WO2015014586A1

WO2015014586A1 - Mikrowellenresonator mit distributed bragg reflector (=dbr)

Info

Publication number: WO2015014586A1
Application number: PCT/EP2014/064747
Authority: WO
Inventors: Alexander Krahn; Frank Engelke
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2016-01-30
Also published as: US20160161576A1; DE102013214930A1; US10036787B2; DE102013214930B4

Abstract

Ein NMR(-Kernspinresonanz)-Probenkopf mit einem Mikrowellenresonator mit mindestens zwei im Mikro Wellenbereich reflektierenden Elementen, von denen mindestens eines fokussierend ist, wobei die reflektierenden Elemente ein Resonanzvolumen des Mikrowellenresonators zumindest teilweise begrenzen, ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der reflektierenden Elemente als DBR („Distributed Bragg Reflector" = „verteilter Bragg Reflektor") ausgebildet ist, und dass der NMR-Probenkopf mindestens eine NMR-Spule umfasst, die in den DBR integriert ist. Damit kann eine NMR-Detektionsspule besonders nahe an der Probe platziert werden und die Verzerrungen des statischen Feldes durch Resonatorkomponenten werden verringert, so dass die Detektionsempfindlichkeit und die spektrale Auflösung des Experimentes deutlich verbessert werden.

Description

Mikrowellenresonator mit Distributed Bragg Reflector (=DBR)

Die Erfindung betrifft einen NMR(= ernspinresonanz)-Probenkopf mit einem Mikrowellenresonator mit mindestens zwei im Mikrowellenbereich reflektierenden Elementen, von denen mindestens eines fokussierend ist, wobei die reflektierenden Elemente ein Resonanzvolumen des

Mikrowellenresonators zumindest teilweise begrenzen.

Eine solche Anordnung ist etwa bekannt aus US 201 1/0050225 A1 (= Referenz [2]), wo die Verwendung eines Fabry-Perot Resonators (FP) im Feld der DNP- NMR/EPR beschrieben ist.

Hintergrund der Erfindung

Fabry-Perot Resonator

Ein Fabry-Perot Resonator besteht typischerweise aus zwei parallelen metallischen Spiegeln die sich mit dem Abstand L gegenüber stehen. In quasioptischen Systemen können einer oder beide Spiegel sphärisch (mit dem Krümmungsradius R,) ausgeprägt sein. Die elektromagnetische Feldverteilung innerhalb eines solchen Resonators kann durch die paraxiale Lösung der Helmholtz Gleichung, die der Gauß'schen Optik zugrunde liegt, beschrieben werden. Die Resonanzfrequenz des FP Resonators hängt von den

Krümmungsradien R-,,₂, dem Spiegelabstand L und den gewünschten

Resonanz-Moden ab. Im Sonderfall der transversal elektro-magnetischen Moden TEM_mnq, wird ein spezieller Mode durch die Indizes m, n, und q eindeutig bestimmt.

Eine mögliche Implementierung eines FP Resonators besteht aus einem sphärischen und einem ebenen Spiegel gemäß vorliegender Figur 3, bei dem die Resonanzfrequenz gemäß Referenz [1] gegeben ist durch

Verteilter Bragg Reflektor (engl. Distributed Bragg Reflector -„DBR")

In der Optik ist als Alternative zu einem metallischen Spiegel auch ein als Stapel von dielektrischen Schichten mit unterschiedlicher Permittivität ausgebildetes Spiegelelement bekannt, wie es in der linken Hälfte von Fig.2 gezeigt ist. Eine solcher Aufbau wird in optischen Anordnungen als verteilter Bragg Reflektor (engl. Distributed Bragg Reflector =„DBR") bezeichnet. Für einen DBR ist die Reflektivität bestimmt durch die Anzahl und Permittivität der dielektrischen Lagen als frCwj}²*— 775( _l)^2ÄF

Dabei entsprechen n₀, n-i, n₂, und n_s den Brechungsindizes des Hintergrund- Materials, der alternierenden Lagen und des Substratmaterials (siehe etwa Referenz [4]).

Dynamische Kernpolarisation (=DNP)

Im Feld der Kernmagnetischen Resonanzspektroskopie gibt es experimentelle Methoden, die es erlauben, die Kern-Polarisation und damit die

Detektionsempfindlichkeit des Experimentes signifikant zu erhöhen. Eine dieser Methoden ist die dynamische Kernpolarisation (=DNP). Diese Technik basiert auf der Anregung von Elektronenspins in stabilen Radikalen und erfordert aufgrund des gyromagnetischen Verhältnisses des Elektronenspins die gleichzeitige Einstrahlung eines magnetischen Mikrowellenfeldes auf einer Frequenz, die um den Faktor 660 höher als die Nukleare Larmor Frequenz der 1 H Kerne ist. Eine typische DNP-Anordnung besteht aus einer NMR Spuie, die auf

Kern-Larmor Frequenz abgestimmt wird (z.B. H - 400 MHz) und der gleichzeitigen Einstrahlung eines Mikrowellenfeldes auf 263 GHz.

DNP-Anordnungen sind beschrieben beispielsweise in Referenz [3].

Nachteile des Standes der Technik

Das größte Problem beim gegenwärtigen Stand der Technik besteht darin, dass sich die Probe möglichst nahe an der NMR Detektions-Spule befinden sollte, während sie mit Hilfe eines Mikrowellenfeldes möglichst homogen angeregt werden soll. Während bei einem FP-Resonator eine homogene Mikrowellen-Anregung leicht realisierbar ist, verursacht das Vorhandensein eines leitfähigen Spiegels in unmittelbarer Nähe zur Probe jedoch zwei Probleme:

1. ) Durch in den Spiegel induzierte Ströme wird das Feld der

Detektionsspule verzerrt und die Detektionsempfindlichkeit reduziert.

2. ) Der Übergang zwischen dem metallischen Spiegel und der Probe stört das äußere (statische) Magnetfeld, so dass dadurch die spektrale Auflösung des Experimentes reduziert wird.

Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellenresonator der eingangs definierten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem eine NMR-Detektionsspule möglichst nahe an der Probe platziert werden kann, und bei der die Verzerrungen des statischen Feldes durch Resonator- komponenten verringert werden, so dass die Detektionsempfindlichkeit und die spektrale Auflösung des Experimentes deutlich verbessert werden.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache Art und Weise sowie mit ohne Weiteres zur Verfügung stehenden technischen Mitteln gelöst durch einen NMR-Probenkopf der eingangs genannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eines der reflektierenden Elemente als DBR („Distributed Bragg Reflector" =„verteilter Bragg Reflektor") ausgebildet ist, und dass der NMR-Probenkopf mindestens eine NMR-Spule umfasst, die in den DBR integriert ist.

Damit ist es möglich, einen erheblich effizienteren Mikrowellenresonator bereitzustellen, da durch die Verwendung von dielektrischen Schichten in einem reflektierenden Element die Verluste gegenüber konventionell verwendeten metallischen Schichten auf einem reflektierenden Element deutlich geringer sind.

Weitere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

Im Gegensatz zum Standard FP-Resonator kann durch die erfindungsgemäße Verwendung eines DBR ein metallischer Spiegel durch eine dielektrische Komponente ersetzt werden. Ein solches Design ist insbesondere nützlich um - durch das Vorhandensein metallischer Komponenten hervorgerufene - Feld Verzerrungen zu minimieren:

• Verzerrung eines externen statischen Magnetfeldes verursacht durch die Suszeptibilität des verwendeten Materials. Der Vorteil besteht darin, dass der Resonator so entworfen werden kann, dass DNP-Experimente mit einer höheren spektralen Auflösung möglich werden (siehe beispielsweise Referenz [5]). Dazu müssen die Grenzflächen zwischen Materialien mit verschiedener Suszeptibilität parallel zum statischen Magnetfeld positioniert werden. In diesem Fall gibt es keine Verzerrung des B0-Feldes im umgebenden Volumen.

• Verzerrung und Reduktion eines HF-Feldes hervorgerufen durch einen leitfähigen (metallischen) Spiegel und die damit einhergehende

Reduktion der HF-Effizienz (= NMR Detektions-Empfindlichkeit). Im Ergebnis wird eine Resonator Geometrie möglich, die eine erhöhte HF Feld-Homogenität und eine erhöhte HF-Effizienz bietet.

