Спектрометр электронного парамагнитного резонанса



Спектрометр электронного парамагнитного резонанса
Спектрометр электронного парамагнитного резонанса

 


Владельцы патента RU 2411529:

Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН (RU)

Изобретение относится к технике спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Спектрометр ЭПР содержит генератор (1) сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона 90-100 ГГц, микроволновый мост (20), систему транспортировки микроволновой мощности на образец в виде последовательно установленных первого 3 мм волновода (2), первой рупорной антенны (3), по меньшей мере одной диэлектрической линзы (4), второй рупорной антенны (5), обращенной рупором к рупору первой рупорной антенны (3), и второго 3 мм волновода (6). Спектрометр также включает резонатор (7), снабженный поршнем (8) и держателем (9) для образца, детектор микроволнового сигнала (10), синхронный детектор (11), генератор (12) модуляции магнитного поля, модуляционные катушки (13), блок развертки магнитного поля (14), сверхпроводящий магнит (15), криогенную систему (16) для поддержания температуры жидкого гелия, снабженную оптическим окном (17), и блок управления (18). В криогенной системе (16) размещены сверхпроводящий магнит (15), модуляционные катушки (13), вторая рупорная антенна (5), второй 3 мм волновод (6) и резонатор (7). Вторая рупорная антенна (5) установлена против оптического окна (17) криогенной системы и через второй 3 мм волновод (5) соединена с резонатором через отверстие связи, первая рупорная антенна (3) и по меньшей мере одна диэлектрическая линза (4) установлены снаружи криогенной системы (16) против его оптического окна (17). Технический результат -уменьшенные тепловые потери в криостате и уменьшенное количество отраженной микроволновой мощности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к технике спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может найти применение при исследованиях конденсированных материалов и наноструктур методом ЭПР в физике, химии, биологии и др. областях.

Известен спектрометр электронного парамагнитного резонанса (см. патент US №6504367, МПК G01R 33/60, опубликован 07.01.2003), содержащий микроволновый мост, включающий источник СВЧ-излучения, аттенюатор и элемент для фазового сдвига, выход источника СВЧ-излучения соединен с одним плечом циркулятора или Т-моста, второе плечо которого соединено с резонатором через диафрагму связи, третье плечо подсоединено к детектору СВЧ. Выход детектора СВЧ подключен к входу синхронного детектора, второй вход указанного синхронного детектора подключен к выходу модулятора большой амплитуды, способного производить модуляцию поля с большой амплитудой, не менее 20 гаусс. Второй выход указанного модулятора подсоединен к катушкам модуляции, приспособленным для создания высоких амплитуд модуляции поля и связанных с резонатором. Выход синхронного детектора подают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен к компьютеру, резонатор размещен в магнитном поле в центре между полюсами магнита.

Недостатком устройства является отсутствие криогенной системы и конструктивного решения подачи микроволновой мощности в такую систему, а также магнитной системы в виде сверхпроводящих соленоидов, позволяющей создавать магнитное поле более 3 Тл, что необходимо для наблюдения спектров ЭПР в 3 мм диапазоне с частотой выше 90 ГГц. Для наблюдения сигнала ЭПР с типичным g-фактором g=2 при частоте 95 ГГц требуется магнитное поле 3,3 Тл. Отсутствие криогенной системы и магнитной системы в виде сверхпроводящих соленоидов не позволяет регистрировать сигналы ЭПР большинства парамагнитных объектов на частотах выше 90 ГГц.

Известен спектрометр электронного парамагнитного резонанса (см. заявка РСТ № WO 200809136, МПК G01R 33/60, опубликована 31.07.2008), включающий средства для постоянного облучения образца радиочастотным полем, средства для приложения к образцу синусоидально изменяющегося магнитного поля с вращающимися градиентами для пространственного кодирования, средства для прямого детектирования сигналов от образца без использования модуляции поля при непрерывном облучении образца радиочастотным излучением. Средства прямого детектирования включают средства развертки синусоидально меняющегося магнитного поля и средства обработки сигналов, включая цифровой процессор сигнала.

