JP2015102409A

JP2015102409A - Ｅｓｒ用マイクロ波共振器

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Publication number: JP2015102409A
Application number: JP2013242660A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　貴之; Takayuki Suzuki; 貴之鈴木
Original assignee: Jeol Resonance Inc
Current assignee: Jeol Resonance Inc
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2015-06-04
Anticipated expiration: 2033-11-25
Also published as: JP6194552B2

Abstract

【課題】大型試料に対応可能であり、作業スペースを確保することが可能なＥＳＲ用のマイクロ波共振器を提供する。
【解決手段】共振器本体２０内には矩形状の断面を持つ第１空間が形成され、上面２２には第１開口部２２ａが形成され、下面２４には第２開口部２４ａが形成されている。試料管５０が、第１開口部２２ａ及び第２開口部２４ａを通過して共振器本体２０に設置されることで、第１空間にマイクロ波の共振モード（ＴＥ_１０２モード）が発生する。キャップ部３０，４０は中空部材であり、キャップ部３０は第１開口部２２ａを覆うように設けられ、キャップ部４０は第２開口部２４ａを覆うように設けられる。キャップ部３０とキャップ部４０との間であって第１空間を横切る第２空間に、マイクロ波の共振モード（ＴＥ_１２０モード）が発生する。各共振モードは、試料が設置される箇所に最大の磁場を生じさせる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）測定に用いられるマイクロ波共振器に関する。

電子スピン共鳴装置（ＥＳＲ装置）は、静磁場中に配置された試料にマイクロ波を照射し、照射したマイクロ波が試料によって吸収される様子をスペクトルとして記録するようにした磁気共鳴装置の一種である。このマイクロ波の吸収を効率良く検出するために、空洞共振器が用いられる。この場合、内部に試料が配置された空洞共振器を静磁場中に配置し、空洞共振器にマイクロ波を供給することで、マイクロ波磁場と静磁場とにより電子スピン共鳴を惹起させてスペクトルを記録する。

また、極低温に冷却された試料に光を照射した状態や電圧を印加した状態で、ＥＳＲ測定を行う場合がある。試料を冷却する方式として、図１３（ａ）に示す「フロー方式」や、図１３（ｂ）に示す「デュア方式」が、主に採用されている。

フロー方式では、図１３（ａ）に示すように、上下面に開口部が形成された共振器３００に対して、断熱二重構造を有する石英製の円筒状の試料管３１０を開口部から挿入し、試料管３１０内に試料３２０を設置する。そして、試料管３１０内にヘリウム等の冷媒を導入することで、試料３２０を冷却する。フロー方式では、共振器３００は冷却されずに、試料３２０が冷却される。

デュア方式では、図１３（ｂ）に示すように、内部に試料３２０が設置された共振器３３０を、断熱二重構造を有するデュア３４０内に設置する。デュア３４０内に冷媒を導入することで、試料３２０と共振器３３０とを同時に冷却する。

なお、特許文献１には、ループギャップ共振器における円筒形共振ループのスリットを、複数枚の円弧状導電材シールド部材の組み合わせ体によって覆うことで、円筒形共振ループ内への電場の侵入を防ぐようにしたループギャップ共振器が開示されている。

特開昭６３−４２４５６号公報

ところで、試料が大型になるほど、試料管や共振器を大型化する必要があるため、従来のフロー方式やデュア方式では、冷却状態でＥＳＲ測定することが困難になる問題がある。また、試料に光を照射した状態又は電圧を印加した状態でＥＳＲ測定する場合、試料に装着される電極や電線を設置するためのスペースを、試料管内や共振器内に確保する必要があるため、試料管や共振器を大型化する必要があり、大型試料を測定する場合と同様の問題がある。

例えば、デュア方式では、大型のデュアを用いることで、広いスペースを比較的容易に確保できるが、一般的に、デュア方式で用いられる共振器は、ループギャップ共振器や誘電体共振器といった小型の共振器である。これらの共振器を用いた場合、Ｘ−ｂａｎｄ帯域（８〜１２ＧＨｚ）で測定可能な試料の大きさの上限はφ５ｍｍ程度であり、より大型の試料（例えばφ１０ｍｍ程度の試料）を測定することができない。もっとも、より大型の共振器を用いて測定することも考えられるが、デュアが大型化し、静磁場を生成するための電磁石の間に、デュア及び共振器を設置することができなくなる。仮に、大型のデュア及び共振器をＥＳＲ装置に設置しようとすると、ＥＳＲ装置が大型化する問題がある。

また、フロー方式では、スペースの確保及び共振器における共振周波数の維持が困難となる。従来の石英製の二重管（試料管）は、例えば外径が１０〜１２ｍｍ、内径が７〜８ｍｍ程度であるため、幅が１０ｍｍ以上となる大型の試料を、試料管内に設置することができない。大型の試料を測定するために大型の試料管を共振器内に設置した場合、共振器内に占める試料管の体積が大きくなるため、共振条件を満たす共振器を設計することが困難となる。例えば、共振周波数をＸ−ｂａｎｄ帯域に維持するよう共振器を設計することが困難となる。また、フロー方式では、共振器の上下面に、試料管を共振器内に挿入するための開口部を形成する必要があり、大型の試料管を用いる場合、その開口部も大型にせざるを得ない。開口部が大型になるほど、マイクロ波によって共振器内に供給される磁束が、開口部から共振器の外部に漏洩しやすくなるため、マイクロ波の共振モードを共振器内に発生させ、マイクロ波のエネルギーを共振器内に蓄積させることが困難となる。その結果、ＥＳＲ測定の検出感度が低下し、また、ＥＳＲ測定ができなくなってしまう。

本発明の目的は、大型試料に対応可能であり、作業スペースを確保することが可能なＥＳＲ用のマイクロ波共振器を提供することである。

本発明に係るＥＳＲ用マイクロ波共振器は、矩形状の断面を持つ第１空間を有する中空体としての共振器本体であって、第１開口部を有する第１面と、前記第１面に対向して第２開口部を有する第２面と、を備え、前記第１空間内に試料が配置された所定状態で、前記第１空間内にマイクロ波の第１共振モードを生じさせる共振器本体と、前記第１開口部を覆うように前記第１面に設けられた第１中空部材と、前記第２開口部を覆うように前記第２面に設けられた第２中空部材と、を備え、前記第１中空部材内の第１外部空間と、前記第２中間部材内の第２外部空間と、前記第１空間において前記第１外部空間及び前記第２外部空間で挟まれる部分と、からなる第２空間内に、マイクロ波の第２共振モードを生じさせる閉じ込め構造体と、を有し、前記第１共振モードは、前記試料の配置箇所に第１の最大磁場を生じさせ、前記第２共振モードは、前記試料の配置箇所に第２の最大磁場を生じさせる、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、第１開口部及び第２開口部から漏洩する磁束を、第１中空部材及び第２中空部材によって共振器本体内に閉じ込めて、同じ位置（試料の配置箇所）に最大磁場を生じさせる第１共振モード及び第２共振モードを重畳的に発生させるようにしたことで、第１開口部及び第２開口部を大きくして、大型試料のＥＳＲ測定を行うことができ、また、試料周りに作業スペースを確保することができる。すなわち、第１開口部及び第２開口部を大きくしても、磁束の漏洩が防止又は軽減され、試料付近の磁場を最大にすることができるので、大型試料を共振器本体内に設置してＥＳＲ測定を行うことができ、また、試料周りに作業スペースを確保することができる。

望ましくは、前記所定状態は、前記試料が収容された挿通部材が、前記第１開口部及び前記第２開口部を通過しつつ配置された状態であり、この状態で、前記第１共振モード及び前記第２共振モードが生じる。この構成によれば、挿通部材が共振器本体内に配置された状態で、第１共振モード及び第２共振モードが発生して試料付近の磁場が最大となる。

望ましくは、前記挿通部材は、挿通の方向から見て矩形状の断面を有する。この構成によれば、第１共振モード及び第２共振モードの発生が促進される。

望ましくは、前記挿通部材は、断熱用真空層を形成する二重管構造を有する。この構成によれば、挿通部材内に冷媒を供給して試料を冷却した状態で、ＥＳＲ測定を行うことができる。

望ましくは、前記共振器本体の前記第１面と前記第２面とを垂直に通る方向を第１方向とし、前記第１空間のみで生じる矩形ＴＥ_ｍｎｐモードで前記第１方向をｍ方向とし、第２方向をｎ方向とし、第３方向をｐ方向とした場合、前記第１共振モードは、ＴＥ_１０２モードであり、前記第２共振モードは、ＴＥ_１２０モードである。この構成によれば、ＴＥ_１０２モードとＴＥ_１２０モードとの混成モードを利用することで、有効なＥＳＲ測定を行うことができる。

