阅读说明：本技术 一种微波谐振腔及使用它的电子顺磁共振探头 (Microwave resonant cavity and electron paramagnetic resonance probe using same ) 是由 苏陶 石致富 于 2019-11-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微波谐振腔及使用它的电子顺磁共振探头,微波谐振腔包括竖直设置的环形蓝宝石晶体和套设于所述环形蓝宝石晶体外部的金属套筒,所述金属套筒上水平等间隔环设有多条缝隙；电子顺磁共振探头上述微波谐振腔、与所述微波谐振腔固定连接的调谐单元、位于所述调谐单元和所述微波谐振腔之间的耦合单元,所述微波谐振腔两侧设有亥姆赫兹线圈,所述亥姆赫兹线圈由水平固定的线圈固定机构和绕制于其上的漆包线线圈组成,所述线圈固定机构采用绝缘材料制成；所述微波谐振腔和所述亥姆赫兹线圈封闭于壳体内。本发明使用了特殊的调制场耦合结构,调制场耦合能力强,使调制场转化效率有较大提高。(The invention discloses a microwave resonant cavity and an electron paramagnetic resonance probe using the same, wherein the microwave resonant cavity comprises an annular sapphire crystal which is vertically arranged and a metal sleeve which is sleeved outside the annular sapphire crystal, and a plurality of gaps are annularly arranged on the metal sleeve at equal intervals; the electronic paramagnetic resonance probe comprises a microwave resonant cavity, a tuning unit fixedly connected with the microwave resonant cavity and a coupling unit positioned between the tuning unit and the microwave resonant cavity, wherein Helmholtz coils are arranged on two sides of the microwave resonant cavity and consist of a coil fixing mechanism fixed horizontally and an enameled wire coil wound on the coil fixing mechanism, and the coil fixing mechanism is made of insulating materials; the microwave resonant cavity and the Helmholtz coil are enclosed in a shell. The invention uses a special modulation field coupling structure, has strong modulation field coupling capability and greatly improves the modulation field conversion efficiency.)

一种微波谐振腔及使用它的电子顺磁共振探头

技术领域

本发明涉及电子顺磁共振技术领域，具体是一种具有低频调制磁场耦合功能的微波谐振腔及使用它的电子顺磁共振探头。

背景技术

电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR）是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。

在电子顺磁共振实验中，谐振腔有着重要的作用。为应对不同的实验需求，谐振腔也具有不同的形式，常用的有矩形腔、圆柱腔、介质腔、裂隙腔等。现有的谐振腔存在以下问题：⑴填充因子低，填充因子的高低决定了磁场转化效率的高低，矩形腔和圆柱腔，尽管它们的Q值较高，但是在一些极低灵敏度的样品中，仍然无法探测出EPR信号；⑵品质因子低，Q值是决定EPR信号强度的重要因素之一，裂隙腔填充因子很高，但是其Q值较低，在连续波电子顺磁共振实验中很少用到此类谐振腔；⑶耦合结构功能单一，现有谐振腔注重临界耦合，往往忽略了过耦合状态下谐振腔的用途，在一些特殊应用中，如脉冲式电子顺磁共振谱仪，就可以用到过耦合情况下的低Q值谐振腔；⑷低频调制场耦合能力差，在电子顺磁共振谱仪中用到的相敏探测技术，需要将一定强度的调制磁场耦合进谐振腔内部，现有耦合结构的耦合能力较差。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种具有低频调制磁场耦合功能的微波谐振腔及使用它的电子顺磁共振探头。

本发明保护一种具有低频调制场耦合能力的微波谐振腔，包括竖直设置的环形蓝宝石晶体和套设于所述环形蓝宝石晶体外部的金属套筒，所述金属套筒上水平等间隔环设有多条缝隙。

进一步的，所述环形蓝宝石晶体尺寸为外径10mm、内径5mm、高度13mm；所述金属套筒上的缝隙开设有10条，每条高0.18mm，相邻两条缝隙间距1mm。

进一步的，所述环形蓝宝石晶体上下均通过内设台阶的特氟龙垫片限位固定，台阶尺寸与所述环形蓝宝石晶体尺寸相匹配。

本发明还保护一种使用上述微波谐振腔的电子顺磁共振探头，包括上述的微波谐振腔、与所述微波谐振腔固定连接的调谐单元、位于所述调谐单元和所述微波谐振腔之间的耦合单元，所述微波谐振腔两侧设有亥姆赫兹线圈，所述亥姆赫兹线圈由水平固定的线圈固定机构和绕制于其上的漆包线线圈组成，所述线圈固定机构采用绝缘材料制成；所述微波谐振腔和所述亥姆赫兹线圈封闭于壳体内。

进一步的，所述漆包线线圈由直径0.51mm的漆包线在所述线圈固定机构上绕制110圈制成。

进一步的，所述调谐单元采用调谐螺杆，所述耦合单元采用小孔耦合。

进一步的，所述微波谐振腔固定于波导接入板上，所述波导接入板固定所述微波谐振腔一侧竖直设有耦合孔，另一侧设有波导口；所述调谐螺杆竖直***所述波导接入板并延伸至所述波导口。

进一步的，所述壳体由波导接入板、上封板、下封板和侧封板组成，所述上封板和所述下封板上均设有用于夹持检测样品的夹具；检测时，样品竖直***所述微波谐振腔内。

本发明公开的微波谐振腔，Q值较高且填充因子较高，使用内直径较小的介质，提高填充因子，填充因子仿真达到13.15％，Q值实测达到1232；Q值可调谐，使用了经过优化的耦合结构尺寸，实现Q值范围调谐，实测Q值最低可以达到171，不仅可以用于连续波EPR实验，也可以用于脉冲式EPR实验；使用了特殊的调制场耦合结构，调制场耦合能力强，使调制场转化效率有较大提高；极大地满足了电子顺磁共振实验的要求。

附图说明

图1为微波谐振腔结构示意图；

图2为特氟龙垫片结构示意图；

图3为电子顺磁共振探头内部结构示意图；

图4为位于波导接入板上的波导口示意图；

图5为位于波导接入板上的耦合孔示意图；

图6为电子顺磁共振探头***样品状态图；

图7为电子顺磁共振探头波导输入连接图；

图8为微波磁场分布仿真图；

图9为低频调制磁场分布仿真图；

图10为实测微波谐振腔临界耦合和过耦合情况下的S11。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

实施例1

一种具有低频调制场耦合能力的微波谐振腔1，如图1所示，包括竖直设置的环形蓝宝石晶体（图1未示出）和套设于所述环形蓝宝石晶体外部的金属套筒101，所述金属套筒上水平等间隔环设有多条缝隙102。环形蓝宝石晶体尺寸优选外径10mm、内径5mm、高度13mm；缝隙优选开设10条，每条高0.18mm，相邻两条缝隙间距1mm。

所述环形蓝宝石晶体上下均通过内设台阶的特氟龙垫片103限位固定，保证环形蓝宝石晶体稳定地设置于金属套筒内部，台阶尺寸与所述环形蓝宝石晶体尺寸相匹配。特氟龙垫片结构如图2所示。特氟龙介电常数小，对谐振腔性能影响较小，安全可靠。

微波谐振腔主体采用蓝宝石介质构成，具有优异的填充因子，宽范围的Q值调谐功能，配合创新的屏蔽腔缝隙结构，使得谐振腔具有较强的低频调制磁场耦合能力。

实施例2

一种电子顺磁共振探头，如图3-5所示，包括实施例1所述的微波谐振腔1、与所述微波谐振腔固定连接的调谐单元、位于所述调谐单元和所述微波谐振腔之间的耦合单元，所述微波谐振腔两侧设有亥姆赫兹线圈4，所述亥姆赫兹线圈4由水平固定的线圈固定机构和绕制于其上的漆包线线圈组成，所述线圈固定机构采用绝缘材料制成；所述微波谐振腔1和所述亥姆赫兹线圈4封闭于壳体内。

具体的，在本实施例中，环形蓝宝石晶体尺寸为外径10mm、内径5mm、高度13mm；金属套筒尺寸为外径18mm、内径16mm、高度16mm；所述漆包线线圈优选由直径0.51mm的漆包线在所述线圈固定机构上绕制110圈制成，线圈接线部位通过热缩管密封。

所述调谐单元采用调谐螺杆2，所述耦合单元采用小孔耦合。具体的，在本实施例中，所述微波谐振腔1固定于波导接入板5上，所述波导接入板5固定所述微波谐振腔一侧竖直设有耦合孔3，另一侧设有波导口6；所述调谐螺杆2竖直***所述波导接入板5并延伸至所述波导口6。耦合孔尺寸7.9mm*1mm。

所述壳体由波导接入板5、上封板7、下封板8和侧封板9组成，所述上封板7和所述下封板8上均设有用于夹持检测样品的夹具10；检测时，样品11竖直***所述微波谐振腔内，如图6所示。下封板8上设有航空接头12，用于连接亥姆赫兹线圈与外部信号源，从而在谐振腔内部产生低频调制磁场。使用ANSOFT公司软件Maxwell仿真，当调制电流强度为100mA时，耦合进入介质中心处磁感应强度为0.98Gauss。

波导口尺寸为WR90标准波导尺寸。实际使用时，波导口6接入微波信号，如图7所示，微波信号通过同轴波导转换结构14和90°转接波导13接入波导口6，微波信号通过耦合孔3耦合进微波谐振腔1内。外界低频调制磁场通过金属套筒上的缝隙耦合进微波谐振腔1内。利用调谐螺杆进行耦合程度的调谐，调节调谐螺杆的***深度，使得微波谐振腔具有Q值调谐功能。

微波谐振腔应用于X波段电子顺磁共振谱仪中，其谐振频率9.525GHz，S11最小优于-30dB，Q值可调谐范围为171-1232，最值分别对应图10过耦合和临界耦合情况下的Q值。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。