DE4107628A1 - Resonator fuer elektronenspinresonanz-messungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Resonator, insbesondere für Elektronenspinresonanz-Messungen, in dem ein hochfrequenter Schwingungsmodus angeregt wird, wobei zum Abstimmen des Reso­ nators ein den Schwingungsmodus und damit die Resonanzfrequenz des Resonators beeinflussendes Element im elektromagnetischen Feld des Schwingungsmodus durch einen Bereich unterschiedlicher Intensität des Feldes bewegbar ist.

Resonatoren der vorstehend genannten Art sind in der Elektro­ nenspinresonanz-Technik allgemein bekannt.

Bei bekannten Resonatoren dieser Art wird beispielsweise eine elektrisch leitende Drahtschleife verwendet, deren Schleifen­ fläche durch Verbiegen, d. h. Bewegen des Drahtes verändert werden kann. Es sind weiterhin Anordnungen bekannt, bei denen eine kleine elektrisch leitende Scheibe bewegt wird. Schließlich ist auch bekannt, im Resonator ein dielektrisches Element vorzusehen, das innerhalb des elektrischen Feldes bewegt wird, beispielsweise in dem ein unregelmäßig geformter dielektrischer Körper im elektrischen Feld drehbar ist.

Üblicherweise werden derartige Einrichtungen bei Hohlraum­ resonatoren eingesetzt, es ist jedoch auch möglich, diese Einrichtungen bei anderen Resonatortypen zu verwenden, bei­ spielsweise bei Leitungsresonatoren, Helix-Resonatoren und dgl. Voraussetzung ist lediglich, daß in dem jeweiligen Resonator ein Schwingungsmodus ausgebildet wird, bei dem Feldlinien des elektromagnetischen Wechselfeldes im freien Raum verlaufen und damit durch Abstimmelemente beeinflußbar sind.

Die bekannten Einrichtungen der vorstehend genannten Art sind sämtlich dazu vorgesehen, eine manuelle Abstimmung des Reso­ nators zu ermöglichen. Wenn nämlich ein Resonator mit Proben unterschiedlicher Art versehen wird, die ihrerseits einen Einfluß auf die Resonanzfrequenz des Resonators haben, so ist es erforderlich, den Resonator in seiner effektiven Resonanz­ frequenz, d. h. unter Berücksichtigung der eingesetzten Probe, so abzustimmen, daß seine effektive Resonanzfrequenz mit der Frequenz der jeweils verwendeten Mikrowellenquelle übereinstimmt bzw. in deren Abstimmbereich liegt.

Zu diesem Zwecke sind bei den genannten Einrichtungen üblicher­ weise Schraubenanordnungen vorgesehen, um die Drahtschleifen, elektrisch leitenden Scheiben oder dielektrischen Elemente im elektromagnetischen Feld zu verdrehen oder zu verschieben. Hierzu ist beispielweise der Resonator mit einer Schraube aus Kunststoff versehen, die auf der Innenseite des Resonators mit der Schleife oder Scheibe versehen ist, während sie an der Außenseite des Resonators so ausgestaltet ist, daß sie mittels eines geeigneten Stabes und dgl. ergriffen und verdreht werden kann. Auf diese Weise kann der Resonator auch dann justiert werden, wenn er sich im sehr beengten Raum zwischen zwei Polschuhen eines Magneten befindet.

Aus den vorstehend erläuterten Gründen sind die bekannten Einrichtungen somit lediglich dazu geeignet, um eine einmalige, manuelle Abstimmung des Resonators vorzunehmen.

Obwohl die Erfindung nachfolgend anhand der Anwendung in der Elektronenspinresonanzspektroskopie geschildert wird, versteht sich, daß sie auch auf anderen Gebieten einsetzbar ist und zwar überall dort, wo Mikrowellen-Kreise gewobbelt werden müssen.

Es ist darüberhinaus bekannt, zum Abstimmen eines Resonators für Elektronenspinresonanz-Messungen die Frequenz der Mikro­ wellenquelle zu wobbeln, indem beispielsweise bei Verwendung eines Klystrons die Reflektorspannung moduliert wird. Stellt man dabei das vom Resonator reflektierte Mikrowellensignal nach entsprechender Gleichrichtung auf einem Oszillographen dar, so sieht man eine glockenartige Kurve, die mit einem scharfen Einschnitt versehen ist. An der Stelle des scharfen Einschnitts liegt die Resonanz des Resonators. Durch manuelle Abstimmung kann nun der scharfe Einschnitt in das Maximum der Kurve gebracht werden, um den Resonator auf diese Weise auf das Leistungsmaximum der Mikrowellenquelle abzustimmen.

In manchen Fällen ist dieses Vorgehen jedoch mit Schwierigkeiten verbunden, insbesondere dann, wenn die Mikrowellenquelle an sich nur in sehr engen Bereichen frequenzvariabel ist, wie dies bei besonders rauscharmen Mikrowellenquellen der Fall ist. In derartigen Fällen ist es nur mit Schwierigkeiten oder gar nicht möglich, die Mikrowellenquelle mit einem so großen Hub zu wobbeln, daß die jeweilige Resonanz des Resonators mit Sicherheit erfaßt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Resonator der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß ohne Wobbeln der Mikrowellenquelle eine Frequenzabstimmung des Resonators möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Resonator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Element als Wobbeleinrichtung ausgestaltet ist, bei der das Element mittels einer Antriebs­ vorrichtung periodisch durch den Bereich des elektromagnetischen Feldes bewegbar ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Dadurch, daß das Element periodisch durch den Bereich des elektromagnetischen Feldes bewegt wird, in dem dieses Feld inhomogen ist, wird nämlich auch die Eigen­ resonanz, d. h. die Resonanzfrequenz des Resonators entsprechend periodisch beeinflußt, so daß der Resonator insgesamt mecha­ nisch/elektrisch gewobbelt wird.

Auf diese Weise läßt sich wiederum eine Resonanzkurve auf einem Oszillographen darstellen, um zu erkennen, wie weit die effektive Resonanzfrequenz des Resonators von der Frequenz der Mikrowellenquelle abliegt. Der Resonator kann dann entweder durch weitere Abstimmelemente der eingangs genannten Art manuell so einjustiert werden, daß die effektive Resonanzfrequenz des Resonators gerade mit der Frequenz der Mikrowellenquelle übereinstimmt, es ist aber auch möglich, das periodisch beweg­ bare Element in einer Position anzuhalten und festzusetzen, in der es die effektive Resonanzfrequenz des Resonators gerade so beeinflußt hat, daß diese mit der Frequenz der Mikrowellen­ quelle übereinstimmt.

Da sich diese Vorgänge in für den Fachmann ersichtlicher Weise automatisieren lassen, ist der erfindungsgemäße Resonator besonders geeignet, um in automatisierten Elektronenspin­ resonanz-Spektrometern eingesetzt zu werden.

Obwohl die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbaren Elemente als leitfähige, dielektrische, ferromagnetische, ferroelektrische oder andere Elemente ausgebildet sein können, die jeweils mit dem elektrischen und/oder magnetischen Feld zusammenwirken, ist bei Ausführungsbeispielen der Erfindung besonders bevorzugt, wenn das Element mindestens ein dielektri­ scher Körper ist, dessen relative Dielektrizitätskonstante ungleich eins ist und der im elektrischen Feld des Schwingungsmodus durch den Bereich bewegbar ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die effektive Resonanz­ frequenz des Resonators in weiten Bereichen mit einfachen Mitteln variiert werden kann, ohne daß dadurch die Güte des Resonators zu sehr beeinflußt wird.

Zum Einstellen des Wobbelhubs können erfindungsgemäß verschie­ denartige Vorkehrungen getroffen werden. Bei einem Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung ist hierzu die relative Dielektrizitätskonstante des Körpers vorgebbar. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die dielektrische Masse des Körpers vorgebbar, während bei einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung die Ausgangsposition des Elementes um die herum die periodische Bewegung ausgeführt wird, vorgebbar ist.

In allen drei Fällen wird durch Variation des jeweils genannten Parameters erreicht, daß der Schwingungsmodus und damit die effektive Resonanzfrequenz des Resonators jeweils schwächer oder stärker beeinflußt wird, so daß auf diese Weise der effektive Wobbelhub eingestellt werden kann. Die Resonatorgüte ändert sich hierdurch kaum, weil die dielektrischen Verluste sehr klein gehalten werden können.

Bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist das Element auf einer Kreisbahn durch den Bereich des elektromagnetischen Feldes bewegbar.

Dies Maßnahme hat den Vorteil, daß ein besonders einfacher Bewegungsablauf entsteht, der auch in räumlich beengten Ver­ hältnissen, insbesondere zwischen Polschuhen des Magneten erzeugt werden kann.

Hierbei ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung besonders bevorzugt, wenn zwei Elemente an ersten Enden von Armen an­ geordnet sind, die an ihren zweiten Enden unter einem Winkel mit einer Welle verbunden sind, die ihrerseits von der Antriebs­ vorrichtung gedreht wird.

Auf diese Weise entsteht in vorteilhafter Weise ein "Propeller", bei dessen Rotation die Resonanzfrequenz des Resonators gewob­ belt wird. Der "Propeller" kann dabei in jeder beliebigen Drehstellung angehalten werden, um einen bestimmten Wert der Resonanzfrequenz zu fixieren.