望ましくは、前記第１空間における前記第２方向の長さｂと、前記第１空間における前記第３方向の長さｃとは、実質的に同一であり、前記挿通部材は、前記第１空間内において前記第２方向を長辺とし前記第３方向を短辺とする形状を有する。すなわち、前記第１空間の前記第３方向の中間位置において前記第２方向に伸長するように設けられる。この構成によれば、長さｂと長さｃとを実質的に同一にし、挿通部材を仕切部材として機能させて第１空間内を挿通部材によって区分けすることで、ＴＥ_０１２モードの発生が抑制されつつ、ＴＥ_１０２モードとＴＥ_１２０モードとの混成モードの発生が促進される。

望ましくは、磁場変調用コイルが、前記第１方向から見て磁場が最小となる箇所、又は、その箇所の付近に配置されている。この構成によれば、マイクロ波によって形成される磁場に対する磁場変調用コイルの影響が軽減される。

望ましくは、前記第１中空部材内には、前記第１空間の外側であって前記第１開口部に連通する矩形状の断面を持つ第１外部空間が形成され、前記第１中空部材には、前記第１開口部より小さい第１小孔が形成され、前記第２中空部材内には、前記第１空間の外側であって前記第２開口部に連通する矩形状の断面を持つ第２外部空間が形成され、前記第２中空部材には、前記第２開口部より小さい第２小孔が形成される。この構成によれば、第１小孔及び第２小孔のうちの少なくとも一方を介して電線等を設置することができ、試料に光を照射した状態や電圧を印加した状態で、ＥＳＲ測定を行うことができる。

本発明によれば、第１中空部材及び第２中空部材によって磁束を共振器本体内に閉じ込めて、試料の配置箇所に最大磁場を生じさせる第１共振モード及び第２共振モードを重畳的に発生させるようにしたことで、第１開口部及び第２開口部を大きくして、大型試料のＥＳＲ測定を行うことができ、また、試料周りに作業スペースを確保することができる。

本発明の実施形態に係るＥＳＲ装置の一例を示すブロック図である。本実施形態に係るＥＳＲ用マイクロ波共振器及び試料管の一例を示す斜視図である。本実施形態に係るＥＳＲ用マイクロ波共振器の断面図である。本実施形態に係る試料管の断面図である。本実施形態に係るＥＳＲ用マイクロ波共振器及び試料管の一例を示す断面図である。共振器内に設置された磁場変調用コイルの一例を示す斜視図である。磁場変調用コイルの配置位置を示す断面図である。磁場変調用コイルの配置位置を示す上面図である。ＴＥ_１０２モードにおける磁場の向きを模式的に示す図である。ＹＺ断面における磁場の分布を示す図である。ＸＹ断面における磁場の分布を示す図である。ＺＸ断面における磁場の分布を示す図である。フロー方式及びデュア方式を説明するための図である。

図１に、本発明の実施形態に係るＥＳＲ装置の一例を示す。内部に試料２００が設置された試料管５０はマイクロ波共振器１０内に挿入され、これにより、マイクロ波共振器１０内に試料２００が設置される。また、マイクロ波共振器１０内には磁場変調用コイル６０が設置されている。試料管５０内には、冷媒供給部１３０からヘリウム等の冷媒が供給され、試料２００が冷却される。マイクロ波共振器１０は、２つの電磁石１１２の間に設置され、これにより、マイクロ波共振器１０は、電磁石１１２によって発生される静磁場内に設置される。

発振器１０２により発生されたマイクロ波は、可変減衰器１０４で所定の電力に減衰された後、サーキュレータ１０６を介してマイクロ波共振器１０に供給される。マイクロ波共振器１０からの反射波がほとんどない状態にマイクロ波線路とマイクロ波共振器１０との結合度が調整された後、電磁石１１２により静磁場の掃引が行われる。静磁場の掃引に伴ってＥＳＲ現象が発生すると、マイクロ波共振器１０内で試料２００によるマイクロ波の吸収が発生し、マイクロ波共振器１０のＱ値が変化してマイクロ波の反射が起こり、サーキュレータ１０６を介して、反射マイクロ波が取り出される。この反射マイクロ波と位相器１０８を介して送られてきた参照波とで、位相検波器１１０による位相検波が行われ、ＥＳＲ現象による吸収信号が検出される。例えば、発振器１１４で発生させた１００ｋＨｚ程度の交流電流を、パワーアンプ１１６を介して磁場変調用コイル６０に供給することで、電磁石１１２が形成する電磁場に変調磁場を重畳させ、１００ｋＨｚで変調された吸収信号を観測する。この吸収信号を増幅器１１８で増幅し、発振器１１４と同期の取れた発振器１２０から供給される参照信号を用いて位相検波器１２２で位相検波することにより、ＤＣ成分としてのＥＳＲスペクトルを得る。このＥＳＲスペクトル信号に対して、必要に応じてＤＣ可変器１２４の出力を調整して加算器１２６により加算し、オフセット成分を除去する。その後、ＥＳＲスペクトル信号は、Ａ／Ｄ変換器１２８によってデジタル化されて記録計に取り込まれる。

