DE2126021A1 - Einrichtung zur Messung von Elektronen-Spin-Resonanzen freier Radikale - Google Patents

Einrichtung zur Messung von Elektronen-Spin-Resonanzen freier Radikale

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DE2126021A1
DE2126021A1 DE19712126021 DE2126021A DE2126021A1 DE 2126021 A1 DE2126021 A1 DE 2126021A1 DE 19712126021 DE19712126021 DE 19712126021 DE 2126021 A DE2126021 A DE 2126021A DE 2126021 A1 DE2126021 A1 DE 2126021A1
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modulation
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DE19712126021
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Oswald 7500 Karlsruhe; Eiben Klaus Dr.rer.nat 6233 Kelkheim Müller
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Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
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Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/34Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
    • G01R33/345Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR of waveguide type

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Description

  • Einrichtung zur Messung von Elektronen-Spin-Resonanzen freier Radikale Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von Elektronen-Spin-Resonanzen kurzlebiger freier Radikale bei gleichzeitiger Elektronenbestrahlung der Proben in einem Resonator, wobei der Elektronenstrahl parallel zu der Feldrichtung eines von Spulen erzeugten Modulationsfeldes durch mindestens eine Seitenwandung des Resonators hindurchgeführt ist.
  • Mit kommerziell hergestellten Mikrowellen-Resonatoren können ESR-Untersuchungen an Bestrahlungsprozessen mit geladenen Teilchen, wie lektronen, nur bei abgeschaltetem statischen Magnetfeld erfolgen. Der Nachweis z.B. von kurzlebigen freien Radikalen mit einer Lebensdauer in der Größenordnung von Millisekunden ist aber nur dann möglich, wenn während der Bestrahlung auch ESR-Signale gernessen werden können, Dazu ist es erforderlich, daß der E1eJ-tronenstrahl parallel zu den Feldlinien des statischen Magnetfeldes läuft, d.h. der verwendete Magnet muß eine axiale Bohrung durch das Magnetjoch aufweisen. Die Meßzelle muß in der Bestrahlungsachse mit elektrisch leitenden, fur die Elektronen jedoch durchlässigen Fenstern versehen sein, damit der Elektronenstrahl die Probe erreichen und den Resonator zum Teil wieder verlassen kann.
  • Es sind Einrichtungen bekannt, bei denen sowohl die Feldrichtung der Modulation als auch die Elektronenschußrichtung zueinander parallel stehen. Die Eintrittsöffnung für ein Nodulationsfeld und für die Elektronen sind kombiniert. Zu diesem Zweck sind die Resonatorseitenwände durch kreisrunde Öffnungen durchbrochen.
  • Die kreisförmige Resonatoröffnung ist jedoch durch Einfügen einer Keramikplatte aus A1203 wiederum geschlossen, so daß diese Einrichtungen zur Erzeugung und Messung kurzlebiger Radikale nicht verwendet werden können.Eine Halterung aus Aluminium dient zur Aufnahme der Modulationsspulen, die sich auf jeder Breitseite des Resonators befinden und ein Modulationsfeld durch die versilberten Keramikplatten hindurch erzeugen.
  • Diese Einrichtungen haben den Nachteil, daß die Sinterkeramik-Plättchen aus A1203 durch intensive Elektronenbestrahlung selbst ESR-Signale als Untergrund liefern. -Normalerweise tragen Verunreinigungen im Resonator selbst und in den Metallwänden zu Untergrundsignalen bei. Bei Übergang von dienenMetallwanden aufkeramische oder ähnliche Trägermaterialien ist jedoch noch eine Wechselwirkung der paramagnetischen Verunreinigungen mit den Hf-Strömen gegeben, obwohl die Störzonen außerhalb des eigentlichen Resonators liegen.
  • Die Erfindung hat jedoch zur Aufgabe, eine Einrichtung zu schaffen, mit der ein möglichst reines ESR-Spektrum freier Radikale in wässrigen Lösungen zu erhalten ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Teil mindestens einer Seitenwandung von einer vorzugsweise kreisförmigen, magnetfelddurchlässigen Scheibe ersetzt ist, die in ihrem Zentrum eine Durchtrittsöffnung für den Elektronenstrahl aufweist, und daß auf der Scheibe um die Durchtrittsöffnung herum ein vom Resonatorinnenraum abgewandter Kamin befestigt ist, der ein Energieabstrahlschutz und eine Halterung für die Modulationsspule ist.
  • Die Erfindung szird anhand eines Ausführungsbeispieles mittels der Figur im folgenden näher erläutert.
  • Für die anwässrigen Lösungen zu untersuchenden Bestrahlungsprozesse sind drei Nleßzellenanordnungen-Recllteckresonator, Zirkularresonator und \Zendelleitung (Helix) - möglich. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Rechteckresonator verwendet, der als Schwingmodus die Form Klo2 hat. In dieser Anordnung ist das als Empfindlichkeitsmaß zu betrachtende Produkt aus Resonatorgüte Q und maxitnaleinprobenvolumen Vp am größten, insbesondere,- wenn es sich um Probenmedien mit hohen dielektrischen Verlusten handelt.
  • Der Schwingungsmodus H102 gestattet außerdem eine solche Lage der Probenachse, die genau der Mitte der Resonatorlängenabmessungen entspricht. Die Bestrahlungsachse steht senkrecht zur Probenachse und der Elektronenstrahl erreicht die Probe durch eine der beiden Längsseiten des Resonators. Zur Verringerung einer Frequenzdrift durch Aufheizung bei der Bestrahlung (typische Strahlleistung z.B. 2,8 MeV und 8 bis lo r =ru25 Watt) durchzieht ein Kuhlkanal den gesamten Resonatorkörper.
  • Dieser Resonatorkörper 1 ist in der Figur als Explosionszeichnung dargestellt. Der Resonatorkörper 1 hat die Außenabmessungen 50 x 50 x 45 mm und ist mit verschiedenen Öffnungen versehen. Der eigentliche Resonatorraum mißt 22,5 x 11 x 45 mm. Die Probenöffnung 11 hat einen Durchmesser von lo,5 mm und kreuzt sich senkrecht mit dem Resonatorraum. Der Resonatorkörper, die Lochblende 2 mit einer Durchtrittsöffnung 12 für die Mikrowellenenergie sowie die Endplatte 3, welche der Lochblende 2 gegenüber steht, sind aus Eleker---tkupfer gefertigt und mit einer Silber- und Goldschicht versehen. Über Anschlußstutzen 13 und 14 ist der Resonatorkörper bzw. die Resonatorwandung mit Kühlwasser, welches durch Kanäle innerhalb der Resonatorwandung verläuft, kühlbar.
  • Der.Resonatorkörper 1 besitzt auf seinen den Magnetjochen (nicht dargestellt) eines ein statisches Magnetfeld erzeugenden Magneten zugewandten Seitenwandungen 15 und 16 Bohrungen 17 mit einem Innengewinde für die Bestrahlung mit Elektronen. Diese Elektronen treten durch ein Loch im Magnetjoch (nicht näher dargestellt) entlang der Achse 18 durch eine Öffnung 19 in der Seitenwandung 15 des Resonatorkörpers 1 in den Innenraum des Resonatorkörpers 1 ein und auf der anderen.Seite wieder aus. Die Bohrungen 17 auf den beiden Seitenwandungen 15 und 16 dienen zur Aufnahme von Gewindeeinsätzen 6, welche unter anderem die Halterung für die Modulationsspulen 7 bilden.
  • Die Modulationsspulen 7, welche ein Magnetfeld parallel zur Achse 18 erzeugen, sind von zwei Glimmerscheiben loa und lob beidseitig umgeben und in eine Innenbohrung 20 im Gewindeeinsatz 6 eingeschoben. Modulationsspulen 7 und Glimmerblättchen loa und lob weisen jeweils eine Bohrung 21 auf, durch die der Elektronenstrahl längs der Achsrichtung 18 hindurchtreten kann. Weiterhin dienen diese Bohrungen 21 zur Aufnahme eines Kamins 22 aus z.B. V2A-Stahl. Der Kamin 22 besitzt eine Innenbohrung 23 mit einem Innendurchmesser von 6 mm. Die Höhe des Kamins entspricht in etwa der Länge der Gewindeeinsätze 6 und ist von der Grenzwellenlänge der Mikrowellenstrahlung im Reaktor abhängig. Über den Kamin 22 ist ein Glasrohr 9 zur Isolation gegenüber den Modulationsspulen 7 aufgesetzt. Der Kamin 22 selbst ist an dünnen Scheibchen 5 von kreisförmigen Durchmesser angeschweißt, die im eingesetzten Zustand der Gewlndeeinsätze 6 unter Zwischenlegen von Kontaktfolien-Ringen 4 aus Silber in elektrisch leitenden Kontakt mit der Resonatorinnenwandung 24 gelangen. Die Resonatorinnenwandung 24 dient gleichzeitig als Arretiervorrichtung für die Gewindeeinsätze 6 bzw. die Resonatorscheibchen 5.
  • Die aufgeschweißten Amine 22 üben im Betrieb des Resonators 1 einmal die Funktion eines Mikrowellen-Abstrahlschutzes aus und dienen auch den freitragenden Modulationsspulen 7 bzw. den Glasrohren 9 als Führung. Diese dem Streufeld der Elektronenstrahlung längs der Richtung 18 ausgesetzten Modulationsspulen 7 aus Kupferlackdraht sind. leicht austauschbar und zusätzlich durch eine Spezial-Andruckfeder 8 in ihrer Lage in den Gewindeeinsätzen 6 fixierbar. Die Glimmerscheiben 10 a und 10 b sowie die Glasrohre 9 über den Kaminen 22 dienen zur Isolation der Modulationsspulen 7, die mit Spannungen von einigen hundert Volt und mit Modulationsfrequenzen um 100 kHz betrieben werden. Das Magnetfeld, welches von den Modulationsspulen 7 erzeugt wird, tritt zusammen mit den Elektronen, welche längs des Strahles, 18 in den Innenraum des Resonatorkörpers 1 eindringen, durch die Durchtrittsöffnung 25 in den Scheiben 5 hindurch.
  • Eine kommerzielle Halte- und Justiereinrichtung für Flachküvetten kann oben und unten in der Probenachse 26 angebracht werden.
  • Die Modulationsspulen 7 sind freitragend gewickelt und mit Gießharz umgossen. Die Induktionstërte werden den jeweiligen Modulationsverstärkern der kommerziellen ESR-Spektrometer angepaßt.
  • Als Modulationsdurchgriff werden ca. 7,o Oe bei einer Modulationsfrequenz von 125 kHz erzielt.
  • Als beste Güte Q sind bei zwei Typen von Rechteckresonatoren des Schwingungstyps H102 bei Resonanzfrequenzen um 9,4 GHz im belasteten Zustand Werte von 4500 gemessen, wobei die Ankopplung über einen Schiebeschraubentransformator erfolgte.
  • sowohl durch Wirbelstrombildung, insbesondere bei hohen Modulationsamplituden als auch durch den Elektronenbeschuß tritt eine Erwärmung des Kupferresonators 1 auf, der die Resonatorfrequenz nach tiefen Frequenzen hin verschiebt. Während diese von der Wirbelströmwärme herrührende Frequenzänderung sehr leicht durch die in allen ESR-Spektrometern vorhandene Frequenz-Na ch führschaltung kompensiert wird, ist die Erwärmung durch das Elektronenbombardement nur durch eine Wasserkühlung klein zu halten. Durch Anschluß an einen geregelten Kreislauf (thermostatisiert) kann ein Temperaturgang weitgehend ausgeglichen werden. Der Resonatorkörper 1 ist zu diesem Zweck mit Kanälen von 3 mm Durchmesser versehen. Das Wasser tritt über die Schlaucholive 13 von unten in die Breitseite ein, wechselt dann wieder unten in dierandere Breitseite über und verläßt den Körper ebenfalls unten an einer zweiten Olive 14.

Claims (5)

Patentan sprüche:
1. Einrichtung zur Messung von Elektronen-Spin-Resonanzen kurslebiger freier Radikale bei gleichzeitiger Elektronenbestrahlung der Proben in einem Resonator, wobei der Elektronenstrahl parallel zu der Feldrichtung eines von Spulen erzeugten Modulationsfeldes und durch mindestens eine Seitenwandung des Resonators hindurchgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil mindestens einer Seitenwandung (15) von einer vorzugsweisen kreisförmigen, magnetfelddurchlässigen Scheibe (5) ersetzt ist, die in ihrem Zentrum eine Durchtrittsöffnung (25) für den Elektronenstrahl (18) aufweist, und daß auf der Scheibe (5) um die Durchtrittsöffnung (25) herum ein vom Resonator innenraum (19) abgewandter Kamin (22) befestigt ist, der ein Energieabstrahlschutz und eine Halterung für die Modulationsspule (7) bildet.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (5) von einem Gewindeeinsatz (6), der die Modulationsspule (7) nach außen umschließt, an einem Teil (24) der Resonatorinnenwandung angepreßt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (1) ein Rechteckresonator ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Resonators (1) von Wasser gekühlt ist, das in innerhalb der Wandung liegenden Bohrungen fließt.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (5) aus V2A-Stahl besteht und auf der dem Innenraum (19) zugewandten Seite versilbert ist.
L e e r s e i t e
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