DE4125653C2 - Resonatoranordnung für die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Resonatoranordnung für die Elek­ tronenspinresonanz-Spektroskopie mit einer oberen Trägerplatte, einem langgestreckten Mittelabschnitt und einem unteren Reso­ natorabschnitt, wobei mindestens eine Trennebene vorgesehen ist, entlang der die Resonatoranordnung in ein Oberteil und ein Unterteil zerlegbar ist.

Eine Resonatoranordnung der vorstehend genannten Art ist aus der GB-Z "THE REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS", 43 (1972), Seite 1847, bekannt.

In der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie wird in einem Resonator ein elektromagnetisches Mikrowellenfeld angeregt, um eine zu untersuchende Probe einem magnetischen Mikrowellenfeld vorbestimmter Richtung aussetzen zu können. Der Resonator befindet sich dabei in einem konstanten Magnetfeld hoher Homogenität und Intensität, dessen Feldlinien senkrecht zur Richtung des magnetischen Mikrowellenfeldes gerichtet sind.

Wegen der erforderlichen Homogenität des konstanten Magnetfeldes befindet sich der Resonator üblicherweise in einem schmalen Luftspalt zwischen Polschuhen eines Labormagneten. Dies bedeutet, daß der zur Verfügung stehende Raum sehr begrenzt ist. Übliche Resonatoranordnungen für die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie bestehen daher aus dem sehr schmal gebauten unteren Resonatorabschnitt, der das eigentliche resonanzfähige Gebilde (Hohlraumresonator, Helix-Resonator, Bandresonator) mit der Probe enthält, einem langgestreckten Mittelabschnitt, der im wesentlichen dem Transport des Mikrowellensignals dient und schließlich einem oberen Trägerabschnitt, an dem die erforderlichen Anschlüsse vorhanden sind.

Diese Anschlüsse umfassen zum einen den Anschluß für das Mikrowellensignal, d. h. beispielsweise einen Hohlleiterflansch oder eine Steckverbindung für eine Mikrowellen-Koaxialleitung. Ferner umfassen die Anschlüsse mechanische Befestigungsmittel, Anschlüsse für das Zuführen eines Modulationssignals, für das Abführen von Meßspannungen, beispielsweise eines Thermoelementes, wie auch Anschlüsse zum Zuführen oder Abführen von flüssigen oder gasförmigen Temperiermedien. Je nach Komplexität des durchzuführenden Experimentes können auch Haltevorrichtungen für Goniometer vorhanden sein, um Isotropie-Messungen durchzuführen, ferner Anschlüsse zum Einstrahlen oder Durchstrahlen von optischer oder sonstiger Strahlung und dergleichen mehr.

Schließlich sind auch Resonatoranordnungen bekannt, bei denen die Trägerplatte weiterhin eine Zuführvorrichtung umfaßt, mit der die Probe in den Resonatorabschnitt eingeführt werden kann.

Aus den vorstehend genannten Gründen wird deutlich, daß der Trägerabschnitt oder die Trägerplatte ziemlich groß ausgebildet werden müssen, um all die genannten Funktionen realisieren zu können.

Bei herkömmlichen Resonatoranordnungen ist jeweils eine Anordnung für ein bestimmtes Experiment vorgesehen oder es ist kaum oder gar nicht möglich, die Meßbedingungen mit derselben Resonatoranordnung zu variieren. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß unterschiedliche Meßfrequenzen des Mikrowellensignals verwendet werden sollen oder unterschiedliche Temperaturen im Bereich der Meßprobe oder unterschiedliche Typen an Resonanzanordnungen verwendet werden sollen, wie sie beispielsweise für Dauerstrichmessungen einerseits und gepulste Messungen andererseits oder für Messungen mit oder ohne Bestrahlung erforderlich sind.

Bei herkömmlichen Resonatoranordnungen ist es daher erforderlich, im wesentlichen die gesamte Anordnung auszutauschen, wenn man unterschiedliche Experimente durchführen will.

Aus der eingangs genannten GB-Z "THE REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS", 43 (1972), Seite 1847, ist ein X-Band Elektronenspinresonanz- System für variable Temperaturen zwischen 1,6 und 300 K bekannt. Das bekannte System weist am oberen Ende eine Trägerplatte auf, von der sich entlang des Mittelabschnitts ein X-Band-Hohlleiter nach unten erstreckt. Parallel zur Breitseite des Hohlleiters und im Abstand davon erstreckt sich eine Antriebsstange, die an ihrem unteren Ende in ein Koppelgetriebe für die Ankopplung eines Resonatorabschnittes übergeht. Der Resonatorabschnitt selbst besteht aus einem kurzen Stück des X-Band-Hohlleiters.

Im Übergang vom Hohlleiter zum Resonatorabschnitt befindet sich eine Irisplatten-Anordnung, die in axialer Richtung verschraubt ist. Mittels zweier Schrauben kann der Resonatorabschnitt von dem übrigen System abgetrennt werden. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die gesamte Koppelvorrichtung, einschließlich des Koppelgetriebes, am oberen Mittelabschnitt verbleibt und nur der reine Hohlraumresonator lösbar ist.

Eine ähnliche Anordnung ist aus dem US-Buch "ELECTRON SPIN RESONANCE" von C.P. Poole, Verlag John Wiley & Sons (1983), Seite 200, bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung besteht der Mittelabschnitt ebenfalls aus einem langgestreckten Hohlleiter mit einer unteren Anschlußplatte für einen in diesem Falle zylindrischen Hohlraumresonator.

Die beiden genannten Anordnungen gestatten daher zwar, den eigentlichen Hohlraumresonator von der restlichen Resonatoranordnung abzutrennen, dies geschieht jedoch ausschließlich zu dem Zweck, das Innere des Hohlraumresonators inspizieren und gegebenenfalls reinigen zu können, beispielsweise dann, wenn ein Probenrohr durch Unachtsamkeit des Benutzers oder auch durch Temperaturschwankungen im Hohlraumresonator zerbricht und sich die Probensubstanz daher im Resonatorinneren verteilt. Ansonsten sind die bekannten Anordnungen lediglich für einen bestimmten Hohlraumresonator vorgesehen, zu dem die jeweils betreffende Koppelvorrichtung paßt. Ein Austausch gegen andere Resonatoren ist weder vorgesehen noch möglich. Dies trifft auch auf die verwendete Meßfrequenz (X-Band) zu, weil über Hohlleiter bekanntlich nur Mikrowellensignale innerhalb einer bestimmten Bandbreite, nämlich der sogenannten Bänder, übertragen werden können.

Aus dem genannten US-Buch von Poole, Seite 199, ist ferner eine als "modular" bezeichnete Resonatoranordnung bekannt, bei der unterschiedliche Messungen möglich sind, indem Probeneinsätze verschiedener Art verwendet werden, um z. B. Messungen mit bestimmter Probenorientierung, Bestrahlung, Zug- und Druckbelastung usw. durchführen zu können. Die Variationsbreite dieser Experimente ist jedoch durch den Resonator begrenzt, der ansonsten unverändert bleibt.

Aus der DE-OS 30 29 754 ist noch ein Probenkopf für Elektronenspinresonanz- Messungen bekannt, bei dem parallel zu zwei vertikal verlaufenden Hohlleitern noch zwei Antriebswellen verlaufen, die in ihrer Längsrichtung geteilt ausgebildet und mit Kupplungen versehen sind. Die Antriebswellen dienen zur Variation der Ankopplung bzw. der Meßfrequenz innerhalb des durch den Hohlleiter festgelegten Bandes. Die in Längsrichtung geteilte Ausbildung der Antriebswellen hat den Sinn, die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Hohlleiter einerseits und der Antriebswellen andererseits auszugleichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Resonatoranordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß höchst unterschiedliche Messungen mit unterschiedlichen Resonatoren möglich sind, ohne die gesamte Resonatoranordnung auswechseln zu müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trennebene im Bereich des Mittelabschnittes angeordnet ist, daß der Mittelabschnitt ein Probenrohr, eine als Koaxial- Mikrowellenkabel ausgebildete Mikrowellenleitung, sowie eine Betätigungsvorrichtung für eine Ankoppelanordnung im Resonatorabschnitt umfaßt, die von der Trennebene geschnitten werden, so daß sich Abschnitte des Probenrohres, der Mikrowellenleitung, sowie der Betätigungsvorrichtung beidseits der Trennebene erstrecken, und daß in der mindestens einen Trennebene mechanische und elektrische Verbindungsmittel für das Probenrohr, die Mikrowellenleitung, sowie die Betätigungsvorrichtung vorgesehen sind, wobei die Verbindungsmittel so ausgebildet sind, daß eine Vielzahl unterschiedlicher Unterteile an dasselbe Oberteil anschließbar ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Die Erfindung stellt nämlich ein modulares Resonatorkonzept zur Verfügung, bei dem nur diejenigen Teile ausgewechselt werden müssen, die für ein bestimmtes Experiment in individueller Form benötigt werden. Alle anderen Teile, insbesondere der obere Trägerabschnitt mit der Trägerplatte und der obere Teil des Mittelabschnitts, bleiben hingegen erhalten, so daß Meßaufbauten teilweise nicht verändert zu werden brauchen. Auch stellen sich wirtschaftliche Vorteile ein, weil für eine Vielzahl unterschiedlicher Experimente nur eine entsprechende Vielzahl entsprechender Unterteile beschafft werden muß, während für alle genannten Experimente dasselbe Oberteil verwendet werden kann, das demzufolge nur einmal beschafft zu werden braucht.