図２に、本実施形態に係るマイクロ波共振器及び試料管の一例を示す。マイクロ波共振器１０は、共振器本体２０とキャップ部（中空部材）３０，４０とによって構成される。共振器本体２０は中空部材であり、内部に矩形状の断面を持つ第１空間が形成されている。図２に示す例では、共振器本体２０は矩形状の外形を有している。第１空間におけるＺ軸方向の長さｂと、Ｘ軸方向の長さｃと、は実質的に同一である。例えば、長さｂと長さｃとの比は、１．０±０．１である。一例として、第１空間におけるＹ軸方向の長さａは２０〜２５ｍｍであり、長さｂ及び長さｃは４０ｍｍである。長さａ，ｂ，ｃは、ＥＳＲ測定に使用されるマイクロ波の波長に応じて決定され、マイクロ波の共振が発生するように長さが設計される。共振器本体２０は、一例として銅製である。なお、共振器本体２０の中心を、ＸＹＺ座標系の原点とする。Ｚ軸方向が、電磁石１１２によって形成される静磁場Ｂ_０の向きである。

また、共振器本体２０の上面２２の中央位置に、矩形状の第１開口部２２ａが形成されており、上面２２の反対側の下面２４の中央位置に、矩形状の第２開口部２４ａが形成されている。具体的には、第１開口部２２ａ及び第２開口部２４ａにおけるＺ軸方向の幅が長く、Ｘ軸方向の幅が短くなっている。後述するように、試料管５０が、第１開口部２２ａ及び第２開口部２４ａを通過して共振器本体２０に設置されるので、第１開口部２２ａ及び第２開口部２４ａのＺ軸方向の幅は、試料管５０のＺ軸方向の幅より長くなっており、第１開口部２２ａ及び第２開口部２４ａのＸ軸方向の幅は、試料管５０のＸ軸方向の幅より長くなっている。一例として、第１開口部２２ａ及び第２開口部２４ａのＺ軸方向の幅は２０ｍｍ以上であり、Ｘ軸方向の幅は１０ｍｍ以上である。

なお、共振器本体２０には図示しない導波管が接続され、その導波管から共振器本体２０内にマイクロ波が供給される。例えば、導波管は、共振器本体２０のＹＺ面に接続される。

キャップ部３０は、共振器本体２０の上面２２に設置され、共振器本体２０の第１開口部２２ａを覆うための部材である。キャップ部４０は、共振器本体２０の下面２４に設置され、共振器本体２０の第２開口部２４ａを覆うための部材である。キャップ部３０，４０は、共振器本体２０の第１開口部２２ａ及び第２開口部２４ａから漏洩する磁束を、共振器本体２０内に閉じ込める構造体として機能する。キャップ部３０，４０は、一例として銅製である。なお、キャップ部３０，４０は、共振器本体２０と一体化されていてもよいし、共振器本体２０とは別の部材であってもよい。

試料管５０は、共振器本体２０の第１開口部２２ａ及び第２開口部２４ａを通過しつつマイクロ波共振器１０に設置される。試料管５０は、断熱用の真空層を形成する石英製の二重管構造を有し、内部に冷媒が供給される。

図２及び図３を参照して、共振器本体２０及びキャップ部３０，４０の構成について詳しく説明する。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図であり、ＸＹ面に沿った断面図である。図３には、キャップ部３０，４０が共振器本体２０に設置された状態が示されている。キャップ部３０，４０が共振器本体２０に設置されることで、マイクロ波共振器１０の形状は、Ｚ軸方向から見て十字状となる。

