JPH0769412B2 - 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連続波信号またはパルス
信号として供給可能であり、共振器より放出した測定信
号が検波器と信号評価装置とに供給可能となった電子ス
ピン共鳴型分光計に関する。

（従来の技術） 前記形式の電子スピン共鳴型分光計は米国の雑誌『Phy
s.Rev.Lett』54号、1241頁（1985）に発表されたシュバ
イガーの論文により知られている。

この周知の電子スピン共鳴（ESR）型分光計では、選択
的に連続波動作（CW）又は脈動動作（いわゆるパルス動
作）で運転可能な単チャネル装置が使用される。マイク
ロ波チャネルは、ESRパルス実験に必要な高いマイクロ
波最大パワーを発生するため、進行波管を有するパワー
増幅器を含む。しかし、この単チャネル実施例は２つ
の、システムに固有な欠点を有する。

（発明が解決しようとする課題） まず、パワー増幅器としての進行波管の場合占有率、す
なわちパルス間隔に対しパルス幅の比が比較的小さな
値、例えば１％に限られている。それゆえ進行波管の使
用時発生できるのは比較的短い「パルス」（正しくは：
バースト）にすぎず、一方で進行波増幅器の場合、スイ
ッチング時間の故に、他方でパルス実験の場合、相連続
したパルスの位相を自由に調整できることが望まれ、そ
して通常使用される位相切替素子がやはり一定のスイッ
チング時間を必要とすることからも、パルス列の中で相
連続したパルス間に常に最低の最小間隔を維持しなけれ
ばならない。

周知の単チャネル実施は、第二の本質的欠点として、マ
イクロ波のパワーが低い場合、進行波管の固有雑音が顕
在化して大きな障害となるので低マイクロ波パワーの連
続波実験には適していない。

それゆえ、これらの欠点により周知の従来装置では使用
に際して多くの制限がある。

そこで本発明は、選択的に連続波実験、パルス実験又は
両者併用の実現が可能となるよう、しかも極端な場合何
らの送れもなしに個々のパルスが相連続し得るパルス列
でもって可能となるよう、冒頭述べた形式の分光計を改
良することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明は以下の構成を有す
る。

所定の空間に対して一定の磁界の強さと高均一性を有す
る磁界を発生する電磁石と、 前記空間に配置されて測定試料を受け入れるマイクロ波
共振器と、 連続波信号の形でミリワット級のマイクロ波エネルギー
を発生する低出力用マイクロ波発生器と、 このマイクロ波発生器に接続されかつ第一，第二出力端
子を有して、前記連続波信号を第一，第二のマイクロ波
信号に分割するマイクロ波分割器と、 前記第一出力端子に接続され、前記第一のマイクロ波信
号の位相と振幅を調整するために第一位相調整手段と第
一振幅調整手段を備えて、ミリワット級の低出力連続波
信号を発生する第一チャネルと、 前記第二出力端子に接続され、前記第二のマイクロ波信
号の位相と振幅を調整するために、第二位相調整手段
と、増幅器を含む第二振幅調整手段を備えて、ワット級
の高出力パルス信号を発生する第二チャネルと、 前記第一，第二チャネルの出力にそれぞれ接続される２
つの入力端子と、１つの出力端子とを有するマイクロ波
結合器と、 前記マイクロ波共振器から反射した測定信号を受け入れ
てこれを処理する信号処理装置と、 前記マイクロ波結合器の出力に接続される入力端子と、
前記マイクロ波共振器に接続される第一出力端子と、前
記信号処理装置に接続される第２出力端子とを有するマ
イクロ波ブリッジと、 前記低出力の第一チャネルと高出力の第二チャネルを個
別にまたは一緒に作動するための手段を設けたことを特
徴としている。

（作用） 本発明によれば、ミリワット級の低出力の連続波信号を
照射する第一チャネルとワット級の高出力パルス信号を
照射する第二チャネルとが設けられ、２つのチャネル
は、それぞれ個別に又は一緒に運転可能となる。

また、各チャネルは位相調整手段と振幅調整手段を備え
ているので、マイクロ波信号を任意に組み合わせること
が可能となり、また任意の時間間隔で低出力の連続波信
号または高出力のパルス信号を用いて種種の実験を行え
る。

さらに、両チャンネルのマイクロ波信号は、マイクロ波
共振器の供給される前に、マイクロ波結合器により結合
され、マイクロ波共振器から反射してきた信号が信号処
理装置で処理され、100mWまたは数百mW級の低出力マイ
クロ波信号およびワット級の高出力マイクロ信号を利用
できる。

（発明の効果） 本発明分光計でもって、例えば第二チャネルを遮断し低
マイクロ波パワー、高SN比で通常の連続波実験を行うこ
とができ、しかもこの場合進行波管の雑音は遮断された
第二チャネルにあるので障害とならない。

他方、その逆に第一チャネルを遮断し第二チャネルを投
入すると高マイクロ波パワーで純粋のパルス実験を行う
ことができ、そして進行波管の固有雑音はこの実験の高
マイクロ波パワーの場合顕在化しないのでいまや障害と
ならない。

最後に、両チャネルを投入することにより、連続波動作
低パワーマイクロ波エネルギーを、そして付加的にパル
ス動作で高パワーマイクロ波エネルギーを試料に同時に
照射する実験も行うことができる。この場合低パワーマ
イクロ波パルス及び高パワーマイクロ波パルスはターン
オン時間、持続時間及び位相の点で互いに全く独自に調
整することができ、その結果、両パルスを互いに時間的
に別々に照射するにせよ、又パルス間に何らの遅れもな
しに時間的に直接連続させて照射するにせよ、或はパル
スを時間的に完全に又は一部限定的に重ね合わせるにせ
よ、両パルスは互いに任意の時間間隔を得ることができ
る。

この場合、又は低パワーマイクロ波パルスを使用した前
記いずれかの場合、低パワーマイクロ波チャネルが占有
率の点で何らの制限も受けないので、任意の占有率のパ
ルスプログラムを調整することもできる。

（実 施 例） かかる併用実験の代表的適用事例を以下に２つ示す まず、短い高パワーマイクロ波パルスを使って広帯域の
スピン束を励起することができる一方、発生した周波数
のスペクトル幅は知られているようにパルス幅に逆比例
するので、低パワーの、但し持続時間の長いマイクロ波
パルスによりスピン束のごく狭い領域の選択的飽和も可
能である。

別の適用例として、まず測定試料のスピンを高パワーマ
イクロ波パルスで飽和し、低パワー連続波信号（いわゆ
る「観察出力（observation power）」）を基に飽和の
物理的回復を観察するいわゆる「飽和回復（saturation
recovery）」実験がある。

これらの利点をすべて獲得するため分光計は好ましくは
第一チャネルに、マイクロ波信号の振幅及び位相を調整
する手段を有し、第一チャネルは制御入力端子により任
意の時点に切替可能なマイクロ波スイッチを含む。更
に、前述の高マイクロ波パワーを自由に使用するため第
二チャネルが進行波増幅器を有するのが好ましい。

本発明の好ましい１展開では、第二チャネルがパルス整
形段を有し、これが多数の互いに並列に接続したパルス
整形チャネルを有し、各整形チャネルは、マイクロ波信
号の振幅と位相をそれぞれ調整し、かつマイクロ波信号
を切換えるために個別に制御可能な手段を備えている。

この処置の利点として、個々のパルスの時点、量及び位
相を互いに全く独自に調整することのできるパルス列を
第二チャネル内で調整することができる。それゆえ、複
数の並列に接続されたパルス整形チャネルが互いに独自
に１つのパルス列にまとめられるので、パルス間にマイ
クロ波スイッチのスイッチング時間又は位相スイッチの
スイッチング時間に伴う遅れは何ら現れない。

その他の利点は明細書及び添付図面から明らかとなる。
勿論前記特徴及び以下なお説明する特徴は、記載された
各組合せにおいてだけでなく、本発明の枠を超えること
なく別の組合せ又は単独でも利用することができる。

本発明の実施例を図面に示し、以下の明細書において詳
しく説明する。

第１図は、電子スピン共鳴型パルス分光計10の基本構成
を示す概略図である。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及びその他多くの構成要素はデータバスを介しコ
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14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が通常の如く界磁抵抗器30を有し、これが
電磁石11を有するマグネット電源装置31に供給する電流
を制御する。磁場・周波数クロック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、
それと同時に界磁抵抗器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した受信信号を検波し評価
できるように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
気的に調整可能な減衰器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（マイクロ波分割器）42の第一出力端子
に第一のカプラ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）のとき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の第二出力端子が第二のカプラ45に、そし
てその結合出力端子が周波数調整器46（AFC）に接続し
てある。周波数調整器46はＱが高い外部共振器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、誘導共振器を使用しているので、ク
ライストロン40の周波数を調整するために、Ｑが高い外
部共振器47を用いることが望ましい。測定用共振器12
は、Ｑが低いことから、例えば温度ドリフト現象を補償
するために周波数を調整することに適していない。この
理由からＱが数千以上である外部共振器47が使用され
る。

第二カプラ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。

第三カプラ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カプラ43の出力端子に第
五のカプラ52が接続してあり、その結果出力端子は第二
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。

第五カプラ52の出力端子に第六のカプラ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
各種信号からカプラ43,45,49,51,52,56を介し反結合さ
れた後、第２図の上半分で連続波チャネル（第一チャネ
ル）60に、そして第２部の下半分でパルスチャネル（第
二チャネル）61に接続されている。これらのチャネル6
0,61は、出力端子が第一の結合器（マイクロ波結合器）
62において再び１つにされ、マイクロ波ブリッジ14とし
てのサーキュレータ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12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、ミリワット級の低出力連続波信号
を発生する第一チャネルであり、第一のマイクロ波信号
の位相と振幅を調整するために、第一の減衰器70と第一
の移相器71と第一のスイッチングダイオード（PINダイ
オード）72とからなる直列回路を有する。ここで、第一
の移相器71は第一位相調整手段であり、スイッチングダ
イオード（マイクロ波スイッチ）72は制御入力端子73を
介して切換え可能であり、このマイクロ波スイッチ72と
第一の減衰器70とで第一振幅調整手段を構成する。

また、後に第５図で詳細に説明するパルスチャネル61
は、ワット級の高出力パルス信号を発生する第二チャネ
ルであり、第二のマイクロ波信号の位相と振幅を調整す
るために、制御入力信号75,76を備えたパルス整形74と
第二の移相器77と進行波増幅器27とからなる直列回路を
有する。ここで、第二の移相器77は、第二位相調整手段
を構成し、パルス整形74と進行波増幅器27とは第二振幅
調整手段を構成する。

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（マイクロ波結合器）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。代表的には仕上がり時間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
高パワーパルス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
域内の短い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
の並列配置された等価なパルス整形チャネル91a,91b,91
c,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95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
に結ばれた第七のカプラ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パルスは互いに人域
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Ｏ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。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が、
第二結合器94の共通出力端子の後段に設けられており、
進行波増幅器27のダイナミックレンジが例えば53dBであ
るとすると、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、この第二のスイッチン
グダイオード96がダイナミックレンジを広げる役目をす
る。

それゆえ、減衰してその後に進行波増幅器27のダイナミ
ックレンジ全体を利用できるようにするために、通常、
スイッチングダイオードのダイナミックレンジが１つで
約25dBであることから、このようなスイッチングダイオ
ードを２個直列に接続して使用する。

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」、減衰現象を
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11
1b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Ｑが比較的低いにも拘らずなお帯域幅が
限定されているので、高パワーマイクロ波パルスを印加
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゜位相のずれた抑制
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
「物理的パルス」117に、共振器12の減衰現象を抑制す
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
れぞれ抑制することができる。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Carr−
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、減算又
は除算し、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）に技術的抑制パルス（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の振幅分解能が可能である。

第９図は、順次励起される個別パルス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８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の導波管終端116又は116a
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
テムの相互作用の影響が少なくなり、また上述の８つの
チャネルで相互の結合が減少することになる。

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換又は減衰
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
二の導波管終端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
切り取る役目を有している。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131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（insertio
n 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
を介し導波管終端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カプラ140
は結合出力端子が連続波チャネルのモニタ54に接続して
ある。第八カプラ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
の自由誘導損失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
に第四の切換スイッチ148に接続してある。後者は第11
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148
が上側切替位置のとき、第四の結合器151と単相単相検
波器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5
0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。

第三カプラ49から反結合されたマイクロ波基準信号は基
準分路50において、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に接続してある。第一直角検波器169
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減衰器167
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 indu
ction 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50〜200MHz、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
理解し易いようその詳細がすべて図示省略してある。

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知られているような市販
のマイクロ波及び高周波部品を使用することができる。

【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……単相検波器、 17……信号増幅器、19……直角検波器、 20……AD変換器、60,61……チャネル、 CW……連続波信号、Ｐ……パルス信号。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の空間に対して一定の磁界の強さと高
   均一性を有する磁界を発生する電磁石（11）と、 前記空間に配置されて測定試料（13）を受け入れるマイ
   クロ波共振器（12）と、 連続波信号（CW）の形で100mWまたは数百mW級のマイク
   ロ波エネルギーを発生する低出力用マイクロ波発生器
   （40）と、 前記マイクロ波発生器（40）に接続され、前記連続波信
   号（CW）を第一，第二のマイクロ波信号に分割するため
   の第一，第二出力端子を有するマイクロ波分割器（42）
   と、 前記第一出力端子に接続され、前記第一のマイクロ波信
   号の位相と振幅を調整するために第一位相調整手段（7
   1）と第一振幅調整手段（70,72）を備えて、ミリワット
   級の低出力連続波信号を発生する第一チャネルと、 前記第二出力端子に接続され、前記第二のマイクロ波信
   号の位相と振幅を調整するために、第二位相調整手段
   （77）と、増幅器を含む第二振幅調整手段（27,74）を
   備えて、ワット級の高出力パルス信号を発生する第二チ
   ャネルと、 前記第一，第二チャネルの出力にそれぞれ接続される２
   つの入力端子と、１つの出力端子とを有するマイクロ波
   結合器（62）と、 前記マイクロ波共振器（12）から反射した測定信号を受
   け入れてこれを処理する信号処理装置（64）と、 前記マイクロ波結合器（62）の出力に接続される入力端
   子と、前記マイクロ波共振器（12）に接続される第一出
   力端子と、前記信号処理装置（64）に接続される第２出
   力端子とを有するマイクロ波ブリッジ（63）と、 前記低出力の第一チャネルと高出力の第二チャネルを個
   別にまたは一緒に作動するための手段を設けたことを特
   徴とする電子スピン共鳴型分光計。
2. 【請求項２】第二振幅調整手段の増幅器は、進行波増幅
   器（27）で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】第一チャネルにおける第一振幅調整手段
   （70,72）は、前記第一チャネルで低出力のマイクロ波
   パルス信号を発生するためのマイクロ波スイッチ（72）
   を含んでいる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】第二チャネルにおける第二振幅調整手段
   （27,74）は、並列接続された複数のパルス整形チャネ
   ル（91a−91b）を有するパルス整形段（74）を含み、各
   々のパルス整形チャネルは、マイクロ波信号の振幅と位
   相をそれぞれ調整し、かつマイクロ波信号を切換えるた
   めに個別に制御可能な手段（111,112,113）を備えてい
   ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載
   の分光計。