DE1279137B

DE1279137B - Resonator for high frequency electrical oscillations

Info

Publication number: DE1279137B
Application number: DE1965M0066565
Authority: DE
Inventors: Fred Jerome Rosenbaum
Original assignee: McDonnell Aircraft Corp
Current assignee: McDonnell Aircraft Corp
Priority date: 1965-09-08
Filing date: 1965-09-08
Publication date: 1968-10-03

Description

Resonator für hochfrequente elektrische Schwingungen Die Erfindung betrifft einen Resonator für hochfrequente elektrische Schwingungen zur Messung von Stoffkonstanten bzw. bei einem Maser.Resonator for high-frequency electrical oscillations The invention relates to a resonator for high-frequency electrical vibrations for measurement of material constants or in the case of a burl.

Es gibt zahlreiche Vorrichtungen, bei denen Resonanzkammern oder Hohlräume als Teile derselben verwendet werden. Diese Vorrichtungen werden für viele verschiedene Zwecke benutzt und insbesondere in Fällen, in welchen mit verhältnismäßig hohen Frequenzen gearbeitet wird, wobei verschiedene Mittel zur Anregung oder Erregung der bekannten Vorrichtungen zur Anwendung kommen. Die beim Bau der bekannten Resonanzkammern verwendeten Mittel sind jedoch gewöhnlich für bestimmte Arten von Anregungen relativ undurchlässig, wodurch ihre Anwendbarkeit beschränkt ist. Aus diesen und anderen Gründen sind die bekannten Resonatoren, die als Hohlraumresonatoren mit einem allseitig geschlossenen Hohlraum ausgebildet sind, der beispielsweise aus einem metallischen Hohlzylinder besteht (USA.-Patentschrift 2 442 671), in ihrer Brauchbarkeit beschränkt, für viele Zwecke unbefriedigend und in vielen Anwendungsfällen zu teuer.There are numerous devices in which resonance chambers or cavities be used as parts thereof. These devices are used for many different Purposes used and especially in cases in which with relatively high Frequencies is worked, with different means of excitation or excitation the known devices are used. The one used in the construction of the well-known resonance chambers however, the means used are usually relative to certain types of stimuli impermeable, which limits their applicability. From these and others Reasons are the well-known resonators, which as cavity resonators with an all-round closed cavity are formed, for example from a metallic Hollow cylinder exists (US Pat. No. 2,442,671), limited in its usefulness, unsatisfactory for many purposes and too expensive in many applications.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Resonator geschaffen, der diese Mängel nicht mehr aufweist. Der erfindungsgemäße Resonator ist dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei elektrisch leitenden Platten gebildet ist, die den Feldraum nach zwei Seiten begrenzen, und daß zwischen den Platten eine Verbindung aus dielektrischem Material vorgesehen ist, derart, daß der zu untersuchende Stoff innerhalb oder außerhalb der Verbindung von allen Seiten des Raumes zwischen den Platten durch ein weiteres Feld beeinflußbar ist.The present invention provides a resonator which no longer has these defects. The resonator according to the invention is characterized in that that it is formed from two electrically conductive plates, which follow the field space delimiting two sides, and that between the plates a connection of dielectric Material is provided such that the substance to be examined inside or outside the connection from all sides of the space between the panels by another Field can be influenced.

Die Form und die Abmessungen der Platten einschließlich der dielektrischen Verbindung beeinflussen die Arbeits- und anderen Eigenschaften des Resonators. Der in der angegebenen Weise als offener kesonator ausgebildete Resonator ist vielseitiger als die bekannten, einen geschlossenen Hohlraum aufweisenden Resonatoren und ist besonders gut zur Untersuchung von Stoffen durch spektroskopische und andere Verfahren geeignet, kann aber auch für Maser verwendet werden.The shape and dimensions of the panels including the dielectric Compound affect the working and other properties of the resonator. Of the The resonator designed as an open resonator in the manner indicated is more versatile than the known closed cavity resonators and is particularly good for examining substances using spectroscopic and other methods suitable, but can also be used for burl.

Durch die Erfindung wird einerseits eine besonders billige Resonanzkammer zur Verfügung gestellt, die für spektroskopische und andere Zwecke geeignet ist, und andererseits die Vielseitigkeit der Anwendung einer derartigen Resonanzkammer erhöht.On the one hand, the invention provides a particularly inexpensive resonance chamber made available that is suitable for spectroscopic and other purposes, and on the other hand the versatility of the application of such a resonance chamber elevated.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Resonators bei Verwendung als Maser ergeben sich daraus, daß alle bisher für Maser verwendeten Hohlraumresonatoren nur einen bestimmten Schwingungszustand haben, wohingegen der vorliegende Maser verschiedene Wellenformen aufweisen kann. Dies hat den Vorteil, daß, wenn eine andere Wellenform gewünscht wird, zu diesem Zweck nicht ein anderer Resonator mit anderen Abmessungen hergestellt werden muß. Der Grund für das günstige Verhalten des erfindungsgemäßen Masers liegt darin, daß hier im Gegensatz zu bekannten Masern kein geschlossener metallischer Hohlraum vorhanden ist, welcher die Ausbreitung von Hybrid-Wellenformen ausschließt.The advantages of the resonator according to the invention when used as a burl result from the fact that all cavity resonators previously used for maser only have a certain oscillation state, whereas the present maser different May have waveforms. This has the advantage that when a different waveform if a different resonator with different dimensions is not desired for this purpose must be made. The reason for the favorable behavior of the invention Measles lies in the fact that, in contrast to known measles, there is no closed one here metallic cavity is present, which allows the propagation of hybrid waveforms excludes.

