JPH065269B2 - 電子スピン共鳴型分光計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、測定試料を含む共振器が定強度、高均一性の
磁場内に配設してあり、該共振器にマイクロ波ブリッジ
によりマイクロ波エネルギーを断続信号として供給可能
であり、共振器により放出した測定信号を検波器と信号
評価装置とに供給し、更にマイクロ波源とマイクロ波ブ
リッジとの間に配設した線路が並列配置された複数のパ
ルス整形チャネルに分割されている、電子スピン共鳴型
分光計に関する。

（従来の技術） かかる分光計は、米国テキサス州ヒューストン大学化学
部より1982燃に刊行されたナガヤナの論文『電子スピン
エコー分光計において遅れを低減するための能動マイク
ロ波遅延線』に記載されている。

周知の分光計で中心となっている課題は、いわゆる「空
洞リンギング」により発生する遅れを減らすことであ
る。電子スピン共鳴型(ESR)型分光計に普通、高品質又
は小帯域幅のマイクロ波空洞共振器を使用することは知
られている。この共振器に、専門用語でマイクロ波バー
ストと理解されるマイクロ波「パルス」を印加すると、
共振器はＱが高いためパルスの遮断後も比較的長い減衰
時間を有している。この減衰時間は共振器のＱが高けれ
ば高いほど長い。

しかし、この減衰時間はＥＳＲにおけるスピンエコー信
号の測定を妨げる。その理由は、励起パルスの立ち下が
り後、励起パルスに対するスピン共鳴型分光計の応答を
できるだけ早くして測定しなければならないからであ
る。

このことを背景に、前掲論文には、マイクロ波源からマ
イクロ波ブリッジに至るマイクロ波線に分路を設けた配
置が記載されている。マイクロ波線の主分路にはダイオ
ードスイッチと進行波パワー増幅器と可変減衰器が順次
直列に配設してある。ダイオードスイッチより前でマイ
クロ波線に10dBのカプラが設けてあり、ここから分岐線
が可変減衰器の背後まで導いてあり、その箇所で分岐線
は逆向きの10dBのカプラを介し再び主線に結合される。
分岐線にはダイオードスイッチ、マイクロ波増幅器、別
のダイオードスイッチ、可変減衰器、そして0゜から180゜
まで調整可能な移相器が相前後して設けてある。

この配置は、主分路のダイオードスイッチを作動させて
主分路でまず単数又は複数の測定パルスを接続できるよ
うにする一方、分岐線のダイオードスイッチを適宜に作
動させて極性の異なる別のマイクロ波パルスを共振器に
供給できるようにするためのものであり、前記マイクロ
波パルスは特定の遅れを有して主線のマイクロ波パルス
に続いている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、この周知配置は、欠点として、ごく単純なパル
ス列を発生できるにすぎず、又装置にかなりの費用がか
かり、この費用は２つの完全なマイクロ波高パワー回路
の費用に事実上等しい。そのため周知配置は用途の広さ
の点でも費用の点でもその使用が限られている。

そこで本発明は、冒頭述べた形式の分光計を改良し、最
小の構造支出でほぼ無限数のパルス列を、任意に設定可
能な時間間隔、振幅及び位相において試料に照射できる
ようにすることを目的とする。

（課題を解決するための手段、作用） 上記目的を達成するため、本発明は電子スピン共鳴型分
光計において、パルス整形チャネルが分割器により同じ
部分に線路から供給を受け、どのパルス整形チャネルも
位相及び振幅を調整する手段と前記チャネルを通過する
信号を切り替える手段を備え、パルス整形チャネルが、
共通のマイクロ波パワー増幅器の入力端子の前に配設し
た配設した結合器により再び一つにまとめられるように
構成されている。

こうして、分割器を使用することによりまず少なくとも
類似した、好ましくは同一でさえあるチャネルが得ら
れ、これらのチャネルにはパワーを増幅する能動素子が
なく、せいぜいダイオードスイッチ、減衰器及び移相器
を設けることに限定できるので、本発明の目的が完全に
達成される。どのチャネルでも振幅及び位相を調整でき
るので、パルスプログラムを作成するにあたって事実上
無限の柔軟性が保証され、又特に核磁気共鳴(NMR)技術
の方から知られている種類のパルス列、例えばCarr-Pur
cellパルス列又はCarr-Purcell-Meiboom-Gillパルス列
又はその他の、相連続したパルスの位相がいわゆるＸ，
−Ｘ，Ｙ又は−Ｙとして0゜，90゜，180゜，270゜で現れる
パルス列を調整することができる。

この場合チャネル内に好ましくは能動素子のみ使用する
と、増幅器での過渡現象及び減衰現象を考慮しなくても
よいという利点が得られる。むしろ全マイクロ波信号は
低レベル領域でパルス連鎖へと成形され、これが次に共
通のマイクロ波パワー増幅器、例えば進行波増幅器に達
する。

パルス整形チャネルは好ましくは同一に構成してあり、
そして前述の４つのＸ，−Ｘ，Ｙ及び−Ｙパルスを別々
に調整できるよう４つのかかるパルス整形チャネルが使
用される。これに加え更に、移相器の調整範囲が０〜36
0゜であるのが望ましい。

つまりこうして全体として任意のパルス列を構成するこ
とができる。これが周知装置では不可能であるが、それ
はそこでは空洞共振器の減衰現象を補償するため単一の
抑圧パルスを生成することのみ頭にあったからである。

本発明の好ましい１展開では、核パルス整形チャネルが
２つの並列分路を有し、核分路が位相及び振幅を調整す
る手段と切替手段とを備えている。

この処置の利点として、パルス整形チャネルはそれぞれ
特定の測定パルス、いわゆる『物理的パルス』を調整す
るのに使用することができ、各パルス整形チャネルの内
部には「技術的パルス」により空洞共振器の減衰現象を
補償する別の分路が設けてあり、各パルス整形チャネル
ごとにこの補償を行うことができる。

相互に同一のパルス整形チャネル又は分路を４つ又は８
つに配置すると、別の利点として、こうして時間的に直
接連続した振幅の異なるパルスを多数発生することがで
き、任意の種類のパルス波形を得ることができる。こう
して有利なことに、相連続したごく狭いパルスが適宜に
増加又は減少する振幅を有することにより、ガウス充填
曲線を生成することができる。例えば８つの並列チャネ
ルの場合振幅の分解能は2⁸、すなわち１：256であり、
ごく微細な輪郭線のパルス充填曲線を生じる。

更に、位相及び振幅を調整する手段と切替手段とをサー
キュレータにより１方向で互いに減結合することによ
り、良好な作用が達成される。

この特徴の利点は、個々の分路またはチャネルが最適に
減結合されていて相互に作用を及ぼさないようになって
いることである。

本発明の更に別の１構成では、パルス整形チャネルとパ
ワー増幅器との間に電子調整可能な減衰器、好ましくは
ダイオードスイッチが設けてある。

この処置の利点として、チャネル又は分路にスイッチン
グ手段として普通、代表的には25dBの切替損失を有する
マイクロ波ダイオードが使用されるにも拘らず、例えば
53dBというパワー増幅器の入力レベルを全範囲において
利用することができる。後置された共通の電子調整可能
な減衰器、好ましくはやはりスイッチングダイオード
が、同じく25dBの損失でターンオン可能であり、こうし
て通常のパワー増幅器の全ダイナミックレンジを切り替
えることができる。

（実施例） 本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図において１０はその基本構成が本来知られている
ような電子スピン共鳴型パルス分光計の全体である。均
一性の高い電磁石１１の磁極間にマイクロ波共振器１２
があり、そのなかで被検試料１３がマイクロ波磁場の磁
場成分に曝されると同時に電磁石１１の定磁場にも曝さ
れている。励起マイクロ波エネルギーを共振器１２に転
送する一方、共振器１２により反射した測定信号を受信
して継続処理するため、マイクロ波ブリッジ１４がマイ
クロ波線１５を介し共振器１２と結ばれている。或は、
信号増幅器１７に接続した通常構造の検波器１６におい
て前記継続処理を行うこともできる。分光計１０の信号
増幅器１７及びその他数多くの構成要素はデータバスを
介してコンピュータ中央制御装置１８と結んである。他
方、サンプルホールド段を有するＡＤ変換器に接続した
直角変調用検波器１９を介して前記信号評価を行うこと
もでき、このユニットはやはりデータバスでコンピュー
タ中央制御装置１８に接続してある。

分光計１０をマイクロ波パルス動作で運転できるようパ
ルスプログラム制御装置２５が設けてあり、これはデー
タバスを介しコンピュータ中央制御装置１８と結ばれ、
マイクロ波ブリッジ１４、ＡＤ変換器２０、及びマイク
ロ波ブリッジ１４と進行波増幅器２７との間に配設した
パルス整形段２６を駆動する。進行波増幅器２７もパル
スプログラム制御装置２５から制御信号を受信する。進
行波増幅器２７の出力端子が再びマイクロ波ブリッジ１
４に働きかけてマイクロ波高パワーエネルギーを共振器
１２に転送させる。

更に分光計１０が通常の如く界磁調整器３０を有し、こ
れが電磁石１１のマグネット電源装置３１を制御する。
磁場・周波数ロック３２が磁場に依存した信号とマイク
ロ波の周波数に依存した信号とを受信し、それと同時に
界磁調整器３０を制御するが、このこと自体はやはり周
知のことである。

それゆえ、全体としてパルスプログラム制御装置２５を
適宜に調整することにより共振器１２又はそのなかに配
置した試料１３にマイクロ波パルスを印加することがで
きる。この場合「パルス」とは、時間的に制限された波
動列、すなわち投入時点、位相及び振幅を調整すること
のできるバーストのことである。受信した信号を検波す
るためパルスプログラム制御装置２５は適宜な仕方で、
高パワーマイクロ波パルスと同期で受信信号を検波し評
価できるよう副信号を必要とする。

第２図が分光計１０の主要なマイクロ波部品を示す。

クライストロン４０又はその他適当なマイクロ波源が、
電子調整可能な減衰器４１を介し、マイクロ波エネルギ
ーを２チャネルに分割する第一の分割器４２と結んであ
る。第一分割器４２の出力端子に第一の結合コンデンサ
４３が接続してあり、その結合出力端子はやはり減衰器
４１を制御するレベル調整器４４に接続してある。連続
波動作(CW)用とパルス動作(P)用の２つの入力信号によ
り減衰器４１の２の段を調整することができる。図示し
た配置では、クライストロン４０のレベル制御が可能で
あり、代表的適用事例ではＸ帯域における最高出力パワ
ー1.2Ｗのクライストロンが使用され、その出力パワー
は連続波動作(CW)の時200mW、そしてパルス動作(P)のと
き800mWに調整される。

第一分割器４２の別の出力端子が第二の結合コンデンサ
４５に、そしてその結合出力端子が周波数調整器４６(A
FC)に接続してある。周波数調整器４６は高品質の外部
共振器４７と協働し、出力側はクライストロン４０の電
源装置４８に働きかける。

電子スピン共鳴パルス実験に必要な共振器１２は、パル
ス動作が広帯域幅の共振器１２を必要とすることから、
Ｑが低いもの、例えば誘導共振器であるので、高いＱを
有する外部共振器４７でクライストロン４０の周波数を
調整するのが望ましい。測定共振器１２のＱがごく低い
ことから、例えば温度ドリフト現象を補償するため測定
共振器１２で周波数を調整することはできない。この理
由からＱが数千以上の外部共振器４７が使用される。

第二結合コンデンサ４５の出力端子が第三のカプラ４９
に、そしてその結合出力端子が基準分路５０に接続して
ある。該分路の詳細については後に第１１図に関連して
なお詳しく説明する。

第三結合コンデンサ４９の出力端子が第四のカプラ５１
に、そしてその結合出力端子が磁場・周波数ロック３２
に接続してある。

マイクロ波回路の反対側で第一結合コンデンサ４３の出
力端子に第五の結合コンデンサ５２が接続してあり、そ
の結合出力端子は第二分割器５３に接続してある。第二
分割器５３は連続波動作(CW)用及びパルス動作(P)用の
２台のモニタ54,55に働きかけ、モニタ54,55が第二入力
端子で受けるマイクロ波信号は信号分路又はマイクロ波
高パワー分路からくる。モニタ54,55はマイクロ波成
分、特にマイクロ波パルスの調整が正しいかどうかを点
検するのに役立つ。

第五結合コンデンサ５２の出力端子に第六カプラ５６
が、そしてその結合出力端子はマイクロ波カウンタ５７
に接続してある。こうして、その都度調整したマイクロ
波周波数を連続的に表示することができる。

第一分割器４２により限定された２つのマイクロ波チャ
ネルは、すぐ上で述べたように測定及び制御を目的とし
た各種信号から結合コンデンサ43,45、49、51、52、56を介
して減結合された後、第２図の上半分で連続波チャネル
６０に、そして第２図の下半分でパルスチャネル６１に
接続してある。これらのチャネル60,61は出力端子が第
一の結合器６２において再び一つにされ、マイクロ波ブ
リッジ１４の第一のサーキュレータ６３に達している。
サーキュレータは第一のシーケンス出力端子が共振器１
２に、そして第二のシーケンス出力端子は第２図に符号
６４とした信号処理装置に接続してある。信号処理装置
の詳細については後に第１１図に関連して説明する。

連続波チャネル６０は実質的に第一の減衰器７０と第一
の移相器７１と制御入力端子７３を介し切替可能な第一
のスイッチングダイオード（PINダイオード）７２との
直列回路からなる。

それに対し、後に第５図に関連して詳細を説明するパル
スチャネル６１は実質的に制御入力端子75,76を備えた
パルス整形段７４と第二の移相器７４と進行波増幅器２
７とからなる直列回路を有する。

連続波チャネル６０とパルスチャネル６１が並列に配置
され、そしてそれらが第一結合器６２で一つにしてある
ことにより、いまや、連続波動作又はパルス動作を選択
して処理するか或いは特定の実験を行うため両方の動作
モードを同時に調整することもできる。

代表的な適用事例では、連続波チャネル６０は約50mWの
出力パワーを共振器１２に放出できるよう寸法設計して
ある。代表的には立上がり時間1nsの第一スイッチング
ダイオード７２により、（第一スイッチングダイオード
７２を開いて）連続波動作で処理するか、又は第一スイ
ッチングダイオード７２の作動により共振器１２に低出
力パワーのマイクロ波パルスを供給することができる。

このいわゆる「軟パルス」はパルスチャネル６１からく
る高パワーパスルよりもパルス幅を本質的に長くするこ
とができる。つまりその持続時間は進行波増幅器２７の
許容最大占有率によって決まり、この種の通常の増幅器
の場合、許容最大占有率は１％程度である。連続波チャ
ネル６０内で第一移相器７１を適当に調整することによ
り軟パルスは０〜360゜間の任意の位相位置においてパル
スチャネル６１の高パワーパルスにセットすることがで
きる。

上述の配置により、一方でパルスチャネル６１を遮断
し、第一スイッチングダイオード７２を持続的に開とす
ることにより、通常の低パワーの連続波動作で処理する
ことができる。

第二の動作モードではパルスチャネル６１を遮断し第一
スイッチングダイオード７２を作動させることにより低
パワーマイクロ波パルスでのみ処理することができる。

第三の動作モードでは逆に連続波チャネル６０を遮断し
パルス整形段７４を作動させることにより高パワーパル
ス動作で処理することができる。

次に、第四の動作モードでは両方のチャネル６０，６１
を並列に投入することができ、この場合連続波チャネル
６０が低パワーパルス、そしてパルスチャネル６１が高
パワーパルスを供給する。

その一例が第３図に示してあり、そこには時間に依存し
てまず低パワーの、但し持続時間の長い第一のパルス８
０、そして次に高パワーの、但し持続時間の短い第二の
パルス８１を認めることができる。

知られているように、フーリエ変換を介し時間領域が周
波数領域に依存しているためパルス幅は周波数領域内の
周波数分布のスペクトル幅に反比例する。つまり時間領
域内のパルスはごく幅の広い周波数分布に至るのに対
し、長いパルスはごく幅の狭い周波数分布に至る。この
ことを第３図の実験で利用することができ、第二パルス
８１に起因した比較的広い周波数分布８２が第一パルス
８０の惹き起こすごく狭い切込み部８３を備えている第
４図の周波数分布が得られる。従って軟パルス８０によ
り、本来幅の広いスピン束（周波数分布８２）内で選択
飽和（切込み部８３）を達成することができる。

パルス８０，８１を使った第３図の図示が単なる１例と
理解すべきであることは自明であり、パルスは勿論任意
の時間関係、位相位置又は振幅比とすることができ、例
えば時間的に一致させることもできる。最後に、前述の
高パワーパルスをパルスチャネル６１から放出し、第一
スイッチングダイオード７２を連続的に開いて連続波チ
ャネル６０を連続波動作で作動させる第五の動作モード
も可能である。高パワーパルスの連続波レベルの混合
は、スピン系を飽和し、そして次に連続波レベルにより
飽和状態からのスピン系の回復を検出するいわゆる「飽
和回復」を生成するのに使用することができる。この場
合、低パワーの分離した連続波チャネル６０を平行して
使用することの利点としてきわめて低い連続波レベルで
処理することができ、単一の高パワーチャネルを使って
処理し、そして高パワーパルスの照射後に低レベルの連
続波動作に切り替える場合のように進行波増幅器の雑音
で邪魔されることもない。

第５図がパルスチャネル６１のその他の詳細を示す。

パルスチャネル６１の入力側に第三の分割器９０を認め
ることができ、これが到来するマイクロ波エネルギーを
４つの並列且つ等価なパルス整形チャネル91a,91b,91c,
91dに分配し、パルス整形チャネルは出力側で、第三分
割器９０と対称な第二の結合器９４で再び一つにまとめ
られる。パルス整形チャネル91a〜91dはそれぞれ２個の
制御入力端子92a〜92d又は93a〜93dを有するが、その詳
細についてはなお後に第６図及び第８図に関連して説明
する。

第二結合器９４の出力端子に、マイクロ波前置増幅器９
５と第二移相器７７と制御入力端子９７を有する第二の
スイッチングダイオード９６とその結合出力端子がパル
スモニタ５５に結ばれた第七の結合コンデンサ９８と進
行波増幅器２７と第二の減衰器９９と制御入力端子101
を有するスイッチング段100とからなる直列回路が接続
してある。

４つの並列に接続したパルス整形チャネル91a〜91dによ
り、任意のパルスプログラムを作成することができる。
例えば、第一パルス整形チャネル91aではいわゆるＸパ
ルス（位相0゜）、第二パルス整形チャネル91bではいわ
ゆる−Ｘパルス（位相＋９０°）、第三パルス整形チャ
ネル91cではいわゆるＹパルス（位相＋180゜）、そして
最後に第四パルス整形チャネル91dではいわゆる−Ｙパ
ルス（位相＋270゜）を調整することができる。

４つのパルス整形チャネル91a〜91dを並列に配置する利
点として前記Ｘ，−Ｘ，Ｙ及び−Ｙパルスは互いに任意
の位相位置で調整することができる。単一のチャネルで
はこれが不可能であろう。というのもマイクロ波信号の
位相を切り替える通常の部品はスイッチング時間が３ns
よりかなり長く、ごく密接した位相関係をこの方法で実
現することはできないからである。だが並列チャネルを
使うと、ごく密接した位相位置も互いに、位相位置０に
至るまで調整することができる。

後に第６図及び第８図に関連してなお説明するように、
パルス整形チャネル91a〜91dはマイクロ波パワーを弱め
るスイッチングダイオードをすでに備えている。第二結
合器９４の共通する出力端子の後方に制御入力端子９７
を有する第二スイッチングダイオード９６は更に、進行
波増幅器２７のダイナミックレンジが例えば53dBであ
り、単一のスイッチングダイオードではこれをカバーす
ることができないので、ダイナミックレンジを広げる意
味を持つ。それゆえ減衰を行い又それとともに進行波増
幅器２７のダイナミックレンジ全体を利用するため、通
常のスイッチングダイオードのダイナミックレンジが約
25dBであることから、かかるスイッチングダイオードが
２個直列に接続して使用される。

進行波増幅器２７の出力端側にある第二減衰器９９はレ
ンジが例えば０〜60dBの高パワー減衰器として設けてお
くことができる。

知られているように通常の進行波増幅器はマイクロ波パ
ルスの増幅時後縁の最後にいわゆる「尾」、減衰減少を
生じる特徴がある。この現象は電子スピン共鳴パルス実
験の場合大きな障害となる。この理由から、このパルス
の「尾」を切り取る役目でスイッチング段100が設けて
ある。こうして分光計の無駄時間が著しく低減する。ス
イッチング段100の詳細が第１０図に示してあり、この
点については本明細書中に説明してある。

第６図はパルス整形チャネル91aの１実施例の第一変形
例を示す。

第６図からはっきりわかるようにここでも２つの並列分
路が設けてあり、その入力端側は第四の分割器110によ
り形成してある。分路はそれぞれ第三の減衰器111a又は
111bと第三の移相器112a又は112bと第三のスイッチング
ダイオード113a又は113bとの直列回路からなり、該ダイ
オードにはすでに触れた制御入力端子92a,93aが付属
し、そして最後に両分路は第三の結合器114において再
び一つにまとめてある。

第６図の上側分路111a…はいわゆる「マスター」分路と
して働き、制御入力端子92aの駆動によりスイッチング
ダイオード113aが動作して希望するパルス、例えばＸパ
ルスを発生する。

測定共振器１２は品質が比較的低いにも拘らずなお帯域
幅が限定されるので、高パワーパルス波パルスを印加す
ると「リンギング」と呼ばれる減衰現象が発生する。こ
の障害となる作用を取り除くため第６図の下側分路が
「スレーブ」分路として設けてある。「スレーブ」分路
内で、「マスター」パルスとは180゜位相のずれた抑圧パ
ルスが生成される。

第７図がかかるパルス列を示す。117は本来の電子スピ
ン共鳴実験の遂行、つまり試料１３の励起に役立ついわ
ゆる「物理的パルス」である。次に、例えば位相0゜の
「物理パルス」117に、共振器１２の減衰現象を抑圧す
るいわゆる「技術的パルス」118（空洞リンギング消滅
パルス）が位相位置180゜で続いている。

高周波技術上の理由からパルス117,118間の間隔をでき
るだけ０とすべきであることは明白である。しかし実際
上の理由からパルス117,118間に僅かの時間の遅れを取
るのが有利な場合もあり、これに利用するのがモニタ５
４，５５である。

「マスター」分路111a…の素子と「スレーブ」分路111b
…の素子は好ましくは同一に構成してある。各分路にお
いて、第６図から読み取ることができるようにパルス
（又はパルスシーケンス）の位相も振幅も別々に調整す
ることができる。通常使用される振幅調整範囲は０〜30
dB、位相調整範囲は分解能0.1゜の場合０〜360゜である。

第６図を第５図と一緒に検討してわかるようにそれぞれ
二重に分路した４つのパルス整形チャネル91a〜91dでも
って合計８つの、例えば同一のマイクロ波チャネルが用
意してある。従ってパルスチャネル６１の各種動作モー
ドが可能である。

１動作モードでは４つのパルス整形チャネル91a〜91dに
より任意のパルス列を調整し、共振器１２の減衰現象を
それぞれ抑圧することができる。こうして試料１３に、
磁気共鳴技術の方から知られているようなパルス又はパ
ルス列を照射することができる。例として挙げるならCa
rr-Purcellパルス列又はCarr-Purcell-Meiboom-Gillパ
ルス列がある。いわゆる相回転を使った実験も行うこと
ができる。位相を周期的に交換し、そして得られた測定
データを適宜に分類することにより、後に第１１図に関
連してなお説明するように直角変調用検波器１９及びそ
れに付属したビデオ増幅器の両方のアームのなかに技術
上発生する差異を突き止めることができる。

測定した吸収信号をＡ、測定した分散信号をＤとする
と、Ｘ及びＹパルスを使用した場合位相を周期的に交換
すると二重のビデオ増幅器の出力端子にまず信号Ａ、
Ｄ、次にＤ、Ａ、次に−Ａ、−Ｄ、そして最後に−Ｄ、
−Ａが現れる。次にこれらの信号を適宜に加算、減算ま
た除算し、一定した誤差を算出することができる。

この場合、格別有利な点として各パルス整形チャネル91
a〜91d内にそれぞれ２つの分路があるため、各物理的パ
ルス（第７図の117）に技術的抑圧パルス（第７図の11
8）が続くので、極端に短い遅れで処理することができ
る。

合計８つのマイクロ波チャネルを利用できる別の動作モ
ードは次のとおりである。

試料１３を高い選択性で、つまり狭い帯域ごとに励起し
たい場合、時間領域内でマイクロ波パルスの波形はガウ
ス曲線の形状とすべきである。かかる分布曲線は８つの
マイクロ波チャネルを使って、すなわち８つのチャネル
の各々がそれぞれ同じ時間に特定の振幅量を提供するこ
とにより、容易に合成することができる。８つのチャネ
ルはすべてその振幅が個々に調整可能であり、又出力端
側で第二及び第三結合器94,114により混合されるので、
こうして2⁸、すなわち１：256の振幅幅分解能が可能で
ある。

第８図は、順次励起される個別のパルス121から合成し
たガウス分布のパルス波形120を使ったこの実験の結果
を示す。達成できる振幅分解能122はすでに述べたよう
に１：256である。

第９図に示すパルス整形チャネル91a′の変形例は、第
６図に示す素子110,112a,113a,114又は110,111b,112b,1
13b,114間にそれぞれサーキュレータ115又は115aがあ
り、その第三出力端子が各１のマイクロ波溜め116又は1
16aに接続してある点で第６図の実施例と相違してい
る。サーキュレータ115として、第四分割器110の出力端
子及び第三結合器114の入力端子に後方減衰40dbの複式
アイソレータ、そして残りの部分では後方減衰25dBの単
式アイソレータを使用することができる。

サーキュレータ115又は115aを付加的に設けると、シス
テムの非反作用性、及び前記８つのチャネル相互の減結
合が向上する。

第１０図は第５図でパルスチャネル６１の出力端側に認
めることができるようなスイッチング段100の詳細を示
す。

例えば、パルスチャネル６１内の第二スイッチングダイ
オード９６の場合のように、マイクロ波パワーの切替又
は減衰に簡単なスイッチングダイオードの使用が可能で
はあるが、しかし大きなマイクロ波パワーを接続すべき
場合には問題を生じることがある、というのも照射する
きわめて大きなマイクロ波パワーでなだれ効果が発生す
ることによりダイオードがかってに導通となるからであ
る。

この問題は第１０図のスイッチング段100で防ぐことが
できる。マイクロ波分路にスイッチング段を接続する代
わりに、第三のサーキュレータ130を使用し、その第二
端子を第四のスイッチングダイオード３１と接続し、後
者は第二のマイクロ波溜め132に接続してある。第四ス
イッチングダイオード131は制御入力端子101を介し導通
状態と非導通状態とにすることができる。

第１０図に更に示唆したように素子130,131,132の配置
は、更に別の素子セット130a,131a,132aを任意の数だけ
直列に接続することにより、カスケード化することもで
きる。

スイッチング段100は、第５図に関連してすでに述べた
ように、パルスの「尾」が電子スピン共鳴実験を乱すこ
とのないよう、進行波増幅器２７の高パワー出力パルス
を切り取る意味を持っている。これを達成するため制御
入力端子101は時間的にマイクロ波パルスの後縁と同期
又はそれより僅かに遅れて駆動される。第四スイッチン
グダイオード131は、サーキュレータ130を介しマイクロ
波高パワーパルスを転送できるようまず遮断されてい
る。なぜなら遮断された第四スイッチングダイオード13
1はそれ自身なだれ領域に達することなくマイクロ波パ
ルスを反射するからである。これに関連し、マイクロ波
高パワーパルスの反射時、第四スイッチングダイオード
131が導通状態となることのないようその挿入損失（ｉ
ｎｓｅｒｔｉｏｎ ｌｏｓｓ）を適宜に設計しておく点
に勿論注意しなければならない。

次にマイクロ波パルスの後縁でもって第四スイッチング
ダイオード131が導通状態に反転し、サーキュレータ130
内のパルスの「尾」は第四スイッチングダイオード131
を介しマイクロ波溜め132に転送される。第四スイッチ
ングダイオード131をマイクロ波パルスの後縁より多少
遅らせて導通にすると、進行波増幅器２７の出力パルス
はごく短時間のうちに約30〜40dB低下し、第四スイッチ
ングダイオード131は30〜40dB低下したレベルを導通す
るだけとなるとの事実を利用することができる。大抵の
電子スピン共鳴実験にとってこのスイッチング挙動は十
分である。というのもマイクロ波パルスの後縁から第四
スイッチングダイオード131のターンオンまでの短い時
間の間、後縁の急峻は十分大きいからである。

パルスの「尾」のこの切取りは第１０図に示唆した素子
のカスケード化により勿論なお向上させることができ
る。

最後に第１１図は信号処理の詳細を示す。

共振器１２で反射した測定信号は測定すべき電子スピン
共鳴実験についての情報を含んでおり、通常の方法によ
りサーキュレータ６３の第三端子から取り出すことがで
きる。この測定信号が最初に供給される第八の結合コン
デンサ140は結合出力端子が連続波チャネルのモニタ５
４に接続してある。第八結合コンデンサ140の出力端子
はまず第一切替スイッチ141の一方の入力端子に接続し
てあり、第二の入力端子には別の共振器、例えば誘導共
振器を接続することができる。

第一切替スイッチ141の出力端子に第五のスイッチング
ダイオード143が接続してあり、その制御入力端子144は
やはり第二の切替スイッチ145に接続してある。第二切
替スイッチ145は一方の切替位置のとき測定信号をその
まま転送し、他方の切替位置のときマイクロ波前置増幅
器146をオンにする。この増幅器は代表的適用事例の場
合、雑音指数が僅か1.9dB、増幅度38dBである。この動
作モードのときマイクロ波前置増幅器146を高パワーパ
ルスから保護するため第五スイッチングダイオード143
が設けてあり、これは、パルス間隔中に電子スピン共鳴
信号の自由誘導落下分をマイクロ波前置増幅器146に供
給するためだがその外ではこれを高パワーパルスから保
護するため、パルス間隔の間のみ開く。

第三の切替スイッチ147が前記分路を再び一緒にし、更
に第四の切替スイッチ148に接続してある。後者は第１
１図の上側切替位置が連続波測定、下側切替位置が好ま
しくはパルス測定に使用される。第四の切替スイッチ14
8が上側切替位置のとき、第四の結合器151と単相復調器
152、例えば同軸ショットキー障壁ダイオードとを有す
る連続波チャネル150がオンであり、このチャネルは
（第四切替スイッチ148の）測定信号と基準信号とから
（第五結合器151の第二入力端子を介し）形成した例え
ば帯域幅３０Hz〜５ＭHzのトータル信号を増幅し、通常
の方法で継続処理する。電子スピン共鳴測定信号は最後
に表示装置153、例えば画面、プリンタ等で表示され、
更には周知の如く記憶し、評価し又はその他の方法で処
理することができる。

第四切替スイッチ148が下側切替位置のとき、基準分路
５０と後段の直角チャネル160とを有する第１１図の下
半分に示す測定チャネルが投入される。

基準分路50において、第三結合コンデンサ49を通過して
出力されるマイクロ波基準信号は、第五分割器164内で
分割される前に、まず遅延素子161と第四の減衰器162と
第四の移相器163とからなる直列回路に到達する。第五
分割器164は第一の出力端子が第六の分割器165の入力端
子に接続してあり、後者は一方の出力端子から、すでに
連続波チャネル150に関連して説明した第四結合器151に
供給する基準信号を発生する。第五分割器164の第二出
力端子は第五移相器166と第五減衰器167との直列回路を
経て直角チャネル160に至る。

この直角チャネル160の入力側に第六の分割器168が設け
てあり、その入力端子が第四切替スイッチ148と結ばれ
ている。第六分割器168の２つの出力端子は、第１図で
ともに符号１９としておいた第一の直角検波器169又は
第二の直角検波器170の接続してある。第一直角検波器1
69の第二入力端子が第六分割器165の第二出力端子と結
ばれ、第二直角検波器170の第二入力端子は第五分割器1
67の出力端子に接続してある。直角検波器169,170の出
力端子は、結局、サンプルホールド段を有するＡＤ変換
器２０に接続してあり、そしてこのユニットは第１１図
には図示省略した別の周知ユニットを介し表示装置153
にやはり接続してある。

パルス動作のとき、回転磁化の２つの直交投影において
磁化の崩壊（いわゆる「FID」−自由誘導崩壊free induct
ion decay）が測定される。

以上のことから推論されるように、直角検波器169,170
には−第六分割器168を介し−測定信号が供給される一
方、基準信号も供給され、第二直角検波器170の基準信
号は素子166,167により振幅及び量が、第六の分割器165
の下側出力端子に現れる別の基準信号に対し相対的に調
整可能である。

通常のスピンエコー実験には勿論一方の直角検波器169
又は170のみを使って処理することもでき、この場合他
方の分路は遮断する。直角検波器169、170として高ダイ
ナミックのマイクロ波混合器が使用される。

第１１図に示すブロック２０はまず帯域幅５０〜200MH
z、増幅度例えば66dBの２チャネルビデオ増幅器を含
む。この場合ビデオ増幅器の出力信号はＡＤ変換器に、
そしてそこからコンピュータ制御装置１８に供給される
が、第１１図では理解を容易にするためその詳細がすべ
て図示省略している。

ちなみに、分光計１０の記載した構成要素には電子スピ
ン共鳴分光技術において一般的でしられているような市
販にマイクロ波及び高周波部品を使用することができ
る。

（発明の効果） 本発明はパルス整形チャネルが分割器により分割された
ほぼ同一の複数チャネルでなり、このチャネルにはダイ
オードスイッチ、減衰器および移相器を設けることによ
りどのチャネルでも振幅および位相を調整でき、任意の
パルス列を構成できる。

さらに共通のマイクロ波パワー増巾器の前段に結合器を
設けてチャネルを再び一つにまとめたので、回路に有害
な帰還作用をなくして所望の正確なパルス列を試料に照
射できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電子スピン共鳴型パルス分光計の著しく簡略化
したブロック構成図、 第２図は第１図に示す分光計のマイクロ波部品の簡略化
したブロック構成図、 第３図は低パワーマイクロ波回路と高パワーマイクロ波
回路の併用を明らかにする２種のマイクロ波パルスの時
間的推移図、 第４図は第３図に示す技術を適用した場合のマイクロ波
エネルギーのスペクトル分布図、 第５図は第２図に示すブロック構成図のマイクロ波高パ
ワーチャネルの詳細を説明する別のブロック構成図、 第６図は第５図に示すブロック構成図のパルス整形チャ
ネルの更に別の細部のブロック構成図、 第７図は第６図に示すパルス整形チャネルで発生するこ
とのできるマイクロ波パルスの時間依存性を示す図、 第８図は第６図に示す実施例の変形例を示すブロック構
成図、 第９図は第６図及び第８図のパルス整形チャネルで発生
することができそして所定の分布曲線を合成するのに使
用される相連続したマイクロ波パルスの時間依存性を示
す図、 第１０図は第５図に示すスイッチング段の更に別の詳細
を説明するブロック構成図、 第１１図は第１図に示す電子スピン共鳴型パルス分光計
の信号評価回路を説明するブロック構成図である。 １０…分光計、１２…共振器、１３…試料、 １４…マイクロ波ブリッジ、１６…復調器、 １７…信号増幅器、１９…直角復調器、 ２０…ＡＤ変換器、60,61…チャネル、 ＣＷ…連続波信号、Ｐ…パルス信号。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定試料(13)を含む共振器(12)が定強度、
   高均一性の磁場内に配設してあり、該共振器にマイクロ
   波ブリッジ(14)によりマイクロ波エネルギーを断続信号
   (P)として供給可能であり、共振器(12)により放出した
   測定信号を検波器(16,19)と信号評価装置(20)とに供給
   し、更にマイクロ波源とマイクロ波ブリッジ(14)との間
   に配設した線路が並列配置された複数のパルス整形チャ
   ネル(91a〜91d)に分割されている、電子スピン共鳴型分
   光計において、 前記パルス整形チャネル(91a〜91d)は分割器(90)により
   同じ部分に線路から供給を受け、どのパルス整形チャネ
   ル(91a〜91d)も位相及び振幅を調整する手段(111,112)
   と前記チャネルを通過する信号を切り替える手段(113)
   を備え、パルス整形チャネル(91a〜91d)が、共通のマイ
   クロ波パワー増幅器(27)の入力端子の前に配設した結合
   器(94)により再び一つにまとめられていることを特徴と
   する分光計。
2. 【請求項２】パルス整形チャネル(91a〜91d)がすべて同
   一に構成してあることを特徴とする請求項１記載の分光
   計。
3. 【請求項３】４つのパルス整形チャネル(91a〜91d)を設
   けたことを特徴とする請求項１または２記載の分光計。
4. 【請求項４】各パルス整形チャネル(91a〜91d)が２つの
   並列分路を有し、各分路が位相及び振幅を調整する手段
   (111a/111b,112a/112b)と切替手段(113a/113b)とを備え
   ていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
   の分光計。
5. 【請求項５】位相調整手段(112)が０〜３６０°の領域
   をカバーすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
   に記載の分光計。
6. 【請求項６】位相及び振幅を調整する手段(111,112)と
   切替手段(113)がサーキュレータ(115)により１方向で互
   いに減結合してあることを特徴とする請求項１〜５のい
   ずれかに記載の分光計。
7. 【請求項７】パルス整形チャネル(91a〜91d)とパワー増
   幅器(27)との間に電子調整可能な減衰器(96)が配設して
   あることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の
   分光計。