JP2008002933A - Loop gap resonator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子スピン共鳴(ESR)装置に用いられるループギャップ共振器における共振周波数調整機構の改良に関する。 The present invention relates to an improvement of a resonance frequency adjusting mechanism in a loop gap resonator used in an electron spin resonance (ESR) apparatus.
ループギャップ共振器は、空胴共振器と並んで最も良く利用されるESR用検出器の1つである。ループギャップ共振器は、生体を扱う低周波ESRや水溶液などの誘電損失の大きな試料を測定する場合に最も良く使われている。ループギャップ共振器の特徴は、他のESR用共振器(例えば空胴共振器)と較べて、発生する高周波磁界の密度が非常に高いことである。一方、共振器の特徴を表わすQ値は低いことも特徴である。 The loop gap resonator is one of the most commonly used ESR detectors along with the cavity resonator. The loop gap resonator is most often used when measuring a sample having a large dielectric loss such as a low-frequency ESR or an aqueous solution that handles a living body. The feature of the loop gap resonator is that the density of the generated high-frequency magnetic field is very high compared to other ESR resonators (for example, cavity resonators). On the other hand, the Q value representing the characteristics of the resonator is also low.
ループギャップ共振器の基本動作を図1にまとめた。非特許文献1、2によると、ループギャップ共振器の共振周波数は、ループとギャップの構成によって決まり、図中に示した式A、Bにより概算できる。(a)はループが1個、ギャップが2個の場合のモデル、(b)はループが2個、ギャップが1個の場合のモデルである。(b)の式Bを見ると、複数のループを持つループギャップ共振器では、その共振周波数がW−0.5とt0.5に比例していることが分かる。
The basic operation of the loop gap resonator is summarized in FIG. According to
図2は、特公平3−79670号公報に記載されているループギャップ共振器および共振周波数調整機構を示している。このループギャップ共振器は、図2に示すように、ループ状の電極1をループの軸心にほぼ平行なギャップ2により切断した構造を持ち、外部の図示しないアンテナ回路との結合を介して供給されるマイクロ波電流が電極1の表面を流れる。このとき、ループ電極1がインダクタンスL、ギャップ2がキャパシタンスCとなってLC共振器が構成される。
FIG. 2 shows a loop gap resonator and a resonance frequency adjusting mechanism described in Japanese Patent Publication No. 3-79670. As shown in FIG. 2, this loop gap resonator has a structure in which a loop-
このループギャップ共振器の共振周波数は、ループ長(ループの径)とギャップの大きさ、すなわちループ電極1の形状によって決定されるが、ループ電極1の形状を変えずに共振周波数を変える方法として、図3に示されているように、誘電体などでできた静電容量調整板3をギャップ2に挿入することが行なわれている。これは、誘電体をギャップに挿入することによりキャパシタンスCを変え、共振周波数を変化させるもので、誘電体を矢印方向に移動させてギャップ内の誘電体挿入量を変化させることにより、共振周波数を連続的に変化させることが可能である。
The resonance frequency of the loop gap resonator is determined by the loop length (loop diameter) and the size of the gap, that is, the shape of the
このような構成において、ループギャップ共振器の電磁界分布は図2に示すような形になっている。このような電磁界分布のもとで、周波数調整のため、誘電体板を図3に示されるようにギャップ2の途中まで挿入すると、電界が誘電体の部分に集中し、ギャップ2の誘電体板の無い部分で電界が弱まるため、共振器内の電磁界分布の上下対称性がくずれると共に、電磁界分布自体も静電容量調整板3の移動と共に変化する結果となる。
In such a configuration, the electromagnetic field distribution of the loop gap resonator is as shown in FIG. Under this electromagnetic field distribution, when the dielectric plate is inserted partway through the
このような現象は、ESRイメージング装置など、ループギャップ共振器内部のマイクロ波磁界の空間強度分布を基準にして測定を行なう装置では、きわめて不都合な現象であった。このような不都合を解決する目的で新たに提案されたのが、特開平9−184814号公報に開示されているループギャップ共振器、およびその共振周波数調整機構である。 Such a phenomenon is a very inconvenient phenomenon in an apparatus such as an ESR imaging apparatus that performs measurement based on the spatial intensity distribution of the microwave magnetic field inside the loop gap resonator. In order to solve such inconveniences, a loop gap resonator and a resonance frequency adjusting mechanism disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-184814 have been newly proposed.
図4(a)は、共振器内部の電磁界分布の対称性を改良したループギャップ共振器、図4(b)は、その等価回路を示している。ループギャップ共振器は、所定幅、所定長さの薄板電極の中央部を円筒状に曲げてループ部1を形成させると共に、薄板電極の両端部が、ギャップの部分で対向したギャップ延長電極4として、ループの外側へ向けて平行に突き出るように折り曲げ加工されている。
FIG. 4A shows a loop gap resonator in which the symmetry of the electromagnetic field distribution inside the resonator is improved, and FIG. 4B shows an equivalent circuit thereof. The loop gap resonator is formed by bending a central portion of a thin plate electrode having a predetermined width and a predetermined length into a cylindrical shape to form a
このような対向した2つのギャップ延長電極4の間に形成されたギャップ2内に誘電体などでできた静電容量調整板3が挿入されることによって、ループギャップ共振器の共振周波数調整機構が形成される。静電容量調整板3は、銅などの導電体でできた支持体5の先端部に、図示しないねじなどの固定部材によって固定されており、図示しない駆動機構でこの支持板5を前進または後退させることにより、ギャップ2内への静電容量調整板3の挿入量が調整され、キャパシタンスCが制御される。静電容量調整板3とギャップ部2をこのような構造にすることにより、共振周波数調整に伴うループギャップ共振器内部に生じる電磁界分布の対称性の歪みを大幅に改善することが可能になった。
By inserting the
ところで、現在までに、さまざまなループギャップ共振器が開発され、利用されているが、いずれも単一周波数で用いることを目的としている。通常、ある程度の周波数微調整機構は備えているが、それはある決まった周波数帯域内での調整範囲しか持たないので、ひとつの共振器で異なる周波数帯域にまたがって、ESRスペクトルを取得することはできない。詳しく言えば、例えば5GHz、10GHz、20GHzといった周波数帯域毎のESRスペクトルを、検出器を交換せずに取得することができないということである。 By the way, various loop gap resonators have been developed and used so far, and all are intended to be used at a single frequency. Usually, a certain amount of frequency fine adjustment mechanism is provided, but since it has only an adjustment range within a certain frequency band, an ESR spectrum cannot be acquired across different frequency bands with one resonator. . Specifically, for example, the ESR spectrum for each frequency band such as 5 GHz, 10 GHz, and 20 GHz cannot be acquired without exchanging the detector.
例えば、代表的なESR装置に用いられる周波数帯には、Lバンド(〜1GHz)、Sバンド(〜2GHz)、Xバンド(〜9GHz)、Kバンド(〜17GHz)、Qバンド(〜34GHz)といった周波数帯がある。物質の運動性に関わる研究を行なう場合、周波数帯によってスペクトルの見え方が異なるため、通常は、検出器を専用の周波数帯のものに交換して測定している。 For example, frequency bands used for typical ESR devices include L band (~ 1 GHz), S band (~ 2 GHz), X band (~ 9 GHz), K band (~ 17 GHz), Q band (~ 34 GHz), etc. There is a frequency band. When conducting research related to the motility of materials, the appearance of the spectrum differs depending on the frequency band, so measurements are usually made by exchanging the detector for a dedicated frequency band.
仮に測定周波数を連続的に変えたいと思っても、通常の検出器はある一定の周波数帯域でしか共振できないので、飛び飛びの周波数帯でのスペクトルしか得られないという問題があった。 Even if it is desired to continuously change the measurement frequency, a normal detector can resonate only in a certain frequency band, so that there is a problem that only a spectrum in a discrete frequency band can be obtained.
本発明の目的は、上述した点に鑑み、1台のループギャップ共振器できわめて広い周波数帯での連続的なESR測定を可能にする技術を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a technique that enables continuous ESR measurement in a very wide frequency band with one loop gap resonator in view of the above points.
この目的を達成するため、本発明にかかるループギャップ共振器は、
複数のループ間を長さが可変できるギャップ延長電極で連結し、ギャップ延長電極の長さを可変することによって共振周波数を可変するようにしたことを特徴としている。
In order to achieve this object, a loop gap resonator according to the present invention includes:
A feature is that a plurality of loops are connected by a gap extending electrode whose length can be varied, and the resonance frequency is varied by varying the length of the gap extending electrode.
また、前記ギャップ延長電極は2分割され、互いに電気的接触を保ちながら摺動してループ間距離を変えられるように構成されていることを特徴としている。 In addition, the gap extension electrode is divided into two parts, and is configured to be able to change the distance between the loops by sliding while maintaining electrical contact with each other.
また、前記複数のループは、共振軸が互いに平行であることを特徴としている。 Further, the plurality of loops are characterized in that resonance axes are parallel to each other.
本発明のループギャップ共振器によれば、
複数のループ間を長さが可変できるギャップ延長電極で連結し、ギャップ延長電極の長さを可変することによって共振周波数を可変するようにしたので、
1台のループギャップ共振器できわめて広い周波数帯での連続的なESR測定を可能にすることができる。
According to the loop gap resonator of the present invention,
Since the gap extension electrode that can change the length between multiple loops is connected, and the length of the gap extension electrode is changed, the resonance frequency is changed.
A single loop gap resonator can enable continuous ESR measurement in a very wide frequency band.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図5は、本発明にかかるループギャップ共振器の一実施例である。本発明は、図に示すように、半径r0の円筒状大ループ6と、半径r1の円筒状小ループ7が、幅t、長さWのギャップ延長電極8によって2つのループの共振軸を平行にした状態で連結されており、ギャップ延長電極8の長さWは可変できるようになっている。そして、実際の構造としては、ギャップ延長電極8は2分割され、互いに電気的接触を保ちながら摺動してループ間距離を変えられるように構成されている
このループギャップ共振器は、図6のように動作する。まず、試料9を大ループ6か小ループ7かどちらか一方にセットした状態で、カップリング・ループ10などを介して所定の周波数を持ったマイクロ波を導入し、ループギャップ共振器に電磁界共振を起こさせる。次に、目的の周波数で共振が起きるように、ギャップ延長電極8の長さWを調整する。共振が起きたら、試料9に印加している図示しない静磁場を掃引して、ESRスペクトルを測定する。
FIG. 5 shows an embodiment of a loop gap resonator according to the present invention. In the present invention, as shown in the figure, a cylindrical large loop 6 having a radius r 0 and a cylindrical
数値計算により求めたWと共振周波数の関係を図7に示す。これを見ると、ΔW=5mmの変化で、21GHzから11GHzへと、共振周波数は約2倍の変化を示すことが分かる。これにより、共振器を交換しなくても、1台のループギャップ共振器のみで複数の周波数帯をまたいでESRの観測を行なうことが可能になった。 FIG. 7 shows the relationship between W and resonance frequency obtained by numerical calculation. From this, it can be seen that the resonance frequency changes approximately twice from 21 GHz to 11 GHz with a change of ΔW = 5 mm. As a result, it is possible to observe ESR across a plurality of frequency bands with only one loop gap resonator without replacing the resonator.
尚、本発明には変形が可能である。すなわち、ループギャップ共振器に設けられるギャップの数は、常に1個とは限らない。複数のギャップを持ったループギャップ共振器の場合、そのいくつかに対して、ギャップ延長電極の長さを可変できる機構を伴った小ループを設け、ループギャップ共振器全体を3個以上の大小のループで構成し、それらのギャップ延長電極の長さを可変することによって共振周波数を可変するようにしても良い。その場合、小ループの共振軸は中央の大ループの共振軸と平行になるように設定しておく。そうすれば、ループギャップ共振器の一層大きな共振周波数変化を実現することができる。 The present invention can be modified. That is, the number of gaps provided in the loop gap resonator is not always one. In the case of a loop gap resonator having a plurality of gaps, a small loop with a mechanism capable of changing the length of the gap extension electrode is provided for some of them, and the entire loop gap resonator has three or more large and small sizes. The resonance frequency may be varied by configuring the loops and varying the lengths of the gap extension electrodes. In that case, the resonance axis of the small loop is set to be parallel to the resonance axis of the central large loop. By doing so, it is possible to realize a greater change in the resonance frequency of the loop gap resonator.
ESR装置に広く利用できる。 Widely applicable to ESR devices.
1:ループ部、2:ギャップ部、3:静電容量調整板、4:ギャップ延長電極、5:指示体、6:大ループ、7:小ループ、8:ギャップ延長電極、9:試料、10:カップリング・ループ 1: loop part, 2: gap part, 3: capacitance adjusting plate, 4: gap extension electrode, 5: indicator, 6: large loop, 7: small loop, 8: gap extension electrode, 9: sample, 10 : Coupling loop
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