JP2020504286A

JP2020504286A - パルス式電子常磁性共鳴分光計

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Publication number: JP2020504286A
Application number: JP2019509501A
Authority: JP
Inventors: 宗▲権▼ 周; 佩耘李; 超 ▲劉▼; 肖 ▲劉▼; ▲傅▼▲鋒▼ 李; 光▲燦▼ 郭
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2020-02-06
Also published as: US10802102B2; JP2021099377A; DE112018000097T5; US20200182955A1; GB2567397B; WO2019029161A1; GB2567397A; GB201902245D0

Abstract

パルス式電子常磁性共鳴分光計であって、少なくとも一種のマイクロ波パルスを生成するマイクロ波励起発生手段と、サンプルを載置するように配置される共鳴室と、マイクロ波励起発生手段と共鳴室との間に接続され、マイクロ波を伝送するマイクロ波伝送線とを含むマイクロ波伝導手段と、マイクロ波共鳴室に対して０．１ケルビンオーダーの極低温冷却を実現する冷凍機を含み、前記マイクロ波伝送線が前記冷凍機に貫入しかつ前記共鳴室に接続されるように設置される冷凍機及び磁石手段と、を備え、冷凍機及び磁石手段は、さらに前記サンプルに達する磁気共鳴試験磁界を提供する磁石を含み、前記共鳴室は、磁石の室温隙間に設置される。本開示の装置は、極低サンプル温度（０．１ケルビンオーダー）の特徴を有し、かつ、機器の機能が完備し、操作しやすい。【選択図】図１

Description

本開示は磁気共鳴分光計分野に関し、特に極低温度で動作できるパルス式電子常磁性共鳴分光計に関する。

電子常磁性共鳴分光計（ｅｌｅｃｔｒｏｎｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅ、ＥＰＲ）は、物質中にある不対電子を研究する装置である。その基本的な原理は、不対電子スピンのゼーマン効果である。即ち、単一電子は、ｓ＝１／２のスピン量子数を有するため、ｍ_ｓ＝＋１／２またはｍ_ｓ＝−１／２のスピン量子状態とすることができ、外部磁界が存在すると、この２つのスピン状態のエネルギーが分裂する。さらにマイクロ波磁界を印加して該エネルギー準位が分裂した共鳴信号を検知すれば、電子周囲の核種、磁界環境、電子スピンピッチ等を含む、物質システムの内部情報を取得することができる。

ＥＰＲは高感度、非侵襲的な検出方法であり、物理、化学、バイオ、医学、工学などの様々な分野に広く応用される。いくつかの典型的な用途としては、工学及び安全分野における材料の不純物又は欠陥検出、化学反応における特定元素の定量分析、バイオ分野における組織撮像、医学分野における放射線量の定量分析、物性物理学における多体関連や相転移問題の研究、及び量子情報分野における量子計算及び量子記憶等の機能の実現ということがある。

標準ＥＰＲシステムは、主に、マイクロ波源、マイクロ波パルス変調及び復調モジュール、マイクロ波増幅器、マイクロ波ブリッジ、サンプルロッド、三次元マイクロ波共鳴室、超均一磁石といったモジュールを含む。ＥＰＲシステムの入射マイクロ波が連続波である場合、このような連続波ＥＰＲシステムは遷移共鳴信号検知のみに用いられる。ＥＰＲシステムの入射マイクロ波は複雑なマイクロ波パルスシーケンスに設定してもよく、このようなパルス式ＥＰＲシステムは機能がより豊富であり、スピン分布値寿命及びコヒーレント寿命などの他のスピン動力学的分析に用いられる。量子情報分野の応用を例として、従来技術では、一般的に、パルス式ＥＰＲシステムによって、スピン量子状態制御、被制御量子論理ゲート、マイクロ波量子状態記憶等の機能を実現する必要がある。

現在、国際的に、パルス式ＥＰＲシステムを製造できるメーカーとして、主にドイツのＢＲＵＫＥＲ会社がある。固体材料のＥＰＲ分析を考慮すると、物質内部の電子−フォノン間相互作用を冷却するために、一般的に低温環境が必要である。現在、商用ＥＰＲシステムが到達できる最低サンプル温度は約３Ｋである。しかし、この温度は、量子情報分野における固体に対する長いコヒーレント寿命という需要を満たすことができない。一つの典型的な例を挙げると、近年の希土類イオンでドーピングされた結晶は、単一光子量子状態の高い忠実度記憶を実現でき、実用化の潜在力を有する量子記憶システムである。その記憶寿命は最終的にイオンの電子スピン及び核スピンのコヒーレント寿命に制限される。従来の一つのパルス式ＥＰＲシステムを分析した結果は、温度の低下に伴って、サンプル電子スピン及び核スピンコヒーレント寿命がいずれも温度低下に伴って顕著に上昇することである。このシステムの最低温度５Ｋに達すると、サンプル電子スピン及び核スピンコヒーレント寿命は、それぞれ０．１ｍｓと１ｍｓオーダー［Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１１４．１７０５０３（２０１５）］となる。しかしながら、実用化されている量子メモリは、一般的に秒オーダーの記憶寿命が必要である。この実験中のサンプルの温度を低下させ続けることは、明らかにより長いコヒーレント寿命を得られるが、該研究グループがさらなるデータを取ることができなかった。その原因は、現在、全ての商用ＥＰＲシステムが３Ｋ以下の温度領域に到達できないからである。国際の学界には、三次元共鳴室のＥＰＲシステムが３Ｋ以下のようなサンプル温度に達する可能性がないという普遍的な見方も存在する。この点については、例えば、文献［Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０６．１９３５０５（２０１５）］の第一頁の第二段落において明らかに指摘されている。伝送線型の共鳴室を採用すると降温を実現しやすいが、このような共鳴室で生成された交流磁界は伝送線の近傍数十〜数百μｍオーダーのスケール範囲に分布し、該磁界は距離変化に伴って激しく減衰し、その欠点はサンプルスケールが制限されかつ磁界均一度が劣ることにある。

これに鑑みて、本開示の目的は、サンプル温度が０．１Ｋオーダーに達することができ、かつ従来の電子常磁性共鳴分光計の様々な試験機能を備える電子常磁性共鳴分光計を提供することにある。

本開示は、少なくとも一種のマイクロ波パルスを生成するマイクロ波励起発生手段と、サンプルを載置するように配置される共鳴室と、マイクロ波励起発生手段と共鳴室との間に接続され、マイクロ波を伝送するマイクロ波伝送線とを含むマイクロ波伝導手段と、
マイクロ波共鳴室に対して０．１ケルビンオーダーの極低温冷却を実現する冷凍機を含み、前記共鳴室が前記冷凍機内に設置され、前記マイクロ波伝送線が前記冷凍機に貫入しかつ前記共鳴室に接続されるように設置される冷凍機及び磁石手段と、を備え、冷凍機及び磁石手段は、さらに前記サンプルに達する磁気共鳴試験磁界を提供する磁石を含み、前記共鳴室は、磁石の室温隙間に設置されるパルス式電子常磁性共鳴分光計を提供する。
さらなる実施形態において、前記マイクロ波伝導手段は、一端に前記共鳴室が取り付けられ且つ他端が前記冷凍機に固定されるサンプルロッドを含む。

さらなる実施形態において、前記冷凍機は、マイクロ波伝送線を段階的に冷却するように、マイクロ波伝送線の貫入方向に沿って設置された多層冷却盤を含む。

さらなる実施形態において、前記マイクロ波共鳴室は、Ｌ、Ｓ、Ｘを含む複数種の動作周波数帯および電子・核二重共鳴を有するマイクロ波共鳴室である。

さらなる実施形態において、前記マイクロ波伝送線の導電媒体は、銀メッキステンレス鋼、銀メッキＣｕＮｉおよびＮｂＴｉ超伝導体である。

さらなる実施形態において、前記冷凍機及び磁石手段は、前記磁石の搬送および位置決めに用いられる電動ガイドレールをさらに含む。

さらなる実施形態において、前記冷凍機の末端は円柱形であり、外径が前記磁石隙間に適合し、前記冷凍機の末端の内径が前記共鳴室に適合する。

さらなる実施形態において、前記マイクロ波伝送線は、マイクロ波伝送線の外被およびコアを十分に冷却するように、各段の冷却盤にヒートシンクおよびジョイントが取り付けられている。

