用于小磁体气隙的EPR微波腔体制造技术

本公开涉及用于小磁体气隙的EPR微波腔体。一种用于EPR探头的微波共振器，包括：金属腔体主体，其支持电磁微波共振模式，该电磁微波共振模式具有偶数的微波能量的局部极大值；将样本管插入共振器的中心位置的开口，该开口的中心和共振器的中心位置限定x轴；将微波辐射发射到共振器中的开口；与包含x轴和垂直于x轴的z轴的E场节点平面对称地定位的两个相同的电介质元件，其特征在于，各电介质元件被几何形成并设置成，使得它提供与微波电场能量的局部极大值的相等的重叠。此微波共振腔体具有用于EPR探头的薄平面形状。共振器加载有具有相同形状和物理性质的两个电介质元件，这两个电介质元件相对于中央EPR样本对称地布置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于EPR(＝“电子顺磁共振”)探头的微波共振器，该微波共振器包括：金属腔体主体，其支持电磁微波共振模式，微波模式具有偶数的微波电场能量的局部极大值；用于将样本管插入共振器的中心位置的至少一个开口，开口的中心和共振器的中心位置限定x轴；用于将微波辐射发射到所述共振器中的至少一个开口；与被称为包含x轴和垂直于x轴的z轴的“E场节点平面”的平面对称地定位的至少两个相同的电介质元件。从US-A 3,757,204中得知这种类型的装置。
技术介绍
在EPR方法中，经常期望或甚至必须对样本执行可变温度条件下的测量。用微波场辐射未知顺磁样本的设备被称为EPR探头。为了便于实现可变温度条件，经常将探头布置在与EPR样本插入机构同轴的低温恒温器的内部。低温恒温器本身被布置在分割线圈(split-coil)磁体的极之间或者螺线管磁体的孔的内部。对于X带(8-12GHz)或更高频率下的EPR实验，磁体间隙或螺线管孔的大小成为EPR系统的所有权成本中的重要因素。这种大小限制也直接影响了EPR探头的设计和性能。例如，在X带或低频下，标准填充空气的EPR探头没有装配在常规低温恒温器内部。必须使用同轴发射线路替代波导进行微波发射，而对于微波共振器，作为探头的部分，迄今通过构建环间隙共振器(参见例如针对柔性线探头的隙环和BLGR解决方案的DE 33 00 767 A1)或圆柱形电介质加载的共振腔体(参见例如针对柔性线探头的蓝宝石圆柱形TE011模式解决方案的DE 41 25 655 A1或DE 41 25 653 A1)，这种情形已经得以缓解。在如同ENDOR或EPR-DNP的电子-核双自旋共振实验中，经常需要同时优化关于样本体积的微波和RF场应用的效率。满足最佳EPR的限制和/或NMR功能直接影响设备的设计和性能。另一种应用，EPRI(EPR成像)方法，需要存在多组线圈，以在EPR微波腔体内的未知样本上形成磁梯度。用于这些线圈的夹具应该尽可能地与EPR微波腔体的敏感部分机械脱离。如果腔体具有圆形对称，则由于空间限制导致这是很难实现的。特别感兴趣的是观察实验条件(特别地，温度)对针对EPR探头的微波概念的影响。对于高灵敏度EPR应用而言，在室温条件下，现有技术状况的的EPR探头包括平坦形填充空气的微波腔体(参见例如针对矩形TE102、圆柱形TM 110和凹角(Reentrant)模式探头的DE 33 00 767A1、DE 41 25 655A1、DE 41 25 653A1、US-3931569-A)。对于可变温度实验条件而言，为了减小共振腔体的大小，现有技术状况的EPR探头是围绕环间隙或电介质加载的共振腔体构建的，尤其是在L、S、C和X带中。常规在室温下使用的以上引用的平坦共振器几何结构的三种版本在这里不复存在。替代地，可发现基于沿着样本长度方向具有圆形对称的电介质加载的共振器或环间隙的解决方案。事实上，对共振模式对称的这种选择尤其适于优化微波问题的EPR侧，迄今认为填充因子参数是最重要的。已经考虑尝试使用两个或更多个电介质元件的同轴堆叠进行腔体加载，但经证实，带来的困难多过于帮助。进一步地，对于数量越来越大的现代EPR应用，使用单个元件进行电介质加载的微波腔体几何结构在得到性能和使用稳定性之间的适当折衷方面也存在严重的挑战。本专利技术的目的是实现EPR、EPR-ENDOR/DNP和EPRI可变温度探头的性能和质量增强。这是通过基于电介质加载的微波矩形TE012或圆柱形TM 110共振模式的平坦几何结构共振器来实现的，其中，电介质元件具有与EPR样本管的外径相当的厚度。用于在可变温度条件下用于EPR目的的这种新型微波腔体或对于窄磁体间隙的概念设计的完全公开是本专利技术的重点。具体
技术介绍
US-A 3,122,703描述了一种用于EPR的冷却微波共振器。凹口杜瓦瓶(Dewar)被用于冷却填充空气的矩形TE 102或圆柱形TM110共振器。US-A 3,931,569在图2和图5(分别参见本图8A和图8B)中示出用于EPR的标准填充空气的矩形TE 102和圆柱形TM 110共振器。US-A 3,757,204描述了采用电介质材料改进沿着样本的RF场均匀度的微波共振器的不同构造。尤其是，图8C(取自US-A3,757,204的图4)描绘了带有延伸至样本任一侧的两个电介质板的微波共振器。因为US-A 3,757,204的目的是使样本中的电磁RF场均匀，所以电介质板被靠近样本定位，如本图8C中所示的。如本图8D(取自文献US-A 3,757,204的图1)中指示的，共振模式的电场E具有相对于样本中心在左边和右边的两个最大值。为了实现其要求保护的功能，图8C中的电介质板不可延伸到具有最大电场的区域中，但必须增大它们在具有减小电场的外围区域中的延伸。如要求保护的，出于这些目的，第一个要求是用于插入件的整体凹形几何结构。进一步地，第二个隐含要求是当具有各种介电性质的一般样本处于共振器内时，保持RF场均匀。然而，在垂直方向上，电介质插入件具有与样本和共振器相同的大小，沿着共振器的最短边，它们比样本长，但比共振器长度短。然而，已知的是，EPR共振器中的较高填充因子需要腔体的Q因子的折衷，其线性地确定来自样本的EPR信号强度。还已知的是，限制样本体积需要EPR信号强度的线性折衷。这两个折衷可抵消通过所要求的填充因子增大而带来的优点并且针对这个技术解决方案的应用范围的折衷出现。在又一个特定方面，考虑X带中的高灵敏度低背景EPR探头的类别，这种方法在US-A 3,757,204中的使用没有使共振器大小充分减小以允许被用于带有标准2”接入孔的低温恒温器中，然而借助使用已知低背景电介质的电介质加载来减小共振器大小的任何尝试将减小或抵消根据以上要求的假设而期望的正面效果。本专利技术的目的本专利技术描述了基本上克服了以上讨论的现有方法的一个或多个缺点和折衷的方式。本专利技术的一个主要目的是提出一种高灵敏度EPR共振器，该EPR共振器带有低背景信号，其实现了小尺寸，与窄间隙(＜2cm)磁体或低温恒温器可兼容。本专利技术的另一个目的是提出带有高效EPR样本的静态或低频场辐射的EPR共振器。
技术实现思路
根据本专利技术，这些目的是通过修改以上讨论的装置来实现的，其中，各电介质元件被几何形成并设置成，使得它提供与微波电场能量的局部极大值的相等的重叠。在本专利技术中，用于电介质加载的材料可表现出低介电常数，例如，特氟龙(Teflon)、Rexolite和石英，其由于自身的优异微波性质以及缺乏本征EPR信号而均在EPR的使用中受到特别关注。在另一个方面，一种用于得到与窄间隙磁体或低温恒温器兼容的EPR共振器的优化几何结构的技术方案由以下几何结构组成：允许具有平面几何结构的低频场线圈堆叠(调制、快速扫描、梯度或ENDOR)伸入或不伸入EPR共振器内。认为该优化几何结构允许对EPR样本进行高效的微波和RF辐射，从而导致高灵敏度EPR测量，同时使由于这些线圈堆叠和EPR共振器之间增大的接近度而导致的热、微波和机械负面效果最小。本专利技术的优选变型在本专利技术的优选实施例中，电介质元件中的每个沿着平行于x轴的轴伸长。通过这种手段，微波模式的对称得以保存并且填充因子被优化。在本专利技术的其它实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于EPR(＝“电子顺磁共振”)探头的微波共振器，所述微波共振器包括：金属腔体主体(1)，其支持电磁微波共振模式，所述微波模式具有偶数的微波电场能量的局部极大值，至少一个开口，用于将样本管(2)插入共振器的中心位置，开口的中心和共振器的中心位置限定x轴(11)，至少一个开口(13)，用于将微波辐射发射到共振器中，至少两个相同的电介质元件(4a、4b)，其关于被称为“E场节点平面”的平面对称地定位，所述平面包含x轴和垂直于x轴(11)的z轴(6)，其特征在于各电介质元件(4a、4b)被几何形成并设置成，使得它提供与所述微波电场能量的局部极大值的相等的重叠。

【技术特征摘要】
2015.03.18 EP 15159643.41.一种用于EPR(＝“电子顺磁共振”)探头的微波共振器，所述微波共振器包括：金属腔体主体(1)，其支持电磁微波共振模式，所述微波模式具有偶数的微波电场能量的局部极大值，至少一个开口，用于将样本管(2)插入共振器的中心位置，开口的中心和共振器的中心位置限定x轴(11)，至少一个开口(13)，用于将微波辐射发射到共振器中，至少两个相同的电介质元件(4a、4b)，其关于被称为“E场节点平面”的平面对称地定位，所述平面包含x轴和垂直于x轴(11)的z轴(6)，其特征在于各电介质元件(4a、4b)被几何形成并设置成，使得它提供与所述微波电场能量的局部极大值的相等的重叠。2.根据权利要求1所述的共振器，其特征在于，电介质元件(4a、4b)中的每个沿着平行于x轴(11)的轴伸长。3.根据权利要求1或2所述的共振器，其特征在于，在所述共振器的z轴(6)的方向上，电介质元件(4a、4b)的厚度与用于插入样本管(2)的开口的尺寸之比在0.5至1.5的范围内。4.根据之前权利要求中的任一项所述的共振器，其特征在于，所述重叠使得微波电能的至少50％被局限在电介质元件(4a、4b)内。5.根据之前权利要求中的任一项所述的共振器，其特征在于，所述共振器具有平坦结构，所述平坦结构具有沿着z轴(6)的等于用于插入样本管(2)的开口的厚度或电介质元件(4a、4b)的厚度中较大厚度的最小内部延伸。6.根据之前权利要求中的任一项所述的共振器，其特征在于，电介质元件(4a、4b)可调节，以改变腔体主体(1)的共振频率。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的共振器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·普瑞瑟卡鲁，P·霍尔弗尔，
申请(专利权)人：布鲁克碧奥斯平有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE