DE3237250A1

DE3237250A1 - Schaltungskreismaessig konzentrierter resonator

Info

Publication number: DE3237250A1
Application number: DE19823237250
Authority: DE
Inventors: Wojciech Krakow Froncisz; James S. 53118 Dousman Wis. Hyde
Original assignee: Medical College of Wisconsin
Current assignee: Medical College of Wisconsin
Priority date: 1981-10-09
Filing date: 1982-10-08
Publication date: 1983-05-05
Also published as: JPS58127154A; JPH0379670B2; US4446429A

Description

-5- THE MEDICAL COLLEGE OF WISCONSIN, INC. ,Milwaukee, ¥1., VStA

Schaltungskreismäßig konzentrierter Resonator ._.-- _______ __, _________

Die Erfindung bezieht sich auf einen schaltungskreismäßig konzentrierten Resonator bzw. einen Resonator in konzentrierter Resonanzkreistechnik. Es handelt sich insbesondere um einen Mikrowellenresonator. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des Resonators liegt in der gyromagnetischen Resonanzspektroskopie.

Die gyromagnetische Resonanzspektroskopie dient zum Studium von Kernen mit einem magnetischen Moment, das kernmagnetische Resonanz (NMR) genannt wird, sowie zum Studium von Elektronen, die in einem paramagnetischen Zustand sind, der paramagnetische Resonanz (EPR) oder Elektronenspinresonanz (ESR) genannt wird.

Es gibt auch eine Reihe anderer Formen der gyromagnetischen Spektroskopie, die weniger häufig praktiziert wird, jedoch ebenfalls in den Anwendungsbereich der Erfindung fällt. Bei der gyromagnetxsehen Resonanzspektroskopie wird eine zu untersuchende Probe einem polarisierenden Magnetfeld und einem oder mehreren Hochfrequenz-Magnetfeldern ausgesetzt. Die Frequenz, Stärke, Richtung und Modulation der Magnetfelder hängt in einem hohen Maße von den zu untersuchenden Erscheinungen ab. Zur Durchführung derartiger Experimente in Laboratorien wurden Geräte benutzt, wie sie aus den US-PSn 3 358 222 und 3 559 043 bekannt sind. Eine weitverbreitete kommerzielle Anwendung hat jedoch die gyromagnetische Resonanzspektroskopie nicht erfahren.

Der Grund für die begrenzte kommerzielle Anwendung der gyromagnetisehen Resonanzspektrometer ist in ihrer Kompliziertheit und ihren hohen Kosten zu sehen. Für einige

Meßverfahren, beispielsweise Elektronenspinresonanzmessungen, benötigt man nämlich sehr hohe Frequenzen, und für andere, beispielsweise kernmagnetische Resonanzmessungen, sind sehr starke polarisierende Magnetfelder erforderlich. Darüber hinaus sind die physikalischen Aufbauten zum Anlegen mehrerer Felder an eine Probe sehr komplex, und zwar insbesondere dann, wenn die Temperatur der Probe gesteuert werden soll oder die Probe während der Messung mit Licht bestrahlt werden soll.

Zur Verwendung bei Hochfrequenzen zwischen 200 und 2000 MHz ist kürzlich von ¥. N. Hardy und L. A. Vlhitehead ein Spaltringresonator vorgeschlagen worden. Dieser Resonator zeichnet sich durch einen unkomplizierten Aufbau, einen hohen Füllfaktor (im Probenbereich gespeicherte magnetische Energie geteilt durch die gesamte gespeicherte magnetische Energie) und eine geringe Größe aus. Obgleich der vorgeschlagene Aufbau viele Vorteile gegenüber den herkömmlichen, in gyromagnetisehen Resonanzspektrometern benutzten Resonatoren bietet, stößt er bei höheren Frequenzen an seine Grenzen, und es ist schwierig, zusätzliche Magnetfelder an eine in dem Spaltringresonator enthaltene Probe richtig anzulegen.

Die Erfindung sieht nun einen Resonator vor, der sich durch eine leitende Schleife auszeichnet, die eine Mittenachse umgibt, und der sich durch mehrere in der leitenden Schleife vorgesehene Spalte auszeichnet, die die Schleife in mehrere getrennte Abschnitte unterteilen. Auf diese Weise wird ein in konzentrierter Schaltungskreistechnik ausgebildeter Resonator geschaffen, bei dem die leitende Schleife das induktive Element darstellt und bei dem die Spalte die kapazitiven Elemente bilden, die zusammen die Resonanzfrequenz des Resonators bestimmen. Innerhalb der leitenden Schleife kann man eine Probe anordnen, zu deren Untersuchung längs der Mittenachse der Schleife ein hochfrequentes Magnetfeld angelegt werden

• -7-

kann. Infolge der Vielzahl der Spalte ist das induktive Element in eine Anzahl elektrisch isolierter Abschnitte oder Stücke unterteilt» Dies bietet beim Anlegen schwingender magnetischer Felder an die Eroben große Vorteile.

Nach der Erfindung wird somit ein Resonator geschaffen, der aych auf sehr hohe Frequenzen abgestimmt werden kann. Dur-eh Hinzufügen von Spalten zu d.ej» Ifitenden Schleife kann die Resonanzfrequenz erhöht werden. Bei η identischen Spalten beträgt die Resonanzfrequenz das • \fn-fache der Resonanzfrequenz mit einem Spalt. Die Größe der Spalte kann man ändern, und zur weiteren Einstellung der Resonanzfrequenz kann man dielektrisches Material in die Spalte einfügen.

Der nach der Erfindung ausgebildete Resonator gestattet es weiterhin, daß ohne Erzeugung übermäßiger Wärme hochfrequente Magnetfelder hoher Intensität an eine Probe angelegt werden können. Durch symmetrische Anordnung der Spalte um die Mittenachse kann man das durch den Hochfrequenzgenerator erzeugte elektrische Feld-in einem Bereich um die Mittenachse minimisieren. Da das elektrische Feld dafür verantwortlich ist, daß in vielen Proben Wärme erzeugt wird, kann man ohne Überhitzung der Probe elektromagnetische Energie hoher Intensität dadurch anlegen, daß die Probe in den niedrigen Intensitätsbereich des elektrischen Feldes gebracht wird. Eine geringe Wärmeentwicklung ist von besonderer Bedeutung, wenn wäßrige Proben, beispielsweise biologische Proben, untersucht werden sollen.

Der erfindungsgemäße Resonator bietet auch den Vorteil, daß das Auftreten mechanischer Resonanzen möglichst gering ist, die sonst beim Anlegen und Zusammenspiel mehrerer Magnetfelder auftreten. Durch mehrere in der leitenden Schleife vorgesehene Spalte ist die leitende Schleife in kleinere leitende Abschnitte oder Stücke unterteilt,

die das Fließen von Wirbelströmen herabsetzen, welche durch das Anlegen hochfrequenter modulierter Magnetfelder induziert werden. Die kleineren leitenden Abschnitte wirken auch dem Auftreten stehender akustischer WeI-len entgegen, die sonst die Abmessungen des Resonators verändern und auf diese Weise Störresonanzen erzeugen.

Der nach der Erfindung ausgebildete Resonator läßt sich· auch leicht herstellen. Bei Anwendungen für niedrigere Frequenzen kann man die leitende Schleife in Form von zwei getrennten Metallstücken fertigen. Diese Metallstükke können genau bearbeitet und poliert werden, so daß beim Zusammenbau des Resonatorrings oder der Resonatorschleife die darin vorgesehenen Spalte sehr klein sein können, so daß eine niedrige Resonanzfrequenz eingestellt werden kann. Bei anderen Anwendungen ist die Möglichkeit gegeben, die leitende Schleife dadurch auszubilden, daß auf einem dielektrischen Ring eine Schicht aus leitendem Material aufgebracht wird. Die Spalte werden dann in der Weise gewonnen, daß Teile der leitenden Schicht auf dem dielektrischen Ring entfernt werden. Diesen Herstellungsvorgang kann man sehr leicht mit automatisierten Ausrüstungen vornehmen, wobei von dem leitenden Material so viel entfernt wird, bis der Resonator bei der gewünschten

Frequenz schwingt. ■

i -■■■"."

Zur genauen Abstimmung des Resonators kann man in einen oder mehrere der Spalte dielekttfisohSS Material einsetzen. Das; dielektrische Material ändert die Kapazitat der konzentrierten Schaltungselemente des Resonators und damit seine Resonanzfrequenz.

Der erfindungsgemäße Resonator verbessert die Empfindlichkeit der Spektrometer. Der Resonator hat nämlich eine relativ hohe Güte Q und einen hohen Füllfaktor. Bei höheren Frequenzen kann die Güte dadurch weiter verbessert werden, daß eine Abschirmung oder ein Schirm vorgesehen

-9-ist, der die leitende Schleife umgibt.

Darüber hinaus ist der nach der Erfindung geschaffene Resonator int Vergleich zu Hohlraumresonatoren, die bei derselben Frequenz arbeiten, abmessungsmäßig sehr klein. Dies gestattet die Verwendung von kleineren polarisierenden Magneten bei der gyromagnetxschen ResonanzspektrQskQpJgj urld zwar unter Beibehaltung der erforderlichen Feldstärke. Gleichzeitig ist damj,1| jg&ne. Hinderung der Kosten für das Spektrometer verbunden^ Ein besonderer Vorteil der geringen Abmessungen besteht auch darin» daß sehr kleine Probenmengen untersucht werden können. Dies ist bei kostspieligen Proben, die manchmal auch in ausreichenden Mengen nicht zur Verfügung stehen, von großer Bedeutung.

Darüber hinaus sorgt der nach der Erfindung ausgebildete Resonator bei einem vorgegebenen Betrag verfügbarer Hochfrequenzleistung für intensitätsreichere hochfrequente Magnetfelder.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird iffl folgenden an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

F I G . 1 eine perspektivische Ansicht eines teilweise geschnitten dargestellten Spektrometersystems, das von der Erfindung Gebrauch macht,

F I G . 2 eine Ansicht von oben auf den Resonator und die umlaufende Abschirmung, die einen Teil des Systems nach Fig. 1 bildet,

F I G . 3 eine Ansicht von oben auf eine im System nach Fig. 1 verwendbare abgewandelte Ausführungsform aus Resonator und Abschirmung,

F I G . 4 eine Ansicht von oben auf den Resonator nach Fig. 2 mit einer zum minimalen Erhitzen eingesetzten Probe,

F I G . 5 eine Ansicht von oben auf eine dritte abgewandelte Ausführungsform des Resonators,

F I G . 6 eine perspektivische Ansicht einer vierten abgewandelten Ausführungsform des Resonators,

F I G . 7 eine perspektivische Ansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels des in Fig. 6 dargestellten Mikrowellenresonators und

F I G . 8 eine perspektivische Ansicht einer fünften abgewandelten Ausführungsform des Resonators.

Zur Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung soll zunächst insbesondere auf Fig. 1 und 2 verwiesen werden. Ein gyromagnetisches Resonanz spektrometer enthält einen zweistückigen, kreiszylindrischen Metallresonator 1, der längs einer vertikalen Mittenachse 2 ausgerichtet ist. Ein Rohr 3, das eine zu prüfende Probe enthält, durchsetzt den Resonator 1, und ein kreiszylindrischer Schirm 4 verläuft rund um den Re-

• * <t *

sonator 1. Ein Koaxialkabel 5, das mit einer nicht gezeigten Hpchfrequenzquelle verbunden ist, weist an seinem einen Ende eine Schleife 6 auf, die dem einen Ende des Resonators 1 benachbart ist. Das von der Schleife 6 erzeugte elektromagnetische Feld ist mit dem Resonator 1 induktiv gekoppelt, und der Kopplungsgrad kann durch Verändern der axialen Position der Schleife 6 eingestellt werden. An den erläuterten Aufbau kann man auch mit Hilfe eines größen Magneten ein polarisierendes Magnetfeld anlegen, und an Stellen, die für die vorzunehmende Messung geeignet sind, können Feldmodulationsspulen vorgesehen sein. Es ist fürwahr ein bedeutender Vorteil der Erfindung, daß die innerhalb des Rohres 3 vorgesehene Probe ohne weiteres, zahlreichen Feldern veränderlicher Stärke und Orientierung ausgesetzt werden kann, womit die Möglichkeit gegeben ist, eine große Vielfalt von Meßverfahren zu verwirklichen.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Resonator 1 ist ein schaltungskreismäßig konzentrierter Hohlraumresonator, der bei einer durch seine Geometrie bestimmte Hochfrequenz in Resonanz schwingt. Im Gegensatz zu schaltungskreismäßig verteilten Hohlraumresonatoren hat der nach der Erfindung ausgebildete schaltungskreismäßig konzentrierte Resonator 1 Abmessungen, die viel kleiner als die Wellenlänge des Hochfrequenzsignals sind, bei dem der Resonator in Resonanz schwingt. Ein zusätzliches Merkmal dieses Resonators in konzentrierter Resonanzkreistechriik ist, daß die kapazitiven und induktiven Elemente identifizierbar sind und daß die elektromagnetische Energie zwischen einem von dem induktiven Element erzeugten Magnetfeld und einem von dem kapazitiven Element erzeugten elektrischen Feld schwingt.

Diese Merkmale des erfindungsgemäßen Resonators sind mit einer Reihe von Vorteilen verbunden. Das induktive Element im Resonator 1 ist die Schleife oder der Ring, der

durch zwei metallische Stücke 7 und 8 gebildet wird. Das J kapazitive Element wird durch Längsspalte 9 und 10 gebil-

; det, die bei den Verbindungsstellen zwischen den beiden

Stücken 7 und 8 vorhanden sind. Der Betrag des vom Resonator 1 erzeugten Magnetfelds hat sein Maximum längs der ' Mittenachse 2. Das vom Resonator erzeugte elektrische

Feld hat sein Maximum bei den Spalten 9 und 10. Eine längs der Mittenachse 2 angeordnete Probe ist daher einem Magnetfeld hohen Pegels und einem elektrischen Feld niedrigen Pegels ausgesetzt. Dies ist bei der gyromagnetisehen j Resonanzspektroskopie sehr erwünscht, da es die Magnet-

Vw- feldintensität ist, die zur Förderung gyromagnetischer

Resonanzerscheinungen erforderlich ist. Ein Merkmal des ; Resonators 1 besteht auch tatsächlich darin_t daß der

"Füllfaktor" sehr hoch ist, so daß ein äußerst empfindliches Meßinstrument bereitgestellt wird. Der Füllfaktor ist das Verhältnis der gesamten magnetischen Energie in dem von der Probe eingenommenen Raum geteilt durch die gesamte magnetische Energie im Resonator. Je höher der Füllfaktor ist, um so größer ist die Empfindlichkeit.

Obgleich es zahlreiche mögliche Abwandlungen bezüglich der Form und Größe des Resonators 1 gibt, ist der Resonator für Hochfrequenzen im Mikrowellenbereich des

ι 25 Spektrums besonders geeignet. Wie es noch im einzelnen dargelegt wird, kann der erfindungsgemäße Resonator so

konstruiert werden, daß er über einen sehr großen Bereich von Frequenzen' in Resonanz schwingen kSftnj So daß er nicht nur für eine große Anzahl gyromagjnetischer Resonanzmeßverfahren anwendbar ist, sondern aucti allgemeine Anwendung bei der Mikrowellenkommunikation findet.

Fig. 2 läßt besonders gut erkennen, daß der grundsätzliche Resonator 1 nach der Erfindung eine leitende Schleife aufweist, die von den beiden metallischen Stücken 7 und 8 gebildet wird. Die Stücke 7 und 8 sind voneinander

beabstandet, so daß die Spalte 9 und 10 entstehen. Der Schirm 4 umgibt den Resonator 1, und er hat die Aufgabe, elektromagnetische Abstrahlungen zur Umgebung zu unterdrücken und im Mikrowellenfrequenzböreich die Güte "Q" des Resonators 1 zu verbessern. Der-beabsichtigte Zweck wird am besten erreicht, wenn der Radius R des Schirms 4 kleiner als eine jViertelwellenlänge der Resonanzfrequenz ist. Die Resonanzfrequenz F der .beschriebenen Anordnung läßt sich durch die folgende Gleichtang wiedergeben: 10

Dabei ist: £ = die Dielektrizitätskonstante des Mate- -"■■"■ ------ rials in den Spalten 9 und 10;

vu.- die Permeabilität des freien Raums; η ,= "die Anzahl identischer Spalte in der . leitenden Schleife}

•r .= Radius der aus den Stücken 7 und 8 gebildeten leitenden Schleife;

t = Spaltausmaß (Abstand zwischen den Stücken

7 und 8);
w ss- Spaltbreite.

Der in runde Klammern gesetzte dritte Term berücksichtigt die Wirkung von Randfeldern in der Nähe der Spalte und 10 auf die Kapazität. Für die Grenzbedingung R/r >> -und t/w «1, nimmt die obige Gleichung die folgende Form

1 ■-:.

Dabei ist Z - die Länge des Resonators 1 (die" Länge beeinträchtigt nicht die Resonanzfrequenz).

Die folgende Tabelle A listet für eine Reihe geometrischer Abmessungen mit zwei Spalten in der Resonatorschleife die Resonanzfrequenzen und die Güten Q der Anordnung auf:

Tabelle A F(GHz) Q r(mm) vr(mm) t(mm) R(mm)

3,75	1500	2,39	2,34	0,10	9,53
6,77	1230	2,51	0,65	0,15	5,08
10 9,02	1800	1,93	0,36	0,15	6,35
10,8	1080	1,93	0,36	0,15	3,56

Eine fundamentale Lehre der Erfindung besteht darin, daß die Resonanzfrequenz der Anordnung dadurch vergrößert werden kann, daß die Anzahl der Spalte in der Resonatorschleife erhöht wird. Eine wesentliche Änderung der Resonanzfrequenz wird somit am besten dadurch erreicht, daß die Anzahl der kapazitiven Elemente der Anordnung verändert wird. Die Resonanzfrequenz wird daher durch den Wert von C in der obigen Gleichung (2) eingestellt. Den Wert von C kann man im allgemeinen durch die folgende Gleichung ausdrücken:

1 1,1. 1 t,s

1 2 ^ η

Dabei gilt: 1
°n

t_n = Spaltausmaß

^wn
30

w = Spaltbreite,

In der folgenden Tabelle B sind die Resonanzfrequen zen und die Güten eines Resonators aufgelistet, bei dem die Anzahl η der Spalte verändert wird:

	F(GHz)	Q	Tabelle	B	t(mm)	R(mm)
η	4,42 6,77 9,79	1100 1230 1150	r(mm)	w (mm)	0,15 0,15 0,15	5,08 5,08 5,08
1 2 4		2,51 2,51 2,51	0,66 0,66 0,66

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 sei bemerkt, daß bei einer Reihe gyromagnetischer Resonanzmeßverfahren die sich bei einer ungeradzahligen Spaltanzahl im Resonator einstellende Symmetrie besonders nützlich ist. Bei dem in Fig. 4 dargestellten beispielsweise zweispaltigen Ausführungsbeispiel kann man ein zweites hochfrequentes elektromagnetisches Feld an eine Probe 12 sehr leicht dadurch anlegen, daß ein Hochfrequenzgenerator 13 mit den metallisehen Ringstücken 7 und 8 elektrisch verbunden wird. Die geeigneten Anschlußpunkte befinden sich mit zwischen den Spalten, Bei diesen Punkten ist das elektrische Potential Null* Die obige Vorgehensweise wird bei einem Verfahren benutzt, das als Elektronenkerndoppelresonanz (ENDOR) bekannt ist und bei dem der Hochfrequenzgenerator 13 durch einen Frequenzbereich gefahren wird, der den Resonanzfrequenzen solcher Kerne entspricht, die mit unpaarigen Elektronen gekoppelt sind.

Fig. 5 zeigt auf, daß man das gleiche Konzept auch auf Resonatoren mit zusätzlichen Spalten anwenden kann. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist die metallische Resonatorschleife durch vier Spalte 18, 19, 20 und 21 in vier Ringstücke 14, 15, 16 und 17 unterteilt. Die Spalte sind rechtwinkling um die Mittenachse 2 angeordnet. Ein erster Hochfrequenzgenerator 22 ist mit den Ringstücken 15 und 17 und ein zweiter Hochfrequenzgenerator 23 mit den Ringstücken 14 und 16 verbunden. Die auftretenden orthogonalen Magnetfelder sind bei gyromagneti sehen Reso«- nanzmeßverfahren nützlich, bei denen eine Dreifachresonanz erforderlich ist.

Wenn in dem Resonatorring ein Einzelspalt ausgebildet ist, wie es aus der Druckschrift ¥. N. Hardy und L. A. Whitehead, "Review of Scientific Instruments", 55, 213 (1981) bekannt ist, geht die Konstruktion des Resonators glatt vonstatten. Bei solchen Konstruktionen wird ein Metallrohr oder eine Metallhülse auf eine geeignete Länge geschnitten, und es wird ein einziger Längsschnitt ausgeführt, um den Einzelspalt zu bilden. Bei der Ausführung eines einzigen Schnitts bleibt jedoch eine einstückige Einheit bestehen, und, obgleich es schwierig ist, einen Spalt mit einem schmalen Ausmaß t vorzusehen, ist diese Konstruktionstechnik für viele Anwendungen geeignet, insbesondere im Bereich der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie).

Zusätzlich zu der überraschenden Entdeckung, daß bei einer Vielzahl im Resonatorring ausgebildeter Spalte bei vielen Anwendungen das Betriebsverhalten beträchtlich verbessert wird, betrifft die Erfindung auch eine Reihe von Verbesserungen, die sich sowohl auf Einzelspaltresonatoren als auch auf Mehrspaltresonatoren beziehen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 sei bemerkt, daß bei kommerziellen Anwendungen eine bevorzugte Resonatorkonstruktion eine kreiszylindrische Traghülse 25 aufweist, die aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. Für diese Zwecke wird als bevorzugtes Material Quarz benutzt, da dieses Material niedrige dielektrische Verluste und einen ungewöhnlich niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist. Die Resonatorschleife 26 (26a und 26b) wird dann in der Weise gebildet, daß eine Schicht aus leitendem Material auf die Außenfläche der aus Quarz hergestellten Traghülse 25 aufgebracht wird und daß in die aufgebrachte leitende Schicht Längsnuten geschnitten • 35 werden, um die Spalte 27 und 28 zu bilden. Dieser Vorgang kann mechanisiert bzw. automatisiert werden, wobei einer oder mehrere Spalte unter Ausführung einiger Schneidvor-

gänge ausgebildet werden und zwischen den Schneidvorgängen die Resonanzfrequenz überprüft wird. In einer folgenden Tabelle C sind die Resonanzfrequenzen und die Güten einiger Konstruktionen aufgelistet, und zwar bei Verwendung von Silber bzw. Kupfer als leitende Schicht in verschiedenen Dicken oder Stärken?

ι Tabelle C
Material r(mm) r^(mm) R(mm) w(mm) t(mm) Z(mm) F(GHz) Q'

Silber 3,94 3,17 10,16 0,046 0,254 10,16 9,852 Silber 3,86 4,57 10,16 0,018 0,127 7,62 10,490 Kupfer 3,91 4,19 10,16 0,653 0,254 10,16 9,418 1570

.. :

Obgleich der erläuterte erfindungsgemäße Resonator für vielfältige Anwendungen geeignet ist, gibt es eine Reihe einzigartiger Konstruktionen,. die insbesondere für Elektröriensginresonanzmessungen (ESR-Messtingen) geeignet sind. Fig. 6 zeigt einen Einzelspaltresonätor, der dadurch hergestellt wird, daß eine einzige Längsnut 30 in eine kreis ^flandrische Metallhülse 31 ^ggstalti^ii wird. Ferner wird die Metallhülse 31 mit einer Reihe von Querschnitten 32 versehen, und in den Spalt 30 wird ein Streifen aus Isoliermaterial 33 gebracht. Die Querschlitze 32 gestatten es, daß ein moduliertes polarisierendes Magnetfeld (beispielsweise 100 kHz) den Resonator 31 durchdringen kann, wobei dieses Magnetfeld auch die im Resonator enthaltene Probe erreicht. Die Querschlitze 32 die- neu ferner zur Verminderung der ¥irbelströme, die durch solche Magnetfelder in der Hülse 31. induziert werden. Zusätzlich verhindern die Querschlitze 32 dieses Ausführungsbeispiels und die in Längsrichtung ausgeführten Schnitte bei den anderen Ausführungsbeispielen das Auftreten stehender Wellen bei der unteren Modulationsfrequenz. Derartige stehende Wellen können Kräfte erzeugen, die kleine mechanische Bewegungen zur Folge haben, die

dann ihrerseits unerwünschte Schwingungen in das System einführen. Bei Anwendungen, bei denen dies ein besonderes Problem darstellt, werden die Querschlitze vollständig rund um die Schleife ausgedehnt, so daß man einen Aufbau nach Fig. 7 erhält.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 ist ferner zu erwähnen, daß die Resonanzfrequenz des Resonators dadurch eingestellt werden kann, daß die effektive Dielektrizitätskonstante B im Längsspalt 30 geändert wird. Das Isoliermaterial 33 hat eine hohe Dielektrizitätskonstante (Saphir wird bevorzugt), und der Resonator kann über einen relativ weiten Frequenzbereich dadurch abgestimmt werden, daß dieses Isoliermaterial 33 innerhalb des Spalts 30 verschoben wird, um den Wert des kapazitiven Resonatorelements zu ändern. In diesem Zusammenhang ist es bemerkenswert, daß der Füllfaktor keine wesentliche Änderung erfährt, wenn auf diese Weise die Resonanzfrequenz abgestimmt wird.

Fig. 8 zeigt einen weiteren Resonatoraufbau, bei dem orthogonale Resonatoren in einem Block aus leitendem Material ausgebildet sind. Der Block 35 hat vorzugsweise eine kubische Gestalt und weist drei orthogonale Kreis-Öffnungen 36, 37 und 38 auf, die durch seine Stirnflächen gebohrt sind. Ein Schlitz 39 ist in Längsrichtung einer Stirnfläche eingeschnitten, wobei ein Schnitt längs der Längsachse der Öffnung 36 gebildet wird,, und ein Schlitz 40 ist in der entgegengesetzten Stirnfläche eingeschnitten, wobei ein Schnitt längs der Längsachse der Öffnung 37 gebildet wird. Auf diese Weise entsteht ein erster Einzelspaltresonator, dessen Mittenachse mit einer Y-Achse zusammenfällt. Ferner entsteht ein zweiter Einzelspaltresonator, dessen Mittenachse mit einer Z-Achse zusammenfällt. Eine Probe kann in den Resonator längs einer X-Achse eingegeben und mit Mikrowellen zweier verschiedener Frequenzen bestrahlt werden. Weiterhin kann man mit

dieser Anordnung Messungen ausführen, die das Bloch-Induktionsverfahren benutzen. Bei solchen Messungen wird eine Probe mit einem Magnetfeld bestrahlt, das mit einem der Resonatoren gekoppelt ist, und von der Probe wird die Energie zu dem zweiten Resonatorhohlraum gekoppelt.

Es wurden eine Reihe von Resonatoraufbauten erläutert, die besonders für gyromagnetische Resonanzspektrometer geeignet sind. Der nach der Erfindung ausgebildete Resonator ist allerdings auch für andere Zwecke anwendbar, bei denen Hochfrequenzresonatoren benutzt werden. Die in den Ausführungsbeispielen erläuterten Resonatoren hatten alle eine kreiszylindrische Gestalt. Es sind auch erfindungsgemäße Resonatoren mit einer anderen Form oder Gestalt denkbar. Der in den Unterlagen und den Ansprüchen benutzte Ausdruck "Schleife" soll alle möglichen Formen umfassen, die die Mittenlängsachse umschließen und die eine Öffnung definieren, die sich vollständig um die Schleife längs dieser Achse erstreckt.

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THE MEDICAL COLLEGE OF WISCONSIN, INC. ,Milwaukee,WL,VStA

Patentansprüche

SeMltüngskreismäßig konzentrierter Resonator, gekennzeichnet durch :

eine Schleife (7, 8; 14, 15, 16, 17; 26a, 26b), die aus einemiiflektrisch leitenden Material gebildet ist und rund um eine mittige Längsachse (2) angeordnet ist, und

eine Vielzahl längs der Schleife ausgebildeter Spalte (9, 10; 18, 19, 20, 21; 27, 28), die die Schleife in eine Vielzahl getrennter Stücke unterteilen, wobei die Anzahl und Größe der Spalte so gewählt sind, daß der Resonator auf eine gewünschte Resonanzfrequenz abgestimmt ist.

2. Resonator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (9, 10; 18, 19, 20, 21; 27, 28) rundum die Schleife so angeordnet sind, daß die Symmetrie des Resonators bezüglich einer Ebene gewahrt ist, die die mittige Längsachse (2) enthält.

3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife (26a, 26b) in Form einer Metallschicht ausgebildet ist und daß eine zylindrische Hülse (25) aus

elektrischem Isoliermaterial die Metallschicht trägt. 30

4. Resonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallschirm (4) rund um die Schleife (7, 8) angeordnet ist und daß der Abstand des Metallschirms von der mittigen Längsachse (2) so gewählt ist, daß der Resonator eine erhöhte Güte aufweist.

5. Resonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Hochfrequenzsignal am einen Ende der Schleife (7, 8) mit dem Resonator gekoppelt ist und daß ein zweiter Hochfrequenzgenerator mit den getrennten Stücken der Schleife elektrisch verbunden ist.

6. Resonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flächenstück (33) eines hochdielektrischen Materials in einem der Spalte (30) angeordnet ist und innerhalb des Spalts zur Abstimmung der Frequenz des Resonators verschiebbar ist.

7. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenstück aus dem hochdielektrischen Material aus Saphir besteht.

8. Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenzsignal am einen Ende der Schleife mit dem Resonator induktiv gekoppelt ist und daß Haßnahmen zum Einstellen der Stärke des induzierten Signals vorgesehen sind.

9. Schaltungskreismäßig konzentrierter Resonator zur, Verwendung in gyromagnetisehen Resonanzspektrometern, gekennzeichnet durch:

eine aus elektrisch leitendem Material hergestellte und rund um eine mittige Längsachse (z) angeordnete Schleife .(3Ό piit einem entlang ihrer* Gesamtlänge ausgebildeten Spalt (30), der die Schleife veranlaßt _f bei einer ausgewählten Frequenz in Resonanz zu schwingen, und mit einem um ihren Umfang verlaufenden Quersclilitz (32) _s der es gestattet, daß Hochfrequenzsiffnale den Resonator durchdringen, '

Mittel (5> 6) zum Induzieren eines Hochfrequenzsignals bei der gewünschten Resonanzfrequenz einschließlich einer Schleife (6) aus einem leitenden Draht, der bei dem einen Ende der Resonatorschleife angeordnet ist und die mittige Längsachse umgibt, und .

einen Metallschirm (4), der außerhalb der Resonatorschleife mit einem solchen Abstand angeordnet ist, daß der Resonator eine erhöhte Güte aufweist* ■_.."*

10. ResonatQ3T nach Anspruch 9, ■ .;

d a du ρ c Ii g e k e η η ζ e i e h m § φ ,, daß die Resonatorschleife eine kreiszylindrische Gestalt hat.

11. Resonator nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschirm (4) eine kreiszylindrische Gestalt hat und daß sein Radius kleiner als eine Viertelwellenlänge des induzierten Hochfrequenzsignals ist.

12. Resonator nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Resonatorschleife wesentlich kleiner als die Wellenlänge des induzierten Hochfrequenzsignals ist.

13. Schaltungskreismäßig konzentrierter Resonator für
gyromagnetische Resonanzspektrometer,
gekennzeichnet durch:

einen Block (35) aus einem elektrisch leitenden Material, : " .

einen ersten Resonator aus einer, zylindrischen Öffnung (36), die sich längs einer ersten Mittenachse (Y)
durch den Block erstreckt, und aus einem in dem Block ausgebildeten Spalt (39), der die zylindrische Öffnung ent-. lang ihrer Gesamtlänge schneidet, und

einen zweiten Resonator aus einer zweiten zylindrischen Öffnung (37), die sich längs einer zweiten, den
ersten Resonator schneidenden Mittenachse (Z) durch den Block erstreckt, aus einem in dem Block ausgebildeten
zweiten Spalt (40), der die zweite zylindrische Öffnung entlang ihrer Gesamtlänge schneidet,

wobei eine bei der Schnittstelle der beiden Resona-•toren angeordnete Probe gleichzeitig Magnetfeldern bei
den Resonanzfrequenzen der betreffenden Resonatoren aussetzbar ist.

14. Resonator nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Block (35) würfelförmig ist und daß sich die Resonatoren im wesentlichen rechtwinklig schneiden.