DE4412064C2 - Verfahren zum Messen von gepulsten Elektronenspinresonanz-Signalen und Elektronenspinresonanz-Impulsspektrometer - Google Patents
Verfahren zum Messen von gepulsten Elektronenspinresonanz-Signalen und Elektronenspinresonanz-ImpulsspektrometerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von gepulsten
Elektronenspinresonanz-Signalen mit den Schritten:
- - Erzeugen eines ersten Signals einer hohen Mikrowellen frequenz, insbesondere von etwa 80 GHz (W-Band) oder darüber;
- - Erzeugen eines zweiten Signals einer niedrigeren Mikro wellenfrequenz, insbesondere von etwa 12 GHz (X-Band) oder darunter;
- - Mischen des ersten Signals mit dem zweiten Signal zum Erzeugen eines Mischsignals;
- - Erzeugen von gepulsten Mischsignalen mit einer für ESR- Impulsexperimente geeigneten Impulslänge
- - Beaufschlagen eines Meßresonators mit den gepulsten Misch signalen;
- - Mischen eines vom Meßresonator abgegebenen Signals mit einem vom ersten Signal abgeleiteten Signal zum Erzeugen eines Ausgangssignals auf einer niedrigen Mikrowellenfrequenz; und
- - Verarbeiten des Ausgangssignals.
Die Erfindung betrifft ferner ein Elektronenspinresonanz-Impuls
spektrometer mit
- - einem ersten Mikrowellenoszillator zum Erzeugen von Meß signalen einer hohen Mikrowellenfrequenz, insbesondere von etwa 80 GHz (W-Band) oder darüber;
- - einem zweiten Mikrowellenoszillator zum Erzeugen von Hilfs signalen einer niedrigeren Mikrowellenfrequenz, insbesondere von etwa 12 GHz (X-Band) oder darunter;
- - einem ersten Mischer zum Erzeugen eines Mischsignals durch Mischen eines Meßsignals mit einem Hilfssignal;
- - mindestens einem Pulsformkanal zum Erzeugen von gepulsten Mischsignalen mit einer für Elektronenspinresonanz-Impuls experimente geeigneten Impulslänge;
- - einem von den gepulsten Mischsignalen beaufschlagten Meß resonator;
- - einem zweiten Mischer zum Erzeugen eines Ausgangssignals auf einer niedrigen Mikrowellenfrequenz durch Mischen des vom Meßresonator abgegebenen Mischsignals mit einem vom ersten Mikrowellenoszillator abgeleiteten Signal; und
- - Mitteln zum Verarbeiten des Ausgangssignals.
Ein Verfahren und ein Spektrometer der vorstehend genannten Art
sind bekannt, beispielsweise aus dem Aufsatz "High-Frequency
Pulsed Electron Spin Resonance" von J. Allgeier et al., in L.
Kevan et al. (Hrsg.) "MODERN PULSED AND CONTINUOUS-WAVE ELECTRON
SPIN RESONANCE, Verlag John Wiley & Sons, New York, 1989, Seite
267 bis 283 oder dem Aufsatz von R.T. Weber et al. "ELECTRON SPIN
ECHO SPECTROSCOPY AT 95 GHZ" in: C.P. Keÿzers et al. (Hrsg.)
"Pulsed EPR: A new field of applications", Verlag North Holland,
Amsterdam, 1989, Seite 186 bis 190.
Die Elektronenspinresonanz ist eine seit etwa 50 Jahren bekannte
Meßtechnik, die sich mittlerweile in der Physik, der Chemie und
der Biochemie etabliert hat. Obwohl der Elektronenspinresonanz
die selben elementaren Phänomene zugrundeliegen wie der Kernreso
nanz, sind die apparativen Entwicklungen auf beiden Gebieten sehr
unterschiedlich verlaufen.
Das gyromagnetische Verhältnis von Elektronen liegt nämlich etwa
um einen Faktor 1000 höher als das von Kernen (Protonen). Klassi
sche Apparaturen der Elektronenspinresonanz arbeiteten daher bei
einer Feldstärke von 0,3 Tesla und einer Meßfrequenz im X-Band
(z. B. 9,6 GHz), während Kernresonanzexperimente bei Feldern von
1,4 Tesla und einer Meßfrequenz von 100 MHz durchgeführt wurden.
Die Frequenz- bzw. Magnetfeldbereiche lagen daher um etwa eine
Größenordnung auseinander.
Durch die Entwicklung supraleitender Magnete haben sich die Meß
frequenzen in beiden Bereichen nach oben verschoben. So werden
Kernresonanzexperimente heute bei Meßfrequenzen von bis zu
750 MHz durchgeführt, wobei die Feldstärke in der Größenordnung
von 10 Tesla liegt.
Auch in der Elektronenspinresonanz-Spektroskopie sind Messungen
bei erheblich höheren Meßfrequenzen, als oben angeführt, durch
geführt worden, beispielsweise bei 95 GHz und auch schon bei 140
GHz, wie im Aufsatz von A.Yu. Bresgunov "Pulsed EPR in 2-mm
Band", Applied Magnetic Resonance 2, Seite 715 bis 728 (1991)
beschrieben.
Während Elektronenspinresonanz-Experimente bis vor etwa 10 Jahren
ausschließlich als Dauerstrich-Experimente durchgeführt wurden,
hat sich seither auch die Technik der gepulsten Elektronenspin
resonanz entwickelt. Ein typisches Elektronenspinresonanz-Spek
trometer für gepulste Experimente ist z. B. in der DE-PS 37 26 046
beschrieben.
Bei herkömmlichen gepulsten Elektronenspinresonanz-Experimenten
in einem Feld von beispielsweise 0,35 Tesla werden Mikrowellen
impulse einer Impulslänge von 10 ns bei einer Mikrowellenleistung
von 1 kW benötigt, um den Flipwinkel für Elektronenspins zu
erreichen. Die erforderliche Auflösung beim Empfang der Impuls
signale liegt in der Größenordnung von 10-9 sec. Unter diesen
Bedingungen liegt die erwartbare Aussagekraft des Experimentes,
insbesondere die Auflösung, in der Größenordnung von Kernreso
nanz-Messungen bei einer Meßfrequenz von 14 MHz, bezogen auf
Protonen (¹H).
Wie sich aus den vorstehenden Überlegungen ergibt, stieß die
Technik der Elektronenspinresonanz-Impulsspektroskopie sehr bald
an die Grenzen des technisch Möglichen, weil elektronische
Bauteile, insbesondere Mikrowellenbauteile im Nanosekunden
bereich, insbesondere schnell schaltende Mikrowellenschalter,
auf dem nichtmilitärischen Markt kaum erhältlich waren. Bei Meß
frequenzen im X-Band sind derartige Bauteile jedoch mittlerweile
auch auf dem zivilen Markt erhältlich, so daß sich die Technik
der Elektronenspinresonanz-Impulsspektroskopie bei dieser Meß
frequenz mittlerweile ebenfalls etabliert hat.
Andererseits besteht bei allen Meßtechniken der magnetischen
Resonanz stets der Wunsch, die Meßfrequenzen soweit wie möglich
zu erhöhen, weil die Meßempfindlichkeit sich mit dem Quadrat der
Meßfrequenz erhöht.
Es sind daher, wie bereits erwähnt, schon Versuche unternommen
worden, die Meßfrequenz bei Elektronenspinresonanz-Impulsexperi
menten in den Bereich von über 100 GHz zu verschieben.
In den eingangs genannten Aufsätzen von Allgeier und Weber wird
ein (insoweit übereinstimmendes) Elektronenspinresonanz-Impuls
spektrometer beschrieben, dessen effektive Meßfrequenz bei 94,9
GHz liegt.
Zum Erzeugen des Meßsignales wird ein erster Mikrowellenoszilla
tor mit einer Frequenz von 91,9 GHz und 150 mW Ausgangsleistung
eingesetzt. Das Ausgangssignal dieses ersten Mikrowellenoszilla
tors wird in einem Mischer mit einem Signal eines zweiten Mikro
wellenoszillators gemischt, dessen Frequenz sehr viel niedriger
liegt, nämlich bei 3 GHz. Aus technischen Gründen wird das
Ausgangssignal des zweiten Mikrowellenoszillators getastet und
zwar mit einer Tastzeit von 20 µs. Dieses getastete Mikrowellen
signal von 3 GHz wird nun in einem Mischer mit dem 91,6 GHz-
Signal des ersten Mikrowellenoszillators gemischt. Durch die
Mischung entsteht ein Summensignal von 94,9 GHz, wobei die
Leistung am Ausgang des Mischers aufgrund der sich einstellenden
Verluste in den verschiedenen Bauteilen nur noch 4 mW beträgt.
Das 94,9 GHz-Signal wird daher einem Injection-Lock-Verstärker
zugeführt, der den Pegel des Signals wieder auf 210 mW anhebt.
Um nun die für die Impulsexperimente erforderlichen, sehr schma
len Impulse im Nanosekundenbereich zu erzeugen, wird bei dem
bekannten Spektrometer eine Reihenschaltung von 3 PIN-Dioden
eingesetzt, die durch separate Treiber von einem zentralen
Rechner gesteuert werden. Die PIN-Dioden liegen somit im Zweig
eines Mikrowellensignales mit hoher Frequenz (94,9 GHz) und hoher
Leistung (210 mW).
Das auf diese Weise erzeugte gepulste Mikrowellensignal wird nun
in an sich bekannter Weise über einen Zirkulator dem Meßresonator
zugeführt. Das vom Zirkulator abgehende reflektierte Signal des
Resonators wird dann einem weiteren Mischer zugeführt, der an
seinem zweiten Eingang mit dem ursprünglichen Ausgangssignal des
ersten Mikrowellenoszillators von 91,9 GHz beaufschlagt ist, so
daß ein gemischtes Ausgangssignal von wiederum 3 GHz entsteht,
das dann an einem folgenden Mischer mit einem 3 GHz-Signal des
zweiten Mikrowellenoszillators abgemischt wird.
Das bekannte Spektrometer hat jedoch mehrere Nachteile. Der
wesentliche Nachteil liegt darin, daß PIN-Dioden mit einer
Betriebsfrequenz von etwa 95 GHz noch nicht als Serienbauteile
zur Verfügung stehen und daher im nichtmilitärischen Bereich nur
zu extremen Kosten erhältlich sind. Derartige Bauteile sind
darüberhinaus äußerst empfindlich und können schon bei Berührung
mit der bloßen Hand zerstört werden. Sie haben darüberhinaus,
soweit verfügbar, eine sehr hohe Eingangsdämpfung und eine
schlechte Isolation. Selbst wenn man, wie bei dem bekannten
Spektrometer, 3 PIN-Dioden in Reihenschaltung verwendet, so ist
das Schaltverhalten nicht ausreichend und die Eingangsdämpfung
kann -20 dB erreichen. Bei dem bekannten Spektrometer wurde daher
versucht, diese hohe Eingangsdämpfung dadurch zu kompensieren,
daß man den Injection-Lock-Verstärker vorschaltet, der jedoch
bauartbedingt nur im Impulsbetrieb mit den bereits erwähnten
getasteten Signalen betreibbar ist. Es ist daher zusätzlich eine
aufwendige Zeitsteuerung erforderlich, um die PIN-Dioden so zu
schalten, daß die für die Impulsexperimente gewünschten Impuls
signale richtig in dem getasteten Ausgangssignal des Verstärkers
plaziert werden. Dies ist jedoch eine nicht akzeptable Einschrän
kung bei Elektronenspinresonanz-Impulsexperimenten, weil man bei
derartigen Experimenten die Mikrowellenimpulse zeitlich beliebig
setzen können möchte, um Totzeiten zu vermeiden. Dies gilt vor
allem dann, wenn der freie Induktionsabfall (FID) noch während
des Impulses beobachtet werden soll.
Schließlich hat das bekannte Spektrometer noch den Nachteil, daß
auch im niedriger frequenten Bereich eine spezielle Konfiguration
erforderlich ist, die es nicht gestattet, ohne weiteres alter
nativ herkömmliche Experimente bei niedrigeren Mikrowellenfre
quenzen durchzuführen, ohne das Spektrometer umbauen zu müssen.
Bei dem weiteren bekannten Spektrometer, wie es in dem eingangs
zitierten Aufsatz von Bresgunov beschrieben ist, wird ein Mikro
wellen-Meßsignal von 140 GHz über insgesamt vier Zirkulatoren
geleitet, von denen zwei mit PIN-Dioden beschaltet sind.
