可调谐开放式TE011 谐振腔在Q波段脉冲电子顺磁共振(EPR)实验中的设计与性能表征

本研究针对Q波段(≈34 GHz)脉冲电子顺磁共振(EPR)仪器对高适应性谐振腔的需求，基于开放式非辐射谐振腔概念，设计出具有宽频带调谐能力的TE011 模式谐振腔。通过理论计算与实验验证，证明该设计可通过轴向可移动柱塞实现频率调谐，匹配短截线实现三倍带宽调节，且对加工误差具有高容忍度，为金属蛋白和酶的结构功能研究提供了经济高效的解决方案。

　　

在探索金属蛋白和酶反应机制的过程中，电子顺磁共振（Electron Paramagnetic Resonance, EPR）技术发挥着不可替代的作用。特别是脉冲EPR技术如电子核双共振（ENDOR）、电子自旋回波包络调制（ESEEM）和双电子-电子共振（DEER），能够精确解析未成对电子与周围核自旋的超精细相互作用（HF），揭示反应中间体的关键结构信息。然而，传统谐振腔设计存在带宽受限、光通路受限、加工精度要求高等瓶颈，制约着多技术联用的研究效率。

针对这些挑战，研究人员基于Annino等人提出的开放式非辐射谐振腔理论，创新性地开发了适用于Q波段（≈34 GHz）的可调谐TE₀₁₁
谐振腔。通过电磁场模拟和实验验证，证实该设计通过两个带钻孔的金属板构成水平中断的开放式圆柱腔，利用金属波导曲率捕获非传播电磁模式。关键突破在于：轴向柱塞调节实现±1 GHz频率调谐，侧向波导匹配短截线实现临界耦合与过耦合状态切换，带宽可调范围达三倍。开放式结构提供完整横向光通路，对0.8 mm ENDOR线圈和2.8 mm样品管具有优异兼容性。

研究采用CST Microwave Studio进行三维电磁场模拟，通过完美电导体（PEC）模型分析不同几何参数下的场分布特性。实验部分使用简易加工的原型机（仅需钻床和桌面车床），通过矢量网络分析仪测量谐振频率、品质因数和耦合效率。

【In silico设计】
电磁模拟表明，当圆柱直径与波长比r/λ₀
<3.8317/2π且板间距l<>₀
/2时，可有效约束TE₀₁₁
模式。引入可移动柱塞后，谐振频率线性响应于轴向高度变化，验证了理论预测的宽频带调谐能力。

【总结与展望】
该设计以灵敏度适度妥协换取显著的实用优势：加工公差容忍度高（钻孔误差≤0.1 mm仍保持性能），兼容冷冻水溶液、快速冻结粉末及非水样品，为生物无机化学研究提供"一站式"解决方案。未来可通过优化波导过渡结构进一步提升品质因数。

【EM计算】
频域求解器模拟显示，银质ENDOR线圈引起的频率偏移<0.05%，证实样品兼容性。场分布分析揭示H_z
场强在l/λ₀
=0.3时达到峰值，为实验参数选择提供依据。

这项发表于《Journal of Magnetic Resonance》的研究，通过将开放式谐振腔理论与圆柱腔机械设计（Reijerse方案）创新结合，开发出兼具经济性、易加工性和多技术兼容性的Q波段谐振腔。其核心价值在于：使普通实验室能利用基础加工设备构建高性能EPR探头，显著降低多频段金属蛋白研究的门槛，特别适用于需要光激发与多种脉冲EPR技术联用的前沿课题。正如作者Alexey Silakov团队强调的，这种设计为研究金属辅因子反应中间体提供了前所未有的实验灵活性。