JPS58127154A - 集中回路共振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的に無線周波数共振器、特に回転磁気共振
分光器に使用する共振器に関する。

回転磁界共振分光器は原子核磁気共振（ＮＭＲ）と呼ば
れる磁気モーメントを有する原子核及び常磁性共振（Ｅ
ＰＲ）もしくは電子スピン共振（ＥＳＲ）と呼ばれる常
磁性状態にある電子を調べるために使用する。またあま
）使用されないが本発明の分野に含着れるいくっかの他
の形状の回転磁気分光器もある。回転磁気共振分光器に
おいて調査する標本には偏光磁界及び一つもしくはいく
つかの無線周波数磁界が加えられる。磁界の周波数、強
度、方向及び変調は調査する現象に応じて著しく変化す
る。米国特許第３，３５８，２２２号及び第３．５５９
．０４３号に開示されている装置は研究室で実験を行う
のに使用されているが、回転磁気共振分光技術を商業的
に広く使用することは制限されている。

回転磁気共振分光器を商業的に応用することが制限され
る理由は、それが複雑でコストが高いことである。ある
測定技術（例えば電子スピン共振測定）では非常に高い
無線周波数を必要とし、他の測定技術（例えば原子核共
振）では非常に強い偏光磁界を必要とする。さらに多重
磁界を標本に加える物理的構造は特に標本温度を制御す
る場合及び測定中に標本に照光する場合に複雑となる。

２００から２０００　ＭＨｚの間の無線周波数で使用す
るスプリッ）　ＩＪソング振器が近年ダゾリュ・エヌ・
バーディ及ヒエル・ニー・ホワイトヘッドにより提供さ
れている。この共振器は複雑でない構造と高い充足係数
（標本領域に貯えられた磁気エネルギを全貯蔵磁気エネ
ルギで除したもの）と小さなサイズを特徴としている。

この提案された構造は回転磁気共振分光器に使用される
従来の共振器よｐも多くの利点を有しているが、高周波
数のみに制限されておりもう一つの磁界をスゾリットリ
ング共振器内に収容された標本に適正に加えることが困
難である。

本発明は中実軸を取囲む導電性ループを有し、前記導電
性ループはそれを複数個の別々のセグメントに分割する
複数個の間隙を含む共振器に関する。集中回路共振器が
形成されておシ、そこで導電性ループは誘導素子であ多
間隙が容量素子を形成し装置の共振周波数を決定する。

標本は導電性ループ内に配置することができ、高周波数
磁界を中実軸に沿ってそれに加えることができる。複数
個の間隙によシ誘導素子は多数の電気的に絶縁されたセ
グメントに分割されている。これは発振する磁界を標本
に加えるのに非常に便利である。

本発明によυ高周波数に同調できる共振器を提供するこ
とができる。共振周波数は間隙を導電性ループに加える
ことにより増大できる。ｎ個の同じ間隙がある場合、共
振周波数は１個の間隙の共振周波数の６倍である。間隙
のサイズは変えることができ誘電体材料を間隙に挿入し
て共振周波数をさらに調整することができる。

本発明のもう一つの特徴は余分な熱を発生することなく
高強度無線周波数磁界を標本に加えることが可能なこと
である。間隙を中実軸の周りに対称的に配置することに
よシ、無線周波数発生器の生じる電界を中実軸の周９の
領域で最少限とすることができる。標本をこの低強度領
域に配置することにより多くの標本に熱を発生するのは
この電界であるため、標本を加熱することなく高強度電
磁エネルギを加えることができる。この加熱の低下は生
物学的に興味のある水様サンプルを調査する場合に特に
重要である。

本発明のもう一つの利点は多重磁界の印加及び相互作用
による機械的共振を最少限とすることができる共振器を
提供することである。複数個の間隙を導電性ループに設
けることにより、それは小さな導電性セグメントに分け
られ高周波変調磁界の印加により生じる渦電流が減少す
る。さらに小さな導電性セグメントは共振器の寸法を変
調してスプリアス共振効果を生じるであろう定在音波の
発生を妨げる。

本発明のもう一つの特徴は共振器を容易に製作できるよ
うになることである。例えば低周波応用において導電性
ループは２個の別々の金属片として製作することができ
る。これらは正確に機械加工及びつや出しして両者を組
合せた時に共振器リングが形成され、且つ両者により形
成される間隙を非常に小さくして低い共振周波数を与え
るようにすることができる。別の応用において導電性ル
ープは一層の導電材を誘電体リング上に設けて形成する
ことができる。次に導電層の一部を誘電体リングから除
去することにより間隙を形成することができる。この工
程は装置が所望の周波数で共振するまで導電材が除去さ
れる自動化された装置により容易に実施される。

本発明の別の局面において、同調可能な共振器が設けら
れ同調は誘電材を１個もしくは数個の間隙に挿入するこ
とにより達成される。誘電材は集中素子共振器の容量従
ってその共振周波数を変える。

本発明のもう一つの利点は分光器の感度を向上させる共
振器を提供することである。共振器は比較的高い品質係
数（Ｑ）及び高い充足係数を有している。高周波数に設
計された実施例において、導電性ループを囲むシールド
によりＱはさらに増強される。

本発明に従って作られた共振器は同じ周波数で作動する
空胴共振器に較べて物理的に小さい。これによって必要
な磁界強度を維持しながら回転磁界共振分光器に小さな
偏光磁石を使用することができる。このサイズの低減に
より分光器のコストが実質的に低減される。

特に第１図及び第２図において、回転磁界共振分光器は
２部分円筒状金属共振器１を含み、それは垂直中実軸２
と一致している。試験される標本すなわち試料を含む筒
３が共振器１に挿入され、円筒状シールド４が共振器１
の周りに配置されている。（図示せぬ）高周波無線源に
接続する同軸ケーブル５は終端に形成されたループ６を
有し、このループは共振器１の一端に隣接配置されてい
る。ループ６の発生する電磁界は共振器１に誘導結合さ
れ、ループ６の軸位置を調節することによシ結合度を制
御することができる。偏光磁界は大きな磁石による構造
にも加えることができ、実施する測定に適した位置に磁
界変調コイルを配置することができる。事実広範な測定
技術を実行するために筒３内に収容された標本に強度及
び方位の変化するさまざまな磁界を容易に加えることが
本発明の重要な利点である。

第１図及び第２図において共振器１はその構成により決
定される無線周波数で共振する集中回路空胴共振器であ
る。分布回路空胴共振器とは対照的に、本発明の集中回
路共振器１は共振する無線周波数信号の波長よりも遥か
に短い寸法を有している。本集中回路共振器のもう一つ
の特徴は容量及び誘導素子が同一であり、誘導素子の発
生する磁界と容量素子の発生する電界との間で電磁エネ
ルギが発振するということである。

これらの特徴によシ多くの利点が得られる。共振器１内
の誘導素子は２個の金属片７及び８により形成されたル
ープすなわちリングであシ、容量素子は２個の金属片７
及び８の接合点に形成された縦方向間隙９及び１０であ
る。共振器１の発生する磁界の大きさは中実軸２に沿っ
て最大であり、それが発生する電界は間隙９及び１０に
おいて最大である。中実軸２に沿って配置された標本に
は従ってハイレベル磁界及びローレベル電界が加えられ
る。回転磁界共振現象を促進するのに必要なのは磁界強
度であるため、これは回転磁界共振分光器において非常
に望ましいことである。事実Ｎ充足係数〃が非常に高く
従って非常に高感度の測定器を提供するのが共振器１の
特徴である。充足係数は標本の占有空間内の全磁気エネ
ルギを共振器内の全磁気エネルギで除した比であり、充
足係数が高い程感度が良い。

共振器１の形状やサイズはいろいろ変えることができる
が、マイクロ波領域内のスペクトルの無線周波数に特に
適している。後記するように本発明の共振器は広範な周
波数にわたって共振するように構成することができ、多
数の回転磁界共振測定技術のみならずマイクロ波通信一
般にも応用できる。

特に第２図に示すように本発明の基本共振器１は２個の
金属片７及び８によシ形成された導電性ループを有して
いる。金属片７及び８は互いに間隔がとられて間隙９及
び１０を形成している。シールド４が共振器１を囲んで
おシ、その目的は周囲への電磁放射を抑制しマイクロ波
周波数において共振器１のＳＳ　Ｑ　／／を高めること
である。この目的はシールド４の半径（Ｒ）が共振器周
波数の隆波長よシも短い場合に最も役立つ。結果として
生じる構造の共振周波数は次のようである。

ここにε＝間隙９及び１０内の材料の誘電率μ＝自由空
間の透磁率 ｎ＝導電ループ内の同−間隙数 かっこ内の第６項は間隙９及び１０付近の周辺電界が容
量に及ぼす効果を考慮している。％〉１及びＫく１の限
界内で上式は次のようになる。

（２）　Ｆ＝Ｌ＜上声 ２π　　ＬＣ （３）　　−ｊ−＝　ｎ　− ＣεＷＺ Ｚ＝共振器１の長さ。長さは共振周波数に影響を及ぼさ
ない。

Ａ表は共振器ループ内に２個の間隙を採用したいくつか
の構成に対する共振周波数及び構造のＱを示す表である
。

Ａ表 ３．７５１５００　２．３９Ｍ　　　２．３４１”　　
　０．相順９．５３１１１１１１（，０９４インブつ　
　　（，０９２インチ）　　　　（，００４イ”）　　
　　（，３７５イシート）６．７７１２３０２．５１　
０．６６　０．１５　５．０８（、［］９９）　（，０
２６）　（，００６）　（，２０）９．０２１８００１
．９３　０．３６　０．１５　６．３５（，０７６）　
（，０１４）　（，００６）　（，２５）１０．８１０
８０１．９３　０．３６　０．１５　３．５６（，０７
（Ｓ）　（，０１４）　（，００６）　（，１４）共振
器ループ内の間隙数を増加することにょ９最も効果的に
構造の共振周波数を増大できることが本発明の基本的に
教示する点である。すなわち構造の容量性素子数を変え
ることによシ共振器周波数の実質的な変化が最も良く達
成される。こうして共振周波数は前記第（２）式のＣの
値により制御され、Ｃの値は一般的に次のように示すこ
とができる。

ｔｎ−間隙間隔 Ｗｎ−間隙幅　である。

Ｂ表に間隙（ｎ）数を変えた場合の共振器の共振周波数
及びＱの値を示す。

Ｂ表 ｎＦ（ＧＨｚ）　＋Ｊ、　　ｒ　　Ｗ　　ｔ　　Ｒ１４
，４２１１０’Ｄ　２．５１１ｕ′、６６−．１５−５
．［１８−（，０９９”″）　（、ｏ２６”）　（、ｏ
ｏ６”’）　（，２００”）２６．７７１２３０２．５
１　．６６　．１５　５．０８（，０９９）　（，０２
６）　（，００６）　（，２００）４９．７９１１５０
２．５１　．６６　．１５　５．０８（，０９９）　（
１，０２６）　（、ｏｏ６）　（，２００）第４図にお
いて共振器１に偶数の間隙を使用することによる対称性
は多数の回転磁気共振測定技術において特に有用である
。例えば第４図に示す２間隙実施例において、無線周波
数発生器１３を金属リング片７及び８に電気的に接続す
ることによシ第２の無線周波数電磁界を容易に標本１２
に加えることができる。装置の適正点は電位がＤとなる
間隙間の中間にある。これは電子原子核二重共振（ＥＮ
ＤＯＲ）と呼ばれる技術で使用され、対になっていない
電子に結合された原子核の共振周波数に対応した周波数
範囲を無線周波数発生器１３が掃引する。

第５図に示すように同じ概念をさらに間隙を有する共振
器に拡張することができる。第５図の実施例において金
属共振器ループは中実軸２０周りに四分円形に配置され
た４個一組の間隙１８゜１９．２０及び２１によ９４個
のリング片１４゜１５．１６及び１７に分割されている
。一対の無線周波数発生器２２及び２３が各リング片１
５及び１７、及び１４及び１６に接続されている。その
結果生じる直交磁界は三重共振を必要とする回転磁気共
振測定技術に有用である。

気科学計器レビュー１１５５．２１３（１９８１）のダ
プリュ、エヌ、バーディ及びエル、エイ、ホワイトヘッ
ドの応用に記載されているように、共振器リング内に単
一間隙が形成されている場合には、共振器の構造は明瞭
である。このような構造において金属管すなわちスリー
ブがある長さに切断され縦方向に切込まれて単一間隙を
形成している。一つの切込みを行った場合には一体ユニ
ットが残シ、小さな間隙（１）を設けるのは困難である
がこの構造技術は多くの応用特に原子核磁気共振（ＮＭ
Ｒ）分光器の分野に適している。

共振器リング内に形成された複数個の間隙が多くの応用
において実質的に性能を向上させる他に、本発明は単−
間隙共振器構造及び多間隙共振器の多くの改良にも関連
している。

特に第３図において商業的に応用される共振器の構造は
電気的絶縁材により形成された円筒状支持スリーブ２５
を含んでいる。水晶は誘電損が小さく且つ通常熱膨張係
数が低いためにこの目的に対して望ましい材料である。

次に導電材層を水晶基板２５の外面に設けて共振器ルー
プ２６が形成され、導電層内に縦方向溝を切込んで間隙
２７及び２８を形成する。この工程は自動化することが
でき、いくつかの切込径路により１個もしくは数個の間
隙が形成され径路間で共振周波数のテストが行われる。

さまざ寸な厚さの銀及び銅導電層を使用したいくつかの
構造の共振周波数及びＱの値を０表に示す。

０　　　　　　　０　　　　　　　０ σ　　　℃　　　　　Ｐ　　　　　Ｎ Ｎ）　　　　　　　　唖　　　　　　　℃殊　甑　　電
　　職 捲 本発明の共振器は広範な応用に適しているが、電子スピ
ン共振（ｇｓＲ）測定に特に応用可能とする多数の独特
な構造がある。特に第６図において円筒状金属スリーブ
３１内に１本の縦溝３０を切込むことに゛より単一間隙
共振器が形成される。金属スリーブ３１内には一連の横
方向切込３２も形成され、一枚の絶縁材３３が間隙３０
内に配置される。横方向溝３２により変調された偏光磁
界（例えば１００　ＫＨｚ　）が共振器３１を貫通して
内部に収容された標本に到達することができ、またこの
ような磁界によシスリーブ３１内に生じる渦電流が低減
される。さらに本実施例の横溝３２及び別の実施例の縦
溝により低変調周波数における定在波の発生が防止され
る。このような定在波によって力が生じて小さな機械的
運動を生じ、それによって装置にスジリアス発根を生じ
る。これが特別な問題となる応用において横溝をループ
の周シに完全に延在させて第７図に示すような構造を形
成することができる。

再び第６図において共振器の共振周波数は縦溝３０内の
有効誘電率（ε）を変えることによシ調整することがで
きる。絶縁材３３は高い誘電率を有しくサファイアが望
ましい）この材料３３を間隙３０内で移動させて共振器
容量素子の値を変えることにより、比較的広い周波数範
囲にわたって共振器を同調させることができる。このよ
うにして共振器周波数を同調させる場合には充足係数は
実質的に変らない。

特に第８図に直焚共振器が導電材ブロック内に形成され
ているもう一つの共振器構造を示す。実施例においてブ
ロック３５は立方体であり６個の直交する円形開口３６
〜３８がその表面に設けられている。溝３９が一面に沿
って切込まれ開口３９の縦方向に沿って交差し、溝４０
が反対面に切込まれて開口３７の縦方向と交差している
。こうして第１の単一間隙共振器はその中実軸がＹ軸と
一致するように形成され、第２の単一間隙共振器はその
中実軸がＺ軸と一致するように形成されている。標本は
Ｘ軸に沿って共振器に挿入して２つの異ガる周波数のマ
イクロ波を照射することができる。またブロツコ誘導技
術を採用した測定をこの構造により実施することができ
る。このような測定において標本には一方の共振器に結
合された磁界が照射され、エネルギは標本により第２の
共振器空胴に結合される。

回転磁気共振分光器に特に適したいくつかの共振器構造
について開示してきた。しかしながら本技術に習熟した
人には本発明の共振器は高周波共振器を採用した他の技
術にも応用できることがお判りいただけることと思う。

さらにここに開示した共振器は円筒状であるが他の形状
も可能である。

従って特許請求の範囲で使用するり−デ〃という用語は
中央縦軸を囲み前記軸に沿ってループを完全に延在する
開口を画定する全ての形状を含む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した分光器装置の一部切り離した
透視図、第２図は共振器及び第１図の装置の一部を形成
する周囲シールドの頂部図、第６図は共振器の別の実施
例及び第１図に採用できるシールドの頂部図、第４図は
加熱が最小となる標本の配置を示す第２図の共振器の頂
部図、第５図は共振器の第６の実施例の頂部図、第６図
は共振器の第４の実施例の透視図、第７図は第６図のマ
イクロ波共振器の一変形の透視図、第８図は共振器の第
５の実施例の透視図である。 符号の説明 １・・・円筒状金属共振器 ５・・・同軸ケーブル ６・・・ループ ７．８・・・金属片 １２・・・標本 １４．１５，１６．１７・・・リング片２２．２３・・
・無線周波数発生器 ２５・・・円筒状支持スリーブ ２６・・・共振器ループ ３１・・・金属スリーブ 代理人　　漫　村　　　皓 ６ 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示 昭和５）年特許願第　１７７４９１　　　号２、発明の
名称 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 ４、代理人 ５、補正命令の日付 昭和５８年２月２２日 ６、補正により増加する発明の数 ７、補正の対象 明細冴の浄９　（内容に変更なし） ８、補正の内容　　別紙のとおり

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）導電材によシ形成され中央縦軸の周シに配置され
   たループと、ループの長さに沿って形成されループを別
   々の複数個のループ片に分割する複数個の間隙とを有し
   、間隙の数とサイズは共振器を所望の共振周波数に同調
   させるように選定されていることを特徴とする集中回路
   共振器。 （２、特許請求の範囲第（１）項記載の共振器において
   、前記間隙は前記ループの周シに配置されて中実軸を含
   む面に対して共振器の対称性を維持することを特徴とす
   る集中回路共振器。 （３）特許請求の範囲第（１）項もしくは第（２）項記
   載の共振器において、前記ループは電気的絶縁材で作ら
   れた円筒状スリーブ上に支持された金属層として形成さ
   れていることを特徴とする集中回路共振器。 （４）特許請求の範囲第（１）項、第（２）項もしくは
   第（３）項記載の共振器において前記ル”−ゾの周シに
   金属シールドが配置されておシ中実軸からのその距離は
   共振器の品質係数を増大するように選定されていること
   を特徴とする集中回路共振器。 （５）特許請求の範囲第（１）項から第（４）項のいず
   れか一項に記載する共振器において、一枚の高誘電材が
   前記一方の間隙内に配置されておυ前記一方の間隙内を
   移動して共振器の周波数を同調させることができること
   を特徴とする集中回路共振器。 （６）特許請求の範囲第（５）項記載の共振器において
   、前記一枚の高誘電材はサファイアで出来ていることを
   特徴とする集中回路共振器。 （７）特許請求の範囲第（１）項から第（６）項のいず
   れか一項に記載する共振器において、前記ループの一端
   において無線周波数信号が共振器に誘導的に結合され、
   誘起された信号の強さを調整する装置が設けられている
   ことを特徴とする集中回路共振器。 （８）特許請求の範囲第（１）項から第（６）項のいず
   れか一項に記載する共振器において、ループの一端にお
   いて第１の無線周波数信号が共振器に誘導的に結合され
   ておシ第２の無線周波数発生器が別々のループ片に電気
   的に接続されていることを特徴とする集中回路共振器。 （９）　　回転磁気共振分光器に使用する集中回路共振
   器において、導電材によ多形成され中央縦軸の周シに配
   置されたループを有し、前記ループはその全長に沿って
   形成された間隙を有しそれによってループは選定周波数
   で共振することができ且つその周辺に横溝が形成されて
   いて無線周波数を共振器に通すことができ、さらに選定
   された共振周波数において無線周波数信号を誘起し且つ
   前記ループの一端に隣接配置され前記中実軸を囲む導電
   線ループを含む装置と、共振器の品質係数を増大するよ
   うに選定された距離だけループから外側に配置された金
   属シールドとを有することを特徴とする集中回路共振器
   。 ａＯ特許請求の範囲第（９）項記載の共振器において、
   前記ループは円筒状であることを特徴とする集中回路共
   振器。 （ロ）特許請求の範囲第（９）項もしくは第α０項記載
   の共振器において、前記金属シールドは円筒状であシそ
   の半径は誘起された無線周波数信号の波長のｌ／、よシ
   も短いことを特徴とする集中回路共振器。 （ハ）特許請求の範囲第（９）項、第α０項もしくは第
   α０項記載の共振器において、前記ループの長さは誘起
   された無線周波数信号の波長よシも実質的に短いことを
   特徴とする集中回路共振器。 （至）　回転磁界共振分光器の集中回路共振器において
   、導電材によ多形成されたブロックと、第１の中実軸に
   沿って前記ブロックを延在する円筒状開口及び前記ブロ
   ック内に形成され前記円筒状開口と全長に沿って交差す
   る間隙により形成された第１の共振器と、前記第１の共
   振器と交差する第２の中実軸に沿って前記ブロックを延
   在する第２の円筒状開口及び前記ブロック内に形成され
   第２の円筒状開口と全長に沿って交差する第２の間隙に
   よ多形成された第２の共振器とを有し、その結果２個の
   共振器の交差点に配置された標本には各共振器の共振周
   波数における磁界が同時に加わることを特徴とする集中
   回路共振器。 ０４　　特許請求の範囲第α躊項記載の共振器において
   、前記ブロックは立方体であシ前記共振器は互いに実質
   的に直角に交差することを特徴とする集中回路共振器。