Die Baugröße des erfindungsgemäßen Resonators kann verhältnismäßig groß gemacht werden, ohne daß bei Verwendung von hohen Frequenzen (35 GHz) die Verluste sehr groß werden, was bei bekannten Hohlraumresonatoren durch die hohen Verluste in den Wänden des Hohlraums der Fall ist.The size of the resonator according to the invention can be proportionate can be made large without the losses when using high frequencies (35 GHz) become very large, which in known cavity resonators due to the high losses is the case in the walls of the cavity.

Infolge der Möglichkeit verschiedener Schwingungszustände erhöht sich beim erfindungsgemäßen Maser auch die Maser-Bandbreite. Bei bekannten Masern ist ferner im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Maser bei Änderung der Signalfrequenz auch eine Änderung des Magnetfelds notwendig.As a result of the possibility of different vibrational states increases in the case of the burl according to the invention also the burl bandwidth. Known measles is also in contrast to the maser according to the invention when the signal frequency changes a change in the magnetic field is also necessary.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine Teilansicht im Schnitt eines erfindungsgemäßen Resonators, F i g. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, welche eine abgeänderte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Resonators zeigt, F i g. 3 eine der F i g. 1 ähnliche Schnittansicht, ebenfalls einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators, F i g. 4 eine der F i g. 1 ähnliche Schnittansicht, jedoch mit anderer Erregung, F i g. 5 eine Ansicht im Schnitt nach der Linie 5-5 in F i g. 4 mit wieder anderer Erregung, F i g. 6 eine Schnittansicht einer abgeänderten Form der dielektrischen Verbindung und F i g. 7 und 8 eine jeweils perspektivische Ansicht zweier weiterer Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Resonators.In the drawings, an embodiment of the invention is shown. It shows F i g. 1 shows a partial view in section of a resonator according to the invention, F i g. Fig. 2 is a side view, partly in section, showing a modified embodiment of a resonator according to the invention shows, FIG. 3 one of the F i g. 1 similar sectional view, also a further embodiment of the resonator according to the invention, F. i g. 4 one of the F i g. 1 similar sectional view, but with different excitation, F i g. 5 is a view in section along the line 5-5 in FIG. 4 with yet another Arousal, F i g. 6 is a sectional view of a modified form of the dielectric Connection and fig. 7 and 8 each show a perspective view of two further ones Embodiments of a resonator according to the invention.

Zwischen den elektrisch leitenden Platten 1 und 2 liegt eine Verbindung 3 aus dielektrischem Material, die als mechanischer Träger dienen kann, deren Hauptzweck jedoch darin besteht, eine Resonanzbedingung zu schaffen. Die physikalischen Eigenschaften der Teile 1, 2 und 3 bestimmen die Arbeits-oder Resonanzfrequenz und den Gütefaktor Q des offenen Resonatorraumes. Es ist für den Betrieb des Resonators wesentlich, daß die Verbindung 3 aus einem nichtleitenden dielektrischen Material hergestellt ist, da sonst keine Resonanz auftreten würde. Die physikalischen Eigenschaften der Teile können jedoch, wie nachfolgend erläutert wird, ohne Veränderung der Art des Resonators beträchtliche Veränderungen erfahren.There is a connection between the electrically conductive plates 1 and 2 3 made of dielectric material that can serve as a mechanical support, its main purpose however, is to create a resonance condition. The physical properties of parts 1, 2 and 3 determine the working or resonance frequency and the quality factor Q of the open cavity. It is essential for the operation of the resonator that the connection 3 made of a non-conductive dielectric material otherwise there would be no response. The physical properties of the However, as explained below, parts can be changed without changing the nature of the Resonators experience considerable changes.

Die Verbindung 3 und die beiden voneinander in Abstand befindlichen leitenden Platten 1 und 2 arbeiten als Mikrowellenresonanzkammer von hoher Güte Q, deren Frequenz durch den Abstand zwischen den Platten 1 und 2, den Innen- und den Außendurchmesser der Verbindung 3 und durch die Dielektrizitätskonstante des Materials der Verbindung bestimmt wird.The connection 3 and the two spaced apart conductive plates 1 and 2 work as a microwave resonance chamber of high quality Q, the frequency of which is determined by the distance between the plates 1 and 2, the inner and the outside diameter of the connection 3 and by the dielectric constant of the Material of the connection is determined.

