JP7114425B2 - Electron spin resonance measurement device and its adjustment method - Google Patents
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Description
本発明は、電子スピン共鳴(Electron Spin Resonance:以下場合により「ESR」ともいう。)測定装置及びその調整方法に関し、特に、高周波磁場方向の調整に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electron spin resonance (hereinafter also referred to as "ESR" in some cases) measurement apparatus and adjustment method thereof, and more particularly to adjustment of the high-frequency magnetic field direction.
一般に、電子スピン共鳴を測定する場合、静磁場の中に置かれたキャビティ(共振器)内にサンプルが配置される。キャビティ内において、サンプル中の電子スピンに対して電磁波エネルギーが与えられる。その電磁波エネルギー(hν)と静磁場(Bo)によるゼーマンエネルギー(gμBo)とが一致したとき、サンプルにおいて電磁波エネルギーが吸収され、その現象が電子スピン共鳴として観測される。ここで、hはプランク定数であり、νは電磁波の周波数であり、gはg値であり、μは電子の磁気モーメントである。特許文献1には、電子スピン共鳴測定用のキャビティの一例が示されている。
Generally, when measuring electron spin resonance, a sample is placed in a cavity (resonator) placed in a static magnetic field. Within the cavity, electromagnetic energy is imparted to the electron spins in the sample. When the electromagnetic wave energy (hν) matches the Zeeman energy (gμBo) due to the static magnetic field (Bo), the sample absorbs the electromagnetic wave energy, and the phenomenon is observed as electron spin resonance. where h is Planck's constant, ν is the frequency of the electromagnetic wave, g is the g-value, and μ is the magnetic moment of the electron.
キャビティ内においては、電磁波により高周波磁場(B1)が生じる。選択則(選択律)によれば、交換される量子数の差ΔMsが±1である場合に遷移が許容される。その遷移は許容遷移と呼ばれる。選択則に従う電子スピン共鳴を観測するためには、高周波磁場の方向が静磁場の方向に対して垂直になるように、高周波磁場が形成される。そのような高周波磁場の共振モードは磁場直交モード(B⊥モード)と称される(Bに添えられている記号は垂直又は直交を意味する記号である)。一般的な電子スピン共鳴測定では、磁場直交モード用のキャビティを用いて、電子スピン共鳴が観測される。 Within the cavity, the electromagnetic waves generate a high-frequency magnetic field (B 1 ). According to the selection rule, a transition is allowed if the difference ΔMs of the quantum numbers exchanged is ±1. That transition is called an allowed transition. In order to observe electron spin resonance that obeys the selection rule, the radio-frequency magnetic field is formed such that the direction of the radio-frequency magnetic field is perpendicular to the direction of the static magnetic field. Such a resonance mode of a high-frequency magnetic field is called a magnetic field orthogonal mode (B⊥ mode) (the symbol attached to B means vertical or orthogonal). In general electron spin resonance measurements, electron spin resonance is observed using a cavity for magnetic field orthogonal modes.
一方、選択則に反する条件(例えばΔMs=±2)の下で、遷移が生じる場合がある。そのような異常な遷移は禁制遷移と呼ばれる。例えば、サンプル中に含まれる分子のスピン角運動量Sの値が整数(S≧1)をとる場合や、ΔMs=±1と核スピンの遷移ΔMI=±1が同時に生じた場合に、禁制遷移が生じる。禁制遷移が生じた場合にも、電子スピン共鳴が観測される。 On the other hand, transitions may occur under conditions that violate the selection rule (eg, ΔMs=±2). Such abnormal transitions are called forbidden transitions. For example, when the value of the spin angular momentum S of the molecules contained in the sample is an integer (S≧1), or when ΔMs=±1 and the nuclear spin transition ΔMI=±1 occur simultaneously, the forbidden transition occurs. occur. Electron spin resonance is also observed when forbidden transitions occur.
観測されたESRスペクトル中に、許容遷移に対応するピーク(許容遷移ピーク)と禁制遷移に対応するピーク(禁制遷移ピーク)とが混在している場合、両者を識別することは一般に困難である。これに関し、デュアルモードキャビティ(Dual mode cavity)と呼ばれる特殊な共振器を用いて、禁制遷移を選択的に観測する方法が提案されている。デュアルモードキャビティは、1つの空洞共振器内において、比較的小さな周波数差(例えば数百MHzの周波数差)で2つの共振モードを実現させる特殊なキャビティである。そのようなキャビティにおいて、一方の共振モードにより、サンプル付近に、静磁場に直交する高周波磁場が形成され(磁場直交モード)、許容遷移及び禁制遷移による電子スピン共鳴が観測される。他方の共振モードでは、サンプル付近に静磁場に平行な高周波磁場が形成され(磁場平行モード)、禁制遷移による電子スピン共鳴だけが観測される。磁場平行モードはB∥モードと表記される(Bに添えられている記号は平行を意味する記号である)。 When peaks corresponding to allowed transitions (allowed transition peaks) and peaks corresponding to forbidden transitions (forbidden transition peaks) are mixed in the observed ESR spectrum, it is generally difficult to distinguish between the two. In this regard, a method has been proposed for selectively observing forbidden transitions using a special resonator called a dual mode cavity. A dual-mode cavity is a special cavity that achieves two resonant modes with a relatively small frequency difference (for example, a frequency difference of several hundred MHz) within one cavity resonator. In such a cavity, one resonant mode forms a high-frequency magnetic field near the sample that is orthogonal to the static magnetic field (magnetic field orthogonal mode), and electron spin resonance due to allowed transitions and forbidden transitions is observed. In the other resonance mode, a high-frequency magnetic field parallel to the static magnetic field is formed near the sample (magnetic field parallel mode), and only electron spin resonance due to forbidden transitions is observed. The magnetic field parallel mode is written as B∥ mode (the symbol attached to B is a symbol that means parallel).
静磁場座標系に対して高周波磁場座標系が整合していない場合、正しい測定結果を得られない。例えば、磁場平行モードにおいては、本来的には、ESRスペクトルに禁制遷移ピークだけが生じる筈であるが、2つの座標系の間にずれがあると、ESRスペクトルに禁制遷移ピークの他、許容遷移ピークも生じてしまう。キャビティの設置に際しては、静磁場に対してそれが正しい向きとなるように、キャビティの位置及び姿勢が定められる。しかし、その位置及び姿勢に誤差が生じることもあり、また、キャビティ内に試料管やサンプルを配置した段階で、実際の高周波磁場方向が理想的な方向(磁場直交モードでは静磁場方向に対して直交する方向、磁場平行モードでは静磁場方向に対して平行な方向)からずれてしまうこともある。 Correct measurement results cannot be obtained if the high-frequency magnetic field coordinate system does not match the static magnetic field coordinate system. For example, in the parallel magnetic field mode, only forbidden transition peaks should occur in the ESR spectrum, but if there is a deviation between the two coordinate systems, the ESR spectrum will show forbidden transition peaks and allowed transition peaks. A peak also occurs. When installing the cavity, the position and orientation of the cavity are determined so that it is correctly oriented with respect to the static magnetic field. However, there may be errors in the position and orientation of the specimen, and when the sample tube or sample is placed in the cavity, the actual direction of the high-frequency magnetic field is not ideal (in the magnetic field orthogonal mode, it is different from the static magnetic field direction). It may deviate from the orthogonal direction (the direction parallel to the static magnetic field direction in the magnetic field parallel mode).
本発明の目的は、高周波磁場方向のずれを解消又は軽減できる電子スピン共鳴測定装置及びその調整方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electron spin resonance measurement apparatus and an adjustment method thereof that can eliminate or reduce the deviation of the high-frequency magnetic field direction.
実施形態に係る電子スピン共鳴測定装置は、静磁場を発生する静磁場発生器と、サンプルに対して電子スピン共鳴を生じさせる高周波磁場を与えるキャビティと、前記キャビティ内に前記サンプルが配置された状態において、前記静磁場の方向に対して前記高周波磁場の方向が所定の関係になるように前記高周波磁場の方向を調整する調整手段と、を含むことを特徴とするものである。 An electron spin resonance measurement apparatus according to an embodiment includes a static magnetic field generator that generates a static magnetic field, a cavity that applies a high-frequency magnetic field that causes electron spin resonance to a sample, and a state in which the sample is placed in the cavity. and adjusting means for adjusting the direction of the high-frequency magnetic field so that the direction of the high-frequency magnetic field has a predetermined relationship with the direction of the static magnetic field.
上記構成によれば、調整手段によって、高周波磁場の方向を静磁場の方向に整合させることが可能となる。すなわち、高周波磁場座標系を静磁場座標系に正しく合わせることが可能となる。調整手段は、静磁場に対してキャビティの向きを相対的に変更する機構であり、キャビティの位置及び姿勢を調整してもよいし、静磁場発生器の位置及び姿勢を調整してもよい。一般に、静磁場発生器は大掛かりで重いので、キャビティ側を動かした方が有利である。調整方法として、機械的な調整の他、電気的な調整が考えられる。 According to the above configuration, it is possible to match the direction of the high-frequency magnetic field with the direction of the static magnetic field by the adjustment means. That is, it is possible to correctly match the high-frequency magnetic field coordinate system with the static magnetic field coordinate system. The adjustment means is a mechanism for changing the orientation of the cavity relative to the static magnetic field, and may adjust the position and posture of the cavity or the position and posture of the static magnetic field generator. In general, since the static magnetic field generator is large and heavy, it is more advantageous to move the cavity side. As an adjustment method, mechanical adjustment as well as electrical adjustment can be considered.
実施形態において、前記調整手段は、前記静磁場発生器と前記キャビティとの間の空間的関係を調整する機械的調整機構である。実施形態において、前記機械的調整機構は、前記静磁場の座標系に対して前記高周波磁場の座標系を少なくとも2軸周りにおいて相対的に回転させる機構である。 In embodiments, said adjustment means is a mechanical adjustment mechanism for adjusting the spatial relationship between said static magnetic field generator and said cavity. In one embodiment, the mechanical adjustment mechanism is a mechanism that rotates the coordinate system of the high-frequency magnetic field about at least two axes relative to the coordinate system of the static magnetic field.
実施形態において、前記キャビティは、磁場直交モード及び磁場平行モードの両モードにおいて、前記高周波磁場を生じさせる機能を有する。 In embodiments, the cavity functions to generate the high-frequency magnetic field in both a magnetic field orthogonal mode and a magnetic field parallel mode.
実施形態に係る電子スピン共鳴測定装置は、前記キャビティに対してマイクロ波を供給する導波管を含み、前記導波管は、マイクロ波発生器側の固定部分と、前記キャビティに接続された可動部分と、前記固定部分と前記可動部分との間を繋ぐフレキシブル部分と、を含む。フレキシブル部分によれば、可動部分が移動してもマイクロ波を確実に伝送することが可能となる。 An electron spin resonance measurement apparatus according to an embodiment includes a waveguide that supplies microwaves to the cavity, and the waveguide includes a fixed portion on the microwave generator side and a movable portion connected to the cavity. and a flexible portion connecting between the fixed portion and the movable portion. The flexible portion enables reliable transmission of microwaves even when the movable portion moves.
実施形態に係る方法は、電子スピン共鳴測定装置において、静磁場の方向に対して、サンプルを収容したキャビティ内において生じる高周波磁場の方向を合わせる調整方法であって、前記キャビティを試行的に回転させて複数の回転角度に対応する複数の電子スピン共鳴信号を取得する試行工程と、前記複数の電子スピン共鳴信号に基づいて方向ずれを特定する特定工程と、前記方向ずれが解消されるように前記キャビティを回転させる調整工程と、を含むことを特徴とするものである。方向ずれの演算及びキャビティの回転がマニュアルで実行されてもよい。 A method according to an embodiment is an adjustment method for matching the direction of a high-frequency magnetic field generated in a cavity containing a sample with respect to the direction of a static magnetic field in an electron spin resonance measurement apparatus, wherein the cavity is rotated on a trial basis. a trial step of acquiring a plurality of electron spin resonance signals corresponding to a plurality of rotation angles by means of a retrieving step; a specifying step of specifying a misorientation based on the plurality of electron spin resonance signals; and an adjustment step of rotating the cavity. Calculation of misorientation and rotation of the cavity may be performed manually.
実施形態において、前記複数の電子スピン共鳴信号の取得に際しては、電子スピン共鳴スペクトルにおける許容遷移ピーク及び禁制遷移ピークの少なくとも一方が観測される。 In an embodiment, at least one of a permitted transition peak and a forbidden transition peak in an electron spin resonance spectrum is observed when acquiring the plurality of electron spin resonance signals.
本発明によれば、高周波磁場方向のずれを解消又は軽減できる。 According to the present invention, it is possible to eliminate or reduce the deviation of the direction of the high-frequency magnetic field.
(1)一般的なESR測定装置及び課題の説明
図1には、一般的なESR測定装置の概略が示されている。図示されたESR測定装置は、CW法に従って電子スピン共鳴を測定する装置である。
(1) Common ESR Measuring Apparatus and Description of Problems FIG. 1 shows an outline of a common ESR measuring apparatus. The illustrated ESR measurement apparatus is an apparatus for measuring electron spin resonance according to the CW method.
測定対象であるサンプル10は、キャビティ12内に配置されている。キャビティ12にはマイクロ波が供給される。キャビティ12は空洞であり、マイクロ波に対して共振器として働く。キャビティ内に高周波磁場(B1)が生じる。なお、サンプル10は、気体、液体又は固体である。
A
静磁場発生器14は、静磁場(B0)を生成する一対の電磁石コイル等によって構成される。電子スピン共鳴を生じさせるために、静磁場の強度が掃引される。あるいは、電子スピン共鳴を生じさせる強度をもった静磁場が生成される。図示の構成例では、静磁場発生器14とサンプル10との間に、磁場変調コイル16が配置されている。磁場変調コイル16は、静磁場への重畳により静磁場を変調する変調磁場を生成するものである。磁場変調コイル16には、磁場変調信号発生器24で生成された磁場変調信号が与えられている。マイクロ波発生器18は、マイクロ波を生成するものである。アッテネータ20は、生成されたマイクロ波のパワーつまり強度を調整する回路である。アッテネータを通過したマイクロ波がサーキュレーター22を介してキャビティ12へ導入されている。
The static
静磁場の掃引過程において、一定の共鳴条件が満たされると、サンプル内の電子スピンがマイクロ波と相互作用して共鳴状態となる。このとき、キャビティ12の同調バランスが崩れ、変調周波数で振動する反射波がキャビティ12から漏れ出す。キャビティ12から漏れ出た反射波は、サーキュレーター22を通って、反射波信号として、検波回路25に入力される。検波回路25は、反射波信号に対してマイクロ波周波数信号を混合することによって反射波信号を検波する回路である。検波回路25の出力信号は、アンプ30を介して、例えばロックインアンプとして構成された位相検波器32に入力され、そこで位相検波される。位相検波器32には、磁場変調信号発生器24で生成された磁場変調信号と同じ周波数を有する検波用信号が入力されている。その検波用信号がアンプ30から出力された信号に混合される。これにより検波後の信号としてDC信号が生成される。そのDC信号がA/D変換器34においてデジタル信号に変換され、変換後のデジタル信号がパーソナルコンピュータ(PC)36に入力される。PC36においてはESRスペクトルが生成される。
In the sweeping process of the static magnetic field, when certain resonance conditions are met, the electron spins in the sample interact with the microwaves and enter a resonance state. At this time, the tuning balance of the
図1に示されているキャビティ12は2つの共振モードを生じさせる機能を有する。それらの共振モードの内で、一方は、TE102モードであり、それは磁場直交モードである。他方は、TE012モードであり、それは磁場平行モードである。
The
図2には、キャビティ12が示され、またTE102モードが示されている。なお、Y方向が静磁場(B0)の方向であり、それに直交する2方向がX方向及びZ方向である。ここではZ方向が高周波磁場(B1)の方向である。符号10Aはサンプルが導入される方向を示している。
図3には、キャビティ12の平面図が示されている。キャビティ12の中央部にサンプルが存在している。その場所において、静磁場(B0)の方向に対して高周波磁場(B1)の方向が直交している。
A plan view of the
図4には、上記の磁場直交モードにおいて取得され得るESRスペクトルの一部分が模式的に示されている。横軸は静磁場強度を示しており、縦軸はESR測定信号の強度を示している。図中、右側のピークが許容遷移ピークであり、左側のピークが禁制遷移ピークである。 FIG. 4 schematically shows part of an ESR spectrum that can be acquired in the magnetic field orthogonal mode described above. The horizontal axis indicates the static magnetic field strength, and the vertical axis indicates the strength of the ESR measurement signal. In the figure, the right peak is the allowed transition peak, and the left peak is the forbidden transition peak.
