(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒内壁の凹部を円筒軸と平行な平面で切り取った形状を持つ凹状に湾曲した１対の反射板を、軸方向を一致させながら凹面同士で対向配置させたＥＳＲ用ファブリ・ペロー共振器であって、
該反射板の片側より高周波を導入し、１対の反射板の間隙中心付近に測定試料をセットして使用することを特徴とするＥＳＲ用ファブリ・ペロー共振器。
【請求項２】
前記１対の反射板は、円筒の曲率半径が互いに等しいことを特徴とする請求項１記載のＥＳＲ用ファブリ・ペロー共振器。
【請求項３】
前記１対の反射板は、凹部側が鏡面であることを特徴とする請求項１記載のＥＳＲ用ファブリ・ペロー共振器。
【請求項４】
請求項１記載のファブリ・ペロー共振器を検出部に備えたＥＳＲ装置。
【請求項５】
前記ファブリ・ペロー共振器の共振器軸を静磁場軸と一致させてＥＳＲ装置を構成することを特徴とする請求項４記載のＥＳＲ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波を共振させるファブリ・ペロー共振器と、該共振器を使用した高磁場・高周波ＥＳＲ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＳＲ装置は、静磁場中に置かれた被測定試料にマイクロ波を照射すると共に、照射したマイクロ波が被測定試料によって吸収される様子をスペクトルとして記録するようにした磁気共鳴装置の一種である。被測定試料中にフリーラジカルが存在すると、静磁場の掃引に伴ってマイクロ波の吸収が起こり、フリーラジカルの分子構造を反映した吸収スペクトルが記録計に記録される。この吸収スペクトルを解析することにより、フリーラジカルの分子構造に関する情報を得ることができる。
【０００３】
近年、ＥＳＲ装置の感度および分解能を飛躍的に向上させる目的で、被測定試料に印加する静磁場の強度を高めるとともに、共鳴に用いる電磁波をマイクロ波帯域からミリ波帯域にまで高める試みが行なわれている。
【０００４】
図１は、高磁場ＥＳＲ装置の基本構成を示したものである。図中５は、強い静磁場を発生させる、例えば超伝導磁石などの磁石装置である。円筒ドーム状の磁石装置５の中心軸（Ｙ軸）に沿った縦穴の内部には、測定対象物質を収納した検出器１が配置されている。
【０００５】
一般的には、この磁石装置５の磁場を掃引しながら、高周波回路ユニット２より一定周波数の電磁波を検出器１に供給し続ける。掃引中、ある磁場の強さで測定物質の共鳴条件が成立すると、検出器１から反射されてくる電磁波の量が変化する。このときの反射波の変化を高周波回路ユニット２で検波し、信号処理ユニット３を通してスペクトルに変換し、スペクトル表示装置４に表示する。
【０００６】
高磁場・高周波を用いたＥＳＲ測定を行なう場合、磁石装置５中に配置される検出器１は、主に空胴共振器やファブリ・ペロー共振器が用いられる。共振器の性能は、一般に、Ｑ値と発生する高周波磁場の強度Ｂ1とで評価される。
【０００７】
空胴共振器は、高いＱ値と強いＢ1強度を有することから、ＥＳＲ測定用の検出器として広く用いられている。しかし、空胴共振器の場合、測定周波数が高周波領域になると、周波数の平方根に比例してＱ値は低下してしまう。さらに、共振器の体積が小さくなり、利用できる測定試料の体積に厳しい制限がかかる。
【０００８】
例えば、９５ＧＨｚで共振するＴＥ011型の円筒モード共振器の場合、直径も高さも４ｍｍの大きさになる。測定試料は、直径１ｍｍ以下のガラス管などに充填して、この共振器内に挿入することになるので、寸法が小さく、きわめて扱いにくい。共振周波数がさらに高くなると、共振器の寸法と試料の体積は、周波数の上昇に反比例してますます小さくならざるを得ないので、空胴共振器の利用は実用上不利である。
【０００９】
一方、ファブリ・ペロー共振器は、２枚の反射板で構成され、ミリ波以上の高周波領域において、空胴共振器よりも高いＱ値と大きな測定部体積を有することから、高磁場・高周波を用いたＥＳＲ測定に広く用いられている（特許文献１）。
【００１０】