キャップ部３０は有底の筒体であり、底面３２には、筒の中心と同心の第１小孔３２ａが、必要に応じて開けられている。この第１小孔３２ａは、共振器本体２０の第１開口部２２ａよりも小さい。また、キャップ部３０の中心と共振器本体２０の第１開口部２２ａの中心とが一致する。キャップ部３０の内部には、矩形状の断面を持つ第１外部空間３４が形成されている。この第１外部空間３４は、キャップ部３０が第１開口部２２ａを共振器本体２０の外側から覆うように共振器本体２０の上面２２に設置されたときに、共振器本体２０内の第１開口部２２ａに連通するように形成されている。例えば、試料２００に光を照射する場合や、試料２００に電圧を印加する場合に、第１小孔３２ａを介して電線等が設置される。また、試料２００を冷却する場合に、第１小孔３２ａを介して冷媒を流通させてもよい。キャップ部３０が共振器本体２０の上面２２に設置されることで、共振器本体２０の第１空間２６の外側に、第１外部空間３４が形成されることになる。

キャップ部４０は有底の筒体であり、底面４２には、筒の中心と同心の第２小孔４２ａが、必要に応じて開けられている。この第２小孔４２ａは、共振器本体２０の第２開口部２４ａよりも小さい。また、キャップ部４０の中心と共振器本体２０の第２開口部２４ａの中心とが一致する。キャップ部４０の内部には、矩形状の断面を持つ第２外部空間４４が形成されている。この第２外部空間４４は、キャップ部４０が第２開口部２４ａを共振器本体２０の外側から覆うように共振器本体２０の下面２４に設置されたときに、共振器本体２０内の第２開口部２４ａに連通するように形成されている。第２小孔４２ａには、試料管５０の一部が挿入される。キャップ部４０が共振器本体２０の下面２４に設置されることで、共振器本体２０の第１空間２６の外側に、第２外部空間４４が形成されることになる。なお、第１小孔３２ａ及び第２小孔４２ａは、円形であってもよいし、矩形であってもよい。一例として、第１小孔３２ａ及び第２小孔４２ａの幅は、１０ｍｍ以下である。

また、第１外部空間３４及び第２外部空間４４におけるＹ軸方向の長さＬは、マイクロ波の波長をλｇとした場合、以下に示す式（１）の関係が成立していることが好ましい。
λｇ／４≦Ｌ≦λｇ／２・・・（１）

以下では、第１外部空間３４と、第２外部空間４４と、第１空間２６において第１外部空間３４と第２外部空間４４とに挟まれる部分空間と、からなる空間を、「第２空間」と称することとする。

次に、図２及び図４を参照して、試料管５０の構成について詳しく説明する。図４（ａ）は、ＹＺ面に沿った試料管５０の断面図であり、図４（ｂ）は、ＸＹ面に沿った試料管５０の断面図である。試料管５０は、内部に試料２００が収容される収容部５２と、収容部５２に連なり収容部５２よりも細い部分５４と、を有する。収容部５２と細い部分５４との間には、収容部５２の端部から細い部分５４にかけて、幅が徐々に細くなるテーパー部５６が設けられている。細い部分５４の端部５４ａは開口しており、試料２００を冷却する場合、この端部５４ａから冷媒が試料管５０内に供給される。また、試料２００に光を照射する場合や電圧を印加する場合、この端部５４ａを介して電線等を設置してもよい。なお、収容部５２の端部５２ａは開口していてもよいし、閉じていてもよい。例えば、細い部分５４の端部５４ａから冷媒を収容部５２内に供給して流通させる場合、収容部５２の端部５２ａから冷媒が抜けないように、端部５２ａを閉じておいてもよい。一方、端部５２ａを介して冷媒を収容部５２内に流通させる場合や、端部５２ａを介して電線等を設置する場合は、端部５２ａを開口させておいてもよい。

試料管５０の断面は、試料管５０を共振器本体２０内に挿入する方向（Ｙ軸方向）から見て、矩形状となっている。具体的には、Ｚ軸方向の幅が長く、Ｘ軸方向の幅が短くなっている。すなわち、収容部５２は、平べったい形状を有している。一例として、収容部５２におけるＺ軸方向の幅は２０ｍｍ以上であり、収容部５２におけるＸ軸方向の幅は１０ｍｍ以上である。これにより、幅が１０ｍｍ以上の平らなブロック状の試料２００を、収容部５２内に設置することが可能となる。

