JP2007010331A - Automatic controller for electron spin resonance measurement device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an automatic controller for a continuous electron spin resonance measurement device capable of compensating the disturbance caused by the motion of a specimen and capable of stable measurement at the time of measuring the living specimen in a microwave resonator. <P>SOLUTION: The automatic matching controller of the electron spin resonance measurement device comprises the detection circuit D2 for envelope detecting the reflection signal partially branched from the transmission line connected with the resonator, the oscillator O3 for outputting the reference signal, the phase shifter 103 for phase regulating the inversion processed reference signal, the highpass filter circuit 105 connected to the behind of the phase shifter, the balanced modulator M2 for mixing the detection signal of the detection circuit and the reference signal passed through the highpass filter circuit, the integrator 104 for integrating the output of the balanced modulator, the phase compensation circuit 106 for operating for securing the margin of the phase regulation by the phase shifter, and the adder for sending the control signal by adding the reference signal to the output signal of the integrator. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置に関し、特に、連続波による電子スピン共鳴測定装置において、マイクロ波共振器内に収納された或いは近接した生体試料を測定する際に、該生体試料の動きによる擾乱を補償し、電子スピン共鳴測定を安定に行える自動制御装置に関する。   The present invention relates to an automatic control device for an electron spin resonance measuring apparatus, and more particularly to a biological sample stored in or close to a microwave resonator in a continuous wave electron spin resonance measuring apparatus. The present invention relates to an automatic control device that can compensate for disturbance caused by the movement of the sensor and stably perform electron spin resonance measurement.

一般に、電子スピン共鳴(ESR)測定法は、電子が有する磁気モーメントの運動を利用して、フリーラジカルのような不対電子を持つ原子や分子について測定する方法である。通常、電子は、原子又は分子の軌道上で対をなして含まれるが、遷移金属イオンやラジカルの最外軌道上では、例えば、1個の電子のみが存在する場合には、これが不対電子となる。   In general, the electron spin resonance (ESR) measurement method is a method for measuring atoms and molecules having unpaired electrons such as free radicals by using the motion of magnetic moment of electrons. Normally, electrons are included in pairs on the orbits of atoms or molecules, but on the outermost orbitals of transition metal ions and radicals, for example, when only one electron exists, this is an unpaired electron. It becomes.

ESRの応用分野は、化学、物理学、生物学、及び医学等のように広範囲にわたる。最近では、生体内に自然発生するフリーラジカルが、癌や老化等に関係しているのではないかとされ、医学や生物学などの分野で話題になっている。ESR測定は、不対電子を有するフリーラジカルを非破壊的に測定でき、現段階では有効な方法である。   ESR has a wide range of application fields such as chemistry, physics, biology, and medicine. Recently, free radicals that occur naturally in the living body are thought to be related to cancer, aging, and the like, and have become a hot topic in the fields of medicine and biology. The ESR measurement can measure a free radical having an unpaired electron nondestructively, and is an effective method at the present stage.

ESR測定装置には、主に、パルスESR法と連続波ESR(CW−ESR)法とが採用されているが、従来のCW−ESR法は、マイクロ波の周波数を一定にし、磁界掃引を行うことにより、ESR信号を測定するという原理に基づいており、さらに、高感度化のためには、磁界変調をかけて測定するようにしている。   The ESR measurement apparatus mainly employs the pulse ESR method and the continuous wave ESR (CW-ESR) method, but the conventional CW-ESR method performs a magnetic field sweep with a constant microwave frequency. Therefore, it is based on the principle of measuring the ESR signal, and in order to further increase the sensitivity, the measurement is performed by applying magnetic field modulation.

従来のCW−ESR測定装置の概略構成が、図1に示されている。CW−ESR測定装置におけるESR測定のための基本的構成は、発振器O1、ブリッジC、ESR共振部R、位相敏感検波(PSD)回路1、そして、ESR共鳴測定制御装置2からなる。ESR共鳴共振部Rは、共振器R1、一対の直流磁界用マグネットR2、一対の変調磁界用コイルR3を有している。発振器O1は、マイクロ波等の測定用搬送波を発生するものである。発振周波数としては、例えば、1.1GHz等が用いられる。   A schematic configuration of a conventional CW-ESR measuring apparatus is shown in FIG. The basic configuration for the ESR measurement in the CW-ESR measurement device includes an oscillator O1, a bridge C, an ESR resonance unit R, a phase sensitive detection (PSD) circuit 1, and an ESR resonance measurement control device 2. The ESR resonance resonance section R includes a resonator R1, a pair of DC magnetic field magnets R2, and a pair of modulation magnetic field coils R3. The oscillator O1 generates a measurement carrier wave such as a microwave. For example, 1.1 GHz is used as the oscillation frequency.

図1では、共振器R1が、変調磁界用コイルR3の上方に置かれているが、測定時には、試料が変調磁界用コイルR3の間に配置されるので、共振器R1は、サーフェイスコイル型の場合では、試料に接触又は近接され、或いは、ループ・ギャップ型の場合では、その内部に試料が配置される。一対の直流磁界用マグネットR2は、試料の測定部位に直流磁界を印加して磁界掃引を行うものであり、直流電源5により駆動される。また、一対の変調磁界用コイルR3は、高感度の測定を実現するため、変調磁界を印加するものであり、電力増幅器6により、発振器O2の変調信号が電力増幅され、供給される。   In FIG. 1, the resonator R1 is placed above the modulation magnetic field coil R3, but at the time of measurement, the sample is disposed between the modulation magnetic field coils R3, and therefore the resonator R1 is a surface coil type. In some cases, the sample is in contact with or close to the sample, or in the case of a loop gap type, the sample is placed therein. The pair of DC magnetic field magnets R <b> 2 performs a magnetic field sweep by applying a DC magnetic field to the measurement site of the sample, and is driven by the DC power supply 5. The pair of modulation magnetic field coils R3 apply a modulation magnetic field in order to realize high-sensitivity measurement, and the power amplifier 6 power-amplifies and supplies the modulation signal of the oscillator O2.

ブリッジCは、その内部にサーキュレータを含み、或いは、方向性結合器やハイブリッド等により構成されてもよい。その役割は、発振器O1からのマイクロ波を共振器R1に供給し、共振器R1で反射され振幅変調されたマイクロ波をPSD回路1に伝送することにある。PSD回路1は、反射されたマイクロ波を、発振器O2からの変調信号に基づいて位相検波し、その検波信号をESR共鳴測定制御装置2に伝送する。ESR共鳴測定制御装置2は、測定システム全体を制御するとともに、検波信号に基づいて測定を行う。   The bridge C includes a circulator therein, or may be configured by a directional coupler, a hybrid, or the like. Its role is to supply the microwave from the oscillator O1 to the resonator R1, and transmit the microwave reflected and amplitude-modulated by the resonator R1 to the PSD circuit 1. The PSD circuit 1 performs phase detection on the reflected microwave based on the modulation signal from the oscillator O2, and transmits the detection signal to the ESR resonance measurement control device 2. The ESR resonance measurement control device 2 controls the entire measurement system and performs measurement based on the detection signal.

この様に構成されたCW−ESR測定装置では、同軸ケーブルを介して、周波数一定のマイクロ波が、例えば、1ターンコイルを有するループ・ギャップ共振器R1に伝送され、その内部に置かれた試料に供給される。試料が置かれた共振器R1から反射された反射波は、1ターンコイルを介してブリッジCに戻される。測定の際、直流磁界用コイルR2が、試料に印加する磁界を直流掃引するとともに、変調磁界用コイルR3が磁界の時間的変化を発生する。   In the CW-ESR measuring apparatus configured as described above, a microwave having a constant frequency is transmitted to, for example, a loop gap resonator R1 having a one-turn coil via a coaxial cable, and is placed inside the sample. To be supplied. The reflected wave reflected from the resonator R1 on which the sample is placed is returned to the bridge C through the one-turn coil. At the time of measurement, the DC magnetic field coil R2 sweeps the magnetic field applied to the sample by DC, and the modulation magnetic field coil R3 generates a temporal change of the magnetic field.

次に、CW−ESR測定装置における一部詳細構成を示した図2を参照して、その測定装置の動作の概略を説明する。変調用の発振器O2から発振出力された変調信号は、電力増幅器を介して、変調磁界用コイルR3に供給されるとともに、PSD回路1にも供給され、ここで、位相、振幅及び直流成分が調整される。発振器O1から出力されたマイクロ波は、分配器により、主線路用マイクロ波及び参照用マイクロ波に分岐される。   Next, an outline of the operation of the measurement apparatus will be described with reference to FIG. 2 showing a partial detailed configuration of the CW-ESR measurement apparatus. The modulation signal oscillated and output from the modulation oscillator O2 is supplied to the modulation magnetic field coil R3 through the power amplifier and also to the PSD circuit 1, where the phase, amplitude and DC component are adjusted. Is done. The microwave output from the oscillator O1 is branched into a main line microwave and a reference microwave by a distributor.

主線路用マイクロ波は、ブリッジCに供給される。ブリッジCにより分岐された主線路マイクロ波は、1ターンコイルを経て共振器R1に導かれ、共振器R1内の試料に供給される。このとき、1ターンコイルと共振器R1との距離を調整することで、反射を最小とするように調整する。試料が内包される共振器R1から反射された反射波は、再び1ターンコイルを経て、ブリッジCに戻される。反射波は、増幅器7で増幅された後、電力合成器A1に供給される。   The main line microwave is supplied to the bridge C. The main line microwave branched by the bridge C is guided to the resonator R1 through a one-turn coil, and supplied to the sample in the resonator R1. At this time, the distance between the one-turn coil and the resonator R1 is adjusted so that the reflection is minimized. The reflected wave reflected from the resonator R1 in which the sample is contained returns to the bridge C through the one-turn coil again. The reflected wave is amplified by the amplifier 7 and then supplied to the power combiner A1.

一方、前述の分配器で分配された参照用マイクロ波は、移相器9により、共振器R1からの反射波と位相が合うように調整され、電力合成器A1に供給される。そこで、電力合成器A1は、ブリッジCから出力された反射波と、移相器9から供給された参照用マイクロ波とを加算し、検波回路D1で検波を行う。検波回路D1から出力された検波出力は、PSD回路1により、位相検波される。PSD回路1の出力であるESR検出信号は、パーソナルコンピュータなどを備えた測定制御装置2に導かれる。測定制御装置2は、直流磁界用マグネットR2に供給される直流電流を制御して、直流磁界を掃引することによって、検出されたESR検出信号に基づいて、電子スピン共鳴が測定される。   On the other hand, the reference microwave distributed by the distributor is adjusted by the phase shifter 9 so as to be in phase with the reflected wave from the resonator R1, and supplied to the power combiner A1. Therefore, the power combiner A1 adds the reflected wave output from the bridge C and the reference microwave supplied from the phase shifter 9, and performs detection by the detection circuit D1. The detection output outputted from the detection circuit D1 is phase-detected by the PSD circuit 1. The ESR detection signal that is the output of the PSD circuit 1 is guided to a measurement control device 2 that includes a personal computer or the like. The measurement control device 2 controls the DC current supplied to the DC magnetic field magnet R2 and sweeps the DC magnetic field, thereby measuring the electron spin resonance based on the detected ESR detection signal.

ところで、以上に説明した構成による電子スピン共鳴測定装置においては、電子スピン共鳴測定を安定的に行うことができるように、種々の自動制御回路が組み込まれている。それらの自動制御回路として、代表的なものとして、自動周波数制御回路(AFC)、自動チューニング制御回路(ATC)、自動マッチング制御回路(AMC)が挙げられる。   By the way, in the electron spin resonance measuring apparatus having the above-described configuration, various automatic control circuits are incorporated so that the electron spin resonance measurement can be stably performed. Typical examples of these automatic control circuits include an automatic frequency control circuit (AFC), an automatic tuning control circuit (ATC), and an automatic matching control circuit (AMC).

自動周波数制御回路(AFC)は、図1及び図2には示されていないが、マイクロ波共振器O1の共振周波数にマイクロ波周波数を同調させるものとして提案されている(例えば、非特許文献1を参照)。このAFCでは、常に、マイクロ波周波数と、マイクロ波共振器O1の共振周波数と一致させるように、マイクロ波発振器O1の発振周波数を自動制御している。   Although an automatic frequency control circuit (AFC) is not shown in FIGS. 1 and 2, it has been proposed to tune the microwave frequency to the resonance frequency of the microwave resonator O1 (for example, Non-Patent Document 1). See). In this AFC, the oscillation frequency of the microwave oscillator O1 is automatically controlled so that the microwave frequency always matches the resonance frequency of the microwave resonator O1.

この自動制御では、周波数変調したマイクロ波発振器O1の出力を、反射型の共振器R1に導入し、反射されたマイクロ波信号の包絡線を位相検波することにより、周波数のずれを検出しており、この周波数のずれに応じて発振器O1を負帰還制御している。この自動制御により、電子スピン共鳴現象による分散の影響を取り除くことができ、吸収量を正確に測定することが可能となる。   In this automatic control, the frequency deviation is detected by introducing the output of the frequency-modulated microwave oscillator O1 into the reflection type resonator R1 and detecting the phase of the envelope of the reflected microwave signal. The oscillator O1 is subjected to negative feedback control according to this frequency shift. This automatic control can remove the influence of dispersion caused by the electron spin resonance phenomenon, and the amount of absorption can be measured accurately.

また、自動チューニング制御回路(ATC)は、図1及び図2に示されるように、マイクロ波共振器R1の共振周波数をマイクロ波周波数に同調させるものとして提案されている(例えば、非特許文献2を参照)。このATCによれば、試料が動いても、マイクロ波共振器R1の共振周波数をマイクロ波周波数に一致させておくことができる。   Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the automatic tuning control circuit (ATC) has been proposed to tune the resonance frequency of the microwave resonator R1 to the microwave frequency (for example, Non-Patent Document 2). See). According to this ATC, even if the sample moves, the resonance frequency of the microwave resonator R1 can be matched with the microwave frequency.

このATCシステムには、マイクロ波共振器O1の共振周波数をマイクロ波周波数に一致させるため、例えば、マイクロ波発振器と、位相検波回路と、共振器のギャップ部に誘電体を出し入れする電磁モータとを用いて、負帰還制御を実現することができる。或いは、この電磁モータの他に、圧電アクチュエータを用いて、誘電体板の位置を制御することによっても、実現できる。   In order to make the resonance frequency of the microwave resonator O1 coincide with the microwave frequency, this ATC system includes, for example, a microwave oscillator, a phase detection circuit, and an electromagnetic motor that takes a dielectric in and out of the gap portion of the resonator. By using it, negative feedback control can be realized. Alternatively, it can be realized by controlling the position of the dielectric plate using a piezoelectric actuator in addition to the electromagnetic motor.

さらに、自動マッチング制御回路(AMC)は、図1及び図2に示されるように、マイクロ波共振器R1の入力インピーダンスを、通常では、伝送線路の特性インピーダンス、例えば、50Ωに合わせるものとして提案されている(例えば、非特許文献3を参照)。このAMCによれば、例えば、動物などの動く試料を測定する場合、動物が動いたことによりスペクトラムに現れる雑音信号を抑圧することができ、安定したESR測定を行うことができる。   Further, as shown in FIGS. 1 and 2, an automatic matching control circuit (AMC) is usually proposed to match the input impedance of the microwave resonator R1 to the characteristic impedance of the transmission line, for example, 50Ω. (For example, see Non-Patent Document 3). According to this AMC, for example, when measuring a moving sample such as an animal, noise signals appearing in the spectrum due to the movement of the animal can be suppressed, and stable ESR measurement can be performed.

このAMCでは、ロックイン・アンプに内蔵された発振器から出力された信号を、マイクロ波共振器に接続されたバラクタダイオードに印加するようにし、インピーダンス整合に摂動を与えて、反射されたマイクロ波の包絡線を位相検波することにより、インピーダンス整合を制御する電圧を得る構成にしている。   In this AMC, a signal output from an oscillator incorporated in a lock-in amplifier is applied to a varactor diode connected to a microwave resonator, and a perturbation is given to impedance matching so that the reflected microwave is reflected. A voltage for controlling impedance matching is obtained by phase detection of the envelope.

さらには、AMCの他の構成として、共振器で反射されるマイクロ波の位相をモニタすることにより、インピーダンス整合のずれを検出するようにしたものが提案されている(例えば、非特許文献4を参照)。   Furthermore, as another configuration of AMC, there has been proposed one that detects a shift in impedance matching by monitoring the phase of the microwave reflected by the resonator (for example, see Non-Patent Document 4). reference).

M. Alecci, S. J. McCallum, and D. J. Lurie, Design and Optimization of an Automatic Frequency Control System for a Radiofrequency Electron Paramagnetic Resonance Spectrometer, Journal of Magnetic Resonance Series A, Vol. A117, pp. 272-277 (1995)M. Alecci, S. J. McCallum, and D. J. Lurie, Design and Optimization of an Automatic Frequency Control System for a Radiofrequency Electron Paramagnetic Resonance Spectrometer, Journal of Magnetic Resonance Series A, Vol. A117, pp. 272-277 (1995) J. A. Brivati, A. D. Stevens, and M. C. R. Symons, A radiofrequency ESR spectrometer for in vivo imaging, Journal of Magnetic Resonance, Vol. 92, pp. 480-489 (2001)J. A. Brivati, A. D. Stevens, and M. C. R. Symons, A radiofrequency ESR spectrometer for in vivo imaging, Journal of Magnetic Resonance, Vol. 92, pp. 480-489 (2001) G. He, S. Petryakov, A. Samouilov, M. Chzhan, P. Kuppusamy, and J. L. Zweier, Development of a resonator with automatic tuning and coupling capability to minimize sample notion noise for in vivo EPR spectroscopy, Journal of Magnetic resonance, Vol. 149, pp. 218-227G. He, S. Petryakov, A. Samouilov, M. Chzhan, P. Kuppusamy, and JL Zweier, Development of a resonator with automatic tuning and coupling capability to minimize sample notion noise for in vivo EPR spectroscopy, Journal of Magnetic resonance, Vol. 149, pp. 218-227 H. Hirata, Y. Yamaguchi, T. Takahashi, and Z.-W. Luo, Control characteristics of automatic matching control system for in vivo EPR spectroscopy, Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 50, pp. 223-227 (2003)H. Hirata, Y. Yamaguchi, T. Takahashi, and Z.-W. Luo, Control characteristics of automatic matching control system for in vivo EPR spectroscopy, Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 50, pp. 223-227 (2003)

しかしながら、上述した自動マッチング制御回路(AMC)にあっては、制御回路の位相マージンが不足し、帰還制御システムとして安定化することが難しいことがある。また、位相検波回路が使用される自動マッチング制御の場合には、負帰還制御を実現するためには、参照信号の位相調整が必要となるが、この位相調整を行うために、特に、演算増幅器を用いた1段の移相器が使用される場合には、その位相の可変範囲が最大で180度に限られている。そのため、この移相器では、可変範囲の両端付近において、適切な位相調整ができないという問題があった。   However, in the above-described automatic matching control circuit (AMC), the phase margin of the control circuit is insufficient, and it may be difficult to stabilize as a feedback control system. Further, in the case of automatic matching control using a phase detection circuit, in order to realize negative feedback control, it is necessary to adjust the phase of the reference signal. In order to perform this phase adjustment, in particular, an operational amplifier When a one-stage phase shifter using is used, the variable range of the phase is limited to 180 degrees at the maximum. Therefore, this phase shifter has a problem that appropriate phase adjustment cannot be performed in the vicinity of both ends of the variable range.

また、AMCを構成する位相検波回路において、平衡変調器又は乗算器による変調器へ入力される参照信号に直流成分が含まれることがある。この直流成分が零でない場合には、平衡変調器などのスイッチングのデューティ比が50%にならない。そのため、スイッチング間隔が偏ったものとなり、位相検波回路を意図して動作をさせることができないという問題があった。   Further, in the phase detection circuit constituting the AMC, a DC component may be included in the reference signal input to the balanced modulator or the modulator by the multiplier. When this DC component is not zero, the switching duty ratio of the balanced modulator or the like does not become 50%. For this reason, the switching interval is biased, and there is a problem that the phase detection circuit cannot be operated intentionally.

一方、従来に用いられていた電子スピン共鳴測定装置において、安定的に測定できるように、マイクロ波共振器からの反射波信号に基づいて、マイクロ波周波数を制御する自動周波数制御回路(AFC)と、マイクロ波共振器の共振周波数を制御する自動チューニング制御回路(ATC)とが備えられている。しかし、例えば、共振器を別の共振器に交換して測定するとき、AFCとATCを選択することが必要な場合がある。   On the other hand, an automatic frequency control circuit (AFC) that controls the microwave frequency based on the reflected wave signal from the microwave resonator so that stable measurement can be performed in the conventionally used electron spin resonance measurement apparatus, And an automatic tuning control circuit (ATC) for controlling the resonance frequency of the microwave resonator. However, for example, when measuring by exchanging the resonator with another resonator, it may be necessary to select AFC and ATC.

そのため、AFCとATCとを切り替えることを考えるとき、両者ともに、マイクロ波共振器からの反射波信号に基づいて自動制御するものであり、位相検波回路を共通化することが可能であるが、制御対象がそれぞれ異なるため、印加するバイアス電圧を異ならせる必要がある。そのため、位相検波回路が共通化されても、AFCとATCとを切り替える毎に、バイアス電圧を変更し、再調整しなければならず、共振器の容易な交換が妨げられることがあるという問題があった。   Therefore, when considering switching between AFC and ATC, both are automatically controlled based on the reflected wave signal from the microwave resonator, and the phase detection circuit can be shared. Since the objects are different, it is necessary to apply different bias voltages. Therefore, even if the phase detection circuit is shared, the bias voltage must be changed and readjusted every time the AFC and ATC are switched, which may prevent easy replacement of the resonator. there were.

そこで、本発明の目的は、以上に述べた問題点を解決する電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置を提供することにあり、制御回路の位相マージンを確保して、帰還制御システムとして安定化させ、AMCに使用される位相検波回路おける位相調整の可変範囲を適切に設定し、適切な位相調整ができるようにする。また、位相検波回路の平衡変調器におけるスイッチングのデューティ比が50%を維持されるようにする。さらには、AFCとATCの切り替えを、バイアス電圧調整を不要にして、簡単に行えるようにする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an automatic control device for an electron spin resonance measuring apparatus that solves the above-described problems, and ensures a phase margin of the control circuit and stabilizes it as a feedback control system. The variable range of phase adjustment in the phase detection circuit used for AMC is set appropriately so that appropriate phase adjustment can be performed. The switching duty ratio in the balanced modulator of the phase detection circuit is maintained at 50%. Furthermore, switching between AFC and ATC can be easily performed without the need for bias voltage adjustment.

そこで、上記の問題点に鑑み、課題を解決するため、本発明では、電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置において、電子スピン共鳴共振器に接続された伝送線路から一部分岐された反射波信号を包絡線検波する検波回路と、参照信号を出力する発振器と、位相反転され又は非反転の前記参照信号を位相調整する移相器と、該移相器の後に接続された高域通過フィルタ回路と、前記検波回路の検波信号と、前記高域通過フィルタ回路を通過した前記参照信号とを乗算する平衡変調器と、該平衡変調器の出力を積分する積分器と、該積分器の出力信号に前記参照信号を加算する加算器と、を備え、前記加算器の加算出力信号に基づいて、前記共振器の入力インピーダンスを前記伝送線路の特性インピーダンスに整合させることとした。   In view of the above problems, in order to solve the problem, in the present invention, in an automatic control device for an electron spin resonance measurement device, a reflected wave signal partially branched from a transmission line connected to the electron spin resonance resonator is used. A detection circuit that detects an envelope, an oscillator that outputs a reference signal, a phase shifter that adjusts the phase of the reference signal that is phase-inverted or non-inverted, and a high-pass filter circuit that is connected after the phase shifter A balanced modulator that multiplies the detection signal of the detection circuit and the reference signal that has passed through the high-pass filter circuit, an integrator that integrates the output of the balanced modulator, and an output signal of the integrator And an adder for adding the reference signal, and based on the added output signal of the adder, the input impedance of the resonator is matched with the characteristic impedance of the transmission line.

そして、前記高域通過フィルタ回路は、前記参照信号の周波数付近を遮断周波数とすることとした。   The high-pass filter circuit has a cutoff frequency around the frequency of the reference signal.

さらに、前記移相器が、前記参照信号を入力とする演算増幅器を含み、該参照信号の位相を所定範囲の位相に調整でき、位相補償回路が、前記積分器と前記加算器との間に挿入され、前記位相補償回路が、フィードバック制御システムの位相マージンを確保できるように動作するようにした。   Further, the phase shifter includes an operational amplifier having the reference signal as an input, the phase of the reference signal can be adjusted to a phase within a predetermined range, and a phase compensation circuit is interposed between the integrator and the adder. The phase compensation circuit is inserted and operated so as to ensure a phase margin of the feedback control system.

また、前記自動制御装置は、前記検波回路の検波信号を変調信号に基づいて位相検波する位相検波回路と、前記位相検波回路の出力信号に第1バイアス電圧を加算する第1加算器と、を有する自動チューニング制御回路を含み、該自動チューニング制御回路が、前記共振器の共振周波数を、該共振器に供給されるマイクロ波の周波数に同調させる自動制御を行うこととした。   The automatic control device includes: a phase detection circuit that detects a phase of the detection signal of the detection circuit based on a modulation signal; and a first adder that adds a first bias voltage to the output signal of the phase detection circuit. The automatic tuning control circuit includes an automatic tuning control circuit that performs automatic control for tuning the resonance frequency of the resonator to the frequency of the microwave supplied to the resonator.

また、前記自動制御装置は、前記検波回路の検波信号を変調信号に基づいて位相検波する位相検波回路と、前記位相検波回路の出力信号に、第2バイアス電圧と前記変調信号を加算する第2加算器と、を有する自動周波数制御回路を含み、該自動周波数制御回路が、前記共振器に供給されるマイクロ波周波数を、該共振器の共振周波数に同調させる自動制御を行うこととした。   The automatic control device also includes a phase detection circuit for detecting a phase of the detection signal of the detection circuit based on a modulation signal, and a second bias voltage and the modulation signal added to the output signal of the phase detection circuit. An automatic frequency control circuit having an adder is included, and the automatic frequency control circuit performs automatic control for tuning the microwave frequency supplied to the resonator to the resonance frequency of the resonator.

さらに、前記検波回路の検波信号を変調信号に基づいて位相検波する位相検波回路と、前記位相検波回路の出力信号に第1バイアス電圧を加算する第1加算器と、前記位相検波回路の出力信号に第2バイアス電圧と前記変調信号を加算する第2加算器と、前記位相検波回路の出力信号を、第1加算器と第2加算器とに切替出力できる切替回路と、を備えることとした。   A phase detection circuit for detecting a phase of the detection signal of the detection circuit based on a modulation signal; a first adder for adding a first bias voltage to the output signal of the phase detection circuit; and an output signal of the phase detection circuit. A second adder for adding the second bias voltage and the modulation signal, and a switching circuit capable of switching and outputting the output signal of the phase detection circuit to the first adder and the second adder. .

以上のように、本発明では、電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置において、位相検波回路を用いた自動マッチング制御回路が構成され、この位相検波回路内の移相器の直後に、変調周波数付近で遮断周波数となるような高域通過フィルタ回路を挿入したので、移相器の位相を余分に回転することが可能になる。そのため、移相器の0度又は180度付近での調整が不要となり、移相器が十分に動作できる範囲で位相調整を行うことができる。   As described above, in the present invention, the automatic matching control circuit using the phase detection circuit is configured in the automatic control device of the electron spin resonance measuring apparatus, and immediately after the phase shifter in the phase detection circuit, near the modulation frequency. Since a high-pass filter circuit having a cut-off frequency is inserted, the phase of the phase shifter can be rotated extra. For this reason, it is not necessary to adjust the phase shifter at 0 degrees or around 180 degrees, and the phase adjustment can be performed within a range where the phase shifter can sufficiently operate.

さらに、移相器の直後に高域通過フィルタ回路を挿入することにより、位相検波回路に用いる参照信号に直流成分が含まれていても、この直流成分は、挿入された高域通過フィルタ回路によって遮断され、混合器におけるスイッチングのデューティ比を、無調整で50%とすることができる。   Furthermore, by inserting a high-pass filter circuit immediately after the phase shifter, even if a direct current component is included in the reference signal used for the phase detection circuit, this direct current component is generated by the inserted high-pass filter circuit. The duty ratio of switching in the mixer can be set to 50% without adjustment.

また、位相検波回路に用いた自動マッチング制御回路において、該位相検波回路内における積分器の直後に、位相補償器を挿入したので、フィードバック制御システムの位相マージンを十分に確保でき、測定中における生体試料の動きがあっても、その動きによる擾乱を補償することができ、電子スピン共鳴測定を安定して行うことができる。   Further, in the automatic matching control circuit used in the phase detection circuit, the phase compensator is inserted immediately after the integrator in the phase detection circuit, so that the phase margin of the feedback control system can be sufficiently secured, and the biological Even if the sample moves, disturbance due to the movement can be compensated, and the electron spin resonance measurement can be performed stably.

また、本発明による電子スピン共鳴装置の自動制御装置では、位相検波回路の出力信号に第1バイアス電圧を加算する第1加算器と、該位相検波回路の出力信号に第2バイアス電圧と前記変調信号を加算する第2加算器と、位相検波回路の出力信号を、第1加算器と第2加算器とに切替出力できる切替回路とを備えたので、自動周波数制御と自動チューニング制御とに独立して必要なバイアス電圧を与えることができる。そのため、切替回路による切替えによれば、自動制御の制御対象をマイクロ波発振器又はマイクロ波共振器に切り替える際に、バイアス電圧の調整を容易にできる。   In the automatic control apparatus for an electron spin resonance apparatus according to the present invention, a first adder for adding a first bias voltage to the output signal of the phase detection circuit, and a second bias voltage and the modulation to the output signal of the phase detection circuit. Independent of automatic frequency control and automatic tuning control because it has a second adder that adds signals and a switching circuit that can switch and output the output signal of the phase detection circuit to the first adder and the second adder Thus, a necessary bias voltage can be provided. Therefore, according to the switching by the switching circuit, it is possible to easily adjust the bias voltage when the control target of the automatic control is switched to the microwave oscillator or the microwave resonator.

次に、本発明の電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置に係る実施形態を説明するが、その説明の前に、本実施形態の基礎となる各種の自動制御装置について、図3乃至図5を参照しながら説明する。   Next, an embodiment related to the automatic control device of the electron spin resonance measuring apparatus of the present invention will be described. Before that description, various automatic control devices serving as the basis of the present embodiment will be described with reference to FIGS. The description will be given with reference.

図3は、自動チューニング制御(ATC)回路の構成例を示しており、このATC回路は、図2に示されたATC3に対応している。図3に示されたATC回路の構成要素には、図2に示されたものと同じ部分に、同じ符号が付されている。なお、図2には示されていないが、図1に示されているように、図3のATC回路には、発振器O1の発振信号を変調するため、発振器O1に変調信号を供給する発振器O3が備えられている。この変調信号の周波数は、例えば、20kHzである。   FIG. 3 shows a configuration example of an automatic tuning control (ATC) circuit, and this ATC circuit corresponds to the ATC 3 shown in FIG. Components of the ATC circuit shown in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals in the same parts as those shown in FIG. Although not shown in FIG. 2, as shown in FIG. 1, the ATC circuit of FIG. 3 has an oscillator O3 that supplies a modulation signal to the oscillator O1 in order to modulate the oscillation signal of the oscillator O1. Is provided. The frequency of this modulation signal is, for example, 20 kHz.

図3のATC回路には、検波回路D2、位相敏感検波(PSD)回路10、加算器A2が含まれており、検波回路D2には、分岐器8によって、マイクロ波共振器R1で反射された反射波信号が伝送路から一部分岐され入力される。入力された反射波信号は、検波回路D2で包絡線検波され、PSD回路10に出力される。   The ATC circuit of FIG. 3 includes a detection circuit D2, a phase sensitive detection (PSD) circuit 10, and an adder A2. The detection circuit D2 is reflected by the microwave resonator R1 by the branching unit 8. A reflected wave signal is partially branched from the transmission path and input. The input reflected wave signal is envelope-detected by the detection circuit D 2 and output to the PSD circuit 10.

PSD回路10には、発振器O3で発振出力される変調信号が参照信号として供給されている。PSD回路10では、この参照信号に基づいて入力された反射波信号の検波信号を位相検波する。この位相検波の出力は、位相ずれの大きさに応じた直流電圧である。ここで、共振器R1に備えられたチューニング回路を制御する制御信号を作成するため、加算器A2によって、位相検波出力にバイアス電圧Vb1が加算される。このバイアス電圧Vb1は、チューニング回路を駆動する基準電圧となるものであり、チューニング回路の特性に合わせて設定される。   The PSD circuit 10 is supplied with a modulation signal oscillated and output by the oscillator O3 as a reference signal. The PSD circuit 10 performs phase detection on the detection signal of the reflected wave signal input based on this reference signal. The output of the phase detection is a DC voltage corresponding to the magnitude of the phase shift. Here, in order to generate a control signal for controlling the tuning circuit provided in the resonator R1, the adder A2 adds the bias voltage Vb1 to the phase detection output. This bias voltage Vb1 serves as a reference voltage for driving the tuning circuit, and is set in accordance with the characteristics of the tuning circuit.

次いで、図4は、自動周波数制御(AFC)回路の構成例を示しており、このAFC回路は、通常、電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置として備えられている。図4に示されたAFC回路の構成要素には、図2に示されたものと同じ部分に、同じ符号が付されている。なお、図2には示されていないが、図4のAFC回路には、図3に示されたATC回路の場合と同様に、発振器O1に変調信号を供給する発振器O3が備えられている。この変調信号の周波数も、ATC回路の場合と同様である。   Next, FIG. 4 shows a configuration example of an automatic frequency control (AFC) circuit, and this AFC circuit is usually provided as an automatic control device of an electron spin resonance measuring apparatus. Components of the AFC circuit shown in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals as those shown in FIG. Although not shown in FIG. 2, the AFC circuit of FIG. 4 includes an oscillator O3 that supplies a modulation signal to the oscillator O1 as in the case of the ATC circuit shown in FIG. The frequency of this modulation signal is the same as that of the ATC circuit.

図4のAFC回路には、検波回路D2、PSD回路10、加算器A3が含まれており、検波回路D2には、分岐器8によって、マイクロ波共振器R1で反射された反射波信号が伝送路から一部分岐され入力される。入力された反射波信号は、検波回路D2で包絡線検波され、PSD回路10に出力される。   The AFC circuit of FIG. 4 includes a detection circuit D2, a PSD circuit 10, and an adder A3. A reflected wave signal reflected by the microwave resonator R1 is transmitted to the detection circuit D2 by the branching unit 8. A part of the road is branched and input. The input reflected wave signal is envelope-detected by the detection circuit D 2 and output to the PSD circuit 10.

PSD回路10には、発振器O3で発振出力される変調信号が参照信号として供給される。PSD回路10では、この参照信号に基づいて入力された反射波信号の検波信号を位相検波する。この位相検波の出力は、位相ずれの大きさに応じた直流電圧である。これまでの信号処理は、図3に示されたATC回路と同様である。ここで、発振器O1の発振周波数を制御する制御信号を作成するため、発振器O3の発振信号出力に挿入された加算器A3によって、位相検波出力とバイアス電圧Vb2とが発振器O3の発振信号出力に加算される。このバイアス電圧Vb2は、発振器O1の発振調整をする電圧であり、発振器O1の特性に合わせて設定される。   The PSD circuit 10 is supplied with a modulation signal oscillated and output by the oscillator O3 as a reference signal. The PSD circuit 10 performs phase detection on the detection signal of the reflected wave signal input based on this reference signal. The output of the phase detection is a DC voltage corresponding to the magnitude of the phase shift. The signal processing so far is the same as the ATC circuit shown in FIG. Here, in order to create a control signal for controlling the oscillation frequency of the oscillator O1, the adder A3 inserted into the oscillation signal output of the oscillator O3 adds the phase detection output and the bias voltage Vb2 to the oscillation signal output of the oscillator O3. Is done. The bias voltage Vb2 is a voltage for adjusting the oscillation of the oscillator O1, and is set according to the characteristics of the oscillator O1.

図5は、自動マッチング制御(AMC)回路の構成例を示しており、このAMC回路は、図2に示されたAMC4に対応している。図5に示されたAMC回路の構成要素には、図2に示されたものと同じ部分に、同じ符号が付されている。なお、図2には示されていないが、図5のAMC回路には、AMC用の参照信号を発振出力する発振器O4が備えられている。この参照信号の周波数は、例えば、3.5kHzである。   FIG. 5 shows a configuration example of an automatic matching control (AMC) circuit, and this AMC circuit corresponds to the AMC 4 shown in FIG. Components of the AMC circuit shown in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals as those shown in FIG. Although not shown in FIG. 2, the AMC circuit of FIG. 5 includes an oscillator O4 that oscillates and outputs an AMC reference signal. The frequency of this reference signal is, for example, 3.5 kHz.

図5のAMC回路には、検波回路D2の出力に、発振器O4の発振信号を参照信号とする位相検波回路が備えられている。その位相検波回路によって、共振器R1からの反射波信号における位相ずれを検出し、その検出出力に基づいて、マイクロ波共振器R1の入力インピーダンスを伝送線路の特性インピーダンスに整合させる制御が行われる。   The AMC circuit of FIG. 5 includes a phase detection circuit that uses the oscillation signal of the oscillator O4 as a reference signal at the output of the detection circuit D2. The phase detection circuit detects a phase shift in the reflected wave signal from the resonator R1, and controls to match the input impedance of the microwave resonator R1 with the characteristic impedance of the transmission line based on the detected output.

上述したATC回路やAFC回路の場合と同様に、分岐器8によって、マイクロ波共振器R1で反射された反射波信号が伝送路から一部分岐され、分岐された反射波信号は、検波回路D2で検波され、該検波信号は、必要に応じて増幅器101で増幅された後、位相検波回路に入力される。   As in the case of the ATC circuit and the AFC circuit described above, the reflected wave signal reflected by the microwave resonator R1 is partly branched from the transmission line by the branching device 8, and the branched reflected wave signal is detected by the detection circuit D2. The detected signal is amplified by the amplifier 101 as necessary, and then input to the phase detection circuit.

ここで、AMC回路に備えられる位相検波回路は、図5に示されるように、位相反転器102、移相器103、積分器104、平衡変調器M2、及び加算器A4を含み、さらに、位相反転器102と移相器103との間に、切替スイッチを有する切替回路111が設けられる。なお、積分器104は、低域通過フィルタ回路でもよく、平衡変調器M2は、乗算器でもよい。位相検波に用いられる参照信号は、位相反転器102と加算器A4に供給される。位相反転器102で位相反転された参照信号は、移相器103に入力され、0度から180度の範囲で位相調整される。ここで、位相調整された参照信号は、平衡変調器M2において、前述の検波信号と混合される。なお、切替回路111の切替動作によって、位相反転することなく、非反転の参照信号を、発振器O4から直接に移相器103に入力するようにしてもよい。   Here, the phase detection circuit included in the AMC circuit includes a phase inverter 102, a phase shifter 103, an integrator 104, a balanced modulator M2, and an adder A4 as shown in FIG. A switching circuit 111 having a changeover switch is provided between the inverter 102 and the phase shifter 103. The integrator 104 may be a low-pass filter circuit, and the balanced modulator M2 may be a multiplier. The reference signal used for phase detection is supplied to the phase inverter 102 and the adder A4. The reference signal phase-inverted by the phase inverter 102 is input to the phase shifter 103 and phase-adjusted in the range of 0 degrees to 180 degrees. Here, the phase-adjusted reference signal is mixed with the aforementioned detection signal in the balanced modulator M2. Note that a non-inverted reference signal may be directly input from the oscillator O4 to the phase shifter 103 without phase inversion by the switching operation of the switching circuit 111.

平衡変調器M2の出力信号は、積分器104において、積分され、平滑化され、加算器A4において、発振器O4から出力された参照信号と加算される。この加算信号が、共振器R1に備えられているインピーダンス整合回路に出力され、この加算信号に基づいて、インピーダンス整合回路が制御され、マイクロ波共振器R1の入力インピーダンスが伝送線路の特性インピーダンスに整合される。   The output signal of the balanced modulator M2 is integrated and smoothed in the integrator 104, and added to the reference signal output from the oscillator O4 in the adder A4. This added signal is output to the impedance matching circuit provided in the resonator R1, and the impedance matching circuit is controlled based on the added signal, and the input impedance of the microwave resonator R1 matches the characteristic impedance of the transmission line. Is done.

ところで、上述したようなAMC回路にあっては、制御回路としての位相マージンが不足するため、電子スピン共鳴測定装置における帰還制御システムとして安定化することが難しいことがある。また、負帰還制御を実現するためには、参照信号の位相調整が必要となるが、この位相調整を行うために、特に、演算増幅器を用いた1段の移相器が使用される場合には、その位相の可変範囲が最大で180度に限られている。そのため、この移相器では、可変範囲の両端付近において、適切な位相調整ができないものであった。   By the way, in the AMC circuit as described above, since the phase margin as the control circuit is insufficient, it may be difficult to stabilize the feedback control system in the electron spin resonance measuring apparatus. In order to realize negative feedback control, it is necessary to adjust the phase of the reference signal. In order to perform this phase adjustment, particularly when a one-stage phase shifter using an operational amplifier is used. The variable range of the phase is limited to 180 degrees at the maximum. For this reason, this phase shifter cannot perform appropriate phase adjustment near both ends of the variable range.

また、AMCの位相検波回路において、混合器へ入力される参照信号に直流成分が含まれることがある。この直流成分が零でない場合には、平衡変調器などのスイッチングのデューティ比が50%にならない。そのため、スイッチング間隔が偏ったものとなり、位相検波回路を意図して動作させることができないものであった。   In the AMC phase detection circuit, the reference signal input to the mixer may include a direct current component. When this DC component is not zero, the switching duty ratio of the balanced modulator or the like does not become 50%. For this reason, the switching interval is biased, and the phase detection circuit cannot be operated intentionally.

そこで、本実施形態の電子スピン共鳴測定装置におけるAMC回路では、この様な問題を解決するものとして、移相器と平衡変調器との間に、高域通過フィルタ回路を挿入し、さらに、積分器と加算器との間に、位相補償器を挿入するものとした。   Therefore, in the AMC circuit in the electron spin resonance measuring apparatus of this embodiment, as a solution to such a problem, a high-pass filter circuit is inserted between the phase shifter and the balanced modulator, and the integration is further performed. A phase compensator is inserted between the adder and the adder.

図6は、本実施形態によるAMC回路の構成例を示している。本実施形態のAMC回路の構成は、基本的には、図5に示されたAMC回路の構成を採用しており、図6に示されたAMC回路が、図5に示されたAMC回路と同じ部分には、同じ符号を付した。本実施形態のAMC回路が、図5のAMC回路と異なるところは、移相器103と平衡変調器M2との間に、高域通過フィルタ回路105が挿入接続され、さらに、積分器104と加算器A4との間に位相補償器106が挿入接続されていることである。   FIG. 6 shows a configuration example of the AMC circuit according to the present embodiment. The configuration of the AMC circuit of this embodiment basically adopts the configuration of the AMC circuit shown in FIG. 5, and the AMC circuit shown in FIG. 6 is different from the AMC circuit shown in FIG. The same parts are denoted by the same reference numerals. The AMC circuit of the present embodiment is different from the AMC circuit of FIG. 5 in that a high-pass filter circuit 105 is inserted and connected between the phase shifter 103 and the balanced modulator M2, and is further added to the integrator 104. The phase compensator 106 is inserted and connected to the device A4.

ところで、1段構成よる移相器が演算増幅器を用いて構成される場合には、その位相調整の可変範囲は、0度から最大で180度に限られたものとなる。この場合には、可変範囲の両端である0度と180度付近においては、適切に位相調整することができないことがある。   By the way, when the phase shifter having a single-stage configuration is configured using an operational amplifier, the variable range of the phase adjustment is limited to 0 degree to 180 degrees at the maximum. In this case, the phase adjustment may not be properly performed in the vicinity of 0 degrees and 180 degrees that are both ends of the variable range.

高域通過フィルタ回路105は、参照信号の周波数付近で遮断周波数となるようにフィルタ特性が調整されているものとし、例えば、コンデンサと抵抗で構成されたフィルタ回路でよい。この高域通過フィルタ回路105が移相器103の後に接続されることにより、参照信号の位相を余分に、例えば、45度程度余分に回転することになる。そのため、移相器103の可変範囲における両端の0度及び180度付近で調整することがなくなり、その両端での動作を避けることができる。   The high-pass filter circuit 105 has a filter characteristic adjusted so as to have a cutoff frequency near the frequency of the reference signal. For example, the high-pass filter circuit 105 may be a filter circuit including a capacitor and a resistor. By connecting the high-pass filter circuit 105 after the phase shifter 103, the phase of the reference signal is rotated by an extra amount, for example, by an extra 45 degrees. For this reason, adjustment is not made near 0 degrees and 180 degrees at both ends in the variable range of the phase shifter 103, and operation at both ends can be avoided.

また、高域通過フィルタ回路105は、当然のことながら、信号に対する低域遮断としての機能を有しているので、位相検波回路に入力される参照信号に直流成分が含まれている場合には、この直流成分は遮断される。そのため、直流成分が回路上のオフセットに起因して発生している場合でも、直流成分は遮断され、このオフセットの調整を不要としている。そして、この高域通過フィルタ回路105の挿入接続により、直流成分による偏りが抑制されるので、平衡変調器M2におけるスイッチングのデューティ比が、そのための調整を必要とすることなく、50%を維持し、位相検波回路として意図した動作をさせることができる。   Further, since the high-pass filter circuit 105 has a function as a low-frequency cutoff for the signal as a matter of course, when the reference signal input to the phase detection circuit includes a DC component, This DC component is blocked. For this reason, even when a DC component is generated due to an offset on the circuit, the DC component is blocked and adjustment of this offset is unnecessary. Since the high-pass filter circuit 105 is inserted and connected, the bias due to the direct current component is suppressed, so that the switching duty ratio in the balanced modulator M2 is maintained at 50% without requiring adjustment therefor. The intended operation as a phase detection circuit can be performed.

次に、本実施形態のAMC回路における位相検波回路の積分器104と加算器A4との間に挿入接続された位相補償器106について説明する。位相補償器106は、フィードバック制御システムの位相マージンを確保するために、挿入されたものであり、位相補償器の構成は、位相マージンが稼げるものであれば、どのようなものでもよい。例えば、2個の抵抗と、コンデンサとで直列接続体を形成し、この直列接続体に、積分器104の出力が供給され、そして、2個の抵抗の接続点から信号を取り出す形態とすることもできる。   Next, the phase compensator 106 inserted and connected between the integrator 104 and the adder A4 of the phase detection circuit in the AMC circuit of this embodiment will be described. The phase compensator 106 is inserted in order to ensure the phase margin of the feedback control system, and the configuration of the phase compensator may be any as long as the phase margin can be obtained. For example, a series connection body is formed by two resistors and a capacitor, the output of the integrator 104 is supplied to the series connection body, and a signal is extracted from the connection point of the two resistances. You can also.

この形態の位相補償器によれば、高周波数側では、抵抗による分圧比の信号が取り出され、低周波数側では、抵抗による分圧比より高い信号が取り出されることになり、位相マージンを稼げるようになる。なお、この形態に限らず、コンデンサの代わりに、インダクタンスで構成でき、種々の形態を適用することができる。この位相補償器は、電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置に組み込まれることによって、安定した自動マッチング制御を実現することができる。   According to the phase compensator of this form, a signal having a voltage division ratio due to resistance is extracted on the high frequency side, and a signal higher than the voltage division ratio due to resistance is extracted on the low frequency side, so that a phase margin can be obtained. Become. In addition, it is not restricted to this form, It can comprise with an inductance instead of a capacitor | condenser, and various forms can be applied. This phase compensator can realize stable automatic matching control by being incorporated in an automatic control device of an electron spin resonance measuring apparatus.

次に、電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置の別の実施形態について、図7を参照して説明する。別の実施形態による電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置では、図3に示されたATC回路と、図4に示されたAFC回路とが関連する。   Next, another embodiment of the automatic control device of the electron spin resonance measuring apparatus will be described with reference to FIG. In an automatic control apparatus for an electron spin resonance measuring apparatus according to another embodiment, the ATC circuit shown in FIG. 3 and the AFC circuit shown in FIG. 4 are related.

前述したように、電子スピン共鳴測定装置においては、安定的に測定できるように、マイクロ波共振器からの反射波信号に基づいて、マイクロ波周波数を制御するAFC回路と、マイクロ波共振器の共振周波数を制御するATC回路とが備えられている。しかし、例えば、共振器を別の共振器に交換して測定するとき、AFCとATCを選択することが必要な場合がある。   As described above, in the electron spin resonance measuring apparatus, the AFC circuit that controls the microwave frequency based on the reflected wave signal from the microwave resonator and the resonance of the microwave resonator so that the measurement can be performed stably. And an ATC circuit for controlling the frequency. However, for example, when measuring by exchanging the resonator with another resonator, it may be necessary to select AFC and ATC.

そこで、別の実施形態の電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置では、AFC回路とATC回路とが共通する回路要素で構成されていることに着目し、AFC回路とATC回路の制御対象が異なることにも対処し、AFC回路とATC回路とが選択されて自動制御できるように、簡単に切り替えられる構成とした。   Therefore, in the automatic control device of the electron spin resonance measuring apparatus of another embodiment, paying attention to the fact that the AFC circuit and the ATC circuit are configured by common circuit elements, the controlled objects of the AFC circuit and the ATC circuit are different. Therefore, the AFC circuit and the ATC circuit can be easily switched so that they can be selected and automatically controlled.

図3及び図4に示されたように、AFC回路とATC回路ともに、マイクロ波共振器からの反射波信号に基づいて自動制御するものであり、位相検波回路を共通化することが可能である。つまり、マイクロ波共振器R1からの反射波信号の一部を伝送線路から分岐し、分岐された反射波信号を包絡線検波し、この検波信号を位相検波することまでは、共通である。   As shown in FIGS. 3 and 4, both the AFC circuit and the ATC circuit are automatically controlled based on the reflected wave signal from the microwave resonator, and the phase detection circuit can be shared. . That is, it is common until a part of the reflected wave signal from the microwave resonator R1 is branched from the transmission line, the branched reflected wave signal is detected by envelope detection, and the detected signal is phase-detected.

ただ、位相検波された後においては、制御対象が、AFCでは、発振器O1であるのに対し、ATCでは、マイクロ波共振器R1に備えられたチューニング回路であることで異なっているため、位相検波回路の出力に印加するバイアス電圧も異なるものとなる。そこで、別の実施形態の電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置では、位相検波回路が共通化された場合でも、AFCとATCとを切り替える毎に、バイアス電圧を変更することを必要としないような切替回路を配置して、共振器の容易な交換が妨げられることがないようにした。   However, after the phase detection, the control target is the oscillator O1 in the AFC, whereas in the ATC, the control target is different depending on the tuning circuit provided in the microwave resonator R1, and therefore the phase detection. The bias voltage applied to the output of the circuit will also be different. Therefore, in the automatic control apparatus of the electron spin resonance measuring apparatus of another embodiment, even when the phase detection circuit is shared, it is not necessary to change the bias voltage every time the AFC and ATC are switched. A switching circuit is arranged so that easy replacement of the resonator is not hindered.

図7は、別の実施形態による電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置における制御回路の切替構成を示している。なお、図7では、この切替構成を中心にして図示したため、自動制御装置の他の制御構成を省略している。図7に示された自動制御装置では、発振器O3と、位相敏感検波(PSD)回路10と、加算器A2とで、ATC回路が構成され、また、発振器O3と、PSD回路10と、加算器A3とで、AFC回路が構成されており、位相検波回路が、共通化されている。   FIG. 7 shows a switching configuration of a control circuit in an automatic control device of an electron spin resonance measuring apparatus according to another embodiment. In FIG. 7, since this switching configuration is mainly illustrated, other control configurations of the automatic control device are omitted. In the automatic control apparatus shown in FIG. 7, the oscillator O3, the phase sensitive detection (PSD) circuit 10, and the adder A2 constitute an ATC circuit. The oscillator O3, the PSD circuit 10, and the adder The AFC circuit is configured with A3, and the phase detection circuit is shared.

ATCとAFCに共通なPSD回路10の出力は、切替回路110の入力端子に接続されている。切替回路110は、2出力端子を有し、入力端子に入力された信号を、例えば、オペレータのマニュアル操作による外部制御信号に基づいて、出力端子のいずれかに切り替えて出力する。入力された位相検波出力が、加算器A2又は加算器A3のいずれかに供給される。   The output of the PSD circuit 10 common to ATC and AFC is connected to the input terminal of the switching circuit 110. The switching circuit 110 has two output terminals, and switches and outputs a signal input to the input terminal to one of the output terminals based on, for example, an external control signal by an operator's manual operation. The input phase detection output is supplied to either the adder A2 or the adder A3.

位相検波回路の位相検波出力が、加算器A2に供給されたときには、ATC回路が有効となって動作することになり、或いは、その位相検波出力が、加算器A3に供給されたときには、AFC回路が有効となって動作する。   When the phase detection output of the phase detection circuit is supplied to the adder A2, the ATC circuit is activated and operates, or when the phase detection output is supplied to the adder A3, the AFC circuit Is enabled and works.

以上のような構成とすることにより、例えば、電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置には、AFC回路が備えられている場合に、さらに、ATC制御機能を付加したいときには、ATC制御機能に必要な位相検波回路について、別途にATC用を設けなくとも、AFC回路の位相検波回路を共有させることができ、簡単な切替回路を設けるだけで、AFC回路とATC回路とを任意に切り替えられ、しかも、切り替える度に、制御に適したバイアス電圧調整が必要なくなる。   With the above configuration, for example, when an automatic control device of an electron spin resonance measuring apparatus is provided with an AFC circuit, and when it is desired to add an ATC control function, it is necessary for the ATC control function. For the phase detection circuit, the AFC circuit can be shared between the AFC circuit and the ATC circuit by simply providing a simple switching circuit without separately providing an ATC circuit. Each time switching is performed, it is not necessary to adjust the bias voltage suitable for control.

本発明の基礎となる電子スピン共鳴測定装置の概略構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining schematic structure of the electron spin resonance measuring apparatus used as the foundation of the present invention. 電子スピン共鳴測定装置における自動制御回路の概略構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining schematic structure of the automatic control circuit in an electron spin resonance measuring apparatus. 図1に示された自動制御回路における自動チューニング制御回路の具体例を説明するブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a specific example of an automatic tuning control circuit in the automatic control circuit shown in FIG. 1. 図1に示された自動制御回路における自動周波数制御回路の具体例を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the specific example of the automatic frequency control circuit in the automatic control circuit shown by FIG. 電子スピン共鳴測定装置に備えられる自動マッチング制御回路の具体例を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the specific example of the automatic matching control circuit with which an electron spin resonance measuring apparatus is equipped. 本発明による電子スピン共鳴測定装置に備えられる自動マッチング制御回路の実施形態を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining embodiment of the automatic matching control circuit with which the electron spin resonance measuring apparatus by this invention is equipped. 自動チューニング制御回路と自動周波数制御回路とを切り替えて動作させる場合の切替制御回路を説明する図である。It is a figure explaining the switching control circuit in the case of switching and operating an automatic tuning control circuit and an automatic frequency control circuit.

符号の説明Explanation of symbols

1、10 位相敏感検波回路(PSD)
2 電子スピン共鳴測定制御装置
3 自動チューニング制御回路(ATC)
4 自動マッチング制御回路(AMC)
5 直流電源
6 電力増幅器
7、101 増幅器
8 分岐器
9 移相器
102 位相反転器
103 0−180度可変移相器
104 積分器
105 高域通過フィルタ回路
106 位相補償器
110、111 切替回路
A1〜A4 加算器
C ブリッジ
D1、D2 検波回路
O1〜O4 発振器
R1 マイクロ波共振器
R2 直流磁界用マグネット
R3 変調磁界用コイル
M2 平衡変調器
1, 10 Phase sensitive detection circuit (PSD)
2 Electron spin resonance measurement controller 3 Automatic tuning control circuit (ATC)
4 Automatic matching control circuit (AMC)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 DC power supply 6 Power amplifier 7, 101 Amplifier 8 Branch device 9 Phase shifter 102 Phase inverter 103 0-180 degree variable phase shifter 104 Integrator 105 High-pass filter circuit 106 Phase compensator 110, 111 Switching circuit A1- A4 adder C bridge D1, D2 detection circuit O1-O4 oscillator R1 microwave resonator R2 DC magnetic field magnet R3 modulation magnetic field coil M2 balanced modulator

Claims (6)

電子スピン共鳴共振器に接続された伝送線路から一部分岐された反射波信号を包絡線検波する検波回路と、
参照信号を出力する発振器と、
位相反転され又は非反転の前記参照信号を位相調整する移相器と、
前記移相器の後に接続された高域通過フィルタ回路と、
前記検波回路の検波信号と、前記高域通過フィルタ回路を通過した前記参照信号とを乗算する平衡変調器と、
前記平衡変調器の出力を積分する積分器と、
前記積分器の出力信号に前記参照信号を加算する加算器と、を備え、
前記加算器の加算出力信号に基づいて、前記共振器の入力インピーダンスを前記伝送線路の特性インピーダンスに整合させることを特徴とする電子スピン共鳴測定装置の自動制御装置。
A detection circuit for detecting an envelope of a reflected wave signal partially branched from a transmission line connected to the electron spin resonance resonator;
An oscillator that outputs a reference signal;
A phase shifter for phase-adjusting the phase-inverted or non-inverted reference signal;
A high-pass filter circuit connected after the phase shifter;
A balanced modulator that multiplies the detection signal of the detection circuit by the reference signal that has passed through the high-pass filter circuit;
An integrator for integrating the output of the balanced modulator;
An adder for adding the reference signal to the output signal of the integrator,
An automatic control device for an electron spin resonance measuring apparatus, wherein an input impedance of the resonator is matched with a characteristic impedance of the transmission line based on an addition output signal of the adder.
前記高域通過フィルタ回路は、前記参照信号の周波数付近を遮断周波数とすることを特徴とする請求項1に記載の電子スピン共鳴測定装置の自動制御回路。   2. The automatic control circuit for an electron spin resonance measuring apparatus according to claim 1, wherein the high-pass filter circuit has a cutoff frequency around a frequency of the reference signal. 前記移相器が、前記参照信号を入力とする演算増幅器を含み、該参照信号の位相を所定範囲の位相に調整でき、
位相補償回路が、前記積分器と前記加算器との間に挿入され、
前記位相補償回路が、フィードバック制御システムの位相マージンを確保できるように動作することを特徴とする請求項1又は2に記載の電子スピン共鳴測定装置の自動制御回路。
The phase shifter includes an operational amplifier that receives the reference signal, and can adjust the phase of the reference signal to a predetermined range of phase;
A phase compensation circuit is inserted between the integrator and the adder;
3. The automatic control circuit for an electron spin resonance measuring apparatus according to claim 1, wherein the phase compensation circuit operates so as to ensure a phase margin of a feedback control system.
前記検波回路の検波信号を自動チューニング制御用の変調信号に基づいて位相検波する位相検波回路と、
前記位相検波回路の出力信号に第1バイアス電圧を加算する第1加算器と、を有する自動チューニング制御回路を含み、
前記自動チューニング制御回路が、前記共振器の共振周波数を、該共振器に供給されるマイクロ波の周波数に同調させる自動制御を行うことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電子スピン共鳴測定装置の自動制御回路。
A phase detection circuit for detecting a phase of the detection signal of the detection circuit based on a modulation signal for automatic tuning control; and
An automatic tuning control circuit having a first adder for adding a first bias voltage to the output signal of the phase detection circuit;
4. The automatic tuning control circuit performs automatic control for tuning a resonance frequency of the resonator to a frequency of a microwave supplied to the resonator. 5. Automatic control circuit for electron spin resonance measurement equipment.
前記検波回路の検波信号を自動周波数制御用の変調信号に基づいて位相検波する位相検波回路と、
前記位相検波回路の出力信号に、第2バイアス電圧と前記変調信号を加算する第2加算器と、を有する自動周波数制御回路を含み、
前記自動周波数制御回路が、前記共振器に供給されるマイクロ波周波数を、該共振器の共振周波数に同調させる自動制御を行うことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電子スピン共鳴測定装置の自動制御回路。
A phase detection circuit for detecting a phase of the detection signal of the detection circuit based on a modulation signal for automatic frequency control; and
An automatic frequency control circuit having a second bias voltage and a second adder for adding the modulation signal to the output signal of the phase detection circuit;
5. The automatic frequency control circuit performs automatic control for tuning a microwave frequency supplied to the resonator to a resonance frequency of the resonator. 6. Automatic control circuit for electron spin resonance measuring device.
前記検波回路の検波信号を変調信号に基づいて位相検波する位相検波回路と、
前記位相検波回路の出力信号に第1バイアス電圧を加算する第1加算器と、
前記位相検波回路の出力信号に第2バイアス電圧と前記変調信号を加算する第2加算器と、
前記位相検波回路の出力信号を、第1加算器と第2加算器とに切替出力できる切替回路と、を備えたことを特徴とする請求項4及び5に記載の電子スピン共鳴測定装置の自動制御回路。
A phase detection circuit for detecting a phase of a detection signal of the detection circuit based on a modulation signal;
A first adder for adding a first bias voltage to the output signal of the phase detection circuit;
A second adder for adding a second bias voltage and the modulation signal to the output signal of the phase detection circuit;
6. The automatic spin resonance measuring apparatus according to claim 4, further comprising a switching circuit capable of switching and outputting the output signal of the phase detection circuit to a first adder and a second adder. Control circuit.
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