DE69232151T2 - Resonator für elektron-spins - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Elektronenspinresonanzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
• Das JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE, Band 92, Nr. 3, 1. Mai 1991, ORLANDO, MN US, Seiten 480-489, J.A. BRIVATI ET AL. "A RADIOFREQUENCY ESR SPECTROMETER FOR IN VIVO IMAGING" beschreibt einen Elektronenspinresonator, der einen Hohlraumresonator mit einem großen Kreisspalt, der derart abgestimmt werden kann, dass er genau bei 300 MHz in Resonanz ist, eine Quelle mit festgelegter Frequenz von 300 MHz mit hoher spektraler Reinheit und automatischer Abstimmung, und Koppel- und Phasesteuersysteme verwendet. Der Hohlraumresonator ist innerhalb eines magnetischen Feldes angeordnet, das durchgestimmt werden kann.
• In REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, Band 59, Nr. 8, 1. August 1988, N.Y. US, Seiten 1352-1356, J.S. HYDE ET AL. "EPR AUTOMATIC FREQUENCY CONTROL CIRCUIT WITH FIELD EFFECT TRANSISTOR (FET) MICROWAVE AMPLIFICATION" ist ein paramagnetisches Elektronenresonanzspektrometer mit einer automatischen Frequenzsteuerschaltung (AFC = automatic frequency control) beschrieben, die für das Einrasten der Frequenz eines Mikrowellenoszillators auf die Resonanzfrequenz eines Resonators verwendet wird, der die Probe enthält. Die bekannte AFC- Rückkoppelschleife überträgt eine 70 kHz-FM auf den Mikrowellenträger, erzeugt ein 70 kHz-Fehlersignal und überträgt dieses Fehlersignal durch einen phasenempfindlichen Detektor, damit ein Gleichstromsignal erzeugt werden kann, das an den Oszillator angelegt wird, um die Frequenzen des Oszillators und des Resonators aufeinander abstimmen zu können.
• Die meisten Elektronenspinresonatoren verwenden herkömmlich ein System zum Durchstimmen eines Magnetfeldes für eine Signaldetektion. Indem Elektronenspinresonator des Magnetfelddurchstimmsystems wird an eine Probe, die sich in einem statischen Magnetfeld befindet, ein Mikrowellenmagnetfeld angelegt und zudem wird das statische Magnetfeld so durchgestimmt, dass eine Absorption von Energie der Mikrowelle in der Probe mit einer Elektronenspinresonanz eingefangen werden kann. Normalerweise wird die Durchstimmung des statischen Magnetfeldes durch Durchstimmen des Erregungsstroms eines Permanentmagneten ausgeführt, der das statische Magnetfeld erzeugt. Eine große Energieversorgungsquelle für die Erregung und eine Kühlvorrichtung für eine Wärmeerzeugung der Durchstimmspule sind notwendig. Es scheint, dass es einen Elektronenspinresonator gibt, der ein System zum Durchstimmen einer Frequenz unter Verwendung von Permanentmagneten ohne eine große Energieversorgungsquelle für die Erregung gibt. Ein Bereich für das Durchstimmen ist auf ein extrem schmales Band beschränkt.
• In dem zuvor erwähnten Elektronenspinresonator ist das Magnetfelddurchstimmsystem die Hauptquelle und weniger das Frequenzdurchstimmsystem, da das Frequenzdurchstimmsystem primär die beiden nachfolgenden Probleme aufweist. Das erste Problem ist die Schwierigkeit bezüglich einer Durchstimmung in einem breiten Bereich der Mikrowellenfrequenz. Das zweite Problem besteht darin, dass ein Gütefaktor Q des Mikrowellenhohlraumresonators sehr hoch ist, wodurch es nur möglich ist, auf eine Frequenz in einem sehr schmalen Bereich zu reagieren.
