高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头

本申请涉及生化、材料等，尤其是电子磁共振领域，特别是涉及一种高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头。

背景技术：

1、电子磁共振（又叫电子自旋共振/esr、或电子顺磁共振/epr），是一种被广泛用于生物、化学、材料、物理等多学科研究领域的波谱学手段。对于电子磁共振，越高的磁场和微波频率意味着越高的分辨率和灵敏度等性能。目前，传统技术中常见的商用电子磁共振谱仪一般工作在9.4 ghz频率，较为领先的可以达到94 ghz频率，更高频率的谱仪往往需要在实验室内自主研制开发。传统技术的缺陷和不足包括如下两点，一、现有高场高频“透射式”探头技术的主要缺点主要有：1. 信号灵敏度不足，这种类型的探头在信号探测过程中仅产生了一次样品对微波的吸收，因此信号强度很低，实际使用中经常由于信号太弱而无法观测到；2. 波导管与探头连接处存在不连续，会引起额外的功率损耗，影响信号质量。二、现有低频单模谐振腔技术的主要缺点有：1. 这种低频单模谐振腔的尺寸与微波波长相关，然而高频段微波的波长很短（例如300 ghz对应的微波波长仅1mm），在如此狭小的空间内实现单模谐振腔样品探头的设计，无论是对于探头的加工难度、还是对于可用的样品空间都是难以解决的问题，因此该技术并不适用于高频电子磁共振谱仪。2. 这种单模谐振腔工作在单一固定频率，无法实现变频测量。

技术实现思路

1、基于此，针对传统技术存在的信号灵敏度不足、功率损耗影响信号质量、在狭小的空间内难以实现样品探头的设计以及单模谐振腔工作在单一固定频率无法实现变频测量等问题中的至少一种问题，有必要提供一种高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头。本发明的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头能够用于向待测样品发射微波并将样品测量信号返回给谱仪以供采集，能够极大地提升电子磁共振谱仪的分辨率和灵敏度等性能指标。

2、本申请一实施例提供了一种高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头。

3、一种高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头，包括波导管、谐振主体、入口平面镜、球面反射镜以及样品仓，所述谐振主体具有谐振腔以及与所述谐振腔相通的第一开口、第二开口、样品检测口，所述入口平面镜连接所述波导管，所述入口平面镜位于所述谐振腔内，所述波导管连接所述谐振主体并密封所述第一开口，所述球面反射镜位于所述第二开口处且连接所述谐振主体并密封所述第二开口，所述样品仓能够出入于所述样品检测口以进入或者移出所述谐振腔。

4、在其中一些实施例中，所述第一开口与所述第二开口在所述谐振主体上处于相对位置，所述样品检测口在所述谐振主体上位于所述第一开口与所述第二开口之间。

5、在其中一些实施例中，所述高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头还包括锁紧组件，所述锁紧组件连接所述波导管、所述谐振主体、所述入口平面镜以及所述球面反射镜以实现所述波导管、所述谐振主体、所述入口平面镜以及所述球面反射镜之间的可拆卸式连接。

6、在其中一些实施例中，所述锁紧组件包括位移螺杆，所述谐振主体上、所述波导管上以及所述球面反射镜上分别设置有螺纹孔，所述位移螺杆依次穿设于所述波导管上的螺纹孔、所述谐振主体上的螺纹孔以及所述球面反射镜上的螺纹孔，实现所述谐振主体、所述入口平面镜以及所述球面反射镜之间的连接。

7、在其中一些实施例中，所述锁紧组件还包括润滑垫片，所述位移螺杆上设置有多个所述润滑垫片，其中，所述谐振主体与所述波导管之间设置有至少一个所述润滑垫片，所述谐振主体与所述球面反射镜之间设置有至少一个所述润滑垫片。

8、在其中一些实施例中，所述高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头还包括底盖，所述底盖连接在所述球面反射镜的底部，所述底盖用于固定密封所述谐振主体。

9、在其中一些实施例中，所述样品仓包括仓底板以及样品室，所述样品室具有用于存储样品的样品腔，所述样品室连接在所述仓底板上，所述样品室突出于所述仓底板，所述样品检测口的形状、尺寸分别与所述样品仓的剖面的形状、尺寸适配。

10、在其中一些实施例中，所述样品仓还包括仓盖，所述仓盖可拆卸式连接于所述样品室，所述仓盖用于封闭或者打开所述样品腔。

11、在其中一些实施例中，所述波导管与所述第一开口的端面抵接。

12、在其中一些实施例中，所述球面反射镜的周缘具有至少一个突出的引导件，所述谐振腔的内壁具有至少一个引导槽，所述引导件与所述引导槽能够适配。

13、在其中一些实施例中，所述入口平面镜与所述波导管的连接处的端面具有聚光锥，所述波导管的内壁与所述聚光锥采用光滑抛物线曲面过渡连接。

14、本发明的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头作为高场高频电子磁共振谱仪的核心组成部件，其作用是向待测样品发射微波并将样品测量信号返回给谱仪以供采集，其意义在于能够极大地提升电子磁共振谱仪的分辨率和灵敏度等性能指标。

