JP5973397B2 - Electron spin resonance device - Google Patents

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Description

本発明は、室外環境においても測定対象物の電子スピン共鳴(ESR:Electron Spin Resonance)スペクトルが観測可能な装置に関するものである。   The present invention relates to an apparatus capable of observing an electron spin resonance (ESR) spectrum of a measurement object even in an outdoor environment.

測定対象物のESRパラメータを求める装置として、ESR装置が利用されている(例えば、非特許文献1参照)。ESR装置は不対電子を有する原子、分子、イオン等のフリーラジカルを測定対象物とし、主に、電子デバイスの性能評価、活断層の年代測定、人体の放射線被ばく線量評価などに用いられている。最近では、食品や薬剤の抗酸化能、水質浄化、悪臭分解、シックハウスガス分解、排ガス中有害物質分解、土壌汚染物質の除去、ダイオキシン分解といった環境評価などに多岐に渡って広く利用されている。   An ESR device is used as a device for obtaining an ESR parameter of a measurement object (see, for example, Non-Patent Document 1). ESR equipment uses free radicals such as atoms, molecules, and ions with unpaired electrons as measurement objects, and is mainly used for performance evaluation of electronic devices, dating active faults, and evaluation of radiation exposure doses to the human body. . Recently, it has been widely used for environmental evaluation such as antioxidant capacity of foods and drugs, water purification, malodor decomposition, sick house gas decomposition, decomposition of harmful substances in exhaust gas, removal of soil pollutants, and dioxin decomposition.

一般的に利用されているESR装置は、マイクロ波発信器と、サーキュレータと、空洞共振器と、電磁石と、検波器と、評価部とを備えている。   A commonly used ESR device includes a microwave transmitter, a circulator, a cavity resonator, an electromagnet, a detector, and an evaluation unit.

マイクロ波発信器は、通常、高感度である9.5GHz帯(X−バンド)の周波数を持つマイクロ波(電磁波)を発生するものが使用されている。一方、最近では、生体や環境分野への適用の増大により、水分による誘電損失の少ない1GHz帯(L−バンド)の周波数が活用されており、本発明においても、室外環境への適用を目的としているため、この周波数帯を対象とする。1GHz帯を対象とする理由は、マイクロ波によって水分が加熱されることで、測定対象物である試料の温度が上昇することを極力避けるためである。   As the microwave transmitter, one that generates a microwave (electromagnetic wave) having a frequency of 9.5 GHz band (X-band), which is highly sensitive, is usually used. On the other hand, recently, the frequency of 1 GHz band (L-band) with less dielectric loss due to moisture has been utilized due to an increase in application to the living body and environment fields, and the present invention is also intended for application to an outdoor environment. Therefore, this frequency band is targeted. The reason for targeting the 1 GHz band is to avoid as much as possible the rise in the temperature of the sample that is the measurement object due to the heating of moisture by the microwave.

サーキュレータは、マイクロ波発信器から出力され導波管を介して伝搬するマイクロ波の伝搬方向を、空洞共振器側に向ける。また、サーキュレータは、空洞共振器から出力され導波管を介して伝搬するマイクロ波の伝搬方向を、検波器側に向ける。   The circulator directs the propagation direction of the microwave output from the microwave transmitter and propagating through the waveguide toward the cavity resonator side. In addition, the circulator directs the propagation direction of the microwave output from the cavity resonator and propagating through the waveguide to the detector side.

空洞共振器は、マイクロ波発信器から導波管を介して入力されるマイクロ波を空間内に閉じ込めて共振させる。このような空洞共振器は、入力されるマイクロ波の共振条件を満たすような寸法に設定されている。また、この空洞共振器の内部には、測定対象物である試料がキャピラリ管に封入された状態で挿入される。   The cavity resonator confines and resonates the microwave input from the microwave transmitter via the waveguide in the space. Such a cavity resonator is set to a size that satisfies the resonance condition of the input microwave. In addition, a sample as a measurement object is inserted into the cavity resonator in a state of being enclosed in a capillary tube.

電磁石は、測定対象物である試料に直流の磁場を印加する。   The electromagnet applies a DC magnetic field to a sample that is a measurement object.

検波器は、空洞共振器から導波管を介して入力されるマイクロ波のエネルギーを検出する。   The detector detects microwave energy input from the cavity resonator through the waveguide.

評価部は、検波器によって検出されたエネルギーに基づいて、測定対象物であるフリーラジカルに関するESRスペクトルを観測し、測定対象物の定性的、且つ、定量的な評価を可能とする。   Based on the energy detected by the detector, the evaluation unit observes the ESR spectrum related to the free radical that is the measurement object, and enables qualitative and quantitative evaluation of the measurement object.

このようなESR装置を用いて測定対象物である試料の測定を行う際、マイクロ波発信器から出力される或る周波数ν0のマイクロ波を、導波管を介して空洞共振器に入力した状態で、試料に対して、電磁石を用いて外部磁場を印加する。試料に外部磁場が印加されると、試料に含まれる不対電子の電子スピンにおいて、ゼーマン効果によるエネルギー準位の分裂が起こり(即ち、縮退が解け)、2つのエネルギー準位を形成する。このときの2つのエネルギー準位の差は、外部磁場の強度(磁束密度)に比例した大きさとなる。 When measuring a sample which is an object to be measured using such an ESR apparatus, a microwave having a certain frequency ν 0 output from a microwave transmitter is input to a cavity resonator through a waveguide. In this state, an external magnetic field is applied to the sample using an electromagnet. When an external magnetic field is applied to the sample, energy level splitting due to the Zeeman effect occurs in the electron spin of unpaired electrons contained in the sample (that is, degeneracy is solved), and two energy levels are formed. At this time, the difference between the two energy levels is proportional to the strength (magnetic flux density) of the external magnetic field.

この2つのエネルギー準位が形成された状態において、磁場の強度を変化(磁場掃引)させると、測定対象物である試料に応じた或る特定の磁場強度(磁束密度)H0において、マイクロ波のエネルギーとゼーマン分裂によるエネルギー差が一致する。つまり、次の式(1)を満たす。
hν0=gβH0 ・・・(1)
When the intensity of the magnetic field is changed (magnetic field sweep) in a state where these two energy levels are formed, the microwave is generated at a specific magnetic field intensity (magnetic flux density) H 0 corresponding to the sample as the measurement object. The energy difference due to Zeeman splitting is the same. That is, the following expression (1) is satisfied.
0 = gβH 0 (1)

但し、hはプランク定数(=6.6255×10-34Js)、gは測定対象物である試料に固有のg値(磁気回転比)、βはボーア磁子(=9.274×10-24J/T)である。 However, h is a Planck's constant (= 6.6255 × 10 −34 Js), g is a g value (magnetic rotation ratio) specific to the sample as a measurement object, and β is a Bohr magneton (= 9.274 × 10 − 24 J / T).

このようにマイクロ波のエネルギーとゼーマン分裂によるエネルギー差が一致するとき、不対電子の状態に遷移が生じ共鳴が起こる。この共鳴現象によって、マイクロ波のエネルギーは吸収される。   Thus, when the microwave energy and the energy difference due to Zeeman splitting coincide, a transition occurs in the state of the unpaired electron, and resonance occurs. Due to this resonance phenomenon, microwave energy is absorbed.

即ち、マイクロ波の周波数を固定した状態で磁場の強度を変化(磁場掃引)させると、検波器では、測定対象物である試料に応じた、式(1)を満たす或る特定の磁場強度において、マイクロ波のエネルギーが急激に減少する挙動がESRスペクトルとして観測される。   That is, when the magnetic field intensity is changed (magnetic field sweep) with the microwave frequency fixed, the detector has a specific magnetic field intensity that satisfies the equation (1) according to the sample to be measured. A behavior in which the microwave energy rapidly decreases is observed as an ESR spectrum.

水分による誘電損失の少ない1GHz帯(L−バンド)の周波数のマイクロ波を活用する場合、必要とされる磁場の磁束密度は数十mTであれば良いことは式(1)とg値が試料によらず大凡2であることより明白である。   When utilizing microwaves with a frequency of 1 GHz band (L-band) with low dielectric loss due to moisture, the required magnetic flux density of the magnetic field should be several tens of mT. Regardless of whether it is roughly 2, it is clearer.

「ESRの基礎知識」,株式会社JEOL RESONANCE,<http://www.j-resonance.com/knowledge/esr-basics/>"Basic knowledge of ESR", JEOL RESONANCE Inc., <http://www.j-resonance.com/knowledge/esr-basics/>

しかしながら、従来のESR装置は、大きさが非常に大きく、室外環境への持ち出しに適さないという問題点があった。例えば、従来のESR装置を構成する空洞共振器の寸法は、マイクロ波の波長(例えば、周波数1GHzのとき、波長30cm)に応じた寸法、即ち、半波長の整数倍でなければならないといった制約を受けるため、空洞共振器の小型化は困難である。   However, the conventional ESR apparatus has a problem that it is very large in size and is not suitable for taking out to an outdoor environment. For example, the size of the cavity resonator constituting the conventional ESR device must be a size corresponding to the wavelength of the microwave (for example, a wavelength of 30 cm when the frequency is 1 GHz), that is, must be an integral multiple of a half wavelength. Therefore, it is difficult to reduce the size of the cavity resonator.

また、通常は試料に応じて磁場強度を調整する必要があるため、磁場強度の調整が可能な電磁石が広く利用され、その結果、ESR装置は600kg〜2tにも及ぶ重量となる。このように、ESR装置は重量の点でも室外環境への持ち出しに適していない。   In addition, since it is usually necessary to adjust the magnetic field strength according to the sample, electromagnets capable of adjusting the magnetic field strength are widely used. As a result, the ESR apparatus has a weight ranging from 600 kg to 2 t. Thus, the ESR device is not suitable for taking it out to the outdoor environment in terms of weight.

以上の様に、従来のESR装置では、大きさおよび重量の点で、例えば、現地での環境測定や年代測定を行う際に、容易に持ち運びができないことから、多大な労力とコストを必要とした。   As described above, the conventional ESR device requires a great deal of labor and cost because it cannot be easily carried in terms of size and weight, for example, when carrying out local environmental measurement or dating. did.

そこで、本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、小型化、軽量化を図ったESR装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an ESR device that is reduced in size and weight.

本発明は、測定対象物の電子スピン共鳴スペクトルを観測する電子スピン共鳴装置において、前記測定対象物に磁場を印加する磁場印加手段と、前記測定対象物を囲むように配置されたスパイラル状のインダクタと、前記インダクタに交流電流を供給する電流供給手段と、前記交流電流の角周波数を掃引する周波数掃引手段と、前記周波数掃引手段によって掃引した角周波数ごとに、前記インダクタのインダクタンスを計測するインダクタンス計測手段とを備え、前記インダクタは、誘電損失が0.01以下の絶縁性薄膜で覆われ、前記試料は、スパイラル状の前記インダクタの内側に位置する前記絶縁性薄膜の上に配置されることを特徴とするものである。
また、本発明の電子スピン共鳴装置の1構成例において、前記磁場印加手段は、磁性材料としてフェライトを含有する永久磁石である。
また、本発明の電子スピン共鳴装置の1構成例は、さらに、前記インダクタンス計測手段によって計測されたインダクタンスの変化から観測される共鳴角周波数に基づいて電子スピン共鳴パラメータであるg値を算出する算出手段を備えることを特徴とするものである。
The present invention relates to an electron spin resonance apparatus for observing an electron spin resonance spectrum of an object to be measured, a magnetic field applying unit for applying a magnetic field to the object to be measured, and a spiral inductor arranged so as to surround the object to be measured. Current supply means for supplying alternating current to the inductor, frequency sweep means for sweeping the angular frequency of the alternating current, and inductance measurement for measuring the inductance of the inductor for each angular frequency swept by the frequency sweep means And the inductor is covered with an insulating thin film having a dielectric loss of 0.01 or less, and the sample is disposed on the insulating thin film located inside the spiral inductor. It is a feature.
In one configuration example of the electron spin resonance apparatus of the present invention, the magnetic field applying means is a permanent magnet containing ferrite as a magnetic material.
Further, in one configuration example of the electron spin resonance apparatus of the present invention, a calculation for calculating a g value which is an electron spin resonance parameter based on a resonance angular frequency observed from a change in inductance measured by the inductance measuring means is further performed. Means are provided.

本発明によれば、インダクタンスのマイクロ波周波数依存性に基づいて測定対象物の電子スピン共鳴スペクトルが観測可能になるため、寸法制限を有する従来の電子スピン共鳴装置の空洞共振器を不要とし、装置全体の小型化を図ることが可能となり、電子スピン共鳴装置の室外への持ち出しが容易になる。また、インダクタの配線形状をスパイラルにしたことで、公知のCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)プロセスを用いてのスパイラル部上への絶縁性薄膜の積層が可能となり、これにより、外部環境での使用にも耐えることが可能となる。さらに、磁場印加手段として、フェライトを含有する永久磁石を用いることで、装置コストの低廉化が図られる。以上のように、本発明の電子スピン共鳴装置は、小型化、軽量化に加え、低コスト化が図られ、室外環境においても容易に測定対象物の電子スピン共鳴スペクトルが観測可能になるという効果を奏する。   According to the present invention, since the electron spin resonance spectrum of the measurement object can be observed based on the microwave frequency dependency of the inductance, the cavity resonator of the conventional electron spin resonance device having a size limitation is not required, and the device The overall size can be reduced, and the electron spin resonance apparatus can be easily taken out of the room. In addition, by making the inductor wiring spiral, it is possible to stack an insulating thin film on the spiral portion using a known CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) process, which allows it to be used in an external environment. Can also withstand. Further, the use of a permanent magnet containing ferrite as the magnetic field applying means can reduce the apparatus cost. As described above, the electron spin resonance apparatus of the present invention is advantageous in that the electron spin resonance spectrum of the measurement object can be easily observed even in an outdoor environment in addition to downsizing and weight reduction. Play.

本発明の実施の形態に係るESR装置の構成図である。It is a block diagram of the ESR apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るESR装置のインダクタの平面図である。It is a top view of the inductor of the ESR device concerning an embodiment of the invention. 本発明の実施の形態に係るESR装置のインダクタの断面図である。It is sectional drawing of the inductor of the ESR apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るESR装置に試料を滴下しない状態で計測されたインダクタのインダクタンスを示す図である。It is a figure which shows the inductance of the inductor measured in the state which does not dripping a sample to the ESR apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るESR装置に試料を滴下し乾燥させた状態で計測されたインダクタのインダクタンスを示す図である。It is a figure which shows the inductance of the inductor measured in the state which dripped and dried the sample to the ESR apparatus which concerns on embodiment of this invention.

[発明の原理]
発明者等は、ESR装置の軽量化の観点から、外部磁場強度の調整が可能な電磁石に代わって、外部磁場強度(磁束密度)が一定となる永久磁石を用い、試料に対して、外部磁場印加した状態で、マイクロ波発信器から出力されるマイクロ波の周波数を変化させてESRスペクトルを観測する周波数掃引方式に着目した。
[Principle of the Invention]
The inventors have used a permanent magnet having a constant external magnetic field strength (magnetic flux density) instead of an electromagnet capable of adjusting the external magnetic field strength from the viewpoint of reducing the weight of the ESR device. Attention was paid to a frequency sweep method in which the ESR spectrum is observed by changing the frequency of the microwave output from the microwave transmitter in the applied state.

試料に外部磁場が印加されると、試料に含まれる不対電子の電子スピンにおいて、ゼーマン効果によるエネルギー準位の分裂が起こり(即ち、縮退が解け)、2つのエネルギー準位を形成する。このときの2つのエネルギー準位の差は、外部磁場の強度(磁束密度)に比例した大きさとなる。   When an external magnetic field is applied to the sample, energy level splitting due to the Zeeman effect occurs in the electron spin of unpaired electrons contained in the sample (that is, degeneracy is solved), and two energy levels are formed. At this time, the difference between the two energy levels is proportional to the strength (magnetic flux density) of the external magnetic field.

この2つのエネルギー準位が形成された状態において、マイクロ波発信器から出力されるマイクロ波の周波数を変化させると、測定対象物である試料に応じた、式(1)を満たす或る特定の周波数を持つマイクロ波において、マイクロ波のエネルギーとゼーマン分裂によるエネルギー差が一致する。このとき、不対電子の状態に遷移が生じ共鳴が起こる。この共鳴現象によって、マイクロ波のエネルギーは吸収される。   When the frequency of the microwave output from the microwave transmitter is changed in the state in which these two energy levels are formed, a certain specific condition that satisfies Equation (1) corresponding to the sample that is the measurement object is obtained. In microwaves with a frequency, the energy difference between the microwave energy and the Zeeman splitting coincides. At this time, a transition occurs in the state of the unpaired electron and resonance occurs. Due to this resonance phenomenon, microwave energy is absorbed.

つまり、磁場の強度を固定しても、即ち、電磁石に代わって永久磁石を使用しても、マイクロ波発信器から出力されるマイクロ波の周波数を変化(周波数掃引)させることにより、測定対象物である試料に応じた、式(1)を満たす或る特定の周波数を持つマイクロ波において、そのマイクロ波のエネルギーが急激に減少する挙動がESRスペクトルとして観測される。   In other words, even if the strength of the magnetic field is fixed, that is, even if a permanent magnet is used instead of an electromagnet, the frequency of the microwave output from the microwave transmitter is changed (frequency sweep), thereby measuring the object to be measured. In a microwave having a specific frequency satisfying the expression (1) corresponding to the sample, a behavior in which the energy of the microwave rapidly decreases is observed as an ESR spectrum.

また、ESR装置の小型化の観点から、導波管を介して空洞共振器にマイクロ波を入力する従来方式から、導波管や空洞共振器を用いず、インダクタを用いて、該インダクタのコイル内部に相当する場所に試料を設置し、マイクロ波を入力・掃引して、インダクタンスの変化としてESRスペクトルを観測しても良いことに着目した(特開2008−203104号公報参照)。   Also, from the viewpoint of miniaturization of the ESR device, from the conventional method in which microwaves are input to the cavity resonator through the waveguide, the inductor coil is used without using the waveguide or the cavity resonator. It was noted that the ESR spectrum may be observed as a change in inductance by placing a sample in a place corresponding to the inside, inputting and sweeping microwaves (see JP 2008-203104 A).

ここで、室外環境、つまり、湿度等の水分量が制御されていない(誘電損失の大きい)系においても、インダクタンスの変化を用いたESRスペクトルの観測を可能にするために、少なくともインダクタのコイル部の表面は絶縁性薄膜で覆われている必要がある。この絶縁性薄膜はインダクタの表面保護の役割も兼ねることから、室外環境への適用の際には大きなメリットとなる。また、絶縁性薄膜は誘電損失の少ない材料を使用するのが良いことは言うまでもない。   Here, even in an outdoor environment, that is, in a system in which the amount of moisture such as humidity is not controlled (large dielectric loss), at least the coil portion of the inductor is required to enable observation of the ESR spectrum using the change in inductance. The surface needs to be covered with an insulating thin film. This insulating thin film also serves as a surface protection for the inductor, which is a great advantage when applied to an outdoor environment. Needless to say, the insulating thin film should be made of a material having a small dielectric loss.

インダクタのコイル形状については、同一レイヤ(層)にインダクタ配線が形成できるスパイラル形状を採用し、少なくともその上に、絶縁性薄膜が積層される構造とすることで、製造プロセスの簡便性が図られる。   As for the coil shape of the inductor, a spiral shape capable of forming the inductor wiring on the same layer (layer) is adopted, and at least the insulating thin film is laminated thereon, thereby simplifying the manufacturing process. .

また、水分による誘電損失の少ない1GHz帯(L−バンド)の周波数のマイクロ波を使用するため、必要とされる磁場の磁束密度が十数mT〜数十mTであれば良い。このため、使用する永久磁石として、磁力の強いネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石等でなく、安価なフェライト磁石で良い、というメリットもある。また、更に安価な、ゴムやプラスチックをバインダーとしてフェライト磁性粉を混練成形したボンド磁石(ゴム磁石、塩ビ磁石、プラスチック磁石とも呼ばれる)を使用することも可能である。   In addition, since a microwave having a frequency of 1 GHz band (L-band) with little dielectric loss due to moisture is used, the magnetic flux density of the required magnetic field may be from several tens of mT to several tens of mT. For this reason, there is also an advantage that an inexpensive ferrite magnet may be used as a permanent magnet to be used instead of a strong neodymium magnet, samarium cobalt magnet, alnico magnet or the like. It is also possible to use a bond magnet (also called a rubber magnet, a vinyl chloride magnet, or a plastic magnet) in which ferrite magnetic powder is kneaded and molded using rubber or plastic as a binder.

[実施の形態]
以下、本発明の実施の形態におけるESR装置について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るESR装置の構成図である。
[Embodiment]
Hereinafter, an ESR apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of an ESR apparatus according to an embodiment of the present invention.

本実施の形態のESR装置は、小型化、軽量化に加え、低コスト化が図られた装置であって、インダクタ201と、フェライトを含有する永久磁石202と、、交流電圧源機能と周波数掃引機能とインダクタンス計測機能とを兼ね備えた計測器203と、インダクタ201の上に積層された絶縁性薄膜204とを備えている。計測器203は、電流供給手段と周波数掃引手段とインダクタンス計測手段とを構成している。   The ESR device according to the present embodiment is a device that is reduced in cost in addition to being reduced in size and weight, and includes an inductor 201, a permanent magnet 202 containing ferrite, an AC voltage source function, and a frequency sweep. A measuring instrument 203 having both a function and an inductance measuring function, and an insulating thin film 204 laminated on the inductor 201 are provided. The measuring instrument 203 constitutes a current supply means, a frequency sweep means, and an inductance measurement means.

図2はインダクタ201の平面図、図3は図2のA−A線断面図である。インダクタ201は、アルミや金等の導体からなる第1の配線層201aと、この第1の配線層201aよりも下層に形成されたアルミや金等の導体からなる第2の配線層201bとから構成される。第1の配線層201aと第2の配線層201bとの間は、図3に示すように絶縁性薄膜206によって絶縁される。絶縁性薄膜206および第1の配線層201aの表面は、絶縁性薄膜204によって覆われている。   2 is a plan view of the inductor 201, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. The inductor 201 includes a first wiring layer 201a made of a conductor such as aluminum or gold, and a second wiring layer 201b made of a conductor such as aluminum or gold formed below the first wiring layer 201a. Composed. The first wiring layer 201a and the second wiring layer 201b are insulated by an insulating thin film 206 as shown in FIG. The surfaces of the insulating thin film 206 and the first wiring layer 201a are covered with the insulating thin film 204.

第1の配線層201aの始点は、ビア209により、絶縁性薄膜204上に形成されたアルミや金等の導体からなる表層パッド207と接続されている。第2の配線層201bの始点は、ビア210により第1の配線層201aと接続され、第2の配線層201bの終点は、ビア211により第1の配線層201aと接続されている。そして、第1の配線層201aの終点は、ビア212により、絶縁性薄膜204上に形成されたアルミや金等の導体からなる表層パッド208と接続されている。こうして、2層の配線層201a,201bによって平面視スパイラル状のインダクタ201を製作することができる。インダクタ201と計測器203との間は、表層パッド207,208を介して接続されている。   The starting point of the first wiring layer 201 a is connected to a surface layer pad 207 made of a conductor such as aluminum or gold formed on the insulating thin film 204 by a via 209. The starting point of the second wiring layer 201b is connected to the first wiring layer 201a by the via 210, and the end point of the second wiring layer 201b is connected to the first wiring layer 201a by the via 211. The end point of the first wiring layer 201a is connected to a surface layer pad 208 made of a conductor such as aluminum or gold formed on the insulating thin film 204 by a via 212. In this way, the inductor 201 having a spiral shape in a plan view can be manufactured by the two wiring layers 201a and 201b. The inductor 201 and the measuring instrument 203 are connected via surface layer pads 207 and 208.

絶縁性薄膜204,206としては、使用するマイクロ波周波数帯での誘電損失εrが0.01以下であることが必須である(文献「“マイクロ波テクノロジー 基本的な計算”,PUSCHNER,<http://www.pueschner.com/basics/berechnung_jp.php>」参照)。誘電損失εrの値が4×10-4である石英(酸化シリコン)は、絶縁性薄膜204,206の材料として好適であることは言うまでもない(文献「“石英ガラスの特性について”,MARUWA,<http://www.maruwa-g.com/products/faq/images/quartz_chara.pdf>」参照)。 It is essential for the insulating thin films 204 and 206 that the dielectric loss εr in the microwave frequency band to be used is 0.01 or less (refer to the document ““ Microwave Technology Basic Calculation ”, PUSCHNER, <http: //www.pueschner.com/basics/berechnung_en.php> ”). It goes without saying that quartz (silicon oxide) having a dielectric loss εr value of 4 × 10 −4 is suitable as a material for the insulating thin films 204 and 206 (refer to the document “About the characteristics of quartz glass”, MARUWA, <http://www.maruwa-g.com/products/faq/images/quartz_chara.pdf> ”).

測定対象物である試料205は、スパイラル状のインダクタ201の内側に位置する絶縁性薄膜204上に配置される。こうして、上から見ると、測定対象物である試料205が、スパイラル状のインダクタ201によって取り囲まれたような位置関係となる。   A sample 205 as a measurement object is disposed on an insulating thin film 204 positioned inside the spiral inductor 201. Thus, when viewed from above, the sample 205 as the measurement object is in a positional relationship surrounded by the spiral inductor 201.

磁性材料としてフェライトを含有する永久磁石202は、測定対象物である試料205に、例えば、十数mT〜数十mTの磁束密度を有する直流磁場を印加することができる。この永久磁石202は、例えば接着剤によって絶縁性薄膜206の下面に貼り付けられ、固定されている。   A permanent magnet 202 containing ferrite as a magnetic material can apply a DC magnetic field having a magnetic flux density of, for example, tens of mT to several tens of mT to a sample 205 that is a measurement object. The permanent magnet 202 is attached and fixed to the lower surface of the insulating thin film 206 with an adhesive, for example.

計測器203は、インダクタ201に交流電流を供給する機能と、その交流電流の角周波数を掃引する機能とを有し、さらに、その交流電流の角周波数ごとにインダクタ201のインダクタンスを計測する機能を有している。   The measuring instrument 203 has a function of supplying an alternating current to the inductor 201, a function of sweeping the angular frequency of the alternating current, and a function of measuring the inductance of the inductor 201 for each angular frequency of the alternating current. Have.

このときの周波数掃引により、測定対象物である試料205におけるESRスペクトルがインダクタンスの変化として観測される。図示しない算出手段は、式(1)の関係式から、測定対象物である試料205のg値を算出することができ、この値より、測定対象物である試料205を同定することができる。また、同時に、算出手段は、観測されたESR信号の強度から、測定対象物である試料205の濃度を算出することができる。以上のような試料205のg値や濃度の算出処理は、同業者であれば自明の技術である。算出手段は、CPU(Central Processing Unit)、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。CPUは、記憶装置に格納されたプログラムに従って算出処理を実行する。   By the frequency sweep at this time, the ESR spectrum in the sample 205 as the measurement object is observed as a change in inductance. The calculation means (not shown) can calculate the g value of the sample 205 as the measurement object from the relational expression of the equation (1), and can identify the sample 205 as the measurement object from this value. At the same time, the calculation means can calculate the concentration of the sample 205 as the measurement object from the intensity of the observed ESR signal. The calculation process of the g value and concentration of the sample 205 as described above is a technique that is obvious to those skilled in the art. The calculation means can be realized by a computer having a CPU (Central Processing Unit), a storage device, and an interface, and a program for controlling these hardware resources. The CPU executes calculation processing according to a program stored in the storage device.

次に、本実施の形態の予備実験結果について説明する。この予備実験では、測定対象物である試料205として、TEMPOL(4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl)を用い、また、絶縁性薄膜204,206として、誘電損失εrが0.01以下であるポリベンゾオキサゾール(PBO;住友ベークライト社製)を用いた。   Next, the preliminary experiment result of this embodiment will be described. In this preliminary experiment, TEMPOL (4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl) is used as the sample 205 which is a measurement object, and dielectric loss εr is used as the insulating thin films 204 and 206. Polybenzoxazole (PBO; manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) that is 0.01 or less was used.

ここでは、インダクタ201の配線幅を20μm、配線間隔を10μm、スパイラルの内径を300μmとした。   Here, the wiring width of the inductor 201 is 20 μm, the wiring interval is 10 μm, and the inner diameter of the spiral is 300 μm.

本予備実験では、スパイラル状のインダクタ201の内側に位置する絶縁性薄膜204の上に、マイクロシリンジ(例えば、針外径200μmのキャピラリーシリンジ、(株)伊藤製作所製)を用いて、81.3μMのTEMPOL溶液(溶媒はイソプロピルアルコール)を1μl滴下し乾燥させることで、測定対象物である試料205を配置した。   In this preliminary experiment, a microsyringe (for example, a capillary syringe having a needle outer diameter of 200 μm, manufactured by Ito Manufacturing Co., Ltd.) is used on the insulating thin film 204 positioned inside the spiral inductor 201. 1 μl of TEMPOL solution (solvent is isopropyl alcohol) was dropped and dried to place the sample 205 as a measurement object.

磁束密度が10.8mTのフェライトを含有する磁石(例えば、コクヨS&T株式会社製のマグネットシート、型番マク−S340)を永久磁石202として利用し、約10MHz〜10GHzの範囲で計測器203から出力される交流電流の角周波数を掃引した。なお、計測器203としては、N5230A 10MHz−40GHz PNA−L Network Analyzer(Agilent Technologies製)を利用した。   A magnet containing a ferrite with a magnetic flux density of 10.8 mT (for example, a magnet sheet manufactured by KOKUYO S & T Co., Ltd., model number Mac-S340) is used as the permanent magnet 202 and is output from the measuring instrument 203 in a range of about 10 MHz to 10 GHz. The angular frequency of the alternating current was swept. As the measuring instrument 203, N5230A 10MHz-40GHz PNA-L Network Analyzer (manufactured by Agilent Technologies) was used.

図4、図5は、計測器203によって計測されたインダクタ201のインダクタンスを示す図である。図4、図5の横軸は角周波数、縦軸はインダクタンスである。   4 and 5 are diagrams showing the inductance of the inductor 201 measured by the measuring instrument 203. FIG. 4 and 5, the horizontal axis represents angular frequency, and the vertical axis represents inductance.

図4は、上記のTEMPOL溶液(試料205)を滴下しない状態で計測されたインダクタ201のインダクタンスを示す図である。試料205を滴下していないため、ESRに由来する特徴的変化は観測されなかった。   FIG. 4 is a diagram showing the inductance of the inductor 201 measured without dropping the above TEMPOL solution (sample 205). Since the sample 205 was not dripped, the characteristic change derived from ESR was not observed.

図5は、スパイラル状のインダクタ201の内側に位置する絶縁性薄膜204の上に、上記のTEMPOL溶液(試料205)を1μl滴下し乾燥させた後に計測されたインダクタ201のインダクタンスを示す図である。約48.4MHz付近でESRに由来する特徴的変化が観測された。即ち、共鳴角周波数ω0は48.4MHzとして検出された。 FIG. 5 is a diagram showing the inductance of the inductor 201 measured after 1 μl of the TEMPOL solution (sample 205) is dropped on the insulating thin film 204 located inside the spiral inductor 201 and dried. . A characteristic change derived from ESR was observed around 48.4 MHz. That is, the resonance angular frequency ω 0 was detected as 48.4 MHz.

この共鳴角周波数ω0を共鳴周波数ν0に変換して式(1)に代入することで、g値が2.0058と求まる。このg値から、測定対象物である試料205はTEMPOL(4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl)であることが同定される。 By converting this resonance angular frequency ω 0 to the resonance frequency ν 0 and substituting it into the equation (1), the g value is obtained as 2.0058. From this g value, it is identified that the sample 205 which is a measurement object is TEMPOL (4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl).

上記のように、本実施の形態では、インダクタ201のインダクタンスのマイクロ波周波数依存性に基づいて測定対象物のESRスペクトルが観測可能になるため、寸法制限を有する従来のESR装置の空洞共振器を不要とし、装置全体の小型化を図ることが可能となる。また、空洞共振器の制限を受けることなく交流電流の角周波数を自由に設定することが可能となるメリットがある。   As described above, in the present embodiment, since the ESR spectrum of the measurement object can be observed based on the microwave frequency dependence of the inductance of the inductor 201, the cavity resonator of the conventional ESR device having a size limit is provided. It becomes unnecessary, and it is possible to reduce the size of the entire apparatus. Further, there is an advantage that the angular frequency of the alternating current can be freely set without being restricted by the cavity resonator.

さらに、本実施の形態では、測定対象物である試料205に印加される外部磁場の強度(磁束密度)は角周波数(周波数)と密接な関係にあるが、インダクタ201に供給する交流電流の角周波数を自由に設定することが可能となるため、室外への持ち出しに適した磁場印加手段として、例えば軽量なフェライトを含有する永久磁石202を用いることが可能となる。   Furthermore, in the present embodiment, the intensity (magnetic flux density) of the external magnetic field applied to the sample 205 as the measurement object is closely related to the angular frequency (frequency), but the angle of the alternating current supplied to the inductor 201 is Since the frequency can be freely set, for example, a permanent magnet 202 containing lightweight ferrite can be used as a magnetic field applying means suitable for taking out to the outdoors.

本発明の電子スピン共鳴装置は、小型化、軽量化、低コスト化を図ったことで、室外環境においても電子スピン共鳴スペクトルが容易に観測可能になるという効果を奏し、特に、活断層の年代測定や水質浄化、悪臭分解、排ガス中有害物質分解、土壌汚染物質の除去、ダイオキシン分解といった環境評価などに有用となる。   The electron spin resonance apparatus of the present invention achieves an effect that an electron spin resonance spectrum can be easily observed even in an outdoor environment by reducing the size, weight, and cost. It is useful for environmental evaluation such as measurement, water purification, malodor decomposition, decomposition of harmful substances in exhaust gas, removal of soil pollutants, and dioxin decomposition.

201…インダクタ、201a,201b…配線層、202…永久磁石、203…計測器、204,206…絶縁性薄膜、205…試料、207,208…表層パッド、209〜212…ビア。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 201 ... Inductor, 201a, 201b ... Wiring layer, 202 ... Permanent magnet, 203 ... Measuring instrument, 204, 206 ... Insulating thin film, 205 ... Sample, 207, 208 ... Surface layer pad, 209-212 ... Via.

Claims (3)

測定対象物の電子スピン共鳴スペクトルを観測する電子スピン共鳴装置において、
前記測定対象物に磁場を印加する磁場印加手段と、
前記測定対象物を囲むように配置されたスパイラル状のインダクタと、
前記インダクタに交流電流を供給する電流供給手段と、
前記交流電流の角周波数を掃引する周波数掃引手段と、
前記周波数掃引手段によって掃引した角周波数ごとに、前記インダクタのインダクタンスを計測するインダクタンス計測手段とを備え、
前記インダクタは、誘電損失が0.01以下の絶縁性薄膜で覆われ、
前記試料は、スパイラル状の前記インダクタの内側に位置する前記絶縁性薄膜の上に配置されることを特徴とする電子スピン共鳴装置。
In an electron spin resonance apparatus that observes an electron spin resonance spectrum of a measurement object,
Magnetic field applying means for applying a magnetic field to the measurement object;
A spiral inductor arranged so as to surround the measurement object;
Current supply means for supplying an alternating current to the inductor;
Frequency sweeping means for sweeping the angular frequency of the alternating current;
Inductance measuring means for measuring the inductance of the inductor for each angular frequency swept by the frequency sweep means,
The inductor is covered with an insulating thin film having a dielectric loss of 0.01 or less,
The electron spin resonance apparatus, wherein the sample is disposed on the insulating thin film positioned inside the spiral inductor.
請求項1記載の電子スピン共鳴装置において、
前記磁場印加手段は、磁性材料としてフェライトを含有する永久磁石であることを特徴とする電子スピン共鳴装置。
The electron spin resonance apparatus according to claim 1.
The electron spin resonance apparatus, wherein the magnetic field applying means is a permanent magnet containing ferrite as a magnetic material.
請求項1または2記載の電子スピン共鳴装置において、
さらに、前記インダクタンス計測手段によって計測されたインダクタンスの変化から観測される共鳴角周波数に基づいて電子スピン共鳴パラメータであるg値を算出する算出手段を備えることを特徴とする電子スピン共鳴装置。
The electron spin resonance apparatus according to claim 1 or 2,
The electron spin resonance apparatus further comprises calculation means for calculating a g value which is an electron spin resonance parameter based on a resonance angular frequency observed from a change in inductance measured by the inductance measurement means.
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