図5には、上記の磁場直交モードにおいて実際に取得されたESRスペクトル38が示されている。サンプルは、Mn2+/MgO粉末である。図5において、符号40で示す記号は許容遷移(許容遷移が生じ得る静磁場強度)を示しており、符号42で示す記号は禁制遷移(禁制遷移が生じ得る静磁場強度)を示している。ESRスペクトルには複数の禁制遷移ピークが含まれているが、図5においてそれらのピークは非常に小さく、識別困難である。いずれにしても、磁場直交モードでは、許容遷移による電子スピン共鳴及び禁制遷移による電子スピン共鳴の両者が観測され得る。
FIG. 5 shows the
図6には、キャビティ12が示され、またTE012モードが示されている。既に説明した要素には同一符号を付し、その説明を省略する。このことは以下に説明する各図に関しても同様である。
図7には、キャビティ12の平面図が示されている。キャビティ12の中央部にサンプルが存在している。その場所において、静磁場(B0)の方向に対して高周波磁場(B1)の方向が平行になっている。なお、高周波磁場(B1)の向きは周期的に逆転する。
A plan view of the
図8には、上記の磁場平行モードにおいて取得され得るESRスペクトルの一部分が模式的に示されている。図中、右側のピークが禁制遷移ピークである。図8において、許容遷移ピークは認められない。 FIG. 8 schematically shows part of the ESR spectrum that can be acquired in the magnetic field parallel mode described above. In the figure, the right peak is the forbidden transition peak. In FIG. 8, no allowed transition peaks are observed.
図9の下段には、上記の磁場平行モードにおいて実際に取得されたESRスペクトル44が示されている。サンプルは、上記同様、Mn2+/MgO粉末である。なお、図9の上段には、比較のため、図5に示したESRスペクトル38も示されている。
The lower part of FIG. 9 shows the
図9の下段において、符号42で示されている記号は禁制遷移(禁制遷移が生じ得る磁場強度)を示している。ESRスペクトル44には、禁制遷移ピークが含まれるが、許容遷移ピークは含まれていない。すなわち、磁場平行モードでは、基本的に、禁制遷移による電子スピン共鳴のみが観測される。
In the lower part of FIG. 9, the symbol indicated by
次に、座標系のずれ及びそれにより生じる課題について説明する。 Next, the deviation of the coordinate system and the problems caused by it will be described.
図10には、XYZ座標系が示されている。Y方向が静磁場(B0)の方向であり、X方向及びZ方向はY方向に直交する方向である。よって、XYZ座標系は静磁場座標系ともいえる。理想的には、磁場平行モードにおいて、高周波磁場(B1)の方向はY方向に一致している。しかし、キャビティの傾き、キャビティ内の試料管の傾き、他の物質の影響等に起因して、図10に示されるように、高周波磁場の方向がY軸からずれてしまうこともある。同図において、ずれが生じた高周波磁場がB1
*で誇張して表現されている。また、Y軸及び高周波磁場B1
*に直交する方向として主軸50が定義されている。高周波磁場B1
*についてのY軸からの回転角度がαであり、主軸50についてのZ軸からの回転角度がβである。それらはオイラー角と称されている。もう1つのオイラー角はγである。もっとも、通常、磁場平行モードにおける機械的誤差等において問題となるのは、オイラー角α,βであり、以下においてはγ=0と仮定する。
FIG. 10 shows an XYZ coordinate system. The Y direction is the direction of the static magnetic field (B 0 ), and the X and Z directions are directions orthogonal to the Y direction. Therefore, the XYZ coordinate system can also be said to be a static magnetic field coordinate system. Ideally, the direction of the high-frequency magnetic field (B 1 ) coincides with the Y direction in the magnetic field parallel mode. However, due to the inclination of the cavity, the inclination of the sample tube in the cavity, the influence of other substances, etc., the direction of the high-frequency magnetic field may deviate from the Y-axis as shown in FIG. In the figure, the high-frequency magnetic field in which the deviation occurs is exaggerated by B 1 * . A
磁場平行モード(B∥モード)において、理想的状態の高周波磁場B1のベクトルは(0,B1,0)と表現される。回転後の高周波磁場B1
*は、回転行列を利用して、以下の(1)式のように表現される。
上記(1)式中のY成分が静磁場に平行な成分であり、禁制遷移の電子スピン共鳴信号はそのY成分に比例するため、Y軸に平行な高周波磁場成分B∥2は、以下の(2)式のように表現される。
一方、静磁場に垂直な成分は、上記(1)式中のX成分及びY成分のベクトル和として表現され、すなわち、Y軸に直交する高周波磁場成分B⊥2は以下の(3)式のように表現される。
上記の(3)式に示されているように、キャビティの姿勢変化、サンプル管の姿勢変化、その他を原因として、機械的な位置誤差が生じると、禁制遷移のみを観測しているにもかかわらず、許容遷移までが観測されてしまう。 As shown in the above equation (3), when a mechanical position error occurs due to changes in the orientation of the cavity, the orientation of the sample tube, etc., even though only forbidden transitions are observed, Instead, even permissible transitions are observed.
図11には、磁場平行モードで取得されたESRスペクトル48が示されている。そのESRスペクトル48には、禁制遷移ピークの他、許容遷移ピークが含まれている。このような場合、ESRスペクトル48を正しく解析することが困難となる。
FIG. 11 shows an
(2)実施形態の説明
図12には、実施形態に係るESR測定装置が示されている。図1に示した構成と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
(2) Description of Embodiment FIG. 12 shows an ESR measuring device according to an embodiment. Components similar to those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
図12において、キャビティ52は、上記同様に、磁場直交モード及び磁場平行モードで動作し得るものである。キャビティ52内には、サンプル54が配置されている。サンプル54としては、例えば、禁制遷移と許容遷移とを同時に観測することが可能な常磁性物質、許容遷移のみを観測することが可能な常磁性物質、があげられる。もっとも、測定方法によっては、それら以外の物質を利用し得る。
In FIG. 12, the
キャビティ52は調整機構56によって保持されている。調整機構56は、キャビティの姿勢を調整するための機構であり、換言すれば、静磁場座標系に対して高周波磁場座標系を整合させて、静磁場方向に高周波磁場方向を一致させるための機構である。その具体的な構成例については、後に図13以降の各図に基づいて説明する。
情報処理装置としてのPC58は、ESR信号を観測する装置であり、PC58においてESRスペクトルが作成される。PC58は、キャビティ52の姿勢を調整するために必要となる演算を実行する演算部60を有している。後述する角度α及び角度βをそれぞれ個別的に可変させた場合におけるESR信号強度の変化が観測される。その観測結果を表すαテーブル64及びβテーブル66が記憶部62上に構築される。αテーブル64及びβテーブル66の参照又は解析により、補正角度(ずれ角度)Δα,Δβが特定される。補正角度Δα,Δβに従ってキャビティの姿勢つまり高周波磁場の向きがマニュアルで調整される。補正角度Δα,Δβの演算及び補正角度Δα,Δβに従う向き調整の制御がPC58において自動的に実行されてもよい。符号67はPC58が調整機構56の動作を制御する場合における制御信号を示している。
The
図13には、調整機構56の要部が模式的に示されている。キャビティ52は、デュアルモードキャビティであり、それは具体的には矩形型空洞共振器である。キャビティ52として、円筒型空洞共振器を用いてもよい。キャビティ52の一方の側面には導波管70が接続されており、キャビティの他方の側面には導波管72が接続されている。導波管70は、磁場直交モードを生じさせるマイクロ波をキャビティ52内に導くものであり、導波管72は、磁場平行モードを生じさせるマイクロ波をキャビティ52内に導くものである。導波管70は、XY断面上において矩形の空洞を有し、その空洞の長手方向はX方向である。導波管72は、XY断面上において矩形の空洞を有し、その空洞の長手方向はY方向である。2つの導波管70,72の途中には間隔調整器96,98が設けられているが、図13において、それらの間隔調整器96,98は概念的に示されている。
FIG. 13 schematically shows a main part of the
2つの導波管70,72は、それらの上端部において水平導波管74に連結されている。水平導波管74には、フレキシブル導波管76の下端部が連結されている。フレキシブル導波管76の上端部には導波管78が連結されている。導波管78内の空洞80が、フレキシブル導波管76内の空洞、及び、水平導波管74内の空洞を介して、各導波管70,72内の空洞に連なり、更にキャビティ52の内部に連なっている。それらの導波路を介してマイクロ波がキャビティ52内に供給され、また、キャビティ52からの反射波がそれらの導波路を介して外部へ出力されている。
Two
導波管78は固定部分であり、それは治具に対して固定されている。水平導波管74及び導波管70,72は形状不変な可動部分である。固定部分と可動部分との間に形状変化可能なフレキシブル部分としてのフレキシブル導波管76が設けられている。固定部分に対する可動部分の位置又は姿勢の変化がフレキシブル導波管76によって許容されている。フレキシブル導波管76は、実施形態において、蛇腹状の構造を有している。フレキシブル導波管として、他の構造を有する導波管を採用してもよい。
なお、導波管78の下端部にはフランジが形成されており、フレキシブル導波管の上端部にもフランジが形成されている。それらのフランジが重合されつつ連結されている。他の連結部分においても同様の構造が採用され得る。
A flange is formed at the lower end of the
導波管78の下端部をなすフランジには固定プレート82が連結されており、フレキシブル導波管76の下端部をなすフランジには可動プレート84が連結されている。固定プレート82は動かない水平板である。可動プレート84は、可動部分と一体化されており、可動部分の姿勢変化に伴って、可動プレート84が運動する。逆に言えば、可動プレート84の姿勢を変化させると、それに伴って可動部分の姿勢が変化する。
A fixed
固定プレート82には、Y方向に離間した2つのネジ90,92が進退可能に固定されている。ネジ90,92の突出量(可動プレート84側への突出量)に応じて、固定プレート82に対する可動プレート84の角度が変化する。これによりキャビティ52が揺動運動する。揺動運動の方向が符号100で示されている。それは角度βが変化する方向である。
Two
固定プレート82には、円周方向に沿って目盛86が設けられている。一方、可動プレート84にはマーカー88が設けられている。固定プレート82は例えば透明又は半透明の材料で構成すれば、目盛86を通じてマーカー88を視認することが可能である。また、可動プレート84には、傾斜角度検出器(水平器)94が設けられている。傾斜角度検出器94は、符号100で示す方向(角度βが変化する方向)における傾斜角度を検出するものである。間隔調整器96,98を利用してキャビティ52を符号102で示す方向に回転させることが可能である。
A
図14は、調整機構56の側面図である。符号104は原点を示している。変調磁場発生器等の図示が省略されている。
14 is a side view of the
ベース110,112により、水平アーム114,116を介して、固定部分としての導波管78が保持されている。ベース110,112及びアーム114,116は治具に相当する。ちなみに、導波管78の先にはサーキュレーターが接続される。固定プレート82と可動プレート84とに跨がって2つのネジ90,92が設けられている。それらの突出量の可変により、可動プレート84の姿勢が定まり、つまり、キャビティ52の傾斜角度が定まる。
上記のように導波管70,72の途中には間隔調整器96,98が設けられている。間隔調整器96の先端部は電磁石14Aが固定されたベース106に当接され、間隔調整器98の先端部は電磁石14Bが固定されたベース108に当接される。間隔調整器96,98の詳細については以下に示す図15を用いて説明する。例えば、角度βを変えながら、磁場平行モードで観測される許容遷移ピークの強度をモニタリングすることにより、補正角度Δβを特定することが可能となる。その後、補正角度Δβに従って角度調整を行うことにより、角度βにおける角度ずれをゼロにすることが可能となる。
図15は、調整機構の平面図である。間隔調整器96は、スリーブ120及び進退ピン122を備える。スリーブ120を回転させると、その回転方向により、ピン122が前進して突出し、又は、ピン122が後退してスリーブ120内に引っ込む。すなわち、スリーブ120及び進退ピン122によって導波管70のY方向の位置が規定される。ホルダ126の内部にはバネ128が設けられ、バネ128によってヘッド130に対して-Y方向への弾性付勢力が与えられている。ベース106と導波管70との間の距離に応じて、ヘッド130の位置が追従変化する。間隔調整器98は、上記間隔調整器96と同様の構成を有し、すなわち、スリーブ132、ピン134、ホルダ136、バネ138、及び、ヘッド140を有している。間隔調整器98により、導波管72のY方向の位置が定められる。
FIG. 15 is a plan view of the adjusting mechanism. The
2つの間隔調整器96,98によれば、原点104を貫く中心軸周りにおいて可動部分及びキャビティ52の角度を可変することが可能である。その角度は、目盛86とマーカー88の位置関係から読み取ることが可能である。例えば、角度αの値を変えながら、磁場平行モードで観測される許容遷移ピークの強度をモニタリングすることにより、補正角度Δαを特定することが可能となる。その後、補正角度Δαに従って角度調整を行うことにより、角度αにおける角度ずれをゼロにすることが可能となる。
The two
次に、図16を用いて、実施形態に係る調整方法について説明する。調整方法の実行に際しては、上記の調整機構が利用される。 Next, an adjustment method according to the embodiment will be described with reference to FIG. 16 . When executing the adjustment method, the adjustment mechanism described above is used.
なお、以下においては、角度βについての調整を行った上で角度αについての調整を行う方法について説明する。もっとも、角度αについての調整を行った上で角度βについての調整を行うようにしてもよい。また、角度αについての角度ずれΔαと角度βについての角度ずれΔβとを独立して個別的に求めておき、2つの角度ずれΔα,Δβの補正を一括して行うようにしてもよい。 A method of adjusting the angle α after adjusting the angle β will be described below. However, the angle β may be adjusted after adjusting the angle α. Alternatively, the angle deviation Δα for the angle α and the angle deviation Δβ for the angle β may be determined individually, and the two angle deviations Δα and Δβ may be corrected collectively.
S10では、静磁場中にキャビティが配置され、キャビティ内にサンプルが配置される。S12では、角度αがゼロにされ、また、角度βがゼロにされる。もっとも、この段階において、角度βに一定の大きさをもった初期値を設定してもよい。同様に、後述するS26の実行前に、角度βをゼロにするとともに、角度αに一定の大きさをもった初期値を設定してもよい。S12では、その他の必要な初期設定が行われる。S14では、磁場平行モードを実行するための準備がなされる。例えば、マイクロ波を供給するチャンネルとして、磁場平行モード用の導波管が選択される。 At S10, a cavity is placed in a static magnetic field and a sample is placed within the cavity. At S12, the angle α is made zero and the angle β is made zero. However, at this stage, the angle β may be set to an initial value having a certain magnitude. Similarly, the angle β may be set to zero and the angle α may be set to an initial value having a certain magnitude before executing S26, which will be described later. At S12, other necessary initial settings are performed. At S14, preparations are made for executing the magnetic field parallel mode. For example, a waveguide for magnetic field parallel mode is selected as the channel for supplying microwaves.
S16では、試行的にESR測定が実行され、ESRスペクトルが生成される。そのESRスペクトルに含まれる、許容遷移ピークの強度(特定の許容遷移ピークの強度、複数の許容遷移ピークの平均強度、等)が観測される。その強度が角度βに対応付けて記録される。その記録がマニュアルで行われてもよい。S16において、許容遷移ピークの強度とともに、禁制遷移ピークの強度が観測及び記録されてもよい。S18では、S16の工程を繰り返し実行するか否かが判断される。S20では、角度βが変更され、その上で、S16が再び実行される。S16の工程の繰り返しにより、複数の角度βに対応する複数の許容遷移ピークの強度からなるテーブル(βテーブル)が作成される。 At S16, a trial ESR measurement is performed to generate an ESR spectrum. The intensity of allowed transition peaks (the intensity of a specific allowed transition peak, the average intensity of a plurality of allowed transition peaks, etc.) included in the ESR spectrum is observed. Its intensity is recorded in association with the angle β. The recording may be done manually. At S16, the intensity of the forbidden transition peak may be observed and recorded along with the intensity of the allowed transition peak. In S18, it is determined whether or not to repeat the step of S16. At S20, the angle β is changed, and then S16 is executed again. By repeating the step of S16, a table (β table) consisting of intensities of a plurality of allowable transition peaks corresponding to a plurality of angles β is created.
S22では、テーブルに基づいて、上記(2)式に基づく関数フィッティングを行うことにより、それにより得られるカーブの極小値から補正角度Δβが求められる。その演算はPCにおいて自動的に実行され、あるいは、マニュアルで実行される。上記極小値をとる状況において、角度βに関して、静磁場の方向と高周波磁場の方向との一致を推定できる。S24では、補正角度Δβに基づいて、キャビティのβ角度が設定される。 In S22, by performing function fitting based on the above equation (2) based on the table, the correction angle Δβ is obtained from the minimum value of the curve obtained thereby. The computation can be performed automatically on the PC or performed manually. In the above local minimum situation, the coincidence of the direction of the static magnetic field and the direction of the radio-frequency magnetic field can be estimated with respect to the angle β. At S24, the β angle of the cavity is set based on the correction angle Δβ.
続いて、角度αについての補正を行うために、S26以降の工程が実行される。S26では、上記S16と同様に、設定された角度αの下で、試行的にESR測定が実行され、ESRスペクトルが生成される。そのESRスペクトルに含まれる、許容遷移ピークの強度(特定の許容遷移ピークの強度、複数の許容遷移ピークの平均強度、等)が観測される。その強度が角度αに対応付けて記録される。その際に、禁制遷移ピークの強度が観測及び記録されてもよい。S28では、S26の工程を繰り返し実行するか否かが判断される。S30では、角度αが変更され、その上で、S26が再び実行される。S26の工程の繰り返しにより、複数の角度αに対応する複数の許容遷移ピークの強度からなるテーブル(αテーブル)が作成される。 Subsequently, steps after S26 are executed to correct the angle α. In S26, similarly to S16 above, ESR measurement is performed on a trial basis under the set angle α to generate an ESR spectrum. The intensity of allowed transition peaks (the intensity of a specific allowed transition peak, the average intensity of a plurality of allowed transition peaks, etc.) included in the ESR spectrum is observed. Its intensity is recorded in association with the angle α. In doing so, the intensity of the forbidden transition peak may be observed and recorded. In S28, it is determined whether or not to repeat the step of S26. At S30, the angle α is changed, and then S26 is executed again. By repeating the step of S26, a table (α table) is created that consists of the intensities of a plurality of allowable transition peaks corresponding to a plurality of angles α.
S32では、テーブルに基づいて、上記(2)式に基づく関数フィッティングを行うことにより、カーブの極小値が特定される。その極小値から補正角度Δαが求められる。その演算はPCにおいて自動的に実行され、あるいは、マニュアルで実行される。上記極小値をとる状況において、角度αに関して、静磁場の方向と高周波磁場の方向との一致を推定できる。S34では、補正角度Δαに基づいて、キャビティのα角度が設定される。以上の調整を経た上で、すなわち、静磁場の方向に対して高周波磁場の方向を正しくした上で、サンプルについてのESRスペクトルが観測される。 In S32, the minimum value of the curve is specified by performing function fitting based on the above equation (2) based on the table. A correction angle Δα is obtained from the minimum value. The computation can be performed automatically on the PC or performed manually. In the above local minimum situation, the coincidence of the direction of the static magnetic field and the direction of the radio-frequency magnetic field can be estimated with respect to the angle α. In S34, the α angle of the cavity is set based on the correction angle Δα. After the above adjustments, that is, after correcting the direction of the high-frequency magnetic field with respect to the direction of the static magnetic field, the ESR spectrum of the sample is observed.
図17には、βテーブルの内容のプロット結果が示されている。角度βがβ1からβ5まで段階的に変更されている。最小値までは到達していない。プロット結果に対する関数フィッティングにより関数150が導出され、その関数150の極小値が推定されている。ここでは、β5を基準として、極小値に対応する角度までの角度間隔として、補正角度Δβが演算されている。つまり、角度ずれ解消のために、現在の角度β5に対してΔβが付加される。角度β=ゼロの地点を基準として、補正角度Δβが演算されてもよい。
FIG. 17 shows plot results of the contents of the β table. The angle β is changed stepwise from β1 to β5. The minimum value has not been reached. A
図18には、αテーブルの内容のプロット結果が示されている。角度αがα1からα5まで段階的に変更されている。最小値までは到達していない。プロット結果に基づくフィッティングにより関数152が導出され、その関数152の極小値が推定される。ここでは、α5を基準として、極小値に対応する角度までの角度間隔として、補正角度Δαが演算されている。つまり、角度ずれ解消のために、現在の角度α5に対してΔαが付加される。角度α=0の地点を基準として、補正角度Δβが演算されてもよい。
FIG. 18 shows plot results of the contents of the α table. The angle α is changed stepwise from α1 to α5. The minimum value has not been reached. A
図19には、角度αについての実験結果が示されている。プロット結果に対する関数フィッティングにより関数154が導出されている。その関数154から補正角度Δαが算出される。
FIG. 19 shows experimental results for the angle α. A
上記実施形態では、許容遷移ピークの最小値を利用したが、禁制遷移ピークの最大値を利用することも可能である。既に説明したように、角度αを先に調整してから角度βを調整してもよい。あるいは、2つの角度補正値を独立して求めておき、最終的に2つの角度補正値を適用してもよい。 In the above embodiment, the minimum value of allowed transition peaks is used, but it is also possible to use the maximum value of forbidden transition peaks. As already explained, the angle α may be adjusted first and then the angle β. Alternatively, the two angle correction values may be obtained independently, and finally the two angle correction values may be applied.
試行的測定と本測定とで同じサンプルを利用してもよいし、異なるサンプルを利用してもよい。実施形態で説明した調整機構は原理を分かり易く説明するためのものであり、その内容は例示に過ぎないものである。なお、1ポートで、磁場直交モード及び磁場平行モードの両モードに対応しているキャビティを利用してもよい。 The same sample may be used for the trial measurement and the main measurement, or different samples may be used. The adjustment mechanism described in the embodiment is for explaining the principle in an easy-to-understand manner, and the content thereof is merely an example. A cavity corresponding to both the magnetic field orthogonal mode and the magnetic field parallel mode may be used with one port.
14 静磁場発生器、52 キャビティ、54 サンプル、58 PC、60 演算部、64 αテーブル、66 βテーブル。
14 static magnetic field generators, 52 cavities, 54 samples, 58 PCs, 60 computing units, 64 α tables, 66 β tables.
Claims (6)
サンプルに対して電子スピン共鳴を生じさせる高周波磁場を与えるキャビティと、
前記キャビティ内に前記サンプルが配置された状態において、前記静磁場の方向に対して前記高周波磁場の方向が直交するように又は平行になるように前記静磁場発生器と前記キャビティとの間の空間的関係を調整する調整手段と、
を含むことを特徴とする電子スピン共鳴測定装置。 a static magnetic field generator for generating a static magnetic field;
a cavity that provides a high frequency magnetic field that induces electron spin resonance for the sample;
A space between the static magnetic field generator and the cavity so that the direction of the high-frequency magnetic field is orthogonal to or parallel to the direction of the static magnetic field when the sample is placed in the cavity. an adjusting means for adjusting the relationship ;
An electron spin resonance measurement device comprising:
前記調整手段は、前記静磁場発生器に対して前記キャビティの位置及び姿勢を調整する機械的調整機構である、
ことを特徴とする電子スピン共鳴測定装置。 In the electron spin resonance measurement device according to claim 1,
The adjustment means is a mechanical adjustment mechanism that adjusts the position and orientation of the cavity with respect to the static magnetic field generator.
An electron spin resonance measurement device characterized by:
前記機械的調整機構は、前記静磁場の座標系に対して前記高周波磁場の座標系を少なくとも2軸周りにおいて相対的に回転させる機構である、
ことを特徴とする電子スピン共鳴測定装置。 In the electron spin resonance measurement device according to claim 2,
The mechanical adjustment mechanism is a mechanism that rotates the coordinate system of the high-frequency magnetic field about at least two axes relative to the coordinate system of the static magnetic field.
An electron spin resonance measurement device characterized by:
サンプルに対して電子スピン共鳴を生じさせる高周波磁場を与えるキャビティと、
前記キャビティ内に前記サンプルが配置された状態において、前記静磁場の方向に対して前記高周波磁場の方向が所定の関係になるように前記高周波磁場の方向を調整する調整手段と、
を含み、
前記キャビティは、磁場直交モード及び磁場平行モードの両モードにおいて、前記高周波磁場を生じさせる機能を有する、
ことを特徴とする電子スピン共鳴測定装置。 a static magnetic field generator for generating a static magnetic field;
a cavity that provides a high frequency magnetic field that induces electron spin resonance for the sample;
adjusting means for adjusting the direction of the high-frequency magnetic field so that the direction of the high-frequency magnetic field has a predetermined relationship with the direction of the static magnetic field when the sample is placed in the cavity;
including
The cavity has a function of generating the high-frequency magnetic field in both magnetic field orthogonal mode and magnetic field parallel mode,
An electron spin resonance measurement device characterized by:
サンプルに対して電子スピン共鳴を生じさせる高周波磁場を与えるキャビティと、
前記キャビティ内に前記サンプルが配置された状態において、前記静磁場の方向に対して前記高周波磁場の方向が所定の関係になるように前記高周波磁場の方向を調整する調整手段と、
を含み、
前記調整手段は、前記静磁場発生器と前記キャビティとの間の空間的関係を調整する機械的調整機構であり、
前記キャビティに対してマイクロ波を供給する導波管が設けられ、
前記導波管は、マイクロ波発生器側の固定部分と、前記キャビティに接続された可動部分と、前記固定部分と前記可動部分との間を繋ぐフレキシブル部分と、を含む、
ことを特徴とする電子スピン共鳴測定装置。 a static magnetic field generator for generating a static magnetic field;
a cavity that provides a high frequency magnetic field that induces electron spin resonance for the sample;
adjusting means for adjusting the direction of the high-frequency magnetic field so that the direction of the high-frequency magnetic field has a predetermined relationship with the direction of the static magnetic field when the sample is placed in the cavity;
including
said adjustment means is a mechanical adjustment mechanism for adjusting the spatial relationship between said static magnetic field generator and said cavity;
a waveguide is provided to supply microwaves to the cavity;
The waveguide includes a fixed portion on the microwave generator side, a movable portion connected to the cavity, and a flexible portion connecting the fixed portion and the movable portion,
An electron spin resonance measurement device characterized by:
前記キャビティを試行的に回転させて複数の回転角度に対応する複数の電子スピン共鳴信号を取得する試行工程と、
前記複数の電子スピン共鳴信号に基づいて方向ずれを特定する特定工程と、
前記方向ずれが解消されるように前記キャビティを回転させる調整工程と、
を含み、
前記複数の電子スピン共鳴信号の取得に際しては、電子スピン共鳴スペクトルにおける許容遷移ピーク及び禁制遷移ピークの少なくとも一方が観測される、
ことを特徴とする電子スピン共鳴測定装置の調整方法。 A method for adjusting the direction of a high-frequency magnetic field generated in a cavity containing a sample with respect to the direction of a static magnetic field in an electron spin resonance measurement apparatus, comprising:
a trial step of trially rotating the cavity to obtain a plurality of electron spin resonance signals corresponding to a plurality of rotation angles;
an identifying step of identifying a misorientation based on the plurality of electron spin resonance signals;
an adjusting step of rotating the cavity so that the misorientation is eliminated;
including
When acquiring the plurality of electron spin resonance signals, at least one of an allowed transition peak and a forbidden transition peak in an electron spin resonance spectrum is observed.
A method for adjusting an electron spin resonance measurement device, characterized by:
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