15、本发明的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头相比传统技术具有如下有益效果：

16、1.本发明为高频谐振腔探头，该探头在样品测量过程中产生了多次微波吸收，信号强度极大增强，弥补了现有技术中“透射式”探头灵敏度低的缺陷。

17、2. 本发明在入口平面镜的聚光锥以及所述波导管的内壁用光滑抛物线曲面过渡连接设计，实现了平滑过渡，减少微波功率的折回和损耗，提高了信号质量。

18、3. 本发明采用锁紧组件实现谐振主体、入口平面镜以及球面反射镜之间的可拆卸式连接，实现了半开放式多模谐振腔设计，该谐振腔的尺寸不受微波波长的限制，可以根据样品空间的需求而灵活调整。进一步地，半开放式多模谐振腔的工作频率取决于上下镜面（入口平面镜以及球面反射镜）之间的距离，该距离可以通过机械装置进行精密的调节控制，因此，本发明可以在较宽范围内实现变频测量的功能。

技术特征：

1.一种高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头，其特征在于，包括波导管、谐振主体、入口平面镜、球面反射镜以及样品仓，所述谐振主体具有谐振腔以及与所述谐振腔相通的第一开口、第二开口、样品检测口，所述入口平面镜连接所述波导管，所述入口平面镜位于所述谐振腔内，所述波导管连接所述谐振主体并密封所述第一开口，所述球面反射镜位于所述第二开口处且连接所述谐振主体并密封所述第二开口，所述样品仓能够出入于所述样品检测口以进入或者移出所述谐振腔。

2.根据权利要求1所述的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头，其特征在于，所述第一开口与所述第二开口在所述谐振主体上处于相对位置，所述样品检测口在所述谐振主体上位于所述第一开口与所述第二开口之间。

3.根据权利要求1所述的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头，其特征在于，所述高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头还包括锁紧组件，所述锁紧组件连接所述波导管、所述谐振主体、所述入口平面镜以及所述球面反射镜以实现所述波导管、所述谐振主体、所述入口平面镜以及所述球面反射镜之间的可拆卸式连接。

4.根据权利要求3所述的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头，其特征在于，所述锁紧组件包括位移螺杆，所述谐振主体上、所述波导管上以及所述球面反射镜上分别设置有螺纹孔，所述位移螺杆依次穿设于所述波导管上的螺纹孔、所述谐振主体上的螺纹孔以及所述球面反射镜上的螺纹孔，实现所述谐振主体、所述入口平面镜以及所述球面反射镜之间的连接。

5.根据权利要求4所述的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头，其特征在于，所述锁紧组件还包括润滑垫片，所述位移螺杆上设置有多个所述润滑垫片，其中，所述谐振主体与所述波导管之间设置有至少一个所述润滑垫片，所述谐振主体与所述球面反射镜之间设置有至少一个所述润滑垫片。

6.根据权利要求4所述的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头，其特征在于，所述高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头还包括底盖，所述底盖连接在所述球面反射镜的底部，所述底盖用于固定密封所述谐振主体。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头，其特征在于，所述样品仓包括仓底板以及样品室，所述样品室具有用于存储样品的样品腔，所述样品室连接在所述仓底板上，所述样品室突出于所述仓底板，所述样品检测口的形状、尺寸分别与所述样品仓的剖面的形状、尺寸适配。

8.根据权利要求7所述的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头，其特征在于，所述样品仓还包括仓盖，所述仓盖可拆卸式连接于所述样品室，所述仓盖用于封闭或者打开所述样品腔。

9.根据权利要求1-6任意一项所述的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头，其特征在于，所述波导管与所述第一开口的端面抵接。

10.根据权利要求1-6任意一项所述的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头，其特征在于，所述球面反射镜的周缘具有至少一个突出的引导件，所述谐振腔的内壁具有至少一个引导槽，所述引导件与所述引导槽能够适配。

11.根据权利要求1-6任意一项所述的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头，其特征在于，所述入口平面镜与所述波导管的连接处的端面具有聚光锥，所述波导管的内壁与所述聚光锥采用光滑抛物线曲面过渡连接。

技术总结
本发明公开了一种高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头，其包括波导管、谐振主体、入口平面镜、球面反射镜以及样品仓，谐振主体具有谐振腔以及与谐振腔相通的第一开口、第二开口、样品检测口，入口平面镜连接波导管，入口平面镜位于谐振腔内，波导管连接谐振主体并密封第一开口，球面反射镜位于第二开口处且连接谐振主体并密封第二开口，样品仓能够出入于样品检测口以进入或者移出谐振腔。本发明的高场高频电子磁共振谱仪谐振腔探头能够用于向待测样品发射微波并将样品测量信号返回给谱仪以供采集，能够极大地提升电子磁共振谱仪的分辨率和灵敏度等性能指标。

技术研发人员：张志涛,于璐,童伟,马龙,田长麟
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13