さらなる実施形態において、前記サンプルロッドは、熱伝導金属材料を含む。

さらなる実施形態において、各段の前記冷却盤の外には、熱輻射シールドケースが取り付けられている。

上記本開示が提供した技術案から分かるように、ＥＰＲシステムと冷凍機及びマイクロ波伝送線の設置方式とを組み合わせて、０．１Ｋオーダーのサンプル温度を取得することができ、それにより極低温領域のＥＰＲ検出を実現できる。電動ガイドレールを利用してＥＰＲシステムと冷凍システムとの合体及び組立運転を手軽に実現することができる。上記プロセスに採用された機器は、操作しやすくて安定性が高く、そのサンプルの温度が低く、かつ従来のＥＰＲシステムの全ての機能に対応可能である。

本開示の実施例の技術案をより明確に説明するために、以下では、実施例の記載における必要とされる図面を簡単に説明し、明らかに、以下に記載された図面は本開示のいくつかの実施例のみであり、当業者にとって、創造的な労働をしない前提で、これらの図面に基づいて他の図面を取得することができる。
図１は、本開示の実施例が提供するパルス式電子常磁性共鳴分光計のブロック図である。図２は、本開示の実施例が提供するパルス式電子常磁性共鳴分光計の一部組立模式図である。図３は、本開示の実施例が提供する図２に示す共鳴分光計を応用して、６．５Ｋの温度でのＹＳＯ結晶中のＮｄ^３＋イオンの走査フィールド（ｓｗｅｐｔｆｉｅｌｄ）電子スピンエコー（ＥＳＥ）の模式図である。図４Ａ及び図４Ｂは、本開示の実施例が提供する図２に示す共鳴分光計を応用して、極低温領域でのＹＳＯ結晶中のＮｄ^３＋イオンの電子スピンエコー（ＥＳＥ）と温度との依存関係図である。図４Ａは、異なるサンプル温度で電子スピンエコーを実測する時間領域信号を示す。図４Ｂは、電子スピンエコーの相対的な大きさとサンプル温度との関係を示す。

以下に本開示の実施例における図面を参照しながら、本開示の実施例における技術案を明らかに完全に説明し、もちろん、説明された実施例は本開示の一部の実施例だけであり、全ての実施例ではない。本開示の実施例に基づいて、当業者が創造的な労働をしない前提で取得した全ての他の実施例は、いずれも本開示の保護範囲に属する。

本開示に記載の「極低温」とは、０．１Ｋ（ケルビン）オーダーの温度を意味する。

上述したように、極低温領域のＥＰＲ分光器は、量子情報、量子記憶領域に非常に必要な重大な基礎器具である。例えば、０．１Ｋの極低温で、ＸバンドＥＰＲ分光計は、電子スピンの分布値が９５％以上の初期化レベルを実現することができる。これは、３Ｋ温度の試験条件と比べて、電子スピンエコーの信号対雑音比（すなわち機器の信号対雑音比）を一〜二つのオーダーを強めることができる。信号対雑音比の向上は全ての測定機器の根本的な指標であるため、極低温ＥＰＲシステムは他の分野でもより広く応用されることが期待される。

本開示の基本的な構想に基づいて、少なくとも一種のマイクロ波パルスを生成するマイクロ波励起発生手段と、サンプルを載置するように配置される共鳴室と、マイクロ波励起発生手段と共鳴室との間に接続され、マイクロ波を伝送するマイクロ波伝送線とを含むマイクロ波伝導手段と、マイクロ波共鳴室に対して０．１ケルビンオーダーの極低温冷却を実現する冷凍機を含み、前記マイクロ波伝送線が前記冷凍機に貫入しかつ前記共鳴室に接続されるように設置される冷凍機及び磁石手段と、を備え、冷凍機及び磁石手段は、さらに前記サンプルに達する磁気共鳴試験磁界を提供する磁石を含み、前記共鳴室は、磁石の室温隙間に設置されるパルス式電子常磁性共鳴分光計を提供する。さらに、マイクロ波伝導手段の放射されるマイクロ波を収集及び分析するマイクロ波検知手段を含むことができる。上述設定によれば、ＥＰＲシステムと冷凍機とを組み合わせて、０．１Ｋオーダーの極低サンプル温度を取得することができる。

