包括多个导体回路的用于虹膜孔径的微波耦合设备的制作方法

1.本发明涉及一种耦合设备，所述耦合设备用于将来自第一微波结构，特别是来自微波波导的微波辐射通过共用壁中的虹膜开口耦合到第二微波结构，特别是微波谐振腔中，其中第一和第二微波结构共享共用壁，位于虹膜开口前面的耦合设备定位在第一微波结构的一侧上，特别地，其中耦合设备具有基本上圆柱形的形状。


背景技术：

2.这种耦合设备从us 3,896,400 a中已知。
3.电子顺磁共振(＝epr)光谱是一种强大的工具，用于研究具有顺磁矩的样本，特别是具有不成对电子的样本。在epr光谱中，样本通常在微波谐振腔内受到具有恒定频率的微波辐射，并背景磁场被扫掠。样本对微波的吸收被测量并用于表征样本，特别是关于其化学状态和分子环境。
4.为了将微波辐射引入微波谐振器，通常将其馈入微波波导，其中微波波导与微波腔共享共用壁。所述壁包括称为虹膜开口的开口，微波辐射可以通过该虹膜开口耦合进入(和离开)微波谐振器。
5.对于epr光谱实验，谐振腔的电磁损耗是重要的；电磁损耗由所谓的品质因数(或q因数)表征。品质因数取决于微波谐振腔本身，特别是其壁(“内部q因数”，贡献q
int
)，并进一步取决于虹膜开口，特别是其尺寸(贡献q
iris
)。从q
int
和q
iris
得出所谓的非耦合品质因数qu。品质因数也可以通过在波导中的虹膜开口前布置金属耦合设备来影响；以这种方式，虹膜开口附近的磁场强度可以受到影响，特别是增加，从而增加了微波波导和微波谐振腔之间的耦合(耦合系数β的贡献)。因此，所谓的加载品质因数ql可以归因于微波腔，例如比较j.gao的“analytic formulae for the coupling coefficientβbetween a waveguide and a travelling wave structure”，nuclear instruments and methods in physics researcha330(1993)，第306-309页和pac 1993，第868-870页。
6.取决于期望的epr测量的类型，期望不同的加载品质因数q
l
值。对于cw-epr(连续波epr)光谱，样本的信号与q
l
成正比，因此需要高q
l
值。相比之下，对于脉冲epr光谱，需要低q
l
值来最小化死区时间。另外，对于某些测量，期望改变耦合条件，特别是在欠耦合、临界耦合和过耦合之间。因此，epr测量系统的探针头应当具有高动态范围，以便为不同类型的epr测量优化测量条件。
7.为了改变加载品质因数，已知使用可以在虹膜开口前方的位置(以最大化靠近虹膜开口的磁场强度)和远离虹膜开口的位置(以最小化靠近虹膜开口的磁场强度)之间移动的耦合设备。实际上，在耦合设备后退的情况下，在靠近虹膜开口处可以实现几乎为零的磁场强度。相比之下，在虹膜开口附近可实现的最大磁场强度b
max
(该最大磁场强度b
max
与最大耦合系数对应)是受限的，其中耦合设备放置在靠近虹膜开口处，这进而决定了(对于给定尺寸的虹膜开口)下限q
l
和动态范围。
8.us 3,896,400描述了一种到微波腔耦合部分的同轴线，其中金属螺柱布置在介电
螺钉上。螺栓在所述部分中的位置可通过转动螺钉来调整。
9.cn 103 033 526 a描述了一种具有检测端口的圆柱形电子顺磁共振探针头，例如用于布置在患者的牙齿上。耦合和调谐单元布置在耦合孔前。为了调谐耦合常数，耦合和调谐单元包括附接到带螺纹的非金属调谐螺栓端部的金属帽。


技术实现要素：

10.本发明的目的
11.本发明的目的是提供一种耦合设备，其允许更大的耦合系数，特别是允许更大的动态范围。
12.发明简述
13.根据本发明，这个目的通过开头介绍的耦合设备实现，其特征在于：
14.耦合设备包括n个导电导体回路，其中n≥3，优选地3≤n≤20，
15.导体回路沿着z轴同轴地布置在阵列中，
16.并且轴向相邻的导体回路被电介质隔开。
17.根据本发明，耦合设备在靠近第一和第二微波结构的共用壁中的虹膜开口放置时可以使微波磁场失真。
18.与没有耦合设备(或耦合设备从虹膜开口缩回)的情况相比，以与例如全金属螺柱相比类似的方式，耦合设备可以将基本上沿着z方向延伸的磁场线从耦合设备的内部区域移动(重新分布)到耦合设备的外部，从而更靠近虹膜开口。
19.但是，此外，基本上垂直于z轴传播的微波磁场线可以穿透到在z轴方向上分开的导体环之间的耦合设备的内部。分隔导体回路的电介质不会阻挡这种“径向”微波磁场，或者至少只是在很小的程度上阻挡它。这个效应可以被用于将更多的微波磁场线重新分布到虹膜开口附近，从而增加那里的磁场强度，并因此增加由发明性耦合设备建立的耦合系数。更具体而言，靠近耦合设备的背离虹膜开口的一侧的磁场线可以使用导体回路之间的介电轴向间隙失真以形成到耦合设备的内部体积中的回路(形成链接)，从而导致在耦合设备面向虹膜开口的一侧的感应出次级回路，这有助于在那里可实现的磁场强度。与全金属螺柱或轴向钻孔螺柱相比，利用发明性耦合设备，可以在虹膜开口附近实现更高的b
max
值。
20.利用发明性耦合设备，通过放置在虹膜开口前面的耦合设备可以实现特别低的q
l
值。进而，当耦合设备在虹膜开口前面的位置(中心)和从虹膜开口缩回的位置之间切换时(实际上只有微波谐振腔/第二结构的维度和虹膜开口的维度与品质因数相关)，可以实现q
l
值的特别高的动态范围。
21.导体环沿着z方向布置在阵列中，在使用中通常与第一和第二微波结构的共用壁平行，并且通常还与虹膜开口的长轴平行。耦合设备通常具有基本圆柱形的形状，但也可以具有非圆柱形的形状，特别是具有椭圆形或矩形横截面形状(垂直于z轴)。
22.通常，耦合设备具有沿着z轴的中心空孔(其中空气或真空作为电介质)；可替代地，沿着z轴的中心区域可以填充有固体电介质。
23.导体回路通常沿着z方向等距间隔开，但也可以不等距地选择间距。回路通常是环形的，但也可以是螺旋形的或两者结合。导体回路通常由非磁性金属(诸如银或铝)制成。
24.电介质是电绝缘体，并且可以包括一种或多种塑料材料和/或一种或多种陶瓷材
料和/或气体和/或空气和/或真空。电介质可以包括不同(电介质、非金属)材料(包括空气和真空)的不同部分。
25.本发明的优选实施例
26.在发明性耦合设备的优选实施例中，导体回路和电介质被选择、定维度并布置为使得沿着z轴的微波磁场轴向传播低于截止条件，因此平行于z轴的微波磁场线不能进入耦合设备的内部容积。如果平行于z轴的微波磁场线无法进入耦合设备的内部容积，那么平行于z轴的磁场线必须集中在耦合设备的外部，因此在虹膜开口附近。这使得微波磁场线的重新分布特别高效，并且可以在虹膜开口附近实现特别高的b
max
值(因此可以获得高耦合系数)。截止条件至少应当在应使用耦合设备的微波辐射频率处得到满足。至少对于1ghz和300ghz之间的区间的微波辐射频率得到满足。
27.在另一个优选实施例中，导体回路和电介质被选择、定维度并布置为使得微波磁场在轴向相邻回路之间传播到耦合设备的内部体积中是可能的，因此可以形成围绕各个导体回路的局部微波磁场线回路以用于经由耦合设备连接第一微波结构中的微波磁场和第二微波结构中的微波磁场。局部磁场线回路对称地构建在远离虹膜开口的一侧，它们的起源可以是微波磁场在第一微波结构内部(例如，在xz平面中)圆形延伸的失真，以及在面对虹膜开口的一侧上，在那里它们在耦合设备之外的部分可以对高b
max
值起作用。因而，b
max
和耦合系数可以以这种方式增加。这个(附加)链接条件应当至少在应使用耦合设备的微波辐射频率处得到满足。至少对于1ghz和300ghz之间的区间的微波辐射频率得到满足。
28.优选实施例规定，导体回路被形成为连续螺旋导体结构的导体绕组。这实现起来相对简单，具有单个介电支撑结构和缠绕在其周围的单个螺旋线。注意的是，如果期望，那么可以构建自支撑的连续螺旋导体结构，而无需实心支撑结构。
29.在另一个优选实施例中，导体回路被形成为彼此电绝缘的闭合导体环。各自通常布置在垂直于z轴的平面中的闭合环在排出平行于z轴延伸的磁场线方面特别高效并且易于实现。
30.高度优选的是提供包括支撑结构的耦合设备的实施例，导体回路布置在该支撑结构上，其中支撑结构由电介质制成。支撑结构简化了耦合设备的操作，特别是在移动耦合设备以更改(加载)品质因数q
l
时。支撑结构可以促进导体环的电绝缘，或可以帮助避免导体绕组之间不希望的非周向轴向短路。支撑结构可以是圆柱体形状，在其外表面上具有金属涂层，特别是形成多个单独的、闭合的环。支撑结构可以是具有螺纹形凹槽(“螺纹”)的圆柱体形状，其中布置或沉积金属材料，特别是具有缠绕在介电螺钉上的金属线。支撑结构可以是单部分结构或多部分支撑结构，例如，包括将轴向堆叠的开槽金属盘分开从而形成环形导体回路的多个介电盘。
31.在这个实施例的优选的进一步发展中，耦合设备包括用于沿着z轴移动支撑结构的移动机构。以这种方式，耦合系数可以以方便的方式改变，以使微波耦合组件适应不同的应用，特别是cw-epr或脉动epr，或不同的耦合条件。利用移动机构，耦合设备可以在虹膜开口之前或远离虹膜开口移动。平移移动是优选的，因为它可以使用所有形状(椭圆形、矩形、圆形)的耦合设备，并且对于由于制造不准确而可能不精确的形状不太重要；圆形(螺旋)移动一般要求回路和介电支撑结构的非常精确的圆柱形状。
32.优选实施例规定，导体回路的阵列沿着z轴具有长度l，该阵列在垂直于z轴的平面
中具有最大外直径mod，并且0.5≤l/mod≤10。在这个范围内的形状可以实现高耦合系数，并且可以容易地实现径向进入的微波磁场线的接入。
33.特别优选的实施例规定，导体回路的阵列沿着z轴具有长度l，每个导体回路在垂直于z轴的平面中具有最小内直径mid，并且l》2*mid。这在高效实现耦合设备中的截止(消逝)条件方面是有用的，从而迫使磁场线以集中的方式从耦合设备的内部转移(重新分布)到其外部，因此在虹膜开口附近实现高耦合系数或b
max
。
34.进一步优选的是其中导体回路由具有局部轴向延伸h
ring
≥3*δ的导体条制成的实施例，其中δ：微波辐射的趋肤深度。这在提供足够的微波磁场穿透(直到实现高消逝场衰减)穿过导体环的体积进入耦合设备并因此加强截止行为方面是有用的，特别是在金属环作为导体回路的情况下。趋肤深度条件至少应当在应使用耦合设备的微波辐射频率下得到满足。至少对于1ghz和300ghz之间的区间中的微波辐射频率得到满足。通常，导体条(一块导体材料)在其整个周边(在垂直于其局部发展方向的横截面中)连续导电。
35.进一步优选的是实施例，其特征在于选择分隔相邻导体回路的电介质的局部轴向延伸h
diel
，使得h
diel
≥rw
ring
/(3*ε
diel
)，其中导体回路由具有局部径向宽度rw
ring
的导体条制成，并且电介质具有相对介电常数ε
diel
。这建立了微波磁场到导体回路之间的耦合设备中的高效径向传播。相对介电常数ε
diel
在导体回路之间被轴向测量。注意的是，h
diel
通常至少为100μm，并且常常至少为500μm。
36.也在本发明的范围内的是一种微波耦合组件，包括
[0037]-第一种微波结构，特别是微波波导，
[0038]-第二微波结构，特别是微波谐振腔，其中第一和第二微波结构共享共用壁，
[0039]-所述共用壁中的虹膜开口，连接第一微波结构和第二微波结构，
[0040]-以及如上面所公开的发明性耦合设备，其定位在虹膜开口前面的第一微波结构中。利用微波耦合组件，可以实现高(最大)耦合系数(与低q
l
值对应)和可能的q
l
值的大动态范围。耦合设备应当放置在距第一微波结构壁的最优且足够的距离处，至少以确保电绝缘。通常，虹膜开口和耦合设备之间的距离在0.1mm和2mm之间的范围内(x方向)，优选地在0.2mm和0.5mm之间。对于这个范围，可以获得两倍于现有技术的耦合效率。但是，制造公差在这里可能是限制因素。虹膜开口通常沿着长轴具有最长直径，该长轴平行于z轴定向。虹膜开口通常为矩形或椭圆形。
[0041]
在发明性微波耦合组件的优选实施例中，导体回路阵列沿着z轴具有长度l，并且虹膜开口沿着z轴具有延伸ild，0.2*ild≤l≤2*ild。以这种方式，可以实现高最大耦合效率。
[0042]
在另一个优选实施例中，微波耦合组件包括用于在第一微波结构内沿着z轴移动耦合设备的移动设备，特别地，其中移动机构包括螺钉或引导构件。利用移动设备，可以方便地改变耦合设备相对于虹膜开口的位置，以便适应不同的应用，诸如适应cw-epr和脉冲epr，或不同的耦合条件。移动机构可以是机动的。借助于移动设备，可以分别在虹膜开口中心的第一位置与完全缩回(不与虹膜开口重叠)的第二位置之间移动耦合设备或其导体回路的阵列。
[0043]
进一步在本发明的范围内的是用于电子顺磁谐振(＝epr)测量系统的探针头，包括如上所述的发明性微波耦合组件，其中第二微波结构是包括至少一个用于epr样本和样
本保持器的开口的微波谐振腔，并且其中第一结构是微波波导。这个探针头可以被用于实现极低或极高的q
l
值，同时对于所选择的虹膜维度允许q
l
值的大动态范围。
[0044]
最后，同样在本发明的范围内的是在epr测量中使用如上所述的发明性探针头，
[0045]
其中epr样本布置在微波谐振腔中的样本保持器上，
[0046]
其中微波辐射被馈入微波波导并通过耦合设备辅助经由虹膜开口耦合到微波谐振腔中，
[0047]
其中虹膜开口前面的微波辐射的磁场线平行于z轴，
[0048]
其中沿着z轴的微波磁场轴向传播低于耦合设备的截止条件，因此平行于z轴的微波磁场线不进入耦合设备的内部容积，
[0049]
并且其中轴向相邻回路之间的微波磁场到耦合设备的内部体积中的传播发生，因此形成围绕各个导体回路的局部微波磁场线回路并且经由耦合设备将第一微波结构中的微波磁场与第二微波结构中的微波磁场连接起来。对于这种使用，可以实现特别高的耦合系数，特别是对于脉冲epr。一般而言，为了高效的链接，期望使轴向相邻环之间到耦合设备的内部容积中的微波磁场传播最大化。选择具有1ghz和300ghz之间(恒定)频率的微波辐射。注意的是，微波谐振腔置于静态磁场中，在静态磁场在测量点之间进行扫掠，并且测量样本对每个测量点(磁场点)的(谐振)微波吸收。波导中的微波主要传播垂直于z轴。优选的是矩形波导中的te10传播模式。
[0050]
可以从描述和附图中提取进一步的优点。上面和下面提到的特征可以根据本发明或者单独或者以任何组合共同使用。所提及的实施例不应被理解为穷举列举，而是具有用于描述本发明的示例性特点。
附图说明
[0051]
本发明示于附图中。
[0052]
图1示出了具有波导和微波腔以及没有耦合设备的虹膜开口的现有技术耦合组件的示意性横截面；
[0053]
图2示出了具有波导和微波腔以及带有常规耦合设备的虹膜开口的现有技术耦合组件的示意性横截面；
[0054]
图3示出了发明性耦合设备的示意性侧视图，其中多个导体回路被形成为闭合导体环；
[0055]
图4示出了发明性耦合设备的示意性侧视图，其中多个导体回路被形成为螺线管的导体绕组；
[0056]
图5示出了根据本发明的示例性耦合组件的示意性横截面，其具有波导、微波腔和虹膜开口以及具有四个导体回路的发明性耦合设备；
[0057]
图6示出了根据本发明的具有多个闭合导体环的耦合设备的示意性分解图；
[0058]
图7示出了根据本发明的具有螺旋导体结构的耦合设备的示意性分解图；
[0059]
图8示出了与现有技术相比，根据本发明的耦合设备可实现的q
l
动态范围的示意图，其中a)扩展了高q
l
范围，和b)扩展了低q
l
范围；
[0060]
图9示出了用于本发明的epr测量系统的示意图。
具体实施方式
[0061]
1.概述
[0062]
本发明描述了一种新类型微波耦合设备，适于波导中的末端发射虹膜类型孔径，其在虹膜附近提供明显更多的磁场通量，从而增加耦合动力学。该性能是通过同时实现通过传统方法获得的相同水平的场通量聚焦(密度)来实现的，但通过在虹膜孔径附近引入更多以前未使用的磁场通量贡献的新方式来完成。优选实施例涉及用与介电盘的堆叠交错的金属环的堆叠代替现有技术的金属环、球、盘或螺钉，从而提供在te10传播方向上的传播机制，即，通过环的堆叠以及垂直于环的轴。这个功能是通过允许堆叠中的每个金属环与来自波导的更多入射通量线链接来实现的。这种在现有技术中不可能建立的链接通过所述金属环的堆叠进一步传递到虹膜孔径，因此提高了整体耦合强度。
[0063]
2.介绍
[0064]
本发明要解决的问题可以简单地描述为增加两个分离的微波区域(微波结构)之间的虹膜类型连接孔径(虹膜开口)的耦合强度。一般而言，这通常可能只是意味着增加通过虹膜开口的电磁通量链接。但是，为了实现epr光谱中使用的微波耦合设备的目的和功能，在本公开中，我们还必须包括耦合动态能力的分析。
[0065]
为了本公开中所有部分的解释性目的，我们可以考虑微波功率必须从馈电金属波导(第一微波结构)传输到微波谐振腔(第二微波结构)中的特定情况。本领域技术人员可以容易地认识到，这种特定的示例情况的选择并没有失去问题的一般性，并且对这种新耦合设备的解决方案可以容易地应用于其它类似的问题，诸如微波功率经由末端发射虹膜开口从所述馈电波导到另一个波导的传送，或微带或同轴传输线。
[0066]
为简单起见，让我们假设谐振微波腔被认为是由金属壁封住的。让我们进一步假设腔的内部q因数(此处称为q
int
)不是参数，因此如果需要，所有内部q因数值都是可能的。
[0067]
让我们进一步假设这个腔通过虹膜孔径(虹膜开口)连接到馈送波导，其本质上可以被描述为腔的金属壁中的固定尺寸的物理开口孔(参见图1)。虹膜孔径孔口一般是矩形(或椭圆形)并沿着z轴对准。
[0068]
在图1中示出了用于波导2和微波谐振腔1之间的微波耦合的虹膜开口5(孔径)内部和附近的b场链接6(耦合)。波导2中的微波b场线3和微波腔1中的微波b场线4被示为虚线。x表示波导中微波场传播的方向，并且z是虹膜开口5的长维度的方向。为了良好的耦合，虹膜开口5的长维度与孔径附近的微波b场3和4的方向相同。
[0069]
出于带宽目的，虹膜开口的维度在z轴方向上必须足够短，以定义开口内的下截止(消逝)x轴传播。出于低损耗的目的，它必须在x轴上足够短以具有低消逝衰减。
[0070]
虹膜开口可以具有典型的维度、几何形状和位置。在此，应当通过现有技术方法选择这些参数，以提供穿过孔径的磁通量与腔的给定操作微波谐振模式的磁通量线之间的理论上的最大耦合(链接)。应当容易地认识到的是，虹膜开口会干扰腔壁的表面上的电流线，这相当于微波谐振模式的扰动，而这进而会与一定的微波能量损失相关联。例如，容易将其理解为在绕过虹膜开口的新迹线上调整电流线所需的工作贡献，但注意的是，也可以存在对这种微波损耗机构的其它贡献(本质上表征谐振模式的所有表面电流线都将因虹膜孔的存在而受到干扰，从而降低腔中的整体模式对称性，从而增加损耗)。
[0071]
为了更好地研究这个方面，我们必须保持q
int
的定义不变，并且定义新的可测量
(间接)量，该量描述与腔内虹膜开口带来的扰动相关的品质因数(在此称为q
iris
)。
[0072]
如果我们假设，在不破坏以下分析的一般性的情况下，我们将虹膜开口几何形状限制为相当薄的矩形孔径(即，用于将微波传输设备(波导)与腔连接的最优孔径形状)，那么我们可以提出以下近似值，根据我们的经验，这是有效的：
[0073][0074]
其中a
iris
是虹膜开口的面积并且a
res
是腔金属壁的总面积。
[0075]
来自腔(q
int
)和来自其虹膜开口(q
iris
)的电磁损耗的这两个贡献一起允许我们以合适的形式定义腔的卸载品质因数(在此称为qu)：
[0076][0077]
对于典型的epr光谱应用，要求在设计中使用微波耦合设备，诸如以提供可变耦合，即，通过公式修改加载品质因数(在此称为q
l
)：
[0078][0079]
其中β是耦合系数。例如，当腔参数改变时，需要这个要求，以使epr腔在所有情况下进行临界耦合：插入或改变各种腔调谐插件、插入rf线圈、插入和测量各种epr探针样本(这可能或多或少有损)等。
[0080]
高灵敏度epr光谱测量中使用的腔的典型设计要求是能够连续改变q
l
值，至少在15000到750或更小的范围内。q
l
变化范围(在此称为“耦合动态”，并且在本例中为20：1)反映耦合系数β的动态。更准确地说，耦合动态是可能临界耦合到微波腔的q
l
范围(或其上限与下限的比率)。
[0081]
在教科书和学术科学工作中，耦合系数β被示为取决于一个主要参数：虹膜开口区域处的磁场通量(用于链接目的)的表面积分。在实践中，这可以进一步分为两个参数：虹膜开口处的磁通密度(b，si单位为t)和虹膜开口的面积(a
iris
)。第一个参数(通量密度)通常是可变参数，其可以在实验设置期间借助于滑动微波设备(在此称为“微波耦合设备”)进行修改。后一个参数(孔径面积)具有固定的机械值并且只需简单调整(通常在设计和生产期间，即，被永久设置)即可达到q
l
的下边界设计要求。但是，如前所述，更大的虹膜开口面积也会降低q
iris
，这进而会通过限制对于qu可获得的最大值而产生负面影响。以下等式对于完成我们对微波耦合动力学的分析是有用的：
[0082]
β～1 b
·airis
[0083]
其中虹膜开口处的场通量密度b在设备操作期间是可变参数并且取从0到因此通过微波设计由“微波耦合设备”确定的值b
max
的值。
[0084]
总之，在适当地重新布置上述所有等式后：
[0085][0086]
告诉本发明要解决的根本问题(即，耦合动态范围的增加)仅取决于两个设计参数：a
iris
(要最小化，以在耦合设备缩回的情况下实现大的q
l
和qu值)和b
max
(要最大化，以在
使用耦合设备时实现小的q
l
值)。保持a
iris
固定但增加耦合动态，或保持耦合动态固定但经由降低a
iris
增加q
l
上限必然意味着此类改进所需的关键谐振器技术要求是获得用于虹膜开口处的高b
max
的新设计解决方案。
[0087]
3.现有技术
[0088]
在现有技术中，对将来自馈送矩形波导的微波能量通过虹膜开口(金属壁中的开口，其将波导与腔分开)耦合到驻波、慢波或行波类型的腔中的问题进行了广泛而深入的研究。微波耦合是微波工程中的基本问题之一，其解决方案的结果对产品的整体性能具有深刻而强烈的影响。
[0089]
用于微波耦合问题的一大类解决方案是基于波导和腔体之间金属壁中的虹膜开口。注意的是，对于波导和腔，它们的行为取决于它们的激发模式。
[0090]
为了确定虹膜开口的设计细节，值得一提的结果之一是确定虹膜开口在波导和腔两者中的理想位置，以及其理想的形状和几何参数，与波导中使用的微波传输模式并与腔中使用的谐振模式相关(比较j.gao，“analytic formulae for the coupling coefficientβbetween a waveguide and a travelling wave structure”，nuclear instruments and methods in physics research a330(1993)，第306-309页和pac 1993，第868-870页)。在本发明中，这个方面不被视为参数，并且假设任何解决方案都将以科学正确和工程优化的方式处理虹膜形状和放置问题。
