JPS62123342A - 電子スピン共鳴装置のル−プギヤツプ共振器 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電子スピン共鳴装置に用いられるループギャッ
プ共振器に関するものである。

［従来技術］ 近時、電子スピン共鳴装置で用いる共振器としてループ
ギャップ共振器が注目されている。

ループギャップ共振器は、第１５図に斜視図。

第１６図に横断面図を夫々示すように、導電材料により
形成される円筒型のループ１と、該ループを一定幅で中
心軸Ｏの方向に切り欠くことにより形成されるスリット
２とから成り、試料は中心軸に沿ってループ内に挿入さ
れる。３は全体をシールドするための金属円筒、４は共
振器を外部回路と接続するためのループアンテナ、５は
同軸線路である。

従来用いられて来た空胴共振器では、電場との相互作用
を最小とし、誘電損失によるＱの低下を防ぐため、空調
の中心部のマイクロ波磁界の最も強い位置に試料を挿入
するので、空胴内のマイクロ波磁界の一部しか利用でき
ないのに比べ、このループギャップ共振器では全マイク
ロ波磁界が共振器内に存在するので、これをすべて利用
でき、感度的に有利であるという特徴がある。又、ルー
ズギャップ共振器のマイクロ波電界はスリット部に集ま
っているので、試料に含まれる水分によるンイクロ波の
損失が少なく、水分を多く含む試料の測定に適している
という特徴もある。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、このように優れた特徴を持つループギャップ
共振器であるが、試料を共振器内部に挿入すると、共振
周波数が大幅に変化してしまうという問題点があった。

本発明は、試料の有無あるいは挿入量による共振周波数
の変化を少なくし得るループギャップ共振器を提供する
ことを目的としている。

［問題点を解決するための手段］ この目的を達成ゴーるため、本発明は、導電材料により
形成される円筒型のループと、該ループの中心軸の方向
に形成されるスリットとを有するループギャップ共振器
において、前記スリットを前記ループの内側から覆うよ
うに該スリットよりも幅広で導電材料により形成される
シールド部材を配置したことを特徴としている。以下、
図面を用いて本発明の実施例を詳述する。

［実施例１］ 第１図は本発明を実施したループギャップ共振器の一例
を示す断面図であり、第１６図と同一の構成要素には同
一番号が付されている。第１図において６はスリット部
２をループ１の内側からシールドするため、ループ１の
内面に該スリット部を覆うように配置されるシールド体
で、絶縁スペーサ７によって該シールド体とループ１と
の間の絶縁が図られている。この絶縁スペーサとしては
例えば紙の筒が用いられ、その表面にシールド体として
例えばアルミニウム箔が取付けられる。

第１図に示ず各部の寸法は、例えばｒｏ　−１０，０ｍ
ｍ、　ｒｌ　−２６，Ｏｍｍ、　ｔ＝　１．６ａｕｇ、
　ｗ＝　１．２ｎｕａ、ループ１の軸方向の長さＱ＝　
　１０３．Ｏｎｍである。その寸法で、絶縁スペーサと
シールド体を抜き出した無装着の場合、この共振器の共
振周波数は１．６１Ｇ　ｌ−１ｚであった。

第２図はこの無装着状態で、共振器内に生理食塩水を挿
入し、その挿入量と共振周波数の関係を測定した結果を
示す。測定はマイクロ波掃引発振器と共振器との間にネ
ットワークアナライザを接続して行った。

この結果から、挿入試料量がＵ口から４　ｍＱに増加す
るのに従って共振周波数は１．６１　ＧＨｌから　１．
５６Ｇ）１２へど徐々に低下し、例えば試料口１．５　
ｒｎＱ、の場合には約０．０２２Ｇ　ＨＺ低下すること
が分る。

この共振周波数の低下について説明すると、ループギャ
ップ共振器は等価回路として第３図（ａ）のように表わ
される。スリット部２が容量Ｃのコンデンサに対応し、
ループ部１がインダクタンスＬのコイルと抵抗Ｒに対応
する。

高周波回路では、コイルはインダクタンスのみを生じる
のではなく、浮遊容量も生じる。従って、ループギャッ
プ共振器のループ部にも第４図（ａ＞に示すような電気
力線が生じており、そのため、同図（ｂ）のようにスリ
ット部のコンデンサＣにループ部のコンデンサを並列接
続したものと等価になる。等価回路的にも第３図（ｂ）
のように浮遊容量Ｃ′が付加されたかたらで表わされる
。

このループの内部に水分の多い試料を挿入すると、挿入
された試料による影響で浮遊容量が増し、そのため共振
周波数が低下するのである。

次に、本発明のようにスリット部分の内側にシールド体
６を配置した場合について考察すると、このシールド体
６によりループ部に生じる電気力線は第４図（ａ’　　
）のようにスリット部分に集中する。そのため、ループ
部のコンデンサも第４図（ｂ′）のようにスリット部分
に集中する。その結果、試料をループ内部に挿入しても
、挿入された試料による影響は少なくなり、浮遊容量の
増加も抑えられるため、共振周波数の変化は抑制される
ことになる。

第５図（ａ）は、シールド体６の幅（第１図におけるＤ
）をループ１の内周長（２πｒｏ、）の１／４倍に設定
した場合における、試料（１理食塩水１．Ｓ　ｒａＱ、
　）挿入時の共振器の共振特性を示し、同図（ａ′）は
同じく試料挿入前の共振特性を示す。試料挿入前に１．
２６４Ｇ　Ｈｚの位置にあった第１の共振点、１，６４
６Ｇ　Ｈｚの位置にあった第２の共振点は、試料挿入後
、１，２６２Ｇ　ＨＺ　、　　１，６４２Ｇ１−（Ｚへ
と夫々０．００２Ｇ　ＨＺ　、　　０．００４０　ＨＺ
変化したにとどまっている。

シールド体６を装着しない場合には、第２図に示したよ
うに生理食塩水１，５　Ｉｌｎを挿入するとほぼ０，０
２２Ｑ　ｌ−Ｉ　Ｚも変化するのに比べれば、試料挿入
による共振周波数の変化を極めて小さくすることができ
る。

第５図（ｂ）、（ｃ）は、シールド体６の幅りをループ
１の内周長（２πｒ）の２／４．３／４倍に変えたもの
について同様に１．５　ｍ込の試料（生理食塩水）挿入
時の共振器の共振特性を示し、同図（ｂ’　）、（Ｃ’
　）は同じく試料挿入前の共振特性を示す。第５図（ａ
）、（ａ’　）の場合と同様に、試料挿入時の共振周波
数の変化は少ないことが分る。しかしながら、シールド
体６の幅が大きくなるにつれて共振特性が悪くなりＱの
低下が著しく、そのため、シールド体６の幅はループ１
の内周の１／４程度が望ましい。

第６図はこのＱの低下にも対処した実施例を示す。本実
施例は、シールド体６とループ１との間に誘電体スペー
サ８を介在させたことを特徴としている。第６図に示す
各部の寸法は、ｒｏ＝１４．５ｍｍ、　ｒｌ　＝４０．
０ｍｍ＋、　ｔ　−５，０ｍｍ、　ｗ−０，５ｍｍ、ル
ープ１の軸方向の長さ込−２８，０ｍｍである。

このように誘電体を介在させると、ループ１内の電気力
線はこの誘電体内を更に集中的に通るため、試料が挿入
される部分に存在する電気力線は更に少なくなり、その
結果、共振器内部に水分を多く含む試料が配置されても
該試料によるＭ電損失は極めて小さくなる。そのため、
共振器のＱの低下を極めて小さくなし得る。

第７図は、第６図の実施例で共振器内の試料挿入量（具
体的には共振器内への試料充填率η＝Ｙ／ＹＯ（ここで
、ＹＯはループ内断面１．Ｙは試料断面積））に対する
共振周波数の変化を調べた結果を示す。・印は誘電体ス
ペーサ８として誘電率が１０．３のアルミナを用いた場
合、Ｏ印は誘電率が２．０のテフロンを用いた場合で、
Ｘ印は誘電体スペーサ及びシールド体を装着しない場合
の測定結果である。尚、試料としては生理食塩水を用い
ている。

第７図から、変化率（直線の傾き）は無装着の場合に比
べ緩やかになり、試料挿入量が変化しても共振周波数の
変化ｍは小さくなっていることが分る。特に誘電率が大
きな誘電体を用いると効果が大きい。

第８図は、第６図の実施例で同様にＹ／ＹＯに対する共
振器のＱの変化を調べた結果を示す。第７図と同様、黒
丸は誘電体スペーサの誘電率が１０．３、白丸は誘電率
が２．０の場合で、Ｘ印は無装着の場合である。無装着
の場合、Ｙ／Ｙｏが増加するにつれて（換言すれば試料
伍が増加するにつれて）急激にＱが低下するのに対し、
第６図の実施例ではＱの低下は極めて少なくなっている
ことが分る。Ｑの変化に関しても、誘電率の大きな誘電
体スペーサを用いた方が効果が大きい傾向が見られる。

尚、上記実施例ではスリットが１つのループギャップ共
振器に本発明を適用したが、複数のスリットを持つルー
プギャップ共振器の場合には、各スリットにシールド体
を装着すれば良い。

又、上述した実施例ではループ内にシールド部材あるい
はシールド部材と誘電体スペーサによる段差が出来てお
り、試料をループ内へ挿脱する際に邪魔になったり、試
料との接触によりシールド部材や誘電体スペーサが破損
するようなことも考えられる。そこで、ループ１の厚み
に余裕がある場合には、第９図に示すように、ループ１
内面のシールド部材及び誘電体スペーサを配置すべき部
分にそれらの厚み及び大きさに合わせて溝を掘り、そこ
にシールド部材あるいはシールド部材と誘電体スペーサ
を収容するようにすれば、ループ１の内面に段差がなく
なり、上述した不都合を除くことが可能である。

第１０図は試料を挿入した際に生じる前述した共振周波
数の変化を補正する手段を備えた実施例を示す。第１１
図は、そのループの部分を外側から見た斜視図である。

本実施例では、スリット２を外側から覆うように導電材
料で形成されるシールド体９を配置し、該シールド体９
とループ１とめ問に誘電体スペーサを介挿すると共に、
該シールド体９と誘電体スペーサ１０を一体としてスリ
ット２を横切る方向に移動可能に設けている。上記誘電
体スペーサ１０としては、例えばテフロンの薄板が用い
られ、その表面にシールド体９として例えばアルミ箔が
取イ１りられる。

上記シールド体９及び誘電体スペーサの形状を、第１１
図のような長方形ではなく、第１２図に示すような台形
とし、ぞの斜辺がスリット２を横切るようにしても良い
。

このような構成となせば、第４図（Ｃ）に示すようにル
ープ部の外側にコンデンサＣ１、Ｃ２が形成され、その
結果等価回路的にも第３図（Ｃ）に示すようにコンデン
サＣＩ　、Ｃ２を直列接続した合成コンデンサＣ“がル
ープの外側に付加されたかたちで表わされる。

そして、シールド体９及び誘電体スペーサ１０をスリッ
ト２を横切るように移動させれば、スリット２との重な
り具合が変化するため、上記ＣＩ。

Ｃ２の値が変化し、従って共振器の共振周波数を変化さ
せることができる。

第１３図（ａ）、（ｂ）は、第１１図及び第１２図の例
について夫々第１４図（ａ）、（ｂ）に示すような寸法
を与えると共に、スリットとの重なり長さΔ込を設定し
た時、Δ込によって共振周波数がどのように変化するか
を測定した結果を示し、・印が誘電体スペーサ１０の厚
さ１．Ｏｍｍ、　ＩＩ印が同じく厚さ０．５ｍｍ、ム印
が同じく厚さ０．１ｍｍの場合である。

第１３図（ａ）、（ｂ）から、Δ２が大きくなるにつれ
てＣＩ　、Ｃ２の合成容量Ｃ”が増加し、それにより共
振周波数が低下することが分る。又、その共振周波数の
変化は、第１３図＜ｂ＞の方が緩やかであり、従って、
台形状のものを用いた方が共振周波数の微調整に適して
いる。

［効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば、試料の挿入量によ
る共振周波数の変化が少ないループギャップ共振器が実
現される。

更に、第６図の実施例のようにシールド体とループとの
間に誘電体を介在させれば、共振周波数の変化ばかりで
なく、併せて試料の挿入量によるＱの変化を少なくする
ことも可能である。

更に、第１０図の実施例のようにスリットの外側に誘電
体スペーサとシールド体を移動可能に配置すれば共振周
波数を変化させることができ、試料挿入による共振周波
数の変化を補正することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施したループギャップ共振器の一例
を示す断面図、第２図はシールド体無装着の状態で試料
挿入量による共振周波数の変化を測定した結果を示す図
、第３図はループギャップ共振器の等価回路を示す図、
第４図はループ部における電気力線の状態と浮遊容量の
分布を説明するための図、第５図はシールド体６の幅を
変えた場合における、試料挿入時と非挿入時の共振器の
共振特性を示す図、第６図は本発明の他の実施例を示す
断面図、第７図は第６図の実施例で共振器内の試料挿入
量に対する共振周波数の変化を調べた結果を示す図、第
８図は第６図の実施例共振器内の試料挿入量に対するＱ
の変化を調べた結果を示す図、第９図はループ内に段差
をなくした実施例を示す断面図、第１０図は共振周波数
を変化させる手段を備えた実施例を示す断面図、第１１
図及び第１２図は第１０図に示した実施例においてルー
プ１の部分を外側から見た斜視図、第１３図はΔ之と共
振周波数との関係を測定した結果を示す図、第１４図は
第１３図の測定の際の寸法及びΔ込を示す図、第１５図
及び第１６図はループギャップ共振器を説明するための
斜視図及び横断面図である。 １ニル−７２ニスリツト ３：金属円筒　　　４：ループアンテナ６：シールド体
　　７：絶縁スペーサ ８：誘電体スペーサ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）導電材料により形成される円筒型のループと、該
   ループの中心軸の方向に形成されるスリットとを有する
   ループギャップ共振器において、前記スリットを前記ル
   ープの内側から覆うように該スリットよりも幅広で導電
   材料により形成されるシールド部材を配置したことを特
   徴とするループギャップ共振器。
2. （２）前記シールド部材と前記ループとの間に絶縁部材
   を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   ループギャップ共振器。
3. （３）前記シールド部材と前記ループとの間に誘電体ス
   ペーサを介在させたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のループギャップ共振器。
4. （４）前記スリットを前記ループの外側から覆うように
   導電材料により形成される第２のシールド部材を配置し
   、該第２のシールド部材と前記ループとの間に第２の誘
   電体スペーサを介挿すると共に、該第２のシールド部材
   及び第２の誘電体スペーサを前記スリットを横切る方向
   に移動可能に設けたことを特徴とする特許請求の範囲第
   ３項記載のループギャップ共振器。