DE4125655C2 - Resonatoranordnung für die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Resonatoranordnung für die Elek­ tronenspinresonanz-Spektroskopie, mit einem ringförmigen, dielektrischen, eine Probe umschließenden Resonanzring, bei dem Feldlinien des Resonanzfeldes in Richtung der Achse des Resonanzringes austreten und sich im Außenraum schließen und mit einer Koppelvorrichtung zum Ein- und Auskoppeln von Mikrowellen-Energie in bzw. aus dem Resonanzring.

Eine Resonatoranordnung der vorstehend genannten Art ist aus der DE-Z: "BRUKER REPORT" Nr. 1/1986, Seiten 45 bis 47 bekannt. Eine weitere Anordnung dieser Art ist in der DE-Z: "BRUKER REPORT" Nr. 2/1989, Seiten 4 bis 6 beschrieben.

Bei der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie wird in einem Mikrowellen-Resonator ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugt, bei dem die Feldlinien des magnetischen Feldes eine bestimmte Richtung haben. In diesem Bereich wird eine Probe in den Resonator eingebracht. Der Resonator befindet sich dabei in einem konstanten Magnetfeld hoher Homogenität und Feldstärke, dessen Feldlinien senkrecht auf den Feldlinien des magnetischen Mikrowellenfeldes stehen.

In diesem Zusammenhang sind zahlreiche Resonatoranordnungen bekannt, und zwar Hohlraumresonatoren, Helix-Resonatoren sowie Bandleitungsresonatoren unterschiedlichster Formgestaltung, wobei in diesen Resonatoren mitunter auch Schwingungsmoden unterschiedlicher Ordnung angeregt werden können.

Ein Gruppe dieser Resonatoren, wie sie für Elektronenspinresonanz-Messungen verwendet werden, besteht im wesentlichen aus einem dielektrischen Resonanzring, d. h. einem hohlzylindri­ schen Gebilde aus einem Kristall, üblicherweise einem Saphir, das frei im Raum schwingungsfähig ist. Die dabei erzeugten Feldlinien des magnetischen Mikrowellenfeldes durchsetzen den dielektrischen Resonanzring in seiner axialen Bohrung in Axialrichtung und schließen sich im Außenraum. Man kann daher eine zu untersuchende Probe in die zentrale Bohrung des Reso­ nanzringes einbringen, wo das Probenmaterial dann mit Feldlinien des magnetischen Mikrowellenfeldes durchsetzt wird, die im wesentlichen axial gerichtet sind.

Es sind ferner bei Resonatoranordnungen für die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie zahlreiche Koppelvorrichtungen bekannt, mit denen ein Mikrowellensignal in die Resonatoranordnung eingekoppelt und die erzeugten Meßsignale ausgekoppelt werden können. Diese Koppelvorrichtungen können induktiver oder kapazitiver Natur sein, und es sind zahlreiche Ausführungsformen bekannt, um die erwünschte Kopplung herzustellen. Eine besonders häufig benutzte Konfiguration einer Koppelanordnung besteht aus einer Koppelschleife, d. h. einem antennenartigen Gebilde, mit dem von außen her der gewünschte Schwingungsmodus in der Resonatoranordnung angeregt werden kann.

Bei den bekannten Resonatoranordnungen mit Koppelschleife ist diese in dem Bereich der Resonatoranordnung vorgesehen, in dem unmittelbar das Mikrowellenfeld zur Beeinflussung der Probe angeregt wird. Wenn also z. B. die bekannte Resonatoranordnung einen zylindrischen Hohlraum umfaßt, in dem ein TE₀₁₁-Schwingungsmodus angeregt wird, so kann sich die Koppelschleife beispielsweise in einer Stirnseite des zylindrischen Hohlraums befinden, um dort magnetische Feldlinien zu umschlingen, die sich an dieser Stelle in radialer Richtung ausbreiten.

Derartige bekannte Resonatoranordnungen sind zwar für viele Meßzwecke gut geeignet, es gibt jedoch Einsatzbereiche, bei denen derartige Resonatoranordnungen nicht zu optimalen Ergebnissen führen.

Ein typischer Fall dieser Art ist die gepulste Elektronenspinresonanz-Spektroskopie. Bei dieser Meßtechnik wird das Mikrowellensignal in den Resonator nicht in Form eines Dauerstrichsignals eingespeist, die Resonatoranordnung wird vielmehr mit einem getasteten Mikrowellensignal beaufschlagt, um bestimmte dynamische Prozesse in der Probe zu untersuchen.

Das Problem bei dieser Meßtechnik liegt darin, daß die Verwendung eines getasteten Mikrowellensignals eine große Bandbreite der Resonatoranordnung voraussetzt. Während nämlich bei Dauerstrich-Experimenten die Resonatorgüte besonders hoch sein kann und soll, um ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis zu erzielen, ist dies bei Messungen mit getasteten Mikrowellensignalen, die ein breites Frequenzspektrum überstreichen, naturgemäß nicht der Fall.

Für diesen Anwendungsfall haben sich Resonatoranordnungen mit dielektrischen Resonanzringen als besonders geeignet erwiesen.

Allerdings sind die bekannten Resonatoranordnungen mit herkömm­ lichen Koppelvorrichtungen nicht in der Lage, einen breiten Bereich der Resonatorgüte zu überstreichen.

In der DE-Z: "BRUKER REPORT" Nr. 1/1986, Seiten 45 bis 47 ist ein Resonator für die Elektronenspinresonanz beschrieben. Der Resonator ist als dielektrischer Ring vom Schwingungstyp TE₀₁₁ ausgebildet und für eine Resonanzfrequenz von 10 GHz ausgelegt. Die Vorteile dieses bekannten dielektrischen Resonanzringes werden in seinem hohen Füllfaktor und seiner guten Homogenität der Mikrowellen-Magnetfeldstärke gesehen. In der DE-Z: "BRUKER REPORT" Nr. 2/1989, Seiten 4 bis 6 ist eine Anwendung eines dielektrischen Resonanzringes für Elektronenspinresonanz-Messungen unter Verwendung der Fourier-Transformation beschrieben.

Aus der US-PS 2 890 422 ist ein elektrisch resonanzfähiger, dielektrischer Körper bekannt. Der bekannte Körper wird beispielsweise in einem Tuner eines Fernsehempfängers eingesetzt. Hierzu sind mehrere dielektrische Resonatoren im Abstand voneinander entlang eines axial verschiebbaren, stabförmigen Trägers angeordnet. Aufeinander gegenüberliegenden Seiten des Trägers befinden sich Gitter und wiederum dahinter Spulen. Die Spule der einen Seite gehört zu einem Eingangskreis des Tuners, während die Spule auf der gegenüberliegenden Seite zum Verstärkerkreis des Tuners gehört. Durch axiales Verschieben des Trägers kann nun einer der mehreren dielektrischen Resonatoren in eine Position zwischen den beiden Spulen der Empfänger- bzw. der Verstärkerseite gebracht werden. Da die dielektrischen Resonatoren nur bei einer bestimmten Frequenz resonanzfähig sind, entsteht auf diese Weise ein stufenweise umschaltbarer Filter, um in einem Tuner eines Fernsehempfängers die unterschiedlichen Frequenzen von Sendestationen einstellen zu können. Eine Abstimmung bei der Ankopplung der nur stufenweise verschiebbaren dielektrischen Resonatoren findet dabei nicht statt.

Aus der DE-OS 30 29 754 ist ein Probenkopf für Elektronenspinresonanz-Messungen bekannt, dessen Resonator aus einem Rohrabschnitt aus keramischen Material besteht. Der Resonator ist in herkömmlicher Weise mittels einer verstellbaren Schlitzblende ankoppelbar.

Aus der EP-OS 03 16 813 ist ein dielektrischer Resonator bekannt. Der dielektrische Resonator besteht aus einem Rohrstück aus dielektrischem Material, das auf einem Träger-Rohrstück kleineren Durchmessers angeordnet ist, welches wiederum auf dem Boden eines geschlossenen, metallischen, zylindrischen Gehäuses steht. In den Boden des Gehäuses sind ferner zwei Koppelschleifen raumfest eingelassen. Entlang der gemeinsamen Achse des Resonators und des Gehäuses ist eine Stange verschiebbar, die ein zylindrisches Koppelteil trägt, das bei axialer Verstellung der Stange in den Innenraum des Resonatorringes eintaucht. Auf diese Weise wird eine Frequenzverstimmung, nicht jedoch eine Änderung der Kopplung erreicht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Resonator­ anordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei einem Verstellen der Koppelvorrichtung ein großer Wertebereich der Resonatorgüte überstrichen werden kann, und die Lage des Ringes und der Probe im Ring konstant ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Koppelvorrichtung eine Koppelschleife umfaßt, die im Außenraum angeordnet und in einer Richtung parallel zur Achse verschiebbar ist, wobei der Resonanzring von einer zylindrischen Abschirmung umgeben und die Abschirmung starr mit der Koppelschleife verbunden und zusammen mit dieser verschiebbar ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, daß ein Anordnen der Koppelschleife im Außenraum, d. h. nicht an oder in dem Raum, in dem sich die Probe befindet, eine breite Variation der Resonatorgüte gestattet. So ist es beispielsweise bei Versuchsmustern der erfindungsgemäßen Resonatoranordnung möglich gewesen, Messungen im X-Band durchzuführen, bei denen die Resonatorgüte durch axiales Verschieben der Koppelschleife im Außenraum des Resonanzringes in einem Bereich der Güte zwischen 100 und 5000 verändert werden konnte.

Auf diese Weise kann somit die erfindungsgemäße Resonatoranordnung bei unterschiedlichsten Messungen, auch bei gepulsten Messungen, optimal angekoppelt werden, und zwar unabhängig davon, ob es sich um eine Probe mit niedrigen oder hohen dielektrischen Verlusten handelt.

Die Maßnahme, den Resonanzring mit einer zylindrischen Abschirmung zu umgeben, hat den Vorteil, daß das Mikrowellenfeld im Außenraum konzentriert und reproduzierbar gemacht wird. Eine unerwünschte Beeinflussung des Mikrowellenfeldes von außen ist somit nicht möglich oder wirkt sich weit aus weniger aus.

Die Maßnahme, die Abschirmung starr mit der Koppelschleife zu verbinden und zusammen mit dieser verschiebbar zu machen, hat den Vorteil, daß die Durchtrittsstelle des Mikrowellenkabels in der Abschirmung starr bleiben kann und insbesondere eine Verwendung von Langlöchern oder dergleichen nicht erforderlich ist, die der gewünschten Ausbildung des Mikrowellenfeldes abträglich wären. Ferner wird auf diese Weise, was besonders wichtig ist, eine elektrische Verbindung mit eventuellen Stirnplatten vermieden, die sich an den stirnseitigen Enden des Resonanzringes befinden können.

Bei bevorzugten Ausbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Koppelschleife im axialen Abstand und/oder im radialen Abstand von dem Resonanzring angeordnet.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß eine Ankopplung an den Resonanzring sowohl in der radialen wie auch in der axialen Umgebung oder auch in einem Überschneidungsbereich beider Umgebungen möglich ist.

Besonders bevorzugt ist, wenn die Abschirmung aus mindestens einer Lage gewickelten Drahtes besteht.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Abschirmung einerseits einfach herzustellen ist, indem beispielsweise eine Drahtspirale in einem entsprechenden Harz eingegossen wird. Andererseits hat diese Maßnahme aber auch den Vorteil, daß eine bei Mikrowellenfrequenzen perfekte Abschirmung entsteht, die jedoch für ein Modulationsfeld bei sehr niedriger Frequenz (im Audio-Bereich) durchlässig ist. Dies ermöglicht, dem konstanten Magnetfeld hoher Homogenität ein Modulationsfeld zu überlagern, um das Meßsignal entsprechend codieren und mit Look-in-Techniken auswerten zu können.

Die vorstehend beschriebenen Vorteile können dadurch verfeinert werden, daß die Abschirmung mehrlagig aufgebaut ist, so daß mehrere Lagen gewickelten Drahtes übereinander angeordnet werden.

Eine besonders gute Wirkung wird in diesem Zusammenhang dann erzielt, wenn die Abschirmung in einer axialen Führung eines Resonatorgehäuses geführt ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein stabiler mechanischer Verbund entsteht, bei dem die Koppelschleife zusammen mit der Abschirmung sicher im Resonatorgehäuse bewegt werden kann, ohne daß dadurch Störungen entstehen.

Besonders bevorzugt ist dabei ferner, wenn die Abschirmung über eine Feder auf dem im Resonatorgehäuse gehaltenen Resonanz­ ring abgestützt ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine elastisch verspannte Anordnung entsteht, die auch bei tiefen Temperaturen oder bei wechselnden Temperaturen funktionsfähig ist. Wenn sich nämlich bei stark wechselnder Temperatur die Komponenten der Resonator­ anordnung zusammenziehen bzw. ausdehnen, so ist dies bei einer elastisch verspannten Anordnung in einfacher Weise möglich, indem sich die verwendete Feder entsprechend entspannt oder zusammengedrückt wird, während bei einer starr verschraubten oder verklebten Anordnung die Gefahr von Rissen besteht.

Bei weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist die Abschirmung mittels eines langgestreckten Koppelstabes verschiebbar. Dieser besteht vorzugsweise im wesentlichen aus einem mindestens halbstarren Mikrowellenkabel.

Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß die gewünschte Verschie­ bung der Koppelschleife in äußerst einfacher Weise durch eine Axialbewegung bewirkt werden kann. Die bauliche Vereinigung von Koppelstab und Mikrowellenkabel hat schließlich den Vorteil, daß eine einfache Anordnung entsteht, bei der das Bauteil "Mikrowellenkabel" einen doppelten Nutzen hat.

Bei einer weiteren bevorzugten Gruppe von Ausführungsbeispielen ist der Koppelstab mittels einer Steckverbindung unterteilbar.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß modulare Resonatorkonzepte verwirklicht werden können, bei denen der untere Meßteil, in dem sich das Resonanzgebilde befindet, für unterschiedliche Meßaufgaben ausgetauscht werden kann, während das obere An­ schlußteil der Resonatoranordnung unverändert bleibt.

Bei einer weiteren bevorzugten Gruppe von Ausführungsbeispielen ist der Koppelstab mittels eines Hebel-Koppelmechanismus an dem vom Resonanzring abgewandten Ende der Resonatoranordnung verstellbar.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine präzise Verstellung des Koppelstabes durch geeignete Wahl des Übersetzungsver­ hältnisses des Hebels möglich ist.

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

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden 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 eine schematische Seitenansicht einer Resonanz­ anordnung für Elektronenspinresonanz-Experimente mit einem dielektrischen Resonanzring;

Fig. 2 in verkleinertem Maßstabe eine Anordnung ähnlich derjenigen der Fig. 1, jedoch für einen ersten Betriebszustand;

Fig. 3 eine Darstellung, ähnlich Fig. 2, jedoch für einen anderen Betriebszustand;

Fig. 4 eine perspektivische Seitenansicht eines Ausfüh­ rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Resonator­ anordnung;

Fig. 5 in vergrößertem Maßstab eine Seitenansicht in Richtung der Pfeile V-V der Fig. 4 auf das Oberteil der dort dargestellten Resonatoranordnung;

Fig. 6 in weiter vergrößertem Maßstab eine Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten, in Richtung der Pfeile VI-VI von Fig. 4 auf das Unterteil der Resonator­ anordnung;

Fig. 7 in weiter vergrößertem Maßstab eine Schnittdar­ stellung in der Ebene VII-VII von Fig. 6;

Fig. 8 eine Darstellung ähnlich derjenigen der Fig. 7, jedoch in der Ebene VIII-VIII von Fig. 6.

In Fig. 1 ist mit 10 insgesamt eine Resonatoranordnung an­ gedeutet, wie sie für Elektronenspinresonanz-Messungen verwendet werden kann.

11 bezeichnet einen dielektrischen Ring, d. h. im dargestellten Ausführungsbeispiel einen hohlzylindrischen Körper, der vor­ zugsweise als Saphirring ausgestaltet ist. Der Saphirring 11 hat eine zentrale Achse 12. Feldlinien 13, die das elektromag­ netische Mikrowellenfeld andeuten, erstrecken sich innerhalb des Saphirringes 11 näherungsweise parallel zur Achse 12 und schließen sich im Außenraum 18.

Mit 14 ist eine Koppelschleife angedeutet, die sich an einem freien Ende eines nur abgebrochen dargestellten Mikrowellen­ kabels 15 befindet. Die Koppelschleife 14 regt im Saphirring 11 das mit 13 symbolisierte Mikrowellenfeld an bzw. koppelt Meßsignale aus.

Wie man deutlich aus Fig. 1 erkennt, ist die Koppelschleife 14 vorzugsweise so positioniert, daß sie sich in Richtung der Achse 12 im Abstand y von der Unterseite des Saphirringes 11 befindet. Außerdem befindet sich die Koppelschleife 14 im radialen Abstand z von der Achse 12, wobei der Abstand z größer ist als der Außenradius R des Saphirringes 11. Insgesamt befindet sich die Koppelschleife 14 daher vorzugsweise radial außerhalb und axial beabstandet vom Saphirring 11.

Mit einem Pfeil 16 ist angedeutet, daß die Koppelschleife 14 in Richtung der Achse 12 verschiebbar ist. Es hat sich gezeigt, daß durch eine Bewegung der Koppelschleife 14 in Richtung des Pfeils 16 sich die Ankopplung des Saphirringes 11 in der gewünschten Weise variieren läßt, wie dies für Elektronenspin­ resonanz-Experimente bei unterschiedlichen Proben, Temperaturen u. dgl. wünschenswert ist.

Obwohl der Saphirring 11 als dielektrischer Ringresonator auch frei im Raum schwingungsfähig ist, werden Anordnungen bevorzugt, bei denen sich der Ring 11 innerhalb einer Abschir­ mung 17 befindet, wie dies in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Die Abschirmung 17 bewirkt dabei eine Konzentration des Mikrowellenfeldes und eine Unempfindlichkeit desselben gegen Einflüsse von außen, wenn eine Verstellung von Elementen am oder in der Nähe vom Ring 11 erforderlich ist.

Fig. 2 zeigt, daß das Mikrowellenkabel 15 durch eine geeignete Durchführung im Mantel der Abschirmung 17 hindurchgeführt ist, so daß sich die Koppelschleife 14 im Außenraum 18 zwischen der Abschirmung 17 und dem Ring 11 befindet. Im Betriebszustand der Fig. 2 habe die Koppelschleife 14 dann einen Abstand y₁ von der Unterseite des Ringes 11.

Mit gestrichelten Linien ist in Fig. 2 und 3 angedeutet, daß der Ring 11 für die hier anzustellende Betrachtung raumfest gehalten wird. Dies ist für Elektronenspinresonanz-Experimente wichtig und wünschenswert, weil mit der Lage des Ringes 11 im Raum auch die Lage der im Ring 11 befindlichen Probe definiert ist. Wenn nun beispielsweise eine Probenbestrahlung oder eine andere Art der Probenbehandlung während der Elektronenspin­ resonanz-Messung gewünscht wird, so soll die Lage der Probe möglichst konstant sein, auch wenn eine Verstellung, z. B. der Koppelvorrichtung, erforderlich ist.

Aus diesem Grunde wird bei dem erfindungsgemäßen Mikrowellen­ resonator 10 die Koppelschleife 14 zusammen mit der Abschirmung 17 relativ zum Ring 11 bewegt, um die Ankopplung zu verändern. Dies ist deutlich aus einem Vergleich der Fig. 2 und 3 zu ersehen, weil bei dem Zustand der Fig. 3 die Abschirmung 17′ sich jetzt um eine Strecke d unterhalb der Abschirmung 17 in Fig. 2 befindet. Dies hat zur Folge, daß sich der Abstand y der Koppelschleife 14 vom Ring 11 vom Wert y₁ in Fig. 2 auf den Wert y₂ in Fig. 3 vergrößert hat, weil der Ring 11 fest im Raum stehengeblieben ist.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht eines Ausfüh­ rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Mikrowellenresonators 10.

Zum besseren Verständnis der Fig. 4 muß man sich vor Augen halten, daß Mikrowellenresonatoren 10 für Elektronenspin­ resonanz-Experimente üblicherweise langgestreckte Gebilde sind, bei denen sich am oberen Ende die Anschlüsse einer Mikrowellenleitung, also beispielsweise eines Hohlleiters oder eines Koaxialkabels befinden, ebenso wie die Anschlüsse für ein Modulationssignal, für Temperiermedien, für Temperatur­ fühler und dergleichen mehr. Es schließt sich dann ein lang­ gestreckter Mittelabschnitt an, der so lange bemessen ist, daß ein am unteren Ende befindlicher Resonatorabschnitt zwischen Polschuhe eines Labormagneten gebracht werden kann, ohne daß das üblicherweise ausladende obere Ende, das wesentlich breiter als der untere Resonatorabschnitt ist, stört. Auf diese Weise ist es möglich, den unteren, schmalen Resonatorabschnitt in einen verhältnismäßig schmalen Luftspalt zwischen zwei Pol­ schuhen des Magneten zu bringen, während das obere Ende sich weit außerhalb der Polschuhe befindet, wobei Labormagneten wesentlich mehr Raum zur Verfügung steht, um dort die erforder­ lichen Anschlüsse herstellen und Temperiermedien einleiten zu können.

Beim Resonator 10 gemäß Fig. 4 befindet sich am oberen Ende eine Trägerplatte 30, auf der ein Koppelmechanismus 31 zum Einstellen der Kopplung montiert ist. Einzelheiten des Koppel­ mechanismus 31 werden weiter unten anhand der Fig. 5 noch erläutert werden.

Der Koppelmechanismus 31 ist so ausgelegt, daß ein vertikal verlaufender Koppelstab 32 in Vertikalrichtung verschoben werden kann, wie wiederum mit dem Pfeil 16 in Fig. 4 angedeutet.

Parallel zum Koppelstab 32 erstreckt sich durch die Trägerplatte 30 hindurch und von dieser gehalten ein starres Probenrohr 33, in das ein Probenstab 34 einführbar ist. Einzelheiten hierzu werden noch erläutert werden.

An die Unterseite der Trägerplatte 30 ist eine Temperierkammer 35 angeschlossen, die mit Anschlüssen 36 für ein Temperier­ medium, vorzugsweise Wasser, versehen ist.

Unterhalb der Temperierkammer 35 befindet sich ein Kryostat- Flansch 37, an dessen Unterseite ein Kryostat 38, beispielsweise für eine Temperierung bei der Temperatur des flüssigen Stick­ stoffs oder des flüssigen Heliums, angeschlossen werden kann. In diesem Falle dient die Temperierkammer 35 dazu, die Träger­ platte 30 thermisch vom Kryostaten 38 zu entkoppeln, indem über einen geeigneten Durchsatz von Temperiermedien über die Anschlüsse 36 dafür gesorgt wird, daß sich eine tiefe Temperatur aus dem Bereich des Kryostaten 38 nicht nach oben in den Bereich der Trägerplatte 30 und der darauf angeordneten Aggregate überträgt.

Mit 39a, b und c sind schließlich Steckanschlüsse symbolisiert, mit denen z. B. ein Modulationssignal für Modulationsspulen des Resonators 10 eingeleitet werden kann oder das Signal eines Thermoelementes abgenommen wird u. dgl.

Wie man deutlich aus Fig. 4 erkennt, läuft das Probenrohr 33, das sich lange nach unten von der Trägerplatte 30 weg erstreckt, in einen Flansch 40 aus, dem ein entsprechender Gegenflansch 41 gegenübersteht. Unterhalb des Gegenflansches 41 erstreckt sich das Probenrohr als getrenntes Element 33a weiter nach unten.

Entsprechendes gilt für den Koppelstab 32, der sich zunächt durch die Flanschen 40, 41 hindurch erstreckt, dann aber nach unten in einen Stecker 42 ausläuft, der mit einem Gegenstecker 43 verbunden ist. Vom Gegenstecker 43 setzt sich der Koppelstab 32a nach unten fort.

Auf diese Weise sind im Bereich des Probenrohres 33/33a bzw. des Koppelstabes 32/32a Trennebenen 50 bzw. 51 gebildet, entlang derer der Mikrowellenresonator 10 in ein Oberteil 52 und ein Unterteil 53 trennbar ist, wie mit Pfeilen in Fig. 4 angedeutet. Diese Maßnahme hat den Sinn, an ein und dasselbe Oberteil 52 eine Vielzahl unterschiedlicher Unterteile 53 ansetzen zu können, beispielsweise Unterteile 53, die für unterschiedliche Meßfrequenzen, Meßtemperaturen, Meßtechniken (z. B. Bestrahlung) u. dgl. ausgelegt sind.

Das Probenrohr 33a und der Koppelstab 32a laufen im Bereich des Unterteiles 53 nach unten in einen Flansch 45 aus, an den sich nach unten ein Resonatorgehäuse 46 sowie ein Koppel- und Abschirmelement 47 anschließen, wie weiter unten anhand der Fig. 6 noch im einzelnen erläutert werden wird.

Schließlich ist mit B₀ in Fig. 4 noch die Richtung des auf das Unterteil 53 einwirkenden konstanten Magnetfeldes bezeich­ net.

Fig. 5 zeigt weitere Einzelheiten des Oberteils 52.

Hinsichtlich des Probenrohres 33 erkennt man, daß dieses oben mit einem Spannfutter 60 versehen ist. Das Spannfutter 60 gestattet im gelösten Zustand, den Probenstab 34 von oben her einzuführen, um ihn dann in der Meßstellung durch Anziehen des Spannfutters 60 axial zu sichern.

Der Koppelstab 32 besteht im wesentlichen aus einer starren oder halbstarren Mikrowellenleitung, vorzugsweise einem halb­ starren Koaxial-Mikrowellenkabel, das ggf. noch durch ein Verstärkungsrohr o. dgl. zumindest abschnittsweise mechanisch stabilisiert werden kann. An seinem oberen Ende läuft der Koppelstab 32 in einen Stecker 63 aus, über den Mikrowellen­ energie zugeführt bzw. aus dem Resonator ausgekoppelte Signale abgenommen werden können.

Kurz unterhalb des Steckers 63 ist der Koppelstab 32 in einem Antriebsteil 64 axial starr gehalten. Dies wird durch Klemm­ schrauben 65 bewirkt, die den Koppelstab 32 im Antriebsteil 64 festklemmen. Das Antriebsteil 64 ist Bestandteil des Koppel­ mechanismus 31, der nachstehend erläutert werden soll:

In einem Dreh-Gleitlager 66 des Antriebsteiles 64, und zwar in der Darstellung der Fig. 5 vor dem Koppelstab 32 in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene ist eine Stange 67 axial verschiebbar, jedoch um die Achse des Dreh-Gleitlagers 66 verschwenkbar gehalten. Die Stange 67 durchsetzt zu diesem Zweck ein Langloch 68 im Antriebsteil 64. Die Stange 67 ist an ihrem in Fig. 5 linken Ende in einem Drehlager 69 der Trägerplatte 30 befestigt. Am rechten Ende der Stange 67 befindet sich ein Griff 70, mit dessen Hilfe die Stange 67 um die Achse des Drehlagers 69 verschwenkt werden kann, wie mit Pfeilen 75 angedeutet.

Zwischen Antriebsteil 64 und Griff 70 ist in einem Gelenk 71 eine Gewindespindel 72 an die Stange 67 angelenkt. Die Gewinde­ spindel 72 ist in einem Dreh-Gleitlager 73 der Trägerplatte 30 verschiebbar und drehbar geführt bzw. gelagert. Auf diese Weise ist die mit den Pfeilen 75 angedeutete Verschwenkbewegung der Stange 67 möglich. Um die Stange 67 in einer bestimmten Schwenkstellung verrasten zu können, läuft eine Rändelmutter 74 auf der Gewindespindel 72. Die Rändelmutter 74 kann gegen das Dreh-Gleitlager 73 verschraubt werden, um auf diese Weise die Gewindespindel 72 axial zu fixieren.

Es ist leicht erkennbar, daß ein Verschwenken der Stange 67 in Richtung der Pfeile 75 eine Verschiebung des Antriebsteils 64 in Vertikalrichtung bewirkt, so daß der Koppelstab 32 in Richtung des Pfeils 16 verschoben wird.

In Fig. 5 ist ferner zu erkennen, daß die Temperierkammer 35 mit einem Ringraum 78 versehen ist, der mit den schematisch angedeuteten Anschlüssen 36 kommuniziert, von denen in Fig. 5 nur einer dargestellt ist. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß die Temperierkammer 35 bei entsprechendem Durchsatz von Temperiermittel immer auf derselben Temperatur, vorzugsweise in der Nähe der Raumtemperatur, gehalten wird, unabhängig davon, ob an der Unterseite der Temperierkammer 35 im Bereich des Kryostat-Flansches 37 eine wesentlich niedrigere Temperatur herrscht.

Die Temperierkammer 35 und der Kryostat-Flansch 37 sind durch eine in Fig. 5 nur schematisch angedeutete Labyrinthdichtung 79 miteinander verbunden, so daß der Ringraum 78 nach dem Zusammenfügen von Temperierkammer 35 und Kryostat-Flansch 37 dicht verschlossen ist.

Der Kryostat-Flansch 37 weist an seiner Unterseite eine Ein­ drehung 80 auf, in die der Kryostat 38 eingesetzt werden kann.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kryostat 38 als Stickstoff-Kryostat angedeutet, d. h. als langgestrecktes, evakuiertes Glasgefäß, in dessen Innenraum die Temperatur des flüssigen Stickstoffs aufrechterhalten werden kann. Es versteht sich jedoch, daß mit 38 auch ein Helium-Kryostat gemeint sein kann, der baulich erheblich aufwendiger ist, um in seinem Innenraum die Temperatur des flüssigen Heliums einstellen zu können.

Fig. 6 zeigt weitere Einzelheiten des Unterteils 53 des Reso­ nators 10.

Hinsichtlich des Probenrohres 33a erkennt man aus Fig. 6 zunächst, daß dieses an seinem unteren Ende mittels eines Gewindes 82 in den Flansch 45 eingeschraubt ist. Das Probenrohr 33a ist im Bereich des Gewindes 82 innen mit einem konisch zulaufenden Zentrierabschnitt 83 versehen, der nach unten in einen Führungsabschnitt 84 geringeren Durchmessers übergeht, um sich dann in einem innenkonischen Abschnitt 85 zu seinem unteren Ende hin wieder aufzuweiten.

Konzentrisch zum Probenrohr 33a ist der Probenstab 34 geführt. Der Probenstab 34 besteht vorzugsweise aus einem glasfaser­ verstärkten Kunststoff. Der Probenstab 34 kann während eines Experimentes aus dem Probenrohr 33 bzw. 33a herausgezogen und wieder eingeführt werden, so daß ein Probenwechsel auch bei solchen Messungen möglich ist, die bei tiefer Temperatur ablaufen, ohne den gesamten Resonanzabschnitt des Resonators 10 aus dem kalten Bereich des Kryostaten 38 entnehmen zu müssen.

Der Probenstab 34 läuft an seinem unteren Ende in einen End­ abschnitt 87 aus, der mit einem Innengewinde versehen ist. In das Innengewinde ist eine Spannmutter 88 eingeschraubt, um ein Probenröhrchen 89 spannen zu können. Das Probenröhrchen 89 enthält eine zu untersuchende Probe 90.

In den innenkonischen Abschnitt 85 ist von unten ein Zentrier­ konus 91 eingesetzt, der im Gegensatz zu den übrigen bislang beschriebenen Teilen, die sämtlich aus Kunststoff bestehen, aus einem Metall hergestellt ist.

An den Zentrierkonus 91 schließt sich nach unten ein oberes Halteteil 92 an, das den Saphirring 11 von oben lagert. Von unten ist der Saphirring 11 durch ein unteres Halteteil 93 gehalten. An der Unterseite des unteren Halteteils 93 befindet sich ein Zentrierzapfen 94 für eine Druckfeder 95. Das untere Ende der Druckfeder 95 schließt sich um einen Zentrierzapfen 96 einer metallischen oder mikrowellen-absorbierenden Ver­ schlußschraube 97. Die Verschlußschraube 97 ist mit einer Durchgangsbohrung 98 versehen, damit das Probenröhrchen 89 sich auch weiter nach unten erstrecken kann, als dies in Fig. 6 beispielhaft angedeutet ist.

Aus Fig. 6, insbesondere in Verbindung mit Fig. 8, wird ferner deutlich, wie das Koppel- und Abschirmelement 47 im Resonator­ gehäuse 46 geführt und im einzelnen aufgebaut ist.

Das Element 47 besteht im wesentlichen aus der Abschirmung 17, die als Rohr ausgebildet ist. In das untere Ende des Rohres ist die Verschlußschraube 97 mittels eines entsprechenden Gewindes eingeschraubt.

Das Rohr besteht selbst vorzugsweise aus drei Lagen 170, 171, 172, die in einem vergrößerten Ausschnitt der Fig. 6 im einzel­ nen zu sehen sind.

Jede einzelne Lage 170, 171, 172 besteht aus einem Wickel eines Drahtes, wobei die innerste Lage 170 aus etwas dickerem Draht und die äußeren Lagen 171, 172 aus etwas dünnerem Draht gewickelt sind. Sinn dieser Maßnahme ist, einerseits eine hochfrequenztechnisch dichte Abschirmung 17 zu erreichen, andererseits aber den Durchtritt eines niederfrequenten Modu­ lationsfeldes zu gestatten.

An einer Seite ist das Rohr der Abschirmung 17 mit einem Ansatz 100 versehen, der in einer entsprechenden Nut 101 des Resonator­ gehäuses 46 läuft. Mit einem Sicherungsstift 102 wird erreicht, daß das Koppel- und Abschirmelement 47 nicht unter der Kraft der Druckfeder 95 nach unten aus dem Resonatorgehäuse 46 herausläuft.

Wenn der weiter oben anhand der Fig. 5 im einzelnen erläuterte Koppelmechanismus 31 betätigt wird, mit dem der Koppelstab 32a in Fig. 6 in Vertikalrichtung verschoben wird, so bewirkt dies, daß das Koppel- und Abschirmelement 47 zusammen mit der Abschirmung 17 in Richtung des Pfeiles 16 relativ zum Resonator­ gehäuse 46 verschoben wird, wobei die Druckfeder 95 zusammen­ gedrückt bzw. entspannt wird.

Die Koppelschleife 14 befindet sich dabei beispielsweise in der in Fig. 6 dargestellten Stellung außerhalb und unterhalb des Saphirringes 11, wie dies weiter oben zu Fig. 1 bereits im einzelnen erläutert wurde. Um ein ungestörtes Verfahren der Koppelschleife 14 zu ermöglichen, ist das untere Halteteil 93 in dessen Bereich mit einer vertikalen Nut 103 versehen, die in den Fig. 6 und 8 deutlich zu erkennen ist.

Schließlich zeigt Fig. 8 noch, daß Modulationsspulen 104 zweckmäßigerweise zu beiden Seiten der rohrförmigen Abschirmung 17 im Resonatorgehäuse 46 angeordnet bzw. eingegossen sind.

Zum Betrieb des erfindungsgemäßen Resonators wird zunächst für das jeweils durchzuführende Experiment ein geeignetes Unterteil 53 ausgewählt, das z. B. für die gewünschte Meßfrequenz (z. B. X- oder Q-Band) ausgelegt ist oder für eine bestimmte Meßtemperatur (z. B. Raumtemperatur, Temperatur des flüssigen Stickstoffs oder des flüssigen Heliums) oder entsprechend einer bestimmten Meßtechnik (z. B. unter Einwirkung von Bestrah­ lung, unter definierter Winkeldrehung) konstruiert ist.

Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß alle dieser unter­ schiedlichen Unterteile 53 sich an dasselbe Oberteil 52 ansetzen lassen.

Wenn auf diese Weise der Resonator 10 zusammengesetzt ist, wird er in Meßposition gebracht, also zwischen die Pole des Labormagneten und ggf. innerhalb eines Kryostaten 38.

Nun wird die Probe 90 bzw. eine entsprechende Probensubstanz in das Probenröhrchen 89 eingefüllt. Das gefüllte Probenröhrchen 89 wird mittels der Spannmutter 88 im Endabschnitt 87 des Probenstabes 34 eingespannt. Der Probenstab 34 wird dann bei gelöstem Spannfutter 60 von oben in das Probenrohr 33 einge­ schoben. Wenn sich das Probenröhrchen 89 in der in Fig. 6 dargestellten Position befindet, in der sich die Probe 90 innerhalb des Saphirringes 11 befindet, wird das Spannfutter 60 angezogen und damit der Probenstab 34 im Probenrohr 33 fixiert.

Nun kann die Elektronenspinresonanz-Messung durchgeführt werden. Hierzu wird zunächst die erforderliche Ankopplung an den Saphirring 11 hergestellt. Zu diesem Zwecke wird die Rändel­ mutter 74 auf der Gewindespindel 72 des Koppelmechanismus 31 (Fig. 5) gelöst und die Stange 67 mittels des Griffs 70 in Richtung der Pfeile 75 so lange verstellt, bis die Ankopplung an den Saphirring 11 optimal ist.

In dieser Stellung wird die Stange 67 und damit über den Koppelmechanismus 31 und den Koppelstab 32 die Koppelschleife 14 in ihrer jeweils angenommenen Stellung fixiert, indem die Rändelmutter 74 gegen das Dreh- und Gleitlager 73 verschraubt wird.

Nun wird die eigentliche Elektronenspinresonanz-Messung aus­ geführt.

Ein Probenwechsel ist dann in einfacher Weise möglich, indem der Probenstab 34 mit dem Probenröhrchen 89 aus dem Probenrohr 33 entnommen und mit einer neuen Probe wieder eingeführt wird, um dann nach neuer Optimierung der Ankopplung eine weitere Messung vornehmen zu können. Eine Herausnahme des gesamten Resonators 10 aus dem Luftspalt des Magneten oder zumindest aus einem ggf. verwendeten Kryostaten ist infolgedessen nicht erforderlich.

Claims (11)

1. Resonatoranordnung für die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie, mit einem ringförmigen, dielektrischen, eine Probe (90) umschließenden Resonanzring (11), bei dem Feldlinien (13) des Resonanzfeldes in Richtung der Achse (12) des Resonanzringes (11) austreten und sich im Außenraum (18) schließen und mit einer Koppelvorrichtung zum Ein- und Auskoppeln von Mikrowellen-Energie in bzw. aus dem Resonanzring (11), dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelvorrichtung eine Koppelschleife (14) umfaßt, die im Außenraum (18) angeordnet und in einer Richtung (16) parallel zur Achse (12) verschiebbar ist, wobei der Resonanzring (11) von einer zylindrischen Abschirmung (17) umgeben und die Abschirmung (17) starr mit der Koppelschleife (14) verbunden und zusammen mit dieser verschiebbar ist.

2. Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschleife (14) im axialen Abstand (y) von dem Resonanzring (11) angeordnet ist.

3. Resonatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschleife (14) in einem radialen Abstand (z-r) von dem Resonanzring (11) angeordnet ist.

4. Resonatoranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (17) aus mindestens einer Lage (170, 171, 172) gewickelten Drahtes besteht.

5. Resonatoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (17) mehrlagig aufgebaut ist.

6. Resonatoranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (17) in einer axialen Führung (101) eines Resonatorgehäuses (46) geführt ist.

7. Resonatoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (17) über eine Feder (11) auf dem im Resonatorgehäuse (46) gehaltenen Resonanzring (11) abgestützt ist.

8. Resonatoranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (17) mittels eines langgestreckten Koppelstabes (32, 32a) verschiebbar ist.

9. Resonatoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelstab (32, 32a) im wesentlichen aus einem mindestens halbstarren Mikrowellenkabel (15) besteht.

10. Resonatoranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelstab (32, 32a) mittels einer Steckverbindung (42, 43) unterteilbar ist.

11. Resonatoranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelstab (32) mittels eines Hebel-Koppelmechanismus (31) an dem vom Resonanzring (11) abgewandten Ende der Resonatoranordnung (10) verstellbar ist.