Auch bei diesem Spektrometer besteht daher der Nachteil darin,
daß die Schaltelemente im Signalzweig mit hoher Frequenz angeord
net sind.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und ein Spektrometer der eingangs genannten Art dahin
gehend weiterzubilden, daß zwar eine Meßfrequenz in der Größen
ordnung von 100 GHz oder darüber eingesetzt werden kann, gleich
wohl für Impulsexperimente auf bewährte und einfach erhältliche
Bauelemente zurückgegriffen werden kann, die für niedrigere
Mikrowellenfrequenzen, typischerweise im X-Band, ausgelegt sind.
Gemäß dem eingangs genannten Verfahren wird diese Aufgabe erfin
dungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Erzeugen der gepulsten Misch
signale das zweite Signal vor dem Mischen mit dem ersten Signal
gepulst wird.
Gemäß dem eingangs genannten Spektrometer wird die der Erfindung
zugrundeliegende Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
mindestens eine Pulsformkanal zwischen den zweiten Mikrowellen
oszillator und den ersten Mischer geschaltet ist.
Durch die vorstehend genannten Maßnahmen wird die Puls
formung im Kanal der niedrigeren Mikrowellenfrequenz vorgenommen,
also beispielsweise im X-Band. Für das X-Band stehen jedoch be
währte, einfach erhältliche und robuste Bauelemente zur Ver
fügung. Kunstgriffe bei der Plazierung der Mikrowellenimpulse
sind daher nicht erforderlich, so daß die Impulse in ihrer zeit
lichen Folge und Lage frei eingestellt werden können und Totzei
ten nicht auftreten. Es ist daher möglich, den freien Induktions
abfall (FID) bereits während des Impulses zu beobachten.
Da die Signalauswertung im Bereich der niedrigeren Mikrowellen
frequenz vorgenommen wird, können alle bekannten Auswertemethoden
eingesetzt werden, beispielsweise das Verfahren der Quadratur
detektion. Auch ist es aus diesem Grunde nicht erforderlich, die
Steuerprogramme (Software) für das Spektrometer umzuschreiben,
weil auch komplexe Impulsfolgen wie phase cycling oder auch
mehrdimensionale Experimente bei den hohen Mikrowellenfrequenzen
durchgeführt werden können, ohne wesentliche Veränderungen
vornehmen zu müssen.
Im Rahmen der Erfindung ist ein Frequenzbereich in der Größen
ordnung von 100 GHz bevorzugt. Die Erfindung ist jedoch auf
diesen Frequenzbereich nicht eingeschränkt. Vielmehr sind Anwen
dungen zwischen 20 und 250 GHz möglich, d. h. am oberen Ende des
Bereiches bis in die Nähe des Überganges zum Infrarot.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das zweite
Signal beim Pulsen nach Amplitude und nach Phase eingestellt.
Zu diesem Zweck umfaßt der Pulsformkanal Mittel zum Einstellen
der Amplitude und der Phase.
Diese an sich bekannte Maßnahme hat den Vorteil, daß die Impulse
auch bei der hohen Mikrowellenfrequenz so beliebig eingestellt
werden können, wie dies bei herkömmlichen Spektrometern mit
niedrigerer Mikrowellenfrequenz der Fall war.
Bei einer weiteren Weiterbildung der Erfindung wird das vom
Meßresonator abgegebene Signal zum Erzeugen des Ausgangssignals
mit dem ersten Signal selbst gemischt. Zu diesem Zweck wird der
zweite Mischer mit dem ersten Signal beaufschlagt.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sich am Ausgang des zweiten
Mischers wiederum die niedrigere Mikrowellenfrequenz selbst
ergibt, die dann beispielsweise ein zweites Mal mit sich selbst
abgemischt werden kann, um ein Ausgangssignal zu erhalten.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungs
gemäßen Spektrometers sind wahlweise der Ausgang des mindestens
einen Pulsformkanales und der Eingang der Verarbeitungsmittel
mit dem Eingang bzw. dem Ausgang eines auf der niedrigeren
Mikrowellenfrequenz arbeitenden weiteren Meßresonators verbind
bar.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das Spektrometer mit wenigen
Handgriffen umgebaut werden kann, um einerseits Experimente bei
der höheren Mikrowellenfrequenz (W-Band) oder bei der niedrigeren
Mikrowellenfrequenz (X-Band) durchführen zu können.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der
beigefügten Zeichnung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Elektronenspinresonanz-
Impulsspektrometers nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Elektronenspinresonanz-Impulsspek
trometers.
Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild eines bekannten
Elektronenspinresonanz-Impulsspektrometers entspricht der Anord
nung, die in den eingangs genannten Aufsätzen von Allgeier und
Weber beschrieben ist.
Das bekannte Spektrometer ist insgesamt mit 10 bezeichnet. In
Fig. 1 sind jedoch nur der Sendeteil und ein Teil des Empfangs
teiles dargestellt, während die übrigen Komponenten und auch das
Magnetsystem, der Übersichtlichkeit halber fortgelassen wurden.
Ein erster Mikrowellenoszillator 11 arbeitet beispielsweise bei
einer Frequenz von 92 GHz. Das Ausgangssignal des ersten Mikro
wellenoszillators 11 wird einem Koppler 12 zugeführt, der den
wesentlichen Anteil des Ausgangssignales auf einen ersten Mischer
13 leitet. Der erste Mischer 13 wird an seinem zweiten Eingang
vom Ausgang eines zweiten Mikrowellenoszillators 14 beaufschlagt,
der bei einer wesentlich niedrigeren Mikrowellenfrequenz arbei
tet, beispielsweise bei 3 GHz. Die Mikrowellenoszillatoren 11
und 14 sind über einen Frequenzlock miteinander synchronisiert,
wie mit einem Doppelpfeil 15 angedeutet.
Am Ausgang 18 des ersten Mischers 13 liegt somit ein Mischsignal
von 95 GHz als Summensignal an, wenn vorausgesetzt wird, daß das
Differenzsignal von 89 GHz weggefiltert wurde.
Das Summensignal wird nun einem Injection-Lock-Verstärker 20
zugeführt. Da dieser Verstärker bauartbedingt im getasteten
Betrieb arbeitet, ist es erforderlich, das Ausgangssignal des
zweiten Mikrowellenoszillators 14 vor seiner Zuführung zum ersten
Mischer 13 zu tasten. Hierzu dient ein Amplitudenmodulator 16
mit einem Steuereingang 17, der das Signal des zweiten Mikrowel
lenoszillators 14 im Takt von 20 µs tastet.
Dem Injection-Lock-Verstärker 20 sind mehrere Schalter in Form
von PIN-Dioden nachgeschaltet, von denen in Fig. 1 nur zwei mit
21a und 21b dargestellt sind. Über zugehörige Eingänge 22a, 22b
werden die Schalter 21a, 21b in Abhängigkeit von einem Puls
formkanal 23 durchgeschaltet oder gesperrt. Die Lage der Impulse
ist dabei nicht frei wählbar, weil die Lage der Impulse an die
Lage der Tastfolge angepaßt werden muß.
Das auf diese Weise verstärkte und gepulste Signal von 95 GHz
wird nun über einen einstellbaren Abschwächer 25 einem Zirkulator
26 zugeführt, an dessen weiteren Eingang ein Meßresonator 27
angeschlossen ist. An einem dritten Eingang des Zirkulators 36
kann nun in an sich bekannter Weise das Elektronenspinresonanz-
Signal abgenommen und einem zweiten Mischer 28 zugeführt werden.
Der zweite Mischer 28 erhält sein Referenzsignal vom Koppel
ausgang des Kopplers 12 über einen einstellbaren Abschwächer 29,
dem auch ein Phasenschieber zugeordnet sein kann. Am Ausgang 30
des zweiten Mischers 28 liegt damit ein Signal einer Frequenz
von wiederum 3 GHz an. Dieses Signal wird einem dritten Mischer
32 zugeführt, dessen Referenzeingang mit dem Ausgangssignal des
zweiten Mikrowellenoszillators 14 beschaltet ist, das dem dritten
Mischer 32 über einen Phasenschieber 31, ggf. auch einem Ab
schwächer, zugeführt wird. Am Ausgang 33 des dritten Mischers
32 liegt somit ein Gleichsignal an, das somit nur noch Modu
lationskomponenten der Feldmodulation enthält, die im nicht
dargestellten Magnetsystem auf den Meßresonator 27 einwirkt. Das
so erhaltene Signal kann nun in üblicher Weise weiterverarbeitet
werden, insbesondere im Wege der phasenselektiven Gleichrichtung.
Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Aus
führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektronenspinresonanz-
Impulsspektrometers, das insgesamt mit 50 bezeichnet ist. Auch
in Fig. 2 sind Teile der Empfangseinheit, das Magnetsystem usw.
der Übersichtlichkeit halber fortgelassen worden.
Das Spektrometer 50 unterteilt sich in ein Niederfrequenzteil 51
und ein separates Hochfrequenzteil 52. Das Niederfrequenzteil 51
ist von herkömmlicher Bauart und entspricht dem Spektrometer, wie
es in weiteren Einzelheiten in der eingangs zitierten DE-PS 37 26
046 beschrieben ist. Wegen weiterer Einzelheiten darf daher auf
diese DE-PS verwiesen werden, deren Offenbarungsgehalt hiermit
zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Das Niederfrequenzteil 51 umfaßt einen ersten Mikrowellenoszilla
tor 60 mit einer Betriebsfrequenz von beispielsweise 10 GHz, also
im X-Band. Der erste Mikrowellenoszillator 60 arbeitet auf einen
Verstärker 61. An den Ausgang des Verstärkers 61 sind mehrere
Pulsformkanäle angeschlossen, von denen in Fig. 2 drei mit 62a,
62b und 62c dargestellt sind. Die Pulsformkanäle 62a bis 62c
umfassen jeweils Mittel zum Schalten, zum Einstellen der Am
plitude und zum Einstellen der Phase. Auf diese Weise können
beliebige Impulssequenzen eingestellt werden.
Am Ausgang der Pulsformkanäle 62a bis 62c befindet sich noch ein
gemeinsamer Amplitudenregler 63, beispielsweise in Form einer
Mikrowellendiode. Deren Ausgang ist wiederum auf einen Verstärker
64 geführt, dessen Ausgang 65 bei herkömmlichen Messungen mit
dem X-Band-Meßresonator verbunden ist, wie in Fig. 2 mit einer
gestrichelten Linie angedeutet ist. Eine zweite gestrichelte
Linie symbolisiert, daß bei Einsatz eines herkömmlichen X-Band-
Resonators dessen Ausgangssignal auf einen Eingang 66 einer
weiteren Signalverarbeitung gelangt, die ebenfalls bei 10 GHz
arbeitet. Diese Verarbeitung umfaßt im dargestellten Ausführungs
beispiel zwei parallel geschaltete Mischer 67a, 67b, deren
Eingänge 68a, 68b mit einem Signal vom ersten Mikrowellenoszilla
tor 60 beaufschlagt werden. An den Ausgängen 69a, 69b stellt sich
daher ein Gleichsignal ein, das anschließend über Verstärker 70a,
70b Ausgängen 71a, 71b zugeführt wird. Das dort anliegende
Gleichsignal enthält nur noch Modulationskomponenten der nicht
dargestellten Feldmodulation des Spektrometers 50.
Um das Spektrometer 50 mit dem herkömmlichen Niederfrequenzteil
51 auch für Messungen bei hohen Mikrowellenfrequenzen verwendbar
zu machen, ist der herkömmliche X-Band-Meßresonator stillzulegen
und der Ausgang 65 sowie der Eingang 66 mit dem Hochfrequenzteil
52 zu verbinden, wie nachstehend erläutert werden wird:
Das Hochfrequenzteil 52 umfaßt einen zweiten Mikrowellenoszilla tor 80, dessen Arbeitsfrequenz z. B. bei 85 GHz liegt. Das Aus gangssignal des zweiten Mikrowellenoszillators 80 wird auf einen zweiten Mischer 81 geführt, dessen Referenzeingang mit dem Ausgang 65 beschaltet ist. Da am Ausgang 65 ein 10 GHz-Signal anliegt, beträgt die Frequenz des Signales am Ausgang 82 des zweiten Mischers 81 95 GHz als Summenfrequenz, wobei die Diffe renzfrequenz von 75 GHz wegen des sehr viel größeren Frequenz abstandes (verglichen mit dem Stand der Technik gemäß Fig. 1) von selbst weggefiltert wird, weil die Mikrowellenbauteile in diesem Frequenzbereich eine Bandbreite von weit weniger als 20 GHz haben.