図１は、本開示の実施例１が提供するシステムフレームの模式図である。図１に示すように、該装置は、主に、マイクロ波励起発生手段１１と、マイクロ波伝導手段１２と、マイクロ波検知手段１３と、冷凍機及び磁石手段１４と、を備える。

前記マイクロ波励起発生手段１１は、様々な高エネルギーマイクロ波パルスを生成するために用いられる。
前記マイクロ波伝導手段１２は、マイクロ波パルスの指向性伝送に用いられ、サンプルを取り付け、マイクロ波の発射及び収集を実現するために用いられる。
前記マイクロ波検知手段１３は、マイクロ波信号の収集及び分析に用いられる。
前記マイクロ波励起発生手段１１、マイクロ波伝導手段１２及びマイクロ波検知手段１３は、走査フィールド常磁性共鳴検出、電子スピンエコー、電子・核二重共鳴等の完備した試験機能を備える。
前記冷凍機及び磁石手段１４は、マイクロ波共鳴室に極低温冷却を実現しかつ高均一度の磁界を提供し、磁気共鳴試験条件に満たすために用いられる。

さらに、前記マイクロ波励起発生手段１１は、マイクロ波源１１１と、マイクロ波変調モジュール１１２と、マイクロ波周波数変換モジュール１１３と、マイクロ波増幅器１１４とを含む。
前記マイクロ波源１１１は、特定の周波数の単一周波数マイクロ波信号を生成するために用いられる。
前記マイクロ波変調モジュール１１２は、単一周波数の連続マイクロ波から、様々な大きさ、位相、周波数を有するマイクロ波パルスを生成するために用いられる。
前記マイクロ波周波数変換モジュール１１３は、マイクロ波の試験周波数帯域を拡張するために用いられる。

前記マイクロ波増幅器１１４は、マイクロ波パルスを増幅し、パルスＥＰＲに必要な高エネルギーパルスに達するために用いられる。
さらに、前記マイクロ波伝導手段１２は、マイクロ波サーキュレータ１２１と、マイクロ波伝送線１２２と、マイクロ波共鳴室１２３とを含む。
前記マイクロ波サーキュレータ１２１は、マイクロ波の指向性伝送に用いられ、マイクロ波励起手段１１のマイクロ波がサンプルに入るようにガイドし、かつサンプル信号がマイクロ波検知手段１３に入るように伝送する。
前記マイクロ波伝送線１２２は、マイクロ波サーキュレータ１２１とマイクロ波共鳴室１２３との間にマイクロ波を伝導するために用いられる。従来のマイクロ波伝送線と異なり、本装置の極低温冷却という需要を考慮すると、前記マイクロ波伝送線の材質の選択は導電及び断熱の需要を両立させるべきであり、典型的な導電媒体は銀メッキステンレス鋼、銀メッキＣｕＮｉおよびＮｂＴｉ超伝導体であってもよい。

前記マイクロ波共鳴室１２３は、サンプルを取り付けてマイクロ波の発射及び収集を実現するために用いられる。本開示のマイクロ波共鳴室１２３は三次元共鳴室であり、該三次元共鳴室による交流磁界分布が均一であり、かつ大きいサイズのサンプルを試験することができ、より豊富な試験機能を備える。
さらに、前記軌道マイクロ波検知手段１３は、保護ゲート１３１と、ミキサ１３２と、ローパスフィルタと、増幅器１３３と、オシロスコープ１３４とを含む。
前記保護ゲート１３１は、高エネルギーマイクロ波パルスが入射する時、検知システムをオフにし、信号を検知する時、検出システムをオンにするために用いられる。
前記ミキサー１３２は、マイクロ波伝導モジュールが収集したマイクロ波信号とローカルマイクロ波とミキシングして信号を抽出するために用いられる。そのローカルマイクロ波はマイクロ波励起発生手段１１からのものである。
前記ローパスフィルタ及び増幅器１３３は、ミキサ１３２から出力されたミキシング信号にローパスフィルタ及び増幅を実行し、パルス復調を実現するために用いられる。復調後のパルス信号を増幅するために用いられる。
前記オシロスコープ１３４は、信号の記憶及び表示に用いられる。

さらに、前記冷凍機手段１４は、冷凍機１４１と、冷凍機室１４２と、超均一磁石１４３と、電動ガイドレール１４４とを含む。
前記冷凍機１４１は、冷凍量を提供し、目標システムを冷却するために用いられる。該冷凍機により、前記機器のサンプル温度は０．１Ｋオーダーに達することができる。
前記冷凍機室１４２は、マイクロ波伝送線１２２及びマイクロ波共鳴室１２３の取り付けに用いられ、かつ外部熱輻射を隔離するために用いられる。
前記超均一磁石１４３は、高い均一度且つ高い安定した磁界を生成するために用いられる。室温電磁石であってもよく、超伝導磁石であってもよい。

前記電動ガイドレール１４４は、サンプル交換を実行する時、磁石の搬送及び位置決めに用いられる。前記電動ガイドレールは、上下に動作するジャッキを備え、磁石の搬送、位置決め、配置に用いられ、かつ水平方向のストロークが磁石の外形寸法を超える。

本開示の実施例は、冷凍機と従来のＥＰＲシステムとを組み合わせて、極低温のＥＰＲ試験を実現でき、かつ試験における信号対雑音比を顕著に向上させることに寄与する。上記プロセスに採用された機器は、操作しやすく、システムが高い安定性及び完備した試験機能を有する。

本開示をさらに説明するために、本開示の実施例では、具体的な数値を挙げて、該装置における素子パラメータを紹介する。なお、挙げられた素子パラメータの数値は、本開示を容易に理解させるためのものに過ぎず、構成を限定するものではない。実際の応用において、ユーザーは需要又は経験に応じて異なるパラメータの素子を採用することができる。

図１における各部分モジュールは、単独で購入して組み立ててもよく、従来技術から複数のモジュールを組み立てたサブシステムを提供してもよく、このようなサブシステムによればパルス式電子常磁性共鳴分光計をより構築しやすい。例えば、商用ＥＰＲ分光計は、マイクロ波励起手段、マイクロ波伝導手段におけるサーキュレータ及びマイクロ波チャンバ、マイクロ波検知手段、冷凍機及び磁石手段における超均一磁石を提供することができる。図２に示すのは、本開示の実施例が提供するＥＰＲ分光計のシステム組立模式図である。同図において、低温チャンバ内の多層放射防止カバー、及び低温チャンバの対応した圧縮手段等を省略し、システムの合体に重要な詳細を示すだけである。

それは主に以下のようなものを含む。
１）パルス式マルチバンドＥＰＲシステム（ここでのＥＰＲシステムは、マイクロ波励起発生手段と、マイクロ波伝導手段におけるマイクロ波サーキュレータ及びマイクロ波共鳴室、マイクロ波検知手段と、冷凍機及び磁石手段における磁石とを含む。）
それは、主に、Ｌ／Ｓ／Ｘバンドマイクロ波ブリッジと、Ｌ／Ｓ／Ｘバンドマイクロ波増幅器と、任意の波形発生器によるマイクロ波変調器と、Ｌ／Ｓ／Ｘバンドマイクロ波共鳴室と、Ｘバンドマイクロ波検出システムと、電子・核二重共鳴（ＥＮＤＯＲ）モジュールと、超均一磁石とを含む。

