JP6483042B2 - Ｅｐｒプローブヘッド用のマイクロ波共鳴器、及び該共鳴器を備えるｅｐｒプローブヘッド - Google Patents

Description

本発明は、ＥＰＲ（電子常磁性共鳴）プローブヘッド用のマイクロ波共鳴器、及び該共鳴器を備えるＥＰＲプローブヘッドに関し、このＥＰＲプローブヘッドのためのマイクロ波共鳴器は、マイクロ波電界エネルギの偶数個の極大値を有する電磁マイクロ波共鳴モードを支持する金属キャビティ本体と、共鳴器の中心位置にサンプル管を挿入するための少なくとも１つの開口であって、開口の中心と共鳴器の中心位置とがｘ軸を規定する少なくとも１つの開口と、共鳴器中にマイクロ波放射を伝送するための少なくとも１つの開口と、ｘ軸とこのｘ軸に直角なｚ軸とを含む「Ｅ界節平面」として知られる平面に対して対称的に位置する少なくとも２つの同等の誘電体要素とを備える。また、本発明は、小さいに磁石エアギャップのためのＥＰＲマイクロはキャビティにも関する。

上記タイプのデバイスは特許文献１から知られる。

ＥＰＲ方法では、サンプル上で可変の温度条件で測定を実施することがしばしば望ましいか又は必要でさえある。マイクロ波界で未知の常磁性サンプルを照射する装置は、ＥＰＲプローブヘッドと呼ばれる。可変の温度条件を達成するのを容易にするために、プローブヘッドは通常、ＥＰＲサンプル挿入機構に同軸であるクライオスタットの内側に置かれる。クライオスタット自体は、分割コイル磁石の極間に置かれるか、又はソレノイド磁石のボア内に置かれる。

Ｘ帯域（８〜１２ＧＨｚ）又はより高い周波数におけるＥＰＲ実験では、磁石ギャップ又はソレノイドボアのサイズが、ＥＰＲシステムの所有経費における重要な要素になる。そのようなサイズ制約は、ＥＰＲプローブヘッドの設計及び性能にも直接影響を及ぼす。例えば、Ｘ帯域又はより低い周波数では、標準の空気充填されたＥＰＲプローブヘッドは、通常のクライオスタット内に適合しない。マイクロ波伝送のために導波路の代わりに同軸伝送線路を使用することが必要であるが、一方、マイクロ波共鳴器について、プローブヘッドの一部として、この状況は、これまで、ループギャップ共鳴器（例えばフレックスラインプローブヘッドのための分割リング及びＢＬＧＲソリューションについての特許文献２を参照）又は円筒形誘電体装荷共鳴キャビティ（例えばフレックスラインプローブヘッドのためのサファイア円筒形ＴＥ０１１モードソリューションについての特許文献３又は特許文献４を参照）を構築することによって緩和されている。

ＥＮＤＯＲ又はＥＰＲ−ＤＮＰのような電子核デュアルスピン共鳴実験では、サンプルボリュームへのマイクロ波界とＲＦ界との適用の効率を同時に最適化することがしばしば必要とされる。最適なＥＰＲ及び各ＮＭＲ機能の制約を満たすことは、装置の設計及び性能に影響を直接及ぼす。

別の適用例、ＥＰＲＩ（ＥＰＲ画像化）方法は、ＥＰＲマイクロ波キャビティ内で未知のサンプルにおいて磁気勾配を生じさせるために複数組のコイルの存在を必要とする。これらのコイルのための固定具は、ＥＰＲマイクロ波キャビティの敏感な部分からできる限り機械的に分離されるべきである。キャビティが円対称性を有する場合、空間制約により、これは達成するのが極めて困難である。

ＥＰＲプローブヘッドについてのマイクロ波概念への実験条件、特に温度の影響を観察することが特に興味深い。

室内温度条件における高感度ＥＰＲ適用について、最先端のＥＰＲプローブヘッドは、平坦形の空気充填されたマイクロ波キャビティを含む（例えば、矩形ＴＥ１０２、円筒形ＴＭ１１０及びリエントラントモードプローブヘッドについての特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５を参照）。

可変の温度実験条件のために、最先端のＥＰＲプローブヘッドは、共鳴キャビティのサイズを減少させるために、特にＬ，Ｓ，Ｃ及びＸ帯域において、ループギャップ共鳴キャビティ又は誘電体装荷共鳴キャビティのいずれかを介して構築される。

室温において従来使用された前述の平坦な共鳴器幾何学的形状の３つのバージョンについてはここでは省略する。代わりに、サンプル長さ方向に沿って円対称性を有する誘電体装荷された共鳴器又はループギャップに基づくソリューションが見つけられ得る。実際、共鳴モード対称性についてのそのような選択は、マイクロ波問題のＥＰＲ側を最適化するように特に適合され、充填率パラメータが最も重要であるとこれまで見なされている。キャビティ装荷のために２つ以上の誘電体要素の同軸スタックを使用するための試みも考察されたが、有用であるよりも困難であることが判明した。さらには、現代ではＥＰＲ適用の数がますます増えているため、誘電体装荷のために単一の要素を使用するマイクロ波キャビティの幾何学的形状は、性能と使用安定性との間の好適な得失評価を得ることにおいて深刻な課題をも提示する。

ＥＰＲ、ＥＰＲ−ＥＮＤＯＲ／ＤＮＰ及びＥＰＲＩ可変温度プローブヘッドの性能と品質との向上を達成することが本発明の目的である。これは、誘電体要素がＥＰＲサンプル管の外径に匹敵する厚さを有する、誘電体装荷されたマイクロ波矩形ＴＥ０１２又は円筒形ＴＭ１１０共鳴モードに基づく、平坦な幾何学的形状の共鳴器によって実現される。可変温度条件における又は狭い磁石ギャップのためのＥＰＲを目的としたこの新しいマイクロ波キャビティのための概念設計の完全な開示が、本発明の焦点である。

特定の背景技術
特許文献６は、ＥＰＲのための冷却されたマイクロ波共鳴器について説明している。空気充填された矩形ＴＥ１０２又は円筒形ＴＭ１１０共鳴器を冷却するためにノッチ付きデュワーが使用される。

特許文献７は、図２及び図５において（それぞれ本図８Ａ及び８Ｂを参照）、ＥＰＲのための標準の空気充填された矩形ＴＥ１０２及び円筒形ＴＭ１１０共鳴器を示している。

特許文献１は、サンプルに沿ってＲＦ界均一性を改善するために誘電体材料を採用するマイクロ波共鳴器の様々な構成について説明している。特に、（特許文献１の図４から採択された）図８Ｃは、２つの誘電体プレートがサンプルの両側に延長するマイクロ波共鳴器を示す。

特許文献１の目的はサンプルにおいて電磁ＲＦ界を均質化することであるので、誘電体プレートは、本図８Ｃに示されているようにサンプルの近くに位置する。（特許文献１の図１から採択された）図８Ｄに示されているように、共鳴モードの電界Ｅは、サンプルの中心の左側及び右側に２つの極大値を有する。特許請求されたその機能を達成するために、図８Ｃの誘電体プレートは、電界の極大値をもつ領域中に延ばすべきでないが、電界がより小さい周辺領域中にそれらの延伸を増やすべきである。特許請求されるように、そのような目的では、第１の要件は、インサートのための全体的な凹形幾何学的形状である。さらには、第２の関節的要件は、様々な誘電特性をもつ一般的サンプルが共鳴器中にあるときにＲＦ界の均質化を維持することである。垂直方向において誘電体インサートは、サンプル及び共鳴器と同じサイズを有するが、共鳴器の最短側に沿って、それらは、サンプルと比較してより長いが、共鳴器の長さと比較してより短い。しかしながら、ＥＰＲ共鳴器において充填率がより高くなると、サンプルからのＥＰＲ信号強度を線形的に決定する、キャビティのＱ値における得失評価が必要になることが知られている。また、サンプルボリュームを限定すると、ＥＰＲ信号強度における線形の得失評価が必要になることが知られている。これらの２つの得失評価は、特許請求された充填率の増加によってもたらされる利点を打ち消すことがあり、この技術的解決策の適用範囲において得失評価が行われる。また別の特定の態様では、Ｘ帯域における高感度低バックグラウンドＥＰＲプローブヘッドのクラスを考慮すると、特許文献１におけるこの手法の使用は、標準の２インチアクセスボアをもつクライオスタットにおいて使用されることを可能にするために共鳴器サイズの十分な低減を実現しないが、既知の低バックグラウンド誘電体を使用して誘電体装荷を介して共鳴器サイズを減少させるためのいかなる試みも、上記の特許請求された仮定から期待される肯定的な効果を低減するか又は打ち消すことになる。

米国特許第３，７５７，２０４号明細書 独国特許出願公開第３３００７６７Ａ１号明細書 独国特許出願公開第４１２５６５５Ａ１号明細書 独国特許出願公開第４１２５６５３Ａ１ 米国特許第３，９３１，５６９号明細書 米国特許第３，１２２，７０３号明細書 米国特許第３，９３１，５６９号明細書

本発明では、上記で説明した既存の方法の１つ又は複数の欠点及び得失評価を実質的に克服する方法について説明する。

本発明の１つの主要な目的は、狭いギャップ（＜２ｃｍ）磁石又はクライオスタットに適合する小さいサイズを達成する低バックグラウンド信号の高感度ＥＰＲ共鳴器を提案することにある。

本発明の別の目的は、ＥＰＲサンプルの静磁界又は低周波界照射の高効率なＥＰＲ共鳴器を提案することにある。

本発明によれば、これらの目的は、各誘電体要素が、マイクロ波電界エネルギの極大値領域と等しく重なるように幾何学的に形成され配置されるという点で、上記で説明したデバイスを修正することによって達成される。

本発明では、誘電体装荷のために使用される材料は低誘電率を示し得、例えば、テフロン、Ｒｅｘｏｌｉｔｅ及び石英はすべて、マイクロ波特性に優れ、固有ＥＰＲ信号がないために、ＥＰＲにおいて使用するための特別の重要性がある。

別の態様では、狭いギャップ磁石又はクライオスタットに適合する、ＥＰＲ共鳴器の最適化された幾何学的形状を取得するための技術的解決策は、ＥＰＲ共鳴器中に突出するか又は突出しない平面幾何学的形状をもつ低周波界磁コイルの積重ね（変調、高速掃引、勾配又はＥＮＤＯＲ）を可能にする幾何学的形状にある。この最適化された幾何学的形状は、ＥＰＲサンプルにおいて高効率のマイクロ波及びＲＦ照射を可能にすると考えられ、これらのコイルスタックとＥＰＲ共鳴器との間の近接度の増加により、熱的、マイクロ波及び機械的悪影響を最小限に抑えながら、高感度ＥＰＲ測定をもたらす。

本発明の好ましい変形態様
本発明の好ましい実施の形態では、誘電体要素の各々は、ｘ軸に平行な軸に沿って延長される。この手段によって、マイクロ波モードの対称性が温存され、充填率が最適化される。

本発明のさらなる実施の形態では、サンプル管を挿入するための開口の寸法に対する誘電体要素の厚さの比は、両方とも共鳴器のｚ軸の方向において、０．５から１．５の範囲内にある。この範囲内で、充填率は最適化され、共鳴器の厚さは最小限に抑えられ得る。

本発明の別の実施の形態では、重なりは、マイクロ波電界エネルギの少なくとも５０％が誘電体要素内に閉じ込められるようになる。少なくとも５０％の重なりは、共鳴器のサイズを最小限に抑えることを助け、どんなサンプルの挿入後でもマイクロ波モードを維持する。

本発明のさらに別の実施の形態では、共鳴器は、サンプル管を挿入するための開口又は誘電体要素の厚さのうちいずれか大きい方に等しいｚ軸に沿った最も小さい内部拡張を有する平坦な構造を有する。平坦な構造は、共鳴器の外側への様々な界磁コイルの配置を可能にする。

本発明のさらなる実施の形態では、誘電体要素は、キャビティ本体の共鳴周波数を変更するような方法で調整可能である。それにより、共鳴器は様々な実験条件に適合され得る。

本発明の実施の形態の別のクラスでは、共鳴器のマイクロ波キャビティは、誘電体装荷された矩形ＴＥ１０２又は円筒形ＴＭ１１０共鳴モードで動作し、誘電体要素は、マイクロ波Ｅ界極大値のポイントに対してセンタリングされてｘ軸に平行に置かれる。指定されたモードの使用は、共鳴器と誘電体要素との単純な設計を可能にする。

実施の形態のこのクラスの第１の変形態様では、共鳴器は円筒形である。この形状は、円筒形共鳴器モードのために最適化される。

実施の形態のこのクラスの第２の変形態様では、共鳴器はボックス形である。この形状は、矩形共鳴器モードのために最適化される。

本発明の実施の形態のさらなるクラスは、キャビティ本体とサンプル管とを横断する低周波磁界を生じさせるための少なくとも１組のコイルによって特徴づけられ、コイルは、少なくとも部分的に共鳴器内に位置し、キャビティ本体の外側への接続は、ｚ軸に直角であるキャビティ本体の側壁における開口によって実現される。これにより、適用される低周波磁界は、それがサンプルに極めて近いので、ＥＰＲサンプルに極めて効率的に結合される。この態様では、コイルの巻きは共鳴器中に十分に含まれず、それにより、共鳴器におけるマイクロ波モードへのコイルの影響が最小限に抑えられる。

実施の形態のこのクラスの第１の変形態様では、コイルの巻線は、完全にキャビティ本体の外側にある。これにより、共鳴器におけるマイクロ波モードへの影響がなくなる。

他の変形態様では、キャビティ本体内のコイルの巻線の部分は、ｘ軸にほぼ平行に配向している。ｘ軸に平行な配向によって、マイクロ波モードにおける影響が最小限に抑えられる。

このクラスの実施の形態は、共鳴器が、共鳴器内の界磁コイルへのアクセスを提供するための開口を有する金属被覆されたサイドプレートを備えるという点で、さらに改善され得る。それにより、界磁コイルの効率がさらに最適化される。

本発明はまた、上記で説明したマイクロ波共鳴器と、ｚ軸に沿って静磁界中に位置する共鳴器を保持するためのハウジングとをもつＥＰＲプローブヘッドを備える。

本発明によるそのようなＥＰＲプローブヘッドの好ましい実施の形態は、共鳴器のキャビティ本体がクライオスタットの最内壁から離間した状態でプローブヘッドがクライオスタットの内側に置かれ、クライオスタットと共鳴器との間の空間は、主磁界変調及び／又は勾配界を生じるため且つ／又はＥＮＤＯＲ又はＮＭＲ励起及び検出のための電磁界のために低周波平面コイルの積重ねを含むモジュールを装備することとを特徴とする。

本発明のこれらのならびに他の目的及び利点は、添付の図面とともに、本発明の現在好ましい例示的な実施の形態についての以下の詳細な説明の綿密な研究を通してより良く理解され、了解され得る。

本発明の前述の及び他の特徴及び利点を当業者にとってより明らかするために、本発明の好ましい実施の形態について、添付の図面を参照することによって以下で詳細に説明し、ここで、同一の番号は同じ部分を表す。

本発明の実施の形態の３次元断面図である。 クライオスタット内に位置する本発明に係るマイクロ波共鳴器を備えるＥＰＲプローブヘッドの水平中間平面を通る概略断面図である。 矩形ＴＥ１０２共鳴モードに適用される本発明に係るＥＰＲマイクロ波共鳴器の第１の実施の形態の垂直中間平面を通る概略断面図である。 円筒形ＴＭ１１０モードに適用される本発明に係るＥＰＲマイクロ波共鳴器の第２の実施の形態の垂直中間平面を通る概略断面図である。 図３Ａの実施の形態をより詳細に示す図である。 図３Ｂの実施の形態をより詳細に示す図である。 本発明に係るＥＰＲ共鳴器の実施の形態において使用される誘電体要素のいくつかの可能な形状のいくつかの概略３次元図である。 Ａ〜Ｆは、それぞれ、プロットにおいて、高Ｅ界（エネルギ）の領域中で誘電体装荷（重なり）を増加させる影響を示す図である。 Ａ〜Ｆは、それぞれ、誘電体インサートのボリューム全体内で局所化された電気エネルギ対キャビティ中で囲まれたモードの総電気エネルギのパーセント量を示す図である。 サンプルに平行なサイドプレートからＥＰＲ共鳴器中に部分的に突出している界磁コイルの実施の形態の概略図である。 従来技術文献から採択された図である。 従来技術文献から採択された図である。 従来技術文献から採択された図である。 従来技術文献から採択された図である。

本発明に係る新規のＥＰＲ実験セットアップの簡略化された一例が図１に示されている。誘電体４ａ，ｂが装荷された平坦なマイクロ波キャビティ１は、可変温度クライオスタット５と、主静磁界を生じる外部磁石の磁石極２１と、ＥＰＲ実験においてＥＰＲキャビティ及び常磁性サンプル２を横切る変調磁界を生じさせるための変調コイル７とを伴って示されている。サンプルは、大部分が、測定されるべき物質を保持している管からなる。サンプルの位置に関係する共鳴器の特徴についての説明において、これは、サンプルの収容のために提供される空間と同等であることを理解されたい。明瞭化のために、機械的又はマイクロ波標準実装形態に関する他のすべての詳細（ＥＰＲ使用に関係するマイクロ波共鳴を励起するために必要な様々な支持体、同軸マイクロ波伝送線路及びマイクロ波結合構造）については抑制した。

本発明の目的は、ＥＰＲプローブヘッドのための薄い平面形状のマイクロ波共鳴キャビティを開示することにある。共鳴器は、中心ＥＰＲサンプルに対して対称的に置かれた、等しい形状及び物理的性質の２つの誘電体要素を装荷される。プローブヘッド中に収容されるとき、共鳴器は、主要磁石極間のミラー対称面によっても収容される。

図２は、ＥＰＲサンプルアクセス軸に対する横断平面における断面によってこの構成を表す。切断平面の高さは、ＥＰＲアクティブ領域の中間を通って設定される。

ＥＰＲマイクロ波キャビティは、金属キャビティ本体１と、２つの側方サイドプレート３Ａ及び３Ｂとから構成される。これらの３つの要素は、マイクロ波界の漏れをなくすために、それらの接触線全体にわたって連続的に電気的に接続される。キャビティ本体１は、ＥＰＲサンプル２のためのアクセスボア１２、及び絞りアパーチャ又は同軸アンテナフィード（図示しない）を介した標準マイクロ波結合構造のためのアクセスボア１３など、他の開口を有する。

磁石極（図示しない）は、共鳴器のｚ軸（６）と通常は一致する軸に沿って配向された均一な静磁界を生じる。ＥＰＲ方法によって測定されるべき未知の常磁性サンプル２は、円筒形の融解石英管の中に含まれており、軸６及び８に直角に配向され、軸（８）は、磁石のフロントバック軸と通常呼ばれるｙ軸を規定する。サンプルを挿入するための開口１２の中心と共鳴器の中心位置とは、ｘ軸（１１）を規定する。電界は、ｘ軸とｘ軸に直角なｚ軸とを含んでいる節平面（「Ｅ界節平面」）を有する。節平面では、Ｅ界振幅が消える。共鳴器は、キャビティ本体１と常磁性サンプル２とを横断する低周波磁界を生じさせるための少なくとも１組の変調コイル７によって特徴づけられ、この変調コイル７は、少なくとも部分的に共鳴器内に位置し、キャビティ本体１の外側への接続は、ｚ軸に直角であるキャビティ本体１の側壁における開口によって実現される。変調コイル７の巻線は、完全にキャビティ本体１の外側にあってもよく、キャビティ本体１内の変調コイル７の巻線の部分は、ｘ軸１１にほぼ平行に配向していてもよい。共鳴器は、共鳴器内の変調コイル７へのアクセスを提供するための開口を有する金属被覆されたサイドプレート３ａ，３ｂを備える。

本発明によれば、ＥＰＲマイクロ波キャビティは、ＥＰＲサンプル２の動作位置に対して対称的に置かれた２つの同等の誘電体インサート４Ａ及び４Ｂを含んでおり、軸８上のそれらの位置は、近似的に、軸６に沿った極大マイクロ波電界成分、したがって、電界エネルギの極大値のロケーションである。それらの正確な位置は、使用されるマイクロ波モードと、インサート４Ａ及び４Ｂ並びにＥＰＲサンプル２の形状及び誘電特性を含む、ＥＰＲキャビティ１の詳細とによって決定され、共鳴周波数チューニングの理由のために調整可能であり得る。誘電体インサート４Ａ及び４Ｂの形状の詳細については以下で後述する。

軸６に直角であるサイドプレート３Ａ及び３Ｂは、ＥＰＲ適用により（ＤＣから数ＭＨｚまでの）低周波磁界がキャビティ全体と未知のＥＰＲサンプル２とを貫通することが可能になるための、標準のマイクロ波材料及び構造を使用して実現される。例えば、変調コイル７Ａ及び７Ｂによって、変調界が共鳴器の外側に生じ得る。金属サイドプレート３Ａ及び３Ｂは、十分に薄く、局所的に開かれ得、それにより、高周波マイクロ波の漏洩が回避されるが、軸６に沿ってこのキャビティの外側に置かれ軸８に関して対称的に置かれたそれぞれのコイルによって生じる低周波界の貫通が増加する。代案として、サイドプレートのそのような局所的開口は、ＥＰＲキャビティ内の低周波界磁コイル（例えば、高速掃引又はＥＮＤＯＲコイル）の挿入のために使用され得る（図７参照）。ただし、どちらの場合も、低いマイクロ波の漏れのための条件が満たされる必要がある。サイドプレートから界磁コイルのためのアクセスを提供することは、ＣＷ−ＥＰＲにとって新規である。

図２は、請求されるＥＰＲキャビティのサイズと、可変温度クライオスタット５内のそれの配置とに関して本発明に関係するいくつかの重要な態様を反映する。

第１に、低周波平面コイルを収容するために利用可能な空間、すなわち、キャビティサイドプレート３Ａとキャビティサイドプレート３Ｂとの間の空間が十分であることと、クライオスタット５によって課される幾何学的限界が、円対称性のＥＰＲキャビティのための現在の最先端の解決策と比較して劇的に増加していることとが容易に観察される。

第２の重要な態様は、ＥＰＲキャビティのボリュームによってではなくサンプル２の外径のみによって規定される、サンプル２に対してできる限り小さい距離で低周波コイルを置く可能性である。

特許請求されたＥＰＲキャビティの第３の利点は、誘電体インサート４Ａ及び４Ｂの形状及び構成を指す。それらの幾何学的形状は、サンプルの幾何学的形状及び性質に従って、マイクロ波キャビティパラメータ（例えば、キャビティ形状及びボリューム、所望の動作モードでの共鳴周波数、品質及び充填率）の所望の機能あるいはキャビティ中の他の様々な金属又は誘電体インサート（例えば、Ｅｎｄｏｒコイルのペア）の存在に従ってサンプル上でのマイクロ波磁界分布の所望の形状を取得するために、場合ごとに適応され得る。

所与のＥＰＲ適用にマイクロ波キャビティを一致させるこの概念的フレキシビリティは、この本発明の主要な利点を表す。図５は、ＣＷ、パルス化、ＥＰＲイメージングのような所与の適用への最適化のために、請求されるＥＰＲキャビティにおいて使用され得る誘電体インサートの様々な他の幾何学的形状を示している。

誘電体装荷なしの矩形ＴＥ１０２モード又は円筒形ＴＭ１１０モードのいずれのための共鳴周波数も、大部分は、ｚ軸に沿ったキャビティ厚さに依存しない。同じ２つの共鳴モードのための誘電体装荷の場合、結果は大きく異なる。誘電体要素の厚さとキャビティの厚さとの間の比の異なる値は、ＴＥ１０２モードとＴＭ１１０モードとの共鳴周波数に影響を及ぼすことになる。

４Ａ及び４Ｂのためにより高い誘電率の誘電体材料を使用すると、厚さ比とともに共鳴周波数の変化が高められる。大きい範囲のＥＰＲ適用（例えば、高感度、パルス化ＥＰＲなど。一般的な態様は、Ｃｈａｒｌｅｓ Ｐ． Ｐｏｏｌｅによる「Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ」、１９９７年、９７８−０−４８６−６９４４４−３（ＩＳＢＮ）において見いだされ得る）のための最適な解決策を取得するために、ｚ軸に沿った誘電体要素４Ａ及び４Ｂの厚さは、サンプル管２を挿入するための開口１２に対して０．５×から１．５×の範囲内で変化することが有利である。誘電体要素の相対サイズが最適範囲内にない場合、システムの品質は低くなる（例えば、感度、Ｂ１）。

また、本発明によれば、ｚ軸に沿ったキャビティの総厚さは、誘電体要素４Ａ及び４Ｂの厚さ、又はサンプル管２を挿入するための開口１２のいずれか大きい方にほぼ等しくするべきである。

図３Ａ及び図３Ｂは、矩形ＴＥ１０２モードと円筒形ＴＭ１１０モードを示す、本発明の２つの好ましい実施の形態のマイクロ波関係の要素を示している。

これらの２つの図は、ｙ軸８とｘ軸１１との平面によって規定される平面におけるＨ界（磁束）パターン９を示している。両方の図において、すべての要素は等しく標示され、同じ機能を有するが、一方、図２におけるのと同じ意味をも保持する。サンプルを貫通する磁界線のみが、サンプルにおいて常磁性スピンからの共鳴吸収信号に影響を及ぼしているので、サンプルにおいて電界の存在は、通常無視されるべきである。ＥＰＲ共鳴器と共鳴モードのそれらの選択とは、この条件を満たし、強い電界の領域は、誘電体要素の形状及び位置の好適な選択によってサンプルから離れて置かれる。矩形ＴＥ１０２及び円筒形ＴＭ１１０モードでは、（誘電体装荷の影響を含む）Ｅ界の極大値は、近似的に、軸８に沿ったサンプル中心と共鳴器のそれぞれの壁との間の中間に位置する。

図４Ａ及び図４Ｂでは、それぞれ図３Ａ及び図３Ｂにおけるのと同じ断面平面が、誘電体インサート支持体１０を含む構成要素をより詳細に示すために使用されている。

支持体１０は、誘電体インサート４Ａ及び４Ｂの長手方向及び横断方向の幾何学的形状に、且つキャビティ本体１及びサイドプレート３Ａ及び３Ｂに適応される。したがって、これらのすべてはマイクロ波概念と技術実装の双方において可変であるので、矩形形状の使用は、本発明の意味内に限定しているものと見なされるべきではない。

誘電体インサートの仮定された矩形幾何学的形状について、同じ非限定的な考慮が確認される必要があり、この選択は、本発明の好ましい実施の形態の説明に関係するものにすぎない。現実の装置では、それらの横断面は、正方形、矩形、円筒形、管状、楕円形、さらにはこれらの組合せであり得（図５におけるいくつかのオプションを参照）、また、要素４Ａ及び４Ｂの断面は、本開示で説明する装置で動作するためにはそれらの長さに沿って一定であるべきではないことが明らかなはずである。誘電体要素４Ａ及び４Ｂは、電界エネルギの好ましくは５０％を上回るものがこれらの要素の中心領域内に閉じ込められるように、図６ＡのＤ〜Ｆのプロットに例示されているように、高Ｅ界マイクロ波領域中に著しく突出する中心領域を有することのみが要求されるべきである。

図６Ａは、高Ｅ界の領域中で誘電体装荷（重なり）を増加させる影響を示している。これら図は、それぞれのプロットにおいて別様に整形された（明確化のために透明に示された）２つの誘電体要素を含んでいる矩形共鳴器の外縁を示している。線は、矩形ＴＥ１０２モードの等しい電界強度の等値線を示し、共鳴器の壁において最低値になる。同時に、Ｅ界等値線はマイクロ波のＢ１界線を表す。電界エネルギは電界の２乗に比例するので、これらの図は電界エネルギの変化をも記述している。

図６Ａの最初の３つのプロットであるＡ〜Ｃ（１２．８ＧＨｚ、１２．１ＧＨｚ及び１１．６ＧＨｚ）では、特許文献１と同様の「凹形誘電体要素」によって誘起される影響が示されている。Ｅ界分布は、サンプル２に平行な方向においてより延長されたように見え、特許文献１において必要とされるように、Ｂ１界の空間均一性が改善されている。

図６Ｂの最後の３つのプロットであるＤ〜Ｆ（１１．０ＧＨｚ、１０．５ＧＨｚ及び９．７４ＧＨｚ）では、２つの誘電体要素がＥ界極大値の領域と重なり、それにより、共鳴器内に電気エネルギの「合焦した」分布が生じる。わかるように、誘電体要素間のサンプル領域におけるＢ１界の均一性が減少している。さらに、誘電体要素の寸法の増加、すなわち、誘電体装荷の増加が、共鳴の周波数のわずかな減少をもたらしている。本発明によれば、極大Ｅ界の位置との中心誘電体領域の重なりは、これらの領域中に含まれる電気的エネルギがキャビティ中でマイクロ波エネルギ全体の５０％を上回る場合、機能するのを止めず、したがって、形状及び誘電強度のどのような選択についても同じ共鳴モードが持続する。これは図６Ｂに示されている。

図６ＢのＡ〜Ｆは、図６ＡのＡ〜Ｆにおけるのと同じ構成について、誘電体インサートのボリューム全体内で局所化された電気エネルギ対キャビティ中で囲まれたモードの総電気エネルギのパーセント量を示す。前のパラグラフにおける影響の可視化を高めるために、これらのプロットは、ｘ−ｙ平面における電気「エネルギ密度」の分布を表す。円のサイズはこの「エネルギ密度」の量を表す。円の黒／白表示は、「エネルギ密度」の全範囲の５０％を通過した／逃した、それらの円の「エネルギ密度」の値を表す。

図７は、ｘ軸（１１）とｚ軸（６）とによって規定される平面に平行な切断におけるマイクロ波共鳴器を示している。サンプル管２が共鳴器中に挿入され、図の左側に延び。サイドプレート３ａ及び３ｂは共鳴器の側部をカバーする。低周波磁界を生じるために使用されるコイル（７ｃ、７ｄ）は、サイドプレート（３ａ、３ｂ）中のホールを通ってキャビティ本体を横断している。コイルの巻線は、少なくとも部分的に共鳴器の内側に位置する。共鳴器中の巻線の部分は、ｘ軸（１１）に沿った全般的配向を有する。

パラメータの明らかな定義のために、共鳴器の厚さＴは、Ｅ界節平面に直角でｘ軸に平行であるキャビティを制限している２つの平行な平面間の距離であるとする。共鳴器の高さＨは、ｘ軸に沿って測定されると見なされ、幅Ｗは、ｘ軸とｚ軸とに直角な方向に沿ったキャビティ壁間の最大距離である。

Ｘ帯域（８〜１２ＧＨｚ）におけるマイクロ波共鳴器の好ましい寸法は、Ｗ×Ｈ×Ｔ ２２ｍｍ×（２０＋／−２）ｍｍ×５ｍｍである。

好ましくは、誘電体要素は石英から作られ、例えばＷ×Ｈ×Ｔ ４．５ｍｍ×（１７＋／−２）ｍｍ×４．５ｍｍの矩形寸法を有する。誘電体要素の（中心間の）分離は１１ｍｍである。

本発明のいくつかの特徴のみについて本明細書で図示及び説明したが、当業者には多くの改変及び変更が想到される。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨内に入るすべてのそのような改変及び変更を包含するものであることを理解されたい。

１ キャビティ
２ サンプル
３Ａ サイドプレート
３ａ サイドプレート
３Ｂ サイドプレート
３ｂ サイドプレート
４Ａ 誘電体インサート
４ａ 誘電体
４Ｂ 誘電体インサート
４ｂ 誘電体
５ クライオスタット
７ 変調コイル
７Ｂ 変調コイル
７ｃ コイル
７ｄ コイル
９ パターン
１０ 支持体
１２ 開口
１３ アクセスボア
２１ 磁石極

Claims (15)

1. ＥＰＲ（電子常磁性共鳴）プローブヘッド用のマイクロ波共鳴器であって、
   マイクロ波電界エネルギの偶数個の極大値を有する電磁マイクロ波共鳴モードを支持する金属キャビティ本体（１）と、
   前記共鳴器の中心位置にサンプル管（２）を挿入するための少なくとも１つの開口であって、前記開口の中心と前記共鳴器の前記中心位置とがｘ軸（１１）を規定する少なくとも１つの開口と、
   前記共鳴器中にマイクロ波放射を伝送するための少なくとも１つの開口（１３）と、
   前記ｘ軸と前記ｘ軸（１１）に直角なｚ軸（６）とを含む「Ｅ界節平面」として知られる平面に対して対称的に位置する少なくとも２つの同等の誘電体要素（４ａ，４ｂ）とを備え、
   各誘電体要素（４ａ，４ｂ）は、前記マイクロ波電界エネルギの極大値領域と等しく重なるように幾何学的に形成され配置される共鳴器。
2. 前記誘電体要素（４ａ，４ｂ）の各々は、前記ｘ軸（１１）に平行な軸に沿って延びることを特徴とする請求項１に記載の共鳴器。
3. 前記サンプル管（２）を挿入するための開口の寸法に対する前記誘電体要素（４ａ，４ｂ）の厚さの比は、前記共鳴器の前記ｚ軸（６）の両方向において、０．５から１．５の範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の共鳴器。
4. 前記重りは、前記マイクロ波電界エネルギの少なくとも５０％が前記誘電体要素（４ａ，４ｂ）内に閉じ込められるようになることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の共鳴器。
5. 前記共鳴器は、前記サンプル管（２）を挿入するための前記開口又は前記誘電体要素（４ａ，４ｂ）の前記厚さのいずれか大きい方に等しい前記ｚ軸（６）に沿った最も小さい内部拡張を有する平坦な構造を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか1項に記載の共鳴器。
6. 前記誘電体要素（４ａ，４ｂ）は、前記キャビティ本体（１）の前記共鳴周波数を変更するように調整可能であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の共鳴器。
7. 前記共鳴器は円筒形であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の共鳴器。
8. 前記共鳴器はボックス形であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の共鳴器。
9. 前記キャビティ本体（１）とサンプル管（２）とを横断する低周波磁界を生じさせるための少なくとも１組の変調コイル（７）によって特徴づけられ、前記変調コイル（７）は、少なくとも部分的に前記共鳴器内に位置し、前記キャビティ本体（１）の外側への接続は、前記ｚ軸に直角である前記キャビティ本体（１）の側壁における開口によって実現されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の共鳴器。
10. 前記変調コイル（７）の巻線は、完全に前記キャビティ本体（１）の外側にあることを特徴とする請求項９に記載の共鳴器。
11. 前記キャビティ本体（１）内の前記変調コイル（７）の前記巻線の部分は、前記ｘ軸（１１）にほぼ平行に配向していることを特徴とする請求項９に記載の共鳴器。
12. 前記共鳴器は、前記共鳴器内の前記変調コイル（７）へのアクセスを提供するための開口を有する金属被覆されたサイドプレート（３ａ，３ｂ）を備えることを特徴とする請求項９又は１１のいずれか１項に記載の共鳴器。
13. 前記共鳴器の前記マイクロ波キャビティは、誘電体装荷された矩形ＴＥ１０２又は円筒形ＴＭ１１０共鳴モードで動作すると共に、前記誘電体要素（４ａ，４ｂ）は、マイクロ波Ｅ界極大値のポイントに対してセンタリングされた前記ｘ軸（１１）に平行に置かれることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の共鳴器。
14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載のマイクロ波共鳴器と、ｚ軸（６）に沿って静磁界中に位置する前記共鳴器を保持するためのハウジングとを備えるＥＰＲプローブヘッド。
15. 前記プローブヘッドは、前記共鳴器の前記キャビティ本体（１）が前記クライオスタット（５）の最内壁から離間した状態でクライオスタット（５）の内側に置かれ、前記クライオスタット（５）と前記共鳴器との間の空間は、主磁界変調及び／又は勾配界を生じるため、且つ／又はＥＮＤＯＲ又はＮＭＲ励起及び検出のための電磁界のための低周波平面コイルの積み重ねを含むモジュールを装備することを特徴とする請求項１４に記載のＥＰＲプローブヘッド。