Das Hochfrequenzteil 52 umfaßt einen zweiten Mikrowellenoszilla tor 80, dessen Arbeitsfrequenz z. B. bei 85 GHz liegt. Das Aus gangssignal des zweiten Mikrowellenoszillators 80 wird auf einen zweiten Mischer 81 geführt, dessen Referenzeingang mit dem Ausgang 65 beschaltet ist. Da am Ausgang 65 ein 10 GHz-Signal anliegt, beträgt die Frequenz des Signales am Ausgang 82 des zweiten Mischers 81 95 GHz als Summenfrequenz, wobei die Diffe renzfrequenz von 75 GHz wegen des sehr viel größeren Frequenz abstandes (verglichen mit dem Stand der Technik gemäß Fig. 1) von selbst weggefiltert wird, weil die Mikrowellenbauteile in diesem Frequenzbereich eine Bandbreite von weit weniger als 20 GHz haben.
Der Ausgang 82 des zweiten Mischers 81 ist mit einem Zirkulator
83 verbunden, dessen weiterer Eingang mit einem Meßresonator 84
und dessen dritter Eingang mit einem dritten Mischer 85 beschal
tet ist. Der dritte Mischer 85 wird an seinem Referenzeingang
mit einem Signal vom zweiten Mikrowellenoszillator 80 beauf
schlagt, wobei ein Referenzregler 86 für eine Einstellung von
Phase und/oder Amplitude sorgt. Am Ausgang 87 des dritten Mi
schers 85 liegt somit wieder ein 10 GHz-Signal an. Dies wird in
einem Verstärker 88 verstärkt und dann dem Eingang 66 im Nieder
frequenzteil 51 zugeleitet.
Die Wirkungsweise des Spektrometers 50 ist wie folgt:
Im Niederfrequenzteil 51 wird über die Elemente 60 bis 64 ein gepulstes Mikrowellensignal einer Frequenz von 10 GHz erzeugt, wobei die Mikrowellenimpulse nach Amplitude, Impulsdauer und Impulslage in herkömmlicher Weise so eingestellt sind, daß Elektronenspinresonanz-Impulsexperimente durchgeführt werden können. Dieses gepulste 10 GHz-Signal wird im zweiten Mischer 81 mit dem Ausgangssignal des zweiten Mikrowellenoszillators 80 von 85 GHz gemischt, so daß die in herkömmlicher Weise erzeugten Impulse auf die gewünschte hohe Mikrowellenfrequenz hochgemischt werden. Das Impulsexperiment kann nun im Meßresonator 84 bei der hohen Mikrowellenfrequenz durchgeführt werden. Das Ausgangssignal des Meßresonators 84 wird dann wieder auf 10 GHz heruntergemischt und kann in den vorhandenen Elementen des Niederfrequenzteiles 51 verarbeitet werden.
Im Niederfrequenzteil 51 wird über die Elemente 60 bis 64 ein gepulstes Mikrowellensignal einer Frequenz von 10 GHz erzeugt, wobei die Mikrowellenimpulse nach Amplitude, Impulsdauer und Impulslage in herkömmlicher Weise so eingestellt sind, daß Elektronenspinresonanz-Impulsexperimente durchgeführt werden können. Dieses gepulste 10 GHz-Signal wird im zweiten Mischer 81 mit dem Ausgangssignal des zweiten Mikrowellenoszillators 80 von 85 GHz gemischt, so daß die in herkömmlicher Weise erzeugten Impulse auf die gewünschte hohe Mikrowellenfrequenz hochgemischt werden. Das Impulsexperiment kann nun im Meßresonator 84 bei der hohen Mikrowellenfrequenz durchgeführt werden. Das Ausgangssignal des Meßresonators 84 wird dann wieder auf 10 GHz heruntergemischt und kann in den vorhandenen Elementen des Niederfrequenzteiles 51 verarbeitet werden.
Hieraus folgt, daß die Komponenten des Niederfrequenzteiles 51
nicht verändert zu werden brauchen, da sowohl das Signal am
Ausgang 65 ohne weitere Maßnahmen im Hochfrequenzteil 52 ver
arbeitet werden kann und andererseits das am Eingang 66 anliegen
de Meßsignal von der selben Art ist wie ein Meßsignal, das bei
einem herkömmlichen Betrieb im X-Band erzeugt würde.
Das erfindungsgemäße Spektrometer 50 kommt daher hinsichtlich
der impulserzeugenden Bauelemente (Pulsformkanäle 62a bis 62c)
mit herkömmlichen Bauteilen im X-Band aus. Ferner kann das
Spektrometer 50 durch wenige Handgriffe vom X-Band-Betrieb zum
beispielsweise W-Band-Betrieb umgebaut werden. Schließlich können
alle vorhandenen Impulsprogramme nach Erzeugung und Auswertung
ohne jegliche Modifikationen eingesetzt werden.
Claims (9)
1. Verfahren zum Messen von gepulsten Elektronenspinresonanz-
Signalen mit den Schritten:
- - Erzeugen eines ersten Signals einer hohen Mikrowellen frequenz, insbesondere von etwa 80 GHz im W-Band oder darüber;
- - Erzeugen eines zweiten Signals einer niedrigeren Mikrowellenfrequenz, insbesondere von etwa 12 GHz im X-Band oder darunter;
- - Mischen des ersten Signals mit dem zweiten Signal zum Erzeugen eines Mischsignals;
- - Erzeugen von gepulsten Mischsignalen mit einer für ESR-Impulsexperimente geeigneten Impulslänge;
- - Beaufschlagen eines Meßresonators (27; 84) mit den gepulsten Mischsignalen;
- - Mischen eines vom Meßresonator (27; 84) abgegebenen Signals mit einem vom ersten Signal abgeleiteten Signal zum Erzeugen eines Ausgangssignals auf einer niedrigeren Mikrowellenfrequenz; und
- - Verarbeiten des Ausgangssignals,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen der gepulsten
Mischsignale das zweite Signale vor dem Mischen mit dem
ersten Signal gepulst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das zweite Signal beim Pulsen nach Amplitude und nach Phase
eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das vom Meßresonator (27; 84) abgegebene Signal zum
Erzeugen des Ausgangssignals mit dem ersten Signal selbst
gemischt wird.
4. Elektronenspinresonanz-Impulsspektrometer mit
- - einem ersten Mikrowellenoszillator (11; 80) zum Erzeugen von Meßsignalen einer hohen Mikrowellen frequenz, insbesondere von etwa 80 GHz im W-Band oder darüber;
- - einem zweiten Mikrowellenoszillator (14; 60) zum Erzeugen von Hilfssignalen einer niedrigeren Mikrowel lenfrequenz, insbesondere von etwa 12 GHz im X-Band oder darunter;
- - einem ersten Mischer (13; 81) zum Erzeugen eines Mischsignals durch Mischen eines Meßsignals mit einem Hilfssignal;
- - mindestens einem Pulsformkanal (23; 62a bis 62c) zum Erzeugen von gepulsten Mischsignalen mit einer für Elektronenspinresonanz-Impulsexperimente geeigneten Impulslänge;
- - einem von den gepulsten Mischsignalen beaufschlagten Meßresonator (27; 84);
- - einem zweiten Mischer (28; 85) zum Erzeugen eines Ausgangssignals auf einer niedrigen Mikrowellen frequenz durch Mischen des vom Meßresonator (27; 84) abgegebenen Mischsignals mit einem vom ersten Mikro wellenoszillator (11; 80) abgeleiteten Signal; und
- - Mitteln (31 bis 33; 66 bis 71, 88) zum Verarbeiten des Ausgangssignals,
dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Puls
formkanal (62a bis 62c) zwischen den zweiten Mikrowellen
oszillator (60) und den ersten Mischer (81) geschaltet
ist.
5. Spektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der mindestens eine Pulsformkanal (62a bis 62c) Mittel
zum Einstellen der Amplitude und der Phase umfaßt.
6. Spektrometer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Mischer (85) mit dem ersten Signal
beaufschlagt wird.
7. Spektrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise der Ausgang des
mindestens einen Pulsformkanals (62a bis 62c) und der
Eingang der Verarbeitungsmittel (31 bis 33; 66 bis 71;
88) mit dem Eingang bzw. dem Ausgang eines auf der niedrigen
Mikrowellenfrequenz arbeitenden weiteren Meßresonators
verbindbar sind.
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