Радиоспектрометр электронного парамагнитного резонанса

 

1. РАДИОСПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОН- ; НОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА, содержащий блок СЕЧ, электромагнит с блоком питания , рабочий резонатор, размещенный в зазоре между полюсами электромагнита и подключенный к блоку СЕЧ, последовательно соединенные детектор СЕЧ, приемник, аналого-цифровой преобразователь и накопитель, подключенные к рабочему резонатору, а также цифроаналоговый преобразователь, блок цифровой развертки магнитного поля с переключателем амплитуды развертки, катушку развертки, размещенную в зазоре между полюсами электромагнита, при этом блок цифровой развертки магнитного поля подключен информационным входом к выходу цифроаналогового преобразователя , управляющими входами к выходам переключателя амплитуды развертки и выходом - к катушке развертки , отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона разверток магнитного поля при одинаковой чувствительности измерений в него дополнительно введен управляемьш коммутатор цифровых сигналов , информационные входы которо (Л го подключены к выходам накопителя, управляющие входы - к выходам переключателя амплитуды развертки, выхо- § ды - к установочным входам цифроаналогового преобразователя. 2. Радиоспектрометр по п.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности с и ;о уменьшением амплитуды разверт си, аналого-цифровой преобразователь выполнен интегрирукщим со статистисо ческим усреднением. 4

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Л0 1114934 зов G 01 N 24/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

В"л;

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ j 1" .!.

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 (21) 3535892/18-25 (22) 11. 01. 83 (46) 23.09.84 Бюл. Р 35 (72) Н.Л.Городишенин, С.С.Катушонок, Г.И.Ромбак и В.П.Яновский (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро с опытным производством при Белорусском государственном университете им.В.И.Ленина (53) 538.69.083(088.8) (56) 1.Радиоспектрометр РЭ 1306.

Техническое описание и инструкция по эксплуатации M., 1978.

2. Анисимов Т.К. и др. Безмодуляционный метод регистрации сигналов электронного парамагнитного резонанса. Л., ЛИЯФ, 1979, Препринт У 526, с. 28 (прототип). (54)(57) 1. РАДИОСПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОН-

НОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА, содержащий блок СВЧ, электромагнит с блоком питания, рабочий резонатор, размещенный в зазоре между полюсами электромагнита и подключенный к блоку СВЧ, последовательно соединенные детектор

СВЧ, приемник, аналого-цифровой преобразователь и накопитель, подключенные к рабочему резонатору, а также цифроаналоговый преобразователь, блок цифровой развертки магнитного поля с переключателем амплитуды развертки, катушку развертки, размещенную в зазоре между полюсами электромагнита, при этом блок цифровой развертки магнитного поля подключен информационным входом к выходу цифроаналогового преобразователя, управляющими входами— к выходам переключателя амплитуды развертки и выходом — к катушке развертки, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона разверток магнитного поля при одинаковой чувствительности измерений в него дополнительно введен управляемый коммутатор цифровых сиг- .g налов, информационные входы которого подключены к выходам накопителя, управляющие входы — к выходам пере- С" ключателя амплитуды развертки, выходы — к установочным входам цифроанаФ логового преобразователя.

2. Радиоспектрометр по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения чувствительности с . уменьшением амплитуды развертки, аналого-цифровой преобразователь выполнен интегрирующим со статистическим усреднением.

1114934

Изобретение относится к технике электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может быть использовано при изготовлении радиоспектрометров

ЭПР. 5

Известен радиоспектрометр ЭПР, содержащий блок СВЧ с последовательно соединенными детектором СВЧ, усилителем, синхронным детектором и фильтром нижних частот, накопитель и регистратор, генератор ВЧ колебаний и рабочий резонатор, который расположен между полюсными наконечниками электромагнита, подключенного к последовательно соединенным источнику пита-15 ния и генератору развертки. Радиоспектрометр ЭПР осуществляет регистрацию сигнала ЭПР на частоте ВЧ колебаний при линейной развертке поляризующего магнитного поля(11.

Формирование напряжения развертки в известном радиоспектрометре аналоговыми электронными схемами не обеспечивает необходимые для точного воспроизведения формы линии ЭПР, линейность развертки оляризующего магнитного поля и его стабильность, а также не позволяет обеспечить надежное согласование хода развертки магнитного поля с переключением каналов 30 наг<опителя, что делает практически невозможным применение когерентного суммирования многократно регистрируемого сигнала ЭПР.

Кроме того, используемый в извест-З5 ном радиоспектрометре модуляционный способ регистрации спектров ЭПР приводит к дополнительным искажениям формы линии, обусловленным как конечной амплитудой, так и частотной моду-40 ляциями магнитного поля.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является радиоспектрометр ЭПР, содержащий блок

СВЧ, электромагнит с блоком питания, 45 рабочий резонатор, размещенный в зазоре между полюсами электромагнита и подключенный к блоку СВЧ, последовательно соединенные детектор СВЧ, приемник, аналого-цифровой преобра- 50 зователь и накопитель, подключенные к рабочему резонатору, а также цифроаналоговый преобразователь, блок цифровой развертки магнитного поля с переключателем амплитуды развертки, 55 катушку развертки, размещенную в зазоре между полюсами электромагнита, при этом блок цифровой развертки магнитного поля подключен информациончым входом к выходу цифроаналогового преобразователя, управляющими входами - к выходам переключателя амплитуды развертки и выходом — к катушке развертки.

Известный радиоспектрометр осуществляет безмодуляционный способ регистрации спектров ЭПР, основанный на одновременном воздействии на исследуемый образец постояйного магнитного поля, перпендикулярно ему сверхвысокочастотного магнитного поля, периодической, развертке постоянного магнитного поля, усилении продетектированного СВЧ детектором сигнала

ЭПР и его накоплении, осуществляемом синхронно с периодической разверткой магнитного поля, исключает искажение формы линии, присущее:модуляционному способу регистрации.

Цифровая развертка постоянного магнитного поля в известном радиоспектрометре обеспечивает высокую линейность развертки и достаточную для неискаженной регистрации формы линии стабильность магнитного поля, а также жесткую синхронизацию хода развертки с переключением каналов накопителя, что исключает искажение формы линии в процессе накопления спектров

ЭПР121, Разрешающая способность радиоспектрометра равная минимальному расстоянию между соседними линиями, которые могут быть раздельно зарегистрированы радиоспектрометром, зависит как от стабильности постоянного магнитного поля, так и от ширины канала накопителя. Ширина канала накопителя, равная значению интервала между двумя соседними уровнями квантования напряженности поляризующего магнитного поля, определяется блоком цифровой развертки магнитного поля и зависит от заданной амплитуды развертки и числа каналов накопителя, т.е. числа уровней квантования напряженности поляризующего магнитного поля в процессе его развертки.

В известном радиоспектрометре число каналов накопителя постоянно и не зависит от амплитуды развертки, вследствие чего ширина канала изменяется при изменении амплитуды развертки и может соответствовать значению абсолютной разрешающей способности радиоспектрометра, оп1114934

3 ределяемой стабильностью поляризую:-. щего магнитного поля лишь при некотором определенном значении амплитуды развертки. Регистрация ЭПР спектров при больших амплитудах развертки . 5 относительно этого значения приводит к ухудшению разрешения регистрируемых спектров по магнитному полю и, следовательно, к искажению формы линии. В случае меньших амплитуд раэ-!О вертки дальнейшее уменьшение ширины канала накопителя не обеспечивает соответствующее улучшение разрешения регистрируемых сигналов ЭПР по олю, так как в этом случае разрешаю- 15 ая способность радиоспектрометра ограничивается системой стабилизации магнитного поля. При этом избыточное число каналов накопителя ухудшает отношение сигнал/шум регист- 2р рируемых спектров ЭПР.

Цель изобретения — расширение диапазона разверток магнитного поля при одинаковой чувствительности измерений и увеличение чувствительности 25 с уменьшением амплитуды развертки.

Поставленная цель достигается тем, что в радиоспектрометр ЭПР, содержащий блок СВЧ, электромагнит с блоком питания, рабочий резонатор, размещенный в зазоре между полюсами электромагнита и подключенный к блоку СВЧ, последовательно соединенные детектор СВЧ, приемник, аналого-цифровой преобразователь и накопитель,под- 35 ключенные к рабочему резонатору, а также цифроаналоговый преобразователь, блок цифровой развертки магнитного поля с переключателем амплитуды развертки, катушку развертки, разме- 4о щенную в зазоре между полюсами электромагнита, при этом блок цифровой развертки магнитного поля подключен информационным входом к выходу цифроаналогового преобразователя, уп-45 равляющими входами — к выходам переключателя амплитуды развертки и выходом — к катушке развертки, дополнительно введен управляемый коммутатор цифровых сигналов, информацион- 50 ные входы которого подключены к выходам накопителя, управляющие входы — к выходам переключателя амплитуды развертки, а выходы — к установочным входам цифроаналогового пре- 55 образователя. Аналого-цифровой преобразователь выполнен интегрирующпм со статистическим усреднением.

На чертеже представлена блок-схема радиоспектрометра ЭПР.

Радиоспектрометр ЭПР содержит блок 1 СВЧ, соединенный с рабочим резонатором 2, который размещен в зазоре между полюсами электромагнита 3 последовательно включенные детектор 4 СВЧ, приемник 5, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь (AltII) 6 со статистическим усреднением и накопитель 7, а также блок 8 питания электромагнита, блок 9 цифровой развертки магнитного поля, цифроаналоговый преобразователь 10, переключатель 11 амплитуды развертки, катушку 12 развертки, размещенную в зазоре между полюсами электромагнита 3 и управляемый коммутатор 13 цифровых сигналов.

При этом вход детектора 4 СВЧ подключен к выходу рабочего резонатора 2, блок 9 цифровой развертки магнитного поля подключен информационным входом к выходу цифроаналогово го преобразователя 10, управляющими входами — к выходам переключателя 11 амплитуды развертки и выходом — к катушке -12 развертки, управляемый коммутатор 13 цифровых сигналов подключен информационными входами к вы- . ходам накопителя 7, управляющими входами — к выходам переключателя 11 амплитуды развертки и выходами— к установочным входам цифроаналогового преобразователя 10.

Радиоспектрометр работает следующим образом.

Мощность СВЧ, формируемая в блоке .1 СВЧ, подводится к рабочему резонатору 2 с исследуемым образцом, который расположен в зазоре между .полюсами электромагнита 3. Электромагнит 3 создает в рабочем резонаторе 2 с помощью блока 8 питания стабильное поляризующее магнитное поле..Задатчиком развертки является цифроаналоговый преобразователь 10, формирующий на выходе линейно изменяющееся напряжение треугольярй формы с нулевой постоянной составляющей.

Выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 10 поступает на вход блока 9 цифровой развертки поляризующего магнитного поля, соединенного по выходу с катушкой 12 развертки.

Сформированный на выходе детектора 4 СВЧ в результате развертки при.

1114934 б прохождении резонансного значения поляризующего магнитного поля сигнал ЭПР усиливается в приемнике 5.

Мгновенные значения этого сигнала при каждом дискретном значении поля- 5 ризующего магнитного поля преобразуются интегрирующим АЦП 6 в цифровую форму. Полученные цифровые эквиваленты мгновенных значений сигнала ЭПР записываются в соответствующие ячейки запоминающего устройства накопителя 7.

Когерентное суммирование преобразованных в цифровую форму спектров ЭПР, зарегистрированных при мно- .1 гократном прохождении резонансных условий, обеспечивает, за счет подавления шумов, обратно пропорциональных частоте СВЧ поля, значительное улучшение отношения сигнал/шум, по сравнению со случаем медленного однократного прохождения резонансного значения поляризующего магнитного поля, причем эффективность подавления возрастает с увеличением частоты раз- > вертки магнитного поля.

Число дискретных значений поляризующего магнитного поля и, следова— тельно, число каналов накопителя определяются управляемым коммутатором 13 30 цифровых сигналов. При максимальном значении амплитуды развертки, задаваемом переключателем 11, все выходные сигналы накопителя 7 проходят на установочные входы работающего в режиЗ ме последовательного реверсивного счета цифроаналогового преобразователя 10.

Выходной сигнал последнего представляет собой ступенчатое линейно изменяющееся напряжение, амплитуда которого 4п является постоянной и не зависит от заданного значения амплитуды развертки, а количество дискретных уровней в заданном случае является максимальным и выбирается из соображеиий обес-4 печения абсолютной разрешающей способности радиоспектрометра, определяемой системой стабилизации магнитного поля.

При уменьшении амплитуды развертки магнитного поля в 2 . раз, где

= О, I 2,... управляемый коммутатор 13 цифровых сигналов под воз— действием переключателя 1 1 амплитуды развертки отключает н младших установочных входов цифроаналогового преобразователя 10. При этом амплитуда выходного напряжения цифроаналогового преобразователя 10, работающего в режиме последовательного реверсивного счета, и время развертки сохраняются прежними, а число дискретных значений выходного напряжения уменьшается в 2 раз, что приводит к такому же увеличению значения интервала между двумя соседними уровнями квантования выходного напряжения и времени измерения мгновенного зна-, чения регистрируемого спектра ЭПР в каждом канале. Выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 10 поступает на информационный вход. блока 9 развертки, на управляющие входы которого заведены выходные сигналы переключателя 11 амплитуды развертки, обеспечивающие эквивалентное (в 2 раза) уменьшение выходного напряжения блока 9 развертки и, следовательно, такое же уменьшение величины интервала между двумя соседними уровнями квантования выходного напряжения, что обеспечивает сохранение прежнего значения абсолютной разрешающей способности радиоспектрометра.

Таким образом, изменение числа каналов накопителя 7 в соответствии с изменением амплитуды развертки обеспечивает сохранение постоянного значения абсолютной разрешающей способности радиоспектрометра ЭПР и при уменьшении амплитуды развертки приводит к соответствующему увеличению времени измерения Т„ мгновенного значения сигнала ЭПР в каждом канале.

В течение этого времени амплитуда сигнала U ЭПР имеет постоянное значение, а амплитуда помехи Ll представляет собой случайный сигнал с нормальным законом распределения.

При максимальном значении амплитуды развертки магнитного поля преобразование интегрирующим АЦП 6 мгновенного значения сигнала ЭПР в цифровую форму в каждом канале накопителя 7 выполняется за один цикл преобразования. При этом интегрирование выходного сигнала, осуществляемое

АЦП 6, приводит к сглаживанию всех быстрых, по сравнению с временем интегрирования, помех.

Уменьшение в N раз амплитуды развертки приводит к соответствующему увеличению времени измерения мгновенного значения сигнала ЭПР в каждом канале, преобразование которых осуществляется за Ы циклов преобразо1114

Составитель В.Майоршин

Техред И.Асталош коРРРектоР В.Бутяга

Редактор P.Öèöèêà

Заказ 6759/29 Тираж 822 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, 4 вания, а полученные в каждом цикле результаты усредняются. При этом значение соотношения сигнал/шум на выходе АЦП возрастает, что приводит к увеличению чувствительности радиоспектрометра при уменьшении амплитуды развертки поляризующего магнитного поля.

Экспериментальная проверка макета радиоспектрометра ЭПР подтверди- 1О ла целесообразность и возможность обеспечения постоянной для всех амплитуд развертки разрешающей способности радиоспектрометра за счет изменения числа каналов накопителя. В разрабо- 15 танном радиоспектрометре абсолютная разрешающая способность, равная

62 -10 Э сохраняется постоянной при

-з изменении амплитуды развертки в диапа934 8 зоне 4 Э 2 - 1024 Э, где n= 2, 3, ...,10. При этом число каналов накопителя изменяется от 1.6384 в случае максимальной амплитуды развертки до 64 — для амплитуды развертки, равной 4 Э Изменение числа отсчетов измеряемого АЦП мгновенных значений сигнала ЭПР в каждом канале от 1 до 256 при изменении амплитуды развертки от ее максимального значения до минимального обеспечивает сохранение высокой чувствительности радиоспектрометра ЭПР.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет сохранять высокую чувствительность измерений при исследовании различных веществ, когда требуются изменения амплитуд разверток магнитного поля.