JP2012519288A - 空洞共振器としての半開形の共振器装置及びこの共振器装置によって試料を分析する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、電気伝導可能で半開形の外側のハウジングを有する共振器装置であって、前記ハウジングに対して同軸に配置された電気伝導可能な棒が、このハウジングの内部に配置されている当該共振器装置に関する。
【解決手段】
この課題は、前記棒がハウジング底の方向のその一方の端部にシールを有し且つ誘電体及び前記ハウジング底と一緒にコンデンサを構成し、前記棒がその他方の端部で前記ハウジングに短絡接続されている結果、前記棒と前記ハウジングとが一緒にＬＣ共振回路を構成することができることによって解決される。

Description

本発明は、共振器装置及びこの共振器装置によって試料を分析する方法に関する。

密閉されている容器内の試料を分析する方法及び装置が、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０４６６５７号明細書から公知である。この場合、試料が、半開形の誘電体共振器によって分析される。

化学的に類似の異なった液体の定性分析が、あらゆる場合においてこの装置及び当該明細書中で開示された方法によって不可能である点が欠点である。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０４６６５７号明細書

本発明の課題は、試料を識別するために改良された共振器装置及び対応する方法を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の共振器装置及び請求項７に記載の方法によって解決される。好適な構成は、当該請求項を引用する請求項に記載されている。

当該共振器装置は、電気伝導可能で、特に金属製の半開形ハウジングを有する。特に、このハウジングは、円筒シリンダ状のハウジングである。同軸センサ用の結合アンテナが、このハウジング内に配置されている。当該同軸センサは、電気伝導可能な棒を有する。この棒は、金属のハウジングによって同軸に包囲されている。特に、この棒は、ハウジングの中心に配置されている。この棒は、ハウジング底に向かってシール状に又は板状に広くなっている。棒の端部の当該板状体は、誘電体及びコンデンサの第２板としてのこのハウジング底自体と一緒に同軸センサの容量性の端部を形成する。この棒は、この棒に同軸の部分の対向する部分でハウジングに短絡接続されている。この棒及びこのハウジングは、協働してＬＣ共振回路を構成する。

特に、当該ハウジングとの短絡接続は、短絡棒、例えば横板によって実施される。この横板は、棒の上端部をハウジングに半径方向に連結する。同軸センサのこの配置は、有益に非常にコンパクトである。当該短絡棒の磁場がこの短絡棒の上に配置された試料の導電率を測定するために使用され得ることが、当該配置の半開形の特徴によって保証されている。

１００ＭＨｚの共振周波数の場合の高いＱ値、例えば７００が有益である。この高いＱ値は、当該配置によって実現され、試料を分析するために使用され得る。

本発明の好適な構成では、同軸の棒が、ハウジング内の特に円筒シリンダ状の誘電体共振器を貫通している。この棒及びこの棒を包囲する誘電体共振器が、ハウジング内の特に中心に配置されていてこのハウジングによって同様に同軸に包囲されている。これによって、横板の磁場だけではなくて、さらに誘電体共振器の電場が、半開形ハウジングの上に配置された試料を分析するために同時に使用され得ることが特に有益にもたらされる。このため、誘電体共振器のモードに励振するための結合ローブが、例えばハウジングのシリンダ壁内に存在する。これによって、本発明の共振器配置は、デュアルモード共振器を有する。この場合、誘電体共振器の電場と横板の磁場とが、相互に悪影響を受けない点が特に有益である。これによって、試料の高い精度の定性分析を保証する極めてコンパクトな共振器装置が提供される。好ましくは、高いＱ値が、当該共振器装置の両モードで実現可能である。さらに、当該両モードが、例えば１００ＭＨｚと２ＧＨｚとの非常に異なる共振周波数を有し得る点が有益である。

誘電体共振器が、金属のハウジング内の中心に配置されていて且つこのハウジングと一緒に当該棒を同軸に包囲するように、本発明の共振器装置は配置されている。

当該共振器装置は、ＬＣ共振回路の同軸モードに励振するための手段及び誘電体共振器のモードに励振するための手段を有する。

当該共振器装置では、誘電体共振器が、１ＧＨｚの上の周波数で誘電緩和を測定するために使用され、容量性に構成されている同軸共振器が、約１〜５００ＭＨｚ、特に１０〜５００ＭＨｚの周波数で導電率を測定するために使用される。

誘電体共振器のモード及びＬＣ共振回路のモードが、同時に励振され、３次元的に重畳するエバネッセント場を当該共振器装置の外部に当該両モードに対して形成する。次いで、誘電緩和及び導電率が、試料を分析するために同時に測定され得る。好ましくは、共振器装置に対する試料の位置が、当該両共振周波数の下での測定中に変更される必要がもはやない。

誘電体共振器の共振モードに励振するための高周波信号が、当該共振器装置内に入力され、少なくとも１つの共振モードの共振曲線が測定され、試料が、試料容器なしの測定値と比べた共振周波数の算出された変化から識別される。ＬＣ共振回路の共振曲線の対応する測定は、例えば共振周波数の少なくとも１つの半値幅によって実施されなければならない。

当該励振は、誘電体共振器に対しては特に１ＧＨｚより大きいマイクロ波放射によって実施されるか又はＬＣ共振回路に対しては約１〜５００ＭＨｚの範囲内のマイクロ波放射によって実施される。ＬＣ共振回路のＱ値は、周波数に依存し、例えば１００ＭＨｚの場合は７００になり得る。

当該両モードは、試料が分析される共振器装置の外部の、特に好ましくは同じ場所に３次元的に重畳するエバネッセント場を有する。これによって、密閉されている容器内の液体自体が、形及び大きさにほとんど影響されずに唯一の測定場所で分析され得ることが保証されている。同軸モードの高いＱ値及び低い共振周波数に起因して、導電率を当該Ｑ値の変化を通じて非常に正確に測定することができる。

当該導電率の測定をＱ値及び共振周波数の測定される変化と組み合わせた場合、あらゆる試料、すなわち密閉されている容器内の液体試料に特に限定されない液体試料や固体試料を、誘電特性及び導電率によって非常に細かく且つ迅速に分析することができる。

本発明による設備は、例えば円筒シリンダ状の誘電体共振器のＴＥ_{０ｍ，ｎ＋σ}モードと明らかに低い共振周波数内にあって容量性に構成されている同軸モードとの同時の励振を可能にする。

誘電体共振器のモードの場分布及びＱ値が、当該共振器装置内の棒のシールによって、誘電体によって及び同軸モード用の結合アンテナによってほとんど影響を受けないことが分かっている。この理由から、誘電体共振器のモードは、液体を識別するために利用され得る。この場合、共振周波数と特性との比、特に共振周波数と半値幅（reziproker Gute）との比の、試料によって生じる特性変化が、空気に対する測定後に算出される。

さらに、同軸モードの電場が、シールとハウジング底との間の空隙内にほぼ完全に集中していることが、その他の側面から分かっている。その結果、誘電体共振器が、周波数の僅かな低下作用しか有さない。短絡棒の磁場が、外部空間内へ突出し、導電率を測定するために利用され得る。

試料又は試料容器の位置が、共振器配置に対して変更される必要なしに、誘電体共振器のモードの電場と同軸モードの磁場とが３次元的に重畳する外部空間内のエバネッセント場が、唯一の位置での両共振周波数による試料の特性の測定を可能にする。

さらに、本発明の範囲内では、液体の特性としての複素誘電関数ε（ω）＝ε_１（ω）＋ｉε_２（ω）が、異なる物性に基づく識別を可能にすることが分かっている。この場合、主に実数部ε_１（ω）が、分子の電気分極及び誘電緩和に基づく液体の識別を可能にする。それ故に、好ましくは、例えば、水性液体が、誘起液体から非常に簡単に識別される。

特に水性液体の場合は、導電率による細かい識別が可能である。この導電率は、水性液体中に存在するイオンに起因し、複素誘電関数の虚数部ε_２（ω）に対する１／ωに対応する：
ε（ω）＝（ε_Ｓ（Ｔ）−ε_∞（Ｔ））／（１＋ｉωτ（Ｔ））＋σ／（ｉωε_０）
方程式１
この場合、ε_Ｓ（Ｔ）は、静的誘電率を意味する。この静的誘電率は、例えば全ての既知の有機液体の値より８０だけ明らかに上の値を有する水の場合である。ε_∞（Ｔ）は、光学的誘電率である。τ（Ｔ）は、温度に強く依存する緩和時間である。この緩和時間は、室温での水に対しては約６ｐｓであり、同時にε_１（ω）及びε_２（ω）の周波数に強く依存する。

特に、最大で例えば２０ＧＨｚのマイクロ波帯域内のε_２（ω）の高い値は、水がマイクロ波を非常に強く吸収することになる。これに対して、約５００ＭＨｚの下の周波数の下でのε_２（ω）の経時変化中は、水性の飲料水又は化粧水の場合の、周波数の低下と共に増大するイオン伝導率（方程式１中のσ）の値が、水分子の分子緩和に起因した周波数の上昇と共に増大する誘電損失よりも大きい。塩を多く含む液体又は強酸及び強塩基の場合は、このイオン伝導率の値が誘電損失よりも大きいことは、より高い周波数のときでも維持される。

例えば、本発明の共振器装置は、容量性に構成されている同軸共振器のモードを遥かに低い周波数（この実施の形態では約１００ＭＨｚ）で励振させるのと同時に、円筒シリンダ状の共振器のＴＥ_{０ｍ，ｎ＋σ}モードをマイクロ波帯域内で（この実施の形態のＴＥ_０１σモードでは２．２ＧＨｚで）励振させることを可能にする。

本発明の共振器装置を示す。 共振が起きた場の強さの数値計算した３次元分布を示す：同軸モードの電場分布（ａ）、同軸モードの磁場分布（ｂ）、ＴＥ_０１σモードの電場分布（ｃ）、ＴＥ_０１σモードの磁場分布（ｄ） 図１の共振器装置によって瓶内の液体を識別し、２つのネットワーク分析器によって測定するための設備を示す。

図１ａ及び図ｂは、ＬＣ共振回路及び場合によっては誘電体共振器１２を有する本発明の共振器装置Ｒの、９０°だけ相対して配置された２つの横断面を示す。

円筒シリンダ状の金属のハウジング１１が、２ＧＨｚ及び１００ＭＨｚの場合に約６０ｍｍの直径を有する。このハウジング１１は、銀めっきしたアルミニウム又は銅から成る。任意の誘電体共振器１２が、このハウジング内の中央に示されている。この誘電体共振器１２及びハウジング１１は、この誘電体共振器１２及びこのハウジング１１内に配置された、ＬＣ共振回路の電気伝導可能な棒１６を同軸に有する。横板１７（図１ｂ）が、短絡棒としてこの電気伝導可能な棒１６の上端を外側のハウジング１１に半径方向に接合する。

さらに、誘電体共振器のモードに励振するための結合ローブ１６Ａ及び１６Ｂが示されている。

高い電気伝導性を有するシリンダ状の金属のハウジング１１内には、金属のシール１５が、平面な底板１４上の可能な限り中心に配置される。このシール１５は、可能な限りシリンダ状の棒１６に電気伝導性に結合されていて、特に片材から製造されている。

例えば銅のような良導電性の金属から成る当該金属の板１５は、高い誘電率及び低い誘電損失を有する材料から成る誘電体１８によってハウジング底１４から分離され、このハウジング底１４及びこの誘電体と一緒に平板コンデンサを構成する。当該誘電体は、例えばサファイア、マイクロ波誘電体セラミックス若しくは合成樹脂膜から成るか又は空隙によって簡単に形成されていて且つハウジング１４から電気絶縁されている。シリンダ状の金属の棒１６は、一方では短い同軸ケーブルの内部導体を形成し、他方では円筒シリンダ状の誘電体共振器１２用の中心合せ部材及び保持部材を形成する。この誘電体共振器１２は、シリンダ状の棒１６に適合する中心孔を有する。本発明の共振器装置では、当該同軸ケーブルの内部導体１６（図１ｂ）の上端が、例えば銅製の高い導電率の横板１７として半径方向に外側に向かって延在する金属の棒を通じてハウジング１１に電気伝導性に接続される。ハウジング、底板、誘電体、棒及び横板から構成された共振器装置の全体が、同軸共振器を実現する。この同軸共振器は、高い静電容量の容量素子を通じて電気的に開いている下方端部で終端されていて、低いインダクタンスの誘導素子を通じて電気的に閉じられている上方端部で終端されている。高い静電容量と低いインダクタンスとから成る組み合わせが、一般にＭＨｚの範囲内で使用される−共振コイルとは違って−低い周波数の場合の高い品質を達成するための鍵である。

同軸モードの共振周波数が、誘電体１８の厚さに依存する。空隙の高さが、例えば（図示されなかった）ピエゾアクチュエータによって外部から調整可能であるこの空隙が、当該実施の形態で装荷されている場合、当該共振周波数を外部から印加された電圧によって変えることができる。したがって、或る試料を識別するための選択性をさらに向上させることができる。

ＴＥ_{０ｍ，ｎ＋σ}モードが、ハウジング１１のシリンダ状の側壁内の同軸ローブ１６Ａ及び１６Ｂによって励振される。同軸モードは、同軸アンテナ１９によって励振される。これらの同軸アンテナ１９は、平板コンデンサの高い電場中に入れられる。図１では、結合のために、同軸アンテナ１９が、空隙内に侵入され得るように、絶縁板１８の直径が、シール１５に比べて若干小さく選択されている。この実施の形態では、シール１５、棒１６及び絶縁板１８が、金属ブラインド２０によって又はねじ締めによってハウジング底１４に固定される。

２つの結合（Ankoppelungen）が、当該両モードの各々に対して存在する。その結果、特に伝搬動作中の当該複数の共振曲線が、それぞれ１つのネットワーク分析器によって又は組み込まれた切替器を有する１つのネットワーク分析器によって測定され得る。これらの結合のうちのそれぞれ１つの結合に対する反射動作中の測定が、同様に可能である。

図２ａ）〜２ｄ）は、同軸モード及びＴＥ_０１σモードに対する電場及び磁場の数値計算した３次元分布（同軸モードの電場分布（図２ａ）、同軸モードの磁場分布（図２ｂ）、ＴＥ_０１σモードの電場分布（図２ｃ）、ＴＥ_０１σモードの磁場分布（図２ｄ））を示す。

これらの計算から、密閉されている容器内の液体用のデュアルモードセンサとしての共振器の機能に関して、以下の結論に達することができる。
１）ＴＥ_０１σモードの場分布及びＱ値が、同軸モードのための金属のシール１５、絶縁板１８及び結合アンテナ１９によって非常に僅かにしか影響を受けない。短絡棒１７だけが、当該場の局部的な僅かな変形を引き起こす。当該変形は、図２ｃ及び図２ｄ中では目視不可能である。このことは、ＴＥ_０１σモードの電場が円形に、すなわち短絡棒の方向に対して垂直に延在する（図ｃ）という事実に基づいて理解することができる。この理由から、ＴＥ_０１σモードは、液体を識別するために利用され得る。
２）同軸モードの電場（図２ａ）が、シール１５とハウジング底１４との間の空隙内にほぼ完全に集中している（より明るい領域）。その結果、誘電体共振器１２が、周波数の僅かな低下作用しか有さない。短絡棒の磁場（図２ｂ）が、外部空間（より明るい領域）内へ突出し、導電率を測定するために利用され得る。
３）外部空間内のＴＥ_０１σモードの電場（図２ｃ−より明るい領域）と同軸モード磁場（図２ｂ−より明るい領域）とが、当該外部空間内の試料が配置されている場所でエバネッセント場を形成して重畳する。このことは、或る位置に在る密閉されている容器内の試料の特性も、共振器装置に対する当該容器のこの位置が変更される必要なしに両共振周波数によって測定することを可能にする。

図３は、密閉されている容器内の液体を識別するためのデュアルモード共振器を有する共振器装置を利用した本発明による設備を示す。瓶が、その側面で且つ可能な限りその中心で当該共振器装置の保持板上に当接される。この場合、瓶の軸線が、図１中の短絡棒１７に対して平行に位置するときに、同軸モードの、当該液体に対する最良の結合（Ankopplung）が得られる。それぞれの瓶によって生じた特性及び共振周波数の変化が、ネットワーク分析器ＮＷＡ１及びＮＷＡ２を使用して同軸モード及びＴＥ_０１σモードにおいて測定される。誘電体共振器によって誘電率を分析するため、特に半値幅の変化に対する共振周波数の変化の比が使用される。同軸モードの半値幅の、瓶によって引き起こされた変化が、導電率を測定するために使用され得る。

通常の水道水が、例示した当該共振器装置によって蒸留水と明らかに区別され得る。

本発明による設備の用途は、密閉されている容器内の試料の検出時及び組織中の水、油脂、塩分濃度及び酸濃度並びにその他の例えば医学試料（組織等）の使用に関する。

さらに、図中に示された共振器装置Ｒは、誘電体共振器なしでもほぼ完全に機能可能であることが自明である。

さらに、ＬＣ共振回路及び誘電体共振器を有するあらゆる共振器装置が、機能可能であることが自明である。この場合、ＬＣ共振回路のモード及び誘電体共振器のモードが、同時に励振され得る。そして、３次元的に重畳するエバネッセント場が、共振器装置の外部の試料のある場所で当該両モードに対して形成され得る。その結果、誘電緩和及び導電率が、試料を分析するために同時に測定され得、本発明の課題を解決できる。

１１ ハウジング
１２ 誘電体共振器
１４ 底板、ハウジング底
１５ シール、金属板
１６ 棒、内部導体
１７ 横板、短絡棒
１８ 誘電体、絶縁板
１９ 同軸アンテナ、結合アンテナ
２０ 金属ブラインド
１６Ａ 同軸ローブ、結合ローブ
１６Ｂ 同軸ローブ、結合ローブ
Ｒ 共振器装置
ＮＷＡ１ ネットワーク分析器
ＮＷＡ２ ネットワーク分析器

Claims (10)

1. 電気伝導可能で半開形の外側のハウジングを有する共振器装置であって、前記ハウジングに対して同軸に配置された電気伝導可能な棒が、このハウジングの内部に配置されている当該共振器装置において、
   前記棒は、ハウジング底の方向のその一方の端部にシールを有し且つ誘電体及び前記ハウジング底と一緒にコンデンサを構成し、前記棒は、その他方の端部で前記ハウジングに短絡接続されている結果、前記棒と前記ハウジングとが一緒に、ＬＣ共振回路を構成することができる共振器装置。
2. 前記電気伝導可能な棒は、前記ハウジング内の誘電体共振器を貫通していることを特徴とする請求項１に記載の共振器装置。
3. 前記共振器装置は、前記ＬＣ共振回路の同軸モードに励振するための手段及び場合によっては誘電体共振器のモードに励振するための手段を有する請求項１又は２に記載の共振器装置。
4. 前記共振器装置は、前記棒を前記ハウジングに半径方向に短絡接続する横板を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の共振器装置。
5. 前記共振器装置では、前記誘電体共振器は、１ＧＨｚの上の周波数で誘電緩和を測定するために使用され、且つ、容量性に構成されている前記同軸共振器は、１〜５００ＭＨｚの周波数で導電率を測定するために使用される請求項１〜４のいずれか１項に記載の共振器装置。
6. 前記誘電体共振器は、金属の前記ハウジングの中心に配置されていて且つこのハウジングと一緒に前記棒を包囲する請求項１〜５のいずれか１項に記載の共振器装置。
7. 前記共振器装置は、円筒シリンダ状の誘電体共振器を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の共振器装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の共振器装置によって試料を分析する方法において、
   前記ＣＬ共振回路のモード及び前記誘電体共振器のモードは同時に励振され、３次元的に重畳するエバネッセント場が、前記共振器装置の外部の試料のある場所で前記両モードに対して形成され、前記誘電緩和及び前記導電率が、前記試料を分析するために同時に測定される方法。
9. 前記誘電体共振器に対する１ＧＨｚより大きい励振周波数及び前記ＬＣ共振回路に対する１〜５００ＭＨｚの範囲内の励振周波数を特徴とする請求項８に記載の方法。
10. ＬＣ共振回路及び誘電体共振器を有する共振器装置において、
    前記ＬＣ共振回路のモード及び前記誘電体共振器のモードが、同時に励振され得、３次元的に重畳するエバネッセント場が、前記共振器装置の外部の試料のある場所で前記両モードに対して形成され得る結果、誘電緩和及び導電率が、前記試料を分析するために同時に測定され得る共振器装置。

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