本実施例において、Ｘバンドマイクロ波ブリッジのパラメータとして、周波数範囲が９．０〜１０．０ＧＨｚであってもよい。Ｌ／Ｓバンドのマイクロ波ブリッジは主に周波数変換の機能を実現し、これは、ローカル周波数を固定するミキサーに基づいて、ＸバンドとＬ／Ｓの二つのバンドとの信号の周波数変換を実現する。このような周波数変換の方式は、周波数バンド拡張を実現し、最も経済的な方式であり、複数のバンドはＸバンドのマイクロ波検知モジュールを共用することができる。三つのバンドのマイクロ波ブリッジは、いずれもマイクロ波サーキュレータを内蔵しており、マイクロ波の指向性伝送を実現する。

本実施例において、Ｘバンドマイクロ波増幅器は３００Ｗの固体増幅器であり、Ｌ／Ｓバンド増幅器の出力電力は約１００Ｗである。

本実施例において、任意の波形発生器によるマイクロ波変調器のパラメータとして、サンプリングレートが５ＧＳ／ｓであり、変調帯域幅が５００ＭＨｚであり、周波数、位相、振幅に対して任意の波形変調を実現してもよい。

本実施例において、Ｌ／Ｓ／Ｘバンドのマイクロ波共鳴室のパラメータとして、各バンド共鳴室の内部の有効穴径が５ｍｍであり、外径が２０ｍｍであり、バンドを便宜に交換するためにＳＭＢ又はＭＭＣＸ型高速ジョイントを採用してもよい。各バンド共鳴室のＱ値は、５０〜５００程度であってもよく、具体的な実験によって必要なＱ値を決定する。

本実施例において、コイル型超均一超伝導磁石のパラメータとして、磁界均一度が１０ｐｐｍ＠４０ｍｍＤＳＶであり、最大磁界強度が１．８Ｔであり、空気間隙が１００ｍｍであってもよい。

２）希釈冷凍機システム（この部分が本開示の実施例の主な改良点となるため、単独で挙げて説明し、それが図１における冷凍機に対応する）
本実施例において、冷凍機のパラメータは以下のとおりであってもよい。すなわち、液体ヘリウムの消費がない希釈冷凍機は、最低温度が１０ｍＫであり、１００ｍＫでの冷凍電力が４００μＷであり、４Ｋでの冷凍電力が１Ｗである。

本実施例において、好ましい冷凍機室２０１のパラメータは以下のとおりであってもよい。すなわち、５０Ｋの冷盤２０５５と、３Ｋの冷却盤２０５４と、１Ｋの冷盤２０５３と、１００ｍＫの冷却盤２０５２と、１０ｍＫの冷却盤２０５１とを含む。その内、５０Ｋの冷却盤２０５５、３Ｋの冷却盤２０５４、１Ｋの冷却盤２０５３はいずれも熱輻射シールドケース（図示せず）を組み合わせて取り付ける必要がある。冷凍機の末端の外径が９５ｍｍであり、末端のサンプル空間の有効内径が４０ｍｍである。

前記冷凍システムは、上方から、電子常磁性共鳴システムの磁石空気間隙に挿入される。

３）特製のシステム接続部品
それは主にサンプルロッド２０７とマイクロ波伝送線２０８とを含む。

本実施例において、共鳴室２０３は一つの熱伝導金属材質のサンプルロッド２０７に取り付けられ、サンプルロッド２０７の他端は１０ｍＫの最低温冷却盤２０５１に固定され、他の冷却盤（２０５２、２０５３、２０５４及び２０５５）に接続されていない。本実施例において、マイクロ波伝送線のパラメータとして、半剛性の同軸伝送線は線外径が３．５ｍｍであってもよい。線の外被およびコアは、銀メッキステンレス鋼や超伝導材料等の熱伝導しにくくかつ導電しやすい材質であってもよい。

冷却効果をより高めるために、マイクロ波伝送線２０８の経路には複数のヒートシンク２０６が設けられている。

４）電動ガイドレール２０４
本実施例において、電動ガイドレール２０４のパラメータとして、荷重能力が３トンより大きく、作動ストロークが１．５メートルであり、位置決め精度が０．１ｍｍであってもよい。ガイドレール作業パネルの大きさは５５０ｍｍ＊５５０ｍｍである。