Erst mit einem nichtleitenden Spiegel ergibt sich die Möglichkeit, die HF-Spule im oder am Spiegel zu integrieren, da die HF-Spule dann natürlich nicht kurzgeschlossen wird. Der sich ergebende Vorteil ist die Nähe zwischen HF- Spule und Probe.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen M i krowel I e n reso n ato rs lassen sich außerdem Kanäle in die dielektrischen Schichten einbringen, die eine exakte

Probenpositionierung im Maximum des magnetischen Mikrowellenfeldes erlauben.

Durch die Integration der NMR-Spule in den DBR ergibt sich eine minimale Verzerrung/Streuung/Beugung/Modenkonversion des Mikrowellen-Feldes sowie eine maximale magnetische HF-Feldamplitude in der Probe. Neben planaren Geometrien sind auch Stripline-Resonatoren für HF in den DBR integrierbar.

Bevorzugte Ausführunqsformen der Erfindung

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Mikrowellenresonators sind mindestens zwei, insbesondere sämtliche reflektierenden Elemente fokussierend. Durch die Fokussierung wird eine erhöhte Feldamplitude bzw. Energiedichte in einem Raumpunkt erreicht.

Bevorzugt sind auch alternative Ausführungsformen der Erfindung, bei denen eines der reflektierenden Elemente fokussierend und eines planar ist. Die Kombination eines fokussierenden und eines planaren Elementes vereinfacht die Geometrie, wobei die Vorteile der Fokussierung weitestgehend erhalten bleiben. Darüber hinaus sind planare Strukturen einfacher herzustellen.

Bei einer dritten alternativen Variante ist eines der reflektierenden Elemente fokussierend und eines defokussierend. Mit einer solchen Anordnung kann das Mikrowellenfeld in beliebigen Raumbereichen (teil-) fokussiert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Ausführungsformen zeichnen sich dadurch aus, dass die Oberfläche mindestens eines der fokussierenden und/oder defokussierenden Elemente sphärisch ausgeformt ist. Eine sphärische

Ausformung ist mit konventionellen Herstellungsmethoden besonders einfach herzustellen.

Bei einer alternativen Weiterbildung ist die Oberfläche mindestens eines der fokussierenden und/oder defokussierenden Elemente elliptisch ausgeformt. Eine elliptische Ausformung kann einen länglichen Raumbereich besser „ausleuchten". Eine spezielle Form des fokussierenden oder defokussierenden Elementes kann durch eine spezielle Anwendung gefordert sein.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform, sieht vor, dass mindestens eines der reflektierenden Elemente eine metallische Oberfläche, vorzugsweise eine metallische Beschichtung aufweist. Metallische Beschichtungen sind

herstellungstechnisch einfach auszuführen, insbesondere bei fokussierenden oder defokussierenden Elementen. Eine Schichtung von verschiedenen Materialien senkrecht zur BO-Feldrichtung kann von Vorteil sein wenn der Resonator in einem möglichst homogenen statischen Magnetfeld betrieben werden soll.

Bevorzugt ist weiterhin eine Ausführungsform, bei der der DBR für einen Wellenlängenbereich von 10cm bis 100pm, vorzugsweise von 30mm bis 0,3mm ausgelegt ist. Damit kann die Selektion eines gewünschten Modes erreicht, bzw. der für eine Anwendung relevante Wellenlängenbereich definiert werden. Zusätzlich lassen sich auf diese Art unerwünschte Moden

unterdrücken.

Besonders bevorzugt sind auch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mikrowellenresonators, bei denen der DBR mindestens fünf dielektrische Schichten umfasst. Bei Verwendung von genau 5 dielektrischen Schichten (Quarz, Luft) ist nämlich ein Reflexionsfaktor erreicht, der in der

Größenordnung der Reflexivität von Metallschichten liegt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrowellenresonators ist an der dem Resonanzvolumen des

Mikrowellenresonators abgewandten Seite des mindestens einen DBR ein Koppelelement für Mikrowellenstrahlung vorgesehen. Eine Einkopplung von Mikrowellenstrahlung in das Resonatorvolumen ist notwendig, um den

Resonator anzuregen. Die Geometrie der Einkopplungsstruktur bestimmt die sogenannte Resonatorgüte, mit der sich die Energiedichte im Resonator skaliert. Eine seitliche Einkopplung, etwa durch den teildurchlässigen DBR, hat den Vorteil einer effizienteren Kopplung gegenüber der klassischen Iris- Kopplung.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Kernspinresonanz (=NMR)-Probenkopf mit einem Mikrowellenresonator der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Art, welcher sich dadurch auszeichnet, dass die

Probenposition des Probenkopfs im Messbetrieb im Resonanzvolumen des Mikrowellenresonators angeordnet ist. Gegenüber CW-Anregung bieten Resonatoren den Vorteil der räumlichen Trennung der Maxima von

elektrischem und magnetischem Feld. Darüber hinaus wird die Feldamplitude durch die Resonatorgüte (Q-Faktor) skaliert.

Ganz besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen NMR-Probenkopfs, bei welchen die Probenposition im Minimum des

elektrischen Feldes des Mikrowellenresonators angeordnet ist. Unter diesen Umständen tritt eine minimale Dissipation elektrischer Feldenergie in der Probe auf.

Diese Ausführungsformen lassen sich durch Weiterbildungen verbessern, bei denen der NMR-Probenkopf mindestens eine NMR-Spule umfasst, die an der Probenposition ein magnetisches HF(=Hochfrequenz)-Feld induziert. Dadurch kann im gleichen Probenvolumen gleichzeitig ein HF- und Mikrowellen-Feld erzeugt werden um eine MR Probe auf der jeweiligen Larmor Frequenz der entsprechenden Kerne bzw. Elektronen anzuregen.

Bei einer Variante umfasst der NMR-Probenkopf Mittel zur Zuführung der Probe zur Probenposition. Eine räumlich bestimmte Lage der Probenzuführung ist Voraussetzung für eine minimale Störung der Mikrowellen Feldverteilung.

Besonders bevorzugt ist eine Klasse von Ausführungsformen des

erfindungsgemäßen NMR-Probenkopfes, welche sich dadurch auszeichnen, dass die mindestens eine in den DBR integrierte NMR-Spule auf der

Oberfläche des DBR aufgebracht ist. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht in der Nähe der NMR-Spule zum Probenvolumen. Für das von der Spule erzeugte Feld sind Sensitivitat sowie Feldhomogenität relevant, wobei die Optimierung eines Parameters in der Regel zu Lasten des anderen geht.

Durch die Freiheitsgrade in zwei Raumrichtungen besteht bei planaren NMR- Spulen die Freiheit, nahezu beliebige Geometrien innerhalb der Ebene zu realisieren, wie beispielsweise Kreise, Spiralen oder Rechtecke, womit sich die Balance zwischen Sensitivität und Homogenität gut an das Probenvolumen anpassen lässt.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen dieser Ausführungsformen ist die NMR-Spule als HF-Spule ausgebildet, auf der ersten Schicht des mehrere Schichten aufweisenden DBR aufgebracht und so geformt, dass sie für

Mikrowellenstrahlung transparent ist. Dabei kann die HF-Spule entweder so geformt sein, dass ihre Leiterbahnen gar nicht in den Mikrowellenstrahlpfad hineinragen, beispielsweise in einer kreisförmigen oder rechteckigen

Ausführungsform. Des Weiteren können die Leiterbahnen so dimensioniert sein, dass ihre Breite und ihr Abstand den Mikrowellenstrahl nur unwesentlich beeinträchtigen, so dass weiterhin ein Großteil durch die HF-Spule transmittiert wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Leiterbreite deutlich kleiner ist als die Wellenlänge und der Abstand zwischen benachbarten Leiterbahnen deutlich größer.

Bevorzugt sind Varianten dieser Weiterbildungen, bei welchen die NMR-Spule als Gitter aufgebaut ist. Durch eine periodische Gitterstruktur lässt sich einerseits die HF-Spule mit vielen Leiterbahnen aufbauen, was ihre Induktivität vergrößert und letztendlich für eine hohe Sensitivität sorgt. Obwohl solch ein Gitter nachteilig für die Ausbreitung des Mikrowellenstrahls sein kann, gibt es, wie oben bereits angedeutet, bestimmte Werte für Gitterparameter wie

Leiterbreite und -abstand, für die die Transmission abhängig von der

Polarisation des einfallenden Mikrowellenstrahls sich so einstellen lässt, dass ein Großteil des Strahls transmittiert wird. Hierzu gibt es verschiedene wissenschaftliche Schriften, in denen der Einfluss der Gitterparameter genau untersucht worden ist. Möglich ist auch eine gezielte Variation des Strahl profils, beispielsweise zur Fokussierung des Strahls, indem die Gitterparameter ortsabhängig innerhalb der Ebene variiert werden. Eine solche Optimierung kann über wellenoptische Berechnung erfolgen. in einer dazu alternativen Klasse von Ausführungsformen zeichnet sich der erfindungsgemäße NMR-Probenkopf dadurch aus, dass die mindestens eine in den DBR integrierte NMR-Spule als HF-Spule ausgebildet ist, dass der DBR mehrere Schichten aufweist, und dass die NMR-Spule auf der dem anderen reflektierenden Element abgewandten Rückseite der ersten Schicht des DBR aufgebracht ist. Vorteilhaft ist hier, dass die HF-Spule sich nicht mehr im Bereich des Mikrowellenstrahls befindet, da dieser zum größten Teil vom DBR zurückreflektiert wurde. Somit kann die HF-Spule unabhängig von dem

Mikrowellenstrahl optimiert werden, gleichzeitig ist der DBR für die HF-Spule transparent. Der Abstand der HF-Spule zum Probenvolumen wirkt sich zwar nachteilig auf die Sensitivität aus. jedoch zugunsten der Feldhomogenitäten, sowohl des von der Spule erzeugten Wechselfeldes als auch der Homogenität des statischen Feldes. Letzteres liefert besser aufgelöste Spektrallinien und kann daher im Vergleich zu einer näher positionierten Spule dennoch die bevorzugte Lösung darstellen.

Bei weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsformen des

erfindungsgemäßen NMR-Probenkopfes weist der DBR mehrere dielektrische Schichten auf und es sind in der dem anderen reflektierenden Element zugewandten Vorderseite mindestens der ersten Schicht des DBR Kanäle vorgesehen, welche eine NMR-Probe exakt räumlich positionieren können. Mit einer definierten Kanalgröße kann außerdem das Probenvolumen eingestellt werden. Solch eine definierte Probenposition und -große ist unabdingbar für reproduzierbare Ergebnisse. Außerdem kann ein dicht abgeschlossener Raum für flüssige oder gasförmige Proben erzeugt werden. Durch die Möglichkeit, einen oder mehrere Kanäle parallel zur Feldrichtung des statischen

Magnetfeldes zu legen, ergibt sich außerdem ein Minimum in der Störung des statischen Feldes, wodurch die spektrale Auflösung maximiert wird.

Diese Ausführungsformen können dadurch weitergebildet werden, dass in mehreren Schichten des DBR Kanäle zur räumlichen Positionierung einer NMR-Probe angebracht sind. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Probensubstanzmenge zu erhöhen, die sich im aktiven Bereich des

Probenvolumens befindet, was zu einem höheren Füllfaktor und damit zu einer höheren Signalamplitude führt. Auch in diesem Fall lässt sich, wie oben beschrieben, die HF-Spulengeometrie zur Sensitivitäts- oder

Homogenitätsoptimierung an die Probengeometrie anpassen.

Eine weitere Klasse von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen NMR- Probenkopfs zeichnet sich dadurch aus, dass der NMR-Probenkopf Teil eines MR-Spektrometers zur Durchführung eines EPR-, ENDOR- oder NMR-DNP- Experimentes ist. Bei diesen Experimenten wird eine Probe gleichzeitig einem möglichst hohen und homogenen HF- bzw. Mikrowellen Feld ausgesetzt. Die Erfindung kombiniert die Vorteile von kompakten NMR-Spulen und einem effizienten FP-Resonator.

In einer dazu alternativen Klasse von besonders kompakten Ausführungsformen schließlich ist der NMR-Probenkopf Teil einer Apparatur zur DNP- Polarisation. DNP führt zu einem signalverstärkten NMR-Spektrum. Die

Erfindung besteht (i) aus einer Geometrie, die eine minimale Verzerrung des externen Magnetfeldes verursacht, (ii) aus einer effizienten NMR-Spulen- geometrie mit hohem Füllfaktor, und (iii) einem effizienten Mikrowellenresonator um mit minimaler Mikrowellenleistung den Elektronenspin-Übergang

anzuregen. Das Resonanzvolumen erstreckt sich aufgrund der verteilten Reflexion in den DBR hinein.

Eine solche DNP-Anordnung kann mit einem FP gemäß Figur 3 hergestellt werden. Um eine flüssige Probe korrekt im HF- und Mikrowellen-Feld zu positionieren, kann ein Kanal in eine der oberen Lagen des DBR Spiegels eingebracht werden. Die NMR-Spule kann wegen des rein dielektrischen Spiegels als Spirale konzentrisch zur Probe ausgeführt werden. Der erfindungsgemäß vorgesehene DBR sollte, wenn möglich, aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit und mit einem großen Permittivitäts- unterschied benachbarter Lagen ausgeführt werden. Auf diese Art kann die dissipierte Wärme schnell abgeführt werden. Durch den hohen

Permittitvitätsunterschied steigt die Reflektivität der einzelnen Lagen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die

Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von

Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines als Fabry-Perot Resonator ausgestalteten erfindungsgemäßen Mikrowellenresonators, bei welchem ein planarer metallischer Spiegel durch einen DBR ersetzt ist;

Fig. 2 Simulation eines idealen FP-Resonators mit einem metallischen

Spiegel im Vergleich zu einer simulierten Reflektionskurve eines Modells mit DBR anstelle des metallischen Spiegels; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Fabry-Perot Resonators nach dem Stand der Technik bestehend aus einem sphärischen und einem ebenen Spiegel;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Fabry-Perot Resonators bestehend aus einem sphärischen Spiegel und einem DBR, in den Probenkanäle und eine HF-Spule integriert sind;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines DBR, in den ein

Probenkanal und eine HF-Spule auf der dem reflektiven Element zugewandten Seite integriert sind; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines DBR, in den ein

Probenkanal und eine HF-Spule zwischen den Schichten des DBR integriert sind.

Die Hauptanwendung der Erfindung liegt auf dem Feld der Elektronen- Resonanz-Spektroskopie (ESR), der Kern-Resonanz-Spektroskopie (NMR) sowie auf dem Feld der dynamischen Kempolarisation. Die Erfindung umfasst einen sub-THz Resonator mit einem sogenannten„verteilten Bragg Reflektor" (englisch:„distributed Bragg reflector" - DBR).

Die Erfindung betrifft eine neue Systematik zur Aufnahme von Mikrowellen- Reflektions-Spektren.

Die Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Mikrowellenresonator, bei welchem in einem FP-Resonator der planare metallische Spiegel durch einen DBR ersetzt wurde: a - sphärischer Spiegelkörper,

b - sphärischer Spiegel mit Krümmungsradius R-i , c - Mikrowellen-Zuführung,

d - Iris-Kopplung,

e - Resonantes Volumen und Probenort,

f - verteilter Bragg Reflector.

Um das erfindungsgemäße Prinzip zu verdeutlichen, wurde eine vergleichende Studie mit zwei Geometrien durchgeführt:

Ein erstes Modell bestand aus einem idealen FP Resonator mit einem

metallischen Spiegel, ein zweites Modell aus einem DBR.

Die simulierte Reflektionskurve (S-H Parameter) ist in Figur 2 dargestellt. In beiden Fällen wurde der gleiche sphärische Spiegel verwendet.

Im Einzelnen zeigt Fig.2:

(Durchgezogene Linie) einen simulierten s1 1 Parameter für einen FP

Resonator mit Ri = 10 mm, Δ = 2.95 mm und einer TEMoos Resonanz bei 263 GHz;

(Gestrichelte Linie) die gleiche Simulation mit einem 5-lagigen DBR (ε_Γι = 3.75, ε_Γ2 = 1 ,).

In beiden Fällen tritt die TEMoos Resonanz bei der gleichen Frequenz auf. In der Simulation wurde die Kopplungs-Iris nicht verändert, was auf eine ähnliche Resonanzgüte hinweist. Die Erfindung ist also als Resonator für DNP- Experimente besonders geeignet.

Die vorliegende Erfindung umfasst unter anderem folgende Aspekte: 1 . Einen Fabry-Perot-Resonator mit einem metallischen und einem verteilten Bragg Reflektor für Magnetische Resonanz Experimente.

2. Einen DBR bestehend aus einem Stapel von planaren, gekrümmten

nicht-metallischen Platten mit Brechungsindex 1 .

3. Einen optimierten DBR mit internen Kanälen, um eine NMR/EPR oder NMR/DNP Probe zu positionieren.

4. Einen DBR mit interner oder externer Spule, die für optimale Detektion des NMR Signals bzw. zur Erzeugung von definierten Feld Gradienten optimiert wurden.

5. Einen DBR, der so ausgeführt ist, dass Verzerrungen des statischen Feldes im Probenvolumen minimiert werden. Entweder durch Auswahl geeigneter Materialien, durch eine spezielle Geometrie, oder durch die Kombination von beidem.

6. Einen DBR, der als einstellbarer Koppler verwendet werden kann, um einen Mikrowellen/ THz Strahl in den FP-Resonator einzukoppeln.

Die Figur 3 schließlich zeigt einen Fabry-Perot Resonator nach dem Stand der Technik bestehend aus einer Kombination eines sphärischen und eines ebenen Spiegels mit einer hohen Reflektivität. Eine flache, flüssige EPR/DNP Probe kann direkt an der Oberfläche des ebenen Spiegels platziert werden, wo das elektrische Mikrowellen-Feld niedrig ist.

Die Figur 4 zeigt beispielhaft einen erfindungsgemäßen Fabry-Perot-Resonator bestehend aus einem sphärischen Spiegel (dicke gekrümmte Linie) und einem DBR, bestehend aus Schichten mit abwechselnden Brechungsindizes ni und n₂ (schraffierte und weiße Rechtecke). Der Mikrowellenstrahl wird durch einhüllende Linien bei gleicher Feldamplitude dargestellt (dünne gekrümmte Linien). In den DBR sind die Probenkanäle (A) und (B) eingebracht. Die Leiterbahnen der HF-Spule (C) befinden sich auf der dem Spiegel

zugewandten Seite.

In Figur 5 ist abweichend zur Darstellung von Figur 4 ein DBR mit einem Probenkanal (A) und mit einer HF-Spule (C) gezeigt, deren Leiterbahnen sich innerhalb des Mikrowellenstrahls befinden (nicht eingezeichnet). Durch geeignete Wahl von Leiterbreite und -abstand kann auch in solch einem Fall ein Großteil der Mikrowellenleistung durch die HF-Spule transmittiert werden.

In Figur 6 ist abweichend zur Darstellung von Figur 5 ein DBR gezeigt, in den unmittelbar an der dem sphärischen Spiegel zugewandten Seite ein

Probenkanal (A) eingebracht wurde. Die HF-Spule (C) ist zwischen den Schichten des DBR eingebracht.

Abkürzungen

ESR electron spin resonance

(N)MR (nuclear) magnetic resonance

DNP dynamic nuclear polarization

MAS magic angle spinning

DBR distributed Bragg reflector

FP Fabry-Perot resonator

PBS photonic band-gap structure

hrNMR Hochauflösungs NMR

HF in der NMR Spektroskopie elektromagnetischer

Frequenzbereich von 1 MHz bis 1000 MHz

Mikrowelle electromagnetic frequency ränge between 1 -300 GHz

THz Tera-Hertz, elektromagnetischer Frequenzbereich

von 0.3 - 3 THz.

Begriffsklärungen

Füllfaktor Das Verhältnis von felderfülltem Raum zum

Probenvolumen; gewichtet mit der Feidamplitude.

Güte (Q) Faktor Verhältnis der im Resonator gespeicherten EM Energie zur

Energie die während einer Frequenzperioden durch (Material-)Verluste oder Abstrahlung umgesetzt werden. Referenzliste

[1] H.Kondo et al.:

"Millimeter and Submillimeter Wave Quasi-Optical Oscillator mit Multi Elements", IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 40 (5) (1992) 857-863

[2] V.Denysenkov, Th. Prisner:

EP 2 269 045 B1 ; US 201 1/0050225 A1

[3] V.Denysenkov, Th. Prisner:

"Liquid State Dynamic Nuclear Polarization probe with Fabry Perot resonator at 9.2 T", J. Magn. Reson. 217 (2012), 1-5

[4] C. J. R. Sheppard:

"Approximate calculation of the reflection coefficient from a stratified medium", Pure and Applied Optics: Journal of the European Optical Society Part A. 4, Nr. 5, 1995

[5] J. Bart, J.W.G. Janssen, P.J.M. van Bentum, A.P.M. Kentgens, J.G.E.

Gardeniers:

„Optimization of stripline-based microfluidic chips for high-resolution NMR", J. Magn. Reson. 201 (2009) 75-185

Claims

Patentansprüche

1. NMR(=Kernspinresonanz)-Probenkopf mit einem Mikrowellenresonator mit mindestens zwei im Mikrowellenbereich reflektierenden Elementen, von denen mindestens eines fokussierend ist, wobei die reflektierenden Elemente ein Resonanzvolumen des Mikrowellenresonators zumindest teilweise begrenzen,

dadurch gekennzeichnet,

dass mindestens eines der reflektierenden Elemente als DBR

(„Distributed Bragg Reflector") ausgebildet ist;

und dass der NMR-Probenkopf mindestens eine NMR-Spule umfasst, die in den DBR integriert ist.

2. NMR-Probenkopf nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

mindestens zwei, insbesondere sämtliche reflektierenden Elemente fokussierend sind.

3. NMR-Probenkopf nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eines der reflektierenden Elemente fokussierend und eines planar ist.

4. NMR-Probenkopf nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eines der reflektierenden Elemente fokussierend und eines defokussierend ist.

5. NMR-Probenkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch

gekennzeichnet, dass die Oberfläche mindestens eines der

fokussierenden und/oder defokussierenden Elemente sphärisch oder elliptisch ausgeformt ist.

6. NMR-Probenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Resonanzvolumen des

Mikrowellenresonators abgewandten Seite des mindestens einen DBR ein Koppelelement für Mikrowellenstrahlung vorgesehen ist.

7. NMR-Probenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenposition des Probenkopfs im

Messbetrieb im Resonanzvolumen, insbesondere im Minimum des elektrischen Feldes des Mikrowellenresonators angeordnet ist.

8. NMR-Probenkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der NMR-Probenkopf mindestens eine NMR-Spule umfasst, die an der Probenposition ein magnetisches HF(=Hochfrequenz)-Feld induziert.

9. NMR-Probenkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der NMR-Probenkopf Mittel zur Zuführung der Probe zur Probenposition umfasst.

10. NMR-Probenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch

gekennzeichnet, dass die mindestens eine in den DBR integrierte NMR- Spule auf der Oberfläche des DBR aufgebracht ist.

1 1 . NMR-Probenkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die NMR-Spule als HF-Spule ausgebildet ist, auf der ersten Schicht des mehrere Schichten aufweisenden DBR aufgebracht und so geformt ist, dass sie für Mikrowellenstrahlung transparent ist.

12. NMR-Probenkopf nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die NMR-Spule als Gitter aufgebaut ist.

13. NMR-Probenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch

gekennzeichnet, dass die mindestens eine in den DBR integrierte NMR- Spule als HF-Spule ausgebildet ist, dass der DBR mehrere Schichten aufweist, und dass die NMR-Spule auf der dem anderen reflektierenden Element abgewandten Rückseite der ersten Schicht des DBR aufgebracht ist.

14. NMR-Probenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DBR mehrere dielektrische Schichten aufweist, und dass in der dem anderen reflektierenden Element zugewandten Vorderseite mindestens der ersten Schicht des DBR Kanäle vorgesehen sind, welche eine NMR-Probe exakt räumlich positionieren können.

15. NMR-Probenkopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren Schichten des DBR Kanäle zur räumlichen Positionierung einer NMR-Probe angebracht sind.