Die Mikrowellenenergie wird in die Resonanzkammer zwischen den Platten 1 und 2 benachbart der Verbindung 3 mit Hilfe eines geeigneten Wellenführers 4 eingeleitet, der mit der Kammer durch ein Kopplungsfenster 5 in der Platte 1 in Verbindung steht. Die Lage des Wellenleiters 4 und des Kopplungsfensters 5 sind innerhalb Grenzen nicht kritisch und können verändert werden. Beispielsweise kann das Kopplungsfenster 5 in einem von der Verbindung 3 begrenzten Bereich der Platte 1 oder außerhalb dieses Bereichs angeordnet werden. Es kann sogar in Fluchtung mit der Wand der Verbindung 3 angeordnet werden. Die in die Resonanzkammer durch das Kopplungsfenster 5 eingeleitete Mikrowellenenergie kann auch innerhalb eines verhältnismäßig weiten Bereiches von Mikrowellenfrequenzen eingeleitet werden, beispielsweise innerhalb eines Bereiches von etwa 1 GHz (Gigahertz) bis etwa 500 GHz. Die Anordnung des Kopplungsfensters 5 und die Richtung des diesem zugeordneten Wellenleiters für die Zufuhr der Eingangsenergie haben ebenfalls einen Einfiuß auf die Betriebseigenschaften des Resonators einschließlich der Bestimmung der Schwingungsart seiner Mikrowellenresonanz. Andere Kopplungsanordnungen sind ebenfalls möglich.The microwave energy is in the resonance chamber between the plates 1 and 2 introduced adjacent to the connection 3 with the aid of a suitable waveguide 4, which is in communication with the chamber through a coupling window 5 in the plate 1. The position of the waveguide 4 and the coupling window 5 are within limits not critical and can be changed. For example, the coupling window 5 in a bounded by the connection 3 area of the plate 1 or outside this Area can be arranged. It can even be in alignment with the wall of the connection 3 can be arranged. The introduced into the resonance chamber through the coupling window 5 Microwave energy can also be used within a relatively wide range of Microwave frequencies are introduced, for example within a range from about 1 GHz (gigahertz) to about 500 GHz. The arrangement of the coupling window 5 and the direction of the waveguide assigned to it for the supply of the input energy also have an impact on the operating characteristics of the resonator, inclusive the determination of the mode of oscillation of its microwave resonance. Other coupling arrangements are also possible.

Bei der besonderen in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist der Resonator insbesondere zur Untersuchung bzw. zur Analyse von Stoffen bestimmt, und die Verbindung 3 ist rohrförmig dargestellt. Als Material kann ein transparentes oder ein undurchsichtiges Material verwendet werden. Bei der dargestellten besonderen Ausführungsform dient das Rohr 3 zur Aufnahme einer Probe 6 der zu untersuchenden Substanz, welche Probe 6 fest, flüssig oder gasförmig sein. kann. Die Probe wird dadurch untersucht oder analysiert, daß sie bestimmten Anregungen ausgesetzt wird, beispielsweise einer Mikrowellenanregung, einer magnetischen Anregung, einer Lichtanregung und anderen Anregungsformen. Wenn die Probesubstanz diesen oder anderen Formen von Anregungen für Analysezwecke ausgesetzt wird, so wird dies gewöhnlich als spektroskopische Untersuchung oder Analyse bezeichnet. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ist die zu untersuchende Substanz 6 in einem gesonderten Behälter 7 angeordnet, der sich innerhalb oder außerhalb der Verbindung 3 befinden kann. Sie kann gegebenenfalls auch innerhalb einer hohlen Verbindung zwischen den Platten 1 und 2 angeordnet sein.In the particular case of FIG. 1 illustrated embodiment of the invention is the resonator intended in particular for the investigation or analysis of substances, and the connection 3 is shown tubular. A transparent material can be used as the material or an opaque material can be used. In the case of the particular one shown Embodiment, the tube 3 is used to receive a sample 6 to be examined Substance, which sample 6 can be solid, liquid or gaseous. can. The sample will examined or analyzed by exposure to certain stimuli, for example microwave excitation, magnetic excitation, light excitation and other forms of stimulation. If the test substance contains these or other forms of If stimuli are exposed for analytical purposes, this is usually called spectroscopic Investigation or analysis. In the embodiment according to FIG. 1 is the substance to be examined 6 is arranged in a separate container 7, the can be located inside or outside the connection 3. You can if necessary also be arranged within a hollow connection between the plates 1 and 2.

F i g. 2 zeigt eine der F i g. 1 etwas ähnliche Ausführungsform, jedoch ist an Stelle einer rohrförmigen Verbindung ein dielektrischer Stab verwendet. Bei einer solchen Ausführungsform wird die zu untersuchende Substanz im Stab in körniger oder anderer Form eingebettet.F i g. 2 shows one of the FIGS. 1 somewhat similar embodiment, however a dielectric rod is used instead of a tubular connection. at In such an embodiment, the substance to be examined becomes more granular in the rod or embedded in some other form.

Die in F i g. 3 dargestellte Ausführungsform ist der in F i g. 1 gezeigten Form ebenfalls ähnlich, unterscheidet sich jedoch von dieser in erster Linie dadurch, daß ein dielektrischer Stab 9 vorgesehen ist, der sich durch die Platte 1 a in den durch die Verbindung 3 a begrenzten Raum erstreckt. Die axiale Stellung des Stabes 9 ist bei dieser Ausführungsform vorzugsweise derart verstellbar, daß sie durch die Platte la gleitend verschiebbar ist, wobei der Stab 9 zur Veränderung der Betriebseigenschaften des Resonators einschließlich der Abstimmung der Resonanzkammer verwendet wird. Ferner können Mittel vorgesehen werden, durch welche der Stab 9 in einer beliebigen gewünschten Stellung gehalten werden kann. Der Stab 9 kann aus einer großen Vielfalt von Materialien, einschließlich dielektrischer Materialien, hergestellt werden. Die zu untersuchende Substanz 6 wird ferner nur durch die Wand der Verbindung 3 a und durch die Platten la und 2a begrenzt und ist nicht in einem gesonderten Behälter, wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1, angeordnet.The in F i g. 3 is the embodiment shown in FIG. 1 shown Shape also similar, but differs from this primarily in that that a dielectric rod 9 is provided, which extends through the plate 1 a in the extending through the connection 3 a limited space. The axial position of the rod 9 is preferably adjustable in this embodiment so that it by the plate la is slidably displaceable, the rod 9 for changing the operating properties of the resonator including tuning of the resonance chamber is used. Furthermore, means can be provided by which the rod 9 in any desired position can be held. The rod 9 can be of a great variety of materials including dielectric materials. Furthermore, the substance 6 to be examined is only passed through the wall of the connection 3 a and limited by the plates la and 2a and is not in a separate container, as in the embodiment according to FIG. 1, arranged.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 ist der Resonatorraum durch Platten 1 b und 2 b und durch die Verbindung 3 begrenzt und sind magnetische Teile 10 und 11 zur Erzeugung eines Magnetfeldes im Resonatorraum vorgesehen. Die Magnete 10 und 11 können ein Gleichfeld oder ein Wechselfeld unter Verwendung von Modulationsspulen, wie der in F i g. 7 gezeigten Spulen 10 a und 11 a, liefern. Das magnetische Modulationsfeld wird in diesem Fall in den Resonator ohne Wirbelstromverluste, die normalerweise in metallischen Hohlräumen auftreten, eingeleitet. Die Anordnung der magnetischen Elemente ist für den Betrieb nicht kritisch, so daß sie in der gezeigten Weise oder an anderen Stellen angeordnet werden können, beispielsweise innerhalb oder zwischen den Platten. Zur Modulation des durch die magnetischen Elemente erzeugten Feldes kann jede geeignete Modulationsfrequenz verwendet werden.In the embodiment according to FIG. 4, the resonator space is delimited by plates 1b and 2b and by the connection 3, and magnetic parts 10 and 11 are provided for generating a magnetic field in the resonator space. The magnets 10 and 11 can generate a direct field or an alternating field using modulation coils, such as the one shown in FIG. 7 shown coils 10 a and 11 a, deliver. In this case, the magnetic modulation field is introduced into the resonator without eddy current losses, which normally occur in metallic cavities. The arrangement of the magnetic elements is not critical to the operation, so that they can be arranged as shown or in other locations, for example within or between the plates. Any suitable modulation frequency can be used to modulate the field generated by the magnetic elements.

Zur Durchführung spektroskopischer Untersuchungen kann es zweckmäßig sein, daß die Verbindung 3 bzw. 8 aus einem durchsichtigen oder durchscheinenden dielektrischen Material, wie Glas, Quarz, Kunststoff od. dgl., hergestellt ist. Dies ermöglicht, daß die zu untersuchende Substanz einer größeren Zahl von Energieformen ausgesetzt bzw. durch diese angeregt werden kann, beispielsweise durch eine sichtbare oder unsichtbare Lichtstrahlung, wodurch wiederum die aus solchen Untersuchungen erzielbaren Informationen wesentlich erweitert werden. Dies ist in F i g. 5 durch die Verwendung einer Lichtquelle 12 und einer Linse 13 dargestellt, die so angeordnet und eingestellt sind, daß das Licht auf die zu untersuchende Substanz fokussiert wird. Die Substanz ist in diesem Fall zur Darstellung als Klumpen 14 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird daher der Klumpen 14 einer Mikrowellenenergie von einer Energiequelle, beispielsweise durch den Wellenleiter 4, durch ein magnetisches Gleichfeld oder ein pulsierendes Magnetfeld ausgesetzt, das durch die gezeigten Mittel erzeugt wird, sowie dem Licht, das auf ihn von der Quelle 12 fokussiert wird. Das Licht kann sichtbares oder unsichtbares Licht sein.It can be expedient to carry out spectroscopic examinations be that the connection 3 or 8 from a transparent or translucent dielectric material such as glass, quartz, plastic or the like. Is made. This enables the substance under study to have a greater number of forms of energy exposed or stimulated by them, for example by a visible or invisible light radiation, which in turn results from such investigations achievable Information can be expanded significantly. This is in Fig. 5 illustrated by the use of a light source 12 and a lens 13, which are arranged and adjusted so that the light hits the substance to be examined is focused. In this case, the substance is to be represented as a lump 14 shown. In this embodiment, therefore, the lump 14 becomes microwave energy from an energy source, for example through the waveguide 4, through a magnetic one Constant field or a pulsating magnetic field exposed by the shown Means is generated, as well as the light that is focused on it from the source 12. The light can be visible or invisible light.

F i g. 6 zeigt eine andere Ausführungsform einer transparenten dielektrischen Verbindung 15, bei der die Wände in Form von einem oder mehreren Linsenelementen ausgebildet sind, welche den gleichen Zweck wie die Linsen 13 in F i g. 5 haben, nämlich Licht von einer äußeren Quelle auf eine zu untersuchende Substanz zu fokussieren. Die Substanz ist in diesem Fall ebenfalls innerhalb der Verbindung 15 angeordnet.F i g. 6 shows another embodiment of a transparent dielectric Connection 15 in which the walls are in the form of one or more lens elements are designed which serve the same purpose as the lenses 13 in FIG. 5 have namely to focus light from an external source on a substance to be examined. In this case, the substance is also arranged within the connection 15.

Die Veränderungen, welche in Substanzen unter Test dadurch stattfinden, daß diese verschiedenen Anregungskräften, einschließlich Lichtenergie, ausgesetzt werden, lassen sich durch eine geeignete Vorrichtung anzeigen, beispielsweise durch eine Wechselstrommeßschaltung, die eine Anordnung besitzt, durch welche ein Wechselstromsignal in den Bereich der Probe eingeleitet und der Mikrowellen- oder anderen Anregungsquelle überlagert werden kann. Bisher waren Resonanzkammern auf allen Seiten durch Metallwände od. dgl. eingeschlossen, durch welche bestimmte Arten von Energie, wie Modulations-Signale, Magnetfelder von hoher Frequenz und Lichtstrahlung nicht hindurchdringen können, wodurch die Möglichkeiten zur Anregung einer Probe beschränkt wurde und damit auch die Anwendbarkeit der Spektroskopie und anderer ähnlicher Mittel zur Untersuchung von Substanzen. Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Anordnung vermieden, bei welcher eine offene Resonanzkammer vorgesehen ist, die zum Teil durch die dielektrische Verbindung gebildet wird, welche durchsichtig gemacht werden kann, so daß weitere Formen von Anregungsenergie übertragen werden können.The changes that take place in substances under test by that these are exposed to various stimulating forces, including light energy can be displayed by a suitable device, for example by an alternating current measuring circuit having an arrangement through which an alternating current signal introduced into the area of the sample and the microwave or other excitation source can be overlaid. So far, resonance chambers were through metal walls on all sides or the like included, through which certain types of energy, such as modulation signals, Magnetic fields of high frequency and light radiation cannot penetrate, whereby the possibilities for stimulating a sample were limited and thus also the applicability of spectroscopy and other similar means of investigation of substances. These disadvantages are avoided by the arrangement according to the invention, in which an open resonance chamber is provided, which is partially covered by the dielectric Connection is formed, which can be made transparent, so that further Forms of excitation energy can be transmitted.

Ein Zweck der magnetischen Resonanzspektroskopie ist die Bestimmung der Energieniveauaufspaltungen von Materialien. Eine Energieniveauaufspaltung ist die Differenz zwischen zwei oder mehreren Energieniveaus, d. h. E2-El=h(f2-fl), wobei E1 und E2 verschiedene Energieniveaus sind, h ein konstanter Faktor ist, der manchmal als Planksches Wirkungsquantum bezeichnet wird, und (f2-fl) der Frequenzunterschied zwischen Teilchen von verschiedenen Energieniveaus ist. Wenn Energie von geeigneter Frequenz in eine Substanz eingeleitet wird, wird ein Teil der Energie durch die Substanz absorbiert. Die auftretenden Energieniveauunterschiede oder -aufspaltungen hängen von dem Vorhandensein eines magnetischen Gleichfeldes sowie von der Größe und Richtung seiner Anwendung ab. Zur Beobachtung von Energieaufspaltungen wird daher Energie von der Frequenz (f2-fl) in die Substanz eingeleitet und das angewendete Magnetfeld langsam verändert, bis eine gewisse Energieabsorption stattfindet. Da die Menge der absorbierten Energie gewöhnlich verhältnismäßig klein ist, werden Resonatorräume der vorangehend beschriebenen Art verwendet, um die Wirkung des angelegten Mikrowellenfeldes zu verstärken. Zum Nachweis, daß eine Energieabsorption stattfindet, wird, wie erwähnt, ein Wechselstromnachweisgerät verwendet. Das Einleiten eines Wechselstromsignals in den Bereich der Probe, das dem Mikrowellensignal überlagert wird, geschieht mit Hilfe eines magnetischen Wechselfeldes. Bei den bekannten Hohlraumresonatoren dringen jedoch mit sehr hoher Frequenz modulierte Magnetfelder nicht durch die metallischen Hohlraumwände hindurch, welche die Probe enthalten, so daß sie nicht wirksam verwendet werden können. Dieses Problem wird durch die erfindungsgemäße Resonatorraumform gelöst, bei der ein offener Raum vorgesehen ist, wobei die zu untersuchende Substanz in einem dielektrischen, statt in einem metallischen Behälter angeordnet ist. Dies ist daher ein wichtiger, durch den erfindungsgemäßen Resonator erzielter Vorteil. Bei der Verwendung einer Verbindung aus durchsichtigem dielektrischem Material kann die Substanz gleichzeitig auch Lichtstrahlungen von jeder gewünschten Wellenlänge ausgesetzt werden.One purpose of magnetic resonance spectroscopy is determination the energy level splitting of materials. An energy level breakdown is the difference between two or more energy levels, d. H. E2-El = h (f2-fl), where E1 and E2 are different energy levels, h is a constant factor that sometimes referred to as Plank's quantum of action, and (f2-fl) the frequency difference is between particles of different energy levels. When energy of more appropriate When a substance is introduced into a substance, some of the energy is transmitted through the frequency Substance absorbed. The occurring energy level differences or splits depend on the presence of a constant magnetic field and on the size and direction of its application. For the observation of energy splitting is hence energy of the frequency (f2-fl) introduced into the substance and the applied Magnetic field changed slowly until some energy absorption takes place. There the amount of energy absorbed is usually relatively small Resonator chambers of the type described above are used to achieve the effect of the applied To amplify the microwave field. To prove that energy is being absorbed, As mentioned, an AC current detection device is used. The initiation of a AC signal in the area of the sample that is superimposed on the microwave signal is done with the help of an alternating magnetic field. In the known cavity resonators however, magnetic fields modulated at a very high frequency do not penetrate the metallic ones Cavity walls containing the sample so that it is not used effectively can be. This problem is caused by the shape of the resonator space according to the invention solved, in which an open space is provided, with the substance to be examined is placed in a dielectric rather than a metallic container. this is therefore an important advantage achieved by the resonator according to the invention. If a connection made of clear dielectric material is used the substance at the same time also emits light of any desired wavelength get abandoned.

F i g. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Resonators, die als Maser verwendet werden kann. Bei der Ausführungsform nach F i g. 8 erstreckt sich als Verbindung ein Stab 16 aus Rubin oder aus einem anderen geeigneten kristallinen dielektrischen Material zwischen voneinander in Abstand befindlichen leitenden Platten 17 und 18, welche den Resonatorraum begrenzen. Die Mikrowellenenergie aus dem Wellenleiter 19 erzeugt eine Resonanzbedingung oder -frequenz in dem dielektrischen Stab 16. Benachbart der Platte 17 ist ein zweiter Eingangswellenleiter 20 angeordnet, der eine zweite Mikrowellenenergie bildet, die das Eingangssignal liefert, welches gewöhnlich einen beträchtlich geringeren Wert als das durch die Pumpe 19 erzeugte Signal hat. Das Eingangssignal aus dem Wellenleiter 20 erzeugt eine zweite verschiedene Resonanzbedingung im Rubinstab 16, so daß in dem gleichen Hohlraum gleichzeitig zwei Resonanzbedingungen bestehen. Der Ausgang aus dem Maser wird durch den Wellenleiter 20 abgenommen und ist durch eine Veränderung in der Besetzungsverteilung zwischen den im Rubinstab 16 bestehenden Energieniveaus bedingt. Wenn beispielsweise angenommen wird, daß im Stab 16 drei verschiedene Energieniveaus möglich sind, werden einige der Elektronen, die sich im ersten oder untersten Energieniveau befinden, durch den Mikrowelleneingang von der Pumpenergiequelle angeregt und erfahren einen Übergang vom untersten Energieniveau zum dritten oder höchsten Energieniveau, wodurch Energie von der Frequenz (f.-fl) absorbiert wird. Unter geeigneten Bedingungen kann die Zahl der angeregten Elektronen im ersten und im dritten Energieniveau gleich werden, was zu einer Situation führt, bei welcher mehr angeregte Elektronen sich im dritten, statt im zweiten Energieniveau befinden oder im zweiten, statt im ersten; diese Bedingung ist als Besetzungsumkehrung bekannt. Wenn nun Signalenergie von der geeigneten Frequenz (f3-f2) oder (f2-fl) je nach der Umkehrung eingeleitet wird, erfahren die Elektronen in dem Energieniveau mit Besetzungsumkehrung einen Übergang zu einem niedrigeren Niveau unter Abgabe von Energie von der Signalfrequenz. Die Energieniveaus oder -zustände, welche die Rubinteilchen besitzen, wenn sie angeregt werden, sind diskrete Energieniveaus, und die stattfindenden Veränderungen treten ebenfalls in diskreten Stufen auf, wenn die Teilchen einen Übergang von einem Niveau zu einem anderen erfahren. Diese Veränderungen sind entweder von einer Absorption oder von einer Emission von Photonen von elektromagnetischer Energie von einer Frequenz begleitet, welche durch den Unterschied in den Frequenzen der verschiedenen Energieniveaus bestimmt wird, zwischen welchen die Veränderungen auftreten. Wenn beispielsweise ein Übergang von einem niedrigen Energieniveau zu einem höheren Energieniveau auftritt, findet eine Energieabsorption statt, während, wenn der Übergang von einem höheren zu einem niedrigeren Energieniveau erfolgt, eine Emission stattfindet. Es muß jedoch in Erinnerung gebracht werden, daß jede Veränderung von einem niedrigen Niveau zu einem höheren Niveau von einer entsprechenden Verringerung in der Besetzung des niedrigeren Niveaus nach dem Einleiten der Anregung begleitet ist. Bei dem in F i g. 8 gezeigten Maser wird der größte Teil der Energieabsorption durch die in das System mittels des Pumpwellenleiters 19 gepumpte Energie hervorgerufen. Daher muß für eine Emission die Zahl der Teilchen von den verschiedenen Niveaus, die manchmal als Besetzungsverhältnis bezeichnet wird, modifiziert oder umgekehrt werden, so daß sich mehr Teilchen in den höheren Niveaus als in den niedrigeren befinden, da sonst Energie von der geeigneten Übergangsfrequenz nicht zur Verfügung steht. Die Zahl der diskreten Energieniveaus kann gegebenenfalls durch die Wahl verschiedener Materialien auch erhöht werden.F i g. 8 shows a further embodiment of the invention Resonator that can be used as a maser. In the embodiment according to F i g. 8 extends as a connection a rod 16 made of ruby or another suitable crystalline dielectric material spaced between each other located conductive plates 17 and 18, which limit the resonator space. the Microwave energy from waveguide 19 creates a resonance condition or frequency in dielectric rod 16. Adjacent to plate 17 is a second input waveguide 20 arranged, which forms a second microwave energy, the input signal provides, which is usually considerably less than that provided by the Pump 19 has generated signal. The input signal is generated from the waveguide 20 a second different resonance condition in ruby rod 16 so that in the same Cavity exist at the same time two resonance conditions. The exit from the burl is taken off by waveguide 20 and is due to a change in the Occupation distribution between the existing energy levels in the ruby rod 16 is conditional. For example, if it is assumed that there are three different energy levels in rod 16 are possible, some of the electrons that are in the first or lowest energy level are stimulated and experienced by the microwave input from the pump energy source a transition from the lowest energy level to the third or highest energy level, whereby energy is absorbed from the frequency (f.-fl). Under suitable conditions the number of excited electrons in the first and third energy levels can be the same which leads to a situation in which more excited electrons become are in the third instead of the second energy level or in the second instead of the first; this condition is known as casting inversion. If now signal energy of the appropriate frequency (f3-f2) or (f2-fl) depending on the reversal is initiated, the electrons experience a transition in the energy level with population inversion to a lower level releasing energy from the signal frequency. the Energy levels or states that the ruby particles possess when stimulated are discrete energy levels, and the changes that take place occur likewise in discrete steps when the particles make a transition from one level to learn another. These changes are either of an absorption or from an emission of photons of electromagnetic energy of one frequency which is accompanied by the difference in the frequencies of the different energy levels it is determined between which the changes occur. For example, if there is a transition from a low energy level to a higher energy level, energy absorption takes place while when the transition from a higher one occurs at a lower energy level, an emission takes place. However, it must Be reminded that any change from a low level to it a higher level of a corresponding reduction in the cast of the lower levels after initiating the stimulation. In the case of the one in F i g. 8, most of the energy is absorbed by the burl in the System caused by the pump waveguide 19 pumped energy. Therefore must for an emission the number of particles of different levels, which sometimes is referred to as the occupation ratio, modified or reversed, so that there are more particles in the higher levels than in the lower levels, there otherwise energy from the appropriate crossover frequency will not be available. the Number of discrete energy levels can optionally be selected by choosing different ones Materials are also increased.

Die Masertheorie einschließlich der Übergänge zwischen verschiedenen Energieniveaus zur Erzeugung einer nutzbaren Emission ist an sich bekannt und bildet keinen Teil der Erfindung. Die Bauform eines Masers mit einem offenen Resonanzraum von der in F i g. 8 gezeigten Art ist jedoch neu und stellt ein wichtiges Anwendungsgebiet sowie eine wichtige Bauform der Erfindung- dar.The measles theory including the transitions between different ones Energy levels for generating a usable emission is known per se and forms not part of the invention. The shape of a measles with an open resonance chamber of the in F i g. 8, however, is new and represents an important field of application as well as an important design of the invention.

Die Dimensionen und die besondere Gestaltung sowie die Resonanzbedingungen aller gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung können, wie erwähnt, verändert werden, und das dielektrische Element kann ferner aus einem verhältnismäßig weiten Bereich von Materialien gewählt werden und viele Größen, Formen und Dielektrizitätskonstanten haben. Die Geometrie der erfindungsgemäßen Vorrichtung eignet sich ferner für viele verschiedene experimentelle und andere Zwecke, was bei den bekannten Hohlraumresonatoren bisher nicht möglich war. Die erfindungsgemäßen Resonatoren können außerdem zur Erzeugung von Doppelresonanzbedingungen unter gleichzeitiger Verwendung einer Mikrowellenfrequenz und einer Hochfrequenz benutzt werden, ferner für Radarzwecke, zur Radioteleskopie, zur Spektroskopie und für viele andere Zwecke.The dimensions and the special design as well as the resonance conditions all shown and described embodiments of the device can, such as mentioned, can be changed, and the dielectric element can further consist of a relatively wide range of materials can be chosen and many sizes, shapes and dielectric constants to have. The geometry of the device according to the invention is also suitable for many various experimental and other purposes for the known cavity resonators was previously not possible. The resonators according to the invention can also be used for Generation of double resonance conditions while using a microwave frequency and a high frequency, also for radar purposes, for radio telescopy, for spectroscopy and for many other purposes.

Der erfindungsgemäße Resonator kann für viele verschiedene Elektronenspinresonanzexperimente benutzt werden, welche im allgemeinen die Wechselwirkung in einer Probe von Mikrowellenfeldern mit einem oder mehreren Modulationsfeldern bedingen. Bei Elektronenspinresonanzspektrometern werden gewöhnlich modulierende magnetische Wechselfelder verwendet, um eine Phasenfeststellung zu ermöglichen. Bei bestimmten Experimenten ist es ferner wünschenswert, daß optische Energie mit der Probe in Wechselwirkung tritt. Das Einleiten von optischer Energie oder von Modulationssignalen in die Probe ist bei den bekannten Hohlraumresonatoren durch das Vorhandensein des Resonanzkammeraufbaus selbst, der die Mikrowellenfelder trägt, kompliziert. Bei den meisten herkömmlich verwendeten Mikrowellenanordnungen mit einem metallischen Wellenleiterhohlraum wird das Modulationsfeld durch Wirbelstromverluste wesentlich verringert, was unerwünscht ist und ihre Brauchbarkeit einschränkt. Versuche, dieses Problem durch Schlitze in der Hohlraumwandung, innere Modulationsspulen und andere Mittel zu lösen, sind ebenfalls unerwünscht, da sie gewöhnlich die Hohlraumgüte verschlechtern und zu einem komplizierten, sperrigen und teueren Aufbau führen. Alle diese Probleme können durch den erfindungsgemäßen Resonatoraufbau gelöst werden, wobei Mittel zum Einkoppeln von Mikrowellenenergie in den Resonator durch eine Iris vorgesehen sind sowie weitere Mittel zum Einleiten anderer Energieformen, einschließlich magnetischer Energie und Lichtenergie.The resonator according to the invention can be used for many different electron spin resonance experiments which is generally the interaction in a sample of microwave fields with one or more modulation fields. With electron spin resonance spectrometers Modulating alternating magnetic fields are usually used to provide phase detection to enable. In certain experiments it is also desirable that optical Energy interacts with the sample. The introduction of optical energy or of modulation signals into the sample is in the known cavity resonators by the presence of the resonance chamber structure itself, which generates the microwave fields carries, complicated. Most commonly used microwave arrangements with a metallic waveguide cavity, the modulation field is caused by eddy current losses significantly reduces what is undesirable and limits their usefulness. Try, this problem through slots in the cavity wall, internal modulation coils and other means of solving are also undesirable as they tend to compromise the cavity quality deteriorate and result in a complicated, bulky and expensive structure. All these problems can be solved by the resonator structure according to the invention, wherein means for coupling microwave energy into the resonator through an iris are provided as well as other means of introducing other forms of energy, including magnetic energy and light energy.

Claims

Claims: 1. Resonator for high-frequency electrical oscillations for measuring material constants or in the case of a burl, characterized in that the resonator is formed from two electrically conductive plates that form the field space limit on two sides, and that between the plates a connection of dielectric Material is provided such that the substance to be examined inside or outside the connection from all sides of the space between the panels by another Field can be influenced.

2. Resonator according to claim 1, characterized by an arrangement to create a magnetic field between the plates and around the joint dielectric material.

3. Resonator according to claim 2, characterized by a Device for changing the aforementioned magnetic field over time.

4. Resonator according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the connection consists of one Pipe section consists, the opposite ends of which are adjacent to the plates mentioned lie.

5. Resonator according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the Connection of dielectric material is transparent.

6. resonator according to claim 5, characterized in that the connection is made of a transparent material consists, the incident light focuses on a limited area.

7. Resonator according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the connection is rod-shaped is. B.

Resonator according to one of Claims 1 to 7, characterized by a waveguide (4), which lies in the area of one of the two plates, and by means which the Waveguide with the one lying next to the connection and through the Panels connect limited space for feeding microwave energy into that space.

9. resonator according to claim 2 or 3, characterized in that the arrangement for Generating a magnetic field two spaced apart magnetic Has pole pieces between which the resonator is located.

10. resonator according to claim 9, characterized in that the connection is tubular and translucent and holds the sample to be analyzed inside the tube.

11. Resonator according to claim 9 or 10, characterized by a further energy source, which is the one to be analyzed Sample can be exposed.

12. Resonator according to claim 11, characterized in that that the mentioned further energy source is formed by a light source which is directed to the connection made of translucent material.

13th Resonator according to one of Claims 1 to 12, characterized by a device to change the resonance frequency of the resonator chamber with an element (9) that made of dielectric material and extending in the space between the plates.

14. Resonator according to claim 13, characterized in that means are provided by which the mentioned dielectric element is held in a certain position in which it extends into the resonance chamber.

15. Resonator after one of claims 1 to 7, characterized by a first waveguide in the area one of the plates to generate microwave energy of a first specific resonance frequency to introduce a second waveguide in the region of the other into the resonator Plate to introduce microwave energy of a different frequency into the resonator, in order to produce a resonance of a different frequency therein, and an arrangement to generate a magnetic field in the resonator.

16. Resonator according to claim 15, characterized characterized in that the connection between the plates is made of ruby.

17. Resonator according to claim 15 or 16, characterized in that said arrangement in Resonator generates a constant magnetic field.

18. Resonator according to claim 15 or 17, characterized in that the connection between the plates by a crystalline Element with different quantum leap energy levels of increasing order of height with transition frequency differences between the levels. Considered References: U.S. Patent Nos. 2,442,671, 2,704,830.