本実施例における磁石２０２は、その両側の足の高さが２３０ｍｍであり、両側の足の距離が６００ｍｍであってもよい。ガイドレールは、高さストロークが２０ｍｍであるジャッキを備え、磁石を支持する、又は位置決めした後に磁石を降下させるために用いられる。ガイドレールのジャッキが上昇した後、作業パネルは地面からの総高さが２４０ｍｍであり、この時、ガイドレールの作業パネルは磁石２０２を直接的に支持しかつ搬送して位置決めする。ガイドレールのジャッキが降下した後、磁石２０２はガイドレール面から離脱し、地面に直接的に支持される。

図２において、冷凍機の末端は円柱形であり、外径は前記磁石隙間に適合し、冷凍機の末端の内径は前記共鳴室に適合する。

本実施例において、システムの降温過程を最適化し、実際のシステムの温度表現を判断するために、温度計による測量でスピン分極を標定する手段を補助して、測定システム及びサンプルの実際の動作温度を測定することができる。

システムにはＳバンドマイクロ波共鳴室が取り付けられる場合、共鳴室内において標定されたＲｕＯ_２抵抗温度計が取り付けられ、温度が低下するにつれて、抵抗値が徐々に上昇する。その結果、共鳴室でにおいては、実際の試験サンプルがないという条件で、最低温度が１０ｍＫ以下に達した。

さらに、本実施例において、希土類イオンのスピン分極レベルによって、サンプルの実際の動作温度を正確に測定することができる。システムにはＸバンドＥＮＤＯＲ共鳴室が取り付けられ、共鳴室内において、濃度が２０ｐｐｍである^１４３Ｎｄ同位体ドープのＹＳＯ結晶が搭載され、結晶中にさらに１ｐｐｍ程度の偶数質量数の同位体（^１４２Ｎｄ、^１６４Ｎｄ、^１４８Ｎｄを含む）が含有される。外部の試験磁界は、結晶のＤ１軸と平行である。図３は、６．５Ｋの温度で走査フィールド電子スピンエコーの試験結果を示し、それは、１６本の^１４３Ｎｄのスペクトル線及び２本の偶数質量数Ｎｄ同位体のスペクトル線を含む。

図４Ａは、４５８１Ｇ磁界で、異なる冷却盤温度に変化させる時に、得られたスピンエコー信号を示す。この試験磁界で得られた磁気共鳴信号は、偶数質量数のＮｄ同位体からのものである。実験では、選択されたスピン進化時間が２ｕｓであり、全ての試験温度での電子スピンコヒーレント寿命（２０ｕｓ〜２００ｕｓ）より遥かに低いである。

偶数質量数のＮｄ同位体は、電子スピンが１／２であり、核スピンがゼロであり、磁界下では単純な２エネルギー準位システムである。そのスピンエコーの相対的な大きさは、目標遷移の分布値差に正比例し、ボルツマン分布によると、異なる温度での２エネルギー準位分布値差を厳密に計算することができる。

ここで、ｈはプランク定数であり、ν＝９．５６ＧＨｚはマイクロ波周波数であり、ｈ＊νは共鳴マイクロ波光子のエネルギーであり、ｋはボルツマン定数であり、Ｔはサンプル温度である。Ｔが絶対零度０Ｋに近づくと、スピンエコーの大きさは相対的な最大値１に達する。

図４Ｂから分かるように、冷却盤の温度が低下するにつれて、サンプルエコー信号が徐々に増加し、０．１Ｋの動作温度での機器は、４．５Ｋの動作温度での商業化機器に比べて、信号対雑音比が２０倍を超えて向上させることができる。実験結果は、ボルツマン分布によって予測されたスピン分極レベルに完全に一致するため、サンプルの動作温度が０．１Ｋに達したことを厳密に証明できる。

本開示の実施例において、独創的なパルス式電子常磁性共鳴分光計が開発され、温度計の表示によると、サンプルチャンバの無負荷温度が１０ｍＫ以下に達した。この装置に基づいて、ＹＳＯ結晶におけるＮｄ^３＋イオンの極低温スピンエコー試験を完了し、スピンエコー信号の大きさに基づいてサンプルの実際の動作温度が０．１Ｋに達することができると標定した。これは、国際的に報告された最低温度の三次元共鳴室パルス式電子常磁性共鳴分光計である。その各部の部材はいずれも汎用型の電気部品であり、装置が安定しかつ機能が完備し、広く応用される見込みがある。

当業者であれば明らかに分かるように、説明の利便性及び簡潔のため、上記のような各機能モジュールに分けることのみを例に挙げて説明したが、実際の応用において、必要に応じて上記機能を異なる機能モジュールに分けてもよく、即ち、装置の内部構造を異なる機能モジュールに分けて、以上に説明した全て又は一部の機能を実行してもよい。

以上に記載された具体的な実施例によって、本開示の目的、技術案及び有益な効果をさらに詳細に説明したが、理解すべきなのは、以上に記載されたものはあくまでも本開示の具体的な実施例だけであり、本開示を限定するものではなく、本開示の精神および原則を逸脱しなく行った如何なる修正、均等置換、改良などは、いずれも本開示の保護範囲内に含まれるべきである。

Claims

少なくとも一種のマイクロ波パルスを生成するマイクロ波励起発生手段と、
サンプルを載置するように配置される共鳴室と、マイクロ波励起発生手段と共鳴室との間に接続され、マイクロ波を伝送するマイクロ波伝送線とを含むマイクロ波伝導手段と、
マイクロ波共鳴室に対して０．１ケルビンオーダーの極低温冷却を実現する冷凍機を含み、前記共鳴室が前記冷凍機内に設置され、前記マイクロ波伝送線が前記冷凍機に貫入しかつ前記共鳴室に接続されるように設置される冷凍機及び磁石手段と、を備え、
冷凍機及び磁石手段は、さらに前記サンプルに達する磁気共鳴試験磁界を提供する磁石を含み、
前記共鳴室は、磁石の室温隙間に設置される、
ことを特徴とするパルス式電子常磁性共鳴分光計。
前記マイクロ波伝導手段は、一端に前記共鳴室が取り付けられ且つ他端が前記冷凍機に固定されるサンプルロッドを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルス式電子常磁性共鳴分光計。
前記冷凍機は、マイクロ波伝送線を段階的に冷却するように、マイクロ波伝送線の貫入方向に沿って設置された多層冷却盤を含み、
前記マイクロ波伝送線は、層ごとに前記冷却盤を貫入するように設置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルス式電子常磁性共鳴分光計。
前記マイクロ波共鳴室は、Ｌ、Ｓ、Ｘを含む複数種の動作周波数帯および電子・核二重共鳴を有するマイクロ波共鳴室である、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルス式電子常磁性共鳴分光計。
前記マイクロ波伝送線の導電媒体は、銀メッキステンレス鋼、銀メッキＣｕＮｉおよびＮｂＴｉ超伝導体である、
ことを特徴とする請求項４に記載のパルス式電子常磁性共鳴分光計。
前記冷凍機及び磁石手段は、前記磁石の搬送および位置決めに用いられる電動ガイドレールをさらに含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルス式電子常磁性共鳴分光計。
前記冷凍機の末端は円柱形であり、外径が前記磁石隙間に適合し、前記冷凍機の末端の内径が前記共鳴室に適合する、
ことを特徴とする請求項６に記載のパルス式電子常磁性共鳴分光計。
前記マイクロ波伝送線は、マイクロ波伝送線の外被およびコアを十分に冷却するように、各段の冷却盤にヒートシンクおよびジョイントが取り付けられている、
ことを特徴とする請求項６に記載のパルス式電子常磁性共鳴分光計。
前記サンプルロッドは、熱伝導金属材料を含む、
ことを特徴とする請求項２に記載のパルス式電子常磁性共鳴分光計。
各段の前記冷却盤の外には、熱輻射シールドケースが取り付けられている、
ことを特徴とする請求項３に記載のパルス式電子常磁性共鳴分光計。