JP3322688B2 - 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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Classifications
-
- 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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- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、電子スピン共鳴装置
に係り、特に電子スピン共鳴装置の感度の向上を図るた
めに電子スピン共鳴検出用マイクロ波回路の改良を行っ
た電子スピン共鳴装置に関する。
に係り、特に電子スピン共鳴装置の感度の向上を図るた
めに電子スピン共鳴検出用マイクロ波回路の改良を行っ
た電子スピン共鳴装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図５は、従来の電子スピン共鳴装置に使
用されているマイクロ波回路の一構成例を示すものであ
る。すなわち、図５に示す電子スピン共鳴装置おいて、
マイクロ波電力は、マイクロ波発振器電源１０により付
勢されるガン発振器１２により供給され、単向管１４、
方向性結合器１６を経て、抵抗減衰器１８において、試
料Ｓの共鳴条件に適合する電力量に調整される。このよ
うに所要の電力量に調整されたマイクロ波電力は、サー
キュレータ２０から空洞共振器２２内の測定試料Ｓに加
えられる。測定試料Ｓは、空洞共振器２２内のマイクロ
波磁界に沿って配置され、分極磁場Ｂｏが、マグネット
２４，２４によってマイクロ波磁界に直交するように印
加される。
用されているマイクロ波回路の一構成例を示すものであ
る。すなわち、図５に示す電子スピン共鳴装置おいて、
マイクロ波電力は、マイクロ波発振器電源１０により付
勢されるガン発振器１２により供給され、単向管１４、
方向性結合器１６を経て、抵抗減衰器１８において、試
料Ｓの共鳴条件に適合する電力量に調整される。このよ
うに所要の電力量に調整されたマイクロ波電力は、サー
キュレータ２０から空洞共振器２２内の測定試料Ｓに加
えられる。測定試料Ｓは、空洞共振器２２内のマイクロ
波磁界に沿って配置され、分極磁場Ｂｏが、マグネット
２４，２４によってマイクロ波磁界に直交するように印
加される。
【０００３】この場合、試料Ｓの測定に際し、分極磁場
Ｂｏが掃引されて、次の共鳴条件、 ｈν＝ｇβＢｏ （１） ｈ：プランクの定数 ν：共鳴周波数 ｇ：ランデのｇ因子（試料により定まる定数） β：ボーア磁子 を満たす値で試料Ｓが共鳴して、共鳴信号が空洞共振器
から反射出力される。
Ｂｏが掃引されて、次の共鳴条件、 ｈν＝ｇβＢｏ （１） ｈ：プランクの定数 ν：共鳴周波数 ｇ：ランデのｇ因子（試料により定まる定数） β：ボーア磁子 を満たす値で試料Ｓが共鳴して、共鳴信号が空洞共振器
から反射出力される。
【０００４】そこで、この共鳴信号は、サーキュレータ
２０を通り、マジック・ティ２６のＥ分岐から平衡分岐
の両端に配置された２個のクリスタル検波器２８，３０
に等振幅、逆位相で与えられる。マジック・ティ２６の
Ｈ分岐には、方向性結合器１６の分岐からマイクロ波電
力の一部が、いわゆるホモダイン検波の参照信号として
供給されており、従って前記共鳴信号はこの参照信号と
混合された上で検波される。なお、図５において、参照
符号３２は移相器、３４，３６はそれぞれ同軸導波管変
換器を示す。
２０を通り、マジック・ティ２６のＥ分岐から平衡分岐
の両端に配置された２個のクリスタル検波器２８，３０
に等振幅、逆位相で与えられる。マジック・ティ２６の
Ｈ分岐には、方向性結合器１６の分岐からマイクロ波電
力の一部が、いわゆるホモダイン検波の参照信号として
供給されており、従って前記共鳴信号はこの参照信号と
混合された上で検波される。なお、図５において、参照
符号３２は移相器、３４，３６はそれぞれ同軸導波管変
換器を示す。
【０００５】しかるに、前記マジック・ティ２６の両ク
リスタル検波器２８，３０からの検波出力は、参照信号
が同相で、また共鳴信号が逆位相でそれぞれ加えられて
いる。このため、前記各検波出力は、前置増幅器３８に
おいて、差動増幅することにより共鳴信号成分は加え合
わされ、また参照信号成分は差し引かれて消滅する。
リスタル検波器２８，３０からの検波出力は、参照信号
が同相で、また共鳴信号が逆位相でそれぞれ加えられて
いる。このため、前記各検波出力は、前置増幅器３８に
おいて、差動増幅することにより共鳴信号成分は加え合
わされ、また参照信号成分は差し引かれて消滅する。
【０００６】一方、分極磁場Ｂｏには変調周波数ｆｍに
よる磁場変調がかけられているので、前記マイクロ波検
波動作は、共鳴信号の変調周波数成分のみを前置増幅器
３８で増幅し、主増幅器（図示せず）に送出することに
なる。主増幅器では、中心周波数ｆｍの狭帯域増幅後、
前記周波数ｆｍを参照周波数とする位相検波により、直
流出力として電子スピン共鳴信号が得られる（主増幅器
のこのような作用はロックイン増幅と称することもあ
る）。
よる磁場変調がかけられているので、前記マイクロ波検
波動作は、共鳴信号の変調周波数成分のみを前置増幅器
３８で増幅し、主増幅器（図示せず）に送出することに
なる。主増幅器では、中心周波数ｆｍの狭帯域増幅後、
前記周波数ｆｍを参照周波数とする位相検波により、直
流出力として電子スピン共鳴信号が得られる（主増幅器
のこのような作用はロックイン増幅と称することもあ
る）。
【０００７】このようにして得られる電子スピン共鳴信
号の受信系の信号検出感度は、通常次のようにして求め
られる。すなわち、多段受信系の総合雑音指数Ｆは、周
知のように次式（２）で表される。
号の受信系の信号検出感度は、通常次のようにして求め
られる。すなわち、多段受信系の総合雑音指数Ｆは、周
知のように次式（２）で表される。
【０００８】
【数１】
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】前記の電子スピン共鳴
装置に使用されているマイクロ波回路の従来方式によれ
ば、空洞共振器で検出された電子スピン共鳴信号は、サ
ーキュレータ２０を経由した後、直接クリスタル検波器
２８，３０によりダイオード検波され、前置増幅器３８
に入力されている。このため、共鳴信号の検出感度は、
通常検波ダイオードの雑音指数および増幅度（増幅度＜
１で損失になる）によって定まる。
装置に使用されているマイクロ波回路の従来方式によれ
ば、空洞共振器で検出された電子スピン共鳴信号は、サ
ーキュレータ２０を経由した後、直接クリスタル検波器
２８，３０によりダイオード検波され、前置増幅器３８
に入力されている。このため、共鳴信号の検出感度は、
通常検波ダイオードの雑音指数および増幅度（増幅度＜
１で損失になる）によって定まる。
【００１０】そこで、次に、検波段においてショットキ
ーバリア・ダイオードを使用するものとし、前記共鳴信
号の検出感度につき数値例を挙げて説明する。検波器の
雑音指数および増幅度を、典型的な値を用いて、 Ｆ1 ＝６ｄＢ Ｇ1 ＝−５ｄＢ（増幅度 約０．３倍） とし、信号増幅器の雑音指数を Ｆ2 ＝４ｄＢ とすれば、受信系の雑音指数は、 Ｆ＝Ｆ1 ＋（Ｆ2 −１）／Ｇ1 ＝３．９８＋（２．５１−１）／０．３１６ ＝８．７２倍 ＝９．４ｄＢ となる。
ーバリア・ダイオードを使用するものとし、前記共鳴信
号の検出感度につき数値例を挙げて説明する。検波器の
雑音指数および増幅度を、典型的な値を用いて、 Ｆ1 ＝６ｄＢ Ｇ1 ＝−５ｄＢ（増幅度 約０．３倍） とし、信号増幅器の雑音指数を Ｆ2 ＝４ｄＢ とすれば、受信系の雑音指数は、 Ｆ＝Ｆ1 ＋（Ｆ2 −１）／Ｇ1 ＝３．９８＋（２．５１−１）／０．３１６ ＝８．７２倍 ＝９．４ｄＢ となる。
【００１１】従って、前記従来方式によれば、受信系の
雑音指数が極めて高いものとなり、共鳴信号の検出感度
が好ましくないという問題があった。
雑音指数が極めて高いものとなり、共鳴信号の検出感度
が好ましくないという問題があった。
【００１２】そこで、本発明の目的は、電子スピン共鳴
装置におけるマイクロ波回路において、共鳴信号の検波
の前段に低雑音マイクロ波増幅器を配置して、測定試料
に印加されるマイクロ波電力を平衡消去するように回路
構成することにより、空洞共振器に印加するマイクロ波
電力に拘らず、共鳴信号のみを線形増幅して感度の向上
を容易に達成することができる電子スピン共鳴装置を提
供することにある。
装置におけるマイクロ波回路において、共鳴信号の検波
の前段に低雑音マイクロ波増幅器を配置して、測定試料
に印加されるマイクロ波電力を平衡消去するように回路
構成することにより、空洞共振器に印加するマイクロ波
電力に拘らず、共鳴信号のみを線形増幅して感度の向上
を容易に達成することができる電子スピン共鳴装置を提
供することにある。
【００１３】
【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、測定試料を分極磁場内に置かれた空洞共振
器内に配置して測定試料に所要のマイクロ波電力を供給
し、前記空洞共振器において得られる測定試料の共鳴信
号を検波して、前記測定試料の電子スピン共鳴信号を検
出するよう構成した電子スピン共鳴装置において、空洞
共振器から得られる共鳴信号のマイクロ波検波回路の前
段にマイクロ波信号増幅器を配置すると共に、該増幅器
の入力端マイクロ波発振器の出力の一部を加えて前記空
洞共振器からのマイクロ波反射電力を平衡消去する手段
と、さらにマイクロ波検波器のバイアス電圧を保持する
一定のマイクロ波電力を検波器に供給する手段と、を備
えることを特徴とする。
共鳴装置は、測定試料を分極磁場内に置かれた空洞共振
器内に配置して測定試料に所要のマイクロ波電力を供給
し、前記空洞共振器において得られる測定試料の共鳴信
号を検波して、前記測定試料の電子スピン共鳴信号を検
出するよう構成した電子スピン共鳴装置において、空洞
共振器から得られる共鳴信号のマイクロ波検波回路の前
段にマイクロ波信号増幅器を配置すると共に、該増幅器
の入力端マイクロ波発振器の出力の一部を加えて前記空
洞共振器からのマイクロ波反射電力を平衡消去する手段
と、さらにマイクロ波検波器のバイアス電圧を保持する
一定のマイクロ波電力を検波器に供給する手段と、を備
えることを特徴とする。
【００１４】前記の本発明に係る電子スピン共鳴装置
は、測定試料を分極磁場内に置かれた空洞共振器内に配
置して測定試料に所要のマイクロ波電力を供給し、前記
空洞共振器において得られる測定試料の共鳴信号を検波
して、前記測定試料の電子スピン共鳴信号を検出するよ
う構成した電子スピン共鳴装置において、マイクロ波検
波回路の前段にマイクロ波信号増幅器を配置し、空洞共
振器をマイクロ波ブリッジの一辺に配置して、共鳴信号
に重畳するマイクロ波を平衡消去する手段と、さらにマ
イクロ波検波器のバイアス電圧を保持する一定のマイク
ロ波電力を検波器に供給する手段と、を備えることも可
能である。
は、測定試料を分極磁場内に置かれた空洞共振器内に配
置して測定試料に所要のマイクロ波電力を供給し、前記
空洞共振器において得られる測定試料の共鳴信号を検波
して、前記測定試料の電子スピン共鳴信号を検出するよ
う構成した電子スピン共鳴装置において、マイクロ波検
波回路の前段にマイクロ波信号増幅器を配置し、空洞共
振器をマイクロ波ブリッジの一辺に配置して、共鳴信号
に重畳するマイクロ波を平衡消去する手段と、さらにマ
イクロ波検波器のバイアス電圧を保持する一定のマイク
ロ波電力を検波器に供給する手段と、を備えることも可
能である。
【００１５】
【００１６】さらに、前記各電子スピン共鳴装置におい
て、空洞共振器の前段に可変抵抗減衰器およびマイクロ
波電力増幅器を配置して空洞共振器からの反射マイクロ
波電力を平衡消去するための回路を設ければ好適であ
る。
て、空洞共振器の前段に可変抵抗減衰器およびマイクロ
波電力増幅器を配置して空洞共振器からの反射マイクロ
波電力を平衡消去するための回路を設ければ好適であ
る。
【００１７】
【作用】本発明に係る電子スピン共鳴装置によれば、空
洞共振器から得られる共鳴信号のマイクロ波検波回路の
前段に、マイクロ波信号増幅器を配置して前記空洞共振
器からのマイクロ波反射電力を平衡消去することによ
り、共鳴信号の受信系の雑音指数を十分低下させて電子
スピン共鳴信号の検出感度を容易に向上することができ
る。
洞共振器から得られる共鳴信号のマイクロ波検波回路の
前段に、マイクロ波信号増幅器を配置して前記空洞共振
器からのマイクロ波反射電力を平衡消去することによ
り、共鳴信号の受信系の雑音指数を十分低下させて電子
スピン共鳴信号の検出感度を容易に向上することができ
る。
【００１８】また、空洞共振器をマイクロ波ブリッジの
一辺に配置して、共鳴信号に重畳するマイクロ波を平衡
消去したり、あるいは空洞共振器への入力および空洞共
振器からの出力を交互に開閉するスイッチ回路を設け、
共鳴信号のみを増幅するようにしても、電子スピン共鳴
信号の検出感度の向上に寄与する。
一辺に配置して、共鳴信号に重畳するマイクロ波を平衡
消去したり、あるいは空洞共振器への入力および空洞共
振器からの出力を交互に開閉するスイッチ回路を設け、
共鳴信号のみを増幅するようにしても、電子スピン共鳴
信号の検出感度の向上に寄与する。
【００１９】さらに、空洞共振器の前段に可変抵抗減衰
器およびマイクロ波電力増幅器を配置して、これらを適
宜調整することにより、空洞共振器からの反射マイクロ
波電力の平衡消去を一層有効に達成することができる。
器およびマイクロ波電力増幅器を配置して、これらを適
宜調整することにより、空洞共振器からの反射マイクロ
波電力の平衡消去を一層有効に達成することができる。
【００２０】
【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。なお、説明の便宜上、図５に示す従来の電子スピン
共鳴装置のマイクロ波回路の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て、その詳細な説明
は省略する。
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。なお、説明の便宜上、図５に示す従来の電子スピン
共鳴装置のマイクロ波回路の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て、その詳細な説明
は省略する。
【００２１】図１は、本発明に係る電子スピン共鳴装置
の一実施例を示すマイクロ波回路図である。図１におい
て、空洞共振器２２に加えられるマイクロ波電力は、ガ
ン発振器１２より供給され、単向管１４および方向性結
合器Ｉ１６を経て可変抵抗減衰器Ｉ４０において試料の
共鳴条件に適合する電力量に調整される。この場合、前
記可変抵抗減衰器Ｉ４０を経たマイクロ波電力は、マイ
クロ波電力増幅器４２を介してマジック・ティ４４から
空洞共振器２２内の測定試料Ｓに加えられる。
の一実施例を示すマイクロ波回路図である。図１におい
て、空洞共振器２２に加えられるマイクロ波電力は、ガ
ン発振器１２より供給され、単向管１４および方向性結
合器Ｉ１６を経て可変抵抗減衰器Ｉ４０において試料の
共鳴条件に適合する電力量に調整される。この場合、前
記可変抵抗減衰器Ｉ４０を経たマイクロ波電力は、マイ
クロ波電力増幅器４２を介してマジック・ティ４４から
空洞共振器２２内の測定試料Ｓに加えられる。
【００２２】次いで、空洞共振器２２から反射出力され
る共鳴信号は、マジック・ティ４４よりマイクロ波信号
増幅器４６を介してマジック・ティ２６に供給されるよ
う構成する。この場合、マイクロ波信号増幅器４６とし
ては、これを構成する素子として、現在ＧａＡｓ ＦＥ
Ｔ，ＨＥＭＴ等の低価格で、信頼性の高い素子を使用す
ることができるが、その多くは広帯域で雑音指数が必ず
しも低くない難点がある。そこで、例えば前記マイクロ
波信号増幅器４６の入力端と出力端との間に、λ／４終
端短絡線路を並列に接続配置する等帯域濾波器を挿入配
置して、マイクロ波信号増幅器４６の増幅帯域幅を制限
して、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を向上させることがで
きる。なお、狭帯域、低雑音指数の高価な半導体マイク
ロ波信号増幅器の使用も可能であり、この場合には、λ
／４終端短絡線路のような狭帯域濾波器を設ける必要は
ない。
る共鳴信号は、マジック・ティ４４よりマイクロ波信号
増幅器４６を介してマジック・ティ２６に供給されるよ
う構成する。この場合、マイクロ波信号増幅器４６とし
ては、これを構成する素子として、現在ＧａＡｓ ＦＥ
Ｔ，ＨＥＭＴ等の低価格で、信頼性の高い素子を使用す
ることができるが、その多くは広帯域で雑音指数が必ず
しも低くない難点がある。そこで、例えば前記マイクロ
波信号増幅器４６の入力端と出力端との間に、λ／４終
端短絡線路を並列に接続配置する等帯域濾波器を挿入配
置して、マイクロ波信号増幅器４６の増幅帯域幅を制限
して、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を向上させることがで
きる。なお、狭帯域、低雑音指数の高価な半導体マイク
ロ波信号増幅器の使用も可能であり、この場合には、λ
／４終端短絡線路のような狭帯域濾波器を設ける必要は
ない。
【００２３】また、本実施例においては、マジック・テ
ィ２６のＨ分岐に対し共鳴信号と混合される参照信号
を、方向性結合器Ｉ１６より分岐されるマイクロ波電力
の一部を可変抵抗減衰器II４８および移相器Ｉ５０を介
して供給するよう回路構成する。
ィ２６のＨ分岐に対し共鳴信号と混合される参照信号
を、方向性結合器Ｉ１６より分岐されるマイクロ波電力
の一部を可変抵抗減衰器II４８および移相器Ｉ５０を介
して供給するよう回路構成する。
【００２４】しかるに、本実施例においては、前記マイ
クロ波信号増幅器４６の雑音指数と増幅度を、通常使用
される値、例えば、Ｆ1 ＝２ｄＢ、Ｇ1 ＝２７ｄＢ（増
幅度約５０１倍）とする。
クロ波信号増幅器４６の雑音指数と増幅度を、通常使用
される値、例えば、Ｆ1 ＝２ｄＢ、Ｇ1 ＝２７ｄＢ（増
幅度約５０１倍）とする。
【００２５】また、検波器も前記マイクロ波信号増幅器
４６と同一規格のものを使用するものとすれば、検波器
の雑音指数と増幅度に関しては、 Ｆ2 ＝６ｄＢ Ｇ2 ＝−５ｄＢ であり、また信号増幅器の雑音指数は Ｆ3 ＝４ｄＢ であるので、受信系の雑音指数は、 Ｆ＝Ｆ1 ＋（Ｆ2 −１）／Ｇ1 ＋（Ｆ3 −１）／Ｇ1 ・Ｇ2 ＝１．５８＋（３．９８−１）／５０１ ＋（２．５１−１）／（５０１×０．３６１） ＝１．５９ ＝２．０１ｄＢ と予想される。
４６と同一規格のものを使用するものとすれば、検波器
の雑音指数と増幅度に関しては、 Ｆ2 ＝６ｄＢ Ｇ2 ＝−５ｄＢ であり、また信号増幅器の雑音指数は Ｆ3 ＝４ｄＢ であるので、受信系の雑音指数は、 Ｆ＝Ｆ1 ＋（Ｆ2 −１）／Ｇ1 ＋（Ｆ3 −１）／Ｇ1 ・Ｇ2 ＝１．５８＋（３．９８−１）／５０１ ＋（２．５１−１）／（５０１×０．３６１） ＝１．５９ ＝２．０１ｄＢ と予想される。
【００２６】この結果、本実施例回路を前述の従来回路
と比較すれば、Ｓ／Ｎ比は８．７２／１．５９＝５．４
８倍の向上が期待できる。
と比較すれば、Ｓ／Ｎ比は８．７２／１．５９＝５．４
８倍の向上が期待できる。
【００２７】しかしながら、実際には、空洞共振器２２
からの反射マイクロ波電力が一般には無視できず、これ
によりマイクロ波信号増幅器４６が飽和して、感度がか
えって低下することも多い。そこで、本実施例において
は、次のように対処している。すなわち、空洞共振器２
２は、立体回路の場合、マジック・ティ４４の平衡分岐
の一辺に置き、対辺には移送器II５２および可変抵抗減
衰器III ５４を接続する。そして、マイクロ波電力をマ
ジック・ティ４４のＥ分岐に与えるよう構成する。この
ようにして、移送器II５２および可変抵抗減衰器III ５
４を調整することにより、この分岐からの反射電力を空
洞共振器２２からの反射電力に対して、等振幅、逆移相
にして、マジック・ティ４４のＨ分岐からの出力を実質
的に零にすることができる。従って、マイクロ波信号増
幅器４６は、強い印加マイクロ波電力の影響を避けて、
空洞共振器２２からの微弱な共鳴信号のみを有効に増幅
することができる。
からの反射マイクロ波電力が一般には無視できず、これ
によりマイクロ波信号増幅器４６が飽和して、感度がか
えって低下することも多い。そこで、本実施例において
は、次のように対処している。すなわち、空洞共振器２
２は、立体回路の場合、マジック・ティ４４の平衡分岐
の一辺に置き、対辺には移送器II５２および可変抵抗減
衰器III ５４を接続する。そして、マイクロ波電力をマ
ジック・ティ４４のＥ分岐に与えるよう構成する。この
ようにして、移送器II５２および可変抵抗減衰器III ５
４を調整することにより、この分岐からの反射電力を空
洞共振器２２からの反射電力に対して、等振幅、逆移相
にして、マジック・ティ４４のＨ分岐からの出力を実質
的に零にすることができる。従って、マイクロ波信号増
幅器４６は、強い印加マイクロ波電力の影響を避けて、
空洞共振器２２からの微弱な共鳴信号のみを有効に増幅
することができる。
【００２８】なお、本実施例においては、立体回路によ
る例としてマジック・ティ４４を用いた場合について説
明したが、平面回路の場合は、各要素はそれぞれ対応す
る平面回路素子で置換えられ、マジック・ティ４４には
１８０゜ハイブリッド・ティを用いることにより同様に
動作させることができる。
る例としてマジック・ティ４４を用いた場合について説
明したが、平面回路の場合は、各要素はそれぞれ対応す
る平面回路素子で置換えられ、マジック・ティ４４には
１８０゜ハイブリッド・ティを用いることにより同様に
動作させることができる。
【００２９】本実施例回路は、従来の回路方式と比較す
れば、前記式（２）における雑音指数Ｆ1 をより小さ
く、増幅度Ｇ1 をより大きくなし得るため、Ｆすなわち
受信系の総合雑音指数を低下させ、電子スピン共鳴信号
の高感度検出を可能とする。換言すれば、検出感度がク
リスタル検波器の雑音指数で定まっていた従来の回路方
式に対して、低雑音指数、高利得のマイクロ波信号増幅
器４６を適用することにより、受信系の雑音指数を大幅
に向上させることを可能とする。
れば、前記式（２）における雑音指数Ｆ1 をより小さ
く、増幅度Ｇ1 をより大きくなし得るため、Ｆすなわち
受信系の総合雑音指数を低下させ、電子スピン共鳴信号
の高感度検出を可能とする。換言すれば、検出感度がク
リスタル検波器の雑音指数で定まっていた従来の回路方
式に対して、低雑音指数、高利得のマイクロ波信号増幅
器４６を適用することにより、受信系の雑音指数を大幅
に向上させることを可能とする。
【００３０】図２は、本発明に係る電子スピン共鳴装置
の別の実施例を示すマイクロ波回路図である。本実施例
においては、前記実施例において、強い印加マイクロ波
がマイクロ波信号増幅器４６に入力されることを避ける
ため、マイクロ波ブリッジ回路を構成している。すなわ
ち、空洞共振器２２への印加マイクロ波電力は、可変抵
抗減衰器Ｉ４０、方向性結合器II５６、マイクロ波電力
増幅器４２およびサーキュレータ２０を経て与えられ
る。次いで、空洞共振器２２からの反射電力および共鳴
信号は、サーキュレータ２０から方向性結合器III ５８
を介してマイクロ波信号増幅器４６に伝送される。
の別の実施例を示すマイクロ波回路図である。本実施例
においては、前記実施例において、強い印加マイクロ波
がマイクロ波信号増幅器４６に入力されることを避ける
ため、マイクロ波ブリッジ回路を構成している。すなわ
ち、空洞共振器２２への印加マイクロ波電力は、可変抵
抗減衰器Ｉ４０、方向性結合器II５６、マイクロ波電力
増幅器４２およびサーキュレータ２０を経て与えられ
る。次いで、空洞共振器２２からの反射電力および共鳴
信号は、サーキュレータ２０から方向性結合器III ５８
を介してマイクロ波信号増幅器４６に伝送される。
【００３１】一方、方向性結合器II５６から分岐したマ
イクロ波電力の一部は、参照電力として可変抵抗減衰器
III ５４および移相器II５２を経て方向性結合器III ５
８で空洞共振器２２からの反射電力に加え合わされる。
従って、前記抵抗減衰器III５８により、参照電力の振
幅を前記反射電力の振幅に等しく、移相器II５２により
位相を逆位相に調整することにより、反射電力を平衡消
去し、次段に続くマイクロ波信号増幅器４６には共鳴信
号のみを入力し、前記実施例と同様に、受信系の雑音指
数を改善することができる。
イクロ波電力の一部は、参照電力として可変抵抗減衰器
III ５４および移相器II５２を経て方向性結合器III ５
８で空洞共振器２２からの反射電力に加え合わされる。
従って、前記抵抗減衰器III５８により、参照電力の振
幅を前記反射電力の振幅に等しく、移相器II５２により
位相を逆位相に調整することにより、反射電力を平衡消
去し、次段に続くマイクロ波信号増幅器４６には共鳴信
号のみを入力し、前記実施例と同様に、受信系の雑音指
数を改善することができる。
【００３２】なお、この実施例回路においては、測定試
料Ｓを充分に励起できるように、マイクロ波発振器１２
の出力は、マイクロ波電力増幅４２よって増大され、そ
のレベルは共鳴条件に適するように可変抵抗減衰器Ｉ４
０によって調整される。調整されたマイクロ波電力は、
方向性結合器II５６においてその一定比率（＜０．１）
が前記参照信号として与えられるので、方向性結合器II
I ５８における反射電力の平衡消去動作に、前記マイク
ロ波電力調整操作が影響することはない。
料Ｓを充分に励起できるように、マイクロ波発振器１２
の出力は、マイクロ波電力増幅４２よって増大され、そ
のレベルは共鳴条件に適するように可変抵抗減衰器Ｉ４
０によって調整される。調整されたマイクロ波電力は、
方向性結合器II５６においてその一定比率（＜０．１）
が前記参照信号として与えられるので、方向性結合器II
I ５８における反射電力の平衡消去動作に、前記マイク
ロ波電力調整操作が影響することはない。
【００３３】測定試料Ｓを充分に励起するに必要なマイ
クロ波電力は、しばしば数百ｍＷあるいはそれ以上に及
び、現在低価格にて容易に使用できるガン発振器１２の
出力（１０〜２０ｍＷ）では余りにも低すぎる。しか
も、大出力のガン発振器１２は、特別設計となり高価と
なる。しかし、低価格のマイクロ波モノリシック電力増
幅器４２を図２に示すように配置することにより、低価
格で容易に所要のマイクロ波電力を得ることができる。
この手法は、図１または後述する図３に示す実施例回路
にも同様に応用することができることはいうまでもな
い。
クロ波電力は、しばしば数百ｍＷあるいはそれ以上に及
び、現在低価格にて容易に使用できるガン発振器１２の
出力（１０〜２０ｍＷ）では余りにも低すぎる。しか
も、大出力のガン発振器１２は、特別設計となり高価と
なる。しかし、低価格のマイクロ波モノリシック電力増
幅器４２を図２に示すように配置することにより、低価
格で容易に所要のマイクロ波電力を得ることができる。
この手法は、図１または後述する図３に示す実施例回路
にも同様に応用することができることはいうまでもな
い。
【００３４】図３は本発明に係る電子スピン共鳴装置の
さらに別の実施例を示すマイクロ波回路図である。本実
施例回路において、空洞共振器２２に印加されるマイク
ロ波電力は、可変抵抗減衰器Ｉ４０の後段およびマイク
ロ波信号増幅器４６の前段に配置されたマイクロ波スイ
ッチＩ６０およびマイクロ波スイッチII６２により断続
するように構成する。すなわち、磁気共鳴においては、
高周波印加によりスピン励起後、印加高周波を遮断すれ
ば、スピンの物性定数として定まっている緩和時間によ
る時定数により、共鳴信号強度が指数関数的に減衰して
行くことがよく知られている。この場合の回路動作を図
４にタイム・チャートとして示す。
さらに別の実施例を示すマイクロ波回路図である。本実
施例回路において、空洞共振器２２に印加されるマイク
ロ波電力は、可変抵抗減衰器Ｉ４０の後段およびマイク
ロ波信号増幅器４６の前段に配置されたマイクロ波スイ
ッチＩ６０およびマイクロ波スイッチII６２により断続
するように構成する。すなわち、磁気共鳴においては、
高周波印加によりスピン励起後、印加高周波を遮断すれ
ば、スピンの物性定数として定まっている緩和時間によ
る時定数により、共鳴信号強度が指数関数的に減衰して
行くことがよく知られている。この場合の回路動作を図
４にタイム・チャートとして示す。
【００３５】まず、マイクロ波スイッチＩ６０を接続状
態にして〔図４（ａ）参照〕、マイクロ波電力を空洞共
振器２２に印加するに際し、この時のマイクロ波スイッ
チII６２は遮断して〔図４（ｂ）参照〕、マイクロ波信
号増幅器４６への入力端は閉じている。このため、測定
試料Ｓは励起されるが〔図４（ｃ）参照〕、マイクロ波
信号増幅器４６は無入力である〔図４（ｅ）参照〕。次
に、短時間（マイクロ秒程度）後、マイクロ波スイッチ
Ｉ６０を開放遮断し〔図４（ａ）参照〕、マイクロ波ス
イッチII６２を接続状態にする〔図４（ｂ）参照〕。こ
の時は、強い励起用マイクロ波電力は、空洞共振器２２
に伝送されていないので〔図４（ｃ）参照〕、それの混
入による増幅機能への妨害を受けることなく、緩和時間
で定まる短時間持続している共鳴信号のみが〔図４
（ｄ）参照〕、マイクロ波信号増幅器４６により有効に
増幅される。このようにして、前記２つの実施例と同様
に受信系の雑音指数を改善することができる。
態にして〔図４（ａ）参照〕、マイクロ波電力を空洞共
振器２２に印加するに際し、この時のマイクロ波スイッ
チII６２は遮断して〔図４（ｂ）参照〕、マイクロ波信
号増幅器４６への入力端は閉じている。このため、測定
試料Ｓは励起されるが〔図４（ｃ）参照〕、マイクロ波
信号増幅器４６は無入力である〔図４（ｅ）参照〕。次
に、短時間（マイクロ秒程度）後、マイクロ波スイッチ
Ｉ６０を開放遮断し〔図４（ａ）参照〕、マイクロ波ス
イッチII６２を接続状態にする〔図４（ｂ）参照〕。こ
の時は、強い励起用マイクロ波電力は、空洞共振器２２
に伝送されていないので〔図４（ｃ）参照〕、それの混
入による増幅機能への妨害を受けることなく、緩和時間
で定まる短時間持続している共鳴信号のみが〔図４
（ｄ）参照〕、マイクロ波信号増幅器４６により有効に
増幅される。このようにして、前記２つの実施例と同様
に受信系の雑音指数を改善することができる。
【００３６】なお、共鳴信号は、ロックイン検波におい
て、検波時定数をマイクロ波スイッチの断続動作の周期
に対して充分に長い時定数に設定すれば、通常の共鳴信
号と同形の出力が得られる。
て、検波時定数をマイクロ波スイッチの断続動作の周期
に対して充分に長い時定数に設定すれば、通常の共鳴信
号と同形の出力が得られる。
【００３７】また、図１ないし図３に共通して、ガン発
振器１２、単向管１４に続く方向性結合器Ｉ１６から分
岐し、可変抵抗減衰器II４８および移相器Ｉ５０を経
て、検波段のマジック・ティ２６IIのＨ分岐に向かう経
路は、前記従来方式と同様のいわゆるホモダイン検波の
参照信号を得るものである。この参照信号のレベルは、
クリスタル検波器２８，３０のバイアスを定めるが、こ
のような接続構成とすることにより、測定試料Ｓへの印
加マイクロ波電力の変化に関係なく、検波器２８，３０
のバイアス電圧を一定レベルに保持することができる。
振器１２、単向管１４に続く方向性結合器Ｉ１６から分
岐し、可変抵抗減衰器II４８および移相器Ｉ５０を経
て、検波段のマジック・ティ２６IIのＨ分岐に向かう経
路は、前記従来方式と同様のいわゆるホモダイン検波の
参照信号を得るものである。この参照信号のレベルは、
クリスタル検波器２８，３０のバイアスを定めるが、こ
のような接続構成とすることにより、測定試料Ｓへの印
加マイクロ波電力の変化に関係なく、検波器２８，３０
のバイアス電圧を一定レベルに保持することができる。
【００３８】以上、本発明の好適な実施例について説明
したが、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。
したが、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。
【００３９】
【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、測定試料を分極磁場内に置かれた空洞共
振器内に配置して測定試料に所要のマイクロ波電力を供
給し、前記空洞共振器において得られる測定試料の共鳴
信号を検波して、前記測定試料の電子スピン共鳴信号を
検出するよう構成した電子スピン共鳴装置において、前
記空洞共振器から得られる共鳴信号のマイクロ波検波回
路の前段に、マイクロ波信号増幅器を配置することによ
り、空洞共振器からのマイクロ波反射電力を平衡消去し
て、雑音指数を低減し、受信系における電子スピン共鳴
信号の検出感度を容易に向上することができる。
発明によれば、測定試料を分極磁場内に置かれた空洞共
振器内に配置して測定試料に所要のマイクロ波電力を供
給し、前記空洞共振器において得られる測定試料の共鳴
信号を検波して、前記測定試料の電子スピン共鳴信号を
検出するよう構成した電子スピン共鳴装置において、前
記空洞共振器から得られる共鳴信号のマイクロ波検波回
路の前段に、マイクロ波信号増幅器を配置することによ
り、空洞共振器からのマイクロ波反射電力を平衡消去し
て、雑音指数を低減し、受信系における電子スピン共鳴
信号の検出感度を容易に向上することができる。
【００４０】また、空洞共振器の前段に可変抵抗減衰器
およびマイクロ波電力増幅器を配置することにより、空
洞共振器からのマイクロ波反射電力を平衡消去のための
調整を容易に達成することができる。
およびマイクロ波電力増幅器を配置することにより、空
洞共振器からのマイクロ波反射電力を平衡消去のための
調整を容易に達成することができる。
【図１】本発明に係る電子スピン共鳴装置のマイクロ波
回路の一実施例を示す回路構成図である。
回路の一実施例を示す回路構成図である。
【図２】本発明に係る電子スピン共鳴装置のマイクロ波
回路の別の実施例を示す回路構成図である。
回路の別の実施例を示す回路構成図である。
【図３】本発明に係る電子スピン共鳴装置のマイクロ波
回路のさらに別の実施例を示す回路構成図である。
回路のさらに別の実施例を示す回路構成図である。
【図４】図３に示す実施例のマイクロ波回路における動
作波形をそれぞれ示すものであって、（ａ）はマイクロ
波スイッチＩの動作波形図、（ｂ）はマイクロ波スイッ
チIIの動作波形図、（ｃ）は空洞共振器の入力動作波形
図、（ｄ）は空洞共振器の出力動作波形図、（ｅ）はマ
イクロ波信号増幅器の入力動作波形図である。
作波形をそれぞれ示すものであって、（ａ）はマイクロ
波スイッチＩの動作波形図、（ｂ）はマイクロ波スイッ
チIIの動作波形図、（ｃ）は空洞共振器の入力動作波形
図、（ｄ）は空洞共振器の出力動作波形図、（ｅ）はマ
イクロ波信号増幅器の入力動作波形図である。
【図５】従来の電子スピン共鳴装置のマイクロ波回路の
構成例を示す回路構成図である。
構成例を示す回路構成図である。
１０ マイクロ波発振器電源 １２ ガン発振器 １４ 単向管 １６ 方向性結合
器 １８ 抵抗 ２０ サーキュレ
ータ ２２ 空洞共振器 ２４ マグネット ２６ マジック・ティ ２８，３０ クリ
スタル検波器 ３２ 移相器 ３４，３６ 同軸
導波管変換器 ３８ 前置増幅器 ４０ 可変抵抗減
衰器Ｉ ４２ マイクロ波電力増幅器 ４４ マジック・
ティ ４６ マイクロ波信号増幅器 ４８ 可変抵抗減
衰器II ５０ 移相器Ｉ ５２ 移相器II ５４ 可変抵抗減衰器III ５６ 方向性結合
器II ５８ 方向性結合器III ６０ マイクロ波
スイッチＩ ６２ マイクロ波スイッチII
器 １８ 抵抗 ２０ サーキュレ
ータ ２２ 空洞共振器 ２４ マグネット ２６ マジック・ティ ２８，３０ クリ
スタル検波器 ３２ 移相器 ３４，３６ 同軸
導波管変換器 ３８ 前置増幅器 ４０ 可変抵抗減
衰器Ｉ ４２ マイクロ波電力増幅器 ４４ マジック・
ティ ４６ マイクロ波信号増幅器 ４８ 可変抵抗減
衰器II ５０ 移相器Ｉ ５２ 移相器II ５４ 可変抵抗減衰器III ５６ 方向性結合
器II ５８ 方向性結合器III ６０ マイクロ波
スイッチＩ ６２ マイクロ波スイッチII
───────────────────────────────────────────────────── 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60−82983（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−263544（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−47263（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−80284（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−109185（ＪＰ，Ｕ) 特表 平２−502039（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，ｐ21−31 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 24/00 - 24/14 G01N 22/00 - 22/04 G01R 33/20 - 33/64 G01R 23/00 - 23/20 H01L 21/66 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)
Claims (3)
- 【請求項１】 測定試料を分極磁場内に置かれた空洞共
振器内に配置して測定試料に所要のマイクロ波電力を供
給し、前記空洞共振器において得られる測定試料の共鳴
信号を検波して、前記測定試料の電子スピン共鳴信号を
検出するよう構成した電子スピン共鳴装置において、空
洞共振器から得られる共鳴信号のマイクロ波検波回路の
前段にマイクロ波信号増幅器を配置すると共に、該増幅
器の入力端マイクロ波発振器の出力の一部を加えて前記
空洞共振器からのマイクロ波反射電力を平衡消去する手
段と、さらにマイクロ波検波器のバイアス電圧を保持す
る一定のマイクロ波電力を検波器に供給する手段と、を
備えることを特徴とする電子スピン共鳴装置。 - 【請求項２】 測定試料を分極磁場内に置かれた空洞共
振器内に配置して測定試料に所要のマイクロ波電力を供
給し、前記空洞共振器において得られる測定試料の共鳴
信号を検波して、前記測定試料の電子スピン共鳴信号を
検出するよう構成した電子スピン共鳴装置において、マ
イクロ波検波回路の前段にマイクロ波信号増幅器を配置
し、空洞共振器をマイクロ波ブリッジの一辺に配置し
て、共鳴信号に重畳するマイクロ波を平衡消去する手段
と、さらにマイクロ波検波器のバイアス電圧を保持する
一定のマイクロ波電力を検波器に供給する手段と、を備
えることを特徴とする電子スピン共鳴装置。 - 【請求項３】 空洞共振器の前段に可変抵抗減衰器およ
びマイクロ波電力増幅器を配置して空洞共振器からの反
射マイクロ波電力を平衡消去するための回路を設けてな
る請求項１ないし２のいずれかに記載の電子スピン共鳴
装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10434392A JP3322688B2 (ja) | 1992-04-23 | 1992-04-23 | 電子スピン共鳴装置 |
| KR1019930005392A KR930022704A (ko) | 1992-04-23 | 1993-03-31 | 전자스핀공명장치 |
| DE69328989T DE69328989T2 (de) | 1992-04-23 | 1993-04-22 | Elektronenspinresonanzvorrichtung |
| EP93106549A EP0567116B1 (en) | 1992-04-23 | 1993-04-22 | Electron spin resonance device |
| US08/051,363 US5389878A (en) | 1992-04-23 | 1993-04-22 | Electron spin resonance device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10434392A JP3322688B2 (ja) | 1992-04-23 | 1992-04-23 | 電子スピン共鳴装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05297096A JPH05297096A (ja) | 1993-11-12 |
| JP3322688B2 true JP3322688B2 (ja) | 2002-09-09 |
Family
ID=14378267
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10434392A Expired - Lifetime JP3322688B2 (ja) | 1992-04-23 | 1992-04-23 | 電子スピン共鳴装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5389878A (ja) |
| EP (1) | EP0567116B1 (ja) |
| JP (1) | JP3322688B2 (ja) |
| DE (1) | DE69328989T2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6573715B2 (en) | 1994-08-26 | 2003-06-03 | Southwest Research Institute | Porosity and permeability measurement of underground formations containing crude oil, using EPR response data |
| FR2726088B1 (fr) * | 1994-10-19 | 1997-01-24 | Sadis Bruker Spectrospin | Procede de reglage et d'ajustement en frequence, notamment de ponts hyperfrequences, et dispositif mettant en oeuvre un tel procede |
| 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 |
| US6828789B2 (en) * | 2001-07-25 | 2004-12-07 | The Mcw Research Foundation, Inc. | Cavity resonator for electron paramagnetic resonance spectroscopy having axially uniform field |
| GB0618631D0 (en) * | 2006-09-21 | 2006-11-01 | Univ Bath | Electron spin resonance apparatus and method |
| US8405393B2 (en) * | 2010-03-01 | 2013-03-26 | Colorado Seminary, Which Owns And Operates The University Of Denver | EPR using Frank sequence |
| US10509091B2 (en) | 2012-03-07 | 2019-12-17 | Colorado Seminary, Which Owns And Operates The University Of Denver | EPR methods and systems |
| WO2014015219A2 (en) | 2012-07-19 | 2014-01-23 | Colorado Seminary, Which Owns And Operates The University Of Denver | Crossed-loop resonators |
| US12000920B2 (en) | 2012-09-14 | 2024-06-04 | University Of Denver | Hall probe simulator circuit |
| JP6614631B2 (ja) * | 2014-04-18 | 2019-12-04 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 強磁性共鳴測定装置 |
| EP4354167A1 (en) * | 2022-10-14 | 2024-04-17 | Bruker France S.A.S. | Microwave power amplifier arrangement for a pulsed epr system and method of operating same |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3350633A (en) * | 1966-04-18 | 1967-10-31 | Varian Associates | Gyromagnetic spectrometer having separate dispersion and absorption mode detectors |
| US3931569A (en) * | 1974-02-19 | 1976-01-06 | Varian Associates | Narrow cavity low cost EPR spectrometer |
| EP0326557A4 (en) * | 1986-09-19 | 1990-12-12 | Monash University | Electron spin resonance spectrometer |
| US4803624A (en) * | 1986-09-19 | 1989-02-07 | Pilbrow John R | Electron spin resonance spectrometer |
| NL8801594A (nl) * | 1988-06-23 | 1990-01-16 | Philips Nv | Werkwijze en inrichting voor het bepalen van een spinresonantieverdeling. |
| US4888554A (en) * | 1988-08-02 | 1989-12-19 | Mcw Research Foundation, Inc. | Electron paramagnetic resonance (EPR) spectrometer |
-
1992
- 1992-04-23 JP JP10434392A patent/JP3322688B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1993
- 1993-04-22 EP EP93106549A patent/EP0567116B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1993-04-22 US US08/051,363 patent/US5389878A/en not_active Expired - Lifetime
- 1993-04-22 DE DE69328989T patent/DE69328989T2/de not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 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，ｐ２１−３１ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0567116A1 (en) | 1993-10-27 |
| DE69328989T2 (de) | 2000-12-21 |
| JPH05297096A (ja) | 1993-11-12 |
| US5389878A (en) | 1995-02-14 |
| EP0567116B1 (en) | 2000-07-12 |
| DE69328989D1 (de) | 2000-08-17 |
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