Mikrowellen-Impuls hoher Leistung sofort oder mit geringer zeitlicher Verzögerung ein zweiter Mikrowellen-Impuls kleinerer Leistung angehängt wird, dessen Phase um 180° gegenüber der Phase des ersten Mikrowellen-Impulses verschoben ist. Bei dem bekannten Spektrometer wird dieser zweite Unterdrückungsimpuls durch den zweiten, parallelen Sendezweig erzeugt.

Eine herkömmliche Dauerstrich-Messung mit Mikrowellenleistungen im niedrigen Leistungsbereich ist daher auch bei diesem bekannten Spektrometer weder vorgesehen noch möglich.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß nicht nur Dauerstrich-Experimente oder Kombinationen von Dauerstrich- und Impuls-Experimenten, sondern vielmehr auch Impuls- und Dauerstrich-Experimente alleine möglich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kanäle vor dem Resonator mittels eines Kombinierers zusammengeführt sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst, weil nunmehr zwei völlig unabhängige und separat betreibbare Kanäle für kleine Leistung bzw. große Leistung zur Verfügung stehen, von denen jeder seine Vorteile in die durchzuführenden Experimente einbringt, während die immanenten Nachteile auf den jeweils ureigenen Anwendungsfall beschränkt bleiben und daher nicht stören.

So können mit dem erfindungsgemäßen Spektrometer in herkömmlicher Weise Dauerstrich-Experimente mit niedriger Mikrowellenleistung und hohem Signal/Rausch-Abstand durchgeführt werden. Bei dem eingangs genannten Spektrometer der US-PS 38 79 653 ist hier bereits ein Kompromiß notwendig, weil das als Mikrowellenquelle verwendete Klystron eine hohe Ausgangsleistung abgeben muß, um den Pumpkreis des Spektrometers bedienen zu können. Derartige Klystrons sind jedoch erfahrungsgemäß ungünstiger im Rauschverhalten als Klystrons kleinerer Leistung, wie sie für herkömmliche Dauerstrich-Messungen eingesetzt werden können.

Entsprechendes gilt für den Fall, daß mit dem erfindungsgemäßen Spektrometer durch Einschalten beider Kanäle auch Experimente durchgeführt werden, bei denen gleichzeitig Mikrowellen-Energie niedriger Leistung im Dauerstrich- oder Impuls-Betrieb und zusätzlich Mikrowellen-Energie hoher Leistung im Impuls-Betrieb auf die Probe eingestrahlt werden.

Andererseits ist es nur mit dem erfindungsgemäßen Spektrometer, nicht jedoch mit dem Spektrometer der US-PS 38 79 653 möglich, den ersten Kanal abzuschalten und nur mit dem zweiten Kanal reine Impuls-Experimente mit hoher Mikrowellenleistung durchzuführen. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Spektrometer deswegen möglich, weil die beiden Mikrowellen-Kanäle bereits vor dem Meßresonator zusammengeführt werden, so daß die gesamte Signalmessung und -auswertung auch bei ausgeschaltetem ersten Kanal voll funktionsfähig ist.

Insbesondere eröffnet das erfindungsgemäße Spektrometer die Möglichkeit, die beiden Mikrowellen-Kanäle jeweils für sich zu optimieren, indem vorzugsweise als Mikrowellenquelle ein rauscharmes Klystron niedriger Leistung eingesetzt wird, das für den ersten Kanal völlig ausreicht, während nur im zweiten Kanal ein Mikrowellenverstärker, beispielsweise Wanderwellenverstärker, eingesetzt wird, um die im zweiten Kreis erforderliche hohe Mikrowellenleistung aufzubringen. Daß ein Wanderwellenverstärker, bedingt durch seine Bauart, ein höheres Eigenrauschen als ein Klystron aufweist, ist in diesem Falle nicht störend, weil dieser Gesichtspunkt bei reinen Impuls-Experimenten oder getasteten Impuls-/Dauerstrich-Experimenten in den Hintergrund tritt.

Mit dem erfindungsgemäßen Spektrometer können bevorzugt Experimente durchgeführt werden, bei denen beide Kanäle in Betrieb sind.

Zwei typische Anwendungsfälle für derartige kombinierte Experimente sind folgende:

Zum einen kann mit einem kurzen Mikrowellen-Impuls hoher Leistung ein Spinpaket breitbandig angeregt werden, während andererseits durch einen Mikrowellen-Impuls kleiner Leistung, aber langer Zeitdauer, eine selektive Sättigung eines sehr schmalen Bereiches des Spinpakets möglich ist, weil bekanntlich die spektrale Breite der erzeugten Frequenzen umgekehrt proportional zur Impulslänge ist.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind die bereits erwähnten "Saturation Recovery"-Experimente, bei denen zunächst Spins einer Meßprobe durch Mikrowellen-Impulse hoher Leistung gesättigt werden und die physikalische Erholung von der Sättigung anhand eines Dauerstrichsignals kleiner Leistung (sogenannte "observation power") beobachtet wird.

Zur Herbeiführung all dieser Vorteile weist das Spektrometer bevorzugt im ersten Kanal Mittel zum Einstellen der Amplitude und der Phase des Mikrowellensignals auf, und das erste Signal enthält einen Mikrowellenschalter, der mittels eines Steuereingangs zu beliebigen Zeiten schaltbar ist. Es ist ferner bevorzugt, daß der zweite Kanal einen Wanderwellenverstärker aufweist, um die genannten hohen Mikrowellenleistungen zur Verfügung zu stellen.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der zweite Kanal eine Pulsformstufe mit einer Mehrzahl zueinander parallel geschalteter Pulsformkanäle auf, die jeweils mit einzeln ansteuerbaren Mitteln zum Einstellen der Amplitude und der Phase sowie zum Schalten des Mikrowellensignals versehen sind.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß im zweiten Signal eine Impulsfolge eingestellt werden kann, bei der die einzelnen Impulse nach Zeitpunkt, Betrag und Phase völlig unabhängig voneinander eingestellt werden können. Irgendwelche Totzeiten zwischen den Impulsen infolge von Schaltzeiten der Mikrowellenschalter oder Schaltzeiten der Phasenschalter treten daher nicht auf, weil sich die Impulse der mehreren parallelen Pulsformkanäle unabhängig voneinander zu einer Impulsfolge zusammenfügen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines Elektronenspinresonanz-Impuls-Spektrometers;