Недостатком известного устройства является отсутствие криогенной системы и конструктивного решения подачи микроволновой мощности в такую систему, а также магнитной системы в виде сверхпроводящих соленоидов, позволяющей создавать магнитное поле более 3 Тл, что необходимо для 3 мм диапазона с частотой выше 90 ГГц. Для наблюдения сигнала ЭПР с типичным g-фактором g=2 при частоте 95 ГГц требуется магнитное поле 3,3 Тл. Отсутствие криогенной системы и магнитной системы в виде сверхпроводящих соленоидов не позволяет регистрировать сигналы ЭПР большинства парамагнитных объектов на частотах выше 90 ГГц.

Известен спектрометр ЭПР 3 мм диапазона, выпускаемый фирмой Брукер (см. BRUKER ELEXSIS - Electron Paramagnetic resonance E 600/680 User's Manual, Version 1 26, Written by G.G.Maresch 02.11.2004, Bruker Analytic GmbH, Rheinstetten, Germany), содержащий генератор микроволнового канала СВЧ-диапазона, криогенную систему с температурой жидкого гелия и сверхпроводящий магнит, одномодовый резонатор, в который помещается образец и систему регистрации ЭПР по микроволновому каналу.

Недостатком известного устройства является недостаточная чувствительность, так как в нем использован длинный микроволновый тракт (более двух метров), включающий волноводные системы двух диапазонов (3 см, 3 мм) с соответствующими переходами между волноводами, приводящих к потерям микроволновой мощности и к появлению многочисленных отражений на границах волноводных систем.

Известен спектрометр электронного парамагнитного резонанса (см. Н.J.van der Meer, J.А. J.М.Disselhorst, J.Allgeier, J.Schmidt and W.Th.Wenckebach, Meas. Sci. Technol., 1, pp.396-400 (1990), J.A.J.М.Disselhorst, H.J.van der Meer, O.G.Poluektov, and J.Schmidt, J.Magn.Reson., Ser. A 115, pp.183-188, 1995), совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Спектрометр-прототип включает генератор сверхвысокой частоты микроволнового излучения 3 мм диапазона с частотой 94,9 ГГц, систему транспортировки микроволновой мощности на образец в виде комбинации волноводов 3 мм, 8 мм и 3 см диапазонов, криогенную систему с температурой жидкого гелия 2 К, сверхпроводящий магнит, систему оптического возбуждения образца в вертикальном направлении через нижнее окно криостата. В устройстве-прототипе сигнал ЭПР регистрируют по сигналу электронного спинового эха в микроволновом канале с помощью приемника микроволнового излучения.

Недостатком спектрометра-прототипа является длинный микроволновый тракт (более двух метров), включающий волноводные системы трех диапазонов (3 см, 8 мм, 3 мм) с соответствующими переходами между волноводами, приводящий к потерям микроволновой мощности и к появлению многочисленных отражений на границах волноводных систем. Наличие волноводной системы неизбежно приводит к значительным тепловым потерям и вызывает дополнительные трудности по изготовлению теплового затвора в виде дополнительного участка волновода из материала с малой теплопроводностью.

Задачей заявляемого изобретения являлась разработка такого спектрометра электронного парамагнитного резонанса, который бы имел уменьшенные тепловые потери в криостате и уменьшенное количество отражений микроволновой мощности.

Поставленная задача решается тем, что спектрометр электронного парамагнитного резонанса содержит генератор сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона 90-100 ГГц, систему транспортировки микроволновой мощности на образец, резонатор, снабженный поршнем и держателем для образца, детектор микроволнового сигнала, синхронный детектор, генератор модуляции магнитного поля, модуляционные катушки, блок развертки магнитного поля, сверхпроводящий магнит, криогенную систему для поддержания температуры жидкого гелия, снабженную оптическим окном, и блок управления. Система транспортировки микроволновой мощности на образец выполнена в виде последовательно установленных первого 3 мм волновода, первой рупорной антенны, по меньшей мере одной диэлектрической линзы, второй рупорной антенны, обращенной рупором к рупору первой рупорной антенны, и второго 3 мм волновода. В криогенной системе размещены сверхпроводящий магнит, модуляционные катушки, вторая рупорная антенна, второй 3 мм волновод и резонатор. Вторая рупорная антенна установлена против оптического окна криогенной системы и через второй 3 мм волновод соединена с резонатором через отверстие связи. Первая рупорная антенна и по меньшей мере одна диэлектрическая линза установлены снаружи криогенной системы против его оптического окна. Генератор СВЧ диапазона соединен с входом детектора микроволнового сигнала, выход которого подключен к первому входу синхронного детектора. Вход/выход синхронного детектора соединен с первым входом/выходом блока управления, а второй вход синхронного детектора подключен к первому выходу генератора модуляции магнитного поля, второй выход которого соединен с модуляционными катушками. Выход блока управления подключен к входу блока развертки магнитного поля, который соединен со сверхпроводящим магнитом.

Заявляемый спектрометр для измерения фото ЭПР или регистрации оптически детектируемого магнитного резонанса может содержать источник света, оптически соединенный через поворотную призму или зеркало с отверстием связи в резонаторе.

Диэлектрическая линза в спектрометре может быть выполнена, например, из фторопласта.

Использование высокой частоты 90-110 ГГц позволяет применить в заявляемом спектрометре квазиоптический тракт вместо волноводного и, таким образом, подавать микроволновую мощность на образец непосредственно через окно оптического криостата. Использование квазиоптического тракта обеспечивает уменьшение тепловых потерь в криостате и уменьшение количества отражений микроволновой мощности.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, где

на фиг.1 представлена схема заявляемого спектрометра ЭПР,

на фиг.2 приведен спектр ЭПР, зарегистрированный на заявляемом спектрометре ЭПР.

Заявляемый спектрометр ЭПР (см. фиг.1) содержит генератор 1 сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона 90-100 ГГц (ГСВЧ) и систему транспортировки микроволновой мощности на образец, выполненную в виде последовательно установленных первого 3 мм волновода 2, первой рупорной антенны 3, по меньшей мере одной диэлектрической линзы 4, второй рупорной антенны 5, обращенной рупором к рупору первой рупорной антенны 3, и второго 3 мм волновода 6. Заявляемый спектрометр также содержит резонатор 7, снабженный поршнем 8 и держателем 9 для образца, детектор 10 микроволнового сигнала (ДМС), синхронный детектор 11 (СД), генератор 12 модуляции магнитного поля (ГММП), модуляционные катушки 13, блок 14 развертки магнитного поля (БРМ), сверхпроводящий магнит 15, криогенную систему 16 для поддержания температуры жидкого гелия, снабженную оптическим окном 17, и блок управления 13 (БУ). Диэлектрическая линза 4 может быть изготовлена из фторопласта (или из другого материала, пригодного для фокусировки микроволнового излучения). Сверхпроводящий магнит 15, модуляционные катушки 13, вторая рупорная антенна 5, второй 3 мм волновод 6 и резонатор 7 размещены в криогенной системе. Вторая рупорная антенна 5 установлена против оптического окна 17 криогенной системы и через второй 3 мм волновод 6 соединена с резонатором 7 через отверстие 19 связи. Настройку резонатора 7 на частоту микроволновой мощности производят поршнем 6, который служит нижней стенкой резонатора 7. Первая рупорная антенна 3 и по меньшей мере одна диэлектрическая линза 4 установлены снаружи криогенной системы против его оптического окна 17. ГСВЧ 1 соединен с микроволновым мостом 20 (MM), который соединен с первой рупорной антенной 3 через первый 3 мм волновод 2, MM 20 соединен также с входом ДМС 10, выход которого подключен к первому входу СД 11. Вход/выход СД 11 соединен с первым входом/выходом БУ 18, а второй вход СД 11 подключен к первому выходу ГММП 12, второй выход которого соединен с модуляционными катушками 13. Выход БУ 18 подключен к входу БРМ 14, который соединен со сверхпроводящим магнитом 15.

Заявляемый спектрометр ЭПР работает следующим образом. Сигнал микроволновой мощности из ГСВЧ 1 поступает через ММ 20, через первый 3 мм волновод 2, первую рупорную антенну 3, по меньшей мере одну диэлектрическую линзу 4, вторую рупорную антенну 5 и второй 3 мм волновод 6 на образец, укрепленный на держателе 9. Отраженный от резонатора 7 сигнал микроволновой мощности поступает в обратном направлении через второй 3 мм волновод 6, вторую рупорную антенну 5, по меньшей мере одну диэлектрическую линзу 4, первую рупорную антенну 3 и второй 3 мм волновод 2, MM 20 на ДМС 10. При этом вторая рупорная антенна 5 выполняет роль передающей антенны, а первая рупорная антенна 3 выполняет роль приемной. Затем сигнал поступает на СД 11 (имеющий в составе усилитель). Одновременно туда же поступает сигнал с ГММП 12, питающий модуляционные катушки 13, а далее сигнал поступает на БУ 13, обычно представляющий собой контроллер, включающий процессор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), который управляет также БРМ 14 и может быть подключен к компьютеру 21 (К) через USB-порт. В К 21 сигнал обрабатывается и выводится на интерфейс К 21 в виде спектра ЭПР (см. фиг.2). Для измерения сигнала фото ЭПР или регистрации оптически детектируемого магнитного резонанса оптическое возбуждение от источника света 22 поступает с помощью поворотной призмы 23 (или зеркала) через отверстие 19 связи в резонаторе 7 на образец.

Был изготовлен опытный образец заявляемого спектрометра ЭПР, работающий на частоте 94 ГГц, в котором использовался участок квазиоптического тракта, позволяющий подавать микроволновую мощность в одномодовый резонатор, регистрация спектра ЭПР осуществлялась при комнатной температуре на специально подобранном образце, позволяющем наблюдать сигнал ЭПР в низких магнитных полях, для создания которых использовался электромагнит стандартного спектрометра ЭПР 3 см диапазона. Для регистрации сигнала ЭПР на частоте 94 ГГц использовалась модуляция магнитного поля на частоте 100 кГц.

1. Спектрометр электронного парамагнитного резонанса, включающий генератор сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона 90-100 ГГц, микроволновый мост, систему транспортировки микроволновой мощности на образец в виде последовательно установленных первого 3 мм волновода, первой рупорной антенны, по меньшей мере одной диэлектрической линзы, второй рупорной антенны, обращенной рупором к рупору первой рупорной антенны, и второго 3 мм волновода, резонатор, снабженный поршнем и держателем для образца, детектор микроволнового сигнала, синхронный детектор, генератор модуляции магнитного поля, модуляционные катушки, блок развертки магнитного поля, сверхпроводящий магнит, криогенную систему для поддержания температуры жидкого гелия, снабженную оптическим окном, и блок управления, при этом в криогенной системе размещены сверхпроводящий магнит, модуляционные катушки, вторая рупорная антенна, второй 3 мм волновод и резонатор, вторая рупорная антенна установлена против оптического окна криогенной системы и через второй 3 мм волновод соединена с резонатором через отверстие связи, первая рупорная антенна и по меньшей мере одна диэлектрическая линза установлены снаружи криогенной системы против его оптического окна, генератор СВЧ диапазона соединен с первой рупорной антенной через микроволновый мост, который, в свою очередь, соединен с входом детектора микроволнового сигнала, выход которого подключен к первому входу синхронного детектора, вход/выход которого соединен с первым входом/выходом блока управления, а второй вход синхронного детектора подключен к первому выходу генератора модуляции магнитного поля, второй выход которого соединен с модуляционными катушками, выход блока управления подключен к входу блока развертки магнитного поля, который соединен со сверхпроводящим магнитом.

2. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что он содержит источник света, оптически соединенный через поворотную призму или зеркало с отверстием связи в резонаторе.

3. Спектрометр по п.1, отличающееся тем, что диэлектрическая линза выполнена из фторопласта.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) при исследованиях наноструктур методом ЭПР. .

Изобретение относится к технике спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), может использоваться при изготовлении и настройке спектрометров ЭПР 3 мм диапазона, а также для контрольно-проверочных работ на спектрометрах 3 мм диапазона во время их эксплуатации.

Изобретение относится к области медицины и касается области фармации, а именно идентификации, оценки качества и безопасности оригинальных и воспроизведенных лекарственных средств.

Изобретение относится к технологии производства изделий из сшитого полиэтилена и может быть использовано при изготовлении полиэтиленовой кабельной изоляции, труб для тепло-водо-газоснабжения, а также других изделий из данного материала.
Изобретение относится к области контроля упругих свойств углеродных волокон. .

Изобретение относится к области радиоспектроскопии и может быть использовано в системах обработки импульсных сигналов. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению переменных магнитных величин веществ на основе электронного парамагнитного резонанса. .

Изобретение относится к устройству ячеек для исследования короткоживущих парамагнитных частиц, образующихся при электролизе в жидкости, путем электронного парамагнитного резонанса и может быть использована для исследования электронного строения парамагнитных частиц, электрохимических и фотохимических реакций.

Изобретение относится к технике спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может найти применение при исследованиях методом ЭПР в физике, химии, биологии, и др.

Изобретение относится к технике спектроскопии электронного парамагнитного резонанса /ЭПР/ и может найти применение при исследованиях методом ЭПР в физике, химии, биологии, геологии, медицине, и др.

Изобретение относится к технике спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может найти применение при исследованиях конденсированных материалов и наноструктур методом ЭПР в физике, химии, биологии и др

Изобретение относится к физико-химическим методам анализа, а именно к способам определения примесей соединений азота, в частности нитратов и нитритов, в гидроксиапатитах (далее ГАП)

Использование: для выявления наиболее чистых видов кварцевого сырья. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют выбор мономинеральной пробы кварца, измельчение и отквартовывание трех образцов. Каждый образец подвергают облучению γ-квантами дозой 10±1×106 Гр. В первом образце после облучения определяют содержание изоморфных структурных Al-O- центров в кварце. Третий образец перед облучением подвергают температурной обработке при 590-650°C в течение 20-30 мин и определяют полное содержание структурных Al-O- центров в кварце. Третий образец перед облучением активируют СВЧ-полями мощностью 700-800 Вт в течение 3-5 мин, подвергают температурной обработке при 590-650°C в течение 20-30 мин и определяют содержание подвижных структурных Al-O- центров в кварце. Затем определяют показатель обогатимости кварца, C1 - содержание изоморфных структурных Al-O- центров в кварце, C2 - полное содержание структурных Al-O- центров в кварце, C3 - содержание подвижных структурных Al-O- центров в кварце, и при значении показателя обогатимости 0,5-1 судят о высоком качестве кварцевого сырья. Технический результат: повышение точности и экспрессности, а также упрощение процесса оценки качества кварцевого сырья. 1 табл.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при изготовлении спектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Спектрометр содержит сигнальный 1 и гетеродинный 2 генераторы СВЧ, измерительный аттенюатор 3, смесители опорного 4 и сигнального 5 каналов, циркулятор 6 с измерительным резонатором 7, УПЧ 8 опорного и УПЧ 9 сигнального каналов, фазочастотные дискриминаторы 10 и 11, делители частоты 12 и 13, синхронные детекторы 14 и 15, фазовращатели 16 и 17, элемент перестройки резонансной частоты измерительного резонатора 18, делители СВЧ мощности 19 и 20, трехпозиционный переключатель 21 режимов работы, устройство синтеза опорных частот 22, опорный генератор 23. Технический результат - упрощение устройства, уменьшение его габаритов, снижение потребляемой мощности и фазовых шумов генератора СВЧ. 1 ил.

Использование: для определения позиций примесей соединений азота в гидроксиапатитах. Сущность изобретения заключается в том, что облучают образец гидроксиапатита рентгеновскими, гамма- или электронными лучами с последующей регистрацией методом ЭПР возникших при облучении парамагнитных центров на сертифицированном ЭПР спектрометре, вычисляют спектральные характеристики наблюдаемого спектра ЭПР (число наблюдаемых линий и их положение) с контролем погрешности измерений и сравнивают полученные спектральные характеристики со спектральными характеристиками азотных радикалов, при этом производят дополнительное сравнение полученных ранее спектральных характеристик со спектральными характеристиками азотных радикалов в различных позициях, замещающих функциональные группы OH и(или) PO4 в структуре гидроксиапатита, в частности, с возможностью определения мест(а) внедрения (замещения) примесей соединений азота в структуру гидроксиапатита. Технический результат: обеспечение возможности определения позиций примесей соединений азота в гидроксиапатитах. 1 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при изготовлении спектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Когерентный супергетеродинный спектрометр электронного парамагнитного резонанса содержит устройство суммирования напряжений, генератор модуляции, синхронный детектор, фазовращатель сигнала модуляции и двухпозиционный переключатель, а первый фазовращатель выполнен управляемым, причем один из входов устройства суммирования напряжений соединен с общим контактом первой секции двухполюсного переключателя, второй - с общим контактом двухпозиционного переключателя, а выход - с управляющим частотой электродом сигнального генератора СВЧ, выход генератора модуляции соединен с одним из переключаемых контактов двухпозиционного переключателя и со входом фазовращателя сигнала модуляции, выход которого соединен с опорным входом дополнительного синхронного детектора, сигнальный вход которого соединен с выходом второго синхронного детектора, частота сигнала генератора модуляции меньше граничной частоты полосы пропускания петли ФАПЧ гетеродинного генератора, но больше граничной частоты полосы пропускания петли ФАПЧ сигнального генератора. Технический результат заключается в возможности обеспечения однозначной, в том числе автоматической, настройки фазовых соотношений, приводящих к точному разделению квадратурных компонент сигнала. 1 ил.

Изобретение относится к нанотехнологиям и может быть использовано в области разработки материалов на основе алмаза для магнитометрии, квантовой оптики, биомедицины, а также в информационных технологиях, основанных на квантовых свойствах спинов и одиночных фотонов. Способ определения ориентации NV дефектов в кристалле алмаза включает помещение образца кристалла алмаза во внешнее магнитное поле, воздействие на образец микроволновым излучением, облучение рабочего объема образца сфокусированным лазерным излучением, возбуждающим в рабочем объеме образца фотолюминесценцию, по которой регистрируют сигнал оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР), который создают путем развертки частоты микроволнового излучения и модуляции внешнего магнитного поля. Измеряют спектры ОДМР NV дефекта в кристалле алмаза при разных ориентациях кристалла алмаза относительного внешнего магнитного поля. Сравнивают полученные зависимости линий ОДМР с рассчитанными положениями линий NV дефекта в кристалле алмаза в магнитном поле. Затем определяют ориентацию NV дефекта по величине отклонения положения линий NV дефекта от рассчитанных положений линий. Способ является простым по выполнению и не требует использования сложного устройства. 3 ил., 2 пр.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при изготовлении спектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Спектрометр содержит сигнальный 1 и гетеродинный 2 генераторы СВЧ, измерительный аттенюатор 3, смеситель опорного 4 и сигнального 5 каналов, циркулятор 6, измерительный резонатор 7 с элементом перестройки его резонансной частоты 8, УПЧ опорного 9 и сигнального 10 каналов, фазочастотные дискриминаторы 11 и 12, делители частоты 13 и 14, синхронные детекторы 15 и 16, опорный генератор 17, устройство синтеза частот 18, трехпозиционный переключатель 19, импульсный модулятор фазы 20, усилитель переменного тока 21 и импульсный демодулятор 22. Технический результат - повышение точности работы системы автоподстойки частоты сигнального генератора и резонансной частоты измерительного резонатора. 1 ил.
Наверх