• Das erste Problem wird nachfolgend im Detail beschrieben. Zum Abstimmen einer Frequenz eines Mikrowellenoszillators werden allgemein eine mechanische Abstimmung und eine elektrische Abstimmung zusammen verwendet. Bei der Messung der Elektronenspinresonanz wird die elektrische Abstimmung des Oszillators dazu verwendet, eine glatte und kontinuierliche Durchstimmung auszuführen. Es scheint, dass ein Durchstimmbereich von etwa 10% für die Messung der Elektronenspinresonanz normalerweise verwendet werden muss. In Klystrons, die weit verbreitet und herkömmlich verwendet werden, beträgt der einstellbare Bereich einer Frequenz gegenüber einer Ausgangsfrequenz der mechanischen Abstimmung 5% bis 10%, aber der Bereich für die elektrische Abstimmung beträgt nur 0,2% bis 0,5%. Auch wenn ein Varaktor zusammen mit einer Gunn-Diode seit kurzem und weit verbreitet verwendet wird, beträgt sie nur etwa 0,5%. Die elektrische Abstimmung konnte deshalb keine Durchstimmung der Frequenz der Mikrowelle in einem weiten Bereich ausführen.
• Bezüglich des zuletzt erwähnten Problems ist der Gütefaktor Q des Hohlraumresonators zum Detektieren des Elektronenspinresonanzsignals hoch oder beträgt 4.000 bis 10.000. Die Resonanzfrequenz ist fast nur durch die mechanische Abmessung des Resonators bestimmt. Es ist dann unmöglich, eine Durchstimmung der Frequenz in einem weiten Bereich auszuführen.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektronenspinresonator bereitzustellen, der ein System zum Durchstimmen einer Frequenz verwendet, das eine Durchstimmung in einem derart breiten Bereich ausführen kann, wie er tatsächlich für die Detektion eines Resonanzsignals ausreichend ist.
• Diese Aufgabe wird durch den Elektronenspinresonator von Anspruch 1 gelöst. Dementsprechend umfast der erfindungsgemäße Elektronenspinresonator zum Detektieren eines Elektronenspinresonanzsignals einer Probe einen Hohlraumresonator, der eine variable Resonanzfrequenz hat, einen Mikrowellenoszillator zum Erzeugen einer Mikrowelle mit einer Mikrowellenfrequenz, eine Schaltung zum Einkoppeln der Mikrowelle, die durch den Mikrowellenoszillator erzeugt wird, in den Hohlraumresonator, eine Mikrowellendetektionseinrichtung, die eine Mikrowelle von dem Hohlraumresonator detektiert und ein Ausgangssignal erzeugt, eine automatische Frequenzsteuerung, die mit der Mikrowellendetektionseinrichtung gekoppelt ist und das Ausgangssignal von der Mikrowellendetektionseinrichtung empfängt und ein Steuersignal erzeugt, das von dem empfangenen Ausgangssignal abhängt, um eine Differenz zwischen dem Mikrowellenfrequenzausgangssignal von dem Mikrowellenoszillator und der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators zu Null zu machen, wobei der Hohlraumresonator innerhalb eines festgelegten, polarisierten Magnetfeldes angeordnet ist und wobei der Mikrowellenoszillator eine Mikrowelle erzeugt, die in der Frequenz variabel ist.
• Gemäß dem Elektronenspinresonator der vorliegenden Erfindung sind frequenzvariable Mikrowellenoszillatoren, die einen weiten Bereich der Frequenzänderung annehmen, z. B. ein YTO (YIG-Tuned Oscillator = YIG-abgestimmter Oszillator), der ein YIG-Filter (YIG = Yttrium-Eisen-Granat) als eine Rückkoppelschaltung verwendet, und Frequenzsynthetisierer verwendbar, um die Frequenz des Oszillators derart zu steuern, dass sie der variablen Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators folgt. Um die Verwendung einer internen Modulationsspule zu vermeiden, die ansonsten die Änderung der Resonanzfrequenz erschweren würde, kann ein Hohlraumresonator mit variabler Resonanzfrequenz und mit einem weiten Bereich zur Steuerung der Mikrowellenfrequenz derart verwendet werden, dass sie der variablen Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators folgt, wodurch die Elektronenspinresonanz innerhalb eines notwendigen Bereichs mit Festlegen des polarisierten Magnetfeldes messbar ist.
• Gemäß der Erfindung ermöglicht ein Wechsel von dem Magnetfelddurchstimmsystem zu dem Frequenzdurchstimmsystem, dass es unnötig ist, die starke Energieversorgung für die Erregung und Kühlwasser und ähnliches zu verwenden. Diese Änderung ermöglicht es auch, den Elektronenspinresonator unabhängig von einer institutionellen Anlage zu machen, die eine Energieversorgungsquelle und ein Wasserzuführeinrichtung umfasst, so dass der Elektronenspinresonator tragbar wird, was eine erhebliche Reduzierung der Bedingungen für die Messung und seiner Einrichtungen bedeutet.
• In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Hohlraumresonator zum Detektieren von Elektronenspinresonanzsignalen einer gemessenen Probe in einem festgelegten, polarisierten Magnetfeld angeordnet, um eine Änderung einer Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators zu verursachen. Eine Einrichtung für eine automatische Frequenzsteuerung wird bereitgestellt, die ein Fehlersignal detektiert, das durch eine Differenz zwischen der Resonanzfrequenz und einer angelegten Mikrowellenfrequenz gegeben ist, die durch die Resonanzsignaländerung erzeugt wird, und dann das detektierte Signal verstärkt und weiterhin eine negative Rückkopplung des verstärkten Signals zu einem Mikrowellenoszillator leitet, wodurch die Frequenz der Mikrowelle gesteuert wird, damit die Mikrowellenfrequenz der Resonanzfrequenz derart folgen kann, dass das Fehlersignal zu Null wird.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Hohlraumresonator zum Detektieren des Elektronenspinresonanzsignals der gemessenen Probe in dem festgelegten, polarisierten Magnetfeld angeordnet, damit die Frequenz der Mikrowelle, die an den Hohlraumresonator angelegt wird, für eine Detektion eines Fehlersignals durchgestimmt werden kann, dass durch eine Differenz zwischen einer angelegten Mikrowellenfrequenz und einer Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators gegeben ist, die durch das Durchstimmen der angelegten Mikrowellenfrequenz erzeugt wird. Danach wird das Signal verstärkt und dann einer negativen Rückkopplung in eine Steuereinrichtung zum Steuern der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators unterzogen, wodurch die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators derart gesteuert wird, dass die Mikrowellenfrequenz derart der Resonanzfrequenz folgt, dass das Fehlersignal zu Null wird.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen erwähnt.
In den Zeichnungen:
• Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Ausführungsform eines Elektronenspinresonators gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
• Fig. 2 ist eine plane Ansicht, die einen detaillierten Aufbau eines zylindrischen Hohlraumresonators eines TE&sub0;&sub1;&sub1;-Modus zeigt, der in einem Elektronenspinresonator in Fig. 1 verwendet wird.
• Fig. 3 ist eine seitliche Ansicht, die einen detaillierten Aufbau eines zylindrischen Hohlraumresonators eines TE&sub0;&sub1;&sub1;-Modus zeigt, der in einem Elektronenspinresonator in Fig. 1 verwendet wird.
• Fig. 4 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine weitere Ausführungsform eines Elektronenspinresonators gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
• Fig. 5 ist eine erläuternde Ansicht bezüglich eines Verfahrens für eine automatische Frequenzsteuerung, die in einem Elektronenspinresonator gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
• Ausführungsformen eines Elektronenspinresonator gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend im Detail mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.
• Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Ausführungsform eines Elektronenspinresonators gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Die Fig. 2 und 3 sind Konstruktionsansichten, die im Detail einen zylindrischen Hohlraumresonator in einem TE&sub0;&sub1;&sub1;- Modus erläutern, der in dem Elektronenspinresonator in Fig. 1 verwendet wird. Gemäß Fig. 1 sind ein Hohlraumresonator 12, in dem eine Messprobe untergebracht ist, und Magnetfeldmodulationsspulen 14 in einem festgelegten polarisierten Magnetfeld angeordnet, das durch die Permanentmagneten 10 ausgebildet wird. Eine Mikrowellenenergie wird durch den Mikrowellenoszillator 16 erzeugt und dann durch einen Isolator 18, einen Dämpfer 20 und einen Zirkulator 24 in den Hohlraumresonator 12 eingekoppelt. Die Probe zeigt eine Spinresonanz für die Absorption eines Teiles der zugeführten Mikrowellenenergie, wodurch eine Änderung der Resonanzimpedanz des Hohlraumresonators auftritt. Ein Reflexionskoeffizient des Hohlraumresonators wird dann geändert bzw. variiert, um eine Änderung der Mikrowelle zu verursachen, die durch den Zirkulator 24 in ein Hyprid-T 28 eingekoppelt wird. Dies ist ein Signal, das als Elektronenspinresonanz der Probe detektiert wird. Andererseits wird in einem statischen Magnetfeld an die Magnetfeldmodulationsspulen 14 ein Strom mit einer Frequenz fm angelegt, der von einem Mikrowellenoszillator 46 zugeführt wird, wodurch an das polarisierte Magnetfeld eine Magnetfeldmodulation mit einer Frequenz fm angelegt wird. Das Resonanzsignal enthält dann eine Modulationskomponente mit der Frequenz fm.
• Ein Referenzmikrowellensignal wird von dem Mikrowellenoszillator ausgekoppelt und dann durch ein Dämpfungsglied 30 und einen Phasenschieber 32 in das Hyprid-T 28 eingekoppelt. Das Mikrowellensignal wird mit dem Referenzmikrowellensignal gemischt, um durch die Mikrowellendetektoren 34 und 36 detektiert werden zu können. Dies wird als Homodynedetektion bzw. Synchrondetektion bezeichnet. Ausgänge der Mikrowellendetektoren 34 und 36 erhalten die Frequenzkomponente der Frequenz fm. Das Resonanzsignal von der Probe und das Referenzmikrowellensignal werden einer H-Seite bzw. einer E-Seite des Hybrid-T zugeführt. Nach der Homodynedetektion werden die modulierten Signalkomponenten an den Ausgängen der Mikrowellendetektoren 34 und 36 als Signale erhalten, die die gleichen Amplituden und zueinander entgegengesetzte Phasen haben. Ein Signalverstärker zum Empfangen dieser Signale verwendet ein Differenzverstärkersystem derart, dass die beiden modulierten Signalkomponenten miteinander addiert werden und dann für eine nachfolgende Übertragung zu dem Phasendetektor 40 verstärkt werden. Die Referenzmikrowellen werden in Phase zu dem Mikrowellendetektor 34 bzw. dem Mikrowellendetektor 36 übertragen. Nach der Homodynedetektion treten die Referenzmikrowellen auch als detektierte Ausgangssignale mit gleicher Phase auf und werden dann durch den Differenzverstärker gelöscht, ohne dass sie durch den Verstärker 38 gelangen. Dies entfernt eine Änderung der Amplitude des Oszillators 16 oder ein Gleichtaktrauschen unabhängig von dem Resonanzsignal, damit die Empfindlichkeit des Elektronenspinresonators verbessert werden kann.
• Ein Teil des Ausgangssignals von dem Magnetfeldmodulationsoszillator 42 wird als Referenzsignal der Phasendetektion durch den Phasenschieber 44 in den Phasendetektor 40 eingekoppelt. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 40 erhält dann eine Gleichstromkomponente, die proportional zu der Modulationssignalkomponente und zu einem Kosinus einer Phasendifferenz zwischen der modulierten Signalkomponente und dem Referenzsignal für eine nachfolgende Übertragung zu einer externen Ausgangsvorrichtung ist, z. B. einer Aufzeichnungseinheit oder einem A/D-Wandler. Der Phasenschieber 44 stellt die Phasen derart ein, dass die Gleichstromkomponente maximal wird, d. h., die Phasendifferenz zwischen der modulierten Signalkomponente und der Referenzsignalkomponente wird zu Null.
