Способ детектирования сигналов в спектрометре электронного парамагнитного резонанса

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ

Сеоз Соввтских

Социалистических

Реслублик (61) Дополнительное к авт. сеид-ву в 741133 (22) Заявлено 2902.80 (21) 2888369/18-25 (51)hA с присоединением заявки HP

G 01 N 24/10

Государствеииый комитет

СССР ио венам изобретеиий и открытий (23) Приоритет»

Опубликовано 15.1081. Бюллетень Но 38

Дата опубликования описания 15Д 081 (53) УДК 538.»3 (088. 8) . . и., и Н.Ф. Ширкова (!

Специальное конструкторско-технологиче кое бюро

Донецкого физико-технического институт Ан Украинслой ссР ( (72) Авторы мзобретения (73) Заявитель (54) СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ В СПЕКТРОМЕТРЕ .ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

Изобретение относится к исследо ванию магнитных свойств вещества,конкретно - к анализу веществ с использованием электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

По основному авт. св. Р 741133 известен способ детектирования сигнала в спектрометре ЭПР, при котором

s реэонаторе с парамагнитным образцом, помещенном в.поляризующее магнитное поле, создают сверхвысокочас» тотное магнитное поле, осуществляют высокочастотную модуляцию, а сигнал, обусловленный электронным парамагнитным резонансом, детектируют СВЧ- 15 детектором, усиливают избирательным усилителем, детектируют высокочастотHblM синхронным детектором, демодулируют низкочастотным демодулятором. и подают на регистрирующее устрой- 20 ство. Величину поляриэующего магнитного поля выбирают вблизи линии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и модулируют это поле низкочастотными прямоугольными импульса- 25 ми, амплитуду которых выбирают такой, чтобы наблюдался сигнал ЭПР, и после детектирования высокочастотным синхронным детектором выделяют полезный сигнал фильтром. Амплитуду ннзкочас» 30 тотных прямоугольных импульсов изме-. няют во времени от.нулевого до максимального значения, которое выбирают таким, чтобы зарегистрировать весь сигнал ЭПР. Полезную информацию о сигнале ЭПР получают только в момент действия низкочастотных прямоугольных .импульсов модуляции магнитного поля, т.е. в течение половины времени записи спектра ЭПР. Вторую половину времени можно было бы использовать для визуального представления спектра ЭПР на экране осциллографа. Наблюдение спектра ЭПР в процессе записи

его на регистрирующем приборе позволит оперативно управлять скоростью развертки в процессе записи спектра, в результате чего увеличивается производительность снектрометра (1).

Однако в данном способе произво.дительность спектрометра является невысокой.

Цель изобретения — повышение производительности спектрометра путем сокращения времени регистрации спектра ЭПР.

Поставленная цель достигается тем, что в способе детектирования сигналов в спектрометре ЭПР дополнительно осуществляют пилообразную раз873080 вертку поляриэующего магнитного поля с амплитудой, равной максимальной амплитуде прямоугольных импульсов поляризующего магнитного поля, в интервале между этими импульсами.

На фиг. 1 представлена зависимость поглощаемой мощности СВЧ от величины поляризующего магнитного поля (эффект

ЭПР) и изменение напряженности этого поля при наложении прямоугольных импульсов НЧ модуляции, паузы между которыми э полнены пилообразной разверткой (пилообразно-прямоугольная модуляция); .(высокочастотная синусоидальная модуляция магнитного поля (а) не показана; б — напряжение на выходе вы докочастотного синхронного детектора; в — выходное напряжение

ВЧ синхронного детектора после компенсации синхронной наводки; r — напряжение на выходе синхронного фильтра; д — напряжение на выходе низкочастотного синхронного детектора, т.е. сигнал ЭПР. На фиг. 2 изображен вариант схемы устройства, реализующего данный способ.