Diese Maßnahme, die Trennebene im Bereich des Mittelabschnittes derart anzubringen, daß sowohl die Mikrowellenleitung selbst, wie auch die Betätigungsvorrichtung und das Probenrohr geschnitten werden, hat den Vorteil einer echten "Schnittstelle", die bevorzugt, jedoch nicht zwangsläufig in einer geometrischen Ebene liegt, jedoch eine logische Ebene oder Signalebene definiert. Durch die konsequente Trennung aller Verbindungen zwischen oberem und unterem Teil der Resonatoranordnung ist es erstmals möglich, sämtliche Funktionen am unteren Abschnitt, nämlich dem Resonatorabschnitt, austauschbar zu machen, so daß ein echtes modulares System entsteht. Da die Mikrowellenleitung als Koaxial-Mikrowellenkabel ausgebildet ist, sind Messungen bei nahezu allen gängigen Mikrowellenfrequenzen möglich, weil Koaxialkabel im Unterschied zu Hohlleitern bekanntlich eine sehr viel größere Bandbreite aufweisen.

Mit der Erfindung ist es somit möglich, nicht nur bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Mikrowellenfrequenzen zu arbeiten, es können darüber hinaus auch durch modularen Austausch des Resonatorabschnittes unterschiedliche Resonatortypen für verschiedene Meßmethoden eingesetzt werden.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Variante sind die Mikrowellenleitung und die Betätigungsvorrichtung als gemeinsamer Koppelstab ausgebildet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine baulich vereinfachte Anordnung entsteht, bei der überdies die Zahl der voneinander zu trennenden Elemente beim Zerlegen der Resonatoranordnung entlang der Trennebene so gering wie möglich ist.

Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung ist ein Adapterflansch für einen Kryostaten an die Trägerplatte anschließbar.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das gewünschte modulare Konzept auf den Bereich der Temperierung übertragen wird, indem nämlich bei unterschiedlichen Kryostaten für unterschiedliche Temperaturen jeweils nur ein entsprechender Adapter vorgesehen werden muß, um das Oberteil an den jeweiligen Kryostaten anzupassen.

Eine besonders gute Wirkung wird ferner dadurch erzielt, daß eine Temperierkammer an die Trägerplatte anschließbar ist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Trägerplatte stets auf Raumtemperatur gehalten werden kann, unabhängig davon, ob unterhalb der Trägerplatte bzw. unterhalb der Temperierkammer noch weitere Hoch- oder Tieftemperatur-Vorrichtungen vorgesehen sind.

Vorzugsweise umfaßt die Temperierkammer dabei einen von Wasser durchströmten Hohlraum.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß mit einfachen Wärmetausch­ mitteln der gewünschte thermische Entkopplungseffekt erzielt werden kann.

Bei weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist ein Probenstab in dem Probenrohr führbar, wobei der Probenstab an seinem unteren Ende eine Probe trägt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein einfaches Wechseln der Probe möglich ist, wobei die gesamte Resonatoranordnung unverändert bleiben kann und nur der Probenstab in das Proben­ rohr eingeführt bzw. aus diesem herausgezogen werden muß.

Wenn der Probenstab in bevorzugter Weiterbildung dieser Variante aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff besteht, so hat dies den Vorteil, daß ein Probenwechsel auch dann möglich ist, wenn bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs oder des flüssigen Heliums gearbeitet wird. In diesem Fall kann mittels des Probenstabes die Probe aus dem kalten Meßbereich heraus in die Raumtemperatur der Umgebung überführt werden und umgekehrt, ohne daß dafür die Resonatoranordnung demontiert werden muß.

Schließlich ist bei diesen Ausführungsbeispielen bevorzugt, wenn der Probenstab an seinem unteren Ende eine Spannvorrichtung für ein Probenröhrchen aufweist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß zum einen ein schneller Probenwechsel möglich ist. Zum anderen braucht in diesem Falle der Probenstab aber auch nicht bis in den eigentlichen Meßraum vorgeschoben zu werden, weil das Probenröhrchen axial über das untere Ende des Probenstabes vorstehen und damit alleine in den eigentlichen Meßraum hineingeschoben werden kann.

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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Resonanz­ anordnung für Elektronenspinresonanz-Experimente mit einem dielektrischen Resonanzring;

Fig. 2 in verkleinertem Maßstabe eine Anordnung ähnlich derjenigen der Fig. 1, jedoch für einen ersten Betriebszustand;

Fig. 3 eine Darstellung, ähnlich Fig. 2, jedoch für einen anderen Betriebszustand;

Fig. 4 eine perspektivische Seitenansicht eines Ausfüh­ rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Resonator­ anordnung;

Fig. 5 in vergrößertem Maßstab eine Seitenansicht in Richtung der Pfeile V-V der Fig. 4 auf das Oberteil der dort dargestellten Resonatoranordnung;

Fig. 6 in weiter vergrößertem Maßstab eine Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten, in Richtung der Pfeile VI-VI von Fig. 4 auf das Unterteil der Resonator­ anordnung;

Fig. 7 in weiter vergrößertem Maßstab eine Schnittdar­ stellung in der Ebene VII-VII von Fig. 6;

Fig. 8 eine Darstellung ähnlich derjenigen der Fig. 7, jedoch in der Ebene VIII-VIII von Fig. 6.

In Fig. 1 ist mit 10 insgesamt eine Resonatoranordnung an­ gedeutet, wie sie für Elektronenspinresonanz-Messungen verwendet werden kann.

11 bezeichnet einen dielektrischen Ring, d. h. im dargestellten Ausführungsbeispiel einen hohlzylindrischen Körper, der vor­ zugsweise als Saphirring ausgestaltet ist. Der Saphirring 11 hat eine zentrale Achse 12. Feldlinien 13, die das elektromag­ netische Mikrowellenfeld andeuten, erstrecken sich innerhalb des Saphirringes 11 näherungsweise parallel zur Achse 12 und schließen sich im Außenraum 18.

Mit 14 ist eine Koppelschleife angedeutet, die sich an einem freien Ende eines nur abgebrochen dargestellten Mikrowellen­ kabels 15 befindet. Die Koppelschleife 14 regt im Saphirring 11 das mit 13 symbolisierte Mikrowellenfeld an bzw. koppelt Meßsignale aus.

Wie man deutlich aus Fig. 1 erkennt, ist die Koppelschleife 14 vorzugsweise so positioniert, daß sie sich in Richtung der Achse 12 im Abstand y von der Unterseite des Saphirringes 11 befindet. Außerdem befindet sich die Koppelschleife 14 im radialen Abstand z von der Achse 12, wobei der Abstand z größer ist als der Außenradius R des Saphirringes 11. Insgesamt befindet sich die Koppelschleife 14 daher vorzugsweise radial außerhalb und axial beabstandet vom Saphirring 11.

Mit einem Pfeil 16 ist angedeutet, daß die Koppelschleife 14 in Richtung der Achse 12 verschiebbar ist. Es hat sich gezeigt, daß durch eine Bewegung der Koppelschleife 14 in Richtung des Pfeils 16 sich die Ankopplung des Saphirringes 11 in der gewünschten Weise variieren läßt, wie dies für Elektronenspin­ resonanz-Experimente bei unterschiedlichen Proben, Temperaturen u. dgl. wünschenswert ist.

Obwohl der Saphirring 11 als dielektrischer Ringresonator auch frei im Raum schwingungsfähig ist, werden Anordnungen bevorzugt, bei denen sich der Ring 11 innerhalb einer Abschir­ mung 17 befindet, wie dies in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Die Abschirmung 17 bewirkt dabei eine Konzentration des Mikrowellenfeldes und eine Unempfindlichkeit desselben gegen Einflüsse von außen, wenn eine Verstellung von Elementen am oder in der Nähe vom Ring 11 erforderlich ist.

Fig. 2 zeigt, daß das Mikrowellenkabel 15 durch eine geeignete Durchführung im Mantel der Abschirmung 17 hindurchgeführt ist, so daß sich die Koppelschleife 14 im Außenraum 18 zwischen der Abschirmung 17 und dem Ring 11 befindet. Im Betriebszustand der Fig. 2 habe die Koppelschleife 14 dann einen Abstand y₁ von der Unterseite des Ringes 11.

Mit gestrichelten Linien ist in Fig. 2 und 3 angedeutet, daß der Ring 11 für die hier anzustellende Betrachtung raumfest gehalten wird. Dies ist für Elektronenspinresonanz-Experimente wichtig und wünschenswert, weil mit der Lage des Ringes 11 im Raum auch die Lage der im Ring 11 befindlichen Probe definiert ist. Wenn nun beispielsweise eine Probenbestrahlung oder eine andere Art der Probenbehandlung während der Elektronenspin­ resonanz-Messung gewünscht wird, so soll die Lage der Probe möglichst konstant sein, auch wenn eine Verstellung, z. B. der Koppelvorrichtung, erforderlich ist.

Aus diesem Grunde wird bei dem erfindungsgemäßen Mikrowellen­ resonator 10 die Koppelschleife 14 zusammen mit der Abschirmung 17 relativ zum Ring 11 bewegt, um die Ankopplung zu verändern. Dies ist deutlich aus einem Vergleich der Fig. 2 und 3 zu ersehen, weil bei dem Zustand der Fig. 3 die Abschirmung 17′ sich jetzt um eine Strecke d unterhalb der Abschirmung 17 in Fig. 2 befindet. Dies hat zur Folge, daß sich der Abstand y der Koppelschleife 14 vom Ring 11 vom Wert y₁ in Fig. 2 auf den Wert y₂ in Fig. 3 vergrößert hat, weil der Ring 11 fest im Raum stehengeblieben ist.

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht eines Ausfüh­ rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Mikrowellenresonators 10.

Zum besseren Verständnis der Fig. 4 muß man sich vor Augen halten, daß Mikrowellenresonatoren 10 für Elektronenspin­ resonanz-Experimente üblicherweise langgestreckte Gebilde sind, bei denen sich am oberen Ende die Anschlüsse einer Mikrowellenleitung, also beispielsweise eines Hohlleiters oder eines Koaxialkabels befinden, ebenso wie die Anschlüsse für ein Modulationssignal, für Temperiermedien, für Temperatur­ fühler und dergleichen mehr. Es schließt sich dann ein lang­ gestreckter Mittelabschnitt an, der so lange bemessen ist, daß ein am unteren Ende befindlicher Resonatorabschnitt zwischen Polschuhe eines Labormagneten gebracht werden kann, ohne daß das üblicherweise ausladende obere Ende, das wesentlich breiter als der untere Resonatorabschnitt ist, stört. Auf diese Weise ist es möglich, den unteren, schmalen Resonatorabschnitt in einen verhältnismäßig schmalen Luftspalt zwischen zwei Pol­ schuhen des Magneten zu bringen, während das obere Ende sich weit außerhalb der Polschuhe befindet, wobei Labormagneten wesentlich mehr Raum zur Verfügung steht, um dort die erforder­ lichen Anschlüsse herstellen und Temperiermedien einleiten zu können.

Beim Resonator 10 gemäß Fig. 4 befindet sich am oberen Ende eine Trägerplatte 30, auf der ein Koppelmechanismus 31 zum Einstellen der Kopplung montiert ist. Einzelheiten des Koppel­ mechanismus 31 werden weiter unten anhand der Fig. 5 noch erläutert werden.

Der Koppelmechanismus 31 ist so ausgelegt, daß ein vertikal verlaufender Koppelstab 32 in Vertikalrichtung verschoben werden kann, wie wiederum mit dem Pfeil 16 in Fig. 4 angedeutet.

Parallel zum Koppelstab 32 erstreckt sich durch die Trägerplatte 30 hindurch und von dieser gehalten ein starres Probenrohr 33, in das ein Probenstab 34 einführbar ist. Einzelheiten hierzu werden noch erläutert werden.

An die Unterseite der Trägerplatte 30 ist eine Temperierkammer 35 angeschlossen, die mit Anschlüssen 36 für ein Temperier­ medium, vorzugsweise Wasser, versehen ist.

Unterhalb der Temperierkammer 35 befindet sich ein Kryostat- Flansch 37, an dessen Unterseite ein Kryostat 38, beispielsweise für eine Temperierung bei der Temperatur des flüssigen Stick­ stoffs oder des flüssigen Heliums, angeschlossen werden kann. In diesem Falle dient die Temperierkammer 35 dazu, die Träger­ platte 30 thermisch vom Kryostaten 38 zu entkoppeln, indem über einen geeigneten Durchsatz von Temperiermedien über die Anschlüsse 36 dafür gesorgt wird, daß sich eine tiefe Temperatur aus dem Bereich des Kryostaten 38 nicht nach oben in den Bereich der Trägerplatte 30 und der darauf angeordneten Aggregate überträgt.

Mit 39a, b und c sind schließlich Steckanschlüsse symbolisiert, mit denen z. B. ein Modulationssignal für Modulationsspulen des Resonators 10 eingeleitet werden kann oder das Signal eines Thermoelementes abgenommen wird u. dgl.

Wie man deutlich aus Fig. 4 erkennt, läuft das Probenrohr 33, das sich lange nach unten von der Trägerplatte 30 weg erstreckt, in einen Flansch 40 aus, dem ein entsprechender Gegenflansch 41 gegenübersteht. Unterhalb des Gegenflansches 41 erstreckt sich das Probenrohr als getrenntes Element 33a weiter nach unten.

Entsprechendes gilt für den Koppelstab 32, der sich zunächt durch die Flanschen 40, 41 hindurch erstreckt, dann aber nach unten in einen Stecker 42 ausläuft, der mit einem Gegenstecker 43 verbunden ist. Vom Gegenstecker 43 setzt sich der Koppelstab 32a nach unten fort.

Auf diese Weise sind im Bereich des Probenrohres 33/33a bzw. des Koppelstabes 32/32a Trennebenen 50 bzw. 51 gebildet, entlang derer der Mikrowellenresonator 10 in ein Oberteil 52 und ein Unterteil 53 trennbar ist, wie mit Pfeilen in Fig. 4 angedeutet. Diese Maßnahme hat den Sinn, an ein und dasselbe Oberteil 52 eine Vielzahl unterschiedlicher Unterteile 53 ansetzen zu können, beispielsweise Unterteile 53, die für unterschiedliche Meßfrequenzen, Meßtemperaturen, Meßtechniken (z. B. Bestrahlung) u. dgl. ausgelegt sind.

Das Probenrohr 33a und der Koppelstab 32a laufen im Bereich des Unterteiles 53 nach unten in einen Flansch 45 aus, an den sich nach unten ein Resonatorgehäuse 46 sowie ein Koppel- und Abschirmelement 47 anschließen, wie weiter unten anhand der Fig. 6 noch im einzelnen erläutert werden wird.

Schließlich ist mit B₀ in Fig. 4 noch die Richtung des auf das Unterteil 53 einwirkenden konstanten Magnetfeldes bezeich­ net.

Fig. 5 zeigt weitere Einzelheiten des Oberteils 52.

Hinsichtlich des Probenrohres 33 erkennt man, daß dieses oben mit einem Spannfutter 60 versehen ist. Das Spannfutter 60 gestattet im gelösten Zustand, den Probenstab 34 von oben her einzuführen, um ihn dann in der Meßstellung durch Anziehen des Spannfutters 60 axial zu sichern.

Der Koppelstab 32 besteht im wesentlichen aus einer starren oder halbstarren Mikrowellenleitung, vorzugsweise einem halb­ starren Koaxial-Mikrowellenkabel, das ggf. noch durch ein Verstärkungsrohr o. dgl. zumindest abschnittsweise mechanisch stabilisiert werden kann. An seinem oberen Ende läuft der Koppelstab 32 in einen Stecker 63 aus, über den Mikrowellen­ energie zugeführt bzw. aus dem Resonator ausgekoppelte Signale abgenommen werden können.

Kurz unterhalb des Steckers 63 ist der Koppelstab 32 in einem Antriebsteil 64 axial starr gehalten. Dies wird durch Klemm­ schrauben 65 bewirkt, die den Koppelstab 32 im Antriebsteil 64 festklemmen. Das Antriebsteil 64 ist Bestandteil des Koppel­ mechanismus 31, der nachstehend erläutert werden soll:
In einem Dreh-Gleitlager 66 des Antriebsteiles 64, und zwar in der Darstellung der Fig. 5 vor dem Koppelstab 32 in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene ist eine Stange 67 axial verschiebbar, jedoch um die Achse des Dreh-Gleitlagers 66 verschwenkbar gehalten. Die Stange 67 durchsetzt zu diesem Zweck ein Langloch 68 im Antriebsteil 64. Die Stange 67 ist an ihrem in Fig. 5 linken Ende in einem Drehlager 69 der Trägerplatte 30 befestigt. Am rechten Ende der Stange 67 befindet sich ein Griff 70, mit dessen Hilfe die Stange 67 um die Achse des Drehlagers 69 verschwenkt werden kann, wie mit Pfeilen 75 angedeutet.

Zwischen Antriebsteil 64 und Griff 70 ist in einem Gelenk 71 eine Gewindespindel 72 an die Stange 67 angelenkt. Die Gewinde­ spindel 72 ist in einem Dreh-Gleitlager 73 der Trägerplatte 30 verschiebbar und drehbar geführt bzw. gelagert. Auf diese Weise ist die mit den Pfeilen 75 angedeutete Verschwenkbewegung der Stange 67 möglich. Um die Stange 67 in einer bestimmten Schwenkstellung verrasten zu können, läuft eine Rändelmutter 74 auf der Gewindespindel 72. Die Rändelmutter 74 kann gegen das Dreh-Gleitlager 73 verschraubt werden, um auf diese Weise die Gewindespindel 72 axial zu fixieren.

Es ist leicht erkennbar, daß ein Verschwenken der Stange 67 in Richtung der Pfeile 75 eine Verschiebung des Antriebsteils 64 in Vertikalrichtung bewirkt, so daß der Koppelstab 32 in Richtung des Pfeils 16 verschoben wird.

In Fig. 5 ist ferner zu erkennen, daß die Temperierkammer 35 mit einem Ringraum 78 versehen ist, der mit den schematisch angedeuteten Anschlüssen 36 kommuniziert, von denen in Fig. 5 nur einer dargestellt ist. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß die Temperierkammer 35 bei entsprechendem Durchsatz von Temperiermittel immer auf derselben Temperatur, vorzugsweise in der Nähe der Raumtemperatur, gehalten wird, unabhängig davon, ob an der Unterseite der Temperierkammer 35 im Bereich des Kryostat-Flansches 37 eine wesentlich niedrigere Temperatur herrscht.

Die Temperierkammer 35 und der Kryostat-Flansch 37 sind durch eine in Fig. 5 nur schematisch angedeutete Labyrinthdichtung 79 miteinander verbunden, so daß der Ringraum 78 nach dem Zusammenfügen von Temperierkammer 35 und Kryostat-Flansch 37 dicht verschlossen ist.

Der Kryostat-Flansch 37 weist an seiner Unterseite eine Ein­ drehung 80 auf, in die der Kryostat 38 eingesetzt werden kann.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kryostat 38 als Stickstoff-Kryostat angedeutet, d. h. als langgestrecktes, evakuiertes Glasgefäß, in dessen Innenraum die Temperatur des flüssigen Stickstoffs aufrechterhalten werden kann. Es versteht sich jedoch, daß mit 38 auch ein Helium-Kryostat gemeint sein kann, der baulich erheblich aufwendiger ist, um in seinem Innenraum die Temperatur des flüssigen Heliums einstellen zu können.

Fig. 6 zeigt weitere Einzelheiten des Unterteils 53 des Reso­ nators 10.

Hinsichtlich des Probenrohres 33a erkennt man aus Fig. 6 zunächst, daß dieses an seinem unteren Ende mittels eines Gewindes 82 in den Flansch 45 eingeschraubt ist. Das Probenrohr 33a ist im Bereich des Gewindes 82 innen mit einem konisch zulaufenden Zentrierabschnitt 83 versehen, der nach unten in einen Führungsabschnitt 84 geringeren Durchmessers übergeht, um sich dann in einem innenkonischen Abschnitt 85 zu seinem unteren Ende hin wieder aufzuweiten.

Konzentrisch zum Probenrohr 33a ist der Probenstab 34 geführt. Der Probenstab 34 besteht vorzugsweise aus einem glasfaser­ verstärkten Kunststoff. Der Probenstab 34 kann während eines Experimentes aus dem Probenrohr 33 bzw. 33a herausgezogen und wieder eingeführt werden, so daß ein Probenwechsel auch bei solchen Messungen möglich ist, die bei tiefer Temperatur ablaufen, ohne den gesamten Resonanzabschnitt des Resonators 10 aus dem kalten Bereich des Kryostaten 38 entnehmen zu müssen.

Der Probenstab 34 läuft an seinem unteren Ende in einen End­ abschnitt 87 aus, der mit einem Innengewinde versehen ist. In das Innengewinde ist eine Spannmutter 88 eingeschraubt, um ein Probenröhrchen 89 spannen zu können. Das Probenröhrchen 89 enthält eine zu untersuchende Probe 90.

In den innenkonischen Abschnitt 85 ist von unten ein Zentrier­ konus 91 eingesetzt, der im Gegensatz zu den übrigen bislang beschriebenen Teilen, die sämtlich aus Kunststoff bestehen, aus einem Metall hergestellt ist.

An den Zentrierkonus 91 schließt sich nach unten ein oberes Halteteil 92 an, das den Saphirring 11 von oben lagert. Von unten ist der Saphirring 11 durch ein unteres Halteteil 93 gehalten. An der Unterseite des unteren Halteteils 93 befindet sich ein Zentrierzapfen 94 für eine Druckfeder 95. Das untere Ende der Druckfeder 95 schließt sich um einen Zentrierzapfen 96 einer metallischen oder mikrowellen-absorbierenden Ver­ schlußschraube 97. Die Verschlußschraube 97 ist mit einer Durchgangsbohrung 98 versehen, damit das Probenröhrchen 89 sich auch weiter nach unten erstrecken kann, als dies in Fig. 6 beispielhaft angedeutet ist.

Aus Fig. 6, insbesondere in Verbindung mit Fig. 8, wird ferner deutlich, wie das Koppel- und Abschirmelement 47 im Resonator­ gehäuse 46 geführt und im einzelnen aufgebaut ist.

Das Element 47 besteht im wesentlichen aus der Abschirmung 17, die als Rohr ausgebildet ist. In das untere Ende des Rohres ist die Verschlußschraube 97 mittels eines entsprechenden Gewindes eingeschraubt.

Das Rohr besteht selbst vorzugsweise aus drei Lagen 170, 171, 172, die in einem vergrößerten Ausschnitt der Fig. 6 im einzel­ nen zu sehen sind.

Jede einzelne Lage 170, 171, 172 besteht aus einem Wickel eines Drahtes, wobei die innerste Lage 170 aus etwas dickerem Draht und die äußeren Lagen 171, 172 aus etwas dünnerem Draht gewickelt sind. Sinn dieser Maßnahme ist, einerseits eine hochfrequenztechnisch dichte Abschirmung 17 zu erreichen, andererseits aber den Durchtritt eines niederfrequenten Modu­ lationsfeldes zu gestatten.

An einer Seite ist das Rohr der Abschirmung 17 mit einem Ansatz 100 versehen, der in einer entsprechenden Nut 101 des Resonator­ gehäuses 46 läuft. Mit einem Sicherungsstift 102 wird erreicht, daß das Koppel- und Abschirmelement 47 nicht unter der Kraft der Druckfeder 95 nach unten aus dem Resonatorgehäuse 46 herausläuft.

Wenn der weiter oben anhand der Fig. 5 im einzelnen erläuterte Koppelmechanismus 31 betätigt wird, mit dem der Koppelstab 32a in Fig. 6 in Vertikalrichtung verschoben wird, so bewirkt dies, daß das Koppel- und Abschirmelement 47 zusammen mit der Abschirmung 17 in Richtung des Pfeiles 16 relativ zum Resonator­ gehäuse 46 verschoben wird, wobei die Druckfeder 95 zusammen­ gedrückt bzw. entspannt wird.

Die Koppelschleife 14 befindet sich dabei beispielsweise in der in Fig. 6 dargestellten Stellung außerhalb und unterhalb des Saphirringes 11, wie dies weiter oben zu Fig. 1 bereits im einzelnen erläutert wurde. Um ein ungestörtes Verfahren der Koppelschleife 14 zu ermöglichen, ist das untere Halteteil 93 in dessen Bereich mit einer vertikalen Nut 103 versehen, die in den Fig. 6 und 8 deutlich zu erkennen ist.

Schließlich zeigt Fig. 8 noch, daß Modulationsspulen 104 zweckmäßigerweise zu beiden Seiten der rohrförmigen Abschirmung 17 im Resonatorgehäuse 46 angeordnet bzw. eingegossen sind.

Zum Betrieb des erfindungsgemäßen Resonators wird zunächst für das jeweils durchzuführende Experiment ein geeignetes Unterteil 53 ausgewählt, das z. B. für die gewünschte Meßfrequenz (z. B. X- oder Q-Band) ausgelegt ist oder für eine bestimmte Meßtemperatur (z. B. Raumtemperatur, Temperatur des flüssigen Stickstoffs oder des flüssigen Heliums) oder entsprechend einer bestimmten Meßtechnik (z. B. unter Einwirkung von Bestrah­ lung, unter definierter Winkeldrehung) konstruiert ist.

Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß alle diese unter­ schiedlichen Unterteile 53 sich an dasselbe Oberteil 52 ansetzen lassen.

Wenn auf diese Weise der Resonator 10 zusammengesetzt ist, wird er in Meßposition gebracht, also zwischen die Pole des Labormagneten und ggf. innerhalb eines Kryostaten 38.

Nun wird die Probe 90 bzw. eine entsprechende Probensubstanz in das Probenröhrchen 89 eingefüllt. Das gefüllte Probenröhrchen 89 wird mittels der Spannmutter 88 im Endabschnitt 87 des Probenstabes 34 eingespannt. Der Probenstab 34 wird dann bei gelöstem Spannfutter 60 von oben in das Probenrohr 33 einge­ schoben. Wenn sich das Probenröhrchen 89 in der in Fig. 6 dargestellten Position befindet, in der sich die Probe 90 innerhalb des Saphirringes 11 befindet, wird das Spannfutter 60 angezogen und damit der Probenstab 34 im Probenrohr 33 fixiert.

Nun kann die Elektronenspinresonanz-Messung durchgeführt werden. Hierzu wird zunächst die erforderliche Ankopplung an den Saphirring 11 hergestellt. Zu diesem Zwecke wird die Rändel­ mutter 74 auf der Gewindespindel 72 des Koppelmechanismus 31 (Fig. 5) gelöst und die Stange 67 mittels des Griffs 70 in Richtung der Pfeile 75 so lange verstellt, bis die Ankopplung an den Saphirring 11 optimal ist.

In dieser Stellung wird die Stange 67 und damit über den Koppelmechanismus 31 und den Koppelstab 32 die Koppelschleife 14 in ihrer jeweils angenommenen Stellung fixiert, indem die Rändelmutter 74 gegen das Dreh- und Gleitlager 73 verschraubt wird.

Nun wird die eigentliche Elektronenspinresonanz-Messung aus­ geführt.

Ein Probenwechsel ist dann in einfacher Weise möglich, indem der Probenstab 34 mit dem Probenröhrchen 89 aus dem Probenrohr 33 entnommen und mit einer neuen Probe wieder eingeführt wird, um dann nach neuer Optimierung der Ankopplung eine weitere Messung vornehmen zu können. Eine Herausnahme des gesamten Resonators 10 aus dem Luftspalt des Magneten oder zumindest aus einem ggf. verwendeten Kryostaten ist infolgedessen nicht erforderlich.

Claims (8)

1. Resonatoranordnung für die Elektronenspinresonanz- Spektroskopie, mit einer oberen Trägerplatte (30), einem langgestreckten Mittelabschnitt (32, 33, 40, 41) und einem unteren Resonatorabschnitt (45, 46, 47), wobei mindestens eine Trennebene (50, 51) vorgesehen ist, entlang der die Resonatoranordnung (10) in ein Oberteil (52) und ein Unterteil (53) zerlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennebene (50, 51) im Bereich des Mittelabschnittes (32, 33, 40, 41) angeordnet ist, daß der Mittelabschnitt (32, 33, 40, 41) ein Probenrohr (33), eine als Koaxial- Mikrowellenkabel ausgebildete Mikrowellenleitung (15), sowie eine Betätigungsvorrichtung für eine Ankoppelanordnung im Resonatorabschnitt (45, 46, 47) umfaßt, die von der Trennebene (50, 51) geschnitten werden, so daß sich Abschnitte des Probenrohres (33, 33a), der Mikrowellenleitung (32, 32a) sowie der Betätigungsvorrichtung beidseits der Trennebene (50, 51) erstrecken, und daß in der mindestens einen Trennebene (50, 51) mechanische und elektrische Verbindungsmittel (40-43) für das Probenrohr (33), die Mikrowellenleitung (15) sowie die Betätigungsvorrichtung vorgesehen sind, wobei die Verbindungsmittel (40-43) so ausgebildet sind, daß eine Vielzahl unterschiedlicher Unterteile (53) an dasselbe Oberteil (52) anschließbar ist.

2. Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenleitung (15) und die Betätigungsvorrichtung als gemeinsamer Koppelstab (32) ausgebildet sind.

3. Resonatoranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Trägerplatte (30) ein Adapterflansch (37) für einen Kryostaten (38) anschließbar ist.

4. Resonatoranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Trägerplatte (30) eine Temperierkammer (35) anschließbar ist.

5. Resonatoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierkammer einen von Wasser durchströmten Hohlraum (78) umfaßt.

6. Resonatoranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Probenrohr (33) ein Probenstab (34) führbar ist, der an seinem unteren Ende eine Probe (90) trägt.

7. Resonatoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenstab (34) aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff besteht.

8. Resonatoranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenstab (34) an seinem unteren Ende eine Spannvorrichtung (87, 88) für ein Probenröhrchen (89) aufweist.