JP2009115772A - Esr detector using transmission line - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はESR用検出器に関するものである。The present invention relates to a detector for ESR.
ESR(Electro Spin Resonance,電子スピン共鳴)は、電子スピン共鳴現象を利用して、分子構造の解析、磁性発生メカニズムの解析、フリーラジカルの計量による健康食品の開発などに使用する観測技術である。なお、原理は、静磁場中に電磁場を導入し、電磁場の中の磁場が静磁場に直交するように電磁場の方向をそろえる。この互いに直交する磁場の中に試料を置き、原子の外殻電子のスピンを共鳴させるものである。また、ESRに使用する検出器を大別すると、非共振器タイプと共振器タイプがある。非共振器タイプはマイクロ波、ミリ波の周波数を変化させることができるので、静磁場強度を一定にしてもあらゆる条件下でのESR信号を検出できるので便利である。しかし、検出感度が悪い。一方、共振器タイプは、入力するマイクロ波やミリ波の周波数は、共振器の共振周波数以外では使用できない。しかし、検出感度を高くすることができる。このため、ESRの主流は共振器タイプである。
次に、共振器タイプについて説明する。
共振器を大別すると、金属製の矩形や円筒の箱の中に電磁波を導入して共振させ、この電磁波中の磁界を使用する方法と、コイルとコンデンサーからなる共振器で、コイルを通り抜ける磁界を用いる方法がある。
この2つの方法ともに、磁界が大きな体積中にあり、磁界密度を高くすることが難しい。ESR (Electro Spin Resonance, Electron Spin Resonance) is an observation technique used for analysis of molecular structure, analysis of magnetism generation mechanism, development of health food by measuring free radicals, etc. using electron spin resonance phenomenon. The principle is that an electromagnetic field is introduced into a static magnetic field, and the direction of the electromagnetic field is aligned so that the magnetic field in the electromagnetic field is orthogonal to the static magnetic field. A sample is placed in this perpendicular magnetic field to resonate the spins of the outer electrons of the atoms. In addition, the detectors used for ESR are roughly classified into a non-resonator type and a resonator type. Since the non-resonator type can change the frequency of the microwave and millimeter wave, it is convenient because the ESR signal can be detected under any conditions even if the static magnetic field strength is constant. However, the detection sensitivity is poor. On the other hand, in the resonator type, the input microwave and millimeter wave frequencies can be used only at the resonance frequency of the resonator. However, the detection sensitivity can be increased. For this reason, the mainstream of ESR is a resonator type.
Next, the resonator type will be described.
Resonators can be broadly classified by introducing an electromagnetic wave into a metal rectangular or cylindrical box to resonate, and using the magnetic field in this electromagnetic wave, and the magnetic field that passes through the coil by a resonator consisting of a coil and a capacitor. There is a method of using.
In both of these methods, the magnetic field is in a large volume, and it is difficult to increase the magnetic field density.
本発明は、磁界の体積を小さくして感度及び分解能向上をはかることを目的としている。An object of the present invention is to improve sensitivity and resolution by reducing the volume of a magnetic field.
本発明は、伝送線路を用いた共振器で、電磁界が限られた空間に存在することにより、高感度化できる検出器に関するものである。またさらに、これに加えて、試料を置く場所の導体を細くして電流密度を高めることにより、この電流によって生ずる磁界強度を高めることができ、このことによりさらに高感度化できるとともに、細いところのみでESRを検出するので、大きな試料の中の位置を特定できる。この位置が特定できることにより、ESRの画像化もできる。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a detector using a transmission line, and to a detector that can be highly sensitive when an electromagnetic field exists in a limited space. In addition to this, by increasing the current density by narrowing the conductor where the sample is placed, the magnetic field strength generated by this current can be increased. Since ESR is detected by the method, the position in a large sample can be specified. Since this position can be specified, ESR can be imaged.
本発明の方法を用いると、以下に示す効果がある。
・ 今までの感度の2倍以上の高感度化が実現する。
・ 検出部分が2mm以下なので、試料または検出器を1次元、2次元又は3次元に動かすことによって、ESRの線画像、2次元画像又は3次元画像を描くことができる。Use of the method of the present invention has the following effects.
・ Realization of higher sensitivity than twice the current sensitivity.
-Since the detection part is 2 mm or less, the ESR line image, 2D image, or 3D image can be drawn by moving the sample or the detector in one, two, or three dimensions.
図1に本発明を実施するためのブロック図を示す。
発振器1から10GHzを出力すると、サーキュレータ2に入り、検出器3に行く。この検出器3はマイクロストリップライン構造で、グランド12の上に誘電体を挟んで信号線を配置した伝送線路の構造になっている。5が共振器で、上側の伝送線路とはギャップ13でコンデンサ結合をしている。また、グランドとは誘電体の厚さ及びギャップ14を通して、共振器5とコンデンサ結合している。なお、共振器は1/2波長や1波長の電気長になっていて、両端は電圧が最大で電流は最小になっている。なお、電流最大の点は1/2波長共振器の場合は共振器の中央。1波長共振器の場合は、電流最大の点は上から1/4長さ、又は上から3/4のところすなわち下から1/4長さのところが電流最大の点である。図1の場合は、1波長共振器なので、下から1/4長のところが電流最大点であり、この電流によって磁界も最大に流れる。
一方、1/4長のところの信号導体をカッターナイフ等で切って細くする。こうするとこの部分の電流が細い部分に集中するので、この周りに発生する磁界は大きく、試料を8の部分に貼り付けると感度が大きく向上する。なお、ここでは共振器が紙面に平行になっているが実際は紙面に直交している。こうすると試料を貼り付けたところの磁界の方向がコイル10で発生する静磁界と直交し、ESRの原理通りになる。また、反射波調整器6は、試料8がESR信号を出していないとき、サーキュレータ2に戻る反射波が最小になるように位相と振幅を調整するものである。FIG. 1 shows a block diagram for carrying out the present invention.
When 10 GHz is output from the
On the other hand, the signal conductor having a length of ¼ is cut and thinned with a cutter knife or the like. In this way, the current in this part is concentrated in a thin part, so the magnetic field generated around this part is large, and the sensitivity is greatly improved when the sample is attached to the
図2にマイクロストリップライン共振器の例を示す。
共振器とは、同軸ケーブル15で接続している。なお、共振器の電気長は1波長(1λ)にした。10GHzでマイクロストリップラインの場合の実効比誘電率が2の場合、λは21mmである。また、ギャップ14はプリント基板の誘電体厚さをそのまま用いる。すると共振周波数を調整するときは、端部を切断すればよい。一方、共振器の電流Iは両端と中央は零である。そして両端から1/4λのところの電流が大きい。すなわち電流によって生じる磁界も大きい。ラジカル剤DPPH1mgをa点及びb点に置いたところESR信号は大きく出た。なお、信号ラインのライン幅の中央よりも端部の方が信号は大きく出た。一方、検出器がストリップラインの場合も同軸ケーブルの場合も基本は同じである。なお、試料を入れるために、ストリップライン及び同軸ケーブルのグランド及び誘電体に、例えば2mmφの穴を開け、そこから試料を挿入する。なお、全ての伝送線路に言えるが、静磁界に変調をかける場合は、変調磁界が通るように、グランドの導体厚さを薄くする。FIG. 2 shows an example of a microstrip line resonator.
The resonator is connected by a coaxial cable 15. The electrical length of the resonator was set to one wavelength (1λ). When the effective relative permittivity is 2 at 10 GHz in the case of a microstrip line, λ is 21 mm. The
図3に共振器をなす伝送線路の長さ方向の電流が最大に流れる部分の伝送線路を細くした検出器について示した。図には信号線のみ示したが左からλ/4のところの中央を幅0.2mm、長さ0.4mmの細い導体にした。なお、信号線の幅は4mm、グランド幅は10mmである。図4にラジカル剤DPPH 1mgを使用して感度の比較を示した。周波数9.35GHz、横軸が静磁界を324mTから340mTまで増加させたときの信号である。
上の信号がQ値8000の矩形共振器で従来一般に使用されているものである。
下の信号は、図3のマイクロストリップライン共振器を用いた場合である。細い導体を用いた場合、従来の矩形共振器と比較して、信号レベルが9倍に増加した。これは、磁界が大きな共振器全体に拡がることなく、細い導体のまわりに集中しているからである。FIG. 3 shows a detector in which the transmission line in the portion where the current in the length direction of the transmission line forming the resonator flows is maximized. Although only the signal line is shown in the figure, the center at λ / 4 from the left is a thin conductor having a width of 0.2 mm and a length of 0.4 mm. The signal line has a width of 4 mm and a ground width of 10 mm. FIG. 4 shows a comparison of sensitivity using 1 mg of the radical agent DPPH. The frequency is 9.35 GHz, and the horizontal axis is a signal when the static magnetic field is increased from 324 mT to 340 mT.
The above signal is a rectangular resonator having a Q value of 8000 and is generally used conventionally.
The lower signal is when the microstrip line resonator of FIG. 3 is used. When a thin conductor was used, the signal level increased 9 times compared to the conventional rectangular resonator. This is because the magnetic field is concentrated around a thin conductor without spreading over a large resonator.
図5に伝送線路を細くした部分が伝送線路の端部である検出器の例を示した。上部の共振器5と下部の共振器5で1つの共振器になっていて、この場合は共振器長の合計は1/2λにした。一方細い部分は電流の一番多く流れる部分で、ここは銅線で接続した。なお、細い部分の太さと長さが違うと共振周波数が違ってくるので、特に共振器長さは適宜調整する。なお、検出部が端部にある検出器は、試料に接触させ易い。また、1次元、2次元及び3次元画像をつくるときも大変便利である。FIG. 5 shows an example of a detector in which the thinned portion of the transmission line is the end of the transmission line. The
1:発振器
2:サーキュレータ
3:検出器
4:コネクタ
5:共振器
6:反射波調整器
7:細い部分
8:試料
9:静磁界用発振器及び増幅器
10:静磁界発生コイル
11:信号増幅器
12:グランド
13:ギャップ
14:ギャップ
15:同軸ケーブル1: Oscillator 2: Circulator 3: Detector 4: Connector 5: Resonator 6: Reflected wave regulator 7: Narrow part 8: Sample 9: Static magnetic field oscillator and amplifier 10: Static magnetic field generating coil 11: Signal amplifier 12: Ground 13: Gap 14: Gap 15: Coaxial cable
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015206641A (en) * | 2014-04-18 | 2015-11-19 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | Ferromagnetic resonance measuring device |
JP2016505146A (en) * | 2013-02-01 | 2016-02-18 | クオンタム ヴァリー インベストメント ファンド リミテッド パートナーシップ | Resonator for electron spin resonance |
JP2017219518A (en) * | 2016-06-10 | 2017-12-14 | 株式会社デンソー | ESR detector |
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- 2007-11-05 JP JP2007312851A patent/JP2009115772A/en active Pending
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