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Mikrowellen­ komponenten des Spektrometers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf zweier Mikrowellen-Impulse zur Verdeutlichung der parallelen Anwendung von Mikrowellenkreisen niedriger und hoher Leistung;

Fig. 4 eine spektrale Verteilung von Mikrowellenenergie bei Anwendung der Technik gemäß Fig. 3;

Fig. 5 ein weiteres Blockschaltbild zur Erläuterung von Einzelheiten eines Mikrowellen-Hochleistungs-Kanals des Blockschaltbildes gemäß Fig. 2;

Fig. 6 ein Blockschaltbild weiterer Einzelheiten von Pulsformkanälen des Blockschaltbildes gemäß Fig. 5;

Fig. 7 eine zeitliche Abhängigkeit von Mikrowellen-Impul­ sen, wie sie mit einem Pulsformkanal gemäß Fig. 6 erzeugt werden können;

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Variante des Ausfüh­ rungsbeispiels gemäß Fig. 6;

Fig. 9 die Zeitabhängigkeit von aufeinanderfolgenden Mikrowellen-Impulsen, wie sie zur Synthetisierung vorgegebener Verteilungskurven eingesetzt werden und wie sie mit Pulsformkanälen der Fig. 6 und 8 erzeugt werden können;

Fig. 10 ein Blockschaltbild zur Erläuterung weiterer Einzelheiten einer Schaltstufe, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist;

Fig. 11 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Signal- Auswertekreise des Elektronenspinresonanz-Impuls- Spektrometers der Fig. 1.

In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt ein Elektronenspinresonanz- Impuls-Spektrometer, wie es in seiner Grundkonfiguration an sich bekannt ist. Zwischen den Polen eines Elektromagneten 11 hoher Homogenität befindet sich ein Mikrowellenresonator 12, in dem die zu untersuchende Probe 13 den magnetischen Feldkompo­ nenten des Mikrowellenfeldes und gleichzeitig dem Konstant- Magnetfeld des Elektromagneten 11 ausgesetzt ist. Eine Mikro­ wellenbrücke 14 ist über eine Mikrowellenleitung 15 mit dem Resonator 12 verbunden, um einerseits Anregungs-Mikrowellen- Energie in den Resonator 12 zu übertragen und andererseits vom Resonator 12 reflektierte Meßsignale zu empfangen und weiterzuverarbeiten. Die Weiterverarbeitung kann alternativ in einem Detektor 16 üblicher Bauart erfolgen, der an einen Signalverstärker 17 angeschlossen ist. Der Signalverstärker 17 und zahlreiche weitere Komponenten des Spektrometers 10 sind über Datenleitungen mit einer zentralen Computer-Steuer­ einheit 18 verbunden. Zum anderen kann die Signalauswertung aber auch über einen Quadratur-Detektor 19 erfolgen, der seinerseits an einen Analog/Digital-Wandler mit Sample-and- Hold-Stufe angeschlossen ist, und diese Einheit ist ebenfalls mit einer Datenleitung an die Computer-Steuereinheit 18 ange­ schlossen.

Um das Spektrometer 10 im Mikrowellen-Impuls-Betrieb betreiben zu können, ist eine Pulsprogrammsteuerung 25 vorgesehen, die über eine Datenleitung mit der Computer-Steuereinheit 18 verbunden ist und ihrerseits die Mikrowellenbrücke 14, den Analog-Digital-Wandler 20 sowie eine Pulsformerstufe 26 ansteu­ ert, die zwischen der Mikrowellenbrücke 14 und einem Wander­ wellenverstärker 27 angeordnet ist. Auch der Wanderwellen­ verstärker 27 empfängt Steuersignale von der Pulsprogrammsteue­ rung 25. Der Ausgang des Wanderwellenverstärkers 27 arbeitet wiederum auf die Mikrowellenbrücke 14, um Mikrowellen-Hoch­ leistungs-Energie zum Resonator 12 zu übertragen.

Weiterhin weist das Spektrometer 10 in üblicher Weise einen Feldregler 30 auf, der ein Magnet-Netzgerät 31 des Elektromag­ neten 11 steuert. Ein Feld/Frequenz-Lock 32 empfängt ein feldabhängiges Signal sowie ein mikrowellenfrequenzabhängiges Signal und steuert damit den Feldregler 30, wie dies an sich ebenfalls bekannt ist.

Insgesamt kann daher durch geeignetes Einstellen der Pulspro­ grammsteuerung 25 der Resonator 12 bzw. die darin angeordnete Probe 13 mit Mikrowellen-Impulsen beaufschlagt werden, wobei unter "Impulsen" ein zeitlich begrenzter Wellenzug, d.h. ein Burst zu verstehen ist, dessen zeitlicher Einsatzpunkt, Phase und Amplitude einstellbar sind. Zur Detektion der empfangenen Signale werden in entsprechender Weise Hilfssignale von der Pulsprogrammsteuerung 25 benötigt, um synchron mit den Mikro­ wellenimpulsen hoher Leistung die empfangenen Signale detek­ tieren und auswerten zu können.

Fig. 2 zeigt die wesentlichen Mikrowellen-Komponenten des Spektrometers 10.

Ein Klystron 40 oder eine andere geeignete Mikrowellenquelle ist über einen elektronisch einstellbaren Abschwächer 41 mit einem ersten Teiler 42 verbunden, in dem die Mikrowellenenergie in zwei Kanäle aufgeteilt wird. An einen Ausgang des ersten Teilers 42 ist ein erster Koppler 43 angeschlossen, dessen Koppelausgang zu einem Pegelregler 44 führt, der wiederum den Abschwächer 41 steuert. Mittels zweier Eingangssignale für Dauerstrichbetrieb (CW) und Impulsbetrieb (P) können zwei Stufen des Abschwächers 41 eingestellt werden. Die dargestellte Anordnung erlaubt eine Pegelregelung des Klystrons 40, wobei in einem typischen Anwendungsfall ein Klystron mit maximaler Ausgangsleistung von 1,2 Watt im X-Band eingesetzt wird, dessen Ausgangsleistung im Dauerstrichbetrieb (CW) auf 200 mW und im Impulsbetrieb (P) auf 800 mW eingestellt wird.

Der andere Ausgang des ersten Teilers 42 führt zu einem zweiten Koppler 45, dessen Koppelausgang auf einen Frequenzregler 46 (AFC) führt. Der Frequenzregler 46 arbeitet mit einem externen Resonator 47 hoher Güte zusammen und wirkt ausgangsseitig auf ein Netzgerät 48 des Klystrons 40.

Die Frequenzregelung des Klystrons 40 auf einen externen Resonator 47 hoher Güte ist deswegen zweckmäßig, weil für Elektronenspinresonanz-Impuls-Experimente Resonatoren 12 niedriger Güte, beispielsweise dielektrische Resonatoren, erforderlich sind, weil der Impulsbetrieb eine große Bandbreite des Resonators 12 erfordert. Aufgrund der sehr niedrigen Güte des Meßresonators 12 ist eine Frequenzregelung mit dem Meß­ resonator 12, beispielsweise um Temperaturdrifterscheinungen auszugleichen, nicht möglich. Aus diesem Grunde wird der externe Resonator 47 mit einer Güte von mehreren Tausend eingesetzt.

Der Ausgang des zweiten Kopplers 45 führt zu einem dritten Koppler 49, dessen Koppelausgang an einen Referenzzweig 50 angeschlossen ist, dessen Einzelheiten weiter unten in Fig. 11 noch näher erläutert werden.

Der Ausgang des dritten Kopplers 49 führt zu einem vierten Koppler 51, dessen Koppelausgang zu dem Feld/Frequenz-Lock 32 geführt ist.

Auf der anderen Seite des Mikrowellenkreises ist an den Ausgang des ersten Kopplers 43 ein fünfter Koppler 52 angeschlossen, dessen Koppelausgang zu einem zweiten Teiler 53 führt. Der zweite Teiler 53 arbeitet auf zwei Monitore 54 und 55 für Dauerstrichbetrieb (CW) und Impulsbetrieb (P), und die Monitore 54, 55 sind an zweiten Eingängen mit Mikrowellensignalen beaufschlagt, die aus dem Signalzweig bzw. dem Mikrowellen- Hochleistungszweig herangeführt werden. Die Monitore 54, 55 dienen dazu, die korrekte Einstellung der Mikrowellen-Komponen­ ten, insbesondere die Einstellung der Mikrowellen-Impulse, zu kontrollieren.

An den Ausgang des fünften Kopplers 52 ist ein sechster Koppler 56 angeschlossen, dessen Koppelausgang zu einem Mikrowellen­ zähler 57 führt. Auf diese Weise wird eine kontinuierliche Anzeige der jeweils eingestellten Mikrowellenfrequenz erreicht.

Die vom ersten Teiler 42 definierten beiden Mikrowellenkanäle führen, nach der soeben beschriebenen Auskopplung von verschie­ denen Signalen für Meß- und Regelzwecke über die Koppler 43, 45, 49, 51, 52 und 56, in der oberen Hälfte der Fig. 2 zu einem Dauerstrich-Kanal 60 und in der unteren Hälfte der Fig. 2 zu einem Impuls-Kanal 61. Die Ausgänge der genannten Kanäle 60, 61 werden in einem ersten Kombinierer 62 wieder zusammen­ geführt und gelangen auf einen ersten Zirkulator 63 der Mikro­ wellenbrücke 14, dessen erster Folgeausgang zum Resonator 12 und dessen zweiter Folgeausgang zu einer in Fig. 2 mit 64 symbolisierten Signalverarbeitungseinheit führt, deren Einzel­ heiten weiter unten in Fig. 11 erläutert werden.

Der Dauerstrich-Kanal 60 besteht im wesentlichen aus einer Reihenschaltung eines ersten Abschwächers 70, eines ersten Phasenschiebers 71 sowie einer ersten Schaltdiode (PIN-Diode) 72, die über einen Steuereingang 73 schaltbar ist.

Demgegenüber weist der Impuls-Kanal 61, dessen nähere Einzel­ heiten weiter unten in Fig. 5 noch erläutert werden, im wesent­ lichen eine Reihenschaltung einer Pulsformstufe 74 mit Steuer­ eingängen 75 und 76, eines zweiten Phasenschiebers 77 sowie des Wanderwellenverstärkers 27 auf.

Durch die parallele Anordnung des Dauerstrich-Kanals 60 und des Puls-Kanals 61 sowie deren ausgangsseitiger Vereinigung im ersten Kombinierer 62 kann nun entweder alternativ im Dauerstrich-Betrieb oder im Impuls-Betrieb gearbeitet werden, es können aber auch beide Betriebsarten gleichzeitig zur Durchführung bestimmter Experimente eingestellt werden.

Bei dem typischen Anwendungsfall ist der Dauerstrich-Kanal 60 so dimensioniert, daß er eine Ausgangsleistung von etwa 50 mW an den Resonator 12 abzugeben vermag. Mittels der ersten Schaltdiode 72, die typischerweise eine Anstiegszeit von 1 ns aufweist, kann entweder (bei geöffneter erster Schaltdiode 72) im Dauerstrich-Betrieb gearbeitet werden, durch Betätigen der ersten Schaltdiode 72 können aber auch Mikrowellen-Impulse niedriger Ausgangsleistung auf den Resonator 12 gegeben werden.

Diese sogenannten "Soft-Impulse" können eine wesentlich längere Impulsdauer aufweisen als die Hochleistungs-Impulse aus dem Impuls-Kanal 61. Deren zeitliche Dauer ist nämlich durch das maximal zulässige Tastverhältnis des Wanderwellenverstärkers 27 bestimmt, das bei üblichen Verstärkern dieser Art in der Größenordnung von 1% liegt. Durch geeignete Einstellung des ersten Phasenschiebers 71 im Dauerstrich-Kanal 60 können die Soft-Impulse in beliebige Phasenlage zwischen 0 und 360° zu den Hochleistungs-Impulsen des Impuls-Kanals 61 gesetzt werden.

Die vorstehend beschriebene Anordnung erlaubt es zum einen, durch Abschalten des Impuls-Kanals 61 und durch dauerndes Öffnen der ersten Schaltdiode 72 im üblichen Niederleistungs- Dauerstrich-Betrieb zu arbeiten.

In einer zweiten Betriebsart kann durch Abschalten des Impuls- Kanals 61 und durch Betätigen der ersten Schaltdiode 72 nur mit Mikrowellen-Impulsen niedriger Leistung gearbeitet werden.

In einer dritten Betriebsart kann umgekehrt durch Abschalten des Dauerstrich-Kanals 60 und durch Betätigen der Pulsformstufe 74 im Hochleistungs-Impuls-Betrieb gearbeitet werden.

In einer vierten Betriebsart können nun beide Kanäle 60 und 61 parallel eingeschaltet werden, wobei der Dauerstrich-Kanal 60 Impulse niedriger Leistung und der Impuls-Kanal 61 Impulse hoher Leistung liefert.

Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 3 dargestellt, wo in Abhängig­ keit von der Zeit zunächst ein erster Impuls 80 niedriger Leistung, jedoch langer Dauer, und anschließend ein zweiter Impuls 81 hoher Leistung, jedoch geringer Dauer, erkennbar ist.

Bekanntlich ist infolge der Abhängigkeit des Zeitbereichs vom Frequenzbereich über die Fourier-Transformation die Impulsbreite umgekehrt proportional der spektralen Breite der Frequenzver­ teilung im Frequenzbereich. Ein kurzer Impuls im Zeitbereich führt also zu einer sehr breiten Frequenzverteilung, während ein langer Impuls zu einer sehr schmalen Frequenzverteilung führt. Dies kann man sich beim Experiment nach Fig. 3 zunutze machen, so daß eine Frequenzverteilung gemäß Fig. 4 entsteht, bei der eine relativ breite Frequenzverteilung 82, die durch den zweiten Impuls 81 verursacht wurde, mit einem sehr schmalen Einschnitt 83 versehen ist, die vom ersten Impuls 80 herrührt. Man kann also durch den Soft-Impuls 80 eine selektive Sättigung (Einschnitt 83) in einem ansonsten breiten Spinpaket (Fre­ quenzverteilung 82) erreichen.

Es versteht sich, daß die Darstellung der Fig. 3 mit den Impulsen 80 und 81 nur beispielhaft zu verstehen ist, die Impulse können selbstverständlich eine beliebige Zeitbeziehung, Phasenlage oder Amplitudenverhältnis aufweisen, sie können beispielsweise auch zeitlich koinzidieren. Schließlich ist eine fünfte Betriebsart möglich, bei der der Impuls-Kanal 61 die bereits beschriebenen Hochleistungs-Impulse abgibt, während der Dauerstrich-Kanal 60 durch kontinuierliches Öffnen der ersten Schaltdiode 72 im Dauerstrich-Betrieb arbeitet. Diese Beimischung eines Dauerstrichpegels von den Hochleistungs- Impulsen kann eingesetzt werden, um eine sogenannte "Saturation Recovery" zu erzeugen, bei der das Spinsystem gesättigt und dann die Erholung des Systems aus dem Sättigungszustand mittels des Dauerstrichpegels detektiert wird. Die parallele Verwendung eines separaten Dauerstrich-Kanals 60 niedriger Leistung hat in diesem Falle den Vorteil, daß mit sehr geringen Dauerstrich­ pegeln gearbeitet werden kann, ohne daß das Rauschen des Wanderwellenverstärkers stört, wie dies der Fall wäre, wenn man mit einem einzigen Hochleistungs-Kanal arbeiten und diesen nach Einstrahlen der Hochleistungs-Impulse auf Dauerstrich- Betrieb niedrigen Pegels umschalten würde.

Fig. 5 zeigt weitere Einzelheiten des Impuls-Kanals 61.

Im Eingang des Impuls-Kanals 61 ist ein dritter Teiler 90 zu erkennen, der die ankommende Mikrowellenenergie in vier paral­ lele und gleichwertige Pulsformkanäle 91a, 91b, 91c und 91d aufteilt, die ausgangsseitig in einem zum dritten Teiler 90 symmetrischen zweiten Kombinierer 94 wieder zusammengefaßt werden. Die Pulsformkanäle 91a bis 91d weisen je zwei Steuer­ eingänge 92a bis 92d bzw. 93a bis 93d auf. Dies wird im einzel­ nen noch weiter unten zu den Fig. 6 und 8 erläutert.

An den Ausgang des zweiten Kombinierers 94 schließt sich eine Reihenschaltung eines Mikrowellen-Vorverstärkers 95, des zweiten Phasenschiebers 77, einer zweiten Schaltdiode 96 mit Steuerein­ gang 97, eines siebten Kopplers 98, dessen Koppelausgang zum Impuls-Monitor 55 führt, des Wanderwellenverstärkers 27, eines zweiten Abschwächers 99 sowie einer Schaltstufe 100 mit Steuer­ eingang 101 an.

