(57)【要約】【課題】円筒形ＴＥ０１ｎマイクロ波モード用に渦巻状巻線プランジャを使用することにより、ＴＥ０１ｎマイクロ波モードの周波数よりも低い周波数で渦電流を生成することなく、現時点での技術水準におけるプランジャと同等の機能を提供する。【解決手段】円筒形ＴＥ０１ｎマイクロ波モード用のＥＰＲ共振器（ｎは整数、特に１〜４の整数）であって、１ｋＨｚ未満のＲＦで５％未満のＲＦ吸収を有する円筒形本体（１０）と、第１の端部で軸方向に円筒形本体内の共振容積を画定する第１のプランジャ（１１）と、第２の端部で本体内の共振容積を画定する第２のプランジャ（１２）を備え、第２のプランジャは、ＥＰＲ試料をＥＰＲ共振器に挿入するための開口部（１３）を有する。共振器は、第１および第２のプランジャの各々が、導電性フィラメントからなる渦巻状巻線を含み、渦巻状巻線の端部も隣り合う巻線も、電気的閉ループの形成につながる可能性がある導電性接続をしないことを特徴とする。【選択図】図１３
2018100962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形ＴＥ０１ｎマイクロ波モード用のＥＰＲ共振器（ｎは整数、特に１〜４の整数）であって、
１ｋＨｚ未満のＲＦで５％未満のＲＦ吸収を有する円筒形本体（１０）と、
第１の端部で軸方向に前記円筒形本体（１０）内の共振容積を画定する第１のプランジャ（１１）と、
第２の端部で軸方向に前記円筒形本体（１０）内の前記共振容積を画定する第２のプランジャ（１２）とを備え、
前記第２のプランジャ（１２）は、ＥＰＲ試料（１４）を前記ＥＰＲ共振器に挿入するための開口部（２，１３）を有し、
前記第１および前記第２のプランジャ（１１，１２）の各々が、導電性フィラメント（３，３’）からなる渦巻状巻線（１，１’）を含み、前記渦巻状巻線（１，１’）の端部も隣り合う巻線も、電気的閉ループの形成につながる可能性がある導電性接続をしないことを特徴とするＥＰＲ共振器。
【請求項２】
前記渦巻状巻線の前記フィラメントの最小線径Ｄと、隣り合う巻線間の距離δとの比Ｄ／δは、１：１よりも大きく、特に３：１よりも大きく、好ましくは１０：１よりも大きいことを特徴とする請求項１記載のＥＰＲ共振器。
【請求項３】
プランジャの軸方向長さとその内側ボア径との比は、１以上であり、特に３よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２記載のＥＰＲ共振器。
【請求項４】
前記第１のプランジャ（１１）および／または前記第２のプランジャ（１２）は、少なくとも２つの層、特に約３０層からなる、隣り合う層間が導電性接続がされることなく前記軸方向に配置された導電性渦巻状フィラメント（３，３’）を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＥＰＲ共振器。
【請求項５】
前記第２のプランジャ（１２）の前記開口部（２，１３）のサイズは、前記円筒形ＴＥ０１ｎモードの遮断径よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＥＰＲ共振器。
【請求項６】
前記第１のプランジャ（１１）は、その作動位置にある前記試料（１４）の支持部（１７）のための開口部（１８）を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＥＰＲ共振器。
【請求項７】
前記第１のプランジャ（１１）または前記第２のプランジャ（１２）は、アンテナ（１９）によってマイクロ波放射を伝達するための第２の開口部（１８’）を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＥＰＲ共振器。
【請求項８】
前記フィラメントの隣り合う巻線間の空間が絶縁体で充填されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＥＰＲ共振器。
【請求項９】
前記フィラメント（３，３’）が絶縁体で被覆されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＥＰＲ共振器。
【請求項１０】
前記フィラメント（３，３’）の前記線径Ｄは５μｍ〜５ｍｍの範囲、特に３０μｍ〜１ｍｍの範囲にあることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のＥＰＲ共振器。
【請求項１１】
前記フィラメント（３，３’）は、金属のみからなるワイヤ、好ましくは、ＡｇまたはＡｕ被覆銅、黄銅もしくはタングステン、またはＡｇまたはＡｕワイヤからなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のＥＰＲ共振器。
【請求項１２】
ＲＦ場が前記ＥＰＲ共振器の外側に配置されたＲＦコイルによって発生され、かつ前記円筒形本体（１０）内の前記共振容積の軸方向長さに対する前記ＲＦコイルの横方向寸法が５０％〜２００％の範囲にあり、好ましくは約１００％であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＥＰＲ共振器。
【請求項１３】
前記試料容積における前記ＲＦ場の均一性は、０．０１％〜１０％の範囲にあり、特に０．１％〜１％の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のＥＰＲ共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円筒形ＴＥ０１ｎマイクロ波モード用のＥＰＲ（＝「電子常磁性共鳴」）共振器（ｎは整数、特に１〜４の整数）であって、
１ｋＨｚ未満のＲＦで５％未満のＲＦ吸収を有する円筒形本体と、
第１の端部で軸方向に円筒形本体内の共振容積を画定する第１のプランジャと、
第２の端部で軸方向に円筒形本体内の共振容積を画定する第２のプランジャとを備え、
第２のプランジャは、ＥＰＲ試料をＥＰＲ共振器に挿入するための開口部を有するＥＰＲ共振器に関する。
【０００２】
このタイプの装置は、特許文献１または特許文献２により公知である。
【背景技術】
【０００３】
高感度タイプ、中感度タイプ、及び低感度タイプのいずれかを実施する標準ＣＷ型高速走査ＥＰＲ分光法は、マイクロ波空洞共振器内に含まれる研究対象の材料（すなわち、ＥＰＲ試料）にＲＦ静磁場およびマイクロ波静磁場の同時印加を必要とする。ＥＰＲ分光法の感度は、測定されたＥＰＲスペクトルの信号雑音比に影響される。
【０００４】
１ＧＨｚを上回る周波数を有するマイクロ波場は、その共振モードのうちの１つを使用した際に、その共振エネルギーが伝送線路およびマイクロ波空洞共振器の金属壁に閉じ込められた場合、「内部（にある）」と呼ばれる。ＥＰＲ共振器の設計および技術に関して、この閉じ込めの程度に応じて、高感度、中感度または低感度の実施の線引きが行われる。
【０００５】
高感度のＣＷ型ＥＰＲ用途向けに適合させる（すなわち、所定のマイクロ波電力供給単位に対して最大ＥＰＲ信号振幅を得る）ため、マイクロ波共振器は、最適なＥＰＲ試料容積（すなわち、ＥＰＲスピンの数が減ることによる感度の低下を招いてしまうくらいに小さい試料容積ではなく、かつＥＰＲ空洞共振器のＱ値の減少によりＥＰＲ信号が低下することによって感度が中度または低度となるくらいに大きい試料容積でもない）を考慮して設計することが望ましい。さらに、マイクロ波空洞共振器は、様々な漏れメカニズムによる空洞共振器の外部への、その共振エネルギーの損失を４０ｄＢ未満とするべきである。
【０００６】
周波数がｋＨｚからＭＨｚまでのＲＦ場は、マイクロ波空洞共振器の外側に配置されたコイルが発生させたものであり、且つそのエネルギーがマイクロ波空洞共振器において共振も閉じ込めもされていない場合、「外部（にある）」と呼ばれる。理想的には、マイクロ波空洞共振器の金属壁は、外部ＲＦ場と相互作用すべきではない。残念ながら、そのような相互作用はＲＦ渦電流の形で存在し、ＥＰＲ試料を横切る外部ＲＦ場のいくつかのパラメータ、すなわち、振幅（ＲＦ「透過性」とも呼ばれる）、位相および均一性に直接影響する。
【０００７】
さらに、高感度ＥＰＲ分光法においても同様に重要なことに、ＥＰＲマイクロ波空洞共振器の金属壁内のＲＦ渦電流は、マイクロ波空洞共振器のジュール熱および振動のような副次的な影響をも生じさせる。ここで、後者の振動はＲＦ渦電流と静磁場との相互作用によって生じる。
【０００８】
ＲＦ渦電流の存在によって引き起こされるこれらの影響はすべて、ＥＰＲ実験の分光データに悪影響を及ぼす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５３４５２０３号明細書
【特許文献２】独国特許第４１２５６５５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
現時点での技術水準は、ＥＰＲ試料に最も近接する部分の空洞共振器の壁に対する局所的なＲＦ透過性のみに頼っており、他方、ＥＰＲ試料位置におけるＲＦ場の均一性の問題全体は、まだ深刻に考慮されていないままである。
【００１１】
現在のところ、高感度用途向けのＥＰＲマイクロ波空洞共振器は、電気的に相互接続されるサブコンポーネントのアセンブリからなることがしばしばである。これらのサブコンポーネントは、共振マイクロ波場をほとんど透過させないように設計された金属壁によって囲まれた共振器容積を画定する。円筒対称性を有する特定のマイクロ波共振モード（ＴＥ０１ｎ、ここでｎは１〜３の間で選択される整数である）を選択することにより、高感度共振器は、円筒形状を有するサブコンポーネント、すなわち、２つのプランジャによってその軸方向端部を区切られた「本体」（本体は、円筒形の空洞共振器の半径を画定する）と呼ばれる１つの円筒形本体を有するように設計できる。これにより、プランジャ間の内部空間により空洞共振器の長さが画定される。少なくとも１つのプランジャは、試料または他のＥＰＲ専用ツール（例えば、デュワー、試料ホルダ）を共振器容積内に入れるための開口部を有する。
【００１２】
従来技術の高感度円筒ＣＷ型ＥＰＲ空洞共振器は、ＲＦ渦電流の問題に対する工学的な解決策として、
ａ）共振器の円筒形本体は、誘電体で被覆された巻線型導電性構造で作られ、巻線が軸方向に延びてソレノイドを形成することと、
ｂ）共振器の円筒形本体は、１つ以上のメタライゼーション薄層のための支持部として使用される誘電体で作られ、場合によってはメタライゼーション層の溝が付いていることと、
を備える。
【００１３】
上記の２つの構成では、ＥＰＲ空洞共振器本体の修正のみが行われる。空洞共振器をその軸方向端部で画定するプランジャは、通常、（溝が設けられてない）中実金属または金属化誘電体から作られる。従来技術のプランジャは、少なくとも円筒形ＴＥ０１ｎマイクロ波共振モードでは、ＲＦ渦電流の抑制に最適化されていない。さらに、ＥＰＲ空洞共振器をマイクロ波ブリッジに接続し、空洞共振器本体の側方に配置された低損失の金属製の伝送線路（導波管または同軸ケーブル）は全て、ＲＦ渦電流に寄与する可能性がある。
【００１４】
結論として、上記従来技術の解決策は、特に空洞共振器本体の壁における、ＲＦ渦電流の形成の緩和に部分的かつ局所的にしか成功していない。この部分的な手法は、ＲＦ均一性、空洞共振器の熱負荷および機械的振動が問題にならない限りにおいて、少なくとも着目する領域の周り（すなわち、空洞共振器の中心に配置されたＥＰＲ試料容積）では、ＥＰＲ空洞共振器の十分なＲＦ透過性の取得方法として機能しうることがわかっている。例えば、外部ＲＦ場の発生源のサイズが、より大きなＥＰＲ試料に必要とされるようなＥＰＲ空洞共振器と同様またはそれよりも大きい場合や、より大きなＥＰＲ試料容積におけるＲＦ場の均一性を保たなければならない場合は、先行技術の解決策は十分ではない。加えて、ＥＰＲを高感度に行う場合、ＲＦ場およびマイクロ波場の電力が増加する。従って、ＲＦ渦電流と強い静磁場との相互作用によって生じる空洞共振器の熱負荷および／または振動が重要なパラメータとなる。
【００１５】
［具体的な背景技術］
上に引用した特許文献１および特許文献２は、「電子スピン共鳴分光法のための共振器構成」を開示し、巻線（ソレノイド）設計の本体を有する円筒形ＴＥ０１２  ＥＰＲ共振器を含む。ここでは、上で述べたように：
ａ）マイクロ波ＴＥ０１２円筒形空洞共振器を閉鎖し、その軸方向の長さを規定するために使用される、上下２つの軸方向プランジャが、中実金属で作られている。
【００１６】
ｂ）マイクロ波結合のために使用されるアンテナは、共振器の軸に対して横方向かつ垂直に配置されるので、巻線ソレノイド本体に穴が必要となる。さらに同軸ケーブルはこの穴にはんだ付けされ、副次的な作用として、ＥＰＲ空洞共振器の壁の数巻きのソレノイド間に電気的接続を形成する。このマイクロ波結合構成は、ソレノイド本体（空洞共振器の壁）の巻線数巻きを電気的に閉じさせ、従って、ＲＦ渦電流を発生させやすい。この構成では、同軸ケーブルのシールドをＥＰＲ空洞共振器本体と電気的に接続することにより、閉ループが形成され、それによってＲＦ渦電流にも大きく影響する。
【００１７】
特に、特許文献１および特許文献２は、図６において、円筒形巻線本体、両方ともすべて金属製の第１のプランジャおよび第２のプランジャを示している。プランジャは金属製であるため、ＲＦ透過性はない。本体は巻線であるため、外部ＲＦ場はＥＰＲ試料容積をマイクロ波空洞共振器の中心で局所的に横切ることができる。
【００１８】
本発明は、上述した既存の方法および装置の１つ以上の欠点および矛盾点を実質的に克服する方法を説明する。
【００１９】
本発明の１つの主な目的は、高感度ＥＰＲ共振器の概念を提案することであり、マイクロ波共振器におけるＲＦ場の均一性、空洞共振器の熱負荷またはＲＦ周波数振動に対するＲＦ渦電流効果を緩和する。現時点での技術水準におけるＥＰＲ共振器と比較して、特に高速走査ＥＰＲ実験では、全体的なＲＦ透過性、ＲＦ均一性、ＲＦ渦電流によって引き起こされる加熱および振動の改善を有することが望ましい。従って、解決すべき課題は、ほとんどすべてのＲＦ渦電流、すなわち、空洞共振器およびマイクロ波伝送線路のすべての金属壁面において誘導されるだけでなく、任意の種類のＲＦループにおいて誘導される、ＲＦ渦電流の形成を緩和することである。
【００２０】
本発明の別の目的は、マイクロ波空洞共振器のすべての部品について、マイクロ波共振モード（円筒形ＴＥ０１ｎモード、ｎは１〜４の整数）と適切な巻線技術とを最適に組み合わせたＥＰＲ共振器を提案して、外部ＲＦ場との電磁相互作用を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明によれば、これらの目的は、上述の装置を修正して、第１および第２のプランジャの各々が、導電性フィラメントからなる渦巻状巻線を含み、渦巻状巻線の端部も隣り合う巻線も、電気的閉ループの形成につながる可能性がある導電性接続をしないようにすることにより達成される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明で説明する渦巻状巻線プランジャの主な利点は、円筒形ＴＥ０１ｎマイクロ波モードの場合、ＴＥ０１ｎマイクロ波モードの周波数よりも低い周波数で渦電流を生成することなく、現時点での技術水準におけるプランジャと同等の機能を提供することである。
【００２３】
［発明の好ましい実施変形］
本発明の好ましい実施形態では、渦巻状巻線のフィラメントの最小線径Ｄと、隣り合う巻線間の距離δとの比Ｄ／δは、１：１よりも大きく、特に３：１よりも大きく、好ましくは１０：１よりも大きい。上記の比により、特許請求の範囲に記載のように、プランジャの容積を通り抜けるマイクロ波場の漏れが低減される。
【００２４】
本発明のさらなる実施形態では、プランジャの軸方向長さとその内側ボア径との比は、１以上であり、特に３よりも大きい。上記の値により、ＥＰＲ共振器容積に試料やさらなる挿入物を入れるのに必要な接近手段が確保されると共に、特許請求の範囲に記載のプランジャのボアを通り抜けるマイクロ波場の漏れが低減される。
【００２５】
本発明の別の実施形態では、第１のプランジャおよび／または第２のプランジャは、少なくとも２つの層、特に約３０層からなる、隣り合う層間が導電性接続がされることなく軸方向に配置された導電性渦巻状フィラメントを備える。このように多層とすることにより、マイクロ波場の漏れがさらに低減される。
【００２６】
本発明のさらに別の実施形態では、第２のプランジャの開口部のサイズは、円筒形ＴＥ０１ｎモードの遮断径よりも小さい。遮断径よりも小さくなるかかるプランジャ開口部を選択することにより、マイクロ波場の漏れが低減される。
【００２７】
本発明のさらなる実施形態では、第１のプランジャは、その作動位置にある試料の支持部のための開口部を有する。これにより、試料を共振器内で機械的に安定させ、調整することができる。
【００２８】
本発明の別の実施形態では、第１のプランジャまたは第２のプランジャは、アンテナによってマイクロ波放射を伝達するための第２の開口部を有する。これにより、電気的閉ループを形成することなくプランジャを通過するマイクロ波放射伝達に同軸線を使用できる。ＲＦ渦電流への、伝送線路およびアンテナ単体からの寄与を最小限に抑えられる。
【００２９】
本発明のある種類の実施形態では、フィラメントの隣り合う巻線間の空間は絶縁体で充填される。絶縁体によって、プランジャの機械的安定性が改善され、電気伝導が回避される。
【００３０】
本発明のさらなる種類の実施形態は、フィラメントが絶縁体で被覆されていることを特徴とする。フィラメントの絶縁被覆によって、マイクロ波およびＥＰＲ目的のための電気絶縁の品質が改善される。
【００３１】
本発明によるＥＰＲ共振器のさらに好ましい実施形態では、フィラメントの線径Ｄは５μｍ〜５ｍｍの範囲、特に３０μｍ〜１ｍｍの範囲にある。かかる線径Ｄを選択することにより、フィラメントのマイクロ波不透過性およびＲＦ透過性を最適化することができる。
【００３２】
本発明の実際の用途において、フィラメントは、金属のみからなるワイヤ、好ましくは、ＡｇまたはＡｕ被覆銅、黄銅もしくはタングステン、またはＡｇまたはＡｕワイヤからなる。金属のみからなるワイヤを用いることによって、フィラメントの渦電流に関する特性は、巻線構造の長さに沿って均一に分布すると共に、ＡｇまたはＡｕの金属被覆がＥＰＲバックグラウンド信号を小さくする。
【００３３】
さらに有利な実施形態は、ＲＦ場がＥＰＲ共振器の外側に配置されたＲＦコイルによって発生され、かつ円筒形本体内の共振容積の軸方向長さに対するＲＦコイルの横方向寸法が５０％〜２００％の範囲にあり、好ましくは約１００％であることを特徴とする。この構成により、共振器内がより広く均一なＲＦ場容積が得られ、ひいては感度がより高くなる。
【００３４】
本発明によるＥＰＲ共振器の大部分の実装では、試料容積におけるＲＦ場の均一性は、０．０１％〜１０％の範囲にあり、特に０．１％〜１％の範囲にある。選択された均質性によって、この構成の分解能がさらに最適化される。
【００３５】
本発明のこれらおよび他の目的および利点は、添付の図面と併せて、本発明の現在好ましい実施形態例の以下の詳細な説明を注意深く検討することによって、よりよく理解され、認識され得る。
【００３６】
本発明の上記および他の特徴および利点を当業者に対してより明確にするために、添付の図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。ここで、同じ番号は同じ要素を表す。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】中央に開口部を有する第１および第２のプランジャにおける導電性フィラメントからなる渦巻状巻線構造の一実施形態を概略的に示す図である。
【図２】中央に開口部を持たない別の実施形態を示す図である。
【図３ａ】円形の断面を有する導電性フィラメントからなる渦巻状巻線の２つの層を示す図である。
【図３ｂ】矩形の断面を有する導電性フィラメントからなる渦巻状巻線の２つの層を示す図である。
【図４】円形の断面を有する金属のみからなる導電性フィラメントの一実施形態の断面図である。
【図５】矩形の断面を有する金属のみからなる導電性フィラメントの一実施形態の断面図である。
【図６】本発明によるＥＰＲ共振器の第１の実施形態の概略的な断面図である。
【図７】本発明によるＥＰＲ共振器の第２の実施形態を示す図である。
【図８】本発明によるＥＰＲ共振器の第３の実施形態を示す図である。
【図９】ＥＰＲ共振器全体を覆う磁場を発生するＲＦコイルによって囲まれた本発明によるＥＰＲ共振器のさらなる実施形態を示す図である。
【図１０】中心に試料を有し、ＴＥ０１ｎモードの共振マイクロ波場の磁力線を記載した、本発明によるＥＰＲ共振器の概略的な断面図である。
【図１１】共振マイクロ波場の電気力線を記載した、ＥＰＲ共振器の概略的な断面図である。
【図１２】異なる線径Ｄのフィラメントについて、ＥＰＲ空洞共振器によってＲＦコイルに供給される一定量のＲＦ電力に対して計算した、追加的なＲＦ電力吸収の特性曲線を示す図である。
【図１３】１つの巻線ソレノイド（本体）と、ソレノイドの内側のその端部に配置された開口部を有する２つのワイヤ渦巻状巻線（プランジャ）との３つの部分からなる、本発明による完全にＲＦを透過するＴＥ０１ｎ  ＥＰＲ共振器の切り欠き斜視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
現時点での技術水準は、ＥＰＲ試料に最も近接する部分の空洞共振器の壁に対する局所的なＲＦ透過性のみに対応しており、他方、ＥＰＲ試料位置におけるＲＦ場の均一性の問題全体は、まだ深刻に考慮されていないままである。このため、従来技術のＥＰＲ共振器と比較して、特に高速走査ＥＰＲ実験では、全体的にＲＦ透過性を有し、ＲＦ均一性が改善され、さらにＲＦ渦電流によって引き起こされる加熱および振動が低減することが望ましい。従って、本発明で解決される課題は、空洞共振器内のほとんどすべてのＲＦ渦電流、すなわち、空洞共振器およびマイクロ波伝送線路のすべての金属壁面において誘導されるＲＦ渦電流だけでなく、任意の種類のＲＦループにおいて誘導されるＲＦ渦電流を緩和することである。
【００３９】
従って、本発明は、外部ＲＦ場との電磁相互作用を低減するために、マイクロ波共振モード（すなわち、円筒形ＴＥ０１ｎモード、ここでｎは１〜４の整数）とマイクロ波空洞共振器の各部品に対する適切な巻線技術とを最適に組み合わせたＥＰＲ共振器の概念に帰着する。以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明し、考察する。
【００４０】
本発明によるＥＰＲ共振器のすべての実施形態は、最も直近の先行技術における一般的な装置と同様、円筒形ＴＥ０１ｎモードでの使用のために設計されている。ここでｎは特に１〜４の整数である。このようなＥＰＲ共振器はそれぞれ、
１ｋＨｚ未満のＲＦで５％未満のＲＦ吸収を有する円筒形本体１０と、
第１の端部で軸方向に円筒形本体１０内の共振容積を画定する第１のプランジャ１１と、
第２の端部で軸方向に円筒形本体１０内の共振容積を画定する第２のプランジャ１２を備え、
第２のプランジャ１２は、ＥＰＲ試料１４をＥＰＲ共振器に挿入するための開口部２，１３を有する。
【００４１】
本発明によるＥＰＲ共振器は、第１および第２のプランジャ１１，１２の各々が、導電性フィラメント３，３’からなる渦巻状巻線１，１’を備え、渦巻状巻線１，１’はそれらの端部および隣り合う巻線のいずれにおいても、電気的閉ループの形成につながる可能性がある導電性接続をしないことを特徴とする。
【００４２】
第１のプランジャ１１および／または第２のプランジャ１２は、少なくとも２つの層、特に約３０層からなる、隣り合う層間が導電性接続されることなく軸方向に配置された導電性渦巻状フィラメント３，３’を備える。
【００４３】
第２のプランジャ１２の開口部２，１３のサイズは、円筒形ＴＥ０１ｎモードの遮断径よりも小さくするべきである。
【００４４】
フィラメントの隣り合う巻線間の空間は絶縁体で充填してもよい。さらに、フィラメント３，３’は絶縁体で被覆してもよい。フィラメント３，３’は、通常、金属のみからなるワイヤ、好ましくは、ＡｇまたはＡｕ被覆銅、黄銅もしくはタングステン、またはＡｇまたはＡｕワイヤからなる。
【００４５】
本発明の最も実用的な実施形態では、ＲＦ場がＥＰＲ共振器の外側に配置されたＲＦコイルによって発生され、かつ円筒形本体１０内の共振容積の軸方向長さに対するＲＦコイルの横方向寸法が５０％〜２００％の範囲にあり、好ましくは約１００％である。
【００４６】
試料容積におけるＲＦ場の均一性は、０．０１％〜１０％の範囲にあり、特に０．１％〜１％の範囲にある。
【００４７】
図１および図２は、第１および第２のプランジャの構造を示す図であって、図１は開口部２を備えた構造、図２は開口なしの構造を示す。プランジャは、導電性フィラメント３，３’からなる渦巻状巻線１，１’を備える。渦巻状フィラメントの巻線は、それらの端部及び隣り合う巻線のいずれにおいても、互いに電気的に接触しない。
【００４８】
図３ａおよび図３ｂは、フィラメント３，３’からなる渦巻状巻線の２つの層を断面で示している。巻線の隣り合う部分間の間隔はδで示され、同じ方向のフィラメントの線径はＤで示される。一般に、望ましいマイクロ波の不透過性を達成するためには、δ／Ｄは３から１０の範囲内でなければならない（プランジャにおける穴の直径とその軸方向の長さに対する比についても同じである）。この規則は、フィラメント間の誘電材料（空気を含む）内の磁場のエバネセント伝播（減衰）を仮定することによって得られる。フィラメント線径Ｄは、後で図１２に示すように、異なる遮断ＲＦ吸収周波数にＥＰＲ共振器を適合させるために使用することができる。異なる層のフィラメント間の距離は少なくともδ／２と同じ大きさでなければならない。
【００４９】
フィラメントは、絶縁体４，４’によって電気的に絶縁され、機械的に安定にされる。フィラメント自体の電気絶縁被覆によって、絶縁がさらに改善され、フィラメントの巻線間の偶発的な電気接触の危険性が低減される。
【００５０】
図４および図５は、異なる構造を有する、使用されるフィラメントを示す。特に、図４および図５では、金属のみからなるフィラメント５，５’を示す。
【００５１】
図６は、本発明によるＥＰＲ共振器の第１の実施形態を示す。円筒形本体１０は、第１のプランジャ１１と、開口部１３を有する第２のプランジャ１２とによって画定されている。この開口部により、試料１４を共振器に挿入できる。誘電体試料管１６は、試料１４をその作動位置に保持する。誘電体試料管１６は、試料１４と共に共振器に挿入でき、また共振器から取り出することができる。放射素子１５（ループまたはアンテナ）で終端された同軸線により、マイクロ波を共振器に導入することができる。
【００５２】
第１のプランジャ１１に、その作動位置にある試料１４の支持部１７用の開口部１８があってもよい。本発明のさらなる実施形態では、第１のプランジャ１１または第２のプランジャ１２は、アンテナ１９によってマイクロ波放射を伝達するための第２の開口部１８’を有していてもよい。
【００５３】
図７は、本発明によるＥＰＲ共振器の第２の実施形態を示す。図６とは異なり、第１のプランジャ１１も開口部１８を有する。この場合、試料１４は、第１のプランジャ１１を横断する誘電体試料ホルダである支持部１７によって支持される。
【００５４】
図８は、本発明によるＥＰＲ共振器の第３の実施形態を示す。マイクロ波は、第２のプランジャ１２の第２の開口部１８’を介してアンテナ１９によって共振器に結合される。あるいは、マイクロ波は、開口部１３および１８を介して共振器に結合することもできる。
【００５５】
図９は、ＲＦコイル３１，３２によって囲まれたＥＰＲ共振器３０を示し、ＲＦコイル３１，３２は、例えば、ＥＰＲ共振器の軸方向長さよりも１５０％大きい。ＲＦコイルは、ＥＰＲ共振器全体を覆う磁場を発生する。
【００５６】
図１０は、中心に試料を有し、共振マイクロ波場の磁力線を記載した、円筒形ＥＰＲ共振器の断面を示す。
【００５７】
図１１は、共振マイクロ波場の電気力線を記載した、図１０の円筒形ＥＰＲ共振器の断面を示す。マイクロ波電磁場は、マクスウェル方程式に従って共存する。図１１から、プランジャの渦巻状構造は、本発明によって要求されるように、電気的マイクロ波共振モードの対称性を反映していることがわかる。渦巻状巻線の隣り合う巻線間が少しでも電気的に接触すると、共振マイクロ波モードの閉じ込めを妨げる共鳴構造が生じうる。
【００５８】
プランジャは、電磁信号を受信または送信するためには使用されないことに留意されたい。
【００５９】
図１２は、異なる線径Ｄのフィラメントについて、ＥＰＲ空洞共振器によってＲＦコイルに供給される一定量のＲＦ電力に対して計算した、追加的なＲＦ電力吸収の特性曲線を示す。スケーリング限界の規定は次のとおりである：０％はＲＦコイル間の空気（共振器は存在しない）を意味し、上限は１００％を超えることができる（相対測定）ため、規定されていない。約２．５ｍｍの線径Ｄにおいて、外部ＲＦ場の遮断周波数は約１ｋＨｚである。線径Ｄが小さいほど遮断周波数が高くなり、例えば、０．５ｍｍの場合は２０ｋＨｚ、１０μｍの場合は１５０ｋＨｚである。
【００６０】
最後に、図１３は、１つの巻線ソレノイド（本体１０）と、ソレノイドの内側のその端部に配置された開口部１３，１８を有する２つのワイヤ渦巻状巻線プランジャ１１，１２との３つの部分からなる、完全にＲＦを透過するＴＥ０１ｎ  ＥＰＲ共振器の切り欠き斜視断面図を示す。各プランジャ１１，１２は、隣り合う層間が導電性接続することなく、独立した渦巻状フラットワイヤコイルのスタックとして形成される。プランジャ１１，１２の内側ボアは、ＥＰＲ共振空洞共振器の内部空間にＥＰＲ試料を挿入する接近手段を提供する。
【００６１】
本発明のいくつかの特徴のみを本明細書に図示し説明したが、多くの修正および変更が当業者には想起されるはずである。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に含まれるすべてのそのような修正および変更を包含することが意図されていることを理解されたい。
【符号の説明】
【００６２】
１，１’  渦巻状巻線
２，１３  開口部
３，３’  導電性フィラメント
１０  円筒形本体
１１  第１のプランジャ
１２  第２のプランジャ
１４  ＥＰＲ試料
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
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2018100962000002.pdf
2018100962000003.pdf
2018100962000004.pdf