図２と図３に２種類の代表的なファブリ・ペロー共振器を示す。まず、図２に示したタイプのファブリ・ペロー共振器は、図１の磁石装置５が発生する静磁場がＹ軸方向を向いている場合に用いられる。基本構成は、球面加工された凹面鏡７と平面の板から成る反射鏡１０とから成り、導波路６から供給された高周波磁界８（および９０度の位相差で電界も）が図のように多重反射する。このとき、測定試料９は、反射鏡１０の中央に置かれる（非特許文献１）。高周波磁界８は、静磁場方向Ｙとは垂直なＺＸ平面上に成分を持つので、磁気共鳴を起こすことができる。
【００１１】
一方、図３に示したタイプのファブリ・ペロー共振器は、球面加工された１対の凹面鏡１２から成り、導波路１１から供給された高周波磁界１３（および９０度の位相差で電界も）は、図のように凹面鏡間で多重反射する。このとき、測定試料１４は、１対の凹面鏡１２のちょうど中間位置に置かれる。高周波磁界１３は、ＸＹ平面上に成分を持つので、磁気共鳴を起こすためには、図１の磁石装置５が発生する静磁場は、Ｚ軸方向であることが望ましい。
【００１２】
【特許文献１】特開平10-123072号公報
【非特許文献１】発明協会公開技報2005-501662
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、図２に示すタイプのファブリ・ペロー共振器の場合、温度可変装置などの密閉された空間にこの共振器を設置すると、通常、温度可変装置の測定部は、Ｙ軸方向に細長い形状をしているので、測定試料の交換が困難になるという問題があった。また、図２に示すタイプのファブリ・ペロー共振器は、共振器の対称性が悪く、高周波の定在波が歪みやすいので、測定試料に印加される高周波磁界Ｂ1の強度が弱くなり、感度が悪くなる。また、反射鏡の上に直接測定試料を置くため、試料角度の回転を行なうような実験はできない。
【００１４】
一方、図３に示すタイプのファブリ・ペロー共振器の場合、球面鏡を採用しているので、高周波磁界はＸ、Ｙどちらの方向にも成分を持ち得る。したがって、Ｙ軸方向に静磁場が発生する磁石装置５を用いたとき、Ｘ軸方向に高周波磁界が発生しなければ、ＥＳＲ信号が得られないという欠点がある。したがって、Ｙ軸方向に静磁場が発生する磁石装置５を用いる実験では、確実にＸ軸方向に高周波磁界が発生するような特別な工夫が必要となる。また、Ｘ、Ｙどちらの方向の高周波磁界も共鳴検出に利用する場合には、Ｚ軸方向の磁石装置が必要となるが、高磁場になればなるほど、Ｚ軸方向に静磁場が発生するような磁石装置は入手困難となるので、この方式は不利である。
【００１５】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、温度可変装置との相性が良く、Ｙ軸方向に静磁場を発生する磁石装置とも相性が良く、測定試料の自由度を向上できるようなファブリ・ペロー共振器、および、そのようなファブリ・ペロー共振器を用いたＥＳＲ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この目的を達成するため、本発明にかかるファブリ・ペロー共振器は、
円筒内壁の凹部を円筒軸と平行な平面で切り取った形状を持つ凹状に湾曲した１対の反射板を、軸方向を一致させながら凹面同士で対向配置させたＥＳＲ用ファブリ・ペロー共振器であって、
該反射板の片側より高周波を導入し、１対の反射板の間隙中心付近に測定試料をセットして使用することを特徴としている。
【００１７】
また、前記１対の反射板は、円筒の曲率半径が互いに等しいことを特徴としている。
【００１８】
また、前記１対の反射板は、凹部側が鏡面であることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明にかかるＥＳＲ装置は、円筒内壁の凹部を円筒軸と平行な平面で切り取った形状を持つ凹状に湾曲した１対の反射板を、軸方向を一致させながら凹面同士で対向配置させて成るファブリ・ペロー共振器を検出部に備えたことを特徴としている。
【００２０】
また、前記ファブリ・ペロー共振器の共振器軸を静磁場軸と一致させてＥＳＲ装置を構成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のファブリ・ペロー共振器によれば、円筒内壁の凹部を円筒軸と平行な平面で切り取った形状を持つ凹状に湾曲した１対の反射板を、軸方向を一致させながら凹面同士で対向配置させたＥＳＲ用ファブリ・ペロー共振器であって、
該反射板の片側より高周波を導入し、１対の反射板の間隙中心付近に測定試料をセットして使用することを特徴としているので、
温度可変装置との相性が良く、Ｙ軸方向に静磁場を発生する磁石装置とも相性が良く、測定試料の自由度を向上できるようなファブリ・ペロー共振器を提供することが可能になった。
【００２２】
また、本発明のＥＳＲ装置によれば、円筒内壁の凹部を円筒軸と平行な平面で切り取った形状を持つ凹状に湾曲した１対の反射板を、軸方向を一致させながら凹面同士で対向配置させたＥＳＲ用ファブリ・ペロー共振器であって、
該反射板の片側より高周波を導入し、１対の反射板の間隙中心付近に測定試料をセットして使用するファブリ・ペロー共振器を検出部に備えたので、
温度可変装置との相性が良く、Ｙ軸方向に静磁場を発生する磁石装置とも相性が良く、測定試料の自由度を向上できるようなＥＳＲ装置を提供することが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面に基づいて、本発明の実施例について説明する。図４は、本発明にかかるファブリ・ペロー共振器を説明した図である。図中２１は、円筒内壁の凹部を円筒軸と平行な平面で切り取った形状を持つ凹状に湾曲した１対の反射板である。この反射板は、竹筒を縦に割って向かい合わせに並べたような半円筒型の形状を持つ。円筒軸方向を一致させながら凹面同士で対向配置させることにより、導波路２２を通って反射板２１の片側より供給される高周波磁界２３（および９０度の位相差で電界も）を、１対の反射板２１間で共振させることができる。共振周波数は、反射板２１間の距離を変えることで変化させることができる。
【００２４】
導波路２２には、導波管や誘電体導波路が用いられる。同軸ケーブルの使用も不可能ではないが、９５ＧＨｚ帯域では損失が大き過ぎて好ましくない。導波路２２と反射板２１との結合は、導波路２２が導波管である場合は、導波管壁と反射板２１を共にアースに落とすとともに、反射板２１に結合孔を開けることにより行ない、スタブと呼ばれる結合度調整ピンやショート・プランジャーと呼ばれる移動壁で結合度の微調節を図る。一方、導波路２２が誘電体導波路である場合の結合は、導波路壁と反射板２１を共にアースに落とすとともに、反射板２１に結合孔を開け、誘電体の芯をファブリ・ペロー共振器内に突き出させることにより行ない、芯の突き出し方を加減することで結合度の微調節を図る。これらの結合孔の位置は、反射板２１の中心付近であることが好ましいが、中心からずれていても結合は不可能ではない。
【００２５】
このファブリ・ペロー共振器の特徴は、図１の磁石装置５が発生する静磁場がＹ軸方向を向いている場合と相性が良いことである。高周波磁界２３は、導波路２２から１対の反射板２１間に送られ、静磁場方向Ｙとは直交するＸ軸方向に成分を持つように発生する。これにより、本発明にかかるファブリ・ペロー共振器の共振器軸（円筒軸）を静磁場軸（Ｙ軸）と一致させてＥＳＲ装置を構成すれば、測定試料２４のＥＳＲ現象を感度良く捉えることができる。また、試料空間がＹ軸方向に細長いため、温度可変装置との相性も良く、角度回転や試料の出し入れが容易である。なお、測定試料は、前記１対の反射板２１の間隙中心付近にセットされる。
【００２６】
本発明にかかるファブリ・ペロー共振器の特徴を明確にするために、従来の球面鏡から成るファブリ・ペロー共振器と本案との電磁界計算による比較を行なった。ファブリ・ペロー共振器の共振条件は、図５に示すように、下記の近似式によって定義される。
【００２７】
【数１】
0004721784.tif 000002
ここで、Ｌはミラー間距離、λは共振波長、ｑは高周波電界のノードの数、Ｒはミラーの曲率半径である。計算に当たっては、図６に示すように、Ｌ＝Ｒ＝６．３ｍｍ、λ＝３．１５６ｍｍ（９５ＧＨｚにおける自由空間波長）、ｑ＝４というパラメータ設定を行なった。その他に、球面鏡の直径Ｈ＝７．２６ｍｍ、半円筒鏡の高さＨ＝１０．０ｍｍとした。
【００２８】
図７は、電磁界計算によって得られた高周波磁界Ｂ1の強度分布を図示したものである。図の横軸はＸ軸方向の位置（単位：ｍｍ）、縦軸はＹ軸方向の位置（単位：ｍｍ）を表わしている。高周波磁界Ｂ1は、Ｘ軸方向すなわち紙面横方向に向けて発生する。その強度分布を球面鏡と半円筒鏡とで比較すると、球面鏡では高周波磁界Ｂ1の強度の強い領域が円状に狭く分布しているのに対し、半円筒鏡では高周波磁界Ｂ1の強度の強い領域が縦に長い矩形状に広く分布していることが分かる。
【００２９】
これをＢ1強度のグラフで表示すると、図８のようになる。図の縦軸は高周波磁界Ｂ1の強度値（単位：gauss/√Ｗ）、横軸はＹ軸方向の位置（単位：ｍｍ）である。図から明らかなように、高周波磁界Ｂ1の強度値は、球面鏡でも半円筒鏡でも鏡間空間の中心位置で最も強くなり、中心からＹ方向に遠ざかるにつれて、しだいに弱くなるという分布を示す。
【００３０】
ただし、その分布の様子には違いがあり、球面鏡では鏡間空間の中心位置において高周波磁界Ｂ1の強度値が非常に高く、中心からＹ方向に離れると急激に強度値が低下するのに対して、半円筒鏡では鏡間空間の中心付近での高周波磁界Ｂ1の強度値がさほど高くない代わりに、鏡の中心からＹ方向に遠ざかっても、高周波磁界Ｂ1の強度値は、それほど急激には低下しない。その結果、半円筒鏡では、比較的広い範囲にわたって、高周波磁界Ｂ1の強度値の強い領域が分布する結果となった。
【００３１】
図９は、球面鏡タイプのファブリ・ペロー共振器と半円筒鏡タイプのファブリ・ペロー共振器とで、測定に使用できる試料の有効体積を比較したものである。図から明らかなように、球面鏡タイプのファブリ・ペロー共振器の有効試料体積が、３．６３×３．６３×１．０ｍｍ3であるのに対して、半円筒鏡タイプのファブリ・ペロー共振器の有効試料体積は、７．２６×１０．０×１．０ｍｍ3となり、約７．３倍となる。これにより、本案のファブリ・ペロー共振器では、試料量を増やすことにより、測定感度を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
高磁場・高周波ＥＳＲ装置の検出器に広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の高磁場ＥＳＲ装置の基本構成を示す図である。
【図２】従来のファブリ・ペロー共振器を示す図である。
【図３】従来のファブリ・ペロー共振器を示す図である。
【図４】本発明にかかるファブリ・ペロー共振器の一実施例を示す図である。
【図５】ファブリ・ペロー共振器の共振条件を示す図である。
【図６】ファブリ・ペロー共振器のモデル計算パラメータを示す図である。
【図７】ファブリ・ペロー共振器のモデル比較結果を示す図である。
【図８】ファブリ・ペロー共振器のモデル比較結果を示す図である。
【図９】ファブリ・ペロー共振器のモデル比較結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１：検出器、２：高周波回路ユニット、３：信号処理ユニット、４：スペクトル表示装置、５：磁石装置、６：導波路、７：凹面鏡、８：高周波磁界、９：測定試料、１０：反射鏡、１１：導波路、１２：凹面鏡、１３：高周波磁界、１４：測定試料、２１：反射板、２２：導波路、２３：高周波磁界、２４：測定試料
【図１】
0004721784.tif 000003
【図２】
0004721784.tif 000004
【図３】
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【図４】
0004721784.tif 000006
【図５】
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【図６】
0004721784.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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