(57)【要約】【課題】上下方向に静磁界を発生する超伝導磁石装置との相性が良く、共振周波数の可変範囲が大きく、しかもＱ値の高いＥＳＲ用空胴共振器を提供する。【解決手段】円筒軸を含んだ第１の平面に沿ってマイクロ波磁界が集中するような円筒ＴＭ110モードで共振するＥＳＲ用空胴共振器であって、円筒面側で対向する一対の半円筒型共振器形成部材と、該半円筒型共振器形成部材の上下を塞いでマイクロ波の漏れを防ぐ平行な２つの導体板と、該半円筒型共振器形成部材の側面部を塞いでマイクロ波の漏れを防ぐ平行な２つの導体板とより成り、前記半円筒型共振器形成部材を前記４つの導体板に沿って摺動させ、前記半円筒型共振器形成部材の間隔を可変することにより、前記２つの共振器形成部材と前記４つの導体板で構成される円筒状空胴の共振周波数を可変するようにした。【選択図】図２
2007003444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒軸を含んだ第１の平面に沿ってマイクロ波磁界が集中するような円筒ＴＭ110モードで共振するＥＳＲ用空胴共振器であって、
前記第１の平面と直交する、円筒軸を含んだ第２の平面で共振器壁を２分割した形状を有し、円筒面側で対向する導体製の一対の半円筒型共振器形成部材と、
該半円筒型共振器形成部材と電気的に接続され、該半円筒型共振器形成部材の上下を塞いでマイクロ波の漏れを防ぐ前記円筒軸に直交する平行な２つの導体板と、
前記半円筒型共振器形成部材と電気的に接続され、前記半円筒型共振器形成部材の間隔を可変する際に、前記半円筒型共振器形成部材が形成する円筒状空間の側面部に生じる隙間を塞いでマイクロ波の漏れを防ぐ前記円筒軸と平行な２つの導体板と
より成り、
前記半円筒型共振器形成部材を前記４つの導体板に沿って摺動させ、前記半円筒型共振器形成部材の間隔を可変することにより、前記２つの半円筒型共振器形成部材と前記４つの導体板で構成される円筒状空胴の共振周波数を可変するようにしたことを特徴とするＥＳＲ用空胴共振器。
【請求項２】
前記共振周波数の制御は、２つの半円筒型共振器壁のうち、少なくとも一方の半円筒型共振器壁を円筒の中心軸より遠ざけることにより行なうことを特徴とする請求項１記載のＥＳＲ用空胴共振器。
【請求項３】
前記共振周波数の制御は、２つの半円筒型共振器壁を同時に円筒の中心軸より遠ざけることにより行なうことを特徴とする請求項１記載のＥＳＲ用空胴共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水溶液試料の測定などに用いて有効な、円筒ＴＭ110モードで共振するＥＳＲ用空胴共振器に関する。
【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装置の水溶液試料に対する感度および分解能を向上させる目的で、円筒ＴＭ110モードで共振する空胴共振器がＥＳＲ用検出器として賞用されている。
【０００４】
図１は、円筒ＴＭ110モードで共振するＥＳＲ用空胴共振器の基本共振モードを示したものである。図中Ｂ1で示した矢印が、共振器内に発生するマイクロ波の定在波によるマイクロ波磁界の磁束分布である。ここでは、円筒軸を含んだひとつの平面に沿ってマイクロ波磁界が集中するような、面方向に揃った磁束分布を生じており、これと直交する方向（紙面縦方向や紙面左右方向）から静磁界を印加すれば、共振器内に置かれた図示しない測定試料にＥＳＲ共鳴現象を生じさせることができ、測定試料によるマイクロ波の吸収を観測することができる。
【０００５】
また、磁束が発生する面上では、マイクロ波の電界成分が少ないため、水溶液試料などマイクロ波に対して誘電損失を招く試料では、この面上に試料を配置すれば、誘電損失を最小限に抑えて、ＥＳＲ装置の検出感度を適正に保つことができる。そのため、円筒ＴＭ110モードで共振するＥＳＲ用空胴共振器は、水溶液試料の測定に有利な共振器として、なくてはならない存在となっている。
【０００６】
【特許文献１】特開昭55-17430号公報