• Eine Energieversorgungsquelle 52 für den Mikrowellenoszillator, ein Mikrowellendetektor 46, ein Schmalbandverstärker 48 für niedrige Frequenz, ein Oszillator 54 für niedrige Frequenz und ein In-Phase-Schieber 56 bilden ein System mit automatischer Frequenzsteuerung (nachfolgende als AFC bezeichnet), das die Mikrowellenfrequenz fm gleich der Resonanzsignalfrequenz f&sub0; bereitstellt. Der Betrieb der AFC ist mit dem Hohlraumresonator 12 verbunden und wird nach der Beschreibung des Hohlraumresonators beschrieben.
• Ein zylindrischer Hohlraumresonator 12 mit einem TE&sub0;&sub1;&sub1;-Modus, der in dem Elektronenspinresonator gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist so aufgebaut, wie es in Fig. 2 und 3 gezeigt und erläutert ist. Die Fig. 2 und 3 sind eine Draufsicht und eine Seitenansicht und die rechten Hälften davon sind Querschnittsansichten. Der Hohlraumresonator 12 ist an einem oberen Abschnitt an einer axialen Mitte eines Zylinders 120 mit einer halben Endbefestigungsplatte 122, die ein Probenrohreinsetzloch 121 hat, bzw. an einem unteren Abschnitt mit einer beweglichen Endplatte 60 vorgesehen. Der Zylinder 120 und die beiden zuvor erwähnten Platten sind an diesen inneren Flächen mit dünnen leitenden Schichten 123 ausgebildet. Ein Paar Magnetmodulationsspulen 14 und 14 ist rechtwinklig zu der axialen Richtung des Zylinders 120 angeordnet. Dieses Beispiel stellt einen zylindrischen Hohlraumresonator mit TE&sub0;&sub1;&sub1;-Modus im X-Band dar, in den der Zylinder 120 eindringt, der einen Durchmesser von ungefähr 42 mm hat. Ein Körper 124 des Hohlraumes wird durch Hohlraumträger 125 und 125 an gegenüberliegenden Enden davon mit Hohlraummontageschrauben 126 und 126 gehalten. Der Zylinder 120 ist mit einem Wellenleiter 128 durch ein Koppelloch 127 gekoppelt. Die bewegbare Endplatte 60 an dem unteren Ende des Zylinders 120 ist durch Schrauben für eine leichte Bewegung eingekerbt und weiterhin mit einem Antriebszahnrad 64 für die Endplatte versehen. Ein Durchmesser der bewegbaren Endplatte 60 ist an ihrem Abschnitt, der als eine Innenfläche des Hohlraums dient, etwas kleiner als der interne Durchmesser des Hohlraumzylinders 120, so dass sie eine λ/4 Drosselstruktur 66 hat, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die bewegliche Endplatte 60 ist dann durch eine Mikrowelle, aber nicht mechanisch, mit der zylindrischen Innenwand gekoppelt. Dies ermöglicht die Änderung der Resonanzfrequenz unter Beibehaltung eines hohen Gütefaktors Q des Hohlraumresonators. Es war bekannt, dass es möglich ist, das Auftreten eines TN&sub1;&sub1;&sub1;-Modus zu verhindern, der dazu neigt, in einen TE&sub0;&sub0;&sub1;-Modus zu degenerieren. Der Hohlraumkörper 120 besteht aus Quarzglas mit einem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten. In Alternative sind Keramiken mit einem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten und ein Hochpolymer anwendbar. Der Hohlraumresonator 12 hat an seinem kubischen Block einen Hohlraum, der sowohl den Frequenzmodus als auch den Verwendungsmodus der Mikrowelle einstellt.
• Die Resonanzfrequenz f&sub0; des zylindrischen TE&sub0;&sub1;&sub1;-Modus-Hohlraumresonators 12 ist bekanntlich durch die nachfolgende Gleichung gegeben.
• (f&sub0;·D)² = C&sub2;(3,8317/π)² + (C/2)²(D/L)²,
• wobei C die Lichtgeschwindigkeit ist und D und Lein Durchmesser bzw. eine axiale Länge des Hohlraumresonators 12 sind. Wenn der Durchmesser D festgelegt ist und die axiale Länge L geändert wird, wird die Resonanzfrequenz derart geändert, dass sie fast umgekehrt proportional zur axialen Länge L ist.
