用于电子自旋共振的共振器装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本申请要求2013年2月1日提交的标题为"共振器装置"的美国临时专利申请 61/759,813以及2013年6月28日提交的标题为"用于电子自旋共振的共振器装置"的美 国发明专利申请13/931，382的优先权。
【背景技术】
[0002] 本发明涉及针对包括电子自旋共振（ESR)应用的磁共振应用的共振器装置。磁共 振系统用于研究各种类型的样品和现象。在一些磁共振应用中，静止的外部磁场对样品中 的自旋进行偏振，并且共振器通过以接近自旋的共振频率的频率产生磁场来操作该自旋。 在电子自旋共振（ESR)应用中，共振器通常在微波频率处工作以与样品中的电子自旋进行 交互。
【发明内容】
[0003] 在这里所述的一个一般方面中，共振器装置包括可以被同相驱动的多个平行共振 器。
[0004] 在一些方面中，电子自旋共振（ESR)共振器装置包括具有平面基板表面的基板。 所述ESR共振器装置包括：第一端子，其包括布置在所述基板表面上的第一端子分段；第二 端子，其包括与所述第一端子分段相对地布置在所述基板表面上的第二端子分段；以及共 振器，其在所述第一端子和所述第二端子之间。所述共振器包括布置在所述基板表面上的 导体。各共振器的导体布置在所述第一端子分段和各个相对的所述第二端子分段之一的中 间。
[0005] 实现可以包括一个或多个以下特征。所述共振器是各自配置成在相同微波共振频 率处共振的微带共振器。各所述共振器是半波共振器、全波共振器或多半波共振器。各共 振器被配置成在各半波分段的中心处提供最大磁场。
[0006] 此外或可选地，这些和其它实现可以包括一个或多个以下特征。所述ESR共振器 装置包括基板，其具有包括所述基板表面的第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧。所述 ESR共振器装置包括布置在所述基板的所述第二侧上的接地导电平面。
[0007] 此外或可选地，这些和其它实现可以包括一个或多个以下特征。所述共振器导体 彼此平行，并且导体的各相邻对之间的间距相等。各所述导体是长形的并且包括：第一末 端，其电容性耦合至所述第一端子分段之一；以及第二相对末端，其电容性耦合至所述第二 端子分段之一。所述ESR共振器装置可以包括：第一介电体积，其在各导体的所述第一末端 和所述第一端子分段之一的中间；以及第二介电体积，其在各导体的所述第二末端和所述 第二端子分段之一的中间。所述介电体积可以包括介电材料、真空或介电材料和真空二者。 所述介电体积也可以称为"介电间隙"或"间隙"。所述第一介电体积和所述第二介电体积 可以是不同材料。
[0008] 此外或可选地，这些和其它实现可以包括一个或多个以下特征。所述第一端子包 括布置在所述基板表面上的第一端子导体。所述第一端子导体具有第一端子输入侧和第一 端子分段侧。所述第一端子分段侧包括所述第一端子分段。所述第二端子导体具有第二端 子输入侧和第二端子分段侧。所述第二端子分段侧包括所述第二端子分段。所述第一端子 包括所述第一端子输入侧和所述第一端子分段侧之间的第一分支结构；以及所述第二端子 包括所述第二端子输入侧和所述第二端子分段侧之间的第二分支结构。
[0009] 此外或可选地，这些和其它实现可以包括一个或多个以下特征。所述第一分支结 构和所述第二分支结构各自包括输入侧和各分段侧之间的连续级，并且各级中的单个分支 具有前一级中的单个分支的阻抗的两倍的阻抗。所述分支结构可以各自包括从所述端子侧 起的第三级开始的一个或多个锥形分支部分。
[0010] 此外或可选地，这些和其它实现可以包括一个或多个以下特征。所述第一端子导 体和所述第二端子导体、以及共振器导体在所述基板上形成表面线圈（或平面共振器）。 所述第一端子导体和所述第二端子导体、以及所述共振器导体由导电材料或超导电材料制 成。所述ESR共振器装置包括与所述表面线圈邻接并且在所述基板的相对侧上的样品区 域。
[0011] 在一些方面中，说明了电子自旋共振（ESR)方法。在ESR共振器装置的端子输入 处接收激励和控制信号。所述端子输入导电性耦合至端子输出分段。从所述端子输出分段 向多个所述共振器提供所述激励和控制信号。从各所述端子分段向各共振器同相地传送所 述激励和控制信号。
[0012] 实现可以包括一个或多个以下特征。在所述ESR共振器装置的第一端子输入和第 二端子输入处接收所述激励和控制信号。例如通过连接至所述端子输入的电子装置在所述 ESR共振器装置外部生成所述激励和控制信号。所述第一端子输入导电性耦合至端子输出 分段的第一集合并且所述第二端子输入导电性耦合至端子输出分段的第二集合。从所述端 子输出分段的第一集合和第二集合向所述共振器提供所述激励和控制信号。通过所述端子 输出分段的第一集合与所述共振器的第一末端之间以及所述端子输出分段的第二集合与 所述共振器的第二相对末端之间的电容性耦合向所述共振器提供所述激励和控制信号。所 述共振器生成在整个平面样品区域中均一的磁场。所述样品区域中的进动电子自旋可以在 所述共振器两端以微波频率感应出电动势（emf)。
[0013] 在一些方面，说明了电子自旋共振（ESR)方法。在布置于基板上的平面表面线圈 处接收激励和控制信号，并且所述平面表面线圈包括多个平行的共振器。在与所述表面线 圈邻接并且与所述基板相对的样品区域中生成磁场。所述磁场是通过多个所述平行导体各 自在同一方向上并且并行地传导所述激励和控制信号所生成的。
[0014] 实现可以包括一个或多个以下特征。所述平行共振器是长形的，并且所述方法包 括以下步骤：接收各共振器的第一末端处的端子分段处以及各共振器的第二相对末端处的 端子分段处的所述激励和控制信号。所述平行共振器电容性耦合至所述端子分段。
[0015] 此外或可选地，这些和其它实现可以包括一个或多个以下特征。所述磁场操作所 述样品区域中的电子自旋。所述样品区域可以是在半波共振器的中心处的平面体积。所述 磁场在所述基板上方的平面体积中是大致均一的。
[0016] 这里所述的一些示例装置和技术可以用于电子自旋共振（ESR)应用、核磁共振 (NMR)应用和其它应用。在一些实现中，所述共振器装置可以包括有效地用作具有高品质因 数的耦合腔的多个共振器，并且可以生成具有小模体积的大致均一的微波频率磁场。在一 些示例中，这里所述的示例共振器装置和技术可以用于附加或不同的应用，这些应用包括 期望高品质因数、低模体积、或高品质因数和低模体积的组合、或其它特性的其它状况。
[0017] 将在以下附图和说明书中说明一个或多个实现的细节。根据说明书和附图、以及 根据权利要求，其它特征、目的和优点将是明显的。
【附图说明】
[0018] 图1是示例共振器装置的示意性立体图。
[0019] 图2A、2B和2C是示例共振器装置的表面线圈的顶视图。
[0020] 图3是示出示例电子自旋共振技术的流程图。
[0021] 图4A和4B是示例共振器装置模拟所生成的磁场的示意图。
[0022] 图5A是N个相同共振器的阵列的示例等效电路模型的电路图；图5B是图5A中所 示的等效电路模型的示例简化版本的电路图；图5C是馈送部分的示例诺顿表示的电路图； 以及图f5D是示例有效共振器的电路图。
[0023] 图6是示出不同数量的共振器的示例品质因数的图。
[0024] 各图中的相似附图标记表示相似元件。
【具体实施方式】
[0025] 这里所述的一些方面中，具有高品质因数的共振器装置可以产生具有低模体积的 磁场。在一些实现中，共振器装置可以用于ESR(电子自旋共振）应用（例如，脉冲ESR和 连续波ESR)以产生在整个ESR样品的平面内大致均匀的微波频率（yf)磁场。在一些示 例中，共振器装置可以基于包括超导电微带传输线（yTL)的阵列的微带结构来建立。在一 些示例中，以指定的频率同相地驱动微带线，并且微带线产生均一地分布在与微带线的基 板平行的平面上的具有小模体积的磁场分布。
[0026] 在一些示例实现中，共振器装置可以包括两个端子和在两个端子之间的共振器的 阵列。端子和共振器可以构造成微带传输线，并且接地平面和表面导体布置在介电基板的 相对侧上。表面导体可以在基板的一侧上限定表面线圈，并且接地平面布置在该基板的相 对侧上。在操作中，端子可以接收来自电子装置的信号（例如，微波频率共振信号），并且 将该信号传送至共振器的阵列。输入信号可以是源自共振器装置外部的电子装置的驱动 信号。共振器可以在两个端子之间并行地承载输入信号，并且在共振器以外的样品区域中 (例如，在基板上方的区域中）产生磁场。在一些示例中，共振器可以用作耦合腔，并且共振 器装置可以具有高品质因数并且在共振器上方的样品区域中产生微波磁场。
[0027] 在一些实现中，端子具有在共振器的阵列中分割输入信号的分支结构。例如，各端 子可以包括在端子的一侧上的端子输入以及在端子的另一侧上的多个分段。分支结构可以 匹配各分支点处的阻抗以向各分段传送相等功率，并且各分段可以将各自的功率传送至其 中一个共振器。两个端子可以是例如彼此对称的，以使得一个端子中的各分段是另一个端 子中的对应分段的镜像，其中一个共振器在分段的各相应对之间对齐。
[0028] 在一些示例中，共振器装置可以仅具有单个端子。例如，可以在共振器的一个末端 处使用