Датчик импульсного радиоспектрометра

 

Изобретение относится к радиоспектроскопии. Датчик содержит параллельный колебательный контур, включающий конденсатор и последовательно включенные согласующую катушку индуктивности и катушку индуктивности с образцом, узел связи с передатчиком, индуктивно связанный с согласующей катушкой. Введены активный демпфер, индуктивно связанный с согласующей катушкой, узел связи с приемником, индуктивно связанный с согласующей катушкой, причем добротность и индуктивность согласующей катушки больше добротности и индуктивности катушки, плотно охватывающей образец. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности датчика. 1 ил.

Изобретение относится к радиоспектроскопии и может быть использовано в импульсных спектрометрах ядерного магнитного (ЯМР) и ядерного квадрупольного резонансов (ЯКР), а также в ЯМР - интроскопах для выделения полезного сигнала.

Известен датчик импульсных радиоспектрометров (1), использующий тороидальный ферритовый сердечник со щелью для установки образца вещества.

Недостатком такой конструкции датчика импульсного радиоспектрометра является недопустимо большое "мертвое" время после окончания импульса возбуждения, вследствие насыщения феррита, а также сильная зависимость магнитной проницаемости феррита от температуры.

Наиболее близким по технической сущности является датчик импульсного радиоспектрометра (2), включающий цепь связи параллельного колебательного контура с усилителем мощности, дифференциальный предусилитель сигнала, входы которого соединены с общей шиной через две пары встречно-параллельно включенных диодов и подсоединены к параллельному колебательному контуру, включающему конденсатор и катушку индуктивности. Катушка индуктивности выполнена в виде последовательно соединенных катушки с образцом и согласующей катушки, к точке соединения которых подключены дополнительный конденсатор и резистор.

Вторые выводы конденсатора и резистора подключены к общей шине. Цепь связи выполнена в виде катушки, индуктивно связанной с согласующей катушкой, при этом выполняются соотношения: L_o = L_c, C_o = C_д, где L_o и L_с, индуктивности катушки с образцом и согласующей катушки, С_о и С_д, емкости конденсатора и дополнительного конденсатора (2).

Недостатками известных датчиков импульсного радиоспектрометра является низкая чувствительность датчика и малая вероятность обнаружения слабого полезного сигнала при работе с малыми образцами исследуемого вещества.

Технический результат заявляемого изобретения состоит в повышении чувствительности датчика за счет улучшения соотношения сигнал/шум при работе с малыми образцами исследуемого вещества.

Поставленная цель достигается тем, что датчик импульсного радиоспектрометра содержит параллельный колебательный контур, включающий конденсатор и последовательно включенные согласующую катушку индуктивности и катушку индуктивности с образцом и узел связи с передатчиком, индуктивно связанный с согласующей катушкой.

Введение активного демпфера, индуктивно связанного с согласующей катушкой, узла связи с приемником, индуктивно связанного с согласующей катушкой, и выбор добротности и индуктивности согласующей катушки больше соответственно добротности и индуктивности катушки плотно охватывающей образец позволило решить поставленную задачу.

На чертеже изображена схема датчика импульсного радиоспектрометра.

Датчик импульсного радиоспектрометра состоит из параллельного колебательного контура 1, содержащего согласующую катушку индуктивности 2, катушку индуктивности с образцом 3, конденсатор 4, первую катушку индуктивности связи 5, узел связи с передатчиком 6, вторую катушку индуктивности связи 7, узел связи с приемником 8, активный демпфер 9, третью катушку индуктивности связи 10.

Узел связи с передатчиком 6 подключен к первой катушке индуктивности связи 5. Вход узла связи с передатчиком является первым входом датчика импульсного радиоспектрометра.

Узел связи с приемником 8 подключен ко второй катушке индуктивности связи 7. Выход узла связи с приемником является выходом датчика импульсного радиоспектрометра.

Активный демпфер 9 подключен к третьей катушке индуктивности связи 10. Вход активного демпфера является вторым входом датчика импульсного радиоспектрометра.

Узел связи с передатчиком 6 состоит из первого диода 11, второго диода 12, третьего диода 13, четвертого диода 14, причем одна точка соединения пары встречно-параллельно включенных первого и второго диодов 11 и 12 является первым входом датчика импульсного радиоспектрометра, а другая точка соединения встречно-параллельно включенных первого 11 и второго 12 диодов подключена к первому выводу первой катушки индуктивности связи 5, второй вывод первой катушки индуктивности 5 подключен к точке соединения второй пары встречно-параллельно включенных третьего и четвертого диодов 13 и 14, другая точка соединения которых заземлена.

Узел связи с приемником 8 состоит из конденсатора 15, встречно-параллельно включенных пятого и шестого диодов 16 и 17, одна точка соединения которых подключена к одному выводу конденсатора 15 и является выходом датчика импульсного радиоспектрометра, другой вывод конденсатора 15 подключен к первому выводу катушки индуктивности связи 7, второй вывод второй катушки индуктивности связи 7 подключен ко второй точке соединения встречно-параллельно включенных пятого и шестого диодов 16 и 17, которая заземлена.

