ПЕТЛЕВОЙ РЕЗОНАТОР
LOOP RESONATOR

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерительным резонаторам для исследования взаимодействия электромагнитного СВЧ поля с веществом, и может быть использовано в спектрометрах электронного парамагнитного резонанса и двойного электронно-ядерного резонанса.
Для увеличения чувствительности измерительной аппаратуры исследуемый объект обычно помещается внутрь резонансной структуры таким образом, чтобы обеспечить возбуждение исследуемого объекта интенсивным СВЧ магнитным полем и максимальную зависимость регистрируемых параметров резонансной структуры от исследуемых свойств объекта.
Наиболее распространены различные варианты полых СВЧ резонансных структур, являющихся структурами с распределенными параметрами, в которых электрическое и магнитное СВЧ поля существенно перекрываются в одной и той же области пространства. Как правило, такие системы имеют относительно высокую добротность и невысокий коэффициент связи образца с СВЧ магнитным полем (коэффициент заполнения).
К недостаткам таких систем относится значительное пространственное перекрытие электрического и магнитного СВЧ полей, что препятствует исследованию образцов, обнаруживающих значительное поглощение энергии электрического поля, и низкое временное разрешение (большое время восстановления), связанное с высоким коэффициентом добротности.
Кроме того, известны петлевые резонаторы (структура петля-зазор), которые являются резонансными структурами с сосредоточенными параметрами (петля-индуктивность, зазор-емкость). Такие резонаторы могут конструироваться таким образом, что СВЧ электрическое и магнитное поля оказываются существенно разделены в пространстве, они имеют низкую добротность, что обеспечивает малое время восстановления (высокое временное разрешение), а высокая чувствительность достигается за счет большого коэффициента заполнения.
Известен петлевой резонатор (аналог), описанный в статье W.Froncisz, James S. Hyde, The Loop-Gap Resonator: A New Microwave Lumped Circuit ESR Sample Structure, Journal of Magnetic Resonance 47, p.515-521, 1982, который содержит металлизированную трубку из керамики или кварца, помещенную в цилиндрический экран. Слой металлизации на трубке разделен на две или четыре равные части зазорами, параллельными оси трубки. Участки цилиндрической металлизации образуют индуктивности, а зазоры - емкости резонансного контура. Исследуемый образец помещается в центр трубки.
Недостатком аналога является отсутствие возможности компенсации разброса резонансной частоты, возникающего вследствие неизбежных технологических погрешностей. Некоторые типы спектрометров электронного парамагнитного резонанса могут работать в очень узкой полосе частот СВЧ, поэтому для них необходимы резонаторы с вполне определенной резонансной частотой. Кроме того, в данном резонаторе за счет краевых эффектов электрическое поле слабо локализовано в зазорах и распространяется в объем исследуемого образца.
В качестве прототипа выбран петлевой резонатор, описанный в статье Bridged loop-gap resonator: A resonant structure for pulsed ESR transparent high-frequency radiation. S.Pfenninger, J.Forrer, A.Schweiger, and T.Weiland, Rev. Sci. Instrum. 59, 752-760 (1988).
Резонансная структура образована тонкими металлическими пленочными электродами, нанесенными на внутреннюю и внешнюю поверхности кварцевой трубки, помещенной в проводящий экран. На внутренней поверхности трубки слой металла разделен двумя относительно узкими зазорами, параллельными оси трубки и лежащими напротив друг друга. Получившиеся две полупетли образуют индуктивность этой резонансной структуры. Зазоры между полупетлями перекрываются пленочными металлическими электродами (мостами-перемычками) на внешней поверхности трубки, ширина которых превышает ширину перекрываемого зазора, вследствие чего создаются области перекрытия, в которых металлизация имеется как на внутренней, так и на внешней поверхности трубки, формируя емкость резонансной структуры. Исследуемый образец помещается в центр кварцевой трубки, а резонансная частота определяется индуктивностью двух полуколец, емкостями двух областей зазора и размером экрана. Изменение резонансной частоты производится изменением площади перекрытия электродов на внутренней и внешней поверхности трубки путем подскабливания перемычек.
К недостаткам прототипа относятся сложность и необратимость процесса подгонки резонансной частоты, а также значительное проникновение СВЧ электрического поля в рабочий объем.
Задачей технического решения является создание петлевого резонатора с возможностью многократной перестройки резонансной частоты и малым проникновением СВЧ электрического поля внутрь рабочего объема.
Поставленная задача решается за счет того, что в петлевом резонаторе, содержащем помещенную в проводящий экран резонансную систему, сформированную двумя коаксиально расположенными группами электродов разного диаметра, каждая из которых включает один или несколько пленочных металлических электродов, имеющих форму части цилиндрической поверхности, ограниченной двумя дугами и двумя образующими цилиндра, разделенных зазорами и ориентированных таким образом, что зазоры одной группы полностью перекрыты электродами другой группы, вышеупомянутые группы электродов выполнены с возможностью взаимного вращения друг относительно друга, а угловые размеры электродов обеих групп и угловые размеры электродов и зазоров в каждой группе соизмеримы.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на котором изображен петлевой резонатор.
Петлевой резонатор содержит помещенную в проводящий экран 1 резонансную систему, сформированную двумя коаксиально расположенными и установленными с возможностью взаимного вращения друг относительно друга группами электродов 2 и 3 разного диаметра, разделенных зазорами, каждая из которых включает, например, по 4 пленочных металлических электрода, имеющих форму части цилиндрической поверхности, ограниченной двумя дугами и двумя образующими цилиндра, и такое же количество зазоров, ориентированных таким образом, что зазоры группы 3 полностью перекрываются электродами группы 4, при этом угловые размеры электродов обеих групп и угловые размеры электродов и зазоров в каждой группе соизмеримы.
Резонансная частота системы определяется индуктивностью 2n неперекрывающихся участков электродов и 2n емкостями, образованными перекрывающимися краями электродов, а также внешним экраном, где n - число электродов в одной группе. Максимальная суммарная емкость контура, а следовательно, минимальная частота будет соответствовать симметричной ориентации проводящих участков и зазоров. При повороте одной группы электродов по отношению к другой в любую сторону от симметричной ориентации емкость будет уменьшаться, а частота резонанса увеличиваться. Широкие зазоры между электродами в одной группе, соизмеримые по угловому размеру с электродом, минимизируют вклад краевой емкости между электродами в эффективную емкость резонансного контура, определяемую главным образом областями перекрытия электродов разных групп. Таким образом, СВЧ электрическое поле оказывается локализованным в областях перекрытия электродов, а не в рабочем объеме внутри группы меньшего диаметра.