JP7303259B2 - 複数の導体ループを備える、虹彩アパーチャのためのマイクロ波結合装置 - Google Patents

Description

本発明は、第１のマイクロ波構造体、詳細にはマイクロ波導波管からのマイクロ波放射を、第２のマイクロ波構造体、詳細にはマイクロ波共振空洞に結合させるための結合装置に関し、第１及び第２のマイクロ波構造体は共通の壁を共有し、結合装置が、第１のマイクロ波構造体の側に位置する壁の虹彩開口を介して結合をするものである。詳細には、結合装置は、基本的に円筒形状である。

このような結合装置は、特許文献１から知られている。

電子常磁性共鳴（＝ＥＰＲ）分光法は、常磁性磁気モーメントを有する、特に不対電子を有する試料を調べるための強力なツールである。ＥＰＲ分光法では、試料は通常、マイクロ波共振空洞内で一定の周波数のマイクロ波放射を受け、背景磁場が掃引される。試料によるマイクロ波の吸収が測定され、特にその化学状態及び分子環境に関する試料の特性評価に用いられる。

マイクロ波放射をマイクロ波共振器に導入するために、マイクロ波放射は通常、マイクロ波導波管に供給され、マイクロ波導波管は、共通の壁をマイクロ波空洞と共有する。この壁は、マイクロ波放射がマイクロ波共振器に結合され得る（及びマイクロ波共振器から放出され得る）、虹彩開口と呼ばれる開口を備える。

ＥＰＲ分光実験では、共振空洞の電磁損失が重要である。電磁損失は、いわゆる品質係数（又はＱ値）によって特徴付けられる。品質係数は、マイクロ波共振空洞自体、特にその壁（「内部Ｑ値」、寄与Ｑ_ＩＮＴ）、さらに虹彩開口、特にそのサイズ（寄与Ｑ_ＩＲＩＳ）に依存する。Ｑ_ＩＮＴ及びＱ_ＩＲＩＳから、いわゆる非結合品質係数Ｑ_Ｕが得られる。品質係数は、導波管内の虹彩開口の前に金属結合装置を配置することによっても影響を受け得る。このようにして、虹彩開口近傍の磁場強度は影響を受け、特に増加する可能性があり、これによって、マイクロ波導波管とマイクロ波共振空洞との間の結合（結合係数βの寄与）を増加させる。結果として、いわゆる負荷品質係数Ｑ_Ｌは、マイクロ波空洞に起因するものとすることができる。例えば、非特許文献１と比較。

所望のＥＰＲ測定のタイプに応じて、異なる値の負荷品質係数Ｑ_Ｌが望まれる。ＣＷ－ＥＰＲ（連続波ＥＰＲ）分光法では、試料の信号はＱ_Ｌに比例するため、高い値のＱ_Ｌが望ましい。対照的に、パルスＥＰＲ分光法では、デッドタイムを最小限に抑えるために、低い値のＱ_Ｌが望ましい。さらに、一部の測定では、結合条件を、特に不足結合、臨界結合、及び過結合の間で変更することが望ましい。結果として、ＥＰＲ測定システム用のプローブヘッドは、様々なタイプのＥＰＲ測定のために最適化された測定条件を可能にするために、高ダイナミックレンジを備える必要がある。

負荷品質係数を変更するために、虹彩開口部の前の位置（虹彩開口部に近い磁場強度を最大にするため）と虹彩開口部から離れた位置（虹彩開口部に近い磁場強度を最小にするため）との間で移動可能な結合装置を使用することが知られている。実際には、結合装置を後退させて、虹彩開口部の近くで実質的にゼロの磁場強度を達成することができる。対照的に、結合装置が虹彩開口の近くに配置された状態で、最大結合係数に対応する虹彩開口近傍で達成可能な最大磁場強度Ｂ_ｍａｘは制限され、これによって、（虹彩開口の所与のサイズに対して）下限Ｑ_Ｌ及びダイナミックレンジが決定されることになる。

特許文献１は、同軸線からマイクロ波空洞への結合部を記載しており、金属スタッドが誘電体ねじに配置される。該部におけるスタッドの位置は、ねじを回すことによって調整可能である。

特許文献２は、例えば患者の歯に配置するための検出ポートを有する円筒形の電子常磁性共鳴プローブヘッドを記載している。結合及び調整ユニットは、結合孔の前に配置される。結合定数を調整するために、結合及び調整ユニットは、ねじ状の非金属調整ボルトの端部に取り付けられた金属キャップを備える。

米国特許第３，８９６，４００号 中国特許第１０３ ０３３ ５２６号

Ｊ．Ｇａｏ、「Ａｎａｌｙｔｉｃ Ｆｏｒｍｕｌａｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ β ｂｅｔｗｅｅｎ ａ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ａｎｄ ａ Ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」、Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ ３３０（１９９３）、ｐ．３０６～３０９ａｎｄ ＰＡＣ １９９３，ｐａｇｅ ８６８－８７０．

本発明の目的は、結合係数をより大きくすることができる、特に、ダイナミックレンジをより大きくすることができる結合装置を提供することである。

発明の簡単な説明
この目的は、本発明によれば、冒頭で紹介されたような結合装置によって達成され、
結合装置は、Ｎ≧３、好ましくは３≦Ｎ≦２０であるＮ個の導電性の導体ループを備え、
導体ループは、ｚ軸に沿って同軸に配列され、
軸方向に隣接する導体ループは誘電体によって分離されている。

本発明によれば、結合装置は、第１及び第２のマイクロ波構造体の共通の壁における虹彩開口の近くに配置されると、マイクロ波磁場を歪ませることができる。

結合装置は、例えば完全な金属スタッドと比較して同様の方法で、基本的にｚ方向に沿って延びる磁力線を、結合装置の内部領域から結合装置の外側にシフト（再分配）することができる、すなわち、結合装置がない状況（又は結合装置が虹彩開口から後退している状況）と比較して虹彩開口の近くにシフトすることができる。

しかしながら、追加で、基本的にｚ軸に垂直に伝播するマイクロ波磁力線は、ｚ軸の方向に分離された導体ループ間においての結合装置の内部に向かって侵入することができる。導体ループを分離する誘電体は、この「半径方向の」マイクロ波磁場を遮断しないか、若しくは、少なくともわずかしか遮断しない。この効果は、さらなるマイクロ波磁力線を虹彩開口の近傍に再分配するために利用され得、したがってそこでの磁場強度を増加させ、そして、したがって、本発明の結合装置によって確立される結合係数を増加させる。より具体的には、結合装置の、虹彩開口から離れた方の側面に近い磁力線は、導体ループ間の誘電体軸方向ギャップを使用して、歪められて結合装置の内部容積内にループし（リンケージを形成し）、その結果、結合装置の虹彩開口に面する側に誘導された二次ループが生じ、これによって、そこで達成可能な磁場強度に寄与する。本発明の結合装置では、全金属スタッド又は軸方向に穿孔されたスタッドと比較して、虹彩開口近傍でより高いＢ_ｍａｘ値を達成することができる。

本発明の結合装置によると、結合装置を虹彩開口部の前に配置して、特に低いＱ_Ｌ値を達成することができる。次に、虹彩開口部の前の結合装置の位置（中央）と虹彩開口部から後退した位置（ここでは実質的にマイクロ波共振空洞／第２の構造の寸法及び虹彩開口部の寸法のみが品質係数に関連する）との間で切り替えると、特に高いＱ_Ｌ値のダイナミックレンジが達成され得る。

導体ループは、ｚ方向に沿って配列され、使用時には、典型的には第１及び第２のマイクロ波構造体の共通の壁と平行であり、典型的には虹彩開口の長軸とも平行である。結合装置は、典型的には、基本的に円筒形状であるが、特に（ｚ軸に垂直な）断面が楕円形又は長方形の、非円筒形状を有してもよい。

典型的には、結合装置は、ｚ軸に沿って中央が空洞のボアを有する（そこでは誘電体として空気又は真空状態を有する）。代替として、ｚ軸に沿った中央領域は固体誘電体で充填されていてもよい。

導体ループは、典型的にはｚ方向に沿って等間隔に配置されるが、間隔は不均一に選択されてもよい。ループは、典型的には環状であるが、螺旋状であってもよいし、又は両方が組み合わされてもよい。導体ループは、典型的には、銀又はアルミニウムなどの非磁性金属で作製される。

誘電体は電気絶縁体であり、１つ又は複数のプラスチック材料及び／又は１つ又は複数のセラミック材料及び／又はガス及び／又は空気及び／又は真空から構成され得る。誘電体は、空気及び真空を含め、異なる（誘電体、非金属）材料の異なるセクションから構成され得る。

本発明の好ましい実施形態
本発明の結合装置の好ましい実施形態では、導体ループ及び誘電体が、ｚ軸に沿ったマイクロ波磁場の軸方向の伝搬（軸方向伝搬）がカットオフ条件を下回るように選択され、寸法決めされ、配置されており、そのため、ｚ軸に平行なマイクロ波磁力線は結合装置の内部容積に入ることができない。ｚ軸に平行なマイクロ波磁力線が結合装置の内部容積に入ることができない場合、ｚ軸に平行な磁力線は、結合装置の外側、すなわち虹彩開口近傍に集中せざるを得ない。これにより、マイクロ波磁力線の再分配が特に効率的になり、虹彩開口近傍で特に高いＢ_ｍａｘ値（したがって、高結合係数）が達成され得る。カットオフ条件は、少なくとも結合装置が使用されるときのマイクロ波放射周波数で満たされるべきである。少なくとも１ＧＨｚ～３００ＧＨｚの間隔のマイクロ波放射周波数で満たされる。

別の好ましい実施形態では、導体ループ及び誘電体は、軸方向に隣接するループ間から結合装置の内部容積内へのマイクロ波磁場の伝搬が可能となるように選択され、寸法決めされ、配置されており、そのため、個々の導体ループの周りの局所的なマイクロ波磁力線ループが、結合装置を介して第１のマイクロ波構造体内のマイクロ波磁場と第２のマイクロ波構造体内のマイクロ波磁場とを連結するために形成され得る。局所磁力線ループは、第１のマイクロ波構造体内において例えばｘｚ平面内で円形に走るマイクロ波磁場の歪みとしてそれらの原点を有する側である、虹彩開口に面する側とは反対の側と、結合装置の外側にあるそれらの部分が高いＢ_ｍａｘ値に寄与し得る側である、虹彩開口部に面する側との両方に、対称的に構築される。したがって、このようにして、Ｂ_ｍａｘ及び結合係数をこのように大きくすることができる。この（追加の）リンケージ条件は、少なくとも、結合装置が使用されるときのマイクロ波放射周波数において満たされるべきである。少なくとも１ＧＨｚ～３００ＧＨｚの間隔のマイクロ波放射周波数で満たされる。

好ましい実施形態では、導体ループは、連続的な螺旋導体構造体の導体巻線として形成される。これは、単一の誘電体支持構造体とその周りに巻き付けられた単一の螺旋ワイヤとを用いて、実施するのが比較的簡単である。なお、所望であれば、連続的な螺旋導体構造体は、強固な（ｓｏｌｉｄ）支持構造なしで自立支持式に構築されてもよいことに留意されたい。

別の好ましい実施形態では、導体ループは、互いに電気的に絶縁された閉じた導体リングとして形成される。それぞれが典型的にはｚ軸に垂直な平面内に配置される閉じたリングは、ｚ軸に平行に延びる磁力線を放出するのに特に効率的であり、実装が簡単である。

非常に好ましい実施形態では、結合装置が、導体ループが配置された支持構造体を備え、支持構造体は、誘電体から作製される。支持構造体によって、特に（負荷された）品質係数Ｑ_Ｌを変更するために結合装置を移動させるときに、結合装置の取り扱いが単純化される。支持構造体によって、導体リングの電気絶縁を容易にすることができたり、支持構造体を導体巻線間の望ましくない非円周方向の軸方向短絡を回避するのに役立てたりすることができる。支持構造体は、その外面に金属コーティングが施された円筒形状であってよく、特に、複数の別個の閉じたリングを形成していてもよい。支持構造体は、金属材料が配置又は堆積されるねじ形状溝（「ねじ山」）を有する円筒形状であってよく、特に、誘電性ねじに巻かれた金属ワイヤを用いてもよい。支持構造体は、１部品構造であってよく、又は、例えば、リング型導体ループを形成する軸方向に積層されたスロット付き金属ディスクを分離する複数の誘電体ディスクからなる、複数部品の支持構造体であってもよい。

この実施形態の好ましいさらなる発展形態では、結合装置が、支持構造体をｚ軸に沿って移動させるための移動機構を備える。このようにして、マイクロ波結合アセンブリを様々な用途、特にＣＷ－ＥＰＲやパルスＥＰＲ、又は異なる結合条件に適応させるために、結合係数を好都合な方法で変更することができる。この移動機構により、結合装置は、虹彩開口の前に又はそこから離れるように移動できる。並進運動が好ましい。あらゆる形状（楕円形、長方形、円形）の結合装置を使用することができ、不正確な製造に起因して生じ得る不正確な形状に関してはそれほど重要ではないためである。通常、円形（ねじ）運動には、ループ及び誘電性支持構造体の両方において非常に正確な円筒形状が要求される。

好ましい実施形態では、導体ループの配列がｚ軸に沿って長さＬを有し、配列がｚ軸に垂直な平面内で最大外径ＭＯＤを有し、０．５≦Ｌ／ＭＯＤ≦１０である。この範囲の形状により、高い結合係数を達成することができ、半径方向に入るマイクロ波磁力線へのアクセスを容易に達成することができる。

特に好ましい実施形態では、導体ループの配列がｚ軸に沿って長さＬを有し、導体ループの各々がｚ軸に垂直な平面内で最小内径ＭＩＤを有し、Ｌ＞２＊ＭＩＤである。これは、結合装置内のカットオフ（エバネッセント）条件を効率的に達成し、結果として、磁力線を結合装置の内部から外部に集中的にシフト（再分配）させることで、虹彩開口近傍で高い結合係数又はＢ_ｍａｘを達成するのに有用である。

さらに好ましい実施形態は、導体ループが、マイクロ波放射の表皮深さをδとすると、局所的な軸方向延長部Ｈ_ｒｉｎｇがＨ_ｒｉｎｇ≧３＊δである導体ストライプから作製される。これは、特に金属リングを導体ループとした場合に、マイクロ波磁場を、導体ループの容積を通り結合装置へ十分に侵入させる（高いエバネッセント場減衰が達成されるまで）のに有用、したがって、カットオフ挙動を強制的に行わせるのに有用である。表皮深さ条件は、少なくとも、結合装置が使用されるときのマイクロ波放射周波数において満たされるべきである。少なくとも１ＧＨｚ～３００ＧＨｚの間隔のマイクロ波放射周波数で満たされる。典型的には、導体ストライプ（導体材料片）は、その（局所的な進行方向に垂直な断面における）全周に亘って連続的に導電性を有する。

隣接する導体ループを分離する誘電体の局所的な軸方向の延長部Ｈ_ｄｉｅｌが、Ｈ_ｄｉｅｌ≧ＲＷ_ｒｉｎｇ／（３＊ε_ｄｉｅｌ）となるように選択され、導体ループは、局所的な半径方向幅ＲＷ_ｒｉｎｇを有する導体ストライプから作製され、誘電体は、相対誘電率（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ）ε_ｄｉｅｌを有することを特徴とする実施形態がさらに好ましい。これにより、導体ループ間の結合装置内へのマイクロ波磁場の効率的な半径方向の伝搬が確立される。比誘電率ε_ｄｉｅｌは、導体ループ間で軸方向に測定される。なお、典型的には、Ｈ_ｄｉｅｌは少なくとも１００μｍ、多くの場合において少なくとも５００μｍであることに留意されたい。

また、本発明の範囲内には、マイクロ波結合アセンブリがあり、このマイクロ波結合アセンブリは、
－第１のマイクロ波構造体、詳細には、マイクロ波導波管と、
－第２のマイクロ波構造体、詳細には、マイクロ波共振空洞であって、第１及び第２のマイクロ波構造体が共通の壁を共有する第２のマイクロ波構造体と、
－第１のマイクロ波構造体と第２のマイクロ波構造体とを接続する、共通の壁内の虹彩開口と、
－第１のマイクロ波構造体内において虹彩開口の前に位置する、上述された本発明の結合装置と、を備える。このマイクロ波結合アセンブリを用いると、高（最大）結合係数（低いＱ_Ｌ値に対応する）及びＱ_Ｌ値が取り得る広いダイナミックレンジの両方を達成することができる。結合装置は、少なくとも電気絶縁を確実にするために、第１のマイクロ波構造体の壁から最適かつ十分に距離をとって配置されるべきである。典型的には、虹彩開口と結合装置との間の距離は、（ｘ方向に）０．１ｍｍ～２ｍｍ、好ましくは０．２ｍｍ～０．５ｍｍの範囲である。この範囲では、最新技術の２倍の結合効率を達成することができる。しかしながら、ここでは、製造公差が制限要因となり得る。虹彩開口は、典型的には、ｚ軸に平行に配向された長軸に沿ってその最長直径を有する。虹彩開口は、典型的には、長方形又は楕円形である。

本発明のマイクロ波結合アセンブリの好ましい実施形態では、導体ループの配列は、ｚ軸に沿って長さＬを有し、虹彩開口は、ｚ軸に沿って延長部ＩＬＤを有し、ここで、０．２＊ＩＬＤ≦Ｌ≦２＊ＩＬＤである。このようにして、最大限に高い結合効率を達成することができる。

別の好ましい実施形態では、マイクロ波結合アセンブリは、第１のマイクロ波構造体内で結合装置をｚ軸に沿って移動させるための移動装置を備え、特に、移動装置は、ねじ又はガイド部材を備える。移動装置を有することによって、ＣＷ－ＥＰＲやパルスＥＰＲなどの様々な用途、又は様々な結合条件に適応するために、虹彩開口に対する結合装置の位置を都合よく変更することができる。移動機構は電動式であってもよい。移動装置によって、結合装置又はその導体ループの配列はそれぞれ、特に、虹彩開口の前の中心に位置する第１の位置と、虹彩開口から完全に後退した（虹彩開口部と重ならない）第２の位置との間で移動することができる。

さらに、本発明の範囲内にはプローブヘッドがあり、このプローブヘッドは、電子常磁性共鳴（＝ＥＰＲ）測定システム用のプローブヘッドであって、上述の本発明のマイクロ波結合アセンブリを備え、第２のマイクロ波構造体は、ＥＰＲ試料用の少なくとも１つの開口部と試料ホルダとを備えるマイクロ波共振空洞であり、第１の構造体は、マイクロ波導波管である。このプローブヘッドは、極めて低いか又は高いＱ_Ｌ値を達成するために使用することができ、同時に、選択された虹彩の寸法に対するＱ_Ｌ値の広いダイナミックレンジを可能にする。

最後に、本発明の範囲内には、ＥＰＲ測定における、上述の本発明のプローブヘッドの使用法も含まれ、
ＥＰＲ試料は、マイクロ波共振空洞内の試料ホルダに配置され、
マイクロ波放射はマイクロ波導波管に供給され、結合装置によって補助された虹彩開口を介してマイクロ波共振空洞に結合され、
虹彩開口の前のマイクロ波放射の磁力線は、ｚ軸に平行であり、
ｚ軸に沿ったマイクロ波磁場の軸方向の伝搬は、結合装置のカットオフ条件を下回っているため、ｚ軸に平行なマイクロ波磁力線は結合装置の内部容積に侵入せず、
軸方向に隣接するループ間で結合装置の内部容積へのマイクロ波磁場の伝搬が起こるので、局所的なマイクロ波磁力線ループが、個々の導体ループの周りに形成されて、結合装置を介して第１のマイクロ波構造体のマイクロ波磁場と第２のマイクロ波構造体のマイクロ波磁場とを連結する。この使用法により、特にパルスＥＰＲで、特に高い結合係数が達成され得る。一般的に、効率的なリンケージのために、軸方向に隣接するループ間の結合装置の内部容積へのマイクロ波磁場伝搬を最大化することが望ましい。マイクロ波放射は、（一定の）周波数１ＧＨｚ～３００ＧＨｚで選択される。なお、マイクロ波共振空洞を静磁場中に配置し、静磁場を測定点間で掃引し、各測定点（磁場点）において試料の（共振）マイクロ波吸収が測定される。導波管内のマイクロ波主伝搬はＺ軸に垂直である。長方形導波管におけるＴＥ１０伝搬モードが好ましい。

さらなる利点は、明細書及び添付の図面から引き出すことができる。上述及び後述の特徴は、本発明に従って個別に又は任意の組み合わせで集合的に使用することができる。言及された実施形態は、網羅的な列挙として理解されるべきではなく、本発明の説明のための例示的性質を有する。

本発明を図面に示す。

導波管と、マイクロ波空洞と、結合装置を有さない虹彩開口とを有する最新技術の結合アセンブリの概略断面図を示す。 導波管と、マイクロ波空洞と、従来の結合装置を有する虹彩開口とを有する最新技術の結合アセンブリの概略断面図を示す。 閉じた導体リングとして形成された複数の導体ループを有する、本発明の結合装置の概略側面図を示す。 ソレノイドの導体巻線として形成された複数の導体ループを有する、本発明の結合装置の概略側面図を示す。 導波管と、マイクロ波空洞と、虹彩開口と、４つの導体ループを有する本発明の結合装置とを有する、本発明に係る結合アセンブリの一例の概略断面図を示す。 複数の閉じた導体リングを有する、本発明に係る結合装置の概略分解図を示す。 螺旋状の導体構造体を有する、本発明に係る結合装置の概略分解図を示す。 本発明に係る結合装置によって達成可能なＱ_Ｌダイナミックレンジの概略図を、先行技術と比較して示す。ａ）では高Ｑ_Ｌ範囲が拡張され、ｂ）では低Ｑ_Ｌ範囲が拡張されて示される。 本発明のＥＰＲ測定システムの概略図を示す。

１．概要
本発明は、虹彩の近傍で著しくより多くの磁束をもたらし、したがって結合動的性を増加させる、導波管のエンドランチ虹彩型のアパーチャ（開口）に適した新しいタイプのマイクロ波結合装置を述べたものである。この性能は、従来の方法によって得られたのと同じレベルの磁束の集束（密度）を同時に達成することによって実現されるが、これまで使用されていなかったより多くの磁束寄与を虹彩アパーチャ近傍にもたらす新しい方法によって完成される。好ましい実施形態は、最新の金属リング、ボール、ディスク又はねじを、誘電体ディスクのスタックと交互配置された金属リングのスタックに置き換えることに関連するものであって、ＴＥ１０の伝搬の方向の伝搬機構であって、すなわちリングのスタックを通りリングの軸に垂直な伝搬機構を提供する。この機能は、スタック内の各金属リングが導波管からのより多くの入射磁束線と連結できるようにすることによって達成される。最新技術では確立することができないこの連結（リンケージ）は、金属リングの該スタックによって虹彩アパーチャにさらに伝達され、これによって全体的な結合強度が改善される。

２．導入
本発明が解決しようとする課題を簡単に説明すると、２つの別々のマイクロ波領域（マイクロ波構造体）間の虹彩型結合アパーチャ（虹彩開口）の結合強度を高めることである。一般的に言えば、これは通常、単に虹彩開口を通る電磁束リンケージを高めることを意味し得る。しかしながら、ＥＰＲ分光法で使用されるマイクロ波結合装置の目的及び機能性を提供するために、本開示では、結合動的能力の分析も含まなければならない。

本開示のすべてのセクションを説明する目的で、給電金属導波管（第１のマイクロ波構造体）からマイクロ波共振空洞（第２のマイクロ波構造体）にマイクロ波電力を伝送しなければならないという特定の状況を考慮することができる。当業者は、例示的な事例のこの特定の選択によって問題の一般性が失われないことを容易に認識することができ、この新しい結合装置のための解決策は、給電導波管から別の導波管への、若しくはマイクロストリップ、又は同軸伝送線路への、エンドランチ虹彩開口を介したマイクロ波電力の伝達などの他の同様の問題に容易に適用することができる。

簡単にするために、共振マイクロ波空洞が金属壁で囲まれているとする。さらに、
空洞の内部Ｑ値（ここではＱ_ＩＮＴと呼ぶ）はパラメータではないとし、すなわち、必要に応じてすべての内部Ｑ値が可能であるとする。

さらに、この空洞は、本質的に空洞の金属壁内の固定サイズの物理的な開口穴として説明することができる虹彩アパーチャ（虹彩開口）によって給電導波管に連結されるとする（図１を参照）。虹彩アパーチャオリフィスは、一般的に長方形（又は楕円形）であって、Ｚ軸に沿って配置されている。

図１には、導波管２とマイクロ波共振空洞１との間のマイクロ波結合のための虹彩開口５（アパーチャ）の内側及び近傍の磁力リンケージ６（Ｂ－ｆｉｅｌｄ ｌｉｎｋａｇｅ）（結合）が示されている。導波管２内のマイクロ波磁力線３（Ｂ－ｆｉｅｌｄ ｌｉｎｅ）及びマイクロ波空洞１内のマイクロ波磁力線４は破線で示されている。Ｘは導波管内のマイクロ波フィールド伝搬の方向を示し、Ｚは虹彩開口５の長さ方向である。良好な結合のために、虹彩開口５の長さは、アパーチャ近傍のマイクロ波磁力３及び４と同じ方向である。

帯域幅を目的として、開口内側のカットオフ未満（エバネッセント）ｘ軸伝搬を画定するために、虹彩開口の寸法はＺ軸方向において十分に短い必要がある。低損失を目的として、エバネッセント減衰を小さくするために、ｘ軸方向に十分に短くなければならない。

虹彩開口は、典型的な寸法であり、幾何学的形状であり、また、配置を取り得る。ここで、これらのパラメータは、最新技術の方法によって、アパーチャを通過する磁束と空洞の所定の動作マイクロ波共振モードの磁束線との間に、理論上で最大の結合（リンケージ）を提供するように選択されるべきである。虹彩開口によって空洞の壁の表面上の電流線が妨害されることは容易に認識されるはずであり、これはマイクロ波共振モードの摂動に相当し、これは、明確なマイクロ波のエネルギー損失と関連し得る。例えば、虹彩開口を迂回する新しい経路上に電流線を適合させるのに必要な作業の寄与として理解するのは簡単であるが、このマイクロ波の損失メカニズムに対する他の寄与も存在し得ることに留意されたい（本質的に、共振モードを特徴付けるすべての表面電流線は、虹彩孔の存在によって乱され、空洞内の全体的なモード対称性は低下し、したがって損失が増加することになる）。

この態様をよりよく研究するために、Ｑ_ＩＮＴの定義を変更せずに、代わりに、空洞内の虹彩開口によってもたらされる摂動に関連する品質係数を記述する、新しい測定可能な（間接的な）量（ここではＱ_ＩＲＩＳと呼ぶ）を定義しなければならない。

以下の分析に関する一般性を破ることなく、虹彩開口の形状をかなり薄い矩形の開口（すなわち、マイクロ波伝送デバイス（導波管）を空洞に接続するための最適な開口形状）に制限すると仮定すると、本発明者らの経験から有効な以下の近似を以下のように提案することができる：

ここで、Ａ_ＩＲＩＳは虹彩開口の面積であり、Ａ_ＲＥＳは空洞金属壁の総面積である。

空洞（Ｑ_ＩＮＴ）とその虹彩開口（Ｑ_ＩＲＩＳ）の両方による電磁損失の、これら２つの寄与を合わせると、空洞の無負荷品質係数（ここではＱ_Ｕと呼ぶ）を、以下の適切な形式で定義することができる：

典型的なＥＰＲ分光法用途では、マイクロ波結合装置を、可変結合を提供するような設計、すなわち次式によって負荷品質係数（ここではＱ_Ｌと呼ぶ）を修正するような設計で使用する必要がある：

ここで、βは結合係数である。この要件は、例えば、空洞パラメータが変更されたときに、すなわち、（多かれ少なかれ損失があり得る、）様々な空洞チューニングインサートの挿入又は変更、ＲＦコイルの挿入、様々なＥＰＲプローブ試料の挿入及び測定など、すべての状況でＥＰＲキャビティを臨界結合にするために必要である。

高感度ＥＰＲ分光測定に使用される空洞の典型的な設計要件は、少なくとも１５０００から７５０以下の範囲でＱ_Ｌ値を連続的に変化させることができることである。Ｑ_Ｌ変動範囲（ここでは「結合ダイナミック（動的性）（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃ）」と呼び、この場合は２０：１になる）は、結合係数βの動的性を反映している。より正確には、結合動的性は、マイクロ波空洞に臨界的に結合することが可能なＱ_Ｌ範囲（又はその上限と下限の比）である。

教科書及び学術論文では、結合係数βは、主要なパラメータ、すなわち虹彩開口領域における（リンケージ目的のための）磁束の表面積分に依存することが示されている。実際には、これは、虹彩開口における磁束密度（Ｂ、ＴのＳＩ単位）及び虹彩開口の面積（Ａ_ＩＲＩＳ）の２つのパラメータにさらに分割することができる。第１のパラメータ（磁束密度）は、典型的には、摺動式のマイクロ波装置（ここでは「マイクロ波結合装置」と呼ぶ）によって実験の設定中に変更することができる可変パラメータである。後者のパラメータ（開口面積）は、固定された機械的値を含み、Ｑ_Ｌの下限設計要件を達成するために、単純に調整される（通常、設計及び製造中に調整される。すなわち、永久的に設定される）。しかしながら、前述したように、虹彩開口の面積が大きいとＱ_ＩＲＩＳも減少し、Ｑ_Ｕが取り得る最大値を制限することで悪影響を及ぼすことになる。以下の式は、マイクロ波結合動的性の分析を完了するのに有用である：

ここで、虹彩開口における磁束密度Ｂは、装置動作中の可変パラメータであり、０からＢｍａｘまでの値、すなわち「マイクロ波結合装置」によって決定される、したがってマイクロ波設計によって決定される値Ｂｍａｘまでの値をとる。

結論として、上記の式をすべて適切に整理すると、

となる。これは、本発明によって解決されるべき基本的な問題、すなわち結合ダイナミックレンジの増加は、２つの設計パラメータＡ_ＩＲＩＳ（結合装置を後退させて、各Ｑ_Ｕ値について大きなＱ_Ｌ値を達成するために、最小化される）及びＢ_ｍａｘ（結合装置使用中に、小さなＱ_Ｌ値を達成するために、最大化される）のみに依存することを示す。Ａ_ＩＲＩＳを固定したまま結合動的性を増加させること、若しくは結合動的性を固定したままＡ_ＩＲＩＳを減少させてＱ_Ｌの上限を増加させることは、必然的に、そのような改善に必要とされる重要な共振器技術要件は、虹彩開口においてより高いＢ_ｍａｘを得るための新しい設計の解決策を得ることであることを意味する。

３．最新技術
従来技術では、給電矩形導波管から、定在波、低速波又は進行波型の空洞に、虹彩開口（導波管を空洞から分離する金属壁の開口）を介して結合するマイクロ波エネルギーの問題が広く集中的に研究されていた。マイクロ波結合は、マイクロ波工学における基本的な問題の１つであり、その解決策の結果は、製品の全体的な性能に深く強力な影響を及ぼす。

マイクロ波結合問題の主要な解決策の１つは、導波管と空洞との間の金属壁の虹彩開口に基づくものである。なお、導波管及び空洞では、それらの挙動はそれらの励起モードに依存することに留意されたい。

虹彩開口の設計詳細を決定するために、特筆すべき結果の１つは、導波管で使用されるマイクロ波伝送モード及び空洞で使用される共振モードと相関して、導波管及び空洞の両方における虹彩開口の理想的な位置、ならびにその理想的な形状及び幾何学的パラメータを決定することであった（非特許文献１と比較のこと）。本発明では、この態様はパラメータとは見なされず、任意の解決策が科学的に正しくかつ工学的に最適な方法で虹彩の形状及び配置問題を処理することを前提としている。

本発明では、他の重要な態様、すなわち虹彩開口における磁束密度Ｂを増加させることに注目した。以前の学術研究では、このパラメータの値は、整合回路の機能、つまり、不足結合、臨界結合、及び過結合を提供する能力と相関することが示されている。

古典的な従来技術の解決策は、導波管領域の虹彩開口の前にマイクロ波結合装置（完全に金属製のシリンダ、ロッド、ボール又はねじ）を使用することであり、これは磁力線を虹彩に集束させ（磁束密度Ｂを増加させ）、したがって結合強度を増加させる役割を有する（図２を参照）。

この解決策の下位変形例は、いくつかの特定の用途（例えば、ＥＰＲ分光法）に特化したものであって、可変マイクロ波結合の機能要件が追加されており、したがって、広い荷重スペクトル下でキャビティを整合させることが可能になった。新しいパラメータ「結合動的性」が要件に導入され、マイクロ波設計はそれを実現し改善しようとした。

最新技術では、利用可能な最良の技術的解決策の１つは、虹彩開口の前に配置され、Ｚ方向に移動可能な金属シリンダの形状のマイクロ波結合装置である。標準ＴＥ１０モードで動作する導波管断面の長軸に沿って結合シリンダ装置を並進させることによって可変結合機能を実現する。可変結合を得るための物理的機構を説明するために、従来の結合装置７が磁束密度磁力線３と共に図２に示されている。マイクロ波結合装置７は、広帯域型（すなわち、非共振、空洞の動作周波数の周りで調整されない）のものである。完全に突出した位置（中央、虹彩開口５の前に完全に着座、図２に示される）において、マイクロ波結合装置７は、虹彩開口における磁束密度をＢ_ｍａｘ値まで増加させる。完全に後退した位置（図２には示さず、例えば、結合装置７がｚ方向に導波管２の底部に、又はさらには導波管２の外に移動した状態）においては、虹彩開口での磁束密度は０値に近い値に設定される（すなわち、不足結合モード）。

図２は、完全金属製又はカットオフ条件を満たして可変結合を実現する内部ボアを有する、円筒形の金属の結合装置７を用いた、虹彩開口５を介した導波管２とマイクロ波空洞１との間の結合を概略的に示す。結合装置７は、可変結合を実現するために、導波管２の内側における虹彩開口５の前において、ｚ軸に沿って摺動することができる。その中心位置は最大結合係数に対応し、完全に抽出された（ｅｘｔｒａｃｔｅｄ）結合装置は得られた最小結合係数を表す。

この図２は、特に、ＴＥ１０伝搬モードを用いた矩形導波管２における集束効果の物理的機構を説明するための結合装置７及び磁束密度磁力線３（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ Ｂ ｌｉｎｅｓ ３）を示す。磁力線３は、それらの結合又は非結合の挙動に従って区別することができ：
３ａは、本来虹彩開口５の近傍を通過し、結合装置７によって妨害されない、導波管２内のマイクロ波磁力線を示す。
３ｂ’は、結合装置７を挿入する前の導波管２内のマイクロ波磁力線を示す。
３ｂ’’は、導波管２内のマイクロ波磁力線３ｂ’のうち、結合装置７を挿入することによって現在妨害されてしまっているものを示す（カットオフ条件下では、それらは結合装置７の内側をそのまま通過することができない）。ここで、これらの線は、強制的に、虹彩開口５と結合装置７との間に集束されて通過せざるを得ず、したがってリンケージ６により効率的に寄与している。
３ｃ’は、本来虹彩開口５から遠いところを通過する導波管２内のマイクロ波磁力線を示す。
３ｃ’’は、導波管２内のマイクロ波磁力線３ｃ’のうち、ここでもまた、結合装置７によって現在妨害されてしまっているものを示す。しかし、マイクロ波磁力線３ｂ’’とは対照的に、これらの力線３ｃ’’は、虹彩開口５と結合装置７との間に集束され得ず、したがって、ここではリンケージ６にさらにあまり寄与していない。これは、図２に示した先行技術の結合装置７の主な欠点である。

図２の結合シリンダが虹彩開口５の近くに配置された場合、結合係数をさらに増加させることができる。例えば、ＥＰＲ装置では、結合シリンダ間の距離は０．５ ｍｍ未満であり、これはすなわち、この距離を小さくする場合、距離の変動がマイクロ波結合に非常に強い影響を及ぼすため、より高い製造精度が求められることを意味する。製造精度が高いほど、当然、価格も高くなる。

代替として、結合シリンダ７の外径を増大することが可能である。これはまた、結合係数を増加させる。しかしながら、部品のスペース要件はすでに最適化されており、製造公差の変動が大きすぎるため、どちらの手段にも困難が伴う。

したがって、最新技術の寸法を維持したまま結合係数を増加させることができれば望ましい。

以下の先行技術文献は、図２に示すような結合装置を使用している。

特許文献１は、同軸線とＥＰＲマイクロ波空洞との間に可変マイクロ波結合器を有するＥＰＲ共振器を開示している。結合要素は、ねじ及び金属スタッドを備える。共振空洞に結合されるマイクロ波エネルギーの量を制御するために、空洞に通じる部分のスタッドの長さが調整可能である。

特許文献２は、長方形の形状及び円筒形のマイクロ波空洞を有する円筒形の電子常磁性共鳴プローブに関する。結合及び調整ユニットは、結合強度を調整するための結合ボルトを備える。調整ボルトは、連結ボルトの上部に設けられた金属キャップを備える。

この摺動金属シリンダ解決策は、他のタイプのマイクロ波結合装置（摺動金属ディスク、球体及びねじ）と比較して非常に効率的に機能し、過去３０年間変わらず使用されてきた。Ｘ帯域空洞の場合、典型的には、Ｑ_Ｌ＝１５０００の上部境界からＱ_Ｌ＝８００の底部境界までの結合動的性を達成することができる。

４．ダイナミックレンジの重要性について
しかし、おそらくＥＰＲ分光法に限らず多くのマイクロ波用途では、虹彩開口でＢ_ｍａｘ値の増加を得ることから効果を得ることができる。

ＣＷ－ＥＰＲ分光法では、信号は空洞のＱ_Ｌに比例するため、上限値が高いとＳ／Ｎ及び測定感度が高くなる。しかしながら、Ｑ_Ｌの下限は約７００のままとすべきである。結合動的性の増大に対するこの要求は、最新技術の解決策（摺動結合装置の役割を果たす完全に金属製のシリンダ、ロッド、球体又はねじ）では満たすことができなかった。
パルスＥＰＲ分光法では、スピンエコー信号は時間指数関数的に減衰するため、マイクロ波パルス後のリンギング時間を最小化するためにＱ_Ｌの下限を減少させる必要があり、これによって、信号を測定できないときの機器のデッドタイムを最小化する。しかしながら、通常、測定のためのパルスＥＰＲ空洞は、パルス挙動が強調及び最適化された組み合わせＣＷパルス（ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ＣＷ－Ｐｕｌｓｅ）として必要とされるので、Ｑ_Ｌ上限は依然として高い値、例えば約１５０００を維持するべきである。しかし、ここでも結合動的性を増加させるという要求が存在し、最新技術の解決策（摺動結合装置の役割を果たす完全に金属製のシリンダ、ロッド、球体又はねじ）では満たすことができなかった。
最大Ｂ_ｍａｘは、結合装置が虹彩開口のちょうど前に配置されるときに達成される。結合装置の容積内の磁束密度は、エバネッセント（すなわち、結合装置がリング形状である場合、円筒軸上の伝搬のためのカットオフ条件下で）、又はゼロ（結合装置が金属で完全に充填されるように設計されている場合）になるように設計されている。すると、結合装置の内部容積から反発された磁束は、導波管端壁（虹彩開口）と結合装置の外側円筒面との間の領域に変位され、したがって、虹彩開口における磁束密度Ｂ_ｍａｘが増加する。
続けると、本発明の目的は、結合装置、特に、ＥＰＲ分光計において、増大したＢ_ｍａｘを有するＥＰＲ共振器内にオリフィスを介してＭＷ電力を結合するための結合装置を提供すること、並びに、より大きなダイナミックレンジを有する結合装置を提供することである。

５．本発明の結合装置の概念
本発明の着目点は、中空（軸方向に穿孔された）金属シリンダの一般的な形態に基づくが、該シリンダ軸線Ｚに対して本質的に垂直に配向され、軸線Ｚに沿って整列した一組の平行な導体ループ（ここでは「ストライプ」とも呼ばれるそれぞれのループに属する材料片を有する）をさらに特徴とするマイクロ波結合装置である。

ループの組は、円筒を、本質的に平行な金属（導電性）の環状導体リングの積層された組に分割することができる。換言すれば、（軸方向に穿孔された）金属シリンダは、複数の貫通した切り口を備え、これは穿孔ディスクを直接配列することに相当する。代替として、ループの組は、同じ効果を有するソレノイドの複数の巻線を含んでよい。換言すれば、（軸方向に穿孔された）金属シリンダは、らせん状の切り口を有することができ、これはワイヤをソレノイド方式で直接巻き付けることに相当する。

導電性ループの内部容積及びそれらの間の間隔は、誘電体で充填されるべきである。誘電体（又は誘電体の一部）は、各金属ループ（リング又は巻線）の機械的支持（誘電体又は誘電体の一部が固体である場合）として機能し得るが、装置の本質的なマイクロ波機能も果たす。すなわち、先行技術のシリンダ（これはｚ方向に連続しており、したがって、結合装置の内部容積内へのｚ方向に垂直な磁場伝搬を排除する）には不都合がなく、すなわち、誘電体によって、内部容積内への横方向のマイクロ波場の侵入が可能になり、したがって追加の結合が可能になる。

別個の環状ループ（ストライプ）は、誘電材料からなるロッドなどの支持構造体を必要とする。図３は、第１のタイプの本発明の結合装置１２の一例を側面図で概略的に示したものであり、誘電体（非導電性）材料で作製されたロッド状支持構造体２０は、その外側に複数の導体ループ２１を担持しており、ここでは導体リング８として形成されている。各導体リング８は、環状の閉じた形状である。ループ２１は、例えば、支持構造体２０上のコーティング（金属化表面）として製造されてよい。ループ２１は、ｚ軸に沿って順に配置され、ｚ軸に沿って互いに離間している。支持構造体２０は、典型的にはプラスチック材料で作製され、導体ループ２１は、典型的にはＡｇ又はＡｌなどの金属材料で作製される。

結合装置１２をｚ軸に沿って移動させるために、支持構造体２０は、（支持構造体２０が「ねじ」になるような）外ねじ２８を備えることができる。このとき、外ねじ２８はホルダ構造体２７（破線で示す）の内ねじにねじ込まれ、例えばモータ２９によって支持構造体２０を回転させると、ホルダ構造体２７に対する支持構造体２０のｚ方向の運動（ｚ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）が生じる。ホルダ構造体２７が結合装置１２に属する場合、ホルダ構造体２７及びねじ山２８は、結合装置１２の移動機構３５とみなすことができる。支持構造体２０の外ねじ２８と協働するホルダ構造体２７と、モータ２９とを合わせて、結合装置１２のための移動装置３０とみなすことができる。

別の実施形態（図示せず）では、純粋な並進運動によって、結合装置をＺ方向に移動することができる。その目的のために、結合装置は、例えば摺動スロットを備え得る。並進運動の動きの主な利点は、円周におけるループの製造公差がそれほど重要ではないことである。

ソレノイド構造化金属ループ（ストライプ）又はワイヤは、自立型であってよく、この変形例では、誘電体を、必要に応じて、部分的又は完全に空気として選択することができる。図４は、第２のタイプの本発明の結合装置１２の一例を側面図で概略的に示したものであり、ねじ状支持構造体２０は、その外側にねじ山２２を担持している。金属ワイヤ２６ａは、支持構造体２０の周りに巻かれ、したがって、各々が支持構造体２０の周りを回る複数の巻線２３を有する連続的な螺旋構造体２６を形成する。各巻線２３は、導体デバイス１２の導体ループ２１を表す。

図５は、本発明のマイクロ波結合アセンブリ２５の一例として、第１のマイクロ波構造体２ａ、ここではマイクロ波導波管２と、さらに第２のマイクロ波構造体１ａ、ここではマイクロ波共振空洞１と、第１のマイクロ波構造体２ａ及び第２のマイクロ波構造体１ａの間に配置され、基本的にｘ方向と垂直に配向された共通の壁２４とを備える、マイクロ波結合アセンブリ２５を示す。ここで、共通の壁２４は、ここに示すように、ｘ方向に連続して配置された第１及び第２のマイクロ波構造体２ａ、１ａの２つの部分壁で構成され得ることに留意されたい。共通の壁２４は、第１のマイクロ波構造体２ａ及び第２のマイクロ波構造体１ａにおける磁場を結合するための虹彩開口５を備え、ｚ方向に沿ったその寸法はＩＬＤであり、これは虹彩開口５の最長延長である。第１のマイクロ波構造体２ａ内には、本発明の結合装置１２が配置されており、ここではｚ軸に沿って積層され、その軸方向の両端部間において内部容積３４（又は、軸方向の「ボア」）を半径方向に包含する、閉じたリング８として形成された４つの別個の導体ループ２１を備える。結合装置１２は、ここでは虹彩開口５の前の中央部分に配置され、虹彩開口５の近傍の磁束密度（又は磁場強度）を最大にし、ひいては、導波管２と空洞１との間の結合を最大にする。結合装置１２は、移動装置（図示せず）によってｚ方向に移動でき、特に、導波管２と空洞１との間の結合を最小にするために、虹彩開口５から引き抜く（虹彩開口５との重なり合いを解消する）ことができる。空洞１には、ＥＰＲ分光法によって調査すべき試料３２を担持する試料ホルダ３１が含まれてよく、試料３２を、アクセス開口３６を介して空洞１に挿入することができる。次いで、結合アセンブリ２５を、試料３２のＥＰＲ測定のためのプローブヘッド３３として使用することができる。

図５に例として示されている結合装置１２は、金属リング８で作製されている。各リングは、ｚ軸上の伝搬に関してカットオフ条件を満たす内部ボアを有する。すなわち、磁力線はｚ方向に沿って内部ボアに入らない。リング８の積み重なり（スタック）は同じ条件を満たす。本発明の結合装置１２（それぞれリング８のスタック）は、可変結合を実現するために、導波管２の内側における虹彩開口５の前でｚ軸に沿って摺動することができる。図示された中心位置は最大結合係数に対応し、完全に抽出された結合装置１２は最小結合係数を表す。

リング８又はそれらの対応するストライプは、リング状ストライプが配置されているシリンダ（例えば、図５には示されていない支持構造によって部分的に又は完全に形成される）の内側でのｚ軸（細長い結合装置のＺ軸）に沿った磁力の軸方向伝搬が禁止されるように、すなわち伝搬がカットオフ未満であるように設計されるべきである。したがって、マイクロ波放射は、結合装置１２の内部空間（内部容積３４）に軸方向に侵入しない。言い換えれば、リングのスタックの容積は、軸方向の侵入によって導波管からのマイクロ波エネルギーで満たされることから除外される。

図５を参照すると、マイクロ波磁力線３ａ及び３ｂ’’は、図２の状況と比較して変化しないままであり、両方とも先行技術と同様の新しい結合装置１２によって虹彩開口５の近傍に集束され、これによりリンケージ６に寄与する。

円筒形の金属リング８は、ｚ軸と同軸に（平行に）配置されている（あるいは、ｚ軸に沿ったソレノイドの巻線／ターンを使用することができる）。該リング８によって、異なる結合を実現することができる。マイクロ波磁力線９は、前の３ｃ’’マイクロ波磁力線の新しい歪んだ形状を表しており、ここで、これらは追加のリンケージ１０（局所的なマイクロ波磁力線ループ１０ａを形成する）を介してリング８の各々の内側に侵入し、二次リンケージ１１を介してリンケージ６にさらに寄与しており、したがって、共振器内の磁場に対する主リンケージ６の増加に寄与している。すなわち、各リング８の磁力リンケージ１１は、それぞれの追加のリンケージ１０からエネルギーを伝達することによってリンケージ６に寄与する。これは、先行技術と比較して、著しく増加した結合又はＢ_ｍａｘの増加をもたらす。

新しい結合装置１２は、リング８のスタックによって、又は、各巻線／ターン２３がリング８に相当するｚ軸に沿ったソレノイドとして作製される。いずれの場合においても、軸方向コア（又はボア）は導電性材料を含まないままであり、隣接する導体ループ間の軸方向空間は導体材料を含まないままである。

カットオフ条件は、磁力線が結合装置のループ／リング／巻線のスタック内側に軸方向に侵入しないように定義される。マイクロ波フィールド線は、カットオフ条件未満では（消えるように（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔｌｙ））減衰されるべきである。カットオフ条件及びその測定可能な効果は、当業者に知られており、典型的には、リングのサイズ、内径、周波数、長さ又は厚さ、使用される材料及びその導電率のようなパラメータと相関する。

軸方向伝搬は、ここでは、マイクロ波放射の磁力線がＺ軸に平行であり、スタック／ループ／リング／巻線の内部（円筒形）表面内にあることを意味するものとする。軸方向伝搬は、カットオフ条件未満では発生しない。

図９は、本発明と共に使用するための電子常磁性共鳴（＝ＥＰＲ）測定システム４８を示す。マイクロ波源４１は、マイクロ波ブリッジ４１にマイクロ波放射をもたらし、サーキュレータ４２は、マイクロ波放射をマイクロ波導波管２（第１のマイクロ波構造体２ａ）内に誘導する。マイクロ波導波管２の端部において、本発明の結合装置１２が、マイクロ波共振空洞１（第２のマイクロ波構造体１ａ）に開口する虹彩開口５の前に配置される。マイクロ波共振空洞１内には、試料３２が配置されている。マイクロ波導波管２、結合装置１２、及びマイクロ波共振空洞１は、基本的に、ＥＰＲ測定システム４８のＥＰＲプローブヘッドを形成する。

試料３２が配置される静磁場を提供するために、マイクロ波共振空洞１は、一対の変調コイル４３と、ここでは一対のディスク形状の主磁石コイル４４との間に配置される。

試料３２によって特性吸収されたマイクロ波放射は、マイクロ波導波管２を伝搬してサーキュレータ４２に戻り、マイクロ波検出器４５に誘導される。マイクロ波検出器４５は増幅器４６に接続され、増幅器４６は制御及び評価装置として機能するコンピュータ４７に接続される。増幅器４６はまた、制御のために変調コイル４３及び主磁石コイル４４に接続される。

図６は、本発明による結合装置１２の寸法を示す。装置１２は、以下の幾何学的パラメータによって定義される：
Ｌは、装置（又はスタック）１２の長さを定義するが、Ｌ＝Ｎ＊Ｈ_ｒｉｎｇ＋（Ｎ－１）＊Ｈ_ｄｉｅｌであり、
Ｈ_ｒｉｎｇ：金属導体ループ２１（ここではリング８、又は巻線）のストライプ（材料片）の高さ、
Ｈ_ｄｉｅｌ：金属導体ループ／リング／巻線の間に配置された誘電体（特に誘電体セパレータ１３）の高さ、
Ｎ：金属導体ループ／リング／巻線の数、
Ｒ_ｉｎ及びＲ_ｏｕｔ：金属導体ループ／リング／巻線の内側半径及び外側半径
である。なお、図６の例では、Ｒ_ｉｎ及びＲ_ｏｕｔはまた、スタック１２及び誘電体セパレータ１３によって共有されることに留意されたい。なお、ここでは、Ｒ_ｉｎは、ループ２１の最小内寸ＭＩＤでもあり、Ｒ_ｏｕｔは、ループ２１の最大外寸でもあって、差Ｒ_ｏｕｔ－Ｒ_ｉｎ＝ＲＷ_ｒｉｎｇはループ／リング／巻線の半径方向幅である。

装置１２は、以下の電磁パラメータによってさらに定義される：
σ：導体ループ／リング／巻線の金属伝導率；
δ：導体ループ／リング／巻線のマイクロ波表皮深さ、
ε_ｄｉｅｌ：ループ／リング／巻線の間に軸方向に配置された誘電体の比誘電率。なお、誘電体は、周囲／空気及び／又はホルダ／支持構造体（もしあれば）を備え得ることに留意されたい。また、これらのパラメータは、通常、結合装置／スタック１２全体及び各金属導体ループ２１／リング８／巻線によって共有される。

誘電体セパレータ１３は、周囲及びホルダ（ε_ｓｕｒ）よりも高い誘電率（ε_ｓｅｐ、ε_ｄｉｅｌに対応）を有し得る。したがってε_ｓｅｐ≧ε_ｓｕｒである。

装置／スタック全体１２は、パラメータＬ、Ｒ_ｉｎ、Ｒ_ｏｕｔによって定義される。
ループ／金属リング８は、パラメータＨ_ｒｉｎｇ、Ｒ_ｉｎ、Ｒ_ｏｕｔによって定義される。
誘電体セパレータ１３は、パラメータＨ_ｄｉｅｌ、Ｒ_ｉｎ、Ｒ_ｏｕｔによって定義される。

典型的には、円筒形スタック内の磁力線３ｂ’’に対してｚ軸に沿ったカットオフ条件を提供するために、Ｌ＞３＊２＊Ｒ_ｉｎである。
Ｈ_ｒｉｎｇ＞３＊δの場合、この関係は、一般に、任意の周波数（δは周波数及び材料パラメータに依存する）で良好な導体を記述するのに十分であり、したがって、必要に応じてカットオフ条件未満又はカットオフ条件超過の状態を一貫して効率的に実施させるために十分である。
Ｈ_ｄｉｅｌ＞（Ｒ_ｏｕｔ－Ｒ_ｉｎ）／（３＊ε_ｄｉｅｌ）の場合、この関係は、リング８と磁力線３ｃ’’との有意なリンケージを達成するために、隣接する一組の金属リング８の間の誘電体セパレータ１３を通るＢｚ成分の、十分に大きなカットオフ未満の半径方向の伝搬がもたらされるように選択されるべきである。

共通パラメータＬ、Ｒ_ｉｎ、Ｒ_ｏｕｔ、及びσは、上述の図２の先行技術の結合装置７と少なくとも同じマイクロ波設計及び機能を提供する。これは、ｚに沿って同じカットオフ未満マイクロ波伝搬を維持すると、必然的に磁力線３ａ及び３ｂ’’に同一の歪みがもたらされることを意味する。したがって、結合装置の寸法と虹彩開口から結合装置の距離とは、先行技術の結合シリンダ７（図２を参照）と同じままであり、これは、製造においてより高い精度を必要としない。しかし、本発明による結合装置１２では、結合係数が大幅に増加する。

好ましい実施形態では、金属導体ループ／リング／巻線又はそれらのストライプの間の間隔Ｈ_ｄｉｅｌは、それぞれ、カットオフを超える動作が可能になるのに十分に大きくなければならない（例えば、１０μｍ～２ｍｍの範囲；１０ＧＨｚについては０．５ｍｍ；２６３ＧＨｚについては２０μｍ）。

ループ／リング／巻線の半径方向延長部ＲＷ_ｒｉｎｇ（ＲＷ_ｒｉｎｇ＝Ｒ_ｏｕｔ－Ｒ_ｉｎ）は、上述のカットオフ条件に起因する過度に大きい減衰を避けるように対応するように、十分に小さくなければならない。好ましくは、ＲＷ_ｒｉｎｇは、ＲＷ_ｒｉｎｇ≦Ｈ_ｄｉｅｌ＊３＊ε_ｄｉｅｌに従うべきである。

以下の図７は、金属ソレノイド１５（連続的な螺旋構造体２６）を使用する本発明の結合装置１２の実施形態の一例を示し、分離されたリングのスタックの代わりに、導体ループ２１として複数の巻線２３を備える。この実施形態は同じ要件を満たし、すなわち、ソレノイド１５内のカットオフ条件が維持され、特別なリンケージ１０及び１１がマイクロ波磁力線３ｃ’’を結合することに寄与しており、したがって、二次リンケージ１０及び１１は図５に示すものと同じように機能する。

結合装置１２のこの実施形態はソレノイド配置に基づいており、幾何学パラメータ（Ｌ、Ｒ_ｉｎ、Ｒ_ｏｕｔ、Ｈ_ｒｉｎｇ、Ｈ_ｄｉｅｌ）及び材料（σ、δ、ε_ｄｉｅｌ、加え、該当する場合はε_ｓｕｒとε_ｓｅｐとを区別する）によって記述される。螺旋構造体２６（金属ソレノイド１５）は、材料（σ、δ）、ワイヤの形状、断面（Ｈ_ｒｉｎｇ）、及び巻線パラメータＲ_ｉｎ、Ｒ_ｏｕｔ、及びＨ_ｄｉｅｌによって記述される。誘電体支持及び巻線セパレータ１６（もしあれば）は、幾何学的パラメータ（Ｈ_ｄｉｅｌ、Ｒ_ｉｎ）及び材料パラメータ（ε_ｓｅｐ）によって記述される。上述の図６によるパラメータの定義が、同じように適用される。

６．本発明によるダイナミックレンジの適用
好ましい実施形態では、結合装置は、特に不足結合、臨界結合、及び過結合を提供することができるように、虹彩の前のＢ磁束密度を変更することができるように、Ｚ方向に移動可能でなければならない。例えば、誘電体支持構造体は、Ｚ軸に沿って移動可能であるようにねじで固定され得る。虹彩の前の磁束密度を変更でき、且つ、結合装置Ｂ_ｍａｘをより高くできることによって、共振器のダイナミックレンジをより広くすることができる。

解決しようとする課題を例示するために、図８に、本発明の技術的解決策が、高感度ＥＰＲ空洞の２つの典型的な設計要件に対してどのように適用されるかを以下に示す。
低損失ＥＰＲ試料の改善ケース１：Ｑ_Ｌ上限を１５０００を超えて増加させることが望ましい（Ｑ_Ｌが高くなるとＥＰＲ信号が高くなるため、低損失ＥＰＲ試料に対する感度が高くなる。）が、Ｑ_Ｌ下限は７００に保たれるべきである。
最新技術の解決策：結合動的性２０：１（Ｑ_Ｌは１５０００から７００まで）のシステムから開始して、Ｑ_Ｌ＝３００００の２倍高い上限が必要な場合、虹彩開口Ａ_ＩＲＩＳを半分に低減させなければならない。結合動的性が、２０：１以下にとどまると、Ｑ＿Ｌ＝７００の下限要件はこれ以上満たされない。
本発明による解決策：結合装置の新しい設計においてＢ_ｍａｘを２倍に向上させることが達成された場合、同時にＡ_ＩＲＩＳを半分に低減し、下限を維持することができる。新しい結合動的性は、必要に応じて、４０：１（３００００から７００まで）である（図８の、下に示されるａ）部を比較）。

改善事例２：損失の多いＥＰＲ試料（低感度クラスシステムとしても知られているより小さいＱ_ＩＮＴ）若しくはＥＰＲパルスプローブヘッド、又はＲＳ ＥＰＲプローブヘッドなどについて：Ｑ_Ｌの下限を３５０に低減することが望ましいが、Ｑ_Ｌの上限は１５０００に保つ必要がある。

最新技術の解決策：結合動的性２０：１（Ｑ_Ｌは１５０００から７００まで）のシステムから開始して、Ｑ_Ｌ＝３５０の２分の１の下限が必要な場合、虹彩開口Ａ_ＩＲＩＳを２倍に増加させなければならない。結合動的性が２０：１以下にとどまると、Ｑ_Ｌ＝１５０００の上限要件はこれ以上満たされない。

本発明による解決策：結合装置の新しい設計においてＢ_ｍａｘを２倍に向上させることが達成された場合、単にＡ_ＩＲＩＳを一定に保つ。新しい結合動的性は、必要に応じて、４０：１（Ｑ_Ｌは１５０００から３５０まで）である（図８の上部に示されるｂ）部を比較）。

７．本発明のさらなる態様
ループの数（リングの数、又はソレノイドの場合は巻線の数）は、少なくとも３つであるべきであり、多くの場合、少なくとも４つのループが使用される。好ましくは、リング又は巻線の数は３から２０であるべきであり、これにより結合変動の滑らかさ（連続性）を維持する。

一般に、ループ間の軸方向間隔は等しく選択されるが、等しくなくてもよい。一般に、結合装置は、円筒形状（ｚ軸に垂直な断面において円形）を有するように選択されるが、非円筒形状、例えば楕円形又は長方形の形状であってもよい。

製造を簡単にするために、以下のステップをとることができる：
－ソレノイドストライプを有する結合装置を製造するために、ねじ付き誘電体（誘電体支持構造体）の溝を、例えば誘電体ねじに巻き付けた導線などの導電性材料で充填することが可能である。
－環状ループ（導体リング／ストライプ）を有する結合装置を製造するために、誘電体に金属コーティングを塗布することが可能である。例えば、半径方向外面が金属化された誘電体リングは、金属化されていない誘電体リングと交互に積層されてもよい。メタライゼーションの軸方向の延長部は、金属リングに対応する。さらに、金属リング（スロット付きディスク）は、一方（又は両方）の軸方向端面上に誘電体材料でコーティングされてもよく、誘電体コーティングの軸方向延長部は実質的に誘電体セパレータ又は切断部に対応する。

１ マイクロ波共振空洞
１ａ 第２のマイクロ波構造体
２ マイクロ波導波管
２ａ 第１のマイクロ波構造体
３ （導波管内の）磁力線
３ａ 結合装置の影響を受けない磁力線
３ｂ’ 結合装置による歪みのない磁力線
３ｂ’’ カットオフ条件下での結合装置による、虹彩開口に向かう歪みを伴う磁力線（元は３ｂ’）
３ｃ’ 結合装置による歪みのない磁力線
３ｃ’’ カットオフ条件下での結合装置による、虹彩開口から離れる歪みを伴う磁力線（元は３ｂ’）
４ （空洞内の）磁力線
５ 虹彩開口
６（主）リンケージ
７ 結合装置（最新技術）
８ リング
９ 軸方向に隣接する導体ループ間で、結合装置の内部容積内への横方向進入を伴う歪んだ磁力線（元は３ｂ’）
１０ （追加の）リンケージ
１０ａ 局所的なマイクロ波磁力線ループ
１１ （二次）リンケージ
１２ （本発明による）結合装置
１３ セパレータ（ディスク）
１５ 金属ソレノイド
１６ 巻線セパレータ
２０ 支持構造体
２１ 導体ループ
２２ ねじ山
２３ 巻線
２４ 共通の壁
２５ マイクロ波結合アセンブリ
２６ 螺旋構造体
２６ａ ワイヤ
２７ 保持構造体
２８ ねじ山
２９ モータ
３０ 移動装置
３１ 試料ホルダ
３２ 試料
３３ プローブヘッド
３４ 内部容積
３５ 移動機構
３６ （試料アクセス）開口
４０ マイクロ波源
４１ マイクロ波ブリッジ
４２ サーキュレータ
４３ 変調コイル
４４ 主磁石コイル
４５ マイクロ波検出器
４６ 増幅器
４７ コンピュータ
４８ ＥＰＲ測定システム
Ｘ マイクロ波フィールド伝搬の方向／軸
Ｚ 虹彩開口の長寸法の方向／軸（標準的な長方形ＴＥ１０導波管の長軸の方向も意味する）

Claims (16)

1. 結合装置（１２）であって、
   第１のマイクロ波構造体（２ａ）、詳細にはマイクロ波導波管（２）からのマイクロ波放射を、第２のマイクロ波構造体（１ａ）、詳細にはマイクロ波共振空洞（１）に結合させるための結合装置（１２）であって、前記第１及び第２のマイクロ波構造体（２ａ，１ａ）は共通の壁（２４）を共有し、前記結合装置（１２）は、前記第１のマイクロ波構造体（２ａ）の側に位置する前記壁（２４）の虹彩開口（５）を介して結合をするものであって、
   詳細には、前記結合装置（１２）は、基本的に円筒形状であり、
   前記結合装置（１２）は、Ｎ≧３、好ましくは３≦Ｎ≦２０であるＮ個の導電性の導体ループ（２１）を備える結合装置（１２）であって、
   前記導体ループ（２１）は、ｚ軸に沿って同軸に配列され、
   前記ｚ軸は、前記第１のマイクロ波構造体（２ａ）及び前記第２のマイクロ波構造体（１ａ）の前記共通の壁（２４）と平行であり、
   軸方向に隣接する導体ループ（２１）は誘電体によって分離されている、
   ことを特徴とする結合装置（１２）。
2. 前記導体ループ（２１）及び前記誘電体は、前記ｚ軸に沿ったマイクロ波磁場の軸方向の伝搬がカットオフ条件を下回るように選択され、寸法決めされ、配置されているため、前記ｚ軸に平行なマイクロ波磁力線（３）は前記結合装置（１２）の内部容積（３４）に入ることができないことを特徴とする請求項１に記載の結合装置（１２）。
3. 前記導体ループ（２１）及び前記誘電体は、軸方向に隣接するループ（２１）間から前記結合装置（１２）の内部容積（３４）内へのマイクロ波磁場の伝搬が可能となるように選択され、寸法決めされ、配置されているため、個々の導体ループ（２１）の周りの局所的なマイクロ波磁力線ループ（１０ａ）は、前記結合装置（１２）を介して前記第１のマイクロ波構造体（２ａ）内のマイクロ波磁場と前記第２のマイクロ波構造体（１ａ）内のマイクロ波磁場とを連結するために形成され得ることを特徴とする請求項１又は２に記載の結合装置（１２）。
4. 前記導体ループ（２１）は、連続的な螺旋導体構造体（２６）の導体巻線（２３）として形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結合装置（１２）。
5. 前記導体ループ（２１）は、互いに電気的に絶縁された閉じた導体リング（８）として形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結合装置（１２）。
6. 前記結合装置（１２）は、前記導体ループ（２１）が配置された支持構造体（２０）を備え、
   前記支持構造体（２０）は前記誘電体から作製される
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結合装置（１２）。
7. 前記結合装置（１２）は、前記支持構造体（２０）を前記ｚ軸に沿って移動させるための移動機構（３５）を備えることを特徴とする請求項６に記載の結合装置（１２）。
8. 前記導体ループ（２１）の配列は、前記ｚ軸に沿って長さＬを有し、前記配列は、前記ｚ軸に垂直な平面内で最大外径ＭＯＤを有し、
   ０．５≦Ｌ／ＭＯＤ≦１０である
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の結合装置（１２）。
9. 前記導体ループ（２１）の配列は、前記ｚ軸に沿って長さＬを有し、前記導体ループ（２１）の各々は、前記ｚ軸に垂直な平面内で最小内径ＭＩＤを有し、
   Ｌ＞２＊ＭＩＤである
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の結合装置（１２）。
10. 前記導体ループ（１２）は、前記マイクロ波放射の表皮深さをδとすると、局所的な軸方向延長部Ｈ_ｒｉｎｇがＨ_ｒｉｎｇ≧３＊δである導体ストライプから作製されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の結合装置（１２）。
11. 隣接する導体ループ（２１）を分離する前記誘電体の局所的な軸方向延長部Ｈ_ｄｉｅｌは、Ｈ_ｄｉｅｌ≧ＲＷ_ｒｉｎｇ／（３＊ε_ｄｉｅｌ）となるように選択され、
    前記導体ループ（２１）は、局所的な半径方向幅ＲＷ_ｒｉｎｇを有する導体ストライプから作製され、前記誘電体は、相対誘電率ε_ｄｉｅｌを有する
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の結合装置（１２）。
12. －詳細にはマイクロ波導波管（２）である第１のマイクロ波構造体（２ａ）と、
    －詳細にはマイクロ波共振空洞（１）である第２のマイクロ波構造体（１ａ）であって、前記第１及び第２のマイクロ波構造体（２ａ、１ａ）が共通の壁（２４）を共有する第２のマイクロ波構造体（１ａ）と、
    －前記第１のマイクロ波構造体（２ａ）と前記第２のマイクロ波構造体（１ａ）とを接続する、前記共通の壁（２４）内の虹彩開口（５）と、
    －前記第１のマイクロ波構造体（２ａ）内において前記虹彩開口の前に位置する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の結合装置（１２）と、
    を備えるマイクロ波結合アセンブリ（２５）であって、
    前記導体ループ（２１）が前記ｚ軸に沿って同軸に配列され、前記ｚ軸は、前記第１のマイクロ波構造体（２ａ）及び前記第２のマイクロ波構造体（１ａ）の前記共通の壁（２４）と平行である
    ことを特徴とするマイクロ波結合アセンブリ（２５）。
13. 前記導体ループ（２１）の配列は、前記ｚ軸に沿って長さＬを有し、前記虹彩開口（５）は、前記ｚ軸に沿って延長部ＩＬＤを有し、
    ０．２＊ＩＬＤ≦Ｌ≦２＊ＩＬＤである
    ことを特徴とする請求項１２に記載のマイクロ波結合アセンブリ（２５）。
14. マイクロ波結合アセンブリ（２５）は、前記第１のマイクロ波構造体（２ａ）内で前記結合装置（１２）を前記ｚ軸に沿って移動させるための移動装置（３０）を備え、
    特に、前記移動装置（３０）は、ねじ又はガイド部材を備える
    ことを特徴とする請求項１２及び１３のいずれか１項に記載のマイクロ波結合アセンブリ（２５）。
15. 電子常磁性共鳴（＝ＥＰＲ）測定システム用のプローブヘッド（３３）であって、
    請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載のマイクロ波結合アセンブリ（２５）を備え、
    前記第２のマイクロ波構造体（１ａ）は、ＥＰＲ試料（３２）用の少なくとも１つの開口（３６）及び試料ホルダ（３１）を備えるマイクロ波共振空洞（１）であり、
    前記第１のマイクロ波構造体（２ａ）は、マイクロ波導波管（２）である
    ことを特徴とするプローブヘッド（３３）。
16. ＥＰＲ測定における、請求項１５に記載のプローブヘッド（３３）の使用法であって、 ＥＰＲ試料（３２）は、前記マイクロ波共振空洞（１）内の前記試料ホルダ（３１）に配置され、
    マイクロ波放射は、前記マイクロ波導波管（２）に供給され、前記結合装置（１２）によって補助された前記虹彩開口（５）を介して前記マイクロ波共振空洞（１）に結合され、
    前記虹彩開口（５）の前の前記マイクロ波放射の磁力線（３）は、前記ｚ軸に平行であり、
    前記ｚ軸に沿ったマイクロ波磁場の軸方向の伝搬は結合装置（１２）のカットオフ条件を下回っているため、前記ｚ軸に平行なマイクロ波磁力線（３）は前記結合装置（１２）の内部容積（３４）に侵入せず、
    軸方向に隣接するループ（２１）間で前記結合装置（１２）の前記内部容積（３４）へのマイクロ波磁場の伝搬が起こるので、局所的なマイクロ波磁力線ループ（１０ａ）が、個々の導体ループ（２１）の周りに形成されて、前記結合装置（１２）を介して前記第１のマイクロ波構造体（２ａ）のマイクロ波磁場と前記第２のマイクロ波構造体（１ａ）のマイクロ波磁場とを連結する、
    プローブヘッド（３３）の使用法。

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