Датчик работает следующим образом: в режиме возбуждения импульс передатчика открывает первый, второй, третий и четвертый диоды 11, 12, 13, 14 и через первую катушку индуктивности связи 5 возбуждает параллельный контур 1. В параллельном контуре 1 циркулирует большой ток вследствие его высокой добротности. Диаметр согласующей катушки индуктивности 2 больше диаметра катушки индуктивности с образцом 3, следовательно протекающий через них ток создает большую напряженность магнитного поля в катушке индуктивности с образцом 3, так как напряженность магнитного поля внутри катушки индуктивности обратно пропорциональна ее диаметру. Следовательно, для обеспечения необходимой напряженности магнитного поля внутри катушки индуктивности с образцом 3 потребуется небольшая мощность передатчика.

Индуктивность катушки индуктивности с образцом 3 значительно меньше индуктивности согласующей катушки индуктивности 2, следовательно падение напряжения на катушке индуктивности с образцом 3 мало и соответственно нет пьезоэлектрического звона образца.

После окончания возбуждающего импульса минимальное время гашения собственных колебаний контура обеспечивает активный демпфер 9, включенный в параллельный контур 1 через третью катушку индуктивности связи 10. Так как параллельный контур 1 не содержит элементов, входящих в насыщение во время возбуждающего импульса, гашение собственных колебаний осуществляется за короткое время.

После возбуждения испытуемый образец, помещенный в катушку индуктивности с образцом 3 датчика импульсного радиоспектрометра, наводит на ней напряжение, определяемое по формуле: U = 2π•f•μ_o•M_o•n•S•K•Q, где f - частота ЯКР, μ_o - магнитная постоянная вакуума, М_о - намагниченность возбужденного невырожденного перехода, n - число витков катушки,
S - площадь витка,
К - коэффициент заполнения катушки образцом.

К=V_обр/V_кат,
где V_обр - объем испытуемого образца,
V_кат - объем катушки,
Q - добротность контура.

Из формулы видно, что напряжение сигнала на катушке индуктивности с образцом 3, а значит и соотношение сигнал/шум, прямо пропорционально как коэффициенту заполнения катушки К, так и ее добротности Q.

При работе с малыми образцами возникает противоречие между К и Q. Если катушка плотно охватывает образец, то К близок к 1, но вследствие малых размеров катушки получить достаточно высокое значение Q невозможно из-за сопротивления провода и большой межвитковой емкости. Наоборот, если катушка имеет достаточно большой диаметр и, следовательно большое Q, то величина К падает и становится существенно меньше 1. Таким образом отношение сигнал/шум получается невысоким.

Добротность параллельного контура 1, образованного согласующей катушкой индуктивности 2, катушкой индуктивности с образцом 3 и конденсатором 4 и определяемая как:

где L=L_c+L_o,
L_c - индуктивность согласующей катушки 2,
L_o - индуктивность катушки с образцом 3,
С - емкость конденсатора 4,
R - полное сопротивление потерь является достаточно высокой, так как суммарная индуктивность согласующей катушки 2 и катушки индуктивности с образцом 3 высока за счет большой индуктивности согласующей катушки 2, которая больше индуктивности катушки индуктивности с образцом 3. Параллельный контур 1, образованный согласующей катушкой индуктивности 2 и катушкой индуктивности с образцом 3, имеющий высокую добротность, настроен на частоту ЯКР исследуемого образца и предназначен для приема ЯКР-сигнала от возбужденного образца. Максимальная величина отношения сигнал/шум обеспечивается с одной стороны тем, что образец плотно охвачен витками катушки индуктивности с образцом 3, и с другой стороны - высокой добротностью контура, что обеспечивается согласующей катушкой индуктивности 2. Связь параллельного контура 1 осуществляется через третью катушку индуктивности связи 10 и узел связи с приемником 8.

Таким образом, предлагаемый датчик импульсного радиоспектрометра обеспечивает улучшение соотношения сигнал/шум при работе с малыми массами образцов исследуемого вещества, за счет увеличения добротности и коэффициента заполнения и уменьшения пьезоэлектрического звона образца.

Литература
1. R. A. Marino, J.C. Harding, J.R. and S.M. Klainer "Enhanced coupling to small NQR samples using ferrite coils", Journal of Molecular Structure, 58 (1980), pp.79-83.

2. А.С. 1485095 (заявка 4215610 от 25.03.87 г.), Ф.Ф. Кубайдуллин и А.Н. Гильманов Датчик импульсного радиоспектрометра.

Формула изобретения

Датчик импульсного радиоспектрометра, содержащий параллельный колебательный контур, включающий конденсатор и последовательно включенные согласующую катушку индуктивности и катушку индуктивности с образцом, узел связи с передатчиком, индуктивно связанный с согласующей катушкой, отличающийся тем, что введены активный демпфер, индуктивно связанный с согласующей катушкой, узел связи с приемником, индуктивно связанный с согласующей катушкой, причем добротность и индуктивность согласующей катушки больше добротности и индуктивности катушки, плотно охватывающей образец.

РИСУНКИ

Рисунок 1