JP3281007B2 - 電子スピン共鳴装置 - Google Patents
電子スピン共鳴装置Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H13/00—Measuring resonant frequency
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/60—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using electron paramagnetic resonance
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- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は電子スピン共鳴装置に
関し、特に周波数掃引による共鳴信号検出手段を備えた
電子スピン共鳴装置に関する。
関し、特に周波数掃引による共鳴信号検出手段を備えた
電子スピン共鳴装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、電子スピン共鳴装置のほとんどは
信号検出のための掃引方式として磁場掃引方式を採用し
ている。この磁場掃引方式の電子スピン共鳴装置におい
ては、静磁場中に置かれた試料にマイクロ波磁場を印加
すると共に静磁場を掃引し、電子スピン共鳴に伴う試料
によるマイクロ波エネルギの吸収をとらえている。通
常、静磁場の掃引は静磁場を発生する電磁石の励磁電流
を掃引して行われ、励磁用大電力源および掃引コイルの
発熱に対する冷却用設備等を必要とする。このため、永
久磁石を使用して励磁用大電力源を不要とした周波数掃
引方式の電子スピン共鳴装置も一部に見受けられるが、
これらは掃引範囲がごく狭い範囲に限られている。
信号検出のための掃引方式として磁場掃引方式を採用し
ている。この磁場掃引方式の電子スピン共鳴装置におい
ては、静磁場中に置かれた試料にマイクロ波磁場を印加
すると共に静磁場を掃引し、電子スピン共鳴に伴う試料
によるマイクロ波エネルギの吸収をとらえている。通
常、静磁場の掃引は静磁場を発生する電磁石の励磁電流
を掃引して行われ、励磁用大電力源および掃引コイルの
発熱に対する冷却用設備等を必要とする。このため、永
久磁石を使用して励磁用大電力源を不要とした周波数掃
引方式の電子スピン共鳴装置も一部に見受けられるが、
これらは掃引範囲がごく狭い範囲に限られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前述した電子スピン共
鳴装置において、周波数掃引方式よりも磁場掃引方式が
主流になったのには周波数掃引方式に次のような主に二
つの問題点があったからである。即ち、一つはマイクロ
波周波数の広域掃引が困難なこと。もう一つは、マイク
ロ波空洞共振器は極めてＱが高く、非常に狭い帯域の周
波数にしか応答できないことにあった。
鳴装置において、周波数掃引方式よりも磁場掃引方式が
主流になったのには周波数掃引方式に次のような主に二
つの問題点があったからである。即ち、一つはマイクロ
波周波数の広域掃引が困難なこと。もう一つは、マイク
ロ波空洞共振器は極めてＱが高く、非常に狭い帯域の周
波数にしか応答できないことにあった。
【０００４】前者について詳述すると、マイクロ波発振
器の周波数同調には、一般に機械的同調、電子的同調が
併用されているが、電子スピン共鳴の測定においては、
滑らかな連続掃引を行うために、発振器の電子同調を採
用する。常用される電子スピン共鳴測定では、掃引範囲
は約１０％程度は必要とされている。従来汎用されてき
たクライストロンでは、出力周波数に対する周波数可変
範囲は機械的同調では５〜１０％になるが、電子同調で
は０．２〜０．５％程度しかない。最近多用されるガン
ダイオードでも、可変共振素子としてバラクタを併用し
て０．５％程度である。従って、電子同調ではマイクロ
波周波数の広範囲の掃引が行えなかった。
器の周波数同調には、一般に機械的同調、電子的同調が
併用されているが、電子スピン共鳴の測定においては、
滑らかな連続掃引を行うために、発振器の電子同調を採
用する。常用される電子スピン共鳴測定では、掃引範囲
は約１０％程度は必要とされている。従来汎用されてき
たクライストロンでは、出力周波数に対する周波数可変
範囲は機械的同調では５〜１０％になるが、電子同調で
は０．２〜０．５％程度しかない。最近多用されるガン
ダイオードでも、可変共振素子としてバラクタを併用し
て０．５％程度である。従って、電子同調ではマイクロ
波周波数の広範囲の掃引が行えなかった。
【０００５】後者については、電子スピン共鳴信号を検
出する空洞共振器は、Ｑが４，０００〜１０，０００と
高く、しかもこの共振周波数は殆ど共振器の機械的寸法
によって定まるため、広範囲に周波数を掃引することが
できなかった。
出する空洞共振器は、Ｑが４，０００〜１０，０００と
高く、しかもこの共振周波数は殆ど共振器の機械的寸法
によって定まるため、広範囲に周波数を掃引することが
できなかった。
【０００６】しかしながら、これらの問題が解消できれ
ば、磁場掃引方式から周波数掃引方式に変更することに
より、従来必要とされた励磁用大電力源、冷却用水等の
設備を不要とすることができ、電子スピン共鳴装置を電
力、給水設備の整った一部の研究室等から開放し、可搬
型とするなど測定・設置条件の大幅な軽減が可能とな
る。
ば、磁場掃引方式から周波数掃引方式に変更することに
より、従来必要とされた励磁用大電力源、冷却用水等の
設備を不要とすることができ、電子スピン共鳴装置を電
力、給水設備の整った一部の研究室等から開放し、可搬
型とするなど測定・設置条件の大幅な軽減が可能とな
る。
【０００７】そこで、本発明の目的は、共鳴信号検出の
ために実用上充分な広範囲にわたる周波数掃引ができる
周波数掃引方式による電子スピン共鳴装置を提供するこ
とにある。
ために実用上充分な広範囲にわたる周波数掃引ができる
周波数掃引方式による電子スピン共鳴装置を提供するこ
とにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に係る電子スピン
共鳴装置は、固定分極磁場内に配置されて測定試料の電
子スピン共鳴信号を検出する空洞共振器を備える電子ス
ピン共鳴装置において、前記空洞共振器の共振周波数を
必要範囲で変化させてこの共振周波数の変化によって発
生する空洞共振器に対する印加マイクロ波周波数と共振
周波数との差を誤差信号として検出するとともに検出誤
差信号を増幅し前記誤差信号をマイクロ波発振器に負帰
還してマイクロ波周波数を制御することにより前記誤差
信号を零にするよう共振周波数に追随させる自動周波数
制御手段とからなることを特徴とする。
共鳴装置は、固定分極磁場内に配置されて測定試料の電
子スピン共鳴信号を検出する空洞共振器を備える電子ス
ピン共鳴装置において、前記空洞共振器の共振周波数を
必要範囲で変化させてこの共振周波数の変化によって発
生する空洞共振器に対する印加マイクロ波周波数と共振
周波数との差を誤差信号として検出するとともに検出誤
差信号を増幅し前記誤差信号をマイクロ波発振器に負帰
還してマイクロ波周波数を制御することにより前記誤差
信号を零にするよう共振周波数に追随させる自動周波数
制御手段とからなることを特徴とする。
【０００９】また、本発明に係る電子スピン共鳴装置
は、固定分極磁場内に配置されて測定試料の電子スピン
共鳴信号を検出する空洞共振器と、前記空洞共振器に印
加するマイクロ波の周波数を掃引することによりこの印
加マイクロ波の周波数掃引によって発生する空洞共振器
の共振周波数と印加マイクロ波周波数との差を誤差信号
として検出するとともに検出誤差信号を増幅し前記誤差
信号を空洞共振器に負帰還して前記誤差信号を零にする
よう空洞共振器の共振周波数を制御することによりマイ
クロ波発振器からマイクロ波周波数に追随させる自動周
波数制御手段とから構成することもできる。
は、固定分極磁場内に配置されて測定試料の電子スピン
共鳴信号を検出する空洞共振器と、前記空洞共振器に印
加するマイクロ波の周波数を掃引することによりこの印
加マイクロ波の周波数掃引によって発生する空洞共振器
の共振周波数と印加マイクロ波周波数との差を誤差信号
として検出するとともに検出誤差信号を増幅し前記誤差
信号を空洞共振器に負帰還して前記誤差信号を零にする
よう空洞共振器の共振周波数を制御することによりマイ
クロ波発振器からマイクロ波周波数に追随させる自動周
波数制御手段とから構成することもできる。
【００１０】
【作用】本発明に係る電子スピン共鳴装置によれば、例
えば、ＹＩＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ−Ｉｒｏｎ−Ｇａｒｎｅ
ｔｔ）フィルタを帰還回路とするいわゆるＹＴＯ（ＹＩ
Ｇ−Ｔｕｎｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）、周波数シン
セサイザ等、周波数を広範囲に変化することができる周
波数可変マイクロ波発振器を用い、発振周波数を共振周
波数可変型空洞共振器の共振周波数に追随するよう制御
することができ、また、共振周波数の可変を困難にして
いる内部変調コイルの使用を避け、共振周波数を広域に
わたり可変とした空洞共振器を使用することにより、こ
の空洞共振器の共振周波数にマイクロ波周波数を追随制
御することができ、分極磁場を固定したまま必要範囲に
わたる電子スピン共鳴を測定することができる。
えば、ＹＩＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ−Ｉｒｏｎ−Ｇａｒｎｅ
ｔｔ）フィルタを帰還回路とするいわゆるＹＴＯ（ＹＩ
Ｇ−Ｔｕｎｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）、周波数シン
セサイザ等、周波数を広範囲に変化することができる周
波数可変マイクロ波発振器を用い、発振周波数を共振周
波数可変型空洞共振器の共振周波数に追随するよう制御
することができ、また、共振周波数の可変を困難にして
いる内部変調コイルの使用を避け、共振周波数を広域に
わたり可変とした空洞共振器を使用することにより、こ
の空洞共振器の共振周波数にマイクロ波周波数を追随制
御することができ、分極磁場を固定したまま必要範囲に
わたる電子スピン共鳴を測定することができる。
【００１１】
【実施例】次に本発明に係る電子スピン共鳴装置の実施
例につき、添付図面を参照しながら以下詳細に説明す
る。
例につき、添付図面を参照しながら以下詳細に説明す
る。
【００１２】図１は本発明の一実施例を示す電子スピン
共鳴装置の回路構成図であり、図２および図３は図１の
電子スピン共鳴装置に使用するＴＥ０１１モード円筒空
洞共振器の詳細な構造図である。図１において、参照符
号１０は永久磁石であり、永久磁石１０がつくる固定分
極磁場内には被検試料を収容する空洞共振器１２および
磁場変調コイル１４が配置される。空洞共振器１２には
マイクロ波発振器１６から発生するマイクロ波電力がア
イソレータ１８，減衰器２０を通り、サーキュレータ２
４を介して供給される。試料中のスピンが共鳴し、供給
されているマイクロ波電力の一部が吸収されると、空洞
共振器の共振インピーダンスに変化が起こる。それに従
い空洞共振器の反射係数が変化し、サーキュレータ２４
を経てハイブリッド・ティー２８に伝送されるマイクロ
波電力に変化が生じる。これが試料の電子スピン共鳴と
して検出される信号である。一方静磁場には磁場変調発
振器４６から磁場変調コイル１４に周波数ｆｍの電流が
流され、これにより分極磁場には、周波数ｆｍの磁場変
調が加えられているため、共鳴信号は、周波数ｆｍの変
調成分を含んでいる。
共鳴装置の回路構成図であり、図２および図３は図１の
電子スピン共鳴装置に使用するＴＥ０１１モード円筒空
洞共振器の詳細な構造図である。図１において、参照符
号１０は永久磁石であり、永久磁石１０がつくる固定分
極磁場内には被検試料を収容する空洞共振器１２および
磁場変調コイル１４が配置される。空洞共振器１２には
マイクロ波発振器１６から発生するマイクロ波電力がア
イソレータ１８，減衰器２０を通り、サーキュレータ２
４を介して供給される。試料中のスピンが共鳴し、供給
されているマイクロ波電力の一部が吸収されると、空洞
共振器の共振インピーダンスに変化が起こる。それに従
い空洞共振器の反射係数が変化し、サーキュレータ２４
を経てハイブリッド・ティー２８に伝送されるマイクロ
波電力に変化が生じる。これが試料の電子スピン共鳴と
して検出される信号である。一方静磁場には磁場変調発
振器４６から磁場変調コイル１４に周波数ｆｍの電流が
流され、これにより分極磁場には、周波数ｆｍの磁場変
調が加えられているため、共鳴信号は、周波数ｆｍの変
調成分を含んでいる。
【００１３】マイクロ波信号は、前記マイクロ波発振器
１６から分岐され減衰器３０，移相器３２を介してハイ
ブリッド・ティー２８に与えられる参照マイクロ波信号
と混合され、マイクロ波検波器３４，３６によって検波
される。いわゆるホモダイン検波の手法である。これら
の結果、マイクロ波検波器３４，３６の出力には周波数
ｆｍの信号成分が得られる。ここで、試料からの共鳴信
号はハイブリッド・ティー２８のＨ面に供給され、参照
マイクロ波信号は同Ｅ面に加えられるので、ホモダイン
検波後、変調信号成分は、マイクロ波検波器３４，３６
の出力端において振幅等しく、互いに逆位相の信号とし
て得られる。これらを受ける信号増幅器は差動増幅方式
を用いているので、二つの変調信号成分は加算され、増
幅され位相検波器４０に伝送される。参照マイクロ波は
同相でマイクロ波検波器３４，３６に供給され、ホモダ
イン検波後も同相の検波出力となるので、差動増幅によ
って消去され、増幅器３８を通ることはない。これは発
振器１６の振幅出力の変動など、共鳴信号には無関係の
いわゆるコモン・モード雑音を除去し、電子スピン共鳴
装置の感度向上に有用な動作を与えている。
１６から分岐され減衰器３０，移相器３２を介してハイ
ブリッド・ティー２８に与えられる参照マイクロ波信号
と混合され、マイクロ波検波器３４，３６によって検波
される。いわゆるホモダイン検波の手法である。これら
の結果、マイクロ波検波器３４，３６の出力には周波数
ｆｍの信号成分が得られる。ここで、試料からの共鳴信
号はハイブリッド・ティー２８のＨ面に供給され、参照
マイクロ波信号は同Ｅ面に加えられるので、ホモダイン
検波後、変調信号成分は、マイクロ波検波器３４，３６
の出力端において振幅等しく、互いに逆位相の信号とし
て得られる。これらを受ける信号増幅器は差動増幅方式
を用いているので、二つの変調信号成分は加算され、増
幅され位相検波器４０に伝送される。参照マイクロ波は
同相でマイクロ波検波器３４，３６に供給され、ホモダ
イン検波後も同相の検波出力となるので、差動増幅によ
って消去され、増幅器３８を通ることはない。これは発
振器１６の振幅出力の変動など、共鳴信号には無関係の
いわゆるコモン・モード雑音を除去し、電子スピン共鳴
装置の感度向上に有用な動作を与えている。
【００１４】位相検波器４０には磁場変調発振器４２か
ら出力の一部が移相器４４を通して、位相検波の参照信
号として供給されている。従って、位相検波器４０の出
力には、変調信号成分に比例し、同成分と参照信号との
位相差の余弦に比例する直流信号成分が得られ、レコー
ダまたはＡ／Ｄコンバータ等の外部出力機器に転送され
る。移相器４４は、得られる直流信号成分が最大となる
（変調信号成分と参照信号成分との位相差が零になる）
よう調整するために挿入されている。
ら出力の一部が移相器４４を通して、位相検波の参照信
号として供給されている。従って、位相検波器４０の出
力には、変調信号成分に比例し、同成分と参照信号との
位相差の余弦に比例する直流信号成分が得られ、レコー
ダまたはＡ／Ｄコンバータ等の外部出力機器に転送され
る。移相器４４は、得られる直流信号成分が最大となる
（変調信号成分と参照信号成分との位相差が零になる）
よう調整するために挿入されている。
【００１５】マイクロ波発振器電源５２、マイクロ波検
波器４６、低周波狭帯域増幅器４８、低周波発振器５
４、同移相器５６により構成される回路系は、マイクロ
波周波数ｆを空洞共振器１２の共振周波数ｆ０に等しく
保持するための自動周波数制御系（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ
Ｆｒｅｑｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ，以下ＡＦＣと略
称する）であり、動作は空洞共振器１２に関係するの
で、下記の空洞共振器の説明後に詳述する。
波器４６、低周波狭帯域増幅器４８、低周波発振器５
４、同移相器５６により構成される回路系は、マイクロ
波周波数ｆを空洞共振器１２の共振周波数ｆ０に等しく
保持するための自動周波数制御系（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ
Ｆｒｅｑｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ，以下ＡＦＣと略
称する）であり、動作は空洞共振器１２に関係するの
で、下記の空洞共振器の説明後に詳述する。
【００１６】ここで、本発明に係る電子スピン共鳴装置
に使用するＴＥ０１１モード円筒空洞共振器１２は、図
２および図３に示すように構成されている。なお、図２
は平面図、図３は側面図であり、それぞれ右半分を断面
図で示す。すなわち、空洞共振器１２は、円筒１２０の
軸方向の中心の上部に試料管挿入孔１２１を有する半固
定端板１２２、下部に可動端板６０が取付けられる。円
筒１２０および両端板の内面には導電性薄膜１２３が形
成され、さらに円筒１２０の軸方向に垂直に一対の磁場
変調コイル１４，１４が配置される。ここでは、Ｘバン
ドＴＥ０１１モード円筒空洞共振器の例であり、直径約
４２ｍｍの円筒１２０が貫通している。空洞本体１２４
は両端の空洞抑え１２５，１２５を空洞組立てネジ１２
６，１２６により固定され、円筒１２０には結合孔１２
７を介して導波管１２８が接続される。円筒１２０の下
端の可動端板６０には微動するためのネジ６２が刻まれ
ている。さらに、この可動端板６０には端板駆動歯車６
４が設けられる。可動端板６０の空洞内面にあたる部分
の直径は空洞円筒１２０の内径よりも幾分小さく、図３
に示すようにいわゆるλ／４チョーク構造６６となって
いる。この構造を備えることにより、可動端板６０は円
筒内壁と機械的に接触することなく、マイクロ波的には
良好な接触を保っているので、空洞共振器のＱを高く保
持したまま共振周波数を変化することができる。しかも
この処置によって、ＴＥ００１モードにおいて縮退しや
すいＴＭ１１１モードの発生が防止できることはよく知
られている。なお、空洞本体１２０は低膨脹係数の石英
ガラスで作られているが、本体材料はこれに限らず、低
膨脹係数セラミックスまたは高分子材料でも良い。空洞
共振器１２は、これら材料の直方体ブロックにマイクロ
波の周波数と使用モードに適合する空洞が穿たれてい
る。
に使用するＴＥ０１１モード円筒空洞共振器１２は、図
２および図３に示すように構成されている。なお、図２
は平面図、図３は側面図であり、それぞれ右半分を断面
図で示す。すなわち、空洞共振器１２は、円筒１２０の
軸方向の中心の上部に試料管挿入孔１２１を有する半固
定端板１２２、下部に可動端板６０が取付けられる。円
筒１２０および両端板の内面には導電性薄膜１２３が形
成され、さらに円筒１２０の軸方向に垂直に一対の磁場
変調コイル１４，１４が配置される。ここでは、Ｘバン
ドＴＥ０１１モード円筒空洞共振器の例であり、直径約
４２ｍｍの円筒１２０が貫通している。空洞本体１２４
は両端の空洞抑え１２５，１２５を空洞組立てネジ１２
６，１２６により固定され、円筒１２０には結合孔１２
７を介して導波管１２８が接続される。円筒１２０の下
端の可動端板６０には微動するためのネジ６２が刻まれ
ている。さらに、この可動端板６０には端板駆動歯車６
４が設けられる。可動端板６０の空洞内面にあたる部分
の直径は空洞円筒１２０の内径よりも幾分小さく、図３
に示すようにいわゆるλ／４チョーク構造６６となって
いる。この構造を備えることにより、可動端板６０は円
筒内壁と機械的に接触することなく、マイクロ波的には
良好な接触を保っているので、空洞共振器のＱを高く保
持したまま共振周波数を変化することができる。しかも
この処置によって、ＴＥ００１モードにおいて縮退しや
すいＴＭ１１１モードの発生が防止できることはよく知
られている。なお、空洞本体１２０は低膨脹係数の石英
ガラスで作られているが、本体材料はこれに限らず、低
膨脹係数セラミックスまたは高分子材料でも良い。空洞
共振器１２は、これら材料の直方体ブロックにマイクロ
波の周波数と使用モードに適合する空洞が穿たれてい
る。
【００１７】この円筒型ＴＥ０１１モード空洞共振器１
２の共振周波数ｆ０は、周知のように次式により与えら
れる。
２の共振周波数ｆ０は、周知のように次式により与えら
れる。
【００１８】
【数１】 ここで、ｃは光速度、Ｄ、Ｌはそれぞれ空洞共振器１２
の直径、軸長である。
の直径、軸長である。
【００１９】数１式から、直径Ｄを一定として軸長Ｌを
変化すれば、共振周波数の変化分が軸長Ｌに対しほぼ反
比例に近い関係で変化することとなる。
変化すれば、共振周波数の変化分が軸長Ｌに対しほぼ反
比例に近い関係で変化することとなる。
【００２０】なお、可動端板６０の端板駆動機構５８と
しては、図２および図３に示すように、可動端板６０の
λ／４チョーク構造６６の背後にネジを刻み、図示しな
いパルスモータ等により、端板駆動歯車６４を介して可
動端板６０を回転させ空洞内壁に沿って移動できるよう
にしてもよいが、別の手段として、可動端板６０と空洞
共振器内壁との間隙に周知のエアベアリング機構を設け
て、可動端板６０を滑らかに移動するよう構成してもよ
い。勿論、その他本発明の目的に適合するような端板移
動機構を用いることができることはいうまでもない。
しては、図２および図３に示すように、可動端板６０の
λ／４チョーク構造６６の背後にネジを刻み、図示しな
いパルスモータ等により、端板駆動歯車６４を介して可
動端板６０を回転させ空洞内壁に沿って移動できるよう
にしてもよいが、別の手段として、可動端板６０と空洞
共振器内壁との間隙に周知のエアベアリング機構を設け
て、可動端板６０を滑らかに移動するよう構成してもよ
い。勿論、その他本発明の目的に適合するような端板移
動機構を用いることができることはいうまでもない。
【００２１】このような空洞共振器１２および端板駆動
機構５８を備えた図１に示す回路構成の電子スピン共鳴
装置において、マイクロ波周波数ｆを、掃引変化する共
振周波数ｆ０に常に一致するよう追随させる自動周波数
制御機構（ＡＦＣ）について説明する。
機構５８を備えた図１に示す回路構成の電子スピン共鳴
装置において、マイクロ波周波数ｆを、掃引変化する共
振周波数ｆ０に常に一致するよう追随させる自動周波数
制御機構（ＡＦＣ）について説明する。
【００２２】マイクロ波発振器１６にはマイクロ波発振
器電源５２から動作電圧と周波数制御信号とが与えられ
ている。この周波数制御信号に、低周波発振器５４から
小さな正弦波（周波数ｆａ）を重畳させるとマイクロ波
発振器１６からは該低周波で周波数変調されたマイクロ
波が出力される。従って、空洞共振器に設けられたルー
プから取り出され、検波器４６へ入力されるマイクロ波
は、図５の（Ａ）に示すように空洞共振器の特性に従
い、周波数ｆａの振幅変調を受ける。ここで、ｆはマイ
クロ波周波数、ｆ０は空洞共振器の共振周波数であり、
ｆａはマイクロ波を周波数変調している低周波数であ
る。
器電源５２から動作電圧と周波数制御信号とが与えられ
ている。この周波数制御信号に、低周波発振器５４から
小さな正弦波（周波数ｆａ）を重畳させるとマイクロ波
発振器１６からは該低周波で周波数変調されたマイクロ
波が出力される。従って、空洞共振器に設けられたルー
プから取り出され、検波器４６へ入力されるマイクロ波
は、図５の（Ａ）に示すように空洞共振器の特性に従
い、周波数ｆａの振幅変調を受ける。ここで、ｆはマイ
クロ波周波数、ｆ０は空洞共振器の共振周波数であり、
ｆａはマイクロ波を周波数変調している低周波数であ
る。
【００２３】いま、ｆ＝ｆ０の場合は、マイクロ波は図
５の（Ａ）に示されるように周波数２・ｆａの振幅変調
を受ける。従って、マイクロ波検波器４６によるマイク
ロ波検波後に低周波出力として、周波数２・ｆａの信号
が得られ、周波数ｆａの成分はない。マイクロ波周波数
ｆが共振周波数ｆ０に等しくない場合は、ｆ＜ｆ０又は
ｆ＞ｆ０に従って、周波数ｆａの出力が位相検波器５０
への参照信号に対して同位相または逆位相で得られ、共
振周波数ｆ０の近傍では、その振幅はｆとｆ０との差に
ほぼ比例する。この周波数成分は中心周波数ｆａの狭帯
域増幅器４８で増幅された後、位相検波器５０に伝送さ
れる。位相検波器５０には発振器５４から、周波数ｆａ
の参照信号が加えられている。従って、位相検波器５０
の出力は、ｆ＝ｆ０では零であり、マイクロ波周波数ｆ
が共振周波数ｆ０に等しくない場合は、ｆ＜ｆ０または
ｆ＞ｆ０に従って、正または負の直流出力が図５の
（Ｂ）のように得られる。これをマイクロ波周波数ｆの
共振周波数ｆ０に対する離調の程度を示す誤差信号とし
てマイクロ波発振器電源５２に負帰還すれば、マイクロ
波発振器１６への制御信号を介して、マイクロ波周波数
ｆを常に共振周波数ｆ０に等しくなるよう制御すること
ができる。なお移相器５６は、図５の（Ｂ）の直流信号
が最大になるよう検波器４６の出力と位相検波器５０へ
の参照信号との位相差を零に調整するものである。以上
は、当業者にはよく知られたいわゆるＡＦＣ回路の動作
である。本発明においてもマイクロ波周波数の自動制御
に同様の手法を応用するが、従来のＡＦＣが制御の目標
値を固定した空洞共振器の共振周波数におく定値制御で
あるのに対して、変化してゆく共振周波数を目標値とし
て、マイクロ波発振周波数をそれに追随させるいわゆる
追値制御が要請されるという相違がある。すなわち、図
には明示されていないが、制御オフセットを消去するに
は、制御要素は二次の積分要素を含む追値制御系が必要
となる。
５の（Ａ）に示されるように周波数２・ｆａの振幅変調
を受ける。従って、マイクロ波検波器４６によるマイク
ロ波検波後に低周波出力として、周波数２・ｆａの信号
が得られ、周波数ｆａの成分はない。マイクロ波周波数
ｆが共振周波数ｆ０に等しくない場合は、ｆ＜ｆ０又は
ｆ＞ｆ０に従って、周波数ｆａの出力が位相検波器５０
への参照信号に対して同位相または逆位相で得られ、共
振周波数ｆ０の近傍では、その振幅はｆとｆ０との差に
ほぼ比例する。この周波数成分は中心周波数ｆａの狭帯
域増幅器４８で増幅された後、位相検波器５０に伝送さ
れる。位相検波器５０には発振器５４から、周波数ｆａ
の参照信号が加えられている。従って、位相検波器５０
の出力は、ｆ＝ｆ０では零であり、マイクロ波周波数ｆ
が共振周波数ｆ０に等しくない場合は、ｆ＜ｆ０または
ｆ＞ｆ０に従って、正または負の直流出力が図５の
（Ｂ）のように得られる。これをマイクロ波周波数ｆの
共振周波数ｆ０に対する離調の程度を示す誤差信号とし
てマイクロ波発振器電源５２に負帰還すれば、マイクロ
波発振器１６への制御信号を介して、マイクロ波周波数
ｆを常に共振周波数ｆ０に等しくなるよう制御すること
ができる。なお移相器５６は、図５の（Ｂ）の直流信号
が最大になるよう検波器４６の出力と位相検波器５０へ
の参照信号との位相差を零に調整するものである。以上
は、当業者にはよく知られたいわゆるＡＦＣ回路の動作
である。本発明においてもマイクロ波周波数の自動制御
に同様の手法を応用するが、従来のＡＦＣが制御の目標
値を固定した空洞共振器の共振周波数におく定値制御で
あるのに対して、変化してゆく共振周波数を目標値とし
て、マイクロ波発振周波数をそれに追随させるいわゆる
追値制御が要請されるという相違がある。すなわち、図
には明示されていないが、制御オフセットを消去するに
は、制御要素は二次の積分要素を含む追値制御系が必要
となる。
【００２４】図４は別の実施例を示す電子スピン共鳴装
置の回路構成図である。尚、説明の便宜上、図１に示し
た構成部分と同一の構成部分については同一の参照符号
を付し、その詳細な説明は省略する。すなわち、図４の
構成では掃引電圧発生器６８の出力がマイクロ波発振器
電源５２に、ＡＦＣのための低周波発振器５４の一方の
出力が移相器７０を経て位相検波器５０に、位相検波器
５０の出力が端板駆動機構５８にそれぞれ供給するよう
構成される点が相違している。
置の回路構成図である。尚、説明の便宜上、図１に示し
た構成部分と同一の構成部分については同一の参照符号
を付し、その詳細な説明は省略する。すなわち、図４の
構成では掃引電圧発生器６８の出力がマイクロ波発振器
電源５２に、ＡＦＣのための低周波発振器５４の一方の
出力が移相器７０を経て位相検波器５０に、位相検波器
５０の出力が端板駆動機構５８にそれぞれ供給するよう
構成される点が相違している。
【００２５】この実施例の場合、マイクロ波周波数ｆを
掃引電圧発生器６８により掃引し、検波器４６で検波し
て得られるマイクロ波周波数ｆと共振周波数ｆ０との誤
差信号ｆ−ｆ０を、低周波増幅器４８により増幅後、位
相検波器５０を介して端板駆動機構５８に負帰還し、誤
差信号ｆ−ｆ０が零となる条件を保持するよう端板駆動
機構５８によって空洞共振器１２の共振周波数ｆ０を変
化追随させるものである。
掃引電圧発生器６８により掃引し、検波器４６で検波し
て得られるマイクロ波周波数ｆと共振周波数ｆ０との誤
差信号ｆ−ｆ０を、低周波増幅器４８により増幅後、位
相検波器５０を介して端板駆動機構５８に負帰還し、誤
差信号ｆ−ｆ０が零となる条件を保持するよう端板駆動
機構５８によって空洞共振器１２の共振周波数ｆ０を変
化追随させるものである。
【００２６】
【発明の効果】前述した実施例から明らかなように、本
発明によれば、周波数可変マイクロ波発振器を用い、そ
の発振周波数を共振周波数可変型空洞共振器の共振周波
数に追随するよう制御することにより、マイクロ波周波
数の広域掃引を可能にし、分極磁場を固定したまま必要
範囲にわたる広い周波数範囲で電子スピン共鳴の測定を
可能にした。
発明によれば、周波数可変マイクロ波発振器を用い、そ
の発振周波数を共振周波数可変型空洞共振器の共振周波
数に追随するよう制御することにより、マイクロ波周波
数の広域掃引を可能にし、分極磁場を固定したまま必要
範囲にわたる広い周波数範囲で電子スピン共鳴の測定を
可能にした。
【００２７】またこれにより、分極磁場として永久磁石
の有効な適用を可能とし、所要電力の大幅な節減、給水
設備の不要等大きな効果をあげることができる。
の有効な適用を可能とし、所要電力の大幅な節減、給水
設備の不要等大きな効果をあげることができる。
【００２８】さらに、スペクトルは直接周波数すなわち
エネルギに対応する量として測定されるので以後の解析
が直接的となり、より容易となる等もたらされる効果は
大きい。
エネルギに対応する量として測定されるので以後の解析
が直接的となり、より容易となる等もたらされる効果は
大きい。
【００２９】以上、本発明の好適な実施例について円筒
型ＴＥ０１１モード空洞共振器を例として説明したが、
一般に円筒型ＴＥ０１ｎモード空洞共振器（ｎは整数）
に対しても全く同様の手法を用いることができ、本発明
は前記実施例に限定されることなく、本発明の精神を逸
脱しない範囲内において種々の設計変更をなし得ること
は勿論である。
型ＴＥ０１１モード空洞共振器を例として説明したが、
一般に円筒型ＴＥ０１ｎモード空洞共振器（ｎは整数）
に対しても全く同様の手法を用いることができ、本発明
は前記実施例に限定されることなく、本発明の精神を逸
脱しない範囲内において種々の設計変更をなし得ること
は勿論である。
【図１】本発明に係る電子スピン共鳴装置の一実施例を
示す回路構成図である。
示す回路構成図である。
【図２】図１の電子スピン共鳴装置に使用するＴＥ
０１１モード円筒空洞共振器の詳細構造の平面図であ
る。
０１１モード円筒空洞共振器の詳細構造の平面図であ
る。
【図３】図１の電子スピン共鳴装置に使用するＴＥ
０１１モード円筒空洞共振器の詳細構造の側面図であ
る。
０１１モード円筒空洞共振器の詳細構造の側面図であ
る。
【図４】本発明に係る電子スピン共鳴装置の別の実施例
を示す回路構成図である。
を示す回路構成図である。
【図５】本発明に係る電子スピン共鳴装置で使用する自
動周波数制御法を説明するための説明図である。
動周波数制御法を説明するための説明図である。
１０ 永久磁石 １２ 空洞共
振器 １４ 磁場変調コイル １６ マイク
ロ波発振器 １８ アイソレータ ２０ 減衰器 ２４ サーキュレータ ２８ ハイブ
リッド・ティー ３０ 減衰器 ３２ 移相器 ３４ マイクロ波検波器 ３６ マイク
ロ波検波器 ３８ 信号増幅器 ４０ 位相検
波器 ４２ 磁場変調発振器 ４４ 移相器 ４６ ＡＦＣ検波器 ４８ 低周波
増幅器 ５０ 位相検波器 ５２ マイク
ロ波発振器電源 ５４ 低周波発振器 ５６ 移相器 ５８ 端板駆動機構 ６０ 可動端
板 ６２ ネジ ６４ 端板駆
動歯車 ６６ λ／４チョーク構造 ６８ 掃引電
圧発生器 ７０ 移相器 １２０ 円筒 １２１ 試料管
挿入孔 １２２ 半固定端板 １２３ 導電性
薄膜 １２４ 空洞本体 １２５ 空洞抑
え １２６ 空洞組立てネジ １２７ 結合孔 １２８ 導波管
振器 １４ 磁場変調コイル １６ マイク
ロ波発振器 １８ アイソレータ ２０ 減衰器 ２４ サーキュレータ ２８ ハイブ
リッド・ティー ３０ 減衰器 ３２ 移相器 ３４ マイクロ波検波器 ３６ マイク
ロ波検波器 ３８ 信号増幅器 ４０ 位相検
波器 ４２ 磁場変調発振器 ４４ 移相器 ４６ ＡＦＣ検波器 ４８ 低周波
増幅器 ５０ 位相検波器 ５２ マイク
ロ波発振器電源 ５４ 低周波発振器 ５６ 移相器 ５８ 端板駆動機構 ６０ 可動端
板 ６２ ネジ ６４ 端板駆
動歯車 ６６ λ／４チョーク構造 ６８ 掃引電
圧発生器 ７０ 移相器 １２０ 円筒 １２１ 試料管
挿入孔 １２２ 半固定端板 １２３ 導電性
薄膜 １２４ 空洞本体 １２５ 空洞抑
え １２６ 空洞組立てネジ １２７ 結合孔 １２８ 導波管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中川 和雄 東京都渋谷区恵比寿３丁目43番２号 日 機装株式会社内 (72)発明者 常田 誠 東京都渋谷区恵比寿３丁目43番２号 日 機装株式会社内 (72)発明者 糠信 敦司 東京都渋谷区恵比寿３丁目43番２号 日 機装株式会社内 (56)参考文献 特開 昭47−45685（ＪＰ，Ａ) 後藤良造、丸山和博，ＥＳＲの使い 方，日本，共立出版株式会社，1972年１ 月25日，初版４刷，ｐ．21−31 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 24/00 - 24/14 G01R 33/20 - 33/64
Claims (2)
- 【請求項１】 固定分極磁場内に配置されて測定試料の
電子スピン共鳴信号を検出する空洞共振器を備える電子
スピン共鳴装置において、前記空洞共振器の共振周波数
を必要範囲で変化させてこの共振周波数の変化によって
発生する空洞共振器に対する印加マイクロ波周波数と共
振周波数との差を誤差信号として検出するとともに検出
誤差信号を増幅し前記誤差信号をマイクロ波発振器に負
帰還してマイクロ波周波数を制御することにより前記誤
差信号を零にするよう共振周波数に追随させる自動周波
数制御手段とからなることを特徴とする電子スピン共鳴
装置。 - 【請求項２】 固定分極磁場内に配置されて測定試料の
電子スピン共鳴信号を検出する空洞共振器と、前記空洞
共振器に印加するマイクロ波の周波数を掃引することに
よりこの印加マイクロ波の周波数掃引によって発生する
空洞共振器の共振周波数と印加マイクロ波周波数との差
を誤差信号として検出するとともに検出誤差信号を増幅
し前記誤差信号を空洞共振器に負帰還して前記誤差信号
を零にするよう空洞共振器の共振周波数を制御すること
によりマイクロ波発振器からマイクロ波周波数に追随さ
せる自動周波数制御手段とから構成される電子スピン共
鳴装置。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32295791A JP3281007B2 (ja) | 1991-12-06 | 1991-12-06 | 電子スピン共鳴装置 |
| KR1019920023048A KR100218173B1 (ko) | 1991-12-06 | 1992-12-02 | 전자스핀공명장치 |
| EP92924878A EP0570592B1 (en) | 1991-12-06 | 1992-12-04 | Electron spin resonator |
| PCT/JP1992/001587 WO1993011425A1 (en) | 1991-12-06 | 1992-12-04 | Electron spin resonator |
| US08/098,324 US5465047A (en) | 1991-12-06 | 1992-12-04 | Electron spin resonator having variable resonance frequency and error detecting automatic frequency control |
| DE69232151T DE69232151T2 (de) | 1991-12-06 | 1992-12-04 | Resonator für elektron-spins |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32295791A JP3281007B2 (ja) | 1991-12-06 | 1991-12-06 | 電子スピン共鳴装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05157821A JPH05157821A (ja) | 1993-06-25 |
| JP3281007B2 true JP3281007B2 (ja) | 2002-05-13 |
Family
ID=18149534
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32295791A Expired - Lifetime JP3281007B2 (ja) | 1991-12-06 | 1991-12-06 | 電子スピン共鳴装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5465047A (ja) |
| EP (1) | EP0570592B1 (ja) |
| JP (1) | JP3281007B2 (ja) |
| KR (1) | KR100218173B1 (ja) |
| DE (1) | DE69232151T2 (ja) |
| WO (1) | WO1993011425A1 (ja) |
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| US5528146A (en) * | 1995-01-31 | 1996-06-18 | The University Of Washington | Method and apparatus for detecting electron spin transitions in zero field |
| US6646386B1 (en) * | 1999-07-20 | 2003-11-11 | Tokyo Electron Limited | Stabilized oscillator circuit for plasma density measurement |
| DE10011163A1 (de) * | 2000-02-28 | 2001-09-13 | Ew Handels & Consulting Gmbh | Verfahren zur Diagnose und/oder Überwachung physiologischer oder pathologischer Veränderungen im menschlichen oder tierischen Körper und ESR-Spektrometer zur Durchführung des Verfahrens |
| US6472874B1 (en) * | 2000-09-01 | 2002-10-29 | Council Of Scientific And Industrial Research | EPR imaging device using microwave bridge translator |
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| US7268549B2 (en) * | 2003-09-18 | 2007-09-11 | Electroplated Metal Solutions | Magnetic resonance spectrometer |
| US7034266B1 (en) | 2005-04-27 | 2006-04-25 | Kimberly-Clark Worldwide, Inc. | Tunable microwave apparatus |
| JP4791128B2 (ja) * | 2005-10-03 | 2011-10-12 | 株式会社 Ｊｅｏｌ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ | Ｅｓｒ装置 |
| US7868616B2 (en) * | 2006-10-31 | 2011-01-11 | Active Spectrum, Inc. | Method of and apparatus for in-situ measurement of changes in fluid composition by electron spin resonance (ESR) spectrometry |
| US8212563B2 (en) | 2006-10-31 | 2012-07-03 | Active Spectrum, Inc. | Method and apparatus for in-situ measurement of soot by electron spin resonance (ESR) spectrometry |
| DE102006056064A1 (de) * | 2006-11-21 | 2008-05-29 | Bruker Biospin Gmbh | Probenkopf zum Messen magnetischer Resonanz |
| US8779766B2 (en) * | 2008-10-06 | 2014-07-15 | University Of Tsukuba | Electron spin measurement device and measurement method |
| JP5434492B2 (ja) * | 2009-11-09 | 2014-03-05 | 国立大学法人 大分大学 | 電磁ホーン型電子スピン共鳴装置 |
| CN102200557A (zh) * | 2011-01-27 | 2011-09-28 | 航天东方红卫星有限公司 | 一种强信号下的噪声测量装置 |
| JP5890129B2 (ja) * | 2011-09-07 | 2016-03-22 | 株式会社 Ｊｅｏｌ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ | パルスｅｓｒ装置 |
| JP6454241B2 (ja) * | 2014-10-06 | 2019-01-16 | 日本電子株式会社 | 電子スピン共鳴装置 |
| JP2023022435A (ja) * | 2021-08-03 | 2023-02-15 | スミダコーポレーション株式会社 | 測定装置および測定方法 |
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1991
- 1991-12-06 JP JP32295791A patent/JP3281007B2/ja not_active Expired - Lifetime
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1992
- 1992-12-02 KR KR1019920023048A patent/KR100218173B1/ko not_active IP Right Cessation
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| EP0570592B1 (en) | 2001-10-24 |
| DE69232151D1 (de) | 2001-11-29 |
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| JPH05157821A (ja) | 1993-06-25 |
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