【非特許文献１】発明協会公開技報2002-579
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、円筒ＴＭmnsモード共振器の共振波長λ0は、円筒共振器の半径をａ、高さをｌとすると、以下のような式により決定される。
【０００８】
【数１】
2007003444.tif 000003
ここで、ｘmnはベッセル関数Jm（ｘ）のｎ番目の根である。ＴＭ110モードにおいてはｓ＝０であるため、上の式は次のように変形される。
【０００９】
【数２】
2007003444.tif 000004
ただし、定数ｘ11は３．８３２である。
【００１０】
したがって、光速ｃを用いて表現すると、円筒ＴＭ110モード共振器の共振周波数（ｃ/λ0）は、円筒の直径のみで規定されることが分かる。例えば、Ｗバンド（９５ＧＨｚ帯）で使用される円筒ＴＭ110モード空胴共振器の直径は４ｍｍ程度である。
【００１１】
ところで、ＥＳＲ測定においては、測定試料を空胴共振器の中央部にセットする他、共振器内部に静磁場に変調を与えるための磁場変調コイルを設置したり、測定試料の温度を変化させるための試料温度可変装置の一部として、温調ガスを流すガラス製二重管を挿入したりすることが行なわれる。
【００１２】
空胴共振器へのこのような細工は、とりわけ高磁場・高周波でのＥＳＲ測定など、空胴の寸法が極端に小さくなった場合に問題となる。例えば、Ｗバンド（９５ＧＨｚ帯）で使用される円筒モード空胴共振器の直径は４ｍｍ程度であり、直径が０．１ｍｍずれても共振周波数は２ＧＨｚ程度シフトする。このような状況下で共振器内に１ｍｍφの外径を持つガラス製試料管をセットすると、試料の体積や誘電率などの影響を受け、共振周波数の変化量は数ＧＨｚにも及ぶ可能性がある。
【００１３】
これだけの共振周波数の変化に対しては、発振器側で同調させることができないため、空胴共振器の容積を変えることで空胴共振器の共振周波数を発振器の周波数に同調させる必要が生じる。
【００１４】
矩形モード共振器では、向かい合う面と面の距離を変化させることで共振周波数を制御することが行なわれている。しかしながら、矩形モード共振器は、円筒モード共振器に比べてＱ値が低いため、感度的には不利である。
【００１５】
一方、円筒モード共振器においても、共振モードがＴＥ011モードであれば、円筒の上下面間の距離を変化させることにより、共振周波数を制御することは可能である。しかし、上下方向に静磁界を発生する超伝導磁石装置との併用を前提とした場合、マイクロ波磁界の磁束方向が円筒軸方向に一致する円筒ＴＥ011モード空胴共振器では、空胴共振器の円筒軸を水平方向に設定する必要があるため、試料軸が円筒軸と一致する円筒ＴＥ011モード空胴共振器では、試料挿入口が横方向を向いてしまい、超伝導磁石装置の上下方向から試料を空胴内にセットすることが事実上不可能となる。
【００１６】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、上下方向に静磁界を発生する超伝導磁石装置との相性が良く、共振周波数の可変範囲が大きく、しかもＱ値の高いＥＳＲ用空胴共振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この目的を達成するため、本発明にかかるＥＳＲ用空胴共振器は、
円筒軸を含んだ第１の平面に沿ってマイクロ波磁界が集中するような円筒ＴＭ110モードで共振するＥＳＲ用空胴共振器であって、
前記第１の平面と直交する、円筒軸を含んだ第２の平面で共振器壁を２分割した形状を有し、円筒面側で対向する導体製の一対の半円筒型共振器形成部材と、
該半円筒型共振器形成部材と電気的に接続され、該半円筒型共振器形成部材の上下を塞いでマイクロ波の漏れを防ぐ前記円筒軸に直交する平行な２つの導体板と、
前記半円筒型共振器形成部材と電気的に接続され、前記半円筒型共振器形成部材の間隔を可変する際に、前記半円筒型共振器形成部材が形成する円筒状空間の側面部に生じる隙間を塞いでマイクロ波の漏れを防ぐ前記円筒軸と平行な２つの導体板と
より成り、
前記半円筒型共振器形成部材を前記４つの導体板に沿って摺動させ、前記半円筒型共振器形成部材の間隔を可変することにより、前記２つの半円筒型共振器形成部材と前記４つの導体板で構成される円筒状空胴の共振周波数を可変するようにしたことを特徴としている。
【００１８】
また、前記共振周波数の制御は、２つの半円筒型共振器壁のうち、少なくとも一方の半円筒型共振器壁を円筒の中心軸より遠ざけることにより行なうことを特徴としている。
【００１９】
また、前記共振周波数の制御は、２つの半円筒型共振器壁を同時に円筒の中心軸より遠ざけることにより行なうことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のＥＳＲ用空胴共振器によれば、
円筒軸を含んだ第１の平面に沿ってマイクロ波磁界が集中するような円筒ＴＭ110モードで共振するＥＳＲ用空胴共振器であって、
前記第１の平面と直交する、円筒軸を含んだ第２の平面で共振器壁を２分割した形状を有し、円筒面側で対向する導体製の一対の半円筒型共振器形成部材と、
該半円筒型共振器形成部材と電気的に接続され、該半円筒型共振器形成部材の上下を塞いでマイクロ波の漏れを防ぐ前記円筒軸に直交する平行な２つの導体板と、
前記半円筒型共振器形成部材と電気的に接続され、前記半円筒型共振器形成部材の間隔を可変する際に、前記半円筒型共振器形成部材が形成する円筒状空間の側面部に生じる隙間を塞いでマイクロ波の漏れを防ぐ前記円筒軸と平行な２つの導体板と
より成り、
前記半円筒型共振器形成部材を前記４つの導体板に沿って摺動させ、前記半円筒型共振器形成部材の間隔を可変することにより、前記２つの半円筒型共振器形成部材と前記４つの導体板で構成される円筒状空胴の共振周波数を可変するようにしたので、
上下方向に静磁界を発生する超伝導磁石装置との相性が良く、共振周波数の可変範囲が大きく、しかもＱ値の高いＥＳＲ用空胴共振器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】
【００２１】
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２は、本発明にかかるＥＳＲ用空胴共振器を説明した図である。上図が本発明を側面から見た図、下図が本発明を上面から見た図（上蓋２を取り外した図）である。
【００２２】
本発明は、円筒軸を含んだ第１の平面に沿ってマイクロ波磁界が集中するような円筒ＴＭ110モードで共振するＥＳＲ用空胴共振器であって、前記第１の平面と直交する、円筒軸を含んだ第２の平面で共振器壁を２分割した形状を有し、円筒面側で対向する導体製の一対の半円筒型共振器形成部材と、該半円筒型共振器形成部材と電気的に接続され、該半円筒型共振器形成部材の上下を塞いでマイクロ波の漏れを防ぐ前記円筒軸に直交する平行な２つの導体板と、前記半円筒型共振器形成部材と電気的に接続され、前記半円筒型共振器形成部材の間隔を対向軸方向に可変する際に、前記半円筒型共振器形成部材が形成する円筒状空間の側面部に生じる隙間を塞いでマイクロ波の漏れを防ぐ前記円筒軸と平行な２つの導体板とより成り、前記半円筒型共振器形成部材を前記４つの導体板に沿って摺動させ、前記半円筒型共振器形成部材の間隔を前記４つの導体板が形作る四角柱の柱軸方向に可変することにより、前記２つの半円筒型共振器形成部材と前記４つの導体板で構成される円筒状空胴の共振周波数を可変するように構成したものである。
【００２３】
半円柱状の凹部を持つ２つの半円筒型共振器壁１と、上下の蓋２、２’と、側壁４と固定板６とで構成される円筒状空胴部は、導波管３から送られてくるマイクロ波を、側壁４に設けられた結合孔５を介して取り込み、空胴内で共振させることができる。２つの半円筒型共振器壁１は、互いに平行に配置された上蓋２、下蓋２’、および、側壁４、固定板６の間を摺動して、両者の間隔ｄを可変させることができる構成になっている。これにより、空胴の容積を可変させ、空胴部の共振周波数をコントロールする。
【００２４】
２つの半円筒型共振器壁１と、上下の蓋２、２’と、側壁４と固定板６とは、互いに電気的に接続され、その電位は導波管３の側壁と同じ接地電位になっている。
【００２５】
間隔ｄがゼロのときは、純然たる円筒ＴＭ110モード空胴共振器となる。また、間隔ｄの値が増加していくにつれて、空胴部の形は円筒型とは呼べなくなるものの、磁束の経路が長くなるため、共振周波数を計画的に低下させることが可能である。したがって、予測される最も高い共振周波数が得られるような直径で円筒ＴＭ110モード空胴共振器を設計しておけば、磁場変調コイルや温度可変装置や実試料などの装着による共振周波数の変化を２つの半円筒型共振器壁１間の間隔ｄの変化により補償吸収させることができる。
【００２６】
マイクロ波磁界Ｂ1は、空胴の円筒軸と前記半円筒型共振器壁１の可変軸とを含む平面上に分布している。したがって、上蓋２の中央部に設けられた試料ホルダ７に試料（例えば扁平試料管に入れられた水溶液試料など）を設定し、空胴内に挿入すると、試料は空胴内で最もマイクロ波磁界Ｂ1強度が強い位置に位置することになる。そして、試料に与えられるマイクロ波磁界Ｂ1の向きが半円筒型共振器壁１の可変軸方向であるのに対して、図示しない超伝導磁石装置から試料に与えられる静磁場Ｂ0の向きは円筒軸方向であり、両者は図３に示すように互いに直交する。これにより、静磁場Ｂ0とマイクロ波磁界Ｂ1の相互作用により、試料にＥＳＲ共鳴現象を効率的に生じさせることができる。
【００２７】
本発明にかかるＥＳＲ用空胴共振器の特徴を明確にするために、２つの半円筒型共振器壁１間の間隔Ｄを変化させたときに与えられる空胴部の共振周波数を電磁界計算によりシミュレーションしてみた。空胴部のパラメータを図４に示す。空胴部直径Ｒ＝１．９０５ｍｍ、空胴部高さＬ＝２．７２ｍｍ、サンプルホール直径ｄ＝１．００ｍｍ、空胴部の材質を純銅と仮定し、２つの半円筒型共振器壁の間隔Ｄをゼロから０．４ｍｍまで０．１ｍｍ間隔で変化させて、共振周波数の計算値を求めた。
【００２８】
図５に結果を示す。２つの半円筒型共振器壁の間隔Ｄをゼロから０．４ｍｍまで変化させると、Ｄの変化量にほぼ比例して、空胴の共振周波数は９５ＧＨｚから８７．５ＧＨｚまでシフトし、予め期待した通りの結果が得られた。このときのマイクロ波磁界Ｂ1の強度は、２つの半円筒型共振器壁１で挟まれた間隔Ｄを短辺とする直方体空間付近を中心に最も強く分布することが分かった。
【００２９】
なお、空胴部の共振周波数の制御は、２つの半円筒型共振器壁のうち、一方の半円筒型共振器壁を円筒の中心軸より遠ざけることにより行なっても良いし、あるいは、２つの半円筒型共振器壁を同時に円筒の中心軸より遠ざけることにより行なっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
高磁場・高周波電子スピン共鳴装置の検出器に広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の円筒ＴＭ110モードで共振するＥＳＲ用空胴共振器の基本共振モードを示す図である。
【図２】本発明にかかるＥＳＲ用空胴共振器の一実施例を示す図である。
【図３】本発明におけるＥＳＲ用空胴共振器の静磁場Ｂ0とマイクロ波磁界Ｂ1の関係を示す図である。
【図４】本発明にかかるＥＳＲ用空胴共振器のモデル計算パラメータを示す図である。
【図５】本発明にかかるＥＳＲ用空胴共振器のモデル計算結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１：半円筒型共振器壁、２：上蓋、２’：下蓋、３：導波管、４：側壁、５：結合孔、６：固定板、７：試料ホルダ
【図１】
2007003444.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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