DE2154511C2

DE2154511C2 - Mikrowellenspektrometer

Info

Publication number: DE2154511C2
Application number: DE2154511A
Authority: DE
Inventors: James Stewart Menlo Park Calif. Hyde
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1970-11-02
Filing date: 1971-11-02
Publication date: 1984-03-22
Also published as: US3714550A; FR2112404B1; GB1371387A; FR2112404A1; JPS5535655B1; DE2154511A1

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

f) die Detektoreinrichtung einen einzigen Fühler (9) für die Mikrowellenstrahlung aufweist,

g) diesem einen Fühler (9) mindestens ein Phasenschieber (8; 8') vorgeschaltet ist, der die Phase der reflektierten Strahlung periodisch auf die verschiedenen Werte umtastet,

h) ein Schalter (27, 69) vorgesehen ist, der einerseits den Phasenschieber (8; 8') umschaltet und andererseits das zugehörige Signal in die Parameterregelung einführt bzw. dem Spektrometerausgang zuleitet.

2. Mikrowellenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Schalter (27) ein dem Parameterstellglied (23) vorgeschaltetes Gatter (28) angeschlossen ist.

3. Mikrowellenspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Schalter (69) ein dem Parameterstellglied (81) vorgeschalteter Phasendetektor (83) angeschlossen ist.

4. Mikrowellenspektrometer nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Mikrowellenqueile und der Probenhohlraum an je eine öffnung eines Zirkulators mit drei Öffnungen angekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der umtastbare Phasenschieber (8) an die dritte öffnung des Zirkulators (3) angeschlossen ist und das vom Probenhohlraum (5) reflektierte Signal an den Fühler (9) weiterleitet.

5. Mikrowellenspektrometer nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Mikrowellenquelle, der Probenhohlraum und der Fühler an die erste, zweite bzw. vierte öffnung eines Zirkulators mit vier Öffnungen angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der umtastbare Phasenschieber (8) an die dritte öffnung des Zirkulators (3) derart angeschlossen ist, daß er das vom Probenhohlraum

(5) reflektierte Signal in den Zirkulator (3) reflektier«, in dem es zum Fühler (9) weitergeleitet wird.

5. Mikrowellenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß der umtastbare Phasenschieber (8) in einem Betriebszustand eine um 90° gegen die im anderen Betriebszustand verschobene Phasenverschiebung hervorruft

7. Mikrowellenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der umtastbare Phasenschieber (8) in einem Betriebszustand eine um 180° gegen die in einem anderen Betriebszustand verschobene Phasenverschiebung hervorruft.

8. Mikrowellenspektrometer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der umtastbare Phasenschieber (8) aus einer elektrische Schwingungen reflektierenden Wand (25) und wenigstens einem Mikrowellenkurzschlußschalter (24; 24, 38) besteht, der im Abstand von der Wand (25) angeordnet ist und in einem Schaltzustand elektrisehe Wellen reflektiert und im anderen zur und von der Wand durchläßt

9. Mikrowellenspektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenkurzschlußschalter (24,28) Dioden sind.

10. Mikrowellenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (27,69) im NF-Bereich arbeitet.

11. Mikrowellenspektrometer nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des

α Mikrowellenkurzschlußschalters (24) von der Wand (25) ein ungeradzahliges Vielfaches einer Achtelwellenlänge bei der Resonanzfrequenz des Probenhohlraums (5) beträgt.

12. Mikrowellenspektrometer nach Anspruch 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Mikrowellenkurzschlußschalter (38) im Abstand von der Wand (25) und dem ersten Mikrowellenkurzschlußschalter (24) angeordnet ist, dessen Abstand von der Wand (25) ein ungeradzahliges Vielfaches einer Viertelwellenlänge bei der Resonanzfrequenz des Probenhohlraums (5) beträgt.

13. Mikrowellenspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (19, 21, 47) zur Modulation des Probenpolarisationsfeldes vorgesehen ist und die Umtastung des Phasenschiebers (8) mit der Feldmodulation synchronisiert ist.

14. Mikrowellenspektrometer nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenz des ersten Mikrowellenkurzschlußschalters (24) ein kleines Vielfaches der Feldmodulationsfrequenz ist und das Schalten des zweiten Mikrowellenkurzschlußschalters (38) mit einem höherfrequenten Impulszug erfolgt, der jeweils in den Schaltpausen

6ö des ersten Mikrowellenkurzschlußschalters (24) auftritt.

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenspektrometer zur Stoffuntersuchung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Mikrowellenspektrometer ist bekannt (US-PS 33 50 633). Bei diesem bekannten Mikrowellenspektrometer sind drei Betriebsstellungen vorgesehen, in der ersten wird ein Teil des Ausgangssignals eines Detektors dem Spektrometerausgang (Schreiber) zugeführt und der andere Teil einer Betriebspärametersteuerung, in diesem Falle der automatischen Frequenzregelung. Das gilt jedoch nur dann, wenn am Spektrometerausgang ein Signal erhalten werden soll, bei dem die relative Phasenlage von Detorausgangssignal und Bezugssignal am Detektor gleich sind, also der gleiche Beiriebsfall vorliegt wie bei einem anderen bekannten Mikrowellenspektrometer (US-PS 33 58 222). Im anderen Betriebszustand des erstgenannten bekannten Spektrometers, wenn die genannten beiden Phasenlagen nämlich unterschiedlich sein müssen, werden zwei verschiedene Detektoren verwendet, die deshalb ausdrücklich als »Resonanzkristall« bzw. »Frequenzregelungskristall« bezeichnet werden, ebenso wie bei einem weiteren bekannten Mikrowellenspektrometer, das nur für solche unterschiedlichen Phasenlapen der interessierenden Signale vorgesehen ist (GB-PS 1103 622).

Es ist ferner ein Mikrowellenspektrometer bekannt, das im allgemeinen dem erstgenannten ähnlich ist, nur daß Phasenmodulation im Bezugskanal hervorgerufen wurde. Zusätzlich wurde das reflektierte Mikrowellen-Hohlraumsignal mit einem Ferritmodulator mit einer relativ hohen Modulationsfrequenz von beispielsweise 100 kHz moduliert Die erste Phasenmodulation des Bezugssignals wurde dazu verwendet, einen passenden Phasenbezug zu erhalten, mit dem Resonanzsignale für die reine Absorption oder die reine Dispersion beobachtet werden konnten. Die 100 kHz-Modulation des reflektierten Hohlraumsignals diente dazu, den Rauschfaktor des Mikrowellendetektors herabzusetzen. Die Feldmodulationskomponente mit einer relativ niedrigen Frequenz wurde phasenempfindlich detektiert und nach dem Detektieren und der Verstärkung des 100 kHz-Signals von diesem getrennt (Rewiev of Scientific Instruments, Vol.38, Nr.3, S.339-347; März 1967).

Aufgabe der Erfindung ist es, die Mikrowelleninstallation bei Spektrometern der eingangs genannten Art für den Fall, daß daß die relative Phasenlage von Detektorausgangssignal und Bezugssignal für Spektrometerausgang einerseits und einem Betriebsparameter des Spektrometers andererseits unterschiedlich sind, zu vereinfachen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen'.eil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Spezielle vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der, Ansprüchen 2 bis 14 und werden im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Schema einer Ausführungsform eines Mikrowellenspektrometers;

F i g. 2 mehrere Spannungsvefläüfe zur Veransehaulichung der Spannungsverläufe gewisser Signale der Schaltung nach Fig. 1;

Fig.3 ein Fig. 1 entsprechendes Schema einer anderen Ausführungsform eines Mikrowellenspektrometers;

F i g. 4 Spannungsverläu^f« verschiedener Signale der Schaltung nach F i g. 3;

Fig. 5 ein Fig. 1 entsprechendes Schema einer weiteren Ausführungsform eines Mikroweiienspektrometers;

Fig.6 Spannungsverläufe von Signalen in der Schaltung nach F i g. 5;

F i g. 7 ein Schema einer weiteren Ausführungsform eines Mikrowellenspektrometers;

Fig.8 Spannungsverläufe gewisser Signale der Schaltung nach F i g. 7; und
F i g. 9 ein F i g. 1 entsprechendes Schema einer weiteren Ausführungsform eines Mikrowellenspektrometers.

Das in F i g. 1 dargestellte Mikrowellenspektrometer weist eine Mikroweilenquelle 2, beispielsweise einen Reflexklystronoszillator, auf, die an eine öffnung eines Mikrowellenzirkulators 3 über einen variablen Dämpfer 4 angekoppelt ist, um den Mikrowellenenergiepegel zu kontrollieren, der dem Zirkulator 3 zugeführt wird. Der Zirkulator 3 sollte eine relativ hohe Trennung zwischen den Öffnungen aufweisen. Beispielsweise sind die acht Trennungen im Bereich von 8,5 bis 9,6.//Hz (in dB) wie folgt: II-l (> 56), HI-Il (> 20), IV-IH (> 05), MV (>2Ö), 11-IV(> 30),IV-II(> 28),III-I(> 28),I-II1(> 28).

Ein Proben-Hohlraum-Resonator 5, der eine zu untersuchende Materialprobe aufnehmen kann, etwa eine Elekiionenspinresonanzprobe, ist an die zweite öffnung II des Zirkulators 3 über ein Stück Hohlleiter 6 und eine Koppelblende 7 angekoppelt. Die Blende 7 ist so eingestellt, daß eine perfekte Impedanzanpassung zwischen dem Hohlraum 5 und dem Zirkulator 3 bei der Resonanzfrequenz des Hohlraums 5 erhalten wird, welche als Frequenz der Mikrowellenquelle 2 dem Hohlraum 5 zugeführt wird. Ein umtastbarer Phasenschieber 8 ist an die dritte Öffnung II! des Zirkulators 3 angekoppelt, um die Phase des Mikrowellen-Hohlraumsignals umzutasten, das vom Hohlraum 5 zum Zirkulator 3 zurückreflektiert wird, und von dort zum Phasenschieber 8. Der Phasenschieber 8 bewirkt, daß die Phasenlage des Mikrowellen-Hohlraumsignals umgetastet wird, nachdem dieses zum Zirkulator 3 reflektiert worden ist, und von wo es einem Fühler 9 zugeführt wird, der an die vierte Öffnung IV des Zirkulators 3 angekoppelt ist.

Ein Bezugskanal 11 verbindet die Mikrowellenquelie 2 und den Fühler 9 und besteht aus einem kurzen Stück Hohlleiter 12, das mit Richtungskopplern 13 und 14 an

« den beiden Enden versehen ist, die an die Quelle 2 bzw. den Detektorarm 15 des Zirkulators 3 angeschlossen sind. Ein variabler Phasenschieber 16 ist im Bezugskanal vorgesehen, um die Phasenlage des Bczugssignals zu steuern, das von der Mikrowellenquelle dem Fühler 9 zugeführt wird.

Der Hohlraums ist in ein magnetisches Polarisationsfeld H₀ eingetaucht, das zwischen den Polschuhen 17 und 18 tines nichtdargestellten, kräftigen Elektromagneten erzeugt wird. Der Hohlraum 5 ist so orientiert, daß das Magnetfeld der Mikrowellen im wesentlichen senkrecht zum magnetischen Polarisationsfeld Ho liegt. Zwei Feldmodulationsspulen 19 sind so angeordnet, daß das magnetische Pol?risationsfeld Ho mit einer geeigneten Modulationsfrequenz moduliert wird, die von einem Feldmödulätionsöszillator 21 abgeleitet ist. Eine typische Feldmoduiationsfrequenz liegt in de Größenordnung 10—100 kHz. Der Ausgang des Feldmodulationsoszillators 21 wird mit einem Leistungsverstärker 22 verstärkt, dessen Ausgang die Feldmodulationsspulen 19 treibt.

Eine automatische Frequenzregelung 23 ist vorgesehen, um die Frequenz der Mikrowellenquelle 2 auf die Resonanzfrequenz des Mikrowellenhohlraums 5 abzu-

stimmen. Die automatische Frequenzregelung 23 weist einen Frequenzmodulator auf, mit dem die Mikrowellenquelle 2 mit einer geeigneten Modulationsfrequenz von beispielsweise 5 kHz moduliert wird.

Der variable Phasenschieber 8 besteht aus einem s Mikrowellenkurzschlußschalter 24, beispielsweise einer PIN-Diode die eine ungeradzahlige Anzahl von V₈ Weilenlängen von einer Wellen reflektierenden Wand 25 entfernt angeordnet ist, gemessen längs des Weges des Mikrowellen-Hohlraumsignals. Der Mikrowellenkurzschlußschalter 24 und die Wand 25 sind so justiert, daß, wenn der Mikrowellenkurzschlußschalter 24 durchlässig ist, so daß das Mikrowellensigiial zur Wand 25 hindurchläuft und von dieser reflektiert wird, das reflektierte Mikrowellen-Hohlraumsignal sich in Phase mit dem Phasenbezugssignal am Fühler 9 befindet. Wenn der Mikrowellenkurzschlußschalter 24 jedoch wellenreflektierrend ist. wird das reflektierte Mikrowellen-Hohlraumsignal von dem Mikrowellenkurzschlußschalter 24 und nicht von der Wand 25 reflektiert, so daß das Mikrowellen-Hohlraumsignal 90° phasenmäßig gegen das Bezugs-Mikrowellensignal am Fühler 9 versetzt ist.

Ein Bezugs-NF-Oszillator 26 mit einer Frequenz von beispielsweise 35 Hz Hefen einen Eingang an einen Programmschalter 27. Dieser Programmschalter 27 weist einen Ausgang auf, der den Phasenschieber 8 dadurch betreibt, daß der Mikrowellenkurzschlußschalter 24 durchlässig oder reflektierend gemacht wird, und der weitere Ausgänge aufweist, die ein Gatter 28 für die automatische Frequenzregelung bzw. ein Empfänger-Gatter 29 treiben. Die Gatter 28 und 29 sind so geschaltet, daß sie den Ausgang eines Vorverstärkers 31 erhalten, der den Ausgang des Fühlers 9 verstärkt. Der Phasenschieber 8 wird also durch den Ausgang des Programmschalters 27 moduliert, und zwar mit einer Modulationsfrequenz, die mit dem Ausgang des NF-Oszillators synchronisiert ist.

Zusätzlich wird der Phasenschieber 8 in einem Tastzyklus gemäß den Spannungsverläufen in Fig.2B *o und 2C in bezug zum Ausgang des NF-Oszillators 26 betrieben, so daß der Fühler 9 ein in Phase befindliches Mikrowellen-Hohlraumsignal während der Zeit »sieht«, in der der Mikrowellenkurzschlußschalter 24 durchlässig ist, und ein um 90° phasenverschobenes, das heißt phasenversetztes Mikrowellen-Hohlraumsignal, wenn der Mikrowellenkurzschlußschalter 24 reflektiert, das heißt die Diode leitend gemacht ist, um Schwingungsenergie vom Mikrowellenkurschlußschalter 24 zu reflektieren. Das ip Phase befindliche Mikrowellen-Hohlraumsignal wird für die automatische Frequenzregelung verwendet, und das Tastverhältnis für den Mikrowellenkurzschlußschalter 24 ist vorzugsweise so ausgewählt, daß während eines überwiegenden Teils der Zeit, etwa 90%. das um 90° aus der Phase versetzte Mikrowellen-Hohlraumsignal durch das Empfängergatter zum Empfangsverstärker 33 gegattert wird, während einer relativ kurzen Zeitspanne, etwa 10% der Zeit, das in Phase befindliche Mikrowellen-Hohlraumsignal durch den Vorverstärker und das Gatter 28 für die automatische Frequenzregelung zur automatischen Frequenzregelung 23 gegattert wird.

Der Frequenzregelungskanal 23 weist einen nichtdargestellten phasenempfindlichen Detektor auf, der die durch die automatische Frequenzregelung eingeführte β» Modulation im detektierten Hohlraumsigna] phasenempfindlich gegen das zur Frequenzmodulation der Mikrowellenquelle 2 verwendete Modulationssignal detektiert, um ein Abweichungssignal zu bilden, mit dem die Mittenfrequenz der Mikrowellenquelle 2 auf die Frequenz des Hohlraums 5 geregelt wird. Die automatische Frequenzregelung 23 weist einen Abfrage- und Halte-Kreis auf, der die Frequenzeinstellung der Mikrowellenquelle 2 während des Intervalls zwischen aufeinanderfolgenden Frequenzregelungsimpulsen, die zur Schaltung 23 gegatvert werden, beibehält

Das 90° außer Phase befindliche reflektierte Mikrowellen Hohlraumsignal (Dispersions-Hohlraumsignal) wird vom Empfängergatter 29 zum Eingang eines Verstärkers 33 gegattert, in dem die durch die Feldmodulation erzeugte Komponente im detektierten Mikrowellen-Hohlraumsignal verstärkt und einem Eingang eines phasenempfindlichen Detektors 34 zugeführt wird, um phasenempfindlich gegen die Feldmodulationsfrequenz detektiert zu werden, die vom Ausgang des Oszillators 21 abgeleitet wird, um ein Elektronenspinresonanz-Signal des Dispersionsmodus zu erhalten. Das Resonanzsignal wird einem Schreiber 35 zugeführt, um dort in Abhängigkeit von der Zeit oder in Abhängigkeit von einem Magnetfeld-Sweep aufgezeichnet zu werden, der von einer Feld-Sweep-Schaltung 36 abgeleitet wird, die dazu dient, einen Sweep der Stärke des magnetischen Polarisationsfeldes Ho über das Spektrum der zu untersuchenden Probe durchzuführen. Der Ausgang des Schreibers 35 ist also ein Spektrum des Dispersionsmodus der untersuchten Probe.

In Fig.3 ist eine weitere Ausführungsform eines Mikrowellenspektrometers dargestellt Es ist im wesentlichen wie das nach F i g. 1 aufgebaut, nur daß der variable Phasenschieber 8', der an die dritte öffnung III des Zirkulators 3 angeschlossen ist, einen zweiten Mikrowellenkurzschlußschalter 38 aufweist, der eine ungeradzahlige Zahl von Viertelwellenlängen von der Schwingungen reflektierenden Wand 25 entfernt ist. Der Bezugsphasenschieber 16 im Bezugskanal 11 ist so eingestellt, daß das reflektierte Mikrowellen-Hohlraumsignal sich in Phase mit dem Bezugssignal am Fühler 9 befindet, wenn der Mikrowellenkurzschlußschalter 38 durchläßt und der Mikrowellenkurzschlußschalter 24 reflektiert, um Schwingungsenergie von dem Mikrowellenkurzschlußschalter 24 zum Zirkulator 3 zu reflektieren. Zusätzlich ist der Programmschalter 27 mit dem Ausgang eines tief abgestimmten NF-Oszillators 26 synchronisiert (vergl. F i g. 4A) um dafür zu sorgen, daß das in Phase befindliche reflektierte Hohlraumsignal von dem Mikrowellenkurzschlußschalter 24 zweimal pro Zyklus der Frequenz des tief abgesunken Oszillators reflektiert wird, indem der Mikrowellenkurzschlußschalter durchlässig gemacht wird und der Mikrowellenkurzschlußschalter 24 reflektierend. Der Programmschalter 27 ist ebenfalls mit dem Ausgang des Oszillators 26 synchronisiert, um das 90° außer Phase befindliche Dispersions-Hohlraumsignal von dem ersten Mikrowellenkurzschlußschalter 38 einmal pro Periode des tiefen NF-Oszillator-Signals zu reflektieren (F i g. 4C), indem der Mikrowellenkurzschlußschalter 38 während des in Fig.4C schraffierten Teils des dort dargestellten Spannungsverlaufs reflektierend gemacht wird. Zusätzlich bleiben während der in Fig.4D angedeuteten Intervalle beide Mikrowellenkurzschlußschalter 38 und 24 durchlässig, indem die Dioden in Sperriehiung vorgespannt werden, um ein Dispereions-Modus-Signal von der Endwand 25 zum Fühler 9 zu reflektieren.

Das Mikrowellenspektrometer nach Fig.3 arbeitet

im wesentlichen auf die gleiche Weise wie das Mikrowellenspektrometer nach Fig. 1. Insbesondere wird das Feldmcdulationssignal mit dem Verstärker 33 verstärkt und im Phasendetektor 34 phasenempfindlich gegen das Feldmodulationssignal vom Oszillator 21 detektiert, um ein Dispersions-Ausgangssignal zu bildendem eine niederfrequente Komponente mit der Frequenz des tief abgestimmten NF-Oszillators 26 von beispielsweise 35 Hz überlagert ist. Dieses niederfrequente Signal wird in einem Verstärker 41 für tiefe Niederfrequenz verstärkt und in einem Phasendetektor 42 phasenempfindlich gegen das NF-Oszillatorsignal vom Oszillator 26 detektiert, um ein Dispersionsmodus-Resonanzsignal zu erhalten, das im Schreiber 35 in Abhängigkeit von dem Feld-Sweep-Signal aufgezeichnet wird, das vom Feld-Sweep-Generator 36 abgeleitet ist. Durch den zweiten phasenempfindlichen Detektor 42 ^wird j?dcs mögliche A.bsorptionssigne! irn Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 42 ausgeschlossen, das vorhanden ist, wenn die automatische Frequenzregelung eingeschaltet ist, und das darauf zurückzuführen ist, daß die Wiederholfrequenz der automatischen Frequenzregelung das doppelte der Frequenz des NF-Oszillators ist.

In Fig.5 ist eine dritte Ausführungsform eines Mikrowellenspektrometers dargestellt. Es ist im wesentlichen identisch dem nach Fig. 1, nur daß der NF-Oszillator 26 gemäß Fig. 1 durch den Feldmodulationsoszillator 21 ersetzt ist Der Programmschalter 27 ist Ht dem Spannungsverlauf der Feldmodulation (F i g. 6A) synchronisiert, wie durch den Spannungsverlauf in Fig.6B dargestellt ist, um das in Phase befindliche reflektierte Hohlraumsignal bei dem doppelten der Frequenz des Feldmodulationssignals abzufragen, indem der Betrieb des Gatters 28 für die automatische Frequenzregelung mit dem Schalten des Mikrowellenkurzschlußschalters 24 synchronisiert ist. Das Mikrowellenspektrometer wird anfänglich für den phasengleichen Modus eingestellt, wobei der Mikrowellenkurzschlußschalter 24 durchlässig ist, so daß das reflektierte Mikrowellen-Hohlraumsignal von der Endwand 25 reflektiert wird. Wird der Mikrowellenkurzschlußschalter 24 in den Schwingungsreflektierenden Zustand geschaltet, wird also Schwingungsenergie von ihm reflektiert, so daß der Dispersionsmodus des Hohlraumsignals beobachtet wird.

Die Feldmodulationskomponente, die im Dispersionsmodus-Hohlraumsignal enthalten ist, wird über das Empfängergatter 29 dem Verstärker 33 zugeführt und von dort einem Eingang eines phasenempfindlichen Detektors 34, um gegen das Feldmodulationssignal detektiert zu werden, das vom Feldmodulationsoszillator 21 abgeleitet wird, um ein Dispersionsmodus-Signal der Elektronenspinresonanz zu erzeugen, das in Abhängigkeit vom Feld-Sweep aufgezeichnet wird, der vom Feld-Sweep-Generator 36 abgeleitet wird.

In Fig.7 ist eine vierte Ausführungsform eines Mikrowellenspektrometers dargestellt Genauer gesagt dieses Mikrowellenspektrometer arbeitet mit einer relativ niederfrequenten Feldmodulation im Hohlraum 5, die einer relativ hochfrequenten Phasenmodulation des Mikrowellenhohlraumsignals überlagert wird, das dem Fühler 9 zugeführt wird, um das vom Fühler 9 bei niedrigen Frequenzen erzeugte Rauschen zu vermeiden. Dieses Prinzip ist bekannt (vergl. den eingangs genannten Aufsatz in »Review of Scientific Instruments«). Der variable Phasenschieber 8' ist relativ zur Phase des Bezugskanals 11 so angeordnet, daß,'wenn der Mikrowellenkurzschlußschalter 24 Wellenenergie reflektiert und Mikrowellenkurzschlußschalter 38 durchlässig ist, der Fühler 9 das in Phase befindliche Mikrowellen-Hohlraumsignal detektiert. Ein tiefabgestimmter NF-Oszillator 47 von beispielsweise 35 Hz liefert ein Ausgangssignal, das einem Leistungsverstärker 48 zugeführt wird und von dort dem Feldmodulationsspulen 19, um das magnetische Polarisationsfeld Ha bei der Frequenz des tiefabge stimmten NF-Oszillators zu modulieren. Das Feldmodu lationssignal wird auch dem Programmschalter 27 zugeführt, um die Mikrowellenkurzschlußschalter 38 und 24 so zu synchronisieren, daß mit dem Doppelten der Feldmodulationsfrequenz der Mikrowellenkurz- Schlußschalter 24 reflektiert, wie in Fig. 8A und 8B angedeutet ist. Der Programmschalter 27 schaltet auch das Gatter 28 für die automatische Frequenzregelung synchron zum Spannungsverlauf Fig. 8B für die automatische F-equenzregelung.

Ein Oszillator 49 für eine relativ hohe Frequenz von beispielsweise 100 kHz liefert einen Ausgang an einen Rechteckgenerator Sl, um eine Rechteckschwingung mit der Frequenz des Hochfrequenzoszillators 49 zu erzeugen. Der Ausgang des Rechteckgenerators 51 wird dem Mikrowellenkurzschlußschalter 38 zugeführt, so daß der Mikrowellenkurzschlußschalter 38 abwechselnd schwingungsreflektierend und durchlässig wird, und zwar mit der Frequenz des HF-Oszillators 49, um eine Phasenmodulation des reflektierten Mikrowellen-Hohl raumsignals mit 100 kHz zu erzeugen. Wenn das Hohlraumsignal von dem Mikrowellenkurschlußschalter 38 reflektiert wird, ist das Hohlraumsignal 90° phasenmäßig gegen das Bezugssignal versetzt, so daß der Dispersionsmodus des Hohlraumsignals am Aus gang des Fühlers 9 sichtbar wird. Der Programmschal ter 27 moduliert den Rechteckgenerator 51 mit dem Doppelten der Frequenz des Feldmodulationssignals, so daß der Mikrowellenkurzschlußschalter 38 entsprechend dem Spannungsverlauf in der automatischen Frequenzregelung durchlässig wird, wie durch F i g. 8B und 8C angedeutet ist. Der Mikrowellenkurzschlußschaltcr 24 wird entsprechend dem Spannungsverlauf in F i g. 8D derart durchlässig, daß die Hochfrequenz-Phasenmodulation eine Phasenmodulation um 180° ist.

Der Ausgang des Vorverstärkers 31 wird einem 100 kHz-Verstärker 53 zugeführt und von dort einem Eingang eines phasenempfindlichen Detektors 54. um phasenempfindlich gegen einen Bezug detektiert zu werden, der vom HF-Oszillator 49 abgeleitet wird, um ein Dispersionsmodus-Ausgangssignal zu erhalten; das Aüsgangssignal wird einem Verstärker 55 zugeführt und von dort einem Eingang eines zweiten Phasendetektors 56, um gegen das Feldmodulationssignal phasenempfindlich detektiert zu werden, das vom NF-Oszillator 47 abgeleitet ist Der Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 56 bildet ein Signal für den Dispersionsmodus der Elektronenspinresonanz und wird dem Schreiber 35 zugeführt, um in Abhängigkeit von dem Feld-Sweep-Signal vom Feld-Sweep-Generator 36 aufgezeichnet zu werden.

Bei dem Mikrowellenspektrometer nach Fig.7 ist hervorzuheben, daß die hochfrequente Modulation durch den Oszillator 49 dazu dient, niederfrequentes Detektorrauschen zu beseitigen, um ein verbessertes

es Signal-Rauschen-Verhältnis zu erhalten. Wie bei den vorangegangenen Ausführungsformen braucht der Ausgang des Vorverstärkers 31 nicht zum Resonanzempfänger 53 gegattert zu werden, weil der zweite

phasenempfindliche Detektor 56 gegen Absorptionssignale bei der doppelten Frequenz der Feldmodulationsfrequenz diskriminiert.

In Fig.9 ist ein Mikrowellenspektrometer für die Elektron-Kern-Doppelresonanzspektroskopie grundsätzlich bekannter Art (US-Patentschrift 33 58 222) dargestellt. In ehern solchen Spektrometer wird ein Kernresonanzspsfctrum dadurch erhalten, daß der Effekt beobachtet wird, den die Erregung von Resonanzen der Kerne, die mit den Elektronen gekoppelt sind, auf die Elektronenspinresonanz ausübt. Das Mikrowellenspektrometer ist ähnlich dem in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen, nur daß der Phasenschieber 8 derart angeordnet ist, daß der Mikrowellenkurzschlußschalter 24 eine viertel Wellenlänge von der reflektierenden Wand 25 entfernt angeordnet ist, so daß die Phase des Mikrowellen-Hohlraumsignals, das zum Fühler 9 reflektiert wird, um 180° umgetauscht wird, je nachdem, ob das Hohlraumsignal vom Mikrowellenkurzschlußschalter 24 oder von der reflektierenden Wand 25 reflektiert wird. Ein HF-Oszillator 62 liefert HF-Energie an einen Leistungsverstärker 63, und von dort an eine HF-Spule 64, die einen Bestandteil des Hohlraums 5 bildet, um ein hochfrequentes Magnetfeld rechtwinklig zum magnetischen Polarisationsfeld Ho an die Probe zu legen, um Kernresonanz der Probe zu erregen. Die HF vom Oszillator 62 wird einem Sweep durch das Kernresonanzspektrum unterworfen, und zwar mittels eines HF-Sweep-Generators 65. Die der Probe zugeführte HF-Energie wird mit einer relativ hohen Frequenz von beispielsweise 6 kHz mit einem Impulsgeber 66 impulsmoduliert, der über einen Leistungsverstärker 68 mit einem 6 kHz Oszillator 67 angetrieben wird.

Die Phasenschieber 8 und 16 sind so eingestellt, daß das Bezugs-Mikrowellensignal gleichphasig oder gegenphasig(i80" phasenmäßig versetzt) zum tviikroweilensignal liegt, das vom Hohlraum über den Phasenschieber 8 zum Fühler 9 reflektiert wird. Die Phase des Mikrowellen-Hohlraumsignals wird mit einer relativ niedrigen Phasenmodula.tionsfrequenz von beispielsweise 35 Hz moduliert, die von einem 35 Hz-Oszillator 69 abgeleitet wird, dessen Ausgang mit Leistungsverstärker 71 verstärkt wird, dessen Ausgang dem Mikrowellenkurzschlußschalter 24 zugeführt wird. Das Hohlraumsignal wird im Vorverstärker 31 verstärkt.

und ein Ausgang ·■.»ird mit dem Eingang der automatischen Frequenzregelung 23 verbunden, um die Frequenz der Mik.rowellenquellle 2 zu regeln. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 31 wird ferner über einen Hochpaßfilter 72, der die 6-kHz-Modulation i.n Mikrowellen-Hohlraumsignal durchläßt, einem Gatter 73 zugeführt, das mit der 6 kHz-Frequenz vom 6 kHz-Oszillators 67 gegattert wird, um ein Absortionsmodus-Resonanzausgangssignal zu erhalten, das einem

ίο zweiten NF-Verstärker 76 zugeführt wird. Der Ausgang des Verstärkers 76 wird einem Phasendetektor 77 zugeführt, um phasenempfindlich gegen das niederfrequente Phasenmodulationssignal vom Oszillator 69 detektiert zu werden, um ein Ausgangs-Resonanzsignal

is zu erhalten, das der V-Achse des Schreibers 35 zugeführt wird, um in Abhängigkeit von der einem Sweep unterworfenen Frequenz des HF-Oszillators 62 aufgezeichnet zu werden. Das Sweep-Signal wird von einem Frequenzzähler 78 abgeleitet, der die HF-Ösziüa tor-Frequenz zählt und einen Ausgang erhält, der einem Digitalantrieb 79 zugeführt wird, mit dem die X-Achse des Schreibers 35 angetrieben wird.

Die Impedanz zwischen dem Zirkulator 3 und dem Hohlraum 5 wird automatisch dadurch angepaßt, daß das Signal mit 35 Hz, das am Ausgang des Vorverstärkers 31 mit dem Verstärker 82 verstärkt wird, im Phasendetektor 83 phasenempfindlich detektiert wird, und der Ausgang einem Servomotor 81 zugeführt wird, mit dem die Einstellung einer Schraube 84 gesteuert

jo wird, die in die Blende 7 zwischen dem Zirkulator 3 und dem Hohlraum 5 hineinragt, um die Kopplung zwischen dem Hohlraum und dem Zirkulator 3 automatisch einzustallen, um eine perfekte Impedanzanpassung zwischen beiden aufrechtzuerhalten.

Die automatische Frequenzregelung 23 verrastet in brauchbarer Weise mit einer Phase des reflektierten Mohlraümsignals. wenn die auf der. Hohlraum 5 auftreffende Energie größer als viermal die Energie im Bezugskanal 11 ist. Bei kleinerer auftreffender Leistung muß die automatische Frequenzregelung auf eine der Phasen gegattert werden. Statt dessen i.ann die Bezugsphase des nichtdargestellten phasenempfindlichen Detektors der automatischen Frequenzregelung mit der Phasenmodulationsfrequenz, das heißt 35 Hz, um 180° geschaltet werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrowellenspektrometer zur Stoffuntersuchung mit folgenden Merkmalen:

a) eine Mikrowellenquelle,

b) ein Probenhohlraum zur Aufnahme einer Probe des zu untersuchenden Stoffes,

c) eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Polarisationsfeldes im Probenhohlraum,

d) eine Detektoreinrichtung, der zwei Mikrowellenstrahlungen zugeführt werden,

dl) die vom Hohlraum bei Resonanz reflektierte Strahlung,

d2) ein über einen mit einem variablen Phasenschieber versehenen separaten Hohlleiter geführten Teil der Strahlung der Mikrowellenquelle, der ein Bezugssignal erzeugt,

e) die Bc:ektoreinrichtung liefert

el) mindestens ein erstes Signal in Abhängigkeit von der Intensität der in der jeweils erforderlichen Phase zum Bezugssignal befindlichen Komponente der reflektierten Strahlung, das zur Konstantregelung jeweils eines Betriebsparameters des Spektrometers, insbesondere der Frequenz der Mikrowellenquelle, dient,

e2) ein zweites Signal in Abhängigkeit von der Intensität einer anderen Komponente der reflektierten Strahlung, das als Grundlage für das Spektre/neter-Ausgangssignal dient,