図５に、マイクロ波共振器１０に試料管５０が設置された状態を示す。図２及び図５に示すように、試料管５０は、共振器本体２０の第１開口部２２ａ及び第２開口部２４ａを通過しつつ共振器本体２０に設置され、キャップ部３０が共振器本体２０の上面２２に設置され、キャップ部４０が共振器本体２０の下面２４に設置される。このとき、試料管５０の細い部分５４は、キャップ部４０の第２小孔４２ａに挿通して設置される。第１開口部２２ａは共振器本体２０の上面２２の中央位置に形成され、第２開口部２４ａは共振器本体２０の下面２４の中央位置に形成されているため、試料管５０は、共振器本体２０の中央位置に設置される。具体的には、試料管５０は、共振器本体２０のＸ軸方向における中間位置において、共振器本体２０のＺ軸方向に伸長する（すなわち、Ｚ軸方向が長辺となり、Ｘ軸方向が短辺となる）ように設置される。これにより、共振器本体２０内の第１空間２６は、試料管５０によってＸ軸方向に区分けされる。このように、試料管５０は、共振器本体２０に設置されたときに、第１空間２６を区分けする仕切り部材として機能する。

収容部５２の一部は、第１外部空間３４内及び第２外部空間４４内にも設置されるため、第１外部空間３４及び第２外部空間４４の幅は、収容部５２の一部を設置することが可能な程度の大きさとなっている。例えば、Ｚ軸方向の幅は２０ｍｍ以上であり、Ｘ軸方向の幅は１０ｍｍ以上である。

また、図６に示すように、共振器本体２０の第１空間２６には、磁場変調用コイル６０が設置されている。図６に示す例では、磁場変調用コイル６０として、２ターンコイル（４本柱）が採用されているが、他のコイルが用いられてもよい。磁場変調用コイル６０の軸線は、Ｙ軸方向に平行である。例えば図７のＺＸ断面図に示すように、磁場変調用コイル６０は、Ｙ軸方向から見て、マイクロ波によって形成される磁場の大きさが最小となる箇所、又は、その箇所の付近に設置される。また、図８に、共振器本体２０の外観を示す。図８は、Ｙ軸方向から見た図（ＸＺ平面図）である。磁場変調用コイル６０は、共振器本体２０内に設置された試料管５０を囲むように設置されている。

以上の構成を有するマイクロ波共振器１０に試料管５０を設置し、図示しない導波管を介して共振器本体２０にマイクロ波を供給すると、マイクロ波は、マイクロ波共振器１０内にて共振する。この共振モードをＴＥ_ｍｎｐモードで表す。ｍはＹ軸方向（ａに対応）に対応し、ｎはＺ軸方向（ｂに対応）に対応し、ｐはＸ軸方向（ｃに対応）に対応する。本実施形態では、共振器本体２０の第１空間２６にＴＥ_１０２モードが発生し、第２空間にＴＥ_１２０モードが発生する。ｍ，ｎ，ｐの方向をＸＹＺ座標に頼らず定義すると、共振器本体２０の第１開口部２２ａと第２開口部２４ａとを垂直に通る方向が第１の方向（ｍの方向でａに対応）となり、第１開口部２２ａ及び第２開口部２４ａの長い幅の方向を第２の方向（ｎの方向でｂに対応）となり、第１の方向と第２の方向とに垂直な方向が第３の方向（ｐの方向でｃに対応）となる。ただし、前述はＺ軸方向が長いとしているが、これは一例であってＸ軸方向を長くしてもマイクロ波共振器１０は設計可能であり、第２の方向及び第３の方向の定義は、開口部の長い方向によって決まる。また、この例では、共振モードは矩形ＴＥ_ｍｎｐモードである。

ここで、図９から図１２を参照して、ＴＥ_１０２モード及びＴＥ_１２０モードの磁場の向きについて説明する。図９に、ＴＥ_１０２モードによって形成される磁場（磁力線）の向きを模式的に示す。図９において、キャップ部３０，４０、試料管５０及び磁場変調用コイル６０は、省略されている。マイクロ波磁場Ｂ_１は、ＴＥ_１０２モードによって形成される磁場である。マイクロ波磁場Ｂ_１は、共振器本体２０におけるＸ軸方向の中央付近（試料２００が設置される箇所）において最大となる。

図１０から図１２に、磁場の分布を示す。図１０は、Ｘ軸方向の中点における共振器本体２０のＹＺ断面図であり、ＹＺ断面における磁場の分布を示す。図１０には、ＴＥ_１２０モードによって形成されるマイクロ波磁場Ｂ_２の向きが示されている。マイクロ波磁場Ｂ_２は、第２空間内に形成され、共振器本体２０におけるＺ軸方向の中央付近（試料２００が設置される箇所）において最大となる。

図１１は、Ｚ軸方向の中点における共振器本体２０のＸＹ断面図であり、ＸＹ断面における磁場の分布を示す。図１１には、マイクロ波磁場Ｂ_１，Ｂ_２の向きが示されている。マイクロ波磁場Ｂ_１，Ｂ_２は、共振器本体２０の中央付近（試料２００が設置される箇所）において向きが一致し、マイクロ波磁場Ｂ_１，Ｂ_２が重畳する。このように、ＴＥ_１０２モード及びＴＥ_１２０モードは、同じ位置（試料２００が設置される箇所）に最大の磁場を生じさせる。

図１２は、Ｙ軸方向の中点における共振器本体２０のＺＸ断面図であり、ＺＸ断面における磁場の分布を示す。マイクロ波磁場は、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の中央付近にて最大となっている。つまり、図１１に示すように、共振器本体２０の中央付近において、マイクロ波磁場Ｂ_１，Ｂ_２の向きが一致してマイクロ波磁場Ｂ_１，Ｂ_２が重畳するため、共振器本体２０の中央付近において、磁場の大きさが最大となる。また、磁場変調用コイル６０は、ＴＥ_１０２モードにおけるマイクロ波磁場Ｂ_１が最小となる箇所、又は、その箇所の付近に設置されている。これにより、マイクロ波磁場Ｂ_１に対する磁場変調用コイル６０の影響が軽減される。

ここで、各共振モードが発生する理由について説明する。長さｂと長さｃとを実質的に同一にすると、ＴＥ_１０２モードとＴＥ_０１２モードとが縮退し、同じ共振周波数で両モードが発生する。

そこで、本実施形態では、第１空間２６の長さｂと長さｃとを実質的に同一にすることで、共振器本体２０のサイズを、ＴＥ_１０２モードとＴＥ_０１２モードとが縮退するようなサイズに設計し、その上で、大きな試料やガラス管（石英管）を共振器本体２０に挿入したときに、ＴＥ_１０２モードとＴＥ_０１２モードの分裂幅を大きくする。そして、ＴＥ_０１２モードの発生抑制は、磁場変調用コイル６０を適切な位置に配置することによって行う。

また、キャップ部３０，４０を用いて第１開口部２２ａ及び第２開口部２４ａを覆うことで、磁束が共振器本体２０内に閉じ込められ、マイクロ波共振器１０の第２空間内にＴＥ_１２０モードが発生する。これにより、磁束の漏洩を防止又は軽減することができる。例えば、キャップ部３０，４０のＹ軸方向における長さＬを、λｇ／４以上、λｇ／２以下に設計することで、第２空間内にＴＥ_１２０モードを発生させることができる。

以上のように、本実施形態は、ＴＥ_１０２モードの発生が促進されるように共振器本体２０のサイズを設計するとともに、ＴＥ_１０２モードとＴＥ_０１２モードの分裂幅を増大させ、チューニングに悪影響を及ぼさないようにし、更に、キャップ部３０，４０を用いることで磁束を共振器本体２０内に閉じ込めて、ＴＥ_１０２モードと同じ位置に最大磁場を発生させるＴＥ_１２０モードを、ＴＥ_１０２モードに重畳して発生させるようにした点に特徴がある。これにより、ＥＳＲ測定に有効な共振モード（ＴＥ_１０２モードとＴＥ_１２０モードとの混成モード）を発生させることができ、また、第１開口部２２ａ及び第２開口部２４ａを大きくしても、磁束の漏れを防止又は軽減して試料２００付近に最大磁場を形成することができる。その結果、大型試料のＥＳＲ測定が可能となり、また、試料の周りに作業スペースを確保することが可能となる。更に、同じ位置（試料２００が設置される箇所）にＴＥ_１０２モード及びＴＥ_１２０モードによって最大磁場が形成されるため、検出感度が向上する。

本実施形態によれば、大型試料を冷却した状態でＥＳＲ測定することが可能となる。また、試料２００の周りに作業スペースが確保されるので、試料２００に光を照射した状態又は電圧を印加した状態でＥＳＲ測定をすることができる。例えば、試料２００に電極を設置し、試料２００に電圧を印加した状態でＥＳＲ測定することができ、また、ＥＳＲ測定中の試料２００の電圧を測定することができる。

例えば、試料管５０のＺ軸方向の幅を２０ｍｍ以上とし、Ｘ軸方向の幅を１０ｍｍ以上とすることで、幅が１０ｍｍ以上のブロック状の試料であってもＥＳＲ測定が可能となる。一例として、２０ｍｍ角のＩＣチップを試料とし、そのＩＣチップに電圧を印加した状態でＥＳＲ測定することが可能となる。また、太陽電池のパネルを試料とし、その試料に光を照射した状態でＥＳＲ測定することが可能となる。

１０マイクロ波共振器、２０共振器本体、２２上面、２２ａ第１開口部、２４下面、２４ａ第２開口部、２６第１空間、３０，４０キャップ部、３２，４２底面、３２ａ第１小孔、３４第１外部空間、４２ａ第２小孔、４４第２外部空間、５０試料管、５２収容部、５４細い部分、５６テーパー部、６０磁場変調用コイル、２００試料。

Claims

矩形状の断面を持つ第１空間を有する中空体としての共振器本体であって、第１開口部を有する第１面と、前記第１面に対向して第２開口部を有する第２面と、を備え、前記第１空間内に試料が配置された所定状態で、前記第１空間内にマイクロ波の第１共振モードを生じさせる共振器本体と、
前記第１開口部を覆うように前記第１面に設けられた第１中空部材と、前記第２開口部を覆うように前記第２面に設けられた第２中空部材と、を備え、前記第１中空部材内の第１外部空間と、前記第２中間部材内の第２外部空間と、前記第１空間において前記第１外部空間及び前記第２外部空間で挟まれる部分と、からなる第２空間内に、マイクロ波の第２共振モードを生じさせる閉じ込め構造体と、
を有し、
前記第１共振モードは、前記試料の配置箇所に第１の最大磁場を生じさせ、
前記第２共振モードは、前記試料の配置箇所に第２の最大磁場を生じさせる、
ことを特徴とするＥＳＲ用マイクロ波共振器。
請求項１に記載のＥＳＲ用マイクロ波共振器において、
前記所定状態は、前記試料が収容された挿通部材が、前記第１開口部及び前記第２開口部を通過しつつ配置された状態であり、この状態で、前記第１共振モード及び前記第２共振モードが生じる、
ことを特徴とするＥＳＲ用マイクロ波共振器。
請求項２に記載のＥＳＲ用マイクロ波共振器において、
前記挿通部材は、挿通の方向から見て矩形状の断面を有する、
ことを特徴とするＥＳＲ用マイクロ波共振器。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のＥＳＲ用マイクロ波共振器において、
前記共振器本体の前記第１面と前記第２面とを垂直に通る方向を第１方向とし、
前記第１空間のみで生じる矩形ＴＥ_ｍｎｐモードで前記第１方向をｍ方向とし、第２方向をｎ方向とし、第３方向をｐ方向とした場合、
前記第１共振モードは、ＴＥ_１０２モードであり、
前記第２共振モードは、ＴＥ_１２０モードである、
ことを特徴とするＥＳＲ用マイクロ波共振器。
請求項４に記載のＥＳＲ用マイクロ波共振器において、
前記第１空間における前記第２方向の長さｂと、前記第１空間における前記第３方向の長さｃとは、実質的に同一であり、
前記挿通部材は、前記第１空間内において前記第２方向を長辺とし前記第３方向を短辺とする形状を有し、前記第１空間の前記第３方向の中間位置において前記第２方向に伸長するように設けられる、
ことを特徴とするＥＳＲ用マイクロ波共振器。
請求項４又は請求項５に記載のＥＳＲ用マイクロ波共振器において、
磁場変調用コイルが、前記第１方向から見て磁場が最小となる箇所、又は、その箇所の付近に配置されている、
ことを特徴とするＥＳＲ用マイクロ波共振器。
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のＥＳＲ用マイクロ波共振器において、
前記第１中空部材内には、前記第１空間の外側であって前記第１開口部に連通する矩形状の断面を持つ第１外部空間が形成され、
前記第１中空部材には、前記第１開口部より小さい第１小孔が形成され、
前記第２中空部材内には、前記第１空間の外側であって前記第２開口部に連通する矩形状の断面を持つ第２外部空間が形成され、
前記第２中空部材には、前記第２開口部より小さい第２小孔が形成される、
ことを特徴とするＥＳＲ用マイクロ波共振器。