Es wurde bereits eingangs erwähnt, daß die Erfindung für jedwede Art von Resonatoren für Elektronenspinresonanz-Messungen einsetzbar ist, unabhängig von der jeweiligen Bauform des Resonators. Es ist jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, wenn der Resonator ein Hohlraumresonator ist.

Dies hat nämlich den Vorteil, daß der Schwingungsmodus im Hohlraum des Resonators besonders gut zugänglich und damit besonders einfach beeinflußbar ist.

In diesem Zusammenhang wird eine besonders gute Wirkung dann erzielt, wenn der Resonator einen zylindrischen Hohlraum mit einer Längsachse aufweist, in dem ein TE_{0 1 1}-Modus angeregt wird und das Element in einer Ebene bewegt wird, die die Längsachse einschließt oder parallel zu dieser verläuft.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das elektrische Feld in der genannten Ebene definiert inhomogen ist, so daß bei einer Bewegung eines z. B. dielektrischen Körpers in dieser Ebene, beispielsweise auf einer Kreisbahn, Bereiche mit höchst unter­ schiedlich intensiver elektrischer Feldstärke durchfahren werden und damit die Wobbelung der Resonanzfrequenz besonders intensiv ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Seitenansicht, teilweise aufgebrochen, eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Resonators;

Fig. 2 einen äußerst schematisierten Radialschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Resonator;

Fig. 3 den Verlauf der Intensität des elektrischen und des magnetischen Feldes, bezogen auf die Darstellung der Fig. 2.

In den Fig. bezeichnet 10 insgesamt einen zylindrischen Hohl­ raumresonator, in dem ein TE_{0 1 1}-Schwingungsmodus angeregt werden kann, wobei dieser Modus lediglich beispielhaft angegeben ist.

Der Resonator 10 ist beidendig durch einen radialen, kreis­ förmigen Boden abgeschlossen, während er im übrigen durch einen umlaufenden zylindrischen Mantel 12 begrenzt ist. Der Resonator 10 ist durch eine Längsachse 13 definiert, in der sich auch eine Probenöffnung 14 mindestens im oberen Boden 11 befindet. Das Innere des Resonators 10 ist durch einen Hohlraum 15 gekennzeichnet, in dem im dargestellten Beispielsfall ein TE_{0 1 1}-Schwingungsmodus ausbreitungsfähig ist.

Es darf an dieser Stelle betont werden, daß das dargestellte Beispiel die Erfindung nicht einschränkt. Die Erfindung ist vielmehr bei jedweden Arten von Resonatoren einsetzbar, also auch bei zylindrischen Resonatoren, in denen andere Schwin­ gungsmoden angeregt werden, in Rechteck- oder sonstigen Hohl­ raumresonatoren, aber auch in Leitungsresonatoren, Helix- Resonatoren, Bandresonatoren oder dgl.

Der Resonator 10 ist mit einer Wobbeleinrichtung versehen, die insgesamt mit 20 bezeichnet ist.

Bei dem in den Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Wobbeleinrichtung 20 eine durch eine Öffnung 21 im zylin­ drischen Mantel 12 ragende radiale Welle 22, die bis zur Achse 13 oder in die Nähe der Achse 13 ragt. An ihrem inneren, freien Ende ist die Welle 22 mit unter 900 abstehenden Armen 23 versehen. Die Arme 23 stehen einander diametral gegenüber.

An den äußeren, freien Enden der axial verlaufenden Armen 23 befinden sich dielektrische Körper 24, beispielsweise Kugeln aus dielektrischem Material.

Die relative Dielektrizitätskonstante ε_r der Körper 24, deren Masse, wie auch die Lage der Arme 23 mit den dielektrischen Körpern 24 im Hohlraum 25 sind vorzugsweise jeweils einzeln vorgebbar.

Über eine mit 25 äußerst schematisch angedeutete Antriebsver­ bindung ist die Welle 22 mit einer Antriebsvorrichtung 26 verbunden, um die Welle 22 um ihre Längsachse zu drehen. Dies ist in den Fig. mit einem kreisförmigen Pfeil 27 angedeutet.

Wie man aus den Fig. 1 und 2 entnehmen kann, verlaufen die Feldlinien des TE_{0 1 1}-Schwingungsmodus so, daß die Feldlinien H des magnetischen Feldes in einer Ebene verlaufen, die die Achse 13 einschließt, während die Feldlinien E des elektrischen Feldes kreisförmig um die Achse 13 umlaufen.