Mittels der vier parallelen Pulsformkanäle 91a bis 91d können beliebige Pulsprogramme zusammengestellt werden. So kann beispielsweise im ersten Pulsformkanal 91a ein sogenannter X- Impuls (0° Phase), im zweiten Pulsformkanal 91b ein sogenannter -X-Impuls (+90° Phase), im dritten Pulsformkanal 91c ein sogenannter Y-Impuls (+ 180° Phase) und schließlich im vierten Pulsformkanal 91d ein sogenannter -Y-Impuls (+270° Phase) eingestellt werden.

Die parallele Anordnung von vier Pulsformkanälen 91a bis 91d hat den Vorteil, daß die genannten X-, -X-, Y- und -Y-Impulse in beliebiger Phasenlage zueinander eingestellt werden können. Innerhalb ein und desselben Kanals wäre dies nicht möglich, weil übliche Bauelemente zum Schalten der Phase von Mikrowellen­ signalen eine Schaltzeit von wesentlich mehr als 3 ns aufweisen, so daß sehr enge Phasenbeziehungen auf diese Weise nicht realisiert werden können. Demgegenüber kann mit parallelen Kanälen eine sehr enge Phasenlage zueinander, bis hin zur Phasenlage 0 eingestellt werden.

Wie weiter unten zu den Fig. 6 und 8 noch erläutert werden wird, weisen die Pulsformkanäle 91a bis 91d bereits Schaltdioden zum Abschwächen der Mikrowellenleistung auf. Die zweite Schalt­ diode 96 mit Steuereingang 97 hinter dem gemeinsamen Ausgang des zweiten Kombinierers 94 hat darüber hinaus den Sinn, den Dynamikbereich zu vergrößern, weil der Wanderwellenverstärker 27 z.B. einen Dynamikbereich von 53 dB aufweist, der mit einer einzigen Schaltdiode nicht überspannt werden kann. Es werden daher zum Abschwächen und damit zur Ausnutzung des gesamten Dynamikbereichs des Wanderwellenverstärkers 27 zwei derartige Schaltdioden in Reihe verwendet, weil übliche Schaltdioden einen Dynamikbereich von etwa 25 dB aufweisen.

Im Ausgang des Wanderwellenverstärkers 27 befindet sich der zweite Abschwächer 99, der als Hochleistungs-Abschwächer mit einem Bereich von beispielsweise 0-60 dB ausgestattet sein kann.

Bekanntlich haben übliche Wanderwellenverstärker die Eigenheit, daß bei Verstärkung eines Mikrowellen-Impulses am Ende der Rückflanke ein sogenannter "Schwanz", d.h. ein Ausschwingvor­ gang, erscheint. Diese Erscheinung ist bei Elektronenspin­ resonanz-Impuls-Experimenten sehr störend. Aus diesem Grunde ist die Schaltstufe 100 vorgesehen, die die Aufgabe hat, diesen Impuls-"Schwanz" abzuschneiden. Auf diese Weise wird die Totzeit des Spektrometers erheblich herabgesetzt. Einzelheiten der Schaltstufe 100 sind in Fig. 10 dargestellt und in der zugehö­ rigen Beschreibung erläutert.

Fig. 6 zeigt eine erste Variante eines Ausführungsbeispiels eines Pulsformkanals 91a.

Wie man aus Fig. 6 deutlich erkennt, sind auch hier zwei parallele Zweige vorgesehen, die durch einen vierten Teiler 110 im Eingang gebildet werden. Jeder Zweig besteht aus der Reihenschaltung eines dritten Abschwächers 111a bzw. 111b, eines dritten Phasenschiebers 112a bzw. 112b, einer dritten Schaltdiode 113a bzw. 113b, zu denen die bereits erwähnten Steuereingänge 92a und 93a gehören, und die Zweige werden schließlich in einem dritten Kombinierer 114 wieder miteinander vereint.

Der obere Zweig 111a . . . in Fig. 6 dient als sogenannter "Master"-Zweig und erzeugt durch Betätigen der dritten Schalt­ diode 113a mittels Ansteuerung des Steuereingangs 92a den gewünschten Impuls, beispielsweise einen X-Impuls.

Da der Meßresonator 12 trotz seiner relativ niedrigen Güte immer noch eine nur begrenzte Bandbreite aufweist, stellt sich bei Beaufschlagung mit einem Hochleistungs-Mikrowellen- Impuls ein Ausschwingvorgang ein, den man als "Ringing" bezeich­ net. Um diesen störenden Effekt zu beseitigen, ist der untere Zweig 111b . . . in Fig. 6 als "Slave"-Zweig vorgesehen. Im "Slave"-Zweig wird ein Unterdrückungs-Impuls erzeugt, der gegenüber dem "Master"-Impuls um 180° phasenverschoben ist.

Fig. 7 zeigt eine solche Impulsfolge. Mit 117 ist der sogenannte "physikalische Impuls" bezeichnet, der zur Durchführung des eigentlichen Elektronenspinresonanz-Experimentes, d.h. zur Anregung der Probe 13, dient. An den "physikalischen Impuls" 117 mit beispielsweise 0° Phase (X-Impuls) schließt sich dann ein sogenannter "technischer Impuls" 118 zur Unterdrückung des Ausschwingvorganges des Resonators 12 (Cavity-Ringing- Quenching-Pulse) mit 180° Phasenlage an.

Es liegt auf der Hand, daß aus hochfrequenztechnischen Gründen der Abstand der Impulse 117, 118 möglichst 0 sein sollte. Aus praktischen Gründen kann es jedoch vorteilhaft sein, eine geringfügige zeitliche Verzögerung zwischen den Impulsen 117, 118 einzustellen, wozu man sich der Monitore 54 und 55 bedient.

