RU2466414C1

RU2466414C1 - Loop resonator

Info

Publication number: RU2466414C1
Application number: RU2011119203/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Ицекович Рокеах (RU); Александр Ицекович Рокеах; Михаил Юрьевич Артемов (RU); Михаил Юрьевич Артемов
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2012-11-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: in a loop resonator, having a resonance system placed in a conducting screen, said resonance system being formed by two coaxially arranged groups of electrodes of different diameter, each including one or more film-type metal electrodes having the shape of part of a cylindrical surface, bounded by two arcs and two edges of a cylinder separated by gaps and aligned such that the gaps of one group are completely covered by electrodes of the other group, wherein said groups of electrodes are adapted for mutual rotation about each other, and angular dimensions of the electrodes of both groups and angular dimensions of electrodes and gaps in each group are comparable.

EFFECT: design of a loop resonator with possibility of multiple tuning of resonance frequency and low penetration of the microwave electric field into the working volume.

1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерительным резонаторам для исследования взаимодействия электромагнитного СВЧ поля с веществом, и может быть использовано в спектрометрах электронного парамагнитного резонанса и двойного электронно-ядерного резонанса.The invention relates to measuring technique, in particular to measuring resonators for studying the interaction of an electromagnetic microwave field with a substance, and can be used in spectrometers of electron paramagnetic resonance and double electron-nuclear resonance.

Для увеличения чувствительности измерительной аппаратуры исследуемый объект обычно помещается внутрь резонансной структуры таким образом, чтобы обеспечить возбуждение исследуемого объекта интенсивным СВЧ магнитным полем и максимальную зависимость регистрируемых параметров резонансной структуры от исследуемых свойств объекта.To increase the sensitivity of the measuring equipment, the studied object is usually placed inside the resonant structure in such a way as to ensure the excitation of the studied object by an intense microwave magnetic field and the maximum dependence of the recorded parameters of the resonant structure on the studied properties of the object.

Наиболее распространены различные варианты полых СВЧ резонансных структур, являющихся структурами с распределенными параметрами, в которых электрическое и магнитное СВЧ поля существенно перекрываются в одной и той же области пространства. Как правило, такие системы имеют относительно высокую добротность и невысокий коэффициент связи образца с СВЧ магнитным полем (коэффициент заполнения).The most common are various options for hollow microwave resonant structures, which are structures with distributed parameters, in which the electric and magnetic microwave fields substantially overlap in the same region of space. As a rule, such systems have a relatively high Q factor and a low coefficient of coupling of the sample with a microwave magnetic field (duty cycle).

К недостаткам таких систем относится значительное пространственное перекрытие электрического и магнитного СВЧ полей, что препятствует исследованию образцов, обнаруживающих значительное поглощение энергии электрического поля, и низкое временное разрешение (большое время восстановления), связанное с высоким коэффициентом добротности.The disadvantages of such systems include a significant spatial overlap of the electric and magnetic microwave fields, which impedes the study of samples that detect significant absorption of electric field energy, and low temporal resolution (long recovery time) associated with a high quality factor.

Кроме того, известны петлевые резонаторы (структура петля-зазор), которые являются резонансными структурами с сосредоточенными параметрами (петля-индуктивность, зазор-емкость). Такие резонаторы могут конструироваться таким образом, что СВЧ электрическое и магнитное поля оказываются существенно разделены в пространстве, они имеют низкую добротность, что обеспечивает малое время восстановления (высокое временное разрешение), а высокая чувствительность достигается за счет большого коэффициента заполнения.In addition, loop resonators are known (loop-gap structure), which are resonant structures with lumped parameters (loop-inductance, gap-capacitance). Such resonators can be designed in such a way that the microwave electric and magnetic fields are substantially separated in space, they have a low Q factor, which ensures a short recovery time (high temporal resolution), and high sensitivity is achieved due to the large duty cycle.

Известен петлевой резонатор (аналог), описанный в статье W.Froncisz, James S. Hyde, The Loop-Gap Resonator: A New Microwave Lumped Circuit ESR Sample Structure, Journal of Magnetic Resonance 47, p.515-521, 1982, который содержит металлизированную трубку из керамики или кварца, помещенную в цилиндрический экран. Слой металлизации на трубке разделен на две или четыре равные части зазорами, параллельными оси трубки. Участки цилиндрической металлизации образуют индуктивности, а зазоры - емкости резонансного контура. Исследуемый образец помещается в центр трубки.Known loop resonator (analogue), described in article W.Froncisz, James S. Hyde, The Loop-Gap Resonator: A New Microwave Lumped Circuit ESR Sample Structure, Journal of Magnetic Resonance 47, p. 515-521, 1982, which contains a metallized ceramic or quartz tube placed in a cylindrical screen. The metallization layer on the tube is divided into two or four equal parts by gaps parallel to the axis of the tube. The sections of cylindrical metallization form inductances, and the gaps form the capacitance of the resonant circuit. The test sample is placed in the center of the tube.

Недостатком аналога является отсутствие возможности компенсации разброса резонансной частоты, возникающего вследствие неизбежных технологических погрешностей. Некоторые типы спектрометров электронного парамагнитного резонанса могут работать в очень узкой полосе частот СВЧ, поэтому для них необходимы резонаторы с вполне определенной резонансной частотой. Кроме того, в данном резонаторе за счет краевых эффектов электрическое поле слабо локализовано в зазорах и распространяется в объем исследуемого образца.A disadvantage of the analogue is the lack of the ability to compensate for the spread of the resonant frequency that occurs due to inevitable technological errors. Some types of electron paramagnetic resonance spectrometers can operate in a very narrow microwave frequency band; therefore, they require resonators with a well-defined resonant frequency. In addition, in this resonator, due to edge effects, the electric field is weakly localized in the gaps and propagates into the volume of the sample under study.

В качестве прототипа выбран петлевой резонатор, описанный в статье Bridged loop-gap resonator: A resonant structure for pulsed ESR transparent high-frequency radiation. S.Pfenninger, J.Forrer, A.Schweiger, and T.Weiland, Rev. Sci. Instrum. 59, 752-760 (1988).The loop resonator described in the article Bridged loop-gap resonator: A resonant structure for pulsed ESR transparent high-frequency radiation is selected as a prototype. S. Pfenninger, J. Forrer, A. Schweiger, and T. Weiland, Rev. Sci. Instrum. 59, 752-760 (1988).

Резонансная структура образована тонкими металлическими пленочными электродами, нанесенными на внутреннюю и внешнюю поверхности кварцевой трубки, помещенной в проводящий экран. На внутренней поверхности трубки слой металла разделен двумя относительно узкими зазорами, параллельными оси трубки и лежащими напротив друг друга. Получившиеся две полупетли образуют индуктивность этой резонансной структуры. Зазоры между полупетлями перекрываются пленочными металлическими электродами (мостами-перемычками) на внешней поверхности трубки, ширина которых превышает ширину перекрываемого зазора, вследствие чего создаются области перекрытия, в которых металлизация имеется как на внутренней, так и на внешней поверхности трубки, формируя емкость резонансной структуры. Исследуемый образец помещается в центр кварцевой трубки, а резонансная частота определяется индуктивностью двух полуколец, емкостями двух областей зазора и размером экрана. Изменение резонансной частоты производится изменением площади перекрытия электродов на внутренней и внешней поверхности трубки путем подскабливания перемычек.The resonance structure is formed by thin metal film electrodes deposited on the inner and outer surfaces of a quartz tube placed in a conductive screen. On the inner surface of the tube, the metal layer is divided by two relatively narrow gaps parallel to the axis of the tube and lying opposite each other. The resulting two half loops form the inductance of this resonant structure. The gaps between the half-loops are overlapped by film metal electrodes (bridge-bridges) on the outer surface of the tube, the width of which exceeds the width of the overlapped gap, which creates overlapping regions in which metallization is present on both the inner and outer surfaces of the tube, forming the capacitance of the resonant structure. The test sample is placed in the center of the quartz tube, and the resonant frequency is determined by the inductance of two half rings, the capacitances of two regions of the gap, and the size of the screen. The change in the resonant frequency is made by changing the area of overlap of the electrodes on the inner and outer surface of the tube by scraping the jumpers.

К недостаткам прототипа относятся сложность и необратимость процесса подгонки резонансной частоты, а также значительное проникновение СВЧ электрического поля в рабочий объем.The disadvantages of the prototype include the complexity and irreversibility of the process of fitting the resonant frequency, as well as significant penetration of the microwave electric field into the working volume.

Задачей технического решения является создание петлевого резонатора с возможностью многократной перестройки резонансной частоты и малым проникновением СВЧ электрического поля внутрь рабочего объема.The objective of the technical solution is to create a loop resonator with the possibility of multiple tuning of the resonant frequency and low penetration of the microwave electric field into the working volume.

Поставленная задача решается за счет того, что в петлевом резонаторе, содержащем помещенную в проводящий экран резонансную систему, сформированную двумя коаксиально расположенными группами электродов разного диаметра, каждая из которых включает один или несколько пленочных металлических электродов, имеющих форму части цилиндрической поверхности, ограниченной двумя дугами и двумя образующими цилиндра, разделенных зазорами и ориентированных таким образом, что зазоры одной группы полностью перекрыты электродами другой группы, вышеупомянутые группы электродов выполнены с возможностью взаимного вращения друг относительно друга, а угловые размеры электродов обеих групп и угловые размеры электродов и зазоров в каждой группе соизмеримы.The problem is solved due to the fact that in a loop resonator containing a resonant system placed in a conducting screen formed by two coaxially arranged groups of electrodes of different diameters, each of which includes one or more film metal electrodes having the form of a part of a cylindrical surface bounded by two arcs and two generators of the cylinder, separated by gaps and oriented in such a way that the gaps of one group are completely blocked by the electrodes of the other group, above -mentioned group of electrodes are adapted to the mutual rotation with respect to each other, and angular dimensions of the electrodes of both groups and angular dimensions of the electrodes and gaps in each group are comparable.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на котором изображен петлевой резонатор.The proposed technical solution is illustrated by the drawing, which shows a loop resonator.

Петлевой резонатор содержит помещенную в проводящий экран 1 резонансную систему, сформированную двумя коаксиально расположенными и установленными с возможностью взаимного вращения друг относительно друга группами электродов 2 и 3 разного диаметра, разделенных зазорами, каждая из которых включает, например, по 4 пленочных металлических электрода, имеющих форму части цилиндрической поверхности, ограниченной двумя дугами и двумя образующими цилиндра, и такое же количество зазоров, ориентированных таким образом, что зазоры группы 3 полностью перекрываются электродами группы 4, при этом угловые размеры электродов обеих групп и угловые размеры электродов и зазоров в каждой группе соизмеримы.The loop resonator comprises a resonant system placed in a conductive screen 1, formed by two groups of electrodes 2 and 3 of different diameters coaxially arranged and arranged to rotate relative to each other, separated by gaps, each of which includes, for example, 4 film metal electrodes having the form parts of the cylindrical surface bounded by two arcs and two generators of the cylinder, and the same number of gaps oriented in such a way that the gaps of group 3 are completely Strongly overlap electrode group 4, the angular dimensions of the electrodes of both groups and angular dimensions of the electrodes and gaps in each group are comparable.

Резонансная частота системы определяется индуктивностью 2n неперекрывающихся участков электродов и 2n емкостями, образованными перекрывающимися краями электродов, а также внешним экраном, где n - число электродов в одной группе. Максимальная суммарная емкость контура, а следовательно, минимальная частота будет соответствовать симметричной ориентации проводящих участков и зазоров. При повороте одной группы электродов по отношению к другой в любую сторону от симметричной ориентации емкость будет уменьшаться, а частота резонанса увеличиваться. Широкие зазоры между электродами в одной группе, соизмеримые по угловому размеру с электродом, минимизируют вклад краевой емкости между электродами в эффективную емкость резонансного контура, определяемую главным образом областями перекрытия электродов разных групп. Таким образом, СВЧ электрическое поле оказывается локализованным в областях перекрытия электродов, а не в рабочем объеме внутри группы меньшего диаметра.The resonant frequency of the system is determined by the inductance of 2n non-overlapping sections of the electrodes and 2n capacitances formed by the overlapping edges of the electrodes, as well as an external screen, where n is the number of electrodes in one group. The maximum total capacitance of the circuit, and therefore the minimum frequency, will correspond to the symmetrical orientation of the conductive sections and gaps. When you turn one group of electrodes relative to the other in any direction from the symmetric orientation, the capacitance will decrease, and the resonance frequency will increase. Wide gaps between the electrodes in one group, commensurate in angular size with the electrode, minimize the contribution of the edge capacitance between the electrodes to the effective capacitance of the resonant circuit, determined mainly by the areas of overlap of the electrodes of different groups. Thus, the microwave electric field is localized in the areas of overlap of the electrodes, and not in the working volume inside the group of smaller diameter.

Claims

A loop resonator containing a resonant system placed in a conducting screen formed by two coaxially arranged groups of electrodes of different diameters, each of which includes one or more film metal electrodes having the form of a part of a cylindrical surface bounded by two arcs and two cylinder generators, separated by gaps and oriented in such a way the way that the gaps of one group are completely covered by electrodes of another group, characterized in that the groups of electrodes are made with mutual rotation relative to each other, and the angular sizes of the electrodes of both groups and the angular sizes of the electrodes and gaps in each group are comparable.