[0091]
在本发明中，关注另一个关键方面：增加虹膜开口处的通量密度b。先前的学术工作示出这个参数的值与匹配电路的功能相关，因此与提供欠耦合、临界耦合和过耦合的能力相关。
[0092]
经典的现有技术解决方案是在波导区域中的虹膜开口前面使用微波耦合设备(全金属圆柱体、杆、球或螺钉)，其作用是将磁场线(增加通量密度b)聚焦到虹膜上，从而增加耦合强度(参见图2)。
[0093]
这个解决方案的专用于若干特定应用(例如，epr光谱)的子变体增加了对可变微波耦合的功能要求，因此增加了在大范围负载下匹配腔体的可能性。需求中引入了新参数“耦合动态”，并且微波设计试图实现它并对其进行改进。
[0094]
在现有技术中，最佳可用的技术解决方案之一是金属圆柱形状的微波耦合设备，其放置在虹膜开口的前面并且可在z方向上移动。可变耦合功能是通过沿着波导横截面的长轴平移耦合圆柱体设备来实现的，该波导横截面按标准te10模式工作。常规的耦合设备7与磁通密度b-场线3一起在图2中示出以描述用于获得可变耦合的物理机构。微波耦合设备7是宽带类型的(即，围绕腔的工作频率非谐振的、非调谐的)。在其完全突出的位置(中心，完全位于虹膜开口5前面，图2中所示)，微波耦合设备7将虹膜开口处的通量密度增加到b
max
值。在其完全缩回位置(图2中未示出，例如，耦合设备7沿着-z方向移动到波导2的底部或甚至离开波导2)，虹膜开口处的通量密度被设置接近0值(即，在欠耦合模式下)。
[0095]
图2示意性地图示了波导2和微波腔1之间使用圆柱形金属耦合设备7经由虹膜开口5的耦合，该耦合设备或者由全金属制成或者具有在截止条件下满足实现可变耦合的内孔。耦合设备7可以在波导2内部和虹膜开口5前面沿着z轴滑动以实现可变耦合。其中心位置与最大耦合系数对应，而完全提取的耦合设备表示获得最小耦合系数。
[0096]
这个图2特别示出了耦合设备7和磁通密度b线3以描述其在使用te10传播模式的
矩形波导2中的聚焦效应的物理机构。b场线3可以根据它们的耦合或非耦合成分(comportment)来区分：
[0097]
3a指示波导2中的微波b线最初在虹膜开口5附近通过并且没有被耦合设备7干扰。
[0098]
3b'指示在插入耦合设备7之前波导2中的微波b线。
[0099]
3b”指示波导2中的微波b线3b'，其现在由于插入耦合设备7而受到干扰(它们不能通过耦合设备7的内部，因为它处于截止条件下)：现在这些线被迫通过，因为聚焦在虹膜开口5和耦合设备7之间，因此现在对于链接6更高效。
[0100]
3c'指示波导2中的微波b线最初远离虹膜开口5通过。
[0101]
3c”指示波导2中的微波b线3c'，其现在也被耦合设备7干扰。但与微波b线3b”相反，这些场线3c”不能在虹膜开口5和耦合设备7之间聚焦，因此现在对链接6的贡献甚至更小。这是根据图2的现有技术耦合设备7的主要缺点。
[0102]
如果图2中的耦合圆柱体更靠近虹膜开口5放置，那么可以实现耦合系数的进一步增加。例如在epr设备中，耦合圆柱体之间的距离小于0.5mm，这意味着如果要减小这个距离，那么必须提供更高的制造精度，因为距离的变化对微波耦合具有非常强的影响。更高的制造精度当然意味着更高的价格。
[0103]
可替代地，将有可能增加耦合圆柱体7的外直径。这也会增加耦合系数。但是，这两种措施都存在困难，因为部件的空间需求已经优化到人们会遇到制造公差的过大变化的这种程度。
[0104]
因此，期望在保持现有技术的维度的同时可以增加耦合系数。
[0105]
以下现有技术文献使用如图2所示的耦合设备：
[0106]
us3896400公开了一种在同轴线和epr微波腔之间具有可变微波耦合器的epr谐振器。耦合元件包括螺钉和金属螺柱。为了控制耦合到谐振腔的微波能量的量，通向谐振腔的部分中的螺柱长度是可调的。
[0107]
cn103033526涉及具有矩形形状和圆柱形微波腔的圆柱形电子顺磁谐振探针头。耦合和调谐单元包括用于调整耦合强度的耦合螺栓。调谐螺栓包括在耦合螺栓顶部提供的金属帽。
[0108]
与其它类型的微波耦合设备(滑动金属盘、球体和螺钉)相比，这种滑动金属圆柱体解决方案的效率要高得多，并且在过去30年中一直保持不变。对于x波段腔，它通常可以实现从q
l
＝15000顶部边界到q
l
＝800底部边界的耦合动态。
[0109]
4.关于动态范围的重要性
[0110]
但是，许多微波应用(可能不仅仅是epr光谱)将受益于在虹膜开口处获得b
max
值的增加。
[0111]
对于cw-epr光谱，信号与腔的q
l
成比例，因此较高的上限值会增加s/n和测量灵敏度。但是，q
l
的下限应当保持在700左右。现有技术解决方案(全金属圆柱体、杆、球体或螺钉作为滑动耦合设备)无法满足这种对增加耦合动力学的需求。
[0112]
对于脉冲epr光谱，自旋回波信号按时间指数衰减，因此需要减小q
l
下限以最小化微波脉冲后的振铃时间，从而最小化无法测量信号时仪器的死区时间。但是，q
l
上限仍当应保持在高值，例如15000左右，因为通常需要将脉冲-epr腔作为cw-脉冲组合进行测量，并强调和优化脉冲行为。但是这里也存在对耦合动态增加的需求，并且现有技术解决方案(全金
属圆柱体、杆、球体或螺钉在滑动耦合设备中的作用)也无法满足。
[0113]
当耦合设备恰好放置在虹膜开口的前面时，实现最大b
max
。耦合设备的体积内的通量密度被设计为消逝的(即，在圆柱轴上传播的截止条件下，如果耦合设备是环形的)或为零(如果耦合设备被设计为完全充满金属)。从耦合设备的内部容积排斥的磁通量然后将被移位到波导端壁(虹膜开口)和耦合设备的外圆柱表面之间的区域，因此增加虹膜开口处的通量密度b
max
。
[0114]
重新开始，本发明的目的是提供一种耦合设备，特别是在epr光谱仪中，用于通过孔口将mw功率耦合到具有增加的b
max
的epr谐振器中，并提供具有更大动态范围的耦合设备。
[0115]
5.发明性耦合设备的概念
[0116]
本发明的重点是一种微波耦合设备，它基于中空(轴向钻孔的)金属圆柱体的大体形式，但其特征还在于平行的导体回路的集合(属于相应回路的材料片，在此也称为“条”)，基本上垂直于所述圆柱体轴z，并沿着z轴排列。
[0117]
回路的集合可以将圆柱体划分为基本上平行的金属(导电)环形导体环的堆叠集合；换句话说，(轴向钻孔的)金属圆柱体包括多个贯穿切口，这相当于直接排列穿孔盘。可替代地，回路的集合可以包括螺线管的多个绕组，具有相同的效果；换句话说，(轴向钻孔的)金属圆柱体包括螺旋切口，这相当于直接以螺线管方式缠绕导线。
[0118]
导电回路的内部容积和它们之间的间距应当用电介质填充。电介质(或电介质的某个部分)可以作为每个金属回路(环或绕组)的机械支撑(如果电介质或部分是实心的)，但也提供设备的基本微波功能，即，它不具有现有技术圆柱体(其在z方向上是连续的，因此排除了任何垂直于z方向传播到耦合设备的内部容积中的磁场)的不便之处，即，电介质允许横向微波场渗透到内部容积中从而产生附加的耦合。
[0119]
单独的环形回路(条)需要支撑结构，诸如由介电材料组成的杆。图3以侧视图示意性地示出了第一类型的示例性发明性耦合设备12，其中由介电(不导电)材料制成的棒状支撑结构20在其外侧承载多个导体回路21，这里形成为导体环8。每个导体环8为环形闭合形状。回路21可以被制造为例如支撑结构20上的涂层(金属化表面)。回路21沿着z轴依次布置，并且沿着z轴彼此间隔开。支撑结构20通常由塑料材料制成，并且导体环21通常由金属材料(诸如ag或al)制成。
[0120]
为了沿着z轴移动耦合设备12，支撑结构20可以配备有外螺纹28(使得支撑结构20变成“螺钉”)，其中外螺纹28被拧入保持器结构27(用虚线指示)的内螺纹，并且例如通过马达29转动支撑结构20将引起支撑结构20相对于保持器结构27的z移动。如果保持器结构27属于耦合设备12，那么保持器结构27和螺纹28可以被认为是耦合设备12的移动机构35。与支撑结构20的所述外螺纹28协作的保持器结构27和马达29一起可以被认为是用于耦合设备12的移动设备30。
[0121]
在替代实施例(未示出)中，耦合设备可以通过纯平移移动在z方向上移动。为此目的，耦合设备例如可以配备有滑动槽。平移移动的主要优点是圆周中环的制造公差不太重要。
[0122]
螺线管结构的金属回路(条)或线可以自支撑；在这个变体中，如果需要，可以部分或完全地将电介质选择为空气。图4以侧视图示意性地示出了第二类型的示例性发明性耦
合设备12，其中螺纹状支撑结构20在其外侧带有螺纹22。金属线26a围绕支撑结构20缠绕，从而形成具有多个绕组23的连续螺旋结构26，每个绕组围绕支撑结构20。每个绕组23表示导体设备12的导体回路21。
[0123]
图5举例图示了发明性微波耦合组件25，包括第一微波结构2a，这里是微波波导2，还有第二微波结构1a，这里是微波谐振腔1，以及布置在第一和第二微波结构2a、1a之间并且基本上垂直于x方向朝向的共用壁24。这里应当注意的是，共用壁24可以包括在x方向上顺序布置的第一和第二微波结构2a、1a的两个部分壁，如这里所示。共用壁24包括虹膜开口5，用于耦合第一和第二微波结构2a、1a中的磁场；其沿着z方向的维度为ild，即，虹膜开口5的最长延伸部分。在第一微波结构2a内，布置有发明性耦合设备12，这里包括被形成为闭合环8的四个单独的导体回路21，其沿着z轴堆叠，并且径向地涵盖其轴向端之间的内部容积34(或轴向“孔”)。耦合设备12在此居中放置在虹膜开口5的前面，用于最大化虹膜开口5附近的磁通密度(或磁场强度)，从而使波导2和腔1之间的耦合最大化。耦合设备12可以被移动设备(未示出)在z方向上移动，并且特别地可以从虹膜开口5撤回(脱离重叠)以最小化波导2和腔1之间的耦合。腔1可以包含承载要通过epr光谱研究的样本32的样本保持器31；样本32可以经由进入口36插入到腔1中。耦合组件25然后可以被用作探针头33，用于对所述样本32进行epr测量。
[0124]
图5中示例性示出的耦合设备12由金属环8制成。每个环都有内孔，该内孔满足在z轴上传播的截止条件，即，磁场线不沿着z方向进入内孔。环8的堆叠将满足相同的条件。发明性耦合设备12(或环8的堆叠)可以在波导2内部和虹膜开口5前面沿着z轴滑动以实现可变耦合。所示的中心位置与最大耦合系数对应，而完全提取的耦合设备12表示最小耦合系数。
[0125]
环8或其对应的条应当被设计为使得b场沿着z轴(细长耦合设备的z轴)在环形条布置在其上的圆柱体内部(例如，部分或完全由支撑结构形成，在图5中未示出)的轴向传播是被禁止的，即，传播在截止以下；因此微波辐射不会以轴向方式穿透到耦合设备12的内部空间(内部容积34)中。换句话说，环的堆叠的容积排除了被通过轴向穿透来自波导的微波能量填充。
[0126]
参考图5，微波b线3a和3b”与图2的情况相比保持不变，两者都被类似于现有技术的新耦合设备12聚焦到虹膜开口5附近，从而有助于链接6。
[0127]
圆柱形金属环8与z轴同轴(平行)布置(可替代地可以使用螺线管沿着z轴的绕组/匝)。借助于所述环8，可以实现不同的耦合。微波b线9表示前3c”微波b线的新失真形状：现在它们经由附加的链接10(其形成局部微波磁场线回路10a)渗透到每个环8内部，并进一步经由次级链接11有助于链接6，因此有助于增加到谐振器中的场的主链接6。即，每个环8的b场链接11通过从相应的附加链接10传送能量而有助于链接6。这导致与现有技术相比显著增加的耦合或增加的b
max
。
[0128]
新耦合设备12由环8的堆叠制成或作为沿着z轴的螺线管制成，其中每个绕组/匝23与环8对应。在所有情况下，轴芯(或孔)保持没有导电材料，并且相邻导体回路之间的轴向空间保持没有导体材料。
[0129]
截止条件被定义为使得b场线不在耦合设备的回路/环/绕组的堆叠内部轴向传播。对于欠截止条件，微波场线应当衰减(消逝)。截止条件及其可测量的效果是本领域技术
人员已知的并且通常与诸如环的尺寸、内直径、频率、长度或厚度、所用材料及其电导率之类的参数相关。
[0130]
轴向传播在此意味着微波辐射的b场线平行于z轴并位于堆叠/回路/环/绕组的内(圆柱形)表面内。在截止条件下不会发生轴向传播。
[0131]
图9示出了用于本发明的电子顺磁谐振(＝epr)测量系统48。微波源41向微波桥41提供微波辐射，并且循环器42将微波辐射引导到微波波导2(第一微波结构2a)中。在微波波导2的端部，发明性耦合设备12定位在通向微波谐振腔1(第二微波结构1a)的虹膜开口5的前面。在微波谐振腔1内，放置有样本32。微波波导2、耦合设备12和微波谐振腔1基本上形成epr测量系统48的epr探针头。
[0132]
微波谐振腔1布置在一对调制线圈43和一对在此盘形的主磁体线圈44之间，用于提供其中布置样本32的静态磁场。
[0133]
已被样本32特征吸收的微波辐射通过微波波导2传播回到循环器42并被引导到微波检测器45。微波检测器45连接到放大器46，放大器46进而连接到充当控制和评估设备的计算机47。放大器46也连接到调制线圈43和主磁体线圈44，用于控制目的。
[0134]
图6示出了根据本发明的耦合设备12的尺寸。设备12由以下几何参数定义：
[0135]
l定义设备(或堆栈)12的长度，而l＝n*h
ring
(n-1)*h
diel
，其中
[0136]hring
：金属导体回路21(此处为环8，或绕组)的条(材料块)的高度，
[0137]hdiel
：布置在金属导体回路/环/绕组之间的电介质(特别是电介质分隔离13)的高度，
[0138]
n：金属导体回路/环/绕组的数量，
[0139]rin
和r
out
：金属导体回路/环/绕组的内和外半径；注意的是，在图6的示例中，r
in
和r
out
也由堆栈12和介电分隔离13共享。注意的是，在此，r
in
也是回路21的最小内温度mid，而r
out
也是回路21的最大外维度，并且差r
out-r
in
＝rw
ring
是回路/环/绕组的径向宽度。
[0140]
设备12进一步由以下电磁参数定义：
[0141]
σ：导体回路/环/绕组的金属电导率；
[0142]
δ：导体回路/环/绕组的微波趋肤深度，
[0143]
ε
diel
：在回路/环/绕组之间轴向布置的电介质的相对介电常数；注意的是，电介质可以包括周围环境/空气和/或保持器/支撑结构(如果有)；注意的是，这些参数通常由整个耦合设备/堆栈12和每个金属导体回路21/环8/绕组共享。
[0144]
电介质分隔器13可以具有比周围环境和保持器(ε
sur
)更高的介电常数(ε
sep
，与ε
diel
对应)：因此ε
sep
≥ε
sur
。
[0145]
设备/整个堆叠12由参数l、r
in
和r
out
定义。
[0146]
回路/金属环8由参数h
ring
、r
in
和r
out
定义。
[0147]
介电分隔器13由参数h
diel
、r
in
和r
out
定义。
[0148]
通常，l》3*2*r
in
为圆柱形堆叠内部的b线3b”提供沿着z轴的截止条件。
[0149]
对于h
ring
》3*δ，这种关系一般足以描述任何频率下的良好导体(δ取决于频率和材料参数)，因此在需要时强制执行欠截止或过截止条件下的一致且高效的行为。
[0150]
对于h
diel
》()r
out-r
in
)/(3*ε
diel
)，应该选择这个关系以提供足够大的bz分量通过金属环8的相邻集合之间的介电分隔器13的欠截止径向传播，以便实现环8与b线3c”的显著
链接。
[0151]
共用参数l、r
in
、r
out
和σ至少提供与上面图2的现有技术耦合设备7相同的微波设计和功能。这意味着保持沿着z的相同的欠截止微波传播将必然为b场线3a和3b”提供完全相同的失真。因此，耦合设备的维度及其与虹膜开口的距离与现有技术的耦合圆柱体7(参见图2)保持相同，这在制造中不要求更高的精度。但是，对于根据本发明的耦合设备12，耦合系数大大增加。
[0152]
在优选实施例中，金属导体回路/环/绕组或它们的条之间的间距h
diel
分别应当足够大以提供在过截止条件下的操作是可能的(例如，范围从10μm-2mm；对于10ghz：0.5mm；对于263ghz：20μm)。
[0153]
回路/环/绕组的径向延伸rw
ring
(其中rw
ring
＝r
out-r
in
)应当足够小，使得它们响应于避免由于上面公开的截止条件引起的过大衰减。优选地，rw
ring
应当服从rw
ring
≤h
diel
*3*ε
diel
。
[0154]
下面的图7示出了发明性耦合设备12的示例性实施例，其使用金属螺线管15(连续螺旋结构26)，该金属螺线管15包括多个绕组23作为导体回路21，代替分离的环的堆叠。这个实施例满足相同的要求，即，维持螺线管15内部的截止条件并且特殊链接10和11有助于耦合微波b线3c”，因此次级链接10和11以与图5所示相同的方式工作。
[0155]
耦合设备12的这个实施例基于螺线管布置，由几何参数(l、r
in
、r
out
、h
ring
、h
diel
)和材料(σ、ε、ε
diel
，并且如果适用，区分ε
sur
与ε
sep
)来描述。螺旋结构26(金属螺线管15)由材料(σ、δ)、由线的形状、由横截面(h
ring
)以及由绕组参数r
in
、r
out
和h
diel
描述。电介质支撑和绕组分隔器16(如果有的话)由几何参数(h
diel
、r
in
)和材料参数(ε
sep
)描述。根据上面图6的参数的定义以相同的方式应用。
[0156]
6.本发明对动态范围的应用
[0157]
在优选实施例中，耦合设备应当在z方向上是可移动的，使得可以修改虹膜前面的b通量密度，特别是为了能够提供欠耦合、临界耦合和过耦合。例如，介电支撑结构可以带有螺纹以便沿着z轴可移动。修改虹膜前面的通量密度以及耦合设备的更高b
max
的可能性导致谐振器的更高动态范围。
[0158]
为了举例说明要解决的任务，在图8中示出了本发明中的技术方案如何适用于高灵敏度epr腔的两个典型设计要求：
[0159]
用于低损耗epr样本的改进情况1：期望将q
l
上限增加到15000以上(更高的q
l
意味着更高的epr信号，因此低损耗epr样本的灵敏度更高)，但q
l
下限应当保持在700：
[0160]
现有技术解决方案：从耦合动态为20:1(q
l
从15000至700)的系统开始，如果需要将q
l
＝30000的上限提高两倍，那么必须将其虹膜孔径a
iris
减小一半。耦合动态保持在20:1或更低，于是不再满足q_l＝700下限要求。
[0161]
发明性解决方案：如果用于耦合设备的新设计实现了b
max
的两倍提高，那么可以同时将a
iris
减小一半并保持下限。根据需要，新耦合动态为40:1(30000至700)(与底部示出的图8的部分a)比较)。
[0162]
用于有损epr样本(较小的q
int
也称为较低灵敏度等级系统)或epr脉冲探针头或rs epr探针头等的改进情况2：期望将q
l
下限减小为350，但应当将q
l
上限保持在15000：
[0163]
现有技术解决方案：从耦合动态为20:1(q
l
从15000至700)的系统开始，如果需要q
l
＝350的两倍小下限，那么必须将虹膜孔径a
iris
增加两倍。耦合动态保持在20:1或更低，那么不再满足q
l
＝15000的上限要求。
[0164]
发明性解决方案：如果用于耦合设备的新设计实现了b
max
的两倍提高，那么只需保持a
iris
不变。根据需要，新耦合动态为40:1(q
l
从15000下降之350)(与底部示出的图8的部分b)比较)。
[0165]
7.本发明的其它方面
[0166]
回路(环，或在螺线管的情况下为绕组)的数量应当至少为3个，并且常常至少使用4个回路。优选地，环或绕组的数量应当从3至20，从而保持耦合变化的平滑性(连续性)。
[0167]
一般而言，回路之间的轴向间距被相等地选择，但它们也可以不相等。一般而言，耦合设备被选择为具有圆柱形形状(垂直于z轴的横截面为圆形)，但非圆柱形设备形状也是可能的，例如椭圆形或甚至矩形。
[0168]
为了简化制造，可以采取以下步骤：
[0169]-为了制造带有螺线管条的耦合设备，有可能用导电材料(例如，用缠绕在电介质螺钉上的导线)填充螺纹电介质(电介质支撑结构)的凹槽。
[0170]-为了制造带有环形回路(导体环/带)的耦合设备，有可能在介电体上施加金属涂层。例如，具有金属化径向外表面的介电环可以与非金属化介电环交替堆叠。金属化的轴向延伸与金属环对应。另外，金属环(开槽盘)可以在一个(或两个)轴向端面上涂覆有介电材料，介电涂层的轴向延伸实际上与介电分隔器或切口对应。
[0171]
附图标记列表
[0172]
1微波谐振腔
[0173]
1a第二微波结构
[0174]
2微波波导
[0175]
2a第一微波结构
[0176]
3磁场线(在波导中)
[0177]
3a不受耦合设备影响的磁场线
[0178]
3b'没有耦合设备造成的失真的磁场线
[0179]
3b”在截止条件下由耦合设备朝着虹膜开口失真的磁场线(以前称为3b')
[0180]
3c'没有耦合设备造成的失真的磁场线
[0181]
3c”在截止条件下由耦合设备原理虹膜开口失真的磁场线(以前称为3b')
[0182]
4磁力线(在空腔中)
[0183]
5虹膜开口
[0184]
6(主)链接
[0185]
7耦合设备(现有技术)
[0186]
8环
[0187]
9失真的磁场线(以前称为3b')，横向进入轴向相邻导体环之间的耦合设备的内部容积
[0188]
10(附加)链接
[0189]
10a局部微波磁场线回路
[0190]
11(次级)链接
[0191]
12耦合设备(根据本发明)
[0192]
13分隔器(盘)
[0193]
15金属螺线管
[0194]
16绕组分隔器
[0195]
20支撑结构
[0196]
21导体回路
[0197]
22螺纹
[0198]
23绕组
[0199]
24共用壁
[0200]
25微波耦合组件
[0201]
26螺旋结构
[0202]
26a导线
[0203]
27保持结构
[0204]
28螺纹
[0205]
29马达
[0206]
30移动设备
[0207]
31样本保持器
[0208]
32样本
[0209]
33探针头
[0210]
34内部容积
[0211]
35移动机构
[0212]
36(样本进入)开口
[0213]
40微波源
[0214]
41微波桥
[0215]
42循环器
[0216]
43调制线圈
[0217]
44主磁体线圈
[0218]
45微波检测器
[0219]
46放大器
[0220]
47计算机
[0221]
48epr测量系统
[0222]
x微波场传播的方向/轴
[0223]
z虹膜开口的长维度的方向/轴(也指标准矩形te10波导的长轴的方向)。