DE2227725A1

DE2227725A1 - Resonator fuer ein mit gyromagnetischer resonanz arbeitendes spektrometer

Info

Publication number: DE2227725A1
Application number: DE2227725A
Authority: DE
Inventors: Andre Dunand; Christian Lafond
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-06-07
Filing date: 1972-06-07
Publication date: 1973-01-04
Also published as: GB1353423A; US3783419A; DE2227725B2; FR2140744A5

Description

Unser Zeichen: T 1225

THOMSON-CSP

173, Bä.Haussraann

Paris 8eme, Frankreich

Resonator für ein mit gyromagnetischer Resonanz arbeitendes Spektrometer

Die Erfindung betrifft Resonatoren, die bei den mit gyromagnetischer Resonanz arbeitenden Spektrometern verwendet werden.

Derartige Spektrometer enthalten einen Resonator, der auf eine Frequenz f abgestimmt ist und mit dieser gleichen Frequenz erregt wird; die Probe wird so angeordnet, daß sie eine enge induktive Kopplung mit dem Resonator aufweist, und sie wird andrerseits der Wirkung eines magnetischen Gleichfeldes H ausgesetzt, das senkrecht zu dem im Resonator erzeugten magnetischen Wechselfeld s'teht, und dessen Wert langsam verändert wird, so daß nacheinander die verschiedenen Resonanzen (nukleare magnetische Resonanzen oder elektronische paramagnetis ehe Resonanzen) der Probe für die Frequenz f erscheinen.

An diesen Resonator ist eineDetektorschaltung angeschlossen, Sie enthält beispielsweise eine Brückenschaltung, die einerseits mit dem Hochfrequenzgenerator und andrerseits mit dem Resonator verbunden ist.
Lei/Ba

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Die Eigenschaften, die für den Resonator gefordert werden, damit die Empfindlichkeit des Spektrometer erhalten wird, sind einerseits ein großer Gütefaktor Q und andrerseits ein hoher Pül!faktor η , wobei dieser Füllfaktor die Konzentration derKraftlinien des von dem Resonator unter dem Einfluß der Erregung durch den Hochfrequenzgenerator erzeugten elektromagnetischen Feldes in dem von der Probe eingenommenen Volumen ausdrückt.

Es ist andrerseits erwünscht, daß der Resonator aus Gründen dea Raumbedarfs ein verhältnismäßig kleines Volumen einnimmt.

Es ist bereits ein Resonator bekannt, der durch zwei in Serie geschaltete Leeher-Leitungen gebildet i3t.

Die Leiter der ersten Leitung haben einen Querschnitt in Form von konzentrischen Kreisbögen, die 3ich über einen Winkel von etwas weniger als 180° erstrecken und bis auf zwei Schlitze ein zylindrisches Volumen seitlich begrenzen. Die Leiter der zweiten Leitung sind symmetrisch in der axialen Verlängerung der das zylindrische Volumen begrenzenden Zylinder fläche angeordnet, doch haben ihre Querschnitte die Form von Kreisbögen mit einem kleineren Öffnungswinkel; diese zweite Leitung ist an ihrem Ende kurzgeschlossen. Die erste Leitung, die im wesentlichen kapazitiv ist, hat einen Wellenwiderstand Z^, und die zweite Leitung, die im wesentlichen induktiv ist, hat einen größeren Wellenwiderstand Z₂. Die ganze Anordnung ist die Nachbildung einer Viertelwellenlängenleitung, die am einen Ende kurzgeschlossen und am anderen Ende offen ist, wobei aber die kapazitiven und induktiven Impedanzen in zwei verschiedenen Abschnitten des Resonators lokalisiert sind. Die Achse des die Probe enthaltenden Rohres

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fällt mit der Achse des zuvor erwähnten zylindrischen Volumens (Resonatorachse) zusammen, und der analysierte Teil der Probe liegt auf der Höhe der zweiten Leitung, wo das magnetische Wechselfeld des Hohlraums sehr groß ist. Der Resonator steht unter einem magnetischen Gleichfeld, das parallel zu der Resonatorachse liegt.

Dieser Resonator weist nebengswissen Vorteilen zwei Nachteile auf:

1. Damit die Einführung der Probe die Homogenität der Magnetfelder auf der Höhe der zweiten Leitung nicht stört, ist es notwendig, daß das Probenträgerrohr in das Innere des zylindrischen Volumens des eine hohe Kapazität aufweisenden Teils des Resonators.eindringt, was zur Folge hat, daß die Abstimmung des Resonators durch Änderung des dielektrischen Mediums (die von der Art der Probe abhängt) merklich verändert wird.

2. Der Füllfaktorη wächst mit dem Verhältnis Z₂ZZ₁. Man ist hinsichtlich einer Vergrößerung von Z^ dadurch beschränkt, daß es notwendig ist, eine große Homogenität der Magnetfelder in dem zylindrischen Raum mit großer Induktion zu gewährleisten; auf Grund dieser Tatsache ist der Wellenwiderstand Z^ des bekannten Resonators zu groß.

Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung dieser Nachteile.

Nach der Erfindung ist ein Resonator für ein mit gyromagnetischer Resonanz arbeitendes Spektrometer mit einem zylinürischenRaum zur Aufnahme einer zu untersuchenden Probe, der zwei in axialer Richtung aufeinanderfolgende Abschnitte aufweist, wobei auf der Höhe den ersten Abschnitts an dessen Außenseite die beiden Leiter einer im wesentlichen kapazitiven aasten Leitung angeordnet sind, während auf der Höhe des zweiten

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Abschnitts an dessen Außenseite die beiden Leiter einer zweiten Leitung angeordnet sind, die eine im wesentlichen induktive Lecher-Leitung ist, deren Wellenwiderstand größer als der Wellenwiderstand der ersten Leitung ist, und wobei die beiden Leiter der zweiten Leitung an einem Ende jeweils mit einem Leiter der ersten Leitung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt des zylindrischen Raumes wenigstens in der Nähe des zweiten Abschnitts gegen das von der ersten Leitung stammende elektrische Feld geschützt ist.

Ausrührungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Pig. 1 eine erste Ausführungsform eines Resonators nach der Erfindung und

Fig.2 eine zweite Ausführungsforoi eines Resonators nach der Erfindung.

Fig.1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Resonators für ein mit gyromagnötischer Resonanz arbeitendes Spektrometer mit einer möglichen Art der Verbindung des Resonators rait einer Meßbrücke.

Der !Resonator enthält einen isolierenden Körper, der durch ein Rohr gebildet ist, das beispielsweise aus Pyrex oder aus Siliziumoxid besteht; auf der Außenwand des Rohres sind die Leiter von zwei Leitungen durch Metallisierung oder durch Aufkleben von Metallfolien, beispielsweise von Silberfolien gebildet.

Zur Vereinfachung soll in der folgenden Beschreibung angenommen werden, daß es sich im vorliegenden Fall um eine Metallisierung handelt.

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Der Klarheit wegen ist dieses Rohr T nur durch seine (metallisierte) Stirnfläche im oberen Teil der Zeichnung dargestellt.

Ferner sind der Klarheit der Zeichnung wegen die Maßstabverhältnisse nicht eingehalten worden. Ein Dimensionierungsbeispiel wird später angegeben.

Die erste Übertragungsleitung ist bei dem Ausführungsbeispiel von Pig.1 eine Koaxialleitung, deren beide Leiter und 12 durch Metallisierungen gebildet sind,.die über eine bestimmte Länge auf der Innenwand bzw. auf der Außenwand des Rohres angebracht sind. Da die beiden Leiter sehr nahe beieinanderliegen, Ist diese Leitung im wesentlichen kapazitiv, und sie weist daher eine sehr kleine Impedanz auf.

Die zweite Leitung ist eine Lecher-Leitung, die durch zwei Leiter gebildet ist,deren Querschnitte Kreisbögen sind, die sich über einen mehr oder weniger großen Winkel erstrecken, der jedoch ausreichend klein ist, so daß diese Leitung im wesentlichen induktiv ist und eine große Impedanz gegen die Impedanz der ersten Leitung aufweist. Der eine Leiter 21 der Lecher-Leitung ist auf der Innenwand des Rohres gebildet, und der andere Leiter 22 auf der Außenwand des Rohres, damit diese Leiter mit dem Innenleiter 11 bzw. dem -Außenleiter 12 der ersten Leitung verbunden werden können.

Das Kurzschließen des Resonators am oberen Ende erfolgt

in diesem Fall durch einen kurzen Koaxialleitungsabschnitt, dessen Leiter 31 und 32 am einen Ende der Leitung mit dem Leiter 21 bzw. dem Leiter 22 verbunden sind, während die aus den Leitern 31 und 32 gebildete Koaxialleitung an ihrem anderen Ende kurzgeschlossen ist. Dieser Koaxiallei tungs-Endabschnitt ermöglicht eine bessere Begrenzung des induktiven Teils des Resonators in der Längsrichtung und

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eine Verringerung der Energie strahl ung.

Nach unten hin ist der Leiter 11 der Koaxialleitung 11-12 über den leiter 12 hinaus bis zum unteren Ende des Rohres T verlängert, und diese Verlängerung ist über eine bestimmte Länge von einer Metallisierung 20 umgeben, die von dem Leiter 12 getrennt und auf der Außenwand des Isolierrohres gebildet ist; diese Metallisierung bildet zusammen mit dem Leiter 11 eine Kopplungskapazität.

Diese Kapazität kann entfallen, wenn der Leiter 20 bis zum unteren Ende des Rohres T und über die untere Stirnfläche des Rohres T derart verlängert wird, daß er elektrisch mit dem Innenleiter 11 verbunden ist.

In dem Außenleiter 12 ist in der Nähe des offenen Endes der Leitung 11-12 mittels eines in der Metallisierung angebrachten UmfangsSchlitzes ein Sektor 13 isoliert, der eine enge kapazitive Kopplung mit dem Innenleiter 11 aufweist.

Auf dem Sektor 13 ist bei 14 ein Leiter 15 angelötet, der über einen einstellbaren Kondensator 16 mit dem Innenleiter eines Koaxialkabels 50 verbunden ist, welches den Resonator mit der Meßbrücke verbindet.

Ein'zweiter Draht 18 ist bei 17 an dem Leiter 12 selbst angelötet; der Draht 18 ist mit Masse, mit dem Außenleiter des Koaxialkabels 50 und mit der ersten Belegung eines einstellbaren Kondensators 19 verbunden. Die zweite Belegung des Kondensators 19 ist mit dem anen Ende eines Leiters verbunden , dessen anderes Ende bei 26 an dem leitenden Ring 20 angelötet ist.

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Der Kondensator 16 ermöglicht die Anpassung des Resonators an das Kabel 50.

Der einstellbare Kondensator 19 ermöglicht die Verbesserung der Abstimmung,die durch die Dimensionierung des Resonators und die Kapazität 11-20 erzielt ist.

In der Zeichnung ist ferner ein Probenträger rohr 10 dargestellt, das koaxial zu den Koaxialleitungen des Resonators angeordnet ist. Dieses Rohr, das an seinem oberen Teil von an sich bekannten Einrichtungen gehalten wird, ist hier abgebrochen dargestellt.

Es ist zu erkennen, daß bei dieser Ausführungsform die innere Belegung 11 des Koaxialkabels 11-12 eine Abschirmung bildet, die verhindert, daß die Abstimmfrequenz des Resonators durch die Einführung der Probe verändert wird.

Die Abmessungen können näherungsweise so berechnet werden, daß eine gegebene Abstimmfrequenz erhalten wird, wobei es am einfachsten ist, die Abstimmfrequenz genau durch die Erfahrung zu bestimmen. Unter sonst gleichen Voraussetzungen wächst die Abstimmfrequenz mit einer Verringerung der Länge der Leitungen.

Pur eine Abstiramfrequenz von' 240 MHz und ein Siliziumoxidrohr, dessen Y/anddicke 0,5 mm beträgt, gelten beispielsweise folgende Abmessungen:

Länge der ersten Leitung: 45 mm

Länge der zweiten Leitung : 6 mm

Länge der kurzgeschlossenen Leitung: 15 mm Außenradius der Koaxialleitungen: 3,5 mm Öffnungswinkel der Querschnitte der Leiter der zweiten Leitung: 50°

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Pig.2 zeigt eine weniger vollkommene Ausführungsform, die jedoch den Vorteil aufweist, daß sie ohne weiteres aus einem Resonator mit zwei Lecher-Leitungen der zuvor angegebenen bekannten Art erhalten werden kann.

Der Resonator enthält wieder ein Isolierrohr T¹, das nur durch seine Stirnfläche auf der Höhe der Trennstelle zwischen den beiden Leitungen dargestellt ist.

Die erste Lecher-Leitung besteht aus zwei Leitern 111 und 112, deren Querschnitte Kreisbögen sind, die sich Über einen Winkel von etwa 180° erstrecken, und die jeweils durch eine Metallisierung auf der Außenwand des Rohres gebildet sind.

Aus technologischen Gründen ist der Leiter 112 durch einen geschlossenen Ring 113 verlängert, der von dem Leiter 111 durch einen horizontalen Schlitz in der Metallisierung der Außenwand isoliert ist.

Die zweite Lecher-Leitung ist von gleicher Art, wie die Lecher-Leitung von Fig«1, doch sind in diesem Fall ihre beiden Leiter 101 und 102 auf der Außenwand des Isolierrohres gebildet, und sie erstrecken sich bei diesem Beispiel über einen kleineren Winkel. Der abschließende Kurzschluß ist'durch einen einfachen leitenden Ring 103 gebildet.

Die Abschirmung erfolgt in diesem Pail durch ein leitendes Rohr 130, das durch eine innere Metallisierung des Rohres T¹ gebildet ist, wobei diese Metallisierung die Innenseite des Rohres wenigstens auf der Höhe des oberen Teils der ersten Lecher-Leitung bedeckt und sich vorzugsweise bis zum unteren Ende des Resonators erstreckt.

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Diese Abschirmung kann auf ein konstantes Potential gelegtwerden, doch zeigt die Erfahrung, daß 3ie auch auf einem festpunktlosen Potential liegen kann.

Ferner ist in Pig.2 ein Probenträgerrohr 110 dargestellt.

Die Verbindungen desResonators mit den beiden Leitern des Koaxialkabels 150 für die Kopplung des Resonators mit der Meßbrücke erfolgen mit Hilfe von Leiterdrähten 115 und 118, die bei 131 an einem Ende des Leiters 111 bzw. bei 132 an dem die Verlängerung des Leiters 112 bildenden zylindrischen Teil 113 angelötet sind. Der Draht 118 ist an Masse gelegt und andrerseits über einen einstellbaren Abstimmkondensator 119 mitdem Draht 115 verbunden. Ein Anpasaungakondenaator 116 ist zwischen der Klemme 131 und dem Innenleiter des Kabels 150 in den Draht 115 eingefügt.

Auch diese Ausbildung ergibt einen Raum, der im wesentlichen frei von elektrischen Feldern ist, in dem Teil des Resonators," der eine große Kapazität aufweist, die durch das Vorhandensein derProbe gestört werden könnte.

Andrerseits ergibt das Vorhandensein der Abschirmung 130 in kleinem Abstand von den Leitern 111 und 112 eine Verringerung der Impedanz Z.. der ersten Leitung.

Pat en ta na prüche

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Claims

Pate nt a ns prüohe

1.) Resonator für ein mit gyroraagnetischer Resonanz arbeitendes Spektrometer mit einem zylindrischen Raum zur Aufnahme einer zu untersuchenden Probe, der zwei in axialer Richtung aufeinanderfolgende Abschnitte aufweist, wobei auf der Höhe des ersten Abschnitts an dessen Außenseite die beiden Leiter einer im wesentlichen kapazitiven ersten Leitung angeordnet sind, während auf der Höhe des zweiten Abschnitts an dessen Außenseite die beiden Leiter einer zweiten Leitung angeordnet sind, die eine im wesentlichen induktive Lecher-Leitung ist, deren Wellenwiderstand größer als der Wellenwiderstand der ersten Leitung ist, und wobei die beiden Leiter der zweiten Leitung an einem Ende jeweils mit einem Leiter der ersten Leitung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt des zylindrischen Raums wenigstens in der Nähe des zweiten Abschnitts gegen das von der ersten Leitung stammende elektrische Feld geschützt ist.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung eine Koaxialleitung ist, und daß der Zwischenraum zwischen den beiden Leitern der Koaxialleitung klein gegen ihre Radien ist.

3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter der Koaxialleitung einen Schlitz aufweist, der einen kleinen Abschnitt dieses Außenleitera von dem übrigen Teil des Außenleiters ringsum isoliert, und daß der Ausgang des Resonators durch zwei Drähte gebildet ist, von denen der eine Draht mit dem isolierten kleinen Abschnitt und der andere Draht mit dem verbleibenden Teil des Außenleiters verbunden sind.

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4-· Resonator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zweite Leitung eine dritte Leitung folgt, die eine am anderen Ende kurzgeschlossene Koaxialleitung ist.

5. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung eine Lecher-Leitung ist, deren beide Leiter Querschnitte in Form von Kreisbögen haben, die sich über einen Winkel von etwas weniger als 180° erstrecken, und daß ein zylindrisches Metallrohr im Innern des zylindrischen Raumes angeordnet ist, der im wesentlichen durch die beiden Leiter der ersten Leitung begrenzt ist.

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