Die Elemente des "Master"-Zweiges 111a . . . sowie des "Slave"- Zweiges 111b . . . sind vorzugsweise identisch aufgebaut. In jedem der Zweige kann, wie man aus Fig. 6 erkennen kann, sowohl die Phase wie auch die Amplitude der Impulse (oder der Impuls­ sequenz) separat eingestellt werden. Typischerweise wird man einen Amplituden-Verstellbereich von 0-30 dB einsetzen und einen Phasen-Verstellbereich von 0-360° bei 0,1° Auflösung.

Betrachtet man Fig. 6 zusammen mit Fig. 5, wird ersichtlich, daß mit den vier jeweils doppelzweigigen Pulsformkanälen 91a bis 91d insgesamt acht z.B. identische Mikrowellen-Kanäle zur Verfügung stehen. Es sind damit verschiedene Betriebsarten des Impuls-Kanals 61 möglich:

Bei einer Betriebsart können beliebige Impulsfolgen mittels der vier Pulsformkanäle 91a bis 91d eingestellt und der Aus­ schwingvorgang des Resonators 12 jeweils unterdrückt werden. Man kann auf diese Weise Impulse oder Impulsfolgen auf die Probe 13 einstrahlen, wie sie an sich aus der Technik der magnetischen Resonanz bekannt sind. Als Beispiel seien die Impulsfolgen von Carr-Purcell oder Carr-Purcell-Meiboom-Gill genannt. Auch Experimente mit sogenannter Phase Rotation können durchgeführt werden. Durch zyklisches Vertauschen der Phasen und entsprechendes Sortieren der entstehenden Meßdaten kann man die technisch bedingten Unterschiede in den beiden Armen der Quadratur-Detektoren 19, die weiter unten zu Fig. 11 noch erläutert werden, sowie der zugehörigen Videoverstärker heraus­ mitteln.

Bezeichnet man ein gemessenes Absorptionssignal mit A und ein gemessenes Dispersionssignal mit D, ergeben sich bei Verwendung von X- und Y-Impulsen am Ausgang der doppelten Videoverstärker bei zyklischer Vertauschung der Phasen zunächst Signale A, D, dann D, A, dann -A, -D und schließlich -D, -A. Durch entspre­ chende Addition, Subtraktion oder Division dieser Signale können dann konstante Fehler herausgerechnet werden.

Besonders vorteilhaft ist dabei, daß infolge der jeweils zwei Zweige in jedem Pulsformkanal 91a bis 91d mit extrem kurzen Totzeiten gearbeitet werden kann, weil auf jeden physikalischen Impuls (117 in Fig. 7) ein technischer Unterdrückungsimpuls (118 in Fig. 7) folgt.

Eine weitere Betriebsart, die sich durch die insgesamt acht Mikrowellen-Kanäle anbietet, ist folgende:

Will man eine sehr selektive, d.h. schmalbandige Anregung der Probe 13 einsetzen, sollte die Form des Mikrowellen-Impulses im Zeitbereich die Form einer Gauß′schen Kurve annehmen. Eine solche Verteilungskurve kann mit acht Mikrowellen-Kanälen leicht synthetisiert werden, indem jeder der acht Kanäle zu jeweils gleicher Zeit einen bestimmten Amplitudenbetrag liefert. Da alle acht Kanäle individuell in ihrer Amplitude einstellbar sind und am Ausgang durch den zweiten und dritten Kombinierer 94, 114 gemischt werden, ist auf diese Weise eine Amplituden­ auflösung von 2⁸, d.h. von 1 : 256 möglich.

Fig. 8 zeigt das Ergebnis dieses Experiments mit einer Im­ pulsform 120 von Gauß′scher Verteilung, die aus Einzelimpulsen 121, welche nacheinander erzeugt werden, zusammengesetzt ist. Die erzielbare Amplitudenauflösung 122 beträgt, wie erwähnt, 1 : 256.

Fig. 9 zeigt eine Variante eines Pulsformkanals 91a′, die sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 6 dadurch unterscheidet, daß sich zwischen den in Fig. 6 dargestellten Elementen 110, 111a, 112a, 113a, 114 bzw. 110, 111b, 112b, 113b, 114 jeweils Zirkulatoren 115 bzw. 115a befinden, deren dritte Ausgänge an jeweils einen Mikrowellensumpf 116 bzw. 116a angeschlossen sind. Als Zirkulatoren 115 können am Ausgang des vierten Teilers 110 sowie am Eingang des dritten Kombinierers 114 Doppelisola­ toren mit einer Rückwärtsdämpfung von 40 dB und im übrigen Einzelisolatoren mit einer Rückwärtsdämpfung von 25 dB verwendet werden.

Das zusätzliche Vorsehen der Zirkulatoren 115 bzw. 115a ver­ bessert die Rückwirkungsfreiheit des Systems und eine Entkopp­ lung der genannten acht Kanäle untereinander.

Fig. 10 zeigt weitere Einzelheiten der Schaltstufe 100, wie sie in Fig. 5 im Ausgang des Impuls-Kanals 61 zu erkennen ist.

Zwar ist es möglich, zum Schalten bzw. Abschwächen einer Mikrowellenleistung eine einfache Schaltdiode zu verwenden, wie dies beispielsweise mit der zweiten Schaltdiode 96 im Impulskanal 61 der Fall ist, wenn jedoch große Mikrowellen­ leistungen geschaltet werden sollen, können sich Probleme einstellen, weil die Diode durch die eingestrahlte sehr große Mikrowellenleistung infolge eines sich einstellenden Avalanche- Effekts von selbst durchgeschaltet wird.

Diese Probleme können mit einer Schaltstufe 100 gemäß Fig. 10 vermieden werden. Statt eine Schaltdiode in den Mikrowellenzweig zu schalten, wird ein dritter Zirkulator 130 eingesetzt, der an seinem zweiten Anschluß mit einer vierten Schaltdiode 31 beschaltet ist, die ihrerseits auf einen zweiten Mikrowellen­ sumpf 132 führt. Die vierte Schaltdiode 131 kann über den Steuereingang 101 in den leitenden und in den nicht-leitenden Zustand versetzt werden.

Wie in Fig. 10 ferner angedeutet, kann die Anordnung der Elemente 130, 131 und 132 auch kaskadiert werden, indem weitere Elementensätze 130a, 131a, 132a in beliebiger Anzahl in Reihe geschaltet werden.

Die Schaltstufe 100 hat, wie bereits in der Beschreibung zu Fig. 5 erwähnt, den Sinn, den Hochleistungs-Ausgangs-Impuls des Wanderwellenverstärkers 27 abzuschneiden, damit dieser Impuls-"Schwanz" die Elektronenspinresonanz-Experimente nicht stört. Um dies zu erreichen, wird der Steuereingang 101 zeitlich synchron mit der Rückflanke des Mikrowellen-Impulses oder geringfügig gegenüber diesem verzögert, angesteuert. Die vierte Schaltdiode 131 ist zunächst in Sperrung geschaltet, so daß der Mikrowellen-Hochleistungs-Impuls über den Zirkulator 130 hinweggeleitet werden kann, weil die gesperrt geschaltete vierte Schaltdiode 131 den Mikrowellen-Impuls reflektiert, ohne selbst in den Avalanche-Bereich zu gelangen. Selbstver­ ständlich muß man in diesem Zusammenhang darauf achten, daß die Einführungsdämpfung (insertion loss) der vierten Schalt­ diode 131 entsprechend dimensioniert ist, damit sie beim Reflektieren des Mikrowellen-Hochleistungs-Impulses nicht in den leitenden Zustand gerät.

Mit der Rückflanke des Mikrowellen-Impulses wird nun die vierte Schaltdiode 131 in den leitenden Zustand umgesteuert, so daß der Impuls-"Schwanz" im Zirkulator 130 über die vierte Schalt­ diode 131 in den Mikrowellensumpf 132 geleitet wird. Verzögert man das Durchschalten der vierten Schaltdiode 131 gegenüber der Rückflanke des Mikrowellen-Impulses etwas, so kann man sich die Tatsache zunutze machen, daß der Ausgangs-Impuls des Wanderwellenverstärkers 27 bereits nach sehr kurzer Zeit um etwa 30 bis 40 dB abgesunken ist, so daß die vierte Schaltdiode 131 nur noch den um 30 bis 40 dB abgesenkten Pegel durchschalten muß. Für die meisten Elektronenspinresonanz-Experimente ist dieses Schaltverhalten ausreichend, weil während der kurzen Zeitspanne zwischen Rückflanke des Mikrowellen-Impulses und Einschaltung der vierten Schaltdiode 131 die Steilheit der Rückflanke genügend groß ist.

Selbstverständlich kann dieses Abschneiden des Impuls- "Schwanzes" durch die in Fig. 10 angedeutete Kaskadierung der Elemente noch verbessert werden.

Fig. 11 zeigt schließlich weitere Einzelheiten der Signalver­ arbeitung.

Am dritten Anschluß des Zirkulators 63 kann in der üblichen Weise das vom Resonator 12 reflektierte Meßsignal abgenommen werden, das die Information über das zu messende Elektronen­ spinresonanz-Experiment enthält. Dieses Meßsignal wird zunächst auf einen achten Koppler 140 geführt, von dem ein Koppelausgang zum Monitor 54 des Dauerstrich-Kanals führt. Der Ausgang des achten Kopplers 114 ist zunächst auf einen Eingang eines ersten Umschalters 141 geführt, an dessen zweiten Eingang ein anderer Resonator, z.B. ein Induktionsresonator, angeschlossen werden kann.

An den Ausgang des ersten Umschalters 141 ist eine fünfte Schaltdiode 143 mit Steuereingang 144 angeschlossen, die wiederum zu einem zweiten Umschalter 145 führt. Der zweite Umschalter 145 führt das Meßsignal in einer Schaltstellung unverändert weiter, während in einer anderen Schaltstellung ein Mikrowellen-Vorverstärker 146 eingeschaltet wird, der in einem typischen Anwendungsfall eine Verstärkung von 38 dB bei einer Rauschzahl von nur 1,9 dB aufweist. Um in dieser Betriebs­ art den Mikrowellen-Vorverstärker 146 vor Hochleistungs-Impulsen zu schützen, ist die fünfte Schaltdiode 143 vorgesehen, die nur während der Impulspausen geöffnet ist, um den freien Induktionsabfall des Elektronenspinresonanz-Signals in den Impulspausen dem Mikrowellen-Vorverstärker 146 zuzuführen, ihn aber im übrigen vor den Hochleistungs-Impulsen zu schützen.

Ein dritter Umschalter 147 führt die vorstehend genannten Zweige wieder zusammen und geht weiter auf einen vierten Umschalter 148, dessen obere Schaltstellung in Fig. 11 für Dauerstrichmessungen und dessen untere Schaltstellung vor­ zugsweise für Impulsmessungen verwendet wird. In der oberen Schaltstellung des vierten Umschalters 148 ist ein Dauerstrich- Kanal 150 mit einem vierten Kombinierer 151, einem Einphasen- Detektor 52, beispielsweise einer koaxialen Schottky-Barrier- Diode, eingeschaltet, die das aus dem Meßsignal (vom vierten Umschalter 148) und dem Referenzsignal (über den zweiten Eingang des vierten Kombinierers 151) gebildete Gesamtsignal mit einer Bandbreite von beispielsweise 30 Hz bis 5 MHz verstärkt und in der üblichen Weise weiterverarbeitet. Das Elektronenspin­ resonanz-Meßsignal wird schließlich auf einem Anzeigegerät 153, beispielsweise einem Bildschirm, einem Drucker o. dgl., angezeigt, es kann darüber hinaus auch gespeichert, ausgewertet oder sonstwie behandelt werden, wie dies an sich bekannt ist.

In der unteren Schaltstellung des vierten Umschalters 148 wird der in der unteren Hälfte der Fig. 11 gezeigte Meßkanal mit dem Referenzzweig 50 und einem nachgeschalteten Quadratur- Kanal 160 eingesetzt.

Das vom dritten Koppler 49 ausgekoppelte Mikrowellen-Referenz­ signal gelangt im Referenzzweig 50 zunächst auf die Reihenschal­ tung eines Verzögerungsgliedes 161, eines vierten Abschwächers 162 und eines vierten Phasenschiebers 163, ehe es in einem fünften Teiler 164 aufgespalten wird. Ein erster Ausgang des fünften Teilers 164 führt zum Eingang eines sechsten Teilers 165, dessen einer Ausgang das Referenzsignal zur Versorgung des vierten Kombinierers 151 liefert, der oben im Zusammenhang mit dem Dauerstrich-Kanal 150 beschrieben wurde. Der zweite Ausgang des fünften Teilers 164 führt über die Reihenschaltung eines fünften Phasenschiebers 166 und eines fünften Abschwächers 167 zum Quadratur-Kanal 160.

In diesem Quadratur-Kanal 160 ist eingangsseitig ein sechster Teiler 168 vorgesehen, der eingangsseitig mit dem vierten Umschalter 148 verbunden ist. Die beiden Ausgänge des sechsten Teilers 168 führen zu einem ersten Quadratur-Detektor 169 bzw. einem zweiten Quadratur-Detektor 170, die in Fig. 1 gemeinsam mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet waren. Der zweite Eingang des ersten Quadratur-Detektors 169 ist mit dem zweiten Ausgang des sechsten Teilers 165 verbunden, während der zweite Eingang des zweiten Quadratur-Detektors 170 an den Ausgang des fünften Abschwächers 167 angeschlossen ist. Die Ausgänge der Quadratur-Detektoren 169, 170 sind schließlich an den Analog/Digital-Wandler 20 mit Sample-and-Hold-Stufe angeschlos­ sen, und diese Einheit ist wiederum, über weitere, in Fig. 11 nicht näher dargestellte und an sich bekannte Einheiten, an das Anzeigegerät 153 angeschlossen.

Im Impuls-Betrieb wird der Abfall der Magnetisierung (der sogenannte "FID" - free induction decay) in zwei orthogonalen Projektionen der umlaufenden Magnetisierung gemessen.

Wie aus dem vorstehenden folgt, wird bei den Quadratur-Detek­ toren 169 und 170 einerseits - über den sechsten Teiler 168 - das Meßsignal und andererseits ein Referenzsignal zugeführt, wobei das Referenzsignal im zweiten Quadratur-Detektor 170 mittels der Elemente 166, 167 nach Amplitude und Betrag relativ zum anderen Referenzsignal am unteren Ausgang des sechsten Teilers 165 einstellbar ist.

Für normale Spin-Echo-Experimente kann selbstverständlich auch nur mit einem Quadratur-Detektor 169 oder 170 gearbeitet werden, und der andere Zweig ist dann ausgeschaltet. Als Quadratur-Detektoren 169, 170 werden Mikrowellenmischer mit hoher Dynamik eingesetzt.

Der in Fig. 11 eingezeichnete Block 20 enthält zunächst einen Zwei-Kanal-Videoverstärker mit einer Bandbreite von 50 MHz bis 200 MHz und einer Verstärkung von beispielsweise 66 dB. Die Ausgangssignale dieser Videoverstärker werden dann einem Analog/Digital-Wandler und von dort der Computer-Steuereinheit 18 zugeführt, wobei all diese Einzelheiten in Fig. 11 der Übersichtlichkeit halber nicht gesondert dargestellt sind.

Im übrigen können für die geschilderten Komponenten des Spektro­ meters 10 handelsübliche Mikrowellen- und Hochfrequenz-Kompo­ nenten verwendet werden, wie diese in der Technik der Elektro­ nenspinresonanz-Spektrometrie üblich und bekannt sind.

Claims (5)

1. Elektronenspinresonanz-Spektrometer mit einem in einem Magnetfeld konstanter Stärke und hoher Homogenität angeordneten, eine Meßprobe enthaltenden Resonator, in den Mikrowellen-Energie einstrahlbar ist und bei dem vom Resonator abgegebene Meßsignale Detektoranordnungen und einer sich daran anschließenden Signal-Auswertanordnung zuführbar sind, wobei das Spektrometer einen ersten, verstärkerlosen Kanal zur Einstrahlung eines Dauerstrichsignals oder eines getasteten Signals kleiner Leistung im mW-Bereich sowie einen zweiten Kanal zur Einstrahlung eines getasteten Signals hoher Leistung im W-Bereich aufweist, und ferner die Kanäle eingangsseitig an eine gemeinsame Mikrowellenquelle angeschlossen und wahlweise der erste Kanal alleine oder beide Kanäle gemeinsam betreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (60, 61) vor dem Resonator (12) mittels eines Kombinierers (62) zusammengeführt sind.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (60) Mittel (70, 71) zum Einstellen der Amplitude und der Phase des Mikrowellensignals aufweist.

3. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste Kanal (60) einen Mikrowellenschalter (72) aufweist, der mittels eines Steuereingangs zu beliebigen Zeiten schaltbar ist.

4. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (61) einen Wander­ wellenverstärker (27) aufweist.

5. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (61) eine Pulsform­ stufe (74) mit einer Mehrzahl zueinander parallel geschalteter Pulsformkanäle (91a bis 91d) aufweist, die jeweils mit einzeln ansteuerbaren Mitteln (111, 112, 113) zum Einstellen der Amplitude und der Phase sowie zum Schalten des Mikrowellensignals versehen sind.