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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-09-08
(54)【発明の名称】ＥＰＲ装置用プローブヘッドインサート
(51)【国際特許分類】
G01N 24/00 20060101AFI20230901BHJP
【ＦＩ】
G01N24/00 560A
G01N24/00 560G
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023512176
(86)(22)【出願日】2021-08-16
(85)【翻訳文提出日】2023-04-17
(86)【国際出願番号】 GB2021052116
(87)【国際公開番号】W WO2022038340
(87)【国際公開日】2022-02-24
(31)【優先権主張番号】2012806.2
(32)【優先日】2020-08-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】507299817
【氏名又は名称】ユーシーエル ビジネス リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000578
【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】シメナス マンタス
(72)【発明者】
【氏名】オサリヴァン ジェームズ キャンベル
(72)【発明者】
【氏名】ツォリチュ クリストフ ヴィルヘルム
(72)【発明者】
【氏名】ケネディー オスカー ウィリアム
(72)【発明者】
【氏名】モートン ジョン ジュリアン ララルテ
(57)【要約】
ＥＰＲプローブヘッド用インサートが開示される。インサートは、方向性結合器と増幅器を備える。方向性結合器は、第１のポートにおいて源からマイクロ波電力を受信し、受信したマイクロ波電力の一部を、サンプル空間への伝送のため、第２のポートへ転送する。方向性結合器は、また、第２のポートにおいてサンプル空間からマイクロ波信号を受信し、受信したマイクロ波信号の大部分を、第３のポートへ渡すよう配置されている。増幅器は、入力と出力を有する。入力は、マイクロ波信号を、方向性結合器の第３のポートから受信して、検出器への伝送のため、出力において、受信したマイクロ波信号の増幅バージョンを生成するように配置されている。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＥＰＲプローブヘッド用インサートであって、前記インサートは、方向性結合器であって、前記方向性結合器は、第１のポートにおいて源からマイクロ波電力を受信し、前記受信したマイクロ波電力の一部を、サンプル空間への伝送のため、第２のポートへ転送するように構成されており、前記方向性結合器は、前記第２のポートにおいて前記サンプル空間からマイクロ波信号を受信し、前記受信したマイクロ波信号の大部分を、第３のポートへ渡すよう構成されている、前記方向性結合器と、
入力と出力を有する増幅器であって、前記入力は、前記マイクロ波信号を、前記方向性結合器の前記第３のポートから受信して、検出器への伝送のため、前記出力において、前記受信したマイクロ波信号の増幅バージョンを生成するように配置されている、前記増幅器と、
を備える、インサート。
【請求項2】
前記方向性結合器の前記第３のポートと、前記増幅器の前記入力との間のマイクロ波経路に、マイクロ波パワーリミッタをさらに備える、請求項１に記載のインサート。
【請求項3】
前記方向性結合器の前記第３のポートと、前記増幅器の前記入力との間のマイクロ波経路に、スイッチをさらに備え、前記スイッチは、マイクロ波電力を前記増幅器入力から逸らすことと、マイクロ波電力を前記増幅器入力に向かわせることとを、選択的に切り替えるように構成されている、請求項１又は２に記載のインサート。
【請求項4】
前記増幅器は、高電子移動度トランジスタを備える、請求項１、２又は３に記載のインサート。
【請求項5】
前記方向性結合器の結合係数は、６ｄＢから３０ｄＢの範囲にある、請求項１から４のいずれかに記載のインサート。
【請求項6】
前記増幅器の温度を検知するように構成されている温度センサをさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載のインサート。
【請求項7】
プローブヘッドであって、請求項１から６のいずれかに記載のインサートと、
マイクロ波経路によって、前記方向性結合器の前記第２のポートに結合されたマイクロ波共振器と、
を備える、プローブヘッド。
【請求項8】
前記増幅器が前記マイクロ波共振器に近接している、請求項７に記載のプローブヘッド。
【請求項9】
前記マイクロ波共振器と前記増幅器との間のマイクロ波経路は、１００ｍｍ未満である、請求項７又は８に記載のプローブヘッド。
【請求項10】
クライオスタット内で動作するよう構成されている、請求項７から９のいずれか一つに記載のプローブヘッド。
【請求項11】
方法であって、請求項７から１０のいずれか１つに記載のプローブヘッドを提供することと、
マイクロ波電力を、源から前記結合器の前記第１のポートへ送ることと、
前記共振器への伝送のため、前記マイクロ波電力の一部を第２のポートに結合することと、
前記共振器からのマイクロ波信号を、前記結合器の前記第２のポートで受信することと、
前記受信したマイクロ波信号の大部分を、前記結合器の第３のポートへ伝送することと、
前記結合器の前記第３のポートからの前記マイクロ波信号を、前記プローブヘッドの前記インサート内に備えられる前記増幅器において受信することと、
前記増幅器を用いて前記マイクロ波信号を増幅することと、
前記受信したマイクロ波信号の増幅バージョンを出力することと、
を備える、方法。
【請求項12】
請求項１１に記載の方法であって、前記プローブヘッドに設けられる前記インサートが請求項３又は請求項３に従属するいずれかの請求項に記載のものであり、前記方法は、マイクロ波パルスを前記マイクロ波共振器へ送ることと、
前記スイッチを操作して、前記マイクロ波共振器から反射された、前記マイクロ波パルスのマイクロ波電力を、前記増幅器入力から逸らすことと、
前記スイッチを操作して、前記マイクロ波共振器に関連付けられた前記サンプル空間におけるサンプルからのＥＰＲ信号のマイクロ波電力を、前記増幅器入力に向かわせることと、
をさらに備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【0001】
［発明の分野］
本発明は、電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）装置用のプローブヘッド用インサート、プローブヘッド自体、及びプローブヘッドを使用する方法に関するものである。
［背景］
電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）分光法は、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）分光法としても知られている。これら用語は、本明細書では同義語と考えられ、簡潔さのため、単に「ＥＰＲ」と呼ばれる。ＥＰＲは、数多くの科学分野で使用される強力なツールである。
本発明は、電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）装置用のプローブヘッド用インサート、プローブヘッド自体、及びプローブヘッドを使用する方法に関するものである。
［背景］
電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）分光法は、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）分光法としても知られている。これら用語は、本明細書では同義語と考えられ、簡潔さのため、単に「ＥＰＲ」と呼ばれる。ＥＰＲは、数多くの科学分野で使用される強力なツールである。
【0002】
しかし、実際には、ＥＰＲ信号は比較的小さく、熱雑音などの、雑音にさらされる可能性があり、したがって、信号対雑音比（ＳＮＲ）は低い。このことは、ＥＰＲ信号の検出上の問題があること、又は、使用可能なデータを取得するために長い積分時間を必要とする問題があること、を意味している。
【0003】
ＥＰＲにより研究されているサンプルにマイクロ波電力を供給するために用いられる装置は、プローブヘッドとして知られている。プローブヘッドは、ＥＰＲの一部として印加磁場にさらされるため、プローブヘッドになされるいかなる改変も、磁場による悪影響を受けてはならないという問題もある。さらに、プローブヘッドは、通常、サンプルの温度制御のため、クライオスタットに挿入されるので、プローブヘッドで利用できるスペースが限られること、プローブヘッドは潜在的に極低温で動作する必要があること、といった問題がある。
【0004】
本発明は、上記問題のいくつか又はいずれかを、少なくとも部分的に、軽減することを目的とする。
［概要］
本発明の第１態様は、ＥＰＲプローブヘッド用インサートを提供し、前記インサートは、
方向性結合器であって、前記方向性結合器は、第１のポートにおいて源からマイクロ波電力を受信し、前記受信したマイクロ波電力の一部を、サンプル空間への伝送のため、第２のポートへ転送するように構成されており、前記方向性結合器は、前記第２のポートにおいて前記サンプル空間からマイクロ波信号を受信し、前記受信したマイクロ波信号の大部分を、第３のポートへ渡すよう構成されている、前記方向性結合器と、
入力と出力を有する増幅器であって、前記入力は、前記マイクロ波信号を、前記方向性結合器の前記第３のポートから受信して、検出器への伝送のため、前記出力において、前記受信したマイクロ波信号の増幅バージョンを生成するように配置されている、前記増幅器と、
を備える、インサートである。
［概要］
本発明の第１態様は、ＥＰＲプローブヘッド用インサートを提供し、前記インサートは、
方向性結合器であって、前記方向性結合器は、第１のポートにおいて源からマイクロ波電力を受信し、前記受信したマイクロ波電力の一部を、サンプル空間への伝送のため、第２のポートへ転送するように構成されており、前記方向性結合器は、前記第２のポートにおいて前記サンプル空間からマイクロ波信号を受信し、前記受信したマイクロ波信号の大部分を、第３のポートへ渡すよう構成されている、前記方向性結合器と、
入力と出力を有する増幅器であって、前記入力は、前記マイクロ波信号を、前記方向性結合器の前記第３のポートから受信して、検出器への伝送のため、前記出力において、前記受信したマイクロ波信号の増幅バージョンを生成するように配置されている、前記増幅器と、
を備える、インサートである。
【0005】
本発明の別の態様は、プローブヘッドを提供し、前記プローブヘッドは、
本発明の第１態様に記載のインサートと、
マイクロ波経路によって、前記方向性結合器の前記第２のポートに結合されたマイクロ波共振器と、
を備える、プローブヘッドである。
本発明の第１態様に記載のインサートと、
マイクロ波経路によって、前記方向性結合器の前記第２のポートに結合されたマイクロ波共振器と、
を備える、プローブヘッドである。
【0006】
本発明のさらなる態様は、方法を提供し、前記方法は、
本発明の前述の態様に記載のプローブヘッドを提供することと、
マイクロ波電力を、源から前記結合器の前記第１のポートへ送ることと、
前記共振器への伝送のため、前記マイクロ波電力の一部を第２のポートに結合することと、
前記共振器からのマイクロ波信号を、前記結合器の前記第２のポートで受信することと、
前記受信したマイクロ波信号の大部分を、前記結合器の第３のポートへ伝送することと、
前記結合器の前記第３のポートからの前記マイクロ波信号を、前記プローブヘッドの前記インサート内に備えられる前記増幅器において受信することと、
前記増幅器を用いて前記マイクロ波信号を増幅することと、
前記受信したマイクロ波信号の増幅バージョンを出力することと、
を備える、方法である。
本発明の前述の態様に記載のプローブヘッドを提供することと、
マイクロ波電力を、源から前記結合器の前記第１のポートへ送ることと、
前記共振器への伝送のため、前記マイクロ波電力の一部を第２のポートに結合することと、
前記共振器からのマイクロ波信号を、前記結合器の前記第２のポートで受信することと、
前記受信したマイクロ波信号の大部分を、前記結合器の第３のポートへ伝送することと、
前記結合器の前記第３のポートからの前記マイクロ波信号を、前記プローブヘッドの前記インサート内に備えられる前記増幅器において受信することと、
前記増幅器を用いて前記マイクロ波信号を増幅することと、
前記受信したマイクロ波信号の増幅バージョンを出力することと、
を備える、方法である。
【0007】
本発明のさらなる任意の態様は、従属クレームで定義される。
【図面の簡単な説明】
【0008】
ここで、本発明の実施形態が、非限定的な例として、添付の図面を参照して、説明される。
【発明を実施するための形態】
【0009】
［詳細な説明］
従来のＥＰＲ装置は、通常、マイクロ波源とマイクロ波検出器を含むマイクロ波ブリッジを備える。マイクロ波電力は、ブリッジ（源と検出器）とプローブヘッド間の１つ以上の導波管を介して伝達される。場合によって、ブリッジ（源）からプローブヘッドに向かうマイクロ波電力と、ブリッジ（検出器）に戻る反射されたマイクロ波電力の双方に、単一の導波管が使用されることがあり、その場合、ブリッジ内のサーキュレーターが、戻ってくるマイクロ波を、源ではなく検出器に向かわせる。さらに、ブリッジは、マイクロ波導波管用に、（例えば、伝送測定のために）個別の出力ポートと入力ポートを有し得る。
従来のＥＰＲ装置は、通常、マイクロ波源とマイクロ波検出器を含むマイクロ波ブリッジを備える。マイクロ波電力は、ブリッジ（源と検出器）とプローブヘッド間の１つ以上の導波管を介して伝達される。場合によって、ブリッジ（源）からプローブヘッドに向かうマイクロ波電力と、ブリッジ（検出器）に戻る反射されたマイクロ波電力の双方に、単一の導波管が使用されることがあり、その場合、ブリッジ内のサーキュレーターが、戻ってくるマイクロ波を、源ではなく検出器に向かわせる。さらに、ブリッジは、マイクロ波導波管用に、（例えば、伝送測定のために）個別の出力ポートと入力ポートを有し得る。
【0010】
プローブヘッドは、例として金属性又は誘電性の、マイクロ波共振器（共鳴空洞）を備えており、マイクロ波共振器には、サンプル空間とそこへのアクセスが含まれる。別の電磁石は、サンプル空間全体に磁場を印加する。測定値によって、必要に応じて、磁場の固定、一掃、調節が可能である。ブリッジは、電子機器に結合されて、マイクロ波の源と磁石を駆動し、検出器からデータを収集し、分光法の実行等のため、データを処理する。
【0011】
図１は、本発明の第一実施形態によるインサート１０と、共振器１２とを備えるＥＰＲプローブヘッドを、概略的に例示する。インサート１０は、共振器１２とブリッジ（図示せず）の間のマイクロ波経路に位置する（又は、挿入される）。好ましい実施形態において、プローブヘッドは、クライオスタット１４に取り外し可能に挿入することが可能であり、それにより、（サンプル空間とその中のいかなるサンプルも併せて）共振器１２の温度を制御したり、例えば１５０Ｋより低い極低温まで、例として液体窒素及び／又は液体ヘリウムを使用して、任意に冷却したりすることが可能になる。マイクロ波ブリッジ（図示せず）と他の電子機器は、クライオスタット１４の外側で室温にすることが可能である。プローブヘッドもまた、室温で、クライオスタットの内外で、動作可能であり、クライオスタットは任意の機能である。
【0012】
インサート１０は、マイクロ波電力をブリッジ（図示せず）から方向性結合器１８へ伝達する、半剛性入力ライン１６を有する。入力ライン１６は、マイクロ波電力を結合器１８の第１のポート２０に供給する。入力マイクロ波電力の大部分は、結合器１８の「伝送ポート」２２に転送される。伝送ポート２２は、例えば、５０Ω負荷２４で終端する。マイクロ波電力の残り部分は第２のポート２６（結合ポートとしても知られる）に結合され、そこからマイクロ波経路２８（導波管等）を介して、共振器１２に伝達される。第２のポート２６に結合される電力の割合は、次のように定義される結合係数Ｃによって与えられる。
【0013】
Ｃ＝－１０ｌｏｇ（ＰＣ／ＰＩ）ｄＢ
ここで、ＰＩは第１のポート２０（入力ポート）における電力であり、ＰＣは第２のポート２６（結合ポート）における電力である。結合係数の定義におけるマイナス記号の形式がここで用いられており、そのため、例えば、Ｃ＝６ｄＢの方向性結合器（「６ｄＢ結合器」と称する）は、電力の約２５％が結合ポートに転送されることを意味する（マイナス記号が定義にない形式では、「－６ｄＢ結合器」と呼ばれる可能性がある）。
ここで、ＰＩは第１のポート２０（入力ポート）における電力であり、ＰＣは第２のポート２６（結合ポート）における電力である。結合係数の定義におけるマイナス記号の形式がここで用いられており、そのため、例えば、Ｃ＝６ｄＢの方向性結合器（「６ｄＢ結合器」と称する）は、電力の約２５％が結合ポートに転送されることを意味する（マイナス記号が定義にない形式では、「－６ｄＢ結合器」と呼ばれる可能性がある）。
【0014】
入射マイクロ波電力と、共振器１２に関連するサンプル空間（図示せず）内のサンプルとの相互作用に続いて、ＥＰＲマイクロ波信号（スピンエコー等）は、マイクロ波経路２８を介して、結合器１８の第２のポート２６に戻される。結合器１８は方向性結合器であるため、第２のポート２６はそのとき入力ポートとして機能し、マイクロ波信号の大部分は、結合器１８の第３のポート３０に導かれる（伝送される）（結合係数Ｃによって決定されるように、第１のポート２０に結合して戻るマイクロ波電力の一部によって減少する）。第３のポート３０からのマイクロ波信号は、プローブヘッド内の増幅器３４の入力３２に伝達される。増幅器３４は、マイクロ波信号の増幅バージョンを生成し、これは出力３６に出力され、インサート１０から、プローブヘッドを離れ、クライオスタット１４を出て、マイクロ波ブリッジ（図示せず）に伝達される。増幅されたマイクロ波信号は、ブリッジ内のサーキュレーターを回避することにより、ブリッジの入力ポートに直接、又は、マイクロ波検出器に直接、運搬されることが好ましい。
【0015】
方向性結合器１８の機能は、クライオスタット１４の外側の室温環境から、入力ライン１６を下ってくる熱雑音を抑制することである。なぜなら、雑音電力の大部分は、終端負荷２４に導かれて、共振器１２に到達しないためである。これにより、ＳＮＲは改善される。この代償は、共振器１２に到達する印加されたマイクロ波パルスの最大電力（及び、したがって帯域幅）も減少することだが、ＳＮＲの改善は、のちに結果欄で示すように、これを補って余りある。電力損失を補うために、より高電力のマイクロ波増幅を使用することも可能である。本発明の実施形態では、３ｄＢ結合器（５０：５０）を使用してもよいが、結合係数Ｃの好ましい範囲は、６ｄＢから３０ｄＢである。Ｃが６ｄＢよりも小さい場合には、雑音減少効果は比較的小さく、当然ながら、共振器から戻ってくるエコー信号の大部分は入力ライン１６に結合されて戻るため、増幅器３４に到達せず、よって有用な信号電力が失われる。Ｃが３０ｄＢよりも大きい場合では、共振器１２に到達する印加されたマイクロ波励起電力は過小になり始める。結合器１８の結合係数Ｃの好ましい範囲は、６ｄＢから１５ｄＢである。例となる結合器には、ＰａｓｔｅｒｎａｃｋのＰＥ２ＣＰシリーズが含まれる。
【0016】
増幅器３４は、マイクロ波信号がインサート１０を離れる前にそれを増幅し、ワイヤ（図示せず）を介して、外部環境の電源から電力を供給される。文脈によっては、増幅器は「前置増幅器」と称されることがある。なぜなら、さらなる増幅が、通常、ブリッジやスペクトロメーター内に備えられるためであり、よって、本明細書で使用される「増幅器」及び「前置増幅器」という用語は同義語とみなされるべきである。増幅器は、大変低い騒音温度を有し、飽和せずに所要のマイクロ波電力を処理することが好ましく、また、約１０ＧＨｚにおいて広く用いられているマイクロ波のＸ帯を組み込みつつ、例えば１ＧＨｚ又は２ＧＨｚ、望ましくは３００ＧＨｚに至るまでの、所望の信号周波数範囲にわたり、動作することが好ましい。増幅器は、マイクロ波帯全体の中で関心のある所望の周波数範囲にわたり、動作するよう選択することが可能であり、異なる周波数範囲を対象としたインサートには、異なる増幅器を使用することが可能である。適切な増幅器は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含み得る。特に適切なＦＥＴは、半導体ヘテロ構造を備える、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である。構造中の電子の移動度が高いことは、デバイスの騒音が低いことを意味する。本発明の実施形態において使用する例となる増幅器は、Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ ＦａｃｔｏｒｙのＬＮＦ－ＬＮＣ６＿２０Ｃ極低温ＨＥＭＴ前置増幅器である（３４ｄＢゲイン、４Ｋにおいて２．５Ｋ、室温において７０Ｋの騒音温度）。好ましい配置では、増幅器３４は、共振器１２の下部に延在する銅アームを介して、熱平衡化する。
【0017】
プローブヘッド用のインサート１０の一部として増幅器３４を有することには、多くの利点がある。共振器におけるサンプルが冷却されると、増幅器も冷却され、結果として増幅器の騒音温度が下がる（それは、増幅器が例えばブリッジに位置している場合は、起こらないだろう）。すでに説明したように、方向性結合器は、検出回路を室温騒音から分離するが、もし増幅器がブリッジに位置していたら、たとえサンプルが冷却されても、室温騒音は増大するであろう。増幅器３４を共振器１２に近接させることは、信号増幅前の、マイクロ波経路に沿った信号の損失と騒音の導入を回避する。この理由から、収集されたＥＰＲデータにおけるＳＮＲの改善は、プローブヘッドとサンプルが室温にある場合であっても達成される（結果を参照）。本発明の好ましい実施形態では、共振器１２と増幅器３４との間のマイクロ波経路は１００ｍｍ未満であり、５０ｍｍ未満、例えば約２０ｍｍまで短くすることも可能である。
【0018】
ＥＰＲプローブヘッド用インサート１０の第二実施形態を、これから図２を参照して説明する。同様の部品は、図１で使用したのと同様の参照番号で表示し、図１の実施形態で既に説明した共通部品の詳細な説明は、省略する。第一実施形態の特徴の全ては、単独で、又は、任意の組み合わせで、この第二実施形態に取り込むことが可能である。
【0019】
状況によって、後続するマイクロ波構成要素への損傷と、増幅器そのものへの損傷を回避するため（増幅器は、通常、インサートの最も高価な部品である）、増幅器３４の入力３２に到達するマイクロ波電力を制限することが望ましい場合がある。このことは、Ｘ帯において例えば１ｋＷといった非常に高い電力になり得る、パルス状のマイクロ波励起を使用した計測に特に当てはまる。励起パルス電力の一部は、共振器から反射されて増幅器へ導かれてもよく、その後、より低い電力であり得る、スピンエコー信号が続く。
【0020】
増幅器に到達する電力を制限する第一の特徴は、結合器１８の第３のポート３０と増幅器３４の間にあるパワーリミッタ４０である。リミッタ４０は、単一のデバイスであってもよいし、直列の２つ以上のデバイスであってもよい。例となるリミッタ４０は、５００Ｗのピーク電力、１３０ｍＷのフラットリーケージ、回復時間が２００ｎｓ未満、０．１％のデューティサイクルを有する、例えば、ＮａｒｄａのＬＩＭ－３０１のリミッタである。
【0021】
増幅器３４に到達する電力を制限する第二の特徴は、高電力マイクロ波励起パルス中、マイクロ波電力を増幅器入力３２から逸らし、他の時間は、スピンエコー（ＥＰＲ）マイクロ波信号を増幅器入力３２へ切り替える、スイッチ４２である。図２は、以下を図式的に示す：左側の入力ライン１６上の入力パルス；ある状態においてスイッチ４２によって逸らされ、５０Ω負荷といった、終端４４に向かう反射されたパルス；別の状態においてスイッチ４２によって導かれ、増幅器入力３２に向かうスピンエコーマイクロ波信号；増幅器出力３６における増幅されたスピンエコーマイクロ波信号。本発明の好ましい実施形態において、スイッチ４２は、ソリッドステートの、高速の、非反射スイッチであり、例えば、Ａｎａｌｏｇ ＤｅｖｉｃｅｓのＨＭＣ５４７ＡＬＰ３Ｅ（＜２０ｎｓの切り替え時間；４０ｄＢのアイソレーション）である。スイッチ４２の動作は、ＥＰＲスペクトロメーターとブリッジに関連する電子機器からの信号によって、制御可能である（マイクロ波源パルスも制御される）。
【0022】
図２は好ましい実施形態を示しているが、要求に応じて、リミッタ４０が省略されたり、スイッチ４２が省略されたり、又はリミッタ４０からスイッチ４２に続く順番が入れ替えられたりする可能性がある。連続波（ＣＷ）の動作と充分に低いパルス電力の動作については、図１の実施形態にあるように、リミッタ４０とスイッチ４２は省略される可能性がある。
【0023】
図２は、インサート１０のさらなる任意の特徴、すなわち、増幅器の温度を測定するため増幅器３４と熱的に接触する温度センサ４６（抵抗温度計など）を示す。サンプルの温度は、クライオスタットに内蔵されているセンサから推測可能である。インサート１０のマイクロ波構成要素の適切な熱平衡化を確保するためには、サンプル温度と増幅器温度が等しくなるときに、最適な測定値が得られる。温度センサ４６は、図１の本発明の第一実施形態において、すなわち、リミッタ４０とスイッチ４２なしで、使用可能である。
【0024】
前述した実施形態のいずれかのインサート１０は、任意の適切なプローブヘッドと共に使用するための、一体化された、コンパクトな、３つのポートを有するパッケージとして、提供可能である。通常のインサートの寸法は、およそ４０ｍｍ × ２０ｍｍ × ８ｍｍである。
［結果］
Ｘ帯ＥＰＲ計測は、ＢｒｕｋｅｒのＸ帯ＥＲ ４１１８Ｘ－ＭＤ５Ｗのマイクロ波共振器を備える、改良されたＢｒｕｋｅｒのＥＲ ４１１８ＳＰＴのプローブヘッドを使用して、インサートについては上に説明したような例となるマイクロ波構成要素を使用する図２の好ましい実施形態のプローブヘッド用インサートを使用して、行われた。プローブヘッドは、１ｋＷ進行波管（ＴＷＴ）増幅マイクロ波源を備える、ＢｒｕｋｅｒのＥＬＥＸＳＹＳ Ｅ５８０ ＥＰＲのスペクトロメーターに接続された。
［結果］
Ｘ帯ＥＰＲ計測は、ＢｒｕｋｅｒのＸ帯ＥＲ ４１１８Ｘ－ＭＤ５Ｗのマイクロ波共振器を備える、改良されたＢｒｕｋｅｒのＥＲ ４１１８ＳＰＴのプローブヘッドを使用して、インサートについては上に説明したような例となるマイクロ波構成要素を使用する図２の好ましい実施形態のプローブヘッド用インサートを使用して、行われた。プローブヘッドは、１ｋＷ進行波管（ＴＷＴ）増幅マイクロ波源を備える、ＢｒｕｋｅｒのＥＬＥＸＳＹＳ Ｅ５８０ ＥＰＲのスペクトロメーターに接続された。
【0025】
図３は、外径４ｍｍのＥＰＲ管内の標準石炭サンプルのハーンエコーの測定結果を示すものであり、パルス状のＥＰＲを使用し、本発明の実施形態のインサートを用いて得られた信号と、インサートなしの従来の配置を用いて得られた信号を比較している（従来の配置では、入力ラインは、結合器を迂回して共振器に直接接続されるが、共振器とサンプルの位置は固定し、その他全ての実験パラメータは本質的に一定に保った。ただし、マイクロ波電力は、インサートの有無にかかわらず、πパルスの同一の持続時間をもたらすように調整した）。ハーンエコーのトレースは、いかなる背景オフセットも除去するようシフトされており、振幅は、それぞれのトレースについて計算された騒音レベルに関して正規化されている。（すなわち、トレースは、インサートの有無にかかわらず、騒音レベルが同一になるよう拡縮されている）。
【0026】
見ての通り、測定の感度は、６Ｋにおいて６ｄＢ結合器を使用する図３のａにおいて改善しており、電圧ＳＮＲは約９．６倍増加している。これは、測定時間を９０分の１に短縮できる可能性を表している。図３のｂでは同じく６Ｋにおいて３０ｄＢ結合器を使用したところ、ＳＮＲにおいて約１８．８倍の増加を示しており、測定時間において素晴らしい３５０分の１の短縮を表している。このことは、通常ならまる一日かかるだろう実験が、５分未満で行い得るという可能性を意味している。感度の改善は、スピン濃度又はサンプル量を減らすためにも利用可能であり、従来不可能な、又はＸ帯において不可能な、システムの研究を可能にする。図３のｃは、２９０Ｋにおいて６ｄＢ結合器を使用した場合の対応結果を示しており、室温にあっても著しい改善をみせており、ＳＮＲはおよそ３．２倍増加し、そして測定時間は１０分の１に減少している。
【0027】
図４は、ＣＷ ＥＰＲによって本発明を具現化したインサートを用いて得られた改善を示す。計測は、５０Ｋにおいて、［（ＣＨ３）２ＮＨ２］［Ｚｎ（ＨＣＯＯ）３］有機金属フレームワークのパウダーサンプルを用いて行われ、Ｚｎ（ＩＩ）の１ｍｏｌ％は、Ｃｕ（ＩＩ）に置き換えられた。スペクトルはＣｕ（ＩＩ）信号に正規化されており、図において、グラフは、明確にするために垂直にオフセットされている。６ｄＢ結合器を備えるインサートを使用すると、ＳＮＲは約４．９倍向上する。
【0028】
図５は、呼吸複合体Ｉサンプルの１０Ｋ及び３５７．７ｍＴにおける、ＨＹＳＣＯＲＥ実験の結果を示す。１時間の信号平均化で得られた１Ｈ ＨＹＳＣＯＲＥスペクトル（スカイライン投影による等高線図）について、インサートが有る場合と無い場合を、それぞれ図５のａ及び図５のｂに提示する。インサートが有る場合に得られたスペクトルは、（１４．１、１６．４）及び（１６．４、１４．１）ＭＨｚでピークとなる強い１Ｈリッジを示す（図５のａ）。ＳＮＲは、標準的な配置を用いた場合、より悪化する（図５のｂ）。ＳＮＲの増加は、図５のｃ及び図５のｄ（それぞれ、インサートが有る場合、無い場合）に提示された対応３Ｄプロットにおいて、より明らかにされている。ＳＮＲは、インサートが有る場合、約９倍改善する。
【0029】
ニトロキシドの分子定規とＣｕ（ＩＩ）の分子定規は、それぞれ約４．２ｎｍ、約４．５ｎｍの長さを有しており、Ｘ帯において双極分光法を備えるＤＥＥＲ実験の、ＳＮＲの改善を評価するために使用された。実験は、ニトロキシドが５０Ｋにおいて、Ｃｕ（ＩＩ）が１０Ｋにおいて実施された。ＤＥＥＲの一次データは、図６のａ及び図６のｂの形状因子プロットをもたらすように、バックグラウンド修正がなされた。チホノフ正則化法によって得た対応距離分布は、図６のｃ及び図６のｄに示される。示された距離は、分布の最大値に相当する。ニトロキシドの結果は図６のａ及び図６のｃにあり、Ｃｕ（ＩＩ）の結果は図６のｂ及び図６のｄにある。全ての場合において、本発明を具現化するインサート（６ｄＢ結合器を有する）を用いて得られたグラフと、インサートが無い場合のグラフは、重複を避けて明確にするため、互いに垂直方向にずらされており、各図の上部のグラフが、プローブヘッド用インサートを用いて得られたものである。
【0030】
５０Ｋにおけるニトロキシド測定値について、ＳＮＲは、インサートが有る場合、６．７倍改善した。１０ＫにおけるＣｕ（ＩＩ）測定値について、ＳＮＲは、インサートが有る場合、約１０倍改善した。Ｃｕ（ＩＩ）定規を使用してＣｕ（ＩＩ）－Ｃｕ（ＩＩ）距離を測定する場合、従来の配置で得られたＤＥＥＲデータは、非常に貧弱なＳＮＲしか有さず、チホノフ正則化法による不安定な分析と、信頼性の低い距離分布につながる（図６のｄ）。対照的に、本発明を具現化するプローブヘッド用インサートを用いて、同じ時間で得られたＤＥＥＲのトレースは、期待されたＣｕ（ＩＩ）－Ｃｕ（ＩＩ）距離において、充分に分解されたピークを提供する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5(a)】
【図5(b)】
【図5(c)】
【図5(d)】
【図6】
【国際調査報告】