JPH0379670B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は一般的に無線周波数共振器、特に回転
磁気共振分光器に使用する共振器に関する。 回転磁気共振分光器は原子核磁気共振
（NMR）と呼ばれる磁気モーメントを有する原
子核及び常磁性共振（EPR）もしくは電子スピ
ン共振（ESR）と呼ばれる常磁性状態にある電
子を調べるために使用する。またあまり使用され
ないが本発明の分野に含まれるいくつかの他の形
状の回転磁気分光器もある。回転磁気共振分光器
において調査する標本には偏光磁界及び一つもし
くはいくつかの無線周波数磁界が加えられる。磁
界の周波数、強度、方向及び変調は調査する現象
に応じて著しく変化する。米国特許第3358222号
及び第3559043号に開示されている装置は研究室
で実験を行うのに使用されているが、回転磁気共
振分光技術を商業的に広く使用することは制限さ
れている。 回転磁気共振分光器を商業的に応用することが
制限される理由は、それが複雑でコストが高いこ
とである。ある測定技術（例えば電子スピン共振
測定）では非常に高い無線周波数を必要とし、他
の測定技術（例えば原子核共振）では非常に強い
偏光磁界を必要とする。さらに多重磁界を標本に
加える物理的構造は特に標本温度を制御する場合
及び測定中に標本に照光する場合に複雑となる。 200から2000MHzの間の無線周波数で使用する
スプリツトリング共振器が近年ダブリユ・エヌ・
ハーデイ及びエル・エー・ホワイトヘツドにより
提供されている。この共振器は複雑でない構造と
高い充足係数（標本領域に貯えられた磁気エネル
ギを全貯蔵磁気エネルギで除したもの）と小さな
サイズを特徴としている。この提案された構造は
回転磁気共振分光器に使用される従来の共振器よ
りも多くの利点を有しているが、高周波数のみに
制限されておりもう一つの磁界をスプリツトリン
グ共振器内に収容された標本に適正に加えること
が困難である。 本発明は中央軸を取囲む導電性ループを有し、
前記導電性ループはそれを複数個の別々のセグメ
ントに分割する複数個の間隙を含む共振器に関す
る。集中回路共振器が形成されており、そこで導
電性ループは誘導素子であり間隙が容量素子を形
成し装置の共振周波数を決定する。標本は導電性
ループ内に配置することができ、高周波数磁界を
中央軸に沿つてそれに加えることができる。複数
個の間隙により誘導素子は多数の電気的に絶縁さ
れたセグメントに分割されている。これは発振す
る磁界を標本に加えるのに非常に便利である。 本発明により高周波数に同調できる共振器を提
供することができる。共振周波数は間隙を導電性
ループに加えることにより増大できる。ｎ個の同
じ間隙がある場合、共振周波数は１個の間隙の共
振周波数の√倍である。間隙のサイズは変える
ことができ誘電体材料を間隙に挿入して共振周波
数をさらに調整することができる。 本発明のもう一つの特徴は余分な熱を発生する
ことなく高強度無線周波数磁界を標本に加えるこ
とが可能なことである。間隙を中央軸の周りに対
称的に配置することにより、無線周波数発生器の
生じる電界を中央軸の周りの領域で最少限とする
ことができる。標本をこの低強度領域に配置する
ことにより多くの標本に熱を発生するのはこの電
界であるため、標本を加熱することなく高強度電
磁エネルギを加えることができる。この加熱の低
下は生物学的に興味のある水様サンプルを調査す
る場合に特に重要である。 本発明のもう一つの利点は多重磁界の印加及び
相互作用による機械的共振を最少限とすることが
できる共振器を提供することである。複数個の間
隙を導電性ループに設けることにより、それは小
さな導電性セグメントに分けられ高周波変調磁界
の印加により生じる渦電流が減少する。さらに小
さな導電性セグメントは共振器の寸法を変調して
スプリアス共振効果を生じるであろう定在音波の
発生を妨げる。 本発明のもう一つの特徴は共振器を容易に製作
できるようになることである。例えば低周波応用
において導電性ループは２個の別々の金属片とし
て製作することができる。これらは正確に機械加
工及びつや出しして両者を組合せた時に共振器リ
ングが形成され、且つ両者により形成される間隙
を非常に小さくして低い共振周波数を与えるよう
にすることができる。別の応用において導電性ル
ープは一層の導電材を誘電体リング上に設けて形
成することができる。次に導電層の一部を誘電体
リングから除去することにより間隙を形成するこ
とができる。この工程は装置が所望の周波数で共
振するまで導電材が除去される自動化された装置
により容易に実施される。 本発明の別の局面において、同調可能な共振器
が設けられ同調は誘電材を１個もしくは数個の間
隙に挿入することにより達成される。誘電材は集
中素子共振器の容量従つてその共振周波数を変え
る。 本発明のもう一つの利点は分光器の感度を向上
させる共振器を提供することである。共振器は比
較的高い“Ｑ”及び高い充足係数を有している。
高周波数に設計された実施例において、導電性ル
ープを囲むシールドによりＱはさらに増強され
る。 本発明に従つて作られた共振器は同じ周波数で
作動する空胴共振器に較べて物理的に小さい。こ
れによつて必要な磁界強度を維持しながら回転磁
界共振分光器に小さな偏光磁石を使用することが
できる。このサイズの低減により分光器のコスト
が実質的に低減される。 特に第１図及び第２図において、回転磁界共振
分光器は２部分円筒状金属共振器１を含み、それ
は垂直中央軸２と一致している。試験される標本
すなわち試料を含む筒３が共振器１に挿入され、
円筒状シールド４が共振器１の周りに配置されて
いる。（図示せぬ）高周波無線源に接続する同軸
ケーブル５は終端に形成されたループ６を有し、
このループは共振器１の一端に隣接配置されてい
る。ループ６の発生する電磁界は共振器１に誘導
結合され、ループ６の軸位置を調節することによ
り結合度を制御することができる。偏光磁界は大
きな磁石による構造にも加えることができ、実施
する測定に適した位置に磁界変調コイルを配置す
ることができる。事実広範な測定技術を実行する
ために筒３内に収容された標本に強度及び方位の
変化するさまざまな磁界を容易に加えることが本
発明の重要な利点である。 第１図及び第２図において共振器１はその構成
により決定される無線周波数で共振する集中回路
空胴共振器である。分布回路空胴共振器とは対照
的に、本発明の集中回路共振器１は共振する無線
周波数信号の波長よりも遥かに短い寸法を有して
いる。本集中回路共振器のもう一つの特徴は容量
及び誘導素子が同一であり、誘導素子の発生する
磁界と容量素子の発生する電界との間で電磁エネ
ルギが発振するということである。 これらの特徴により多くの利点が得られる。共
振器１内の誘導素子は２個の金属片７及び８によ
り形成されたループすなわちリングであり、容量
素子は２個の金属片７及びび８の接合点に形成さ
れた縦方向間隙９及び１０である。共振器１の発
生する磁界の大きさは中央軸２に沿つて最大であ
り、それが発生する電界は間隙９及び１０におい
て最大である。中央軸２に沿つて配置された標本
には従つてハイレベル磁界及びローレベル電界が
加えられる。回転磁界共振現象を促進するのに必
要なのは磁界強度であるため、これは回転磁界共
振分光器において非常に望ましいことである。事
実“充足係数”が非常に高く従つて非常に高感度
の測定器を提供するのが共振器１の特徴である。
充足係数は標本の占有空間内の全磁気エネルギを
共振器内の全磁気エネルギで除した比であり、充
足係数が高い程感度が良い。 共振器１の形状やサイズはいろいろ変えること
ができるが、マイクロ波領域内のスペクトルの無
線周波数に特に適している。後記するように本発
明の共振器は広範な周波数にわたつて共振するよ
うに構成することができ、多数の回転磁界共振測
定技術のみならずマイクロ波通信一般にも応用で
きる。 特に第２図に示すように本発明の基本共振器１
は２個の金属片７及び８により形成された導電性
ループを有している。金属片７及び８は互いに間
隔がとられて間隙９及び１０を形成している。シ
ールド４が共振器１を囲んでおり、その目的は周
囲への電磁放射を抑制しマイクロ波周波数におい
て共振器１の“Ｑ”を高めることである。この目
的はシールド４の半径（Ｒ）が共振器周波数の1/
４波長よりも短い場合に最も役立つ。結果として
生じる構造の共振周波数は次のようである。 (1) Ｆ＝〔１／2π（１＋r²／R²−（ｒ＋ｗ）²
）^1/2（ｔ／πwεμ）^1/2１／ｒ（１／１＋2.5¹／₂）^1/
2〕n^1/2 ここにε＝間隙９及び１０内の材料の誘電率 μ＝自由空間の透磁率 ｎ＝導電ループ内の同一間隙数 かつこ内の第３項は間隙９及び１０付近の周辺
電界が容量に及ぼす効果を考慮している。Ｒ／ｒ
≪１及びｔ／ｗ≫１の限界内で上式は次のように
なる。 (2) Ｆ＝１／2π（１／LC）^1/2 ここにＬ＝μπr²／Ｚ (3) １／Ｃ＝ｎｔ／εWZ Ｚ＝共振器１の長さ。長さは共振周波数に影響
を及ぼさない。 Ａ表は共振器ループ内に２個の間隙を採用した
いくつかの構成に対する共振周波数及び構造のＱ
を示す表である。

【表】 共振器ループ内の間隙数を増加することにより
最も効果的に構造の共振周波数を増大できること
が本発明の基本的に教示する点である。すなわち
構造の容量性素子数を変えることにより共振器周
波数の実質的な変化が最も良く達成される。こう
して共振周波数は前記第(2)式のＣの値により制御
され、Ｃの値は一般的に次のように示すことがで
きる。 (4) １／Ｃ＝１／C₁＋１／C₂＋…＋１／C_o ここに１／C_o＝t_o／εW_oＺ t_o＝間隙間隔 W_o＝間隙幅である。 Ｂ表に間隙（ｎ）数を変えた場合の共振器の共
振周波数及びＱの値を示す。

【表】 第４図において共振器１に偶数の間隙を使用す
ることによる対称性は多数の回転磁気共振測定技
術において特に有用である。例えば第４図に示す
２間隙実施例において、無線周波数発生器１３を
金属リング片７及び８に電気的に接続することに
より第２の無線周波数電磁界を容易に標本１２に
加えることができる。装置の適正点は電位が０と
なる間隙間の中間にある。これは電子原子核二重
共振（ENDOR）と呼ばれる技術で使用され、対
になつていない電子に結合された原子核の共振周
波数に対応した周波数範囲を無線周波数発生器１
３が掃引する。 第５図に示すように同じ概念をさらに間隙を有
する共振器に拡張することができる。第５図の実
施例において金属共振器ループは中央軸２の周り
に四分円形に配置された４個一組の間隙１８，１
９，２０及び２１により４個のリング片１４，１
５，１６及び１７に分割されている。一対の無線
周波数発生器２２及び２３が各リング片１５及び
１７、及び１４及び１６に接続されている。その
結果生じる直交磁界は三重共振を必要とする回転
磁気共振測定技術に有用である。 レビユー オブ サイエンテイフイツク イン
ストルメンツ」（Review of Scientific
Instruments）55，213（1981）のダブリユ・エ
ヌ・ハーデイ（W.N.Hardy）およびエル・エ
イ・ホワイトヘツド（L.A.Whitehead）の応用に
記載されているように、共振器リング内に単一間
隙が形成されている場合には、共振器の構造は明
瞭である。このような構造において金属管すなわ
ちスリーブがある長さに切断され縦方向に切込ま
れて単一間隙を形成している。一つの切込みを行
つた場合には一体ユニツトが残り、小さな間隙
（ｔ）を設けるのは困難であるがこの構造技術は
多くの応用特に原子核磁気共振（NMR）分光器
の分野に適している。 共振器リング内に形成された複数個の間隙が多
くの応用において実質的に性能を向上させる他
に、本発明は単一間隙共振器構造及び多間隙共振
器の多くの改良にも関連している。 特に第３図において商業的に応用される共振器
の構造は電気的絶縁材により形成された円筒状支
持スリーブ２５を含んでいる。水晶は誘電損が小
さく且つ通常熱膨張係数が低いためにこの目的に
対して望ましい材料である。次に導電材層を水晶
基板２５の外面に設けて共振器ループ２６が形成
され、導電層内に縦方向溝を切込んで間隙２７及
び２８を形成する。この工程は自動化することが
でき、いくつかの切込径路により１個もしくは数
個の間隙が形成され径路間で共振周波数のテスト
が行われる。さまざまな厚さの銀及び銅導電層を
使用したいくつかの構造の共振周波数及びＱの値
をＣ表に示す。

【表】 本発明の共振器は広範な応用に適しているが、
電子スピン共振（ESR）測定に特に応用可能と
する多数の独特な構造がある。特に第６図におい
て円筒状金属スリーブ３１内に１本の間隙３０を
切込むことにより単一間隙共振器が形成される。
金属スリーブ３１内には一連の横方向溝３２も形
成され、一枚の絶縁材３３が間隙３０内に配置さ
れる。横方向溝３２により変調された偏光磁界
（例えば100KHz）が共振器３１を貫通して内部に
収容された標本に到達することができ、またこの
ような磁界によりスリーブ３１内に生じる渦電流
が低減される。さらに本実施例の横溝３２及び別
の実施例の縦溝により低変調周波数における定在
波の発生が防止される。このような定在波によつ
て力が生じて小さな機械的運動を生じ、それによ
つて装置にスプリアス発振を生じる。これが特別
な問題となる応用において横溝をループの周りに
完全に延在させて第７図に示すような構造を形成
することができる。 再び第６図において共振器の共振周波数は間隙
３０内の有効誘電率（ε）を変えることにより調
整することができる。絶縁材３３は高い誘電率を
有し（サフアイアが望ましい）この材料３３を間
隙３０内で移動させて共振器容量素子の値を変え
ることにより、比較的広い周波数範囲にわたつて
共振器を同調させることができる。このようにし
て共振器周波数を同調させる場合には充足係数は
実質的に変らない。 特に第８図に直交共振器が導電材ブロツク内に
形成されているもう一つの共振器構造を示す。実
施例においてブロツク３５は立方体であり３個の
直交する円形開口３６〜３８がその表面に設けら
れている。間隙３９が一面に沿つて切込まれ開口
３６の縦方向に沿つて交差し、間隙４０が反対面
に切込まれて開口３７の縦方向と交差している。
こうして第１の単一間隙共振器はその中央軸がＹ
軸と一致するように形成され、第２の単一間隙共
振器はその中央軸がＺ軸と一致するように形成さ
れている。標本はＸ軸に沿つて共振器に挿入して
２つの異なる周波数のマイクロ波を照射すること
ができる。またブロツコ誘導技術を採用した測定
をこの構造により実施することができる。このよ
うな測定において標本には一方の共振器に結合さ
れた磁界が照射され、エネルギは標本により第２
の共振器空胴に結合される。 回転磁気共振分光器に特に適したいくつかの共
振器構造について開示してきた。しかしながら本
技術に習熟した人には本発明の共振器は高周波共
振器を採用した他の技術にも応用できることがお
判りいただけることと思う。さらにここに開示し
た共振器は円筒状であるが他の形状も可能であ
る。従つて特許請求の範囲で使用する“ループ”
という用語は中央縦軸を囲み前記軸に沿つてルー
プを完全に延在する開口を画定する全ての形状を
含む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した分光器装置の一部切
り離した透視図、第２図は共振器及び第１図の装
置の一部を形成する周囲シールドの頂部図、第３
図は共振器の別の実施例及び第１図に採用できる
シールドの頂部図、第４図は加熱が最小となる標
本の配置を示す第２図の共振器の頂部図、第５図
は共振器の第３の実施例の頂部図、第６図は共振
器の第４の実施例の透視図、第７図は第６図のマ
イクロ波共振器の一変形の透視図、第８図は共振
器の第５の実施例の透視図である。 符号の説明、１……円筒状金属共振器、５……
同軸ケーブル、６……ループ、７，８……金属
片、１２……標本、１４，１５，１６，１７……
リング片、２２，２３……無線周波数発生器、２
５……円筒状支持スリーブ、２６……共振器ルー
プ、３１……金属スリーブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 導電材により形成され、中央縦軸の周囲に配
   置され、前記中央縦軸の方向に所定の長さを有す
   るループと、前記ループの前記所定の長さに沿つ
   て形成され、前記ループを複数の部分に分割する
   複数の間隙とを含む集中回路共振器であつて、前
   記間隙の数と寸法は、前記集中回路共振器を所望
   の共振周波数に同調させるように選定され、電磁
   エネルギーが前記集中回路共振器に供給され、磁
   界が共振周波数で前記ループの中央縦軸に沿つて
   発生され、検査試料に印加されることを特徴とす
   る回転磁気共振分光器用の集中回路共振器。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の共振器におい
   て、前記間隙は、前記ループの周囲に位置され、
   前記中央軸を含む面に関して共振器を対称に維持
   することを特徴とする集中回路共振器。 ３ 特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載の
   共振器において、前記ループは電気絶縁材で作ら
   れた円筒状スリーブ上に支持される金属層として
   形成されることを特徴とする集中回路共振器。 ４ 特許請求の範囲第１項、第２項もしくは第３
   項記載の共振器において、前記ループの周囲に金
   属シールドが配置され、前記中央軸からの距離は
   共振器のＱを増大するように選定されることを特
   徴とする集中回路共振器。 ５ 特許請求の範囲第１項から第４項のいずれか
   に記載する共振器において、高誘電材の板が前記
   間隙の１つに配置され、前記間隙内を移動して共
   振器の周波数を同調させることを特徴とする集中
   回路共振器。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の共振器におい
   て、前記高誘電材の板はサフアイアで成ることを
   特徴とする集中回路共振器。 ７ 特許請求の範囲第１項から第６項のいずれか
   に記載する共振器において、前記ループに無線周
   波数信号が誘導的に結合され、誘起された信号の
   強さを調整する手段が設けられていることを特徴
   とする集中回路共振器。 ８ 特許請求の範囲第１項から第６項のいずれか
   に記載する共振器において、前記ループに第１の
   無線周波数信号が誘導的に結合され、第２の無線
   周波数信号がそれぞれのループ部分に電気的に接
   続されることを特徴とする集中回路共振器。 ９ 導電材により形成され、中央縦軸の周囲に配
   置された筒形状のループであつて、前記中央縦軸
   の方向に所定の長さを有し、前記所定の長さに沿
   つて形成された前記ループを選択周波数で共振さ
   せる間隙を有する前記筒形状のループと、前記中
   央軸と垂直な方向の前記ループの周囲に形成さ
   れ、無線周波数が前記ループを貫通できるように
   する横溝と、選定された共振周波数において無線
   周波数信号を誘導する手段であつて、前記ループ
   に隣接して配置され、前記中央軸を囲む導電線の
   ループを有する前記手段と、前記筒形状のループ
   の外側に共振器のＱを増大するように選定された
   距離で配置された金属シールドとを含むことを特
   徴とする回転磁気共振分光器に使用する集中回路
   共振器。 １０ 特許請求の範囲第９項記載の共振器におい
   て、前記ループは円筒形状であることを特徴とす
   る集中回路共振器。 １１ 特許請求の範囲第９項もしくは第１０項記
   載の共振器において、前記金属シールドは円筒形
   状であり、その半径は誘起された無線周波数信号
   の波長の1/4よりも短いことを特徴とする集中回
   路共振器。 １２ 特許請求の範囲第９項、第１０項もしくは
   第１１項記載の共振器において、前記ループの前
   記所定の長さは誘起された無線周波数信号の波長
   よりも実質的に短いことを特徴とする集中回路共
   振器。 １３ 導電材により形成された立法体状のブロツ
   クと、第１の中央軸に沿つて前記ブロツク内で円
   筒形状の第１の空胴により形成された第１の共振
   器と、前記第１の中央軸と交差し、かつ前記ブロ
   ツクの表面に形成された前記第１の空胴の入口と
   交差する第１の間隙と、前記第１の共振器と交差
   する第２の中央軸に沿つて前記ブロツク内で円筒
   形状の第２の空胴により形成される第２の共振器
   と、前記第２の中央軸と交差し、かつ前記ブロツ
   クの他の表面に形成された前記第２の空胴の入口
   と交差する第２の間隙とを含み、前記第１および
   第２の共振器の交差点に配置された試料には各前
   記共振器の共振周波数における磁界が同時に印加
   されることを特徴とする回転磁気共振分光器用の
   集中回路共振器。 １４ 特許請求の範囲第１３項記載の共振器にお
   いて、前記第１および第２の共振器は互いに実質
   的に直角に交差することを特徴とする集中回路共
   振器。