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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Elektronenspinresonanzvorrichtung und insbesondere eine
Elektronenspinresonanzvorrichtung, die eine Mikrowellenschaltung zum Detektieren einer
Elektronenresonanz hat.
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Aus Review of Scientific Instruments, Vol. 58, Nr. 8, 1.
September 1987, New York, Seiten 1709 bis 1723; R. W. Quine usw.:
"Pulsed EPR Spectrometer" (gepulstes EPR-Spektrometer) ist ein
Elektronenspinresonator bekannt, der einen ziemlich komplizierten
Aufbau hat und eine spezielle Steuerung des Arbeitspunkts des
Detektors des Elektronenspinresonators erfordert, bevor
Meßoperationen ausgeführt werden können. Aus WO-A 88/01984 ist es
bekannt, den Ausgang des Zirkulators mit einer Mischerschaltung
direkt zu verbinden. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist jedoch
nicht überzeugend.
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Aus Bergmann-Schaefer: "Lehrbuch der Experimentalphysik", Vol.
IV, Teil 1: "Aufbau der Materie", 1975, Seiten 537, 538 ist es
bekannt, ein Spektrometer bereitzustellen, das einen
Reflexions
zweig hat, der dafür vorgesehen ist, eine symmetrische oder
ausgeglichene Auslöschung zu erhalten.
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Aus Review of Scientific Instruments, Vol. 56, Nr. 11, Seiten
2050, 2051, 1985, Woodbury, New York, US, G. Grampp:
"Application of a microwave preamplifier to an ESR-spectrometer"
(Anwendung eines Mikrowellenvorverstärkers in einem ESR-Spektrometer)
ist es bekannt, einen Mikrowellenvorverstärker zu verwenden, der
einem Zirkulator nachgeschaltet ist. Ein solcher Vorverstärker
wird auch in der US-A-4,888,554 gezeigt. Die bekannten
Schaltungen haben bei der Einstellung des Arbeitspunkts verschiedene
Nachteile und für eine gute Funktion ist geschultes Personal
erforderlich.
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Ein typischer Aufbau einer Mikrowellenschaltung wird nachfolgend
für eine herkömmliche Elektronenspinresonanzvorrichtung in Bezug
auf Fig. 1 beschrieben. Bei der herkömmlichen
Elektronenspinresonanzvorrichtung wird Mikrowellenenergie durch einen Gun-
Oszillator 12 in einen Wellenleiter eingekoppelt, der durch ein
Netzgerät bzw. eine Stromversorgung 10 angetrieben wird. Die
Mikrowellenenergie wird durch einen Uni-Leiter 14 und durch einen
Richtungskoppler 16 zu einem Wellenleiter-Dämpfer 18 übertragen,
der die Mikrowellenenergie derart einstellt, daß eine
elektrische Energie vorhanden ist, die für eine Resonanzbedingung einer
Meßprobe S geeignet ist. Diese Mikrowellenenergie, die geeignet
eingestellt wird, wird nachfolgend durch einen Zirkulator 20 zu
einem Hohlraumresonator 22 gesendet. In dem Hohlraumresonator 22
wird die Mikrowellenenergie der Meßprobe S hinzugefügt, die
entlang einer Richtung eines Mikrowellen-Magnetfeldes in dem
Hohlraumresonator 22 angeordnet ist. Ein Polarisationsmagnetfeld,
das rechtwinklig zu dem Mikrowellen-Magnetfeld ist, wird durch
ein Paar von Magneten 24 angelegt.
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Wenn die Meßprobe S in dem Hohlraumresonator 22 gemessen wird,
wird das Polarisationsmagnetfeld B&sub0; durchgestimmt. Die
Elektronenresonanz tritt in der Meßprobe nur auf, wenn die
nachfolgende Bedingung eingehalten ist:
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hτ = gβB&sub0; (1)
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h: Plancksche Konstante
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τ: Resonanzfrequenz
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g: Lande-Faktor
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β: Bohr-Magnetor
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Wenn die Elektronenresonanz auftritt, ergibt sich ein
Reflexionsausgang eines Resonanzsignals von dem Hohlraumresonator 22.
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Das Resonanzsignal wird dann über den Zirkulator 20 zu einem T-
Glied 26 übertragen, das einen E-Zweig und einen H-Zweig hat.
Das Resonanzsignal wird durch den E-Zweig des T-Glieds 26 zu
einem Paar von Kristalldetektoren 28 und 30 übertragen, die an
gegenüberliegenden Seiten eines symmetrischen Abzweigs an dem
magischen T-Glied 26 angeordnet sind. Die Resonanzsignale, die
den Kristalldetektoren 28 und 30 zugeführt werden, haben die
gleiche Amplitude und inverse Phasen. Dem magischen T-Glied 26
wird an seinem H-Zweig von dem Richtungskoppler 16 aus durch
zwei koaxiale Wellenleiter-Konverter 34 und 36 ein Teil der
Mikrowellenenergie als ein Referenzsignal für diese
Homodyn-Detektion zugeführt. Das Resonanzsignal wird somit mit dem
Referenzsignal für eine nachfolgende Detektion hybridisiert bzw.
gemischt.
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Detektionsausgangssignale von beiden Kristalldetektoren 28 und
30 des magischen T-Glieds 26 werden jeweils dem phasengleichen
Referenzsignal und dem gegenphasigen Resonanzsignal
hinzuaddiert. Im Ergebnis wird jedes der Detektionsausgangssignale
einer Differenzverstärkung durch einen Vorverstärker 38 zur
Addition der Resonanzsignalkomponenten und zur Auslöschung der
Referenzsignalkomponenten unterzogen, wodurch die
Resonanzsignalkomponente alleine übrigbleibt.
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Andererseits erfährt das Polarisationsmagnetfeld B&sub0; eine
Modulation des Magnetfeldes mit einer Modulationsfrequenz fm. Die
zuvor erwähnte Mikrowellendetektionsfunktion veranlaßt den
Vorver
stärker 38 dazu, nur die Modulationsfrequenzkomponente für eine
nachfolgende Übertragung zu einem Hauptverstärker zu verstärken,
der nicht gezeigt ist. Der Hauptverstärker führt eine
schmalbandige Verstärkung einer Mittenfrequenz fm für die nachfolgende
Phasendetektion durch, bei der die zuvor erwähnte Mittenfrequenz
fm als eine Referenzfrequenz dient, wodurch die
Elektronenspinresonanzsignale als direktes Ausgangssignal erhalten werden.
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Eine Empfindlichkeit einer Detektion des
Elektronenspinresonanzsignals ist mit einem allgemeinen Rauschfaktor F verbunden. Im
Fall der Detektion durch ein vielstufiges Empfangssystem ist der
allgemeine Rauschfaktor F durch die nachfolgende Gleichung
gegeben.
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F = F1 + (F2-1)/G1 + (F3-1)/G1 · G2 + ... + (Fn-1)/G1 · G2 ... Gn-1 (2)
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F1, F2, ..., Fn: Rauschfaktor bzw. Rauschzahl an jeder
Stufe.
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G1, G2, ..., Gn: der Verstärkungsfaktor an jeder Stufe.
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Im Stand der Technik wird das Elektronenspinresonanzsignal durch
den Hohlraumresonator 22 detektiert und durch den Zirkulator 20
für einen Diodendetektionsempfang durch die Kristalldetektoren
28 und 30 und eine nachfolgende Übertragung zu dem Vorverstärker
38 übertragen. Dadurch wird die Empfindlichkeit der
Resonanzsignaldetektion durch die Rauschzahl und den Verstärkungsfaktor
bzw. die Verstärkung der Detektionsdiode definiert bzw.
begrenzt.
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Die Empfindlichkeit der Resonanzsignaldetektion wird nachfolgend
mit Bezug auf die numerischen Werte beschrieben, wenn eine
Schottky-Sperrschichtdiode in einer Detektionsstufe verwendet
wird. Unter der Annahme, daß die Rauschzahl F1 und die
Verstärkung G1 des Detektors 6 dB bzw. -5 dB (eine Verstärkung von
ungefähr des 0,3-Fachen) betragen und daß die Rauschzahl des
Signalverstärkers F2 gleich 4 dB ist, wird die Rauschzahl des
Empfangssystems wie folgt ausgedrückt:
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F = F1 + (F2-1) + (F2-1)/G1
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= 3,98 + (2,51-1)/0,316
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= 8,72 (mal)
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= 9,4 dB.
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Es ist ersichtlich, daß im Stand der Technik der Rauschfaktor
bzw. die Rauschzahl des Empfangssystems extrem hoch ist, woraus
folgt, daß die Empfindlichkeit der Resonanzsignaldetektion
niedrig ist.
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Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Elektronenspinresonanzvorrichtung bereitzustellen, die eine
verbesserte Mikrowellenschaltung mit einer hohen Empfindlichkeit
bei der Resonanzsignaldetektion aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 und 2 gelöst.
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Die Mikrowellenschaltung für die
Elektronenspinresonanzvorrichtung hat einen derartigen Schaltungsaufbau, daß ein
Mikrowellenverstärker mit niedrigem Rauschen in einer Vorstufe der
Resonanzsignaldetektion angeordnet ist, wodurch eine symmetrische
Auslöschung bzw. Kompensation einer Mikrowellenenergie erreicht
wird, die an eine Meßprobe angelegt wird. Dies, ergibt, daß die
Empfindlichkeit der Resonanzsignaldetektion unabhängig von der
Mikrowellenenergie ist, die an den Hohlraumresonator angelegt
ist, so daß nur das Resonanzsignal linear verstärkt wird, um
eine Verbesserung in der Empfindlichkeit zu erhalten.
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Bei einer neuartigen Elektronenspinresonanzvorrichtung wird eine
Meßprobe in einem Hohlraumresonator angeordnet, der in einem
Polarisationsmagnetfeld für die Zuführung von Mikrowellenenergie
zu der Meßprobe derart angeordnet ist, daß ein Resonanzsignal
der Meßprobe detektiert wird. Diese neuartige
Elektronenspinresonanzvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein
Mikrowellensignalverstärker in einer Vorstufe einer
Mikrowellendetektionsschaltung für die Detektion eines Resonanzsignals von dem
Hohlraumresonator angeordnet ist, wodurch ein Teil eines
Aus
gangssignals von einem Mikrowellenoszillator zu einem
Eingangsanschluß des Verstärkers für eine nachfolgende symmetrische
Auslöschung einer reflektierten Mikrowellenenergie von dem
Hohlraumresonator hinzuaddiert wird.
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In Alternative ist der Mikrowellensignalverstärker in der
Vorstufe der Mikrowellendetektionsschaltung angeordnet und der
Hohlraumresonator ist an einer Seite einer Mikrowellenbrücke für
eine symmetrische Auslöschung einer Mikrowelle angeordnet, die
das Resonanzsignal überlappt.
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In Alternative kann der Mikrowellensignalverstärker in der
Vorstufe der Mikrowellendetektionsschaltung angeordnet sein und
dort kann eine schaltende Schaltung vorgesehen sein, die eine
abwechselnde Öffnungs- und Schließfunktion für sowohl den
Eingang in den Hohlraumresonator hinein als auch den Ausgang aus
dem Hohlraumresonator heraus aufweist.
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In Alternative ist es weiterhin möglich, daß ein Dämpfer mit
variablem Widerstand und der Mikrowellensignalverstärker in der
Vorstufe der Mikrowellendetektionsschaltung für die symmetrische
Auslöschung der reflektierten Mikrowellenenergie von dem
Hohlraumresonator angeordnet sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der
Elektronenspinresonanzvorrichtung der Mikrowellensignalverstärker in der
Vorstufe der Mikrowellendetektionsschaltung zum Detektieren des
Resonanzsignals von dem Hohlraumresonator für die symmetrische
Auslöschung der reflektierten Mikrowellenenergie von dem
Hohlraumresonator derart angeordnet, daß der
Resonanzsignal-Rauschfaktor des Empfangssystems für eine Verbesserung der
Empfindlichkeit der Detektion des Elektronenspinresonanzsignals
vermindert ist.
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Weiterhin ist der Hohlraumresonator an einer Seite der
Mikrowellenbrücke für die symmetrische Auslöschung der Mikrowelle, die
das Resonanzsignal überlappt, angeordnet. In Alternative wird
eine schaltende Schaltung bereitgestellt, die eine abwechselnde
EIN-AUS-Funktion für den Eingang in den Hohlraumresonator und
für den Ausgang aus dem Hohlraumresonator für eine Verstärkung
alleine des Resonanzsignals bereitstellt. Dies ermöglicht, daß
eine Verbesserung der Empfindlichkeit der Detektion des
Elektronenspinresonanzsignals erhalten wird.
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Weiterhin sind ein Dämpfer mit verschiedenen Widerständen und
ein Mikrowellenenergieverstärker an der Vorstufe des
Hohlraumresonators zum Ausführen von Einstellungen davon derart
angeordnet, daß eine viel effektivere symmetrische Auslöschung der
reflektierten Mikrowellenenergie von dem Hohlraumresonator
ausgeführt werden kann.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend vollständig im Detail mit Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm der herkömmlichen
Mikrowellenschaltung für die Elektronenspinresonanzvorrichtung.
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Fig. 2 ist ein Schaltungsdiagramm einer neuartigen
Mikrowellenschaltung für eine Elektronenspinresonanzvorrichtung
einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagramm einer neuartigen
Mikrowellenschaltung für eine Elektronenspinresonanzvorrichtung
einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
nachfolgend im Detail mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben.
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Ein Gun-Oszillator 12 führt Mikrowellenenergie zum Anlegen an
einen Hohlraumresonator 22 zu. Die Mikrowellenenergie, die von
dem Gun-Oszillator 12 zugeführt wird, wird durch einen
Uni-Lei
ter 14 und einen Richtungskoppler 16 einem Dämpfer 40 mit einem
variablen Widerstand zugeführt, der eine solche Einstellung
seiner elektrischen Energie ausführt, daß die Resonanzbedingung
der Meßprobe erfüllt ist. Die eingestellt Mikrowellenenergie
wird durch einen Mikrowellenverstärker 42 und ein magisches T-
Glied 44 dem Hohlraumresonator 22 zugeführt, damit sie
nachfolgend an die Meßprobe S in dem Hohlraumresonator 22 angelegt
werden kann.
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Das reflektierte Ausgangssignal des Resonanzsignals von dem
Hohlraumresonator 22 wird durch das magische T-Glied 44 und
einen Mikrowellensignalverstärker 46 einem magischen T-Glied 26
zugeführt. Obwohl als Mikrowellensignalresonator kostengünstige
und hoch zuverlässige Elemente wie zum Beispiel ein GaAs-FET und
ein HEMT erhältlich sind, haben diese Elemente das Problem, daß
sie in einem breiten Band keinen niedrigen Rauschfaktor haben.
Um dieses Problem zu lösen wird ein Filter aus einer
Parallelverbindung seiner /4-Anschlüsse zwischen den Eingangsanschlüssen
und Ausgangsanschlüssen des Mikrowellensignalverstärkers 46
derart angeordnet, daß eine Verstärkungsbandbreite des
Mikrowellensignalverstärkers 46 für eine Verbesserung in dem Signal-zu-
Rausch-Verhältnis beschränkt ist. In Alternative ist es möglich,
einen Halbleiter-Mikrowellensignalverstärker 46 mit einem
schmalen Band und einem niedrigen Rauschfaktor zu verwenden. In
diesem Fall ist es nicht notwendig, einen solchen
Schmalbanddurchlaßfilter als /4-Anschluß-Kurzschlußleiter vorzusehen.
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In dieser Ausführungsform wird ein Teil der Mikrowellenenergie
als Referenzsignal von dem Richtungskoppler 16 durch einen
Dämpfer 48 mit variablem Widerstand und einen Phasenschieber 50 zu
einem H-Zweig des magischen T-Glieds 26 derart übertragen, daß
das Referenzsignal mit dem Resonanzsignal gemischt wird.
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Der Rauschfaktor und der Verstärkungsfaktor des zuvor erwähnten
Mikrowellensignalverstärkers 46 sind wie folgt:
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F1 = 2 dB
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G1 = 27 dB
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Unter der Annahme der Verwendung des Detektors mit der gleichen
Einstellung wie der Mikrowellensignalverstärker 46 sind der
Rauschfaktor F2 und der Verstärkungsfaktor G2 des Detektors 6 dB
bzw. -5 dB. Der Rauschfaktor F3 der Signalverstärkung beträgt 4
dB. Es wird erwartet, daß der Rauschfaktor F des Empfangssystems
wie folgt ausgedrückt wird:
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F = F1 + (F2-1)/G1 + (F3-1)/G1 · G2
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= 1,58 + (3,98-1)/501 + (2,51-1)/(501 · 0,361)
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= 1,59
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= 2,01 dB
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Wenn man die neuartige Schaltung der Erfindung mit der Schaltung
des Stands der Technik vergleicht, kann erwartet werden, daß das
S/N-Verhältnis gleich 8,72/1,59 = 5,48 beträgt.
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Tatsächlich ist es unmöglich, die reflektierte
Mikrowellenenergie von dem Hohlraumresonator 22 zu vernachlässigen. Es kann
nämlich oft passieren, daß der Mikrowellensignalverstärker 46 in
den supergesättigten bzw. übersättigten Zustand gelangt, wodurch
die Empfindlichkeit herabgesetzt wird. Um dieses Problem zu
lösen, wird im Fall der Stereo-Schaltung der Hohlraumresonator 22
auf einer Seite des symmetrischen Zweiges des magischen T-Glieds
44 angeordnet. Der Phasenschieber 52 und der Dämpfer 54 mit
variablem Widerstand sind mit der gegenüberliegenden Seite des
symmetrischen Zweiges des magischen T-Glieds 44 verbunden. Die
Mikrowellenenergie wird dem E-Zweig des T-Glieds 44 zugeführt.
Der Phasenschieber 52 und der Dämpfer 54 mit variablem
Widerstand werden derart eingestellt, daß die reflektierte Energie
von diesem Zweig die gleiche Amplitude wie die reflektierte
Energie und die inverse Phase zu der reflektierten Energie von
dem Hohlraumresonator 22 hat, wodurch das Ausgangssignal von dem
H-Zweig des magischen T-Glieds 44 effektiv Null wird. Der
Mikrowellensignalverstärker 46 ist frei von irgendeiner
Beeinflus
sung, die von einer starken, angelegten Mikrowellenenergie
geliefert wird, so daß er nur ein unzureichendes Resonanzsignal
von dem Hohlraumresonator 22 verstärkt.
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Obwohl in dieser Ausführungsform ein typisches Beispiel der
Stereo-Schaltung unter Verwendung der Stereo-Schaltung beschrieben
worden ist, ist jedes Element, das in dieser Ausführungsform
verwendet wird, durch entsprechende planare Schaltungselemente
ersetzbar, z. B. ist das magische T-Glied durch ein
180º-T-Hybridglied ersetzbar.
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Verglichen mit der Schaltung des Stands der Technik hat die
Schaltung, die durch diese Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung bereitgestellt wird, einen viel kleineren Rauschfaktor
und einen viel größeren Verstärkungsfaktor, wodurch der
allgemeine Rauschfaktor für die Ausführung einer hohen
Empfindlichkeit der Detektion des Elektronenspinresonanzsignals abgesenkt
wird. Obwohl im Stand der Technik die Empfindlichkeit der
Detektion durch den Rauschfaktor des Kristalldetektors, in dieser
Ausführungsform durch den niedrigen Rauschfaktor, begrenzt ist,
ermöglicht ein Mikrowellensignalverstärker 46 mit hoher
Verstärkung, daß der Rauschfaktor des empfangenden Systems beträchtlich
verbessert wird.
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Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
nachfolgend mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. In der zweiten
Ausführungsform hat die Mirowellenbrückenschaltung einen Aufbau,
der verhindert, daß eine starke, angelegte Mikrowelle in den
Mikrowellensignalverstärker 46 eintreten kann. Die
Mikrowellenenergie wird nämlich zu dem Hohlraumresonator 22 durch den
Dämpfer 40 mit variablem Widerstand, den Richtungskoppler 56,
den Mikrowellenenergieverstärker 42 und den Zirkulator 20
zugesendet. Die reflektierte Energie und das Resonanzsignal von dem
Hohlraumresonator 22 werden durch den Zirkulator 20 und den
Richtungskoppler 58 dem Mikrowellensignalverstärker 46
zugesendet.
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Ein Teil der Mikrowellenenergie wird als Referenzenergie bzw.
Referenzsignal von dem Richtungskoppler 56 durch den Dämpfer 54
mit variablem Widerstand und den Phasenschieber 52 einem
Richtungskoppler 58 zugesendet, damit er der reflektierten Energie
von dem Hohlraumresonator 22 hinzuaddiert werden kann. Der
Widerstand-Dämpfer 58 führt eine derartige Einstellung aus, daß
die Amplitude der Referenzenergie die gleiche Amplitude wie die
reflektierte Energie hat. Der Phasenschieber führt auch eine
derartige Einstellung aus, daß inverse Phasen vorliegen. Dies
ergibt die symmetrische Auslöschung der reflektierten Energie für
eine nachfolgende Eingabe nur des Resonanzsignals in den
Mikrowellensignalverstärker 46, wodurch der Rauschfaktor des
empfangenden Systems verbessert wird.
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In der Schaltung wird das Ausgangssignal von dem
Mikrowellenoszillator 12 durch den Mikrowellenverstärker 42 vergrößert, um
eine ausreichende Erregung der Meßprobe S zu verursachen. Der
Energiewert wird von dem Dämpfer 40 mit variablem Widerstand
derart eingestellt, daß die Resonanzbedingung eingehalten ist. Die
eingestellte Mikrowellenenergie wird durch den Richtungskoppler
56 als Referenzsignal zugeführt, aber nur ein konstantes
Verhältnis (< 0,1) davon. Das ist der Grund dafür, daß die
symmetrische Auslöschung des reflektierten Signals an dem
Richtungskoppler 58 unabhängig von dem Einstellbetrieb der
Mikrowellenenergie ist.
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Eine Mikrowellenenergie von mehreren hundert mW ist notwendig,
um eine ausreichende Erregung der Meßprobe S zu verursachen. Der
kommerziell erhältliche und preisgünstige Gun-Oszillator 12 hat
eine zu niedrige Leistung (10 mW bis 20 mW). Ein Gun-Oszillator
12 mit einem großen Ausgang ist teuer. Die Anordnung eines
preisgünstigen monolithischen Mikrowellenverstärkers 42, wie in
Fig. 3 gezeigt ist, ermöglicht es, daß eine erwünschte
Mikrowellenleistung bzw. Mikrowellenenergie erhalten wird. Die zuvor
erwähnte Ausführung ist natürlich auch auf die Ausführungen der
anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar.
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Da Modifikationen der vorliegenden Erfindung ohne Zweifel für
einen Durchschnittsfachmann offensichtlich sind, an den sich die
Erfindung richtet, ist es ersichtlich, daß die
Ausführungsformen, die mittels Darstellungen und Erläuterungen gezeigt und
beschrieben wurden, unter keinen Umständen in einem beschränkenden
Sinne verstanden werden dürfen. Demzufolge ist es beabsichtigt,
durch die Ansprüche alle Modifikationen abzudecken, die in den
Bereich der Erfindung fallen.