Устройство содержит СВЧ-генератор

1, генератор 2 высокочастотной .(ВЧ) модуляции с катушкой 3 высокочастотной модуляции поля, катушку 4 низкочастотной модуляции поля с источником

5 питания, генератор 6 низкочастотной (НЧ) модуляции пилообразно-прямоугольной формы, сверхпроводящий соленоид 7 с источником 8 питания, с помощью которого создают поляриэующее магнитное поле, резонатор 9 с парамагнитным образцом, помещенный в поляриэующее магнитное поле, СВЧдетектор 10, избирательный усилитель

11, высокочастотный синхронный (ВЧ) детектор 12, усилитель 13 постоянного тока (уПТ),цепь 14 отрицательной обратной связи, состоящая иэ переключающего устройства 15 и интегратора

16, осциллограф 17, синхронный фильтр

18, низкочастотный синхронный детектор 19, регистрирующий прибор 20 и сумматор 21. Опорный сигнал синхронного детектора 12 задается генератором 2 модуляции ВЧ. Генератор

6 НЧ модуляции вырабатывает опорный сигнал для переключающего устройства 15, синхронного фильтра 18 и НЧ синхронного детектора 19. Сигнал горизонтальной развертки регистрирующего прибора 20 задается генератором

6 °

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Резонатор с исследуемым парамагнитным образцом помещают в поляризующее магнитное поле напряженностью

Нр, которое создают, например, сверхпроводящим соленоидом. На поляризующее магнитное поле накладывают высокочастотную синусоцуальную модуляцию,с амплитудой много меньше ширины линии ЭПР, и низкочастотную пило5

65 образно-прямоугольную модуляцию (ППМ) .

Амплитуду прямоугольных импульсов изменяют во времени от нулевого до максимального значения, которое выбирают таким, чтобы зарегистрировать весь сигнал ЭПР, амплитуду пилообразных импульсов выбирают равной максимальной амплитуде прямоугольных импульсов, а величину поляриэующего магнитного поля устанавливают так, чтобы максимум линии ЭПР соответствовал середине пилообразной развертки.

Поглощение СВЧ-мощности при эффекте

ЭПР приводит к изменению мощности, подводимой к детектору СВЧ. В результате действия СВЧ модуляции магнитного поля выходное напряжение детектора

СВЧ содержит переменную составляющую частоты f . Амплитуда ее пропорциональна текущему значению первой производной линии ЭПР. Вследствие действия ППМ с частотой F амплитуда этой переменной составляющей будет промодулирована в интервале времени — в соответствии с изменением текущего значения первой производной линии ЭПР, а в интервале t g — t.„- в соответствии с мгновенным значением первой производной линии ЭПР (фиг.

1а), которое определяется амплитудой прямоугольного импульса. Эту переменную составляющую частоты Гщусиливают избирательным усилителем, настроенным на частоту f, затем детектируют высокочастотным синхронным детектором, опорный сигнал которого задается генератором ВЧ модуляции.

Так как пилообразная развертка в интервале времени t„ — tg быстро изменяется от нулевого до максимального значения, то выходное напряжение ВЧ синхронного детектора (фиг.1б) в этом промежутке времени пробегает все текущие значения первой производной линии ЭПР (быстрая первая производная).

В интервале времени t < — t< магнитное поле не изменяется и, следовательно, выходное напряжение ВЧ синхронного детектора в это время соответствует- значению первой производной линии ЭПР при значении магнитного поля, определяемом медленно изменяющейся амплитудой прямоугольного импульса (медленная первая производная); Кроме того, выходное напряжение ВЧ синхронного детектора (фиг. 1 б) содержит постоянную составляющую Исн, амплитуда которой в интервалах времени t . — t 1и одинакова. Эта постоянная составляющая получается в результате преобразования ВЧ синхронным детектором паразитных наводок частоты f„„ (синхронные наводки) . Среднее значение выходного напряжения ВЧ синхронного детектору эа время t„ — t равно величине синхронной наводки И р„, так

873080 с резонатора 9 поступает на вход

У СВЧ-детектора 10. Выходной сигнал

СВЧ-детектора 10 через избирательный усилитель 11 поступает на первый вход высокочастотного синхронного детектора 12, на второй вход которого поступает опорный сигнал с выхода ге. нератора 2 ВЧ модуляции. Сигнал с выхода высокочастотного синхронного детектора 12, содержащий переменную составляющую, пропорциональную полезному сигналу, и постоянную составляющую синхронную наводку, поступает на вход УПТ 13, при этом с помощью цепи

14 отрицательной обратной связи компенсируется синхронная наводка, 15 С выхода УПТ 13 полезный сигнал поступает на вход канала осциллографа

17 и синхронный фильтр 18. Последний пропускает медленную первую производную сигнала ЭПР, которая затем поступает на вход НЧ синхронного детектора 19, на второй вход которого постум пает опорный сигнал с выхода генератора 6 НЧ модуляции; Затем сигнал медленной первой производной регистрируется на регистрирующем приборе 20, развертка которого сопряжена с линейной разверткой поляризующего магнитного поля. Одновременно с этим, для наблюдения быстрой первой производной и изображающей точки медленной первой производной, на экране осциллографа сигнал с выхода канаЛа «J УПТ-13 поступает еще на вход канала Э осциллографа

17,горизонтальная развертка которого осуществляется сигналом пилообразно-прямоугольной форьм НЧ модуляции с генератора 6.

Испытания опытного образца спектрометра ЭПР 2-мм диапазона показывают, 4Q что применение в нем предлагаемОго способа позволяет повысить производительность спектрометра в 1,5-2 раза при записи спектров ЭПР. Особенно эффективен предлагаемый способ детектирования сигналов при записи слож45 . ных спектров ЭПР, так как визуальное наблюдение быстрой первой производной спектра ЭПР на осциллографе одновременно с записью медленной первой производной на самописце позволяет оперативно изменять скорость записи в паузах между линиями сложногО спектра ЭПР, что сокращает время записи спектра и, следовательно, сокращает время эксперимента.

Данный способ позволяет производить визуальный контроль за спектром в процессе его записи. Способ использован в опытном образце спектрометра

ЭПР 2-мм диапазона со сверхпроводяgp щим магнитом, разработанном в СКТБ

ДФТИ AH Украинской ССР. как среднее значение быстрой пер вой производной равно нулю, .поскольк амплитуда пилообразной развертки много больше ширины линии ЭПР ° Это позволяет при последующем усилении сигнала ЭПР скомпенсировать синхронную наводку. Компенсацию синхронной наводки осуществляют, например, путем,,подключения к усилителю постоянного тока (УПТ) в тракте усиления сигнала

ЭПР интегрирующей отрицательной о6ратной связи. Обратная связь действует в интервале времени

В интервале времени С1 — „ вход интегратора отключается от выхода

УПТ, а выход интегратора подключен ко входу УПТ постоянно. Поэтому компенсация синхронной наводки осуществляется не только в интервале но и в интервале (фиг. 1 г). Полезный сигнал со скомпенсированной синхронной наводкой подают на вход канала 0 осциллографа и на синхронный фильтр. Синхронны фильтром осуществляют селекцию сигнала, при которой подавляют сигнал быстрой первой производной, выделяя при этом сигнал медленной первой производной (фиг. 1 r). Полученный на выходе синхроннрго фильтра полезный сигнал медленной первой производной преобразовывают низкочастотным синхронным детектором (фиг. 1 д) и подают на регистрирующее устройство, например самописец, горизонтальную развертку которого осуществляют напряжением, пропорциональным амплитуде прямоугольного импульса низкочастотной модуляции поляризующего магнитного поля. Для записи всего сигнала ЭПР на самописце амплитуду прямоугольной составляющей низкочастотной модуляции разворачивают во времени от нулевого до максимