JPS59138101A - 空胴共振器 - 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】 発明の関連する技術分野 本発明は、試料が高密度の磁力線を有する共振器領域に
ありかつ空胴共振器は電気力線が閉成される振動モード
によって励振される、試料中に磁気双極子遷移を発生す
るための空胴共振器から出発している。

分析測定技術において材料特性が、これら材料の試料中
に磁気双極子遷移を励振することによって検査する一連
の方法が公知である。この形式の最もよく知られている
方法は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）並びに電子スピン共鳴（
ＥＳＲ）である。

これら共鳴現象の１つを発生するために、検査すべき試
料を同時に高周波磁界およびそれに対して垂直に配向さ
れた均一磁界にさらすことが必要である。その際試料は
共振性構造体に挿入されかつそこで、高い密度ないし強
度をする磁力線が通過する個所に配置される。

その際共振能力のある構造体として、種々の周波数領域
に対して使用される極めて種々の構成が、文献から公知
である。公知のように共振性構造体は、個別素子の相互
接続から構成することができ、その際最もよく知られて
（・る構造体は、それぞれ１つのコンデンサおよびコイ
ルから成る直列ないし並列振動回路である。その際素子
との関連において、共振性構造体の容量ないし誘導成分
の明確な分布が可能である。例えばメートル波領域にお
ける多少高めの周波数において、例えば線路共振器、帯
状導体等と称される共振装置を使用することが公知であ
る。

この共振性構造体においても、容量および誘導成分の配
分は次・のようにして可能である。即ち装置の所定の幾
何学領域が共振性構造体の容量ないし誘導特性を有する
ようにであり、その際この領域は種々の周波数に対して
一義的に決まっておりかつ幾何学的に定めることが可能
である。

最後に、極めて高い周波数に対して−例えばマイクロ波
領域において−、空胴共振器を共振性構造体として使用
することも公知である。この空胴共振器においては、上
記公知の２つの構成に比べて、共振器の寸法と使用の波
長との間に決まった、整数関係がある点で異なっている
。

更に共振性構造体（共振器）の誘導および容量領域の一
義的な配分はもはや可能でない。というのは構造体は種
々異なった振動モードにおいて励振することができ、そ
の際１次の種々の異なった振動モードが同じ空胴共振器
に生ずることがある。円筒空胴共振器において例えば互
いに無関係にＨｏｏ、またはＨ工、１振動を励振するこ
とができ、その際それぞれの振動モードは更に相当高次
においても振動することができる。しかし振動モード、
次数および周波数に応じて、その都度の容量ないし誘導
作用領域が変化する。

磁気共鳴を用いたこの形式の共通の問題点は、使用する
測定装置が出来るだけ高い感度を有するようにしなげれ
ばならないということである。

その際得られる感度は、使用共振系のＱと充てん係数、
即ち共振性構造体によって閉鎖される体積のうち、検査
すべき試料が占める割合との積に比例する。しかしその
際に共振性構造体内にある試料は、充てん係数を高める
ために任意、　　ない の大きさにすることかできへ。というのは試料が電気力
線（ｌの領域に達し、このために損失、従ってＱの低下
を来たすからである。

”ず・ループ−ギャップ・レゾネータニア・ニュー・マ
イクロウェーブ・ランブト・サーキット・ＥＳＲ・サン
プル・ストラフチャ”というタイトルでフロンライスお
よびハイデによって発表された論文（雑誌、ジャーフー
ル・オプ・マグネチック・レゾナンス、第４７巻、第５
１５乃至第５２１頁、１９８２年）から、帯状導体′の
上記メカニズムに基いている、電子スピン共鳴の実験を
実施するための共振性構成体が公知である。即ちこの公
知の装置においては、２つの狭いスリットによって相互
に分離されている円筒周面状の２つの皿状体半部が使用
される。

その際この構成の誘導成分は皿状体半部によって形成さ
れかつ容量成分はスリットによって形成される。しかし
この公知の構成は次のような欠点を有する。即ち皿状体
半部およびスリットの幾何学形状が構造体の共振周波数
を決めるので、この構造体の製造の際極めて高度な要請
を課さなければならない。その際使用のスリット幅は、
１ｒｎＭより大幅に狭く、その結果単に皿状体半部の精
確な位置整定か困難であるばかりでなく、更に例えば電
気メッキによる表面処理においてこの装置を所定通りに
仕上げるという著しい困難性が生じる。即ちこの形式の
素子は通例、出来るだけ再現可能な状態にするために、
殆んど完全に組み立てられた状態において電気メッキさ
れるので、１龍より著しく小さい間隔しか有しない、２
つの皿状体半部間の中間空間を汚さずに電気メッキする
ことは実際には不可能である。しかしスリットの幾何学
形状は、調整設定される共振周波数との関連において著
しく重要である。

発明の課題 従って本発明の課題は、Ｑと充てん係数との高い積を有
し、その際同時に通例の方法によって再現可能に製造可
能である、磁気双極子遷移を発生するための共振性構成
体を提供することである。

発明の構成および効果 この課題は本発明によれば、使用の空胴共振器に導電部
材を、電気力線（Ｅ）がその長さの少なくとも一部にお
いて短絡されるように配置することによって解決される
。

従って上記公知の装置と比べて本発明の空胴共振器にお
いては、基本周波数を決める素子が、固有周波数が電気
力線の”短縮”によって低減される通例の、例えば円筒
空胴共振器である。

しかし電気力線の短縮、ひいては空胴共振器の固有周波
数の低減により充てん係数が著しく高められる。という
のはその他の場合には低周波竺において必要となる体積
の大きい共振器の寸法をこの場合には著しく小さくする
ことができるので、試料体積が同じ場合著しく高い充て
ん係数が生じるからである。このことは、僅かな量の検
査すべき物質しか使用できず、その結果この形式の僅か
な量を体積の大きい共振器中に挿入する際極めて不都合
な充てん係数となるとき、特別有利である。

電気力線の短縮のために使用される導電部材は共振器の
固有周波数の相対変化にしか影響しないので、この導電
材の位置整定は、使用の帯状導体が基本周波数自体を決
める公知の装置の場合程には重大でない。

本発明の有利な実施例において、振動モードＨｏ□□の
円筒空胴共振器が使用され、その際”ｎ″は整数である
。この公知の振動モードでは、円筒軸線において磁力線
の最大値および電気ヵ線の最小値が形成される。従って
この共振器装置は、例えば同時に試料を熱処理するｉ／
ｌ）またしま種々異なった形式の光線によって照射する
際多数の実験を行なうのに特別適している。

その除水のようにすれば特別良好な作用カー生じる。即
ち電気力線の短縮が、導電領域および非導電領域が交互
にあるトーラス形状の構成によって行なわれる。その際
トーラス装置の周面全体において導電領域が占める／ぐ
一センテージによって電気力線の任意の短縮、ひ（・て
しま共振器の固有周波数の低減が広範囲にお（・て調整
設定される。

その際トーラス装置の非導電セクタ領域な誘電損の小さ
い材料、例えば水晶から構成すると特別有利である。と
いうのはこの場合特別僅力・な電気的な損失しか有しな
い材料が使用されるので、電気力線が高密度である領域
にお（・てこの種の材料が存在していても問題にならな
−・。

本発明の別の有利な実施例にお（・て、トーラス装置は
部分的に、スリットによって相、互に分離されている円
筒周面形状の導電薄板によって形成される。その際スリ
ットは電気力線が残る領域を形成する。というのは導電
薄板を介してしか電流が流れないからである。その際ス
リット幅の相応の調整設定によって、共振器の固有周波
数の変化を調整設定することができる。

その際上記スリットを別の円筒周面形状の導電薄板によ
って被覆すると特別有利な効果が得られる。その理由は
、空胴共振器の固有周波数の低減はもはや、不均一な電
界が形成されるスリット領域にのみに依存するのではな
く、むしろ導電薄板の間に電気力線が均一に形成される
領域が生じるからであり、その結果導電薄板のオーパラ
ツゾ領域の幅によって、固有周波数の特別良好に再現可
能な変化が調整設定される。

本発明の別の実施例において、連続する円筒局面形状の
導電薄板に代わって、空胴共振器の軸線方向に配置され
た複数の部分を使用する構成となっており、その際上記
スリットを被覆する別の導電薄板は有利には一体構成さ
れている。

このようにすれは電流は導電薄板において一方において
円形方向に、即ち上下に配置された領域において流れ、
他方において軸線方向、即ち有利な一体の、別の導電薄
板を介して流れる。

導電薄板を流れる電流のこのような空間分布によって、
周波数変化を再現可能に調整設定するための別の方法が
生じる。

トーラス装置における非導電領域が石英ガラスから構成
されれば、本発明の有利な実施例において少なくとも１
つの石英セクタ領域を延長構成することができ、その結
果トーラス装置を共振器のカバー面に保持することがで
きる。

へ鞠λＮＸ勿論、トーラス装置のセクタ領域な空胴共振
器のカバー面まで達する石英管上に共通に配置すること
もできる。

試料を同時に熱処理しながら測定しようとするとき、そ
れ自体周囲温度が変わるところで磁気共鳴を用いて測定
を実施するために公知である多壁構造のデユワ−の内面
ないし外面の一方に上記導電薄板を配置することによっ
て、特別良好な効果が得られる。

実施例の説明 次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説
明する。

第１図には、本発明が基礎としている作用を明らかにす
るためにＨ８０、モードにおける円筒空胴共振器の斜視
図が示されている。

第１図において、試料１２に対する開口１１を有する円
筒空胴共振器１０が図示されている。

開口１１は、共振器１００カバー面１３に設けられてい
る。共振器１００周面は１４で示されている。

第１図に図示の円筒空胴共振器は、Ｈ０□１モード（振
動モード）において振動する。即ち磁力線（Ｈ）は円筒
軸線Ｚ並びに周面１４において軸線方向に延在し、一方
力バー面１３の領域において半径方向に閉じている。こ
れに対して電気力線（Ｅ）は共振器１０の軸線Ｚの回り
に円形に延在する。その際電気力線の密度は軸線Ｚにわ
たって大体正弦波状に延在し、即ち電界強度はカバー面
１３の領域においては零であり、一方共振器の半分の高
さの所で最大である。

従って試料１２は、磁界強度の最大の所でかつ電界強度
の小さい領域内にある。

第２図には交互に導電領域および非導電領域が使用され
るトーラス構造を有する、本発明の空胴共振器の第１実
施例が図示されている。

第２図に図示の実施例では共振器１０に中空円筒形状を
有するトーラス形装置が挿入される。

その除この装置は導電セクタ領域２０並びに非導電セク
タ領域、例えば水晶ないし石英セクタ領域２１に分割さ
れている。第２図に図示の実施例では、それぞれ４つの
同じ幅の導電セクタ領域２０並びに水晶ないし石英セク
タ領域２１が設けられている。その際水晶ないし石英セ
クタ領域２１０１つは、共振器１００カバー面１３に導
ひかれており、従ってトーラス装置Ｕ支持する延長部２
２を備えている。その際この形式の固定は例として示さ
れているにすぎず、勿論適当に複数の延長部または１つ
の共通の水晶ないし石英管を、使用することもできる。

第２図に図示の装置によって、電気力線は導電セクタ領
域２０の領域において短絡されかつ水晶セクタ領域２１
においてのみ第１図に図示のように円形に拡がることが
できる。これにより第２図に図示の実施例では電気力線
が外に短縮される。電界強度が高い領域の電気力線が短
縮されるので、空胴共振器１０の固有周波数が低減され
る。これにより例えば、トーラス装置のない通例の共振
器に比べて、共振器の寸法を昼または俗。に低減するこ
とができ、その結果試料１２０体積が同じ場合光てん係
数が相応に高められる。

第２図に図示の実施例において、共振器１０の直径はＤ
で示され、トーラス装置の直径はｄで示されている。空
胴共振器１０の全長はＬで示されており、トーラス装置
の長さはｌで示されている。典型的な実験において例え
ば次の寸法が使用された。

Ｄ−２０ないし４０ｍｍ ａ＝５ないし１５ｍｍ Ｌ−２０ないし４０ｍｍ １＝５ないし１０朋 勿論、上、記寸法は例として挙げられているにすぎず、
所定の周波数範囲にのみ関連付けられ、数多くの実験に
おいて使用の相互の寸法比のみを示すにすぎない。いづ
れにせよ上記寸法は本発明を何ら限定するものではない
。

第６ａ図および第６ｂ図の第２実施例において、′スリ
ン）３２．３３によって相互に分離されている２つの導
電薄板３０．３１から成る、電気力線を短縮するための
トーラス装置が使用される。その際導電薄板３０．３１
は円筒を軸線方向に％に切った周面の形状を有する。ス
リン）３２．３３の幅はδで示されており、その際上記
の寸法例との関係においてδ＝１間とすることができる
。

第３ａ図の実施例においては２つのスリット３２．３３
を有する２つの導電薄板３０．３１しか使用されていな
いが、勿論相応の比較的大きな数のスリットを有する相
応に数多くの薄板セクタ領域を使用することもでき、ま
たは唯一のスリットを除いて実際に完全に閉鎖されてい
る唯一の薄板を使用することもできる。

第６ｂ図は、スリン）３２．３３の一方において発生す
る電気力線を示す。導電薄板３０゜３１および既述の幅
δの有限の厚さによって、電気力線が不均一に、例えば
図示のように形成される。その際この部分の再現性に関
する特別高い要求について困難が生じるおそれがある。

というのはスリットの幾何学形状が変わることで不均一
な電界に変化が生じ、従って周波数低減度も変動するか
らである。その理由は電気力線の短縮がもはや一義的に
決められなくなるからである。

第４図の第３実施例において、上記の、厳しい要求の際
に生じるおそれがある欠点が、次のように取除かれる。

即ち同軸的に配置されている２対の導電薄板が使用され
る構造とする。内側に、中間空間４２，４３によって相
互に分離されている２つの導電薄板４０．４１が設けら
れ、一方これら薄板４０．４１のまわりを、ここでも２
つの中間空間４６．４７によって相互に分離されている
別の導電薄板対４４．４５が取り囲んでいる。第４図か
ら明らかなように、中間空間４２．４３は第３ａ図の中
間空間（スリット）３２．３３より著しく広く、第４図
に図示の構成の中間空間の幅へは、例えば△−３ｍｍま
たはそれ以上である。電気力線の短縮は、第４図の実施
例においては実質的に薄板４０゜４１によって行なわれ
、一方薄板４４．４５は実質的に中間空間４２．４３を
被覆するために用いられ、このことは中間空間４６．４
７を中間空間４２．４３に対して９０°だけずらすこと
で行なうことができる。これにより中間空間４２．４３
は近似的に１８０°の角度ψ、にわたって被覆される。

これに対して、第５ａ図および第５ｂ図においては中間
空間５２．５３並びに外側の薄板５４．５５とともに内
側の薄板５０．５１を有する基本的には相応の構造が使
用されているが、中間空間５２．５３の、薄板５４．５
５による被覆は、第４図の実施例におけるより小さく、
角度ψ２でしかない。

第５ａ図に図示の構造の作用が第５ｂ図に図示されてい
る。明らかに図示されているように、薄板５５による中
間空間５２の被覆の際薄板５５と内側の薄板５０．５１
との間に領域が生じ、この領域において、電気力線の不
均一な拡がりが生じる第６ａ図、第６ｂ図の実施例とは
異なって、電気力線は均一に形成される。従って第４図
および第５ａ図における角度ψ、およびψ２に相応して
、外側薄板による中間空間の被覆の変化によって、電気
力線の効果的な短縮を非常に良好に再現可能に調整設定
することができる。

即ちこの被覆における偏差は第６図のスリット幅δの場
合の偏差より、空胴共振器１０の固有周波数の低減に対
して著しく僅かしか影響しない。

第６図の第５実施例には、一方において導電薄板をどの
ように固定できるかが、他方において導電薄ツリの構造
が図示されている。

第６図の中空共振器１０は、中空共振器１０を通って軸
線方向において延在するそれ自体公知のデユワ−６０を
具備している。デユワ−６０は２重壁に構成されており
、その際外壁は６１で示されており、内壁は６２で示さ
れている。

外壁６１と内壁６２との間に、温度調節媒体、例えば気
体窒素が流れ、それは取入れ口６３を介して流れ込み、
吐出し口６４を介して流出する。その際外壁６１および
内壁６２には、周面が閉鎖されている開口６５が貫いて
いて、そこに試料１２を挿入することができる。デユワ
−６０の外壁には、第５ａ図の導電薄板５４，５５の形
状および機能に相応する一対の導電薄板ないしシー）６
６．６７が設けられている。これに対して内壁６２には
軸線方向において２つの導電薄板対が、即ち一方におけ
る対６８，６９が、他方における対７０．７１と相互に
間隔をおいて配置されている。対６８．６９ないし７０
．７１はストリップ状に構成されており、従って対を形
成するそれぞれは非常に扁平な円筒を％にしたものの周
面に相応する。その際電気力線の短縮は、これら対６８
．６９ないし７０．７１によってそれぞれの領域におい
て行なわれる。その際第６図の構成の特殊性は、薄、板
を流れる電流は薄板６８．６９並びに７０゜７１の領域
においてこれら薄板に沿って円形に流れるが、薄板のう
ち外側に位置する薄板６６゜６７を介して軸線方向に流
れるととができ、その結果電流の伝播は軸線方向におい
ても、それに対して垂直な方向においても調整設定でき
る点にある。上記シートにおける電流のこの１５回”に
より、電気力線の効果的な短縮を種々に行なえるので、
固有周波数の低減に対する調整設定の可能性が更に生じ
る。

第６図のデユワ−６０の外壁６１および内壁６２の壁厚
は勿論有限であり、導電薄板６６ないし７１はこれら壁
の１つの内側もしくは外側に配置することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が基礎としている作用を説明するための
、ＨＯＩ□モードにおける円筒形空胴共振器の斜視図で
あり、第２図は交互に導電領域および非導電領域が使用
される、トーラス構造を有する本発明の空胴共振器の第
１実施例の斜視図であり、第３ａ図は円筒周面形状の２
つの導電薄板を有する本発明の空胴共振器の第２実施例
の斜視□□□であり、第３ｂ図は第６ａ図の実施例の作
用を説明するための拡大平面図であり、第４図は同軸的
に配置された２つの円筒周面形状の導電薄板を有する本
発明の空胴共振器の第６実施例を示す斜視図であり、第
５ａ図は第４図の実施例と同様２つの導電薄板対が同軸
的に設けられているが、延在範囲が異なっている、本発
明の空胴共振器の第４実施例の斜視図であり、第５ｂ図
は第５ａ図の作用を説明するための部分拡大図であり、
第６図は導電部材がデユワ−に設けられている、本発明
の空胴共振器の第５実施例の斜視図である。 １０・・・空胴共振器、１２・・・試料、１３・カバー
面、２０・・・導電セクタ領域、２１川非導電セクタ領
域、３０，３１．４０．４１，４４，４５．５０．５１
，５４，５５．６６〜７１・・・導電薄板、３２．３３
．４２，４３，４６．４７゜５２．５３・・中間空間な
いしスリット、６０・・・デユワ−１６１・・・外壁、
６２・・・内壁、Ｚ・・・共振器軸線、Ｈ・・・磁力線
、Ｅ・・・電気力線０６５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　試料（１２）は、高密度の磁力線（Ｈ）な有する
   領域に在りかつ空胴共振器（１０）は電気力１（Ｅ）が
   閉成される振動モード（Ｈｏ１１）によって励振される
   、試料（１２）中に磁気双極子遷移を発生するための空
   胴共振器において、 空胴共振器（１０）内に電気力線（Ｅ）が少なくとも該
   電気力線の長さの一部について短絡されるように、導電
   部材が配置されていることを特徴とする空胴共振器。 ２、空胴共振器は円筒形状を有しかつ振動モードＨ８１
   ｎによって励振され、たソしｎは整数である特許請求の
   範囲第１項記載の空胴共振器。 ３、　導電部材は、トーラス形状装置のセクタ領域とし
   て構成されておりかつ共振器軸線（Ｚ）に対して同軸に
   配置されている４許請求の範囲第２項記載の空胴共振器
   。 ４、共振器軸線（２）に対して同軸に、中空円筒装置が
   配置されており、該中空円筒装置は導電セクタ領域（２
   ０）および誘電損の小さい非導電材料から成る非導電セ
   クタ領域（２１）に分割されている特許請求の範囲第６
   項記載の空胴共振器。　　゛ ５、共振器軸線（Ｚ）に対して同軸的に、中空円筒装置
   が配置されており、該中空内筒装置は少なくとも１つの
   軸線方向スリン）　（３２゜３３）を有する少なくとも
   １つの導電薄板（３０，３１）から成る特許請求の範囲
   第３項記載の空胴共振器。 ６、　共振器軸線（Ｚ）に対して、少なくとも１つの軸
   線方向の中空空間（４２，４３；５２゜５３）を有する
   少なくとも１つの導電薄板（４０，４１；５０，５１　
   ；６８，６９，７０゜７１）から成り、その際中空空間
   （４２，４３；５２，５３）並びに導電薄板（４０，４
   １；５０．　５１；６８．　６９．　７０．　７１）の
   隣接領域が少なくとも１つの導電薄板（４４，４５；５
   ４，５５；６６．６７）によって橋絡される特許請求の
   範囲第６項記載の空胴共振器。 Ｚ　トーラス形状装置のセクタ領域は、共振器軸線（７
   ）の方向において並んで位置する複数の部材（６８，６
   ９，７０，７１）に分割されている特許請求の範囲第３
   項ないし第６項のいづれか１項記載の空胴共振器。 ８、　セクタ領域（２１）の少なくとも１つが、共振器
   （１０）のカバー面（１３）まで延長されている特許請
   求の範囲第４項記載の空胴共振器。 ９　トーラス形状装置のセクタ領域は、誘電損の小さい
   非導電材料から成る管上に配置されており、肢管は共振
   器（１０）のカバー面（１３）まで達する特許請求の範
   囲第３項ないし第７項のいづれか１項記載の空胴共振器
   。 １０、管は試料（１２）の温度調節のためのデユワ−（
   ６０）の部分である特許請求の範囲第９項記載の空胴共
   振器。 １１、導電薄板（６８，６９，７０，７１）はデユワ−
   （６０）の内壁（６２）上に位、置しまた別の導電薄板
   （６６，６７）はデユワ−（６０）の外壁（６１）に位
   置する特許請求の範囲第１０項記載の空胴共振器。