Fig. 3 zeigt hierzu den Intensitätsverlauf I_E bzw. I_H für die elektrische bzw. die magnetische Feldstärke, jeweils bezogen auf die Darstellung der Fig. 2. Man erkennt aus Fig. 3, daß die Intensität des elektrischen Feldes sowohl im Zentrum wie auch an der Peripherie des Hohlraums 15 Null ist und dazwischen jeweils einen positiven Maximalwert annimmt, während die Intensität des magnetischen Feldes im Zentrum und an der Peripherie maximal ist, jedoch unterschiedliches Vorzeichen hat, während die Intensität des magnetischen Feldes dort Null ist, wo die Intensität des elektrischen Feldes ihr Maximum hat.

Die Darstellung der Fig. 3 gilt selbstverständlich nur für eine bestimmte Radialebene im Hohlraum 15, zusätzlich ist zu berücksichtigen, daß sich die Verhältnisse in axialer Richtung nochmals ändern.

Wenn nun entsprechend der Darstellung der Fig. 1 und 2 die Welle 22 in Richtung des Pfeiles 27 gedreht wird, so beschreiben die dielektrischen Körper 24 eine Kreisbahn, deren Ebene entweder die Achse 13 einschließt oder zu dieser parallel verläuft.

Auf ihrer Kreisbahn durchlaufen die dielektrischen Körper 24 dabei Bereiche des elektromagnetischen Feldes, in denen die elektrische Feldstärke unterschiedliche Intensitäten annimmt, mit anderen Worten, das elektrische Feld ist in diesen Bereichen inhomogen.

Aufgrund dieser Tatsache wird der Schwingungsmodus im Takte der Drehung der Wobbeleinrichtung 20 beeinflußt, was ebenfalls zu einer periodischen Änderung der effektiven Resonanzfrequenz des Resonators 10 führt.

Wenn nun der Resonator 10 durch eine Mikrowellenquelle beauf­ schlagt wird, deren Frequenz stabilisiert ist, so bedeutet dies bei geeigneter Einstellung aller Elemente, daß die effek­ tive Resonanzfrequenz des Resonators 10 so gewobbelt wird, daß jeweils in bestimmten Drehstellungen der Wobbeleinrichtung 20 die effektive Resonanzfrequenz des Resonators 10 gerade gleich der stabilisierten Frequenz der Mikrowellenquelle ist.

Dieser Vorgang läßt sich in der eingangs beschriebenen Weise zu Abstimmzwecken auch darstellen, beispielsweise mittels eines Oszillographen. Im übrigen kann das Durchlaufen des Resonanzzustandes auch in anderer Weise durch geeignete Gleich­ richtung und Auswertung eines vom Resonator 10 reflektierten bzw. im Resonanzfall nicht reflektierten Mikrowellensignals erfaßt und weiter verarbeitet werden.

Claims (10)

1. Resonator, insbesondere für Elektronenspinresonanz- Messungen, in dem ein hochfrequenter Schwingungsmodus angeregt wird, wobei zum Abstimmen des Resonators (10) ein den Schwingungsmodus und damit die Resonanzfrequenz des Resonators (10) beeinflussendes Element im elektro­ magnetischen Feld des Schwingungsmodus durch einen Bereich unterschiedlicher Intensität des Feldes bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Element als Wobbel­ einrichtung (20) ausgestaltet ist, bei der das Element mittels einer Antriebsvorrichtung (26) periodisch durch den Bereich des elektromagnetischen Feldes bewegbar ist.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mindestens ein dielektrischer Körper (24) ist, dessen relative Dielektrizitätskonstante (εr) ungleich eins ist und der im elektrischen Feld des Schwingungsmodus durch den Bereich bewegbar ist.

3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen des Wobbelhubs die relative Dielektrizi­ tätskonstante (εr) des Körpers (24) vorgebbar ist.

4. Resonator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen des Wobbelhubs die dielektrische Masse des Körpers (24) vorgebbar ist.

5. Resonator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen des Wobbelhubs eine Ausgangsposition des Elementes, um die herum die periodische Bewegung ausgeführt wird, vorgebbar ist.

6. Resonator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element auf einer Kreisbahn durch den Bereich des elektromagnetischen Feldes bewegbar ist.

7. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elemente an ersten Enden von Armen (23) angeordnet sind, die an ihren zweiten Enden unter einem Winkel mit einer Welle (22) verbunden sind, die ihrerseits von der Antriebsvorrichtung (26) gedreht wird.

8. Resonator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (10) ein Hohlraumresonator ist.

9. Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (10) einen zylindrischen Hohlraum (15) mit einer Längsachse (13) aufweist, in dem ein TE_{0 1 1}- Modus angeregt wird, und daß das Element in einer Ebene bewegt wird, die die Längsachse (13) einschließt oder parallel zu dieser verläuft.

10. Resonator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsmodus vom Typ TE_{0 1 1} ist.