Резонансная ячейка спектрометра магнитного резонанса

 

1. РЕЗОНАНСНАЯ ЯЧЕЙКА СПЕКТРОМЕТРА МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА, содержащая квазиоптический открытый резонатор, элементы связи и кювету для образца, отличающаяс я тем, что, с целью увеличения разрешайвдей способности и точности изйёрения формы линии поглощения, одна из стенок кюветы выполнена из изотропного диэлектрика в виде клина , а другая, прилеганадая к плоскому зеркалу, представляет собой анизотропный элемент, ось которого ориентирована параллельно вектору возбуждающего квазиоптический открытый резонатор электромагнитного поля, 2. Ячейка по п. 1,отличающ а я с я тем, что анизотропный элемент выполнен в виде пластины из изотропного диэлектрика с нанесенной периодической структурой, при этом толщина пластины равна d Я/2, где fl - длина волны; (Л - диэлектрическая проницаемость материала пластины, а параметр решетки 96 e/7i 0,6-0,8, где В - период периодической структуры решетки . п X) О

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) M51) G 01 )(22 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCH0lVIV СВИДЕТЕЛЬСТВ/

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3488018/18-25 (22) 09,09.82 (46 ) 23.12.83. Бюл. Р 47 (72) А.A.Âåðòèé, Н.A.Ïoïåíêî, Ю.П.Попков и В.П.Шестопалов (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и элект.роники АН Украинской СР (53) 538.27 ° 111(088.8) (56) 1. Петунин А.И. и др. Радиоспектрометр миллиметрового и субмиллиметрового диапазона волн.-"ПТЭ", 1970, 9 4, с. 163-165.

2. Галкин А.A и др. Резонансный радиодефектоскоп миллиметрового диапазона для низкотемпературных исследований.-"Дефектоскопия", 1976, Р 4, с. 121-124 (прототип). (54)(57) 1. РЕЗОНАНСНАЯ ЯЧЕЙКА

СПЕКТРОМЕТРА МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА, содержащая квазиоптический открытый резонатор, элементы связи и кювету для образца, о т л и ч а ю щ а я— с я тем, что, с целью-увеличения разрешающей способности и точности изМерения формы линии поглощения, одна из стенок кюветы выполнена из изотропного диэлектрика в виде клина, а другая, прилегающая к плоскому зеркалу, представляет собой анизотропный элемент, ось которого ориентирована параллельно вектору возбуждающего квазиоптический открытый резонатор электромагнитного поля

2. Ячейка по и. 1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что анизотропный элемент выполнен в виде пластины из изотропного диэлектрика с нанесенной периодической структурой, при этом толщина пластины равна /2-(Г где 1 — длина волны;

Š— диэлектрическая проницаемость материала пластины, а параметр решетки

36= 8 /Ъ = 0,6 — 0,8, где — период периодической структуры решетки

1062580

Изобретение относится к спектро1 метрам магнитного резонанса, а именно к радиоспектрометрам миллиметрового диапазона, использующих в качестве резонансной ячейки открытый резонатор (ОР), и может найти применение в.дефектоскопии для определения малых концентраций парамагнитных примесей и дефектов, для излучения. энергетических спектров различных веществ. 1О

Известна резонансная ячейка спектрометра с ОР, представляющая собой полусимметричный ОР. Возбуждение и отвод СВЧ мощности осуществляется через отверстие связи в верхнем зер- 15 кале. На нижнем зеркале укрепляется образец, причем предусмотрена возможность перемещения нижнего зеркала и поворота его вокруг оси резонатора., Максимальное затухание сигна- 20 ла при проходе через резонатор равняется 15 дВ| а добротность резонатора составляет Я = 20х101 $1) .

Однако размер зеркал OP выбирается из условия обеспечения одномодового режима работы, что приводит к существенному снижению возможностей данного радиоспектрометра. Несмотря на существенное увеличение чувствительности, обусловленное многократным поглощением сверхвысокочастот- ной энергии в образце, основным недостатком их является невысокая разрешающая способность.

Наиболее близкой к изобретению является резонансная ячейка спектро35 метра магнитного резонанса, содержащая квазиоптический ОР,. элементы связи и кювету для образца. Резонатор, имеющий сферические зеркала, устанавливается в центре сверхпрово дящего соленоида, а исследуемый образец на кварцевом держателе - в максимуме СВЧ магнитного поля. Возбуждение ОР и отвод СВЧ мощности осуществляется через элементы связи g5 в зеркалах. На радиоспектрометре проведена регистрация спектров ЭПР ряда веществ дифенилпикрилгидразина (ДФПГ), ионов М n и Й i + в низ косимметричной решетке вольфрама цинка12). 50

Однако низкая разрешающая способность, обусловленная аппаратурным уширением линии спектра ЭПР, приводит к неправильным выводам о струк туре и дефектах в кристаллических решетках, к ограничению класса изучаемых сверхтонких эффектов, к получению заведомо завышенных значений концентрации ионов.

Кроме того, не точно воспроизводится линия поглощения. Наблюдаемая линия поглощения не имеет четко выраженной асимметрии, Тем самым нель"-,ÿ получить правильную информацию о величине анизотропии вещества и точно измерить элементы тензора 65 а фактора спектроскопического расщепления.

Цель изобретения — увеличение разрешающей способности и точности измерения формы линии поглощения.

Поставленная цель достигается тем, что в резонансной ячейке спектрометра магнитного резонанса, содержащей квазиоптический ОР, элементы связи и кювету для образца, одна из стенок кюветы выполнена из изотропного диэлектрика в -виде клина, а другая, прилегающая к плоскому зеркалу, представляет собой анизотропный элемент, ось которого ориентирована параллельно вектору возбуждающего квазиоптический ОР электромагнитного поля.

Кроме того, анизотропный элемент выполнен в виде пластины из изотропного диэлектрика с нанесенной периодической структурой, при этом толщина пластины равна — Я /2 «)Г, где h — длина волны;

E — диэлектрическая проницаемость материала пластины, а параметр решетки

Ж= 0/Я = 0,6 — 0,8, где — период периодической структуры решетки

На чертеже изображена конструкция резонансной ячейки спектрометра с

OP.

Резонансная ячейка содержит сферическое 1 и плоское 2 зеркала, кювету 3 для помещения образца, клиновую стенку 4 кюветы 3 (выполненную из изотропного диэлектрика с углом при вершине равном Q) стенку 5 кюветы 3, элементы б связи, Стенка 5 кюветы, прилегающая к плоскому зеркалу 2, представляет собой анизотропный элемент, одна из осей анизотропии которого параллельна вектору возбуждающего резонатор электромагнитного поля.

Возможны следующие конструктивные варианты выполнения анизотропного элемента. Это пластина из анизотропного диэлектрика, например, монокристаллического кварца Е„ = 4,63; — 4,43 или пластина из изотропно-. го диэлектрика, на котором с одной стороны нанесена периодическая структура. В обоих случаях толщина стенки

5 кюветы выбирается из условия обеспечения максимума СВЧ магнитного поля на образце d = h/2 Г, где A длина волны, E — диэлектрическая проницаемость материала стенки 5 кюветы, Параметр K = / h, где

8 — период структуры, выбирается из условия обеспечения максимального сдвига фаз между ортогональными компонентами электромагнитного СВЧ по1062580

Составитель С.Рыков

Редактор Н. Бобкова Техред И.Костик Корректор В. Бутяга

Заказ 10209/44 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, ля, а следовательно, максимальной величиной частотного расщепления между колебаниями резонатора с ортогональной поляризацией.

Элементы 6 связи в зеркалах ОР служат для ввода и вывода СВЧ энергии. Перестройка по типам колебания

OP осуществляется путем перемещения сферического зеркала 1 °

Устройство работает следующим образом.

В ОР через щель элемента 6 связи возбуждается резонансное колебание.

Образец располагается в максимуме магнитной составляющей СВЧ поля, благодаря правильному выбору толщины стенок 5 кюветы 3. При включении и плавном изменении постоянного магнитного поля Н наблюдается поглощение СВЧ энергии в образце, достигающее своего максимума при Н = Нрв реэ

Путем перемещения сферического зер.кала 1 резонатор настраивается на тот тип колебания, направление вращения циркулярно поляризованной волны которого совпадает с направлением прецессии спина, и производится запись линии поглощения. Так как QP в предлагаемой ячейке спектрометра анизотропен по поляризации, эа счет специальным образом выбранной конструкции стенки 5 кюветы, то колебания с ортогональной поляризацией в нем не поддерживаются. Следовательно в интервалах значений Н, где для известной резонансной ячейки регистрируются одновременно два слаборасщепленных типа колебания, в предлагаемом устройстве линия поглощения регистрируется только на том типе колебания, направление вращения циркулярно поляризованной волны которого совпадает с направлением прецессии спина. Далее аналогичным образом производится запись линии поглощения на высших типах колебания.

Благодаря выполнению стенки 4 кюветы 3 в виде клина удается существенно увеличить количество колебаний в спектре ОР, например, для кварцевого клина с углом = 10 до девяти типов колебаний, за счет снятия вырождения в спектре ОР по поперечным индексам, а следовательно увеличить разрешающую способность спектра при исследовании пространственного распределения примесей °

Предлагаемая реэонанская ячейка спектрометра обладает следующими технико-экономическими преимуществами по сравнению с базовым объектом.

10 Наблюдаемое в базовом объекте уширение линии поглощения приводит к снижению разрешающей способности и к уменьшению точности измерения линии. Увеличение точности измерения формы линии поглощения позволяет увеличить точность определения концентрации парамагнитных центров в

1,5 раза по сравнению с базовым объектом, проводить записи линий для сверхтонкой структуры, а также узких линий, исследовать микродефекты в кристаллической структуре.

В предлагаемой ячейке спектрометра увеличивается разрешающая способность, например при определении минимальной величины анизотропии ( фактора: ag = 5x10 Здля известной;, ag = 10 3 для предлагаемой резонансной ячейки. Предлагаемая резонансная ячейка спектрометра обеспечивает более высокую чувствительность:

10" спинов — базовый объект; 109 спинов — предлагаемая ячейка. Обеспечивается возможность изучения пространственного распределения пара35 магнитных центров в веществе или дефектов в кристаллических структурах с высоким пространственным разрешением.

Предлагаемая резонансная ячейка

40 радиоспектрометра может найти при-менение в химии для исследования структуры вещества, а именно симметрии кристаллической структуры, в биологии и медицине для исследования биологических объектов с помощью спиновых меток, в физике высоких энергий для создания и иссле дования динамической поляризации ядер.