DE3726046C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronenspinresonanz-Spektrometer mit einem in einem Magnetfeld konstanter Stärke und hoher Homogenität angeordneten, eine Meßprobe enthaltenden Resonator, dem mittels einer Mikrowellenbrücke von einer Mikrowellenquelle gelieferte und mittels eines Mikrowellen-Leistungsverstärkers verstärkte Mikrowellen-Energie als getastetes Signal zuführbar ist, und bei dem vom Resonator abgegebene Meßsignale einer Detektoranordnung und einer sich daran anschließenden Signal- Auswertanordnung zuführbar sind, bei dem ferner eine zwischen der Mikrowellenquelle und der Mikrowellenbrücke angeordnete Leitung mittels eines Teilers in parallele Pulsformkanäle aufgeteilt ist, wobei in einem Kanal Mittel zum Einstellen der Phase und Amplitude und in mehreren Kanälen Mittel zum Schalten des die Pulsformkanäle durchlaufenden Signals angeordnet, und bei dem die Pulsformkanäle mittels eines Kombinierers wieder zusammengeführt sind.

Ein derartiges Spektrometer ist in dem Aufsatz "An active microwave delay line for reducing the dead time in electronic spin echo spectrometry" von Narayana et al., abgedruckt in der US-Z Rev. Sci. Instr. 53 (5), S. 624-626, (1982) be­ schrieben.

Bei dem bekannten Spektrometer steht die Aufgabe im Vordergrund, Totzeiten herabzusetzen, die durch sogenanntes "cavity ringing" entstehen. Bekanntlich verwendet man in der Elektronenspin­ resonanz(ESR)-Spektrometrie üblicherweise Mikrowellen-Hohlraum­ resonatoren hoher Güte bzw. kleiner Bandbreite. Beaufschlagt man einen solchen Resonator mit einem Mikrowellen-"Impuls", worunter in der Fachsprache ein Mikrowellen-Burst verstanden wird, so schwingt der Resonator infolge seiner hohen Güte nach Abschalten des Impulses über eine verhältnismäßig lange Zeit wieder aus, die umso größer ist, je größer die Güte des Resonators ist.

Diese Ausschwingzeit behindert jedoch die Messung von Spin- Echo-Signalen in der ESR, weil man daran interessiert ist, Antworten des Spinsystems auf den Anregungsimpuls möglichst unmittelbar nach dem Abklingen des Impulses zu messen.

In der US-Z ist vor diesem Hintergrund eine Anordnung beschrie­ ben, bei der in einer Mikrowellenleitung, die von einer Mikro­ wellenquelle zur Mikrowellenbrücke führt, eine Verzweigung vorgesehen ist. Im Hauptzweig der Mikrowellenleitung sind ein Diodenschalter, ein Wanderwellen-Leistungsverstärker sowie ein einstellbarer Abschwächer in Reihe hintereinander angeord­ net. Vor den Diodenschalter ist in die Mikrowellenleitung ein 10 dB-Koppler eingeschaltet, von dem eine Zweigleitung bis hinter den einstellbaren Abschwächer führt, wo sie über einen entgegengesetzt gerichteten 10 dB-Koppler wieder in die Hauptleitung eingekoppelt wird. In der Zweigleitung sind hintereinander ein Diodenschalter, ein Mikrowellenverstärker, ein weiterer Diodenschalter, ein einstellbarer Abschwächer sowie ein von 0 bis 180° einstellbarer Phasenschieber angeord­ net.

Diese Anordnung soll bewirken, daß durch Betätigen des Dioden­ schalters im Hauptzweig zunächst ein oder mehrere Meßimpulse im Hauptzweig geschaltet werden können, während durch entspre­ chendes Ansteuern der Diodenschalter in der abgezweigten Leitung ein weiterer Mikrowellen-Impuls anderer Polarität auf den Resonator gegeben werden kann, der sich nach einer bestimmten Totzeit an den Mikrowellen-Impuls in der Hauptleitung anschließt.

Bei der bekannten Anordnung sind die beiden Pulsformkanäle unterschiedlich ausgestaltet und werden nicht zu gleichen Teilen mit Mikrowellen-Energie versorgt.

Die bekannte Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß sie nur sehr einfache Pulsfolgen zu erzeugen gestattet und daß ein erheblicher apparativer Aufwand getrieben werden muß, der praktisch dem Aufwand zweier kompletter Mikrowellen-Hochlei­ stungskreise entspricht. Infolgedessen sind die Einsatzmöglich­ keiten der bekannten Anordnung sowohl von der Vielseitigkeit der Anwendungsmöglichkeiten wie auch vom Aufwand her beschränkt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer der eingangs genannten Art dahingehend weiterzu­ bilden, daß bei minimalem baulichem Aufwand eine nahezu unbe­ grenzte Anzahl von Impulsfolgen mit beliebig vorgebbaren Zeitabständen, Amplituden und Phasen auf die Probe eingestrahlt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Pulsformkanäle mittels des Teilers zu gleichen Teilen mit Mikrowellen-Energie aus der Leitung versorgt sind, daß alle Pulsformkanäle mit Mitteln zum Einstellen der Phase und der Amplitude versehen sind und daß der die Pulsformkanäle zusam­ menführende Kombinierer vor dem Eingang des einzigen Mikro­ wellen-Leistungsverstärkers angeordnet ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst, weil durch die Verwendung eines Teilers zunächst zumindest gleichartige, bevorzugt sogar identische Kanäle entstehen, die frei von aktiven, leistungsverstärkenden Elementen sind und sich in aller Regel auf das Vorsehen von Diodenschaltern, Abschwächern und Phasenschiebern beschränken können. Die Einstellbarkeit von Amplitude und Phase in jedem der Kanäle gewährleistet eine praktisch unendliche Flexibilität bei der Erstellung von Impulsprogrammen, und es können ins­ besondere Impulsfolgen der aus der Technik der kernmagnetischen Resonanz (NMR) bekannten Art, z. B. Carr-Purcell-Folgen oder Carr-Purcell-Meiboom-Gill-Folgen oder andere Folgen von Impulsen eingestellt werden, bei denen die Phase aufeinanderfolgender Impulse als sogenannte X-, -X-, Y- oder -Y-Impulse mit 0° bzw. 90° bzw. 180° bzw. 270° auftritt.

Die Verwendung von lediglich passiven Elementen in den Kanälen hat dabei den Vorteil, daß auf Einschwing- und Ausschwingvor­ gänge an Verstärkern keine Rücksicht genommen werden muß. Es wird vielmehr das gesamte Mikrowellensignal im Bereich niedrigen Pegels zu Impulsketten formiert, die dann auf einen gemeinsamen Mikrowellen-Leistungsverstärker, beispielsweise einen Wander­ wellenverstärker, gelangen.

Vorzugsweise sind die Pulsformkanäle identisch aufgebaut, und es werden vier derartige Pulsformkanäle verwendet, um die weiter vorne bezeichneten vier X, -X, Y und -Y-Impulse getrennt einstellen zu können. Hierzu ist weiter zweckmäßig, wenn die Phasenschieber einen Einstellbereich von 0 bis 360° aufweisen.

Auf diese Weise können also insgesamt beliebige Impulsfolgen zusammengestellt werden, wie dies bei der bekannten Einrichtung nicht möglich ist, weil dort lediglich an die Erzeugung eines einzigen Unterdrückungs-Impulses zur Kompensation des Aus­ schwingvorganges des Hohlraumresonators gedacht war.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist jeder Pulsformkanal zwei parallele Zweige auf, von denen wiederum jeder mit Mitteln zum Einstellen der Phase und der Amplitude Sowie Mitteln zum Schalten versehen ist.

Diese Maßnahme, die demselben Zweck dient wie die Anordnung der eingangs erwähnten US-Z, hat den Vorteil, daß die Pulsform­ kanäle an sich jeweils zum Einstellen eines bestimmten Meßim­ pulses, eines sogenannten "physikalischen Impulses", verwendet werden können, während intern in jedem Pulsformkanal ein weiterer Zweig zur Kompensation des Ausschwingvorganges des Hohlraumresonators mittels eines "technischen Impulses" vor­ gesehen ist und diese Kompensation individuell für jeden Pulsformkanal vorgenommen werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung von vier bzw. acht unterein­ ander identischen Pulsformkanälen bzw. Zweigen ist, daß auf diese Weise eine Vielzahl von zeitlich unmittelbar aufeinander­ folgenden Impulsen variierender Amplitude erzeugt werden kann, so daß Impulsformen beliebiger Art dargestellt werden können.

So kann man auf diese Weise vorteilhaft eine Gauß′sche Füll­ kurve erzeugen, indem die aufeinanderfolgenden sehr schmalen Impulse eine entsprechend zunehmende bzw. abnehmende Amplitude aufweisen. Bei z. B. acht parallelen Kanälen beträgt die Auf­ lösung der Amplitude dabei 2⁸, d. h. 1 : 256, was sehr fein kon­ turierte Füllkurven von Impulsen ergibt.

Weiterhin wird eine gute Wirkung dadurch erzielt, daß die Mittel zum Einstellen der Phase und der Amplitude sowie die Mittel zum Schalten voneinander mittels Zirkulatoren in einer Richtung entkoppelt sind.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die einzelnen Zweige bzw. Kanäle optimal voneinander entkoppelt sind und Wechselwirkungen nicht auftreten können.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den Pulsformkanälen und dem Leistungsverstärker ein elektronisch einstellbarer Abschwächer, vorzugsweise ein Diodenschalter, angeordnet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Eingangspegel für den Leistungsverstärker von beispielsweise 53 dB in vollem Umfange ausgeschöpft werden kann, obwohl in den Kanälen bzw. Zweigen als Schaltmittel üblicherweise Mikrowellendioden mit einer Schaltdämpfung von typischerweise 25 dB eingesetzt werden. Der nachgeordnete, gemeinsame elektronisch einstellbare Ab­ schwächer, vorzugsweise ebenfalls eine Schaltdiode, ist gleich­ falls mit 25 dB Dämpfung einschaltbar, so daß auf diese Weise der gesamte Dynamikbereich eines üblichen Leistungsverstärkers durchgeschaltet werden kann.

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 zeigen:

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

Fig. 4 ein Blockschaltbild weiterer Einzelheiten von Pulsformkanälen des Blockschaltbildes gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine zeitliche Abhängigkeit von Mikrowellen-Impul­ sen, wie sie mit einem Pulsformkanal gemäß Fig. 4 erzeugt werden können;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Variante des Ausfüh­ rungsbeispiels gemäß Fig. 4;

Fig. 7 die Zeitabhängigkeit von aufeinanderfolgenden Mikrowellen-Impulsen, wie sie zur Synthetisierung vorgegebener Verteilungskurven eingesetzt werden und wie sie mit Pulsformkanälen der Fig. 4 und 6 erzeugt werden können.

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 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.

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.

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. 3 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.

So kann zum einen, durch Abschalten des Impuls-Kanals 61 und durch dauerndes Öffnen der ersten Schaltdiode 72 im üblichen Niederleistungs-Dauerstrich-Betrieb gearbeitet werden; 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; und 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.

Fig. 3 zeigt 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. 4 und 6 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. 4 und 6 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.

Fig. 4 zeigt eine erste Variante eines Ausführungsbeispiels eines Pulsformkanals 91a.

Wie man aus Fig. 4 deutlich erkennt, sind 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. 4 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. 4 als "Slave"-Zweig vorgesehen. Im "Slave"-Zweig wird ein Unterdrückungs-Impuls erzeugt, der gegenüber dem "Master"-Impuls um 180° phasenverschoben ist.

Fig. 5 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. 4 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. 4 zusammen mit Fig. 3, 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, sowie der zugehörigen Videover­ stärker herausmitteln.

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. 5) ein technischer Unterdrückungsimpuls (118 in Fig. 5) 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. 7 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. 6 zeigt eine Variante eines Pulsformkanals 91a′, die sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 4 dadurch unterscheidet, daß sich zwischen den in Fig. 4 dargestellten Elementen 110, 111a, 112a, 113a, 114 bzw. 110, 111b, 112b, 113b, 114 jeweils Zirkulatoren 115a bzw. 115b befinden, deren dritte Ausgänge an jeweils einen Mikrowellensumpf 116a bzw. 116b angeschlossen sind. Als Zirkulatoren 115a, 115b können am Ausgang des vierten Teilers 110 sowie am Eingang des dritten Kombinierers 114 Doppelisolatoren mit einer Rückwärtsdämpfung von 40 dB und im übrigen Einzelisolatoren mit einer Rückwärtsdämpfung von 25 dB verwendet werden.

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

Claims (7)

1. Elektronenspinresonanz-Spektrometer mit einem in einem Magnetfeld konstanter Stärke und hoher Homogenität angeordneten, eine Meßprobe enthaltenden Resonator, dem mittels einer Mikrowellenbrücke von einer Mikro­ wellenquelle gelieferte und mittels eines Mikrowellen- Leistungsverstärkers verstärkte Mikrowellen-Energie als getastetes Signal zuführbar ist, und bei dem vom Resonator abgegebene Meßsignale einer Detektoranordnung und einer sich daran anschließenden Signal-Auswerte­ anordnung zuführbar sind, bei dem ferner eine zwischen der Mikrowellenquelle und der Mikrowellenbrücke an­ geordnete Leitung mittels eines Teilers in parallele Pulsformkanäle aufgeteilt ist, wobei in einem Puls­ formkanal Mittel zum Einstellen der Phase und Amplitude und in mehreren Pulsformkanälen Mittel zum Schalten des die Pulsformkanäle durchlaufenden Signals angeordnet, und bei dem die Pulsformkanäle mittels eines Kombinierers wieder zusammengeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsformkanäle (91a bis 91d) mittels des Teilers (90) zu gleichen Teilen mit Mikrowellen-Energie aus der Leitung versorgt sind, daß alle Pulsformkanäle (91a bis 91d) mit Mitteln (111a/111b, 112a/112b) zum Ein­ stellen der Phase und der Amplitude versehen sind und daß der die Pulsformkanäle (91a bis 91d) zusammenführende Kombinierer (94) vor dem Eingang des einzigen Mikro­ wellen-Leistungsverstärkers (27) angeordnet ist.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Pulsformkanäle (91a bis 91d) identisch aufgebaut sind.

3. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vier Pulsformkanäle (91a bis 91d) vor­ gesehen sind.

4. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pulsformkanal (91a bis 91d) zwei parallele Zweige aufweist, von denen jeder mit den Mitteln (111a/111b, 112a/112b) zum Einstellen der Phase und der Amplitude sowie Mitteln (113a/113b) zum Schalten versehen ist.

5. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (112a/112b) zum Einstellen der Phase einen Bereich von 0 bis 360° überstreichen.

6. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (111a/111b, 112a/112b) zum Einstellen der Phase und der Amplitude sowie die Mittel (113a/113b) zum Schalten voneinander mittels Zirkulatoren (115a/115b) in einer Richtung entkoppelt sind.

7. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Pulsformkanälen (91a bis 91d) und dem Leistungsverstärker (27) ein elektro­ nisch einstellbarer Abschwächer (96) angeordnet ist.