• Eine Endplattenantriebseinrichtung 58 der bewegbaren Endplatte 60 kann so aufgebaut sein, dass die λ/4-Drosselstruktur 66 an ihrer hinteren Lage in der bewegbaren Endplatte 60 mit den Schrauben eingekerbt ist, wie in den Fig. 2 und 3 erläutert ist, um die bewegbare Platte 60 durch das Antriebszahnrad 64 für die Endplatte und durch Schrittmotoren, die nicht gezeigt sind, für eine weiche und gleichmäßige Bewegung der bewegbaren Platte 60 entlang der Innenwand des Hohlraumes zu drehen. In Alternative ist es möglich, eine bekannte Luftlagereinrichtung bereitzustellen, die in einer Öffnung zwischen der bewegbaren Platte 60 und der Innenwand des Hohlraumresonators für eine gleichmäßige Bewegung der bewegbaren Platte 60 vorgesehen werden kann. Natürlich ist es möglich, derartige Bewegungseinrichtungen für die Endplatte zu verwenden, dass die Aufgabe der vorliegenden Erfindung erfüllt werden kann.
• Bislang wurde der Elektronenspinresonator mit der Schaltungskonfiguration behandelt, die mit dem Hohlraumresonator 12 und der Endplattenantriebseinrichtung 58 versehen ist, wie in Fig. 1 erläutert ist. Nachfolgend wird die Einrichtung für automatische Frequenzsteuerung (AFC) erläutert, die veranlasst, dass die Mikrowellenfrequenz f durch Durchstimmen variabel der Resonanzfrequenz f&sub0; folgt und entspricht.
• Dem Mikrowellenoszillator 16 wird eine aktive Spannung und ein Frequenzsteuersignal von der Energieversorgung 52 für den Mikrowellenoszillator zugeführt. Dem Frequenzsteuersignal wird eine kleine Sinuswelle mit einer Frequenz fa von einem Oszillator 54 für niedrige Frequenz derart überlagert, dass der Mikrowellenoszillator 16 eine Mikrowellenfrequenz ausgibt, die durch die niedrige Frequenz moduliert ist und durch einen Kreis bzw. eine Schleife eingefangen wird, die in dem Oszillator 54 für niedrige Frequenz vorgesehen ist. Die in den Wellendetektor 46 einzugebende Mikrowelle wird einer Amplitudenmodulation mit einer Frequenz fa gemäß der Eigenschaft des Hohlraumresonators, wie in Fig. 5(A) gezeigt ist, unterzogen, in der f die Mikrowellenfrequenz, f&sub0; eine Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators und fa eine niedrige Frequenz ist, die durch eine Modulation für die Mikrowelle gegeben ist.
• Wenn f = f&sub0; ist, wird die Mikrowelle einer Amplitudenmodulation mit einer Frequenz 2fa unterzogen, wie in Fig. 5(A) gezeigt ist. Der Mikrowellendetektor 46 detektiert dann die Mikrowelle und erzeugt dann das Signal mit der Frequenz 2fa als Ausgangssignal mit der niedrigen Frequenz und keine Zusammensetzung mit der Frequenz fa. Wenn die Mikrowellenfrequenz f nicht gleich der Resonanzfrequenz 4 ist, gemäß f < f&sub0; oder f > f&sub0;, wird ein Ausgangssignal mit der Frequenz fa in Phase oder in umgekehrter Phase zu dem Referenzsignal an dem Phasendetektor 50 erhalten. Das erhaltene Ausgangssignal hat eine Amplitude, die fast proportional zu einer Differenz zwischen f und f&sub0; in der Nachbarschaft der Resonanzfrequenz f&sub0; ist. Diese Frequenzkomponente wird durch den Schmalbandverstärker mit einer Mittenfrequenz fa verstärkt und dann zu dem Phasendetektor 50 übertragen. An den Phasendetektor 50 wird das Referenzsignal mit der Frequenz fa von dem Oszillator 54 angelegt. Der Phasendetektor 50 zeigt dann einen Null-Ausgang, wenn f = f&sub0; ist. Wenn die Mikrowellenfrequenz nicht gleich der Resonanzfrequenz f&sub0; ist, gemäß f < f&sub0; oder f > f&sub0;, wird ein positiver oder negativer Gleichstromausgang erhalten, wie in Fig. 5(B) gezeigt ist. Dieses Ausgangssignal wird einer negativen Rückkopplung in die Mikrowellenoszillator-Energieversorgungsquelle 52 als ein Fehlersignal unterzogen, das einen Grad der Fehlabstimmung der Mikrowelle f gegenüber der Resonanzfrequenz 4 angibt. Dies ermöglicht, dass die Mikrowellenfrequenz f derart gesteuert wird, dass sie gleich dem Resonanzsignal f&sub0; durch das Steuersignal für den Mikrowellenoszillator 16 wird. Der Phasenschieber 56 ist für die Einstellung der Phasen derart vorgesehen, dass eine Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Wellendetektors 46 und dem Referenzsignal für den Phasendetektor 50 zu Null wird. Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf den Betrieb der AFC-Schaltung, die einem Durchschnittsfachmann bekannt ist. Die vorliegende Erfindung verwendet ein Verfahren wie die automatische Mikrowellenfrequenzsteuerung. Die herkömmliche AFC führt eine Konstantwertsteuerung zum Setzen eines Sollwerts der Steuerung an die festgelegte Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators aus. Im Unterschied hierzu führt die vorliegende Erfindung eine Folgesteuerung aus, die einen Sollwert auf die variable Resonanzfrequenz setzt und dann veranlasst, dass die Mikrowellenoszillatorfrequenz dem Sollwert folgt. Das Folgesteuersystem bzw. Folgeregelsystem versucht den Steuerungsversatz zu beseitigen, indem Steuerelemente zwei dimensionale Integralelemente enthalten, obwohl die Zeichnung dies nicht klar zeigt.
• Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaltungskonfiguration der Elektronenspinresonanz. Aus Vereinfachungsgründen sind die gleichen Aufbauelemente wie die der Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet und diesbezügliche Beschreibungen werden deshalb weggelassen. Der Unterschied der Ausführungsform der Fig. 4 gegenüber den anderen besteht darin, dass ein Ausgangssignal eines Durchstimmspannungsgenerators 68 der Mikrowellenoszillator-Energieversorgungsquelle 52 zugeführt wird und dass eines der Ausgangssignale des Oszillators 54 für niedrige Frequenz für das AFC durch einen Phasenschieber 70 dem Phasendetektor 50 zugeführt wird und dass auch ein Ausgangssignal des Phasendetektors 50 der Endplattenantriebseinrichtung 58 zugeführt wird.
• In dieser Ausführungsform wird die Mikrowellenfrequenz f durch den Durchstimmspannungsgenerator 68 durchgestimmt. Ein Fehlersignal f-f&sub0; zwischen der Resonanzfrequenz f&sub0; und der Mikrowellenfrequenz f, das durch die Detektion mit dem Wellendetektor 46 angegeben wird, wird durch den Niederfrequenzverstärker 48 verstärkt und dann negativ zu der Endplattenantriebseinrichtung 48 durch den Phasendetektor 50 zurückgekoppelt. Die Endplattenantriebseinrichtung 58 stellt die Resonanzfrequenz f&sub0; des Hohlraumresonators 12 derart ein, dass sie dem Sollwert folgt.
Industrielle Anwendbarkeit.
• Aus den zuvor beschriebenen Ausführungsformen geht hervor, dass gemäß der vorliegenden Erfindung der Mikrowellenoszillator für variable Frequenz derart verwendet wird, dass die Oszillationsfrequenz so gesteuert bzw. geregelt wird, dass sie der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators mit variabler Resonanzfrequenz folgt. Dies ermöglicht ein Durchstimmen in einem weiten Bereich der Mikrowellenfrequenz und eine Messung der Elektronenspinresonanz in einem weiten Frequenzbereich, der einen notwendigen Bereich mit Festlegen des polarisierten Magnetfeldes abdeckt.
• Dies ermöglicht, dass die Permanentmagneten als polarisiertes Magnetfeld effektiv verwendet werden können, um erhebliche Vorteile bezüglich einer großen Reduktion der erforderlichen Energie und bezüglich der Unabhängigkeit von einer Wasserzuführeinrichtung bereitstellen zu können.
• Weiterhin werden Spektren als ein Betrag entsprechend einer Frequenz oder einer Energie für eine nachfolgende direkte Analyse und ihrer Eigenschaften gemessen.
• Obwohl sich die vorstehende, bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf den zylindrischen TE&sub0;&sub1;&sub1;-Modus- Hohlraumresonator als ein Beispiel beziehen, ist das vorstehende Verfahren allgemein auch auf einen zylindrischen TE01n-Modus- Hohlraumresonator (n ist eine ganze Zahl) anwendbar. Dementsprechend ist es nicht beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung auf die vorstehend erläuterten Ausführungsformen beschränkt ist.

Claims (8)

1. Elektronenspinresonanzvorrichtung zum Detektieren eines Elektronenspinresonanzsignals einer Probe, die aufweist:

einen Hohlraumresonator (12), der eine variable Resonanzfrequenz (f&sub0;) hat,

einen Mikrowellenoszillator (16) zum Erzeugen einer Mikrowelle mit einer Mikrowellenfrequenz (f),

eine Schaltung (18, 20, 24) zum Einkoppeln der Mikrowelle, die durch den Mikrowellenoszillator (16) erzeugt wird, in den Hohlraumresonator (12),

eine Mikrowellendetektionseinrichtung (46), die eine Mikrowelle von dem Hohlraumresonator (12) detektiert und ein Ausgangssignal erzeugt,

eine Einrichtung (50, 52, 54, 56; 50, 54, 70) für automatische Frequenzsteuerung, die mit der Mikrowellendetektionseinrichtung (46) gekoppelt ist und die das Ausgangssignal von der Mikrowellendetektionseinrichtung (46) empfängt und ein Steuersignal erzeugt, das von dem empfangenen Ausgangssignal abhängt, um eine Differenz zwischen der Mikrowellenfrequenz (f), die von dem Mikrowellenoszillator (16) ausgegeben wird, und der Resonanzfrequenz (f&sub0;) des Hohlraumresonators (12) zu Null zu machen, dadurch gekennzeichnet,

dass der Hohlraumresonator (12) innerhalb eines festgelegten, polarisierten Magnetfeldes angeordnet ist und dass der Mikrowellenoszillator (16) eine Mikrowelle erzeugt, die in der Frequenz variabel ist.

2. Elektronenspinresonanzvorrichtung nach Anspruch 1, worin das Steuersignal der Einrichtung (50, 52, 54, 56) für automatische Frequenzsteuerung den Mikrowellenoszillator (16) derart steuert, dass die Frequenz (f) der erzeugten Mikrowelle derart geändert wird, dass die Differenz zwischen der Frequenz (f) der Mikrowelle und der Resonanzfrequenz (f&sub0;) des Hohlraumresonators (12) zu Null wird.

3. Elektronenspinresonanzvorrichtung nach Anspruch 1, worin das Steuersignal der Einrichtung (50, 54, 70) für automatische Frequenzsteuerung den Hohlraumresonator (12) derart steuert, dass die Resonanzfrequenz (f&sub0;) des Hohlraumresonators (12) so variiert wird, dass die Differenz zwischen der Frequenz der Mikrowelle und der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators (12) zu Null wird.

4. Elektronenspinresonanzvorrichtung nach Anspruch 3, worin der Mikrowellengenerator (16) eine Mikrowelle erzeugt, die eine Frequenz (f) hat, die durchgestimmt wird.

5. Elektronenspinresonanzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Hohlraumresonator (12) einen Zylinder (120), der einen Hohlraum umschließt, und eine Endplatte (60) aufweist, die in dem Hohlraum bewegbar ist, um die Resonanzfrequenz (f&sub0;) des Hohlraumresonators (12) zu variieren.

6. Elektronenspinresonanzvorrichtung nach Anspruch 5, worin eine Plattenantriebseinrichtung (58) zum Bewegen der Endplatte (60) vorgesehen ist.

7. Elektronenspinresonanzvorrichtung nach Anspruch 6, worin das Steuersignal der Einrichtung (50, 54, 70) für automatische Frequenzsteuerung die Plattenantriebseinrichtung (58) derart steuert, dass die Endplatte (60) bewegt wird.

8. Elektronenspinresonanzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Niederfrequenzoszillator (54) eine Welle mit einer niedrigen Frequenz (fa) erzeugt, die dem Steuerausgangssignal für den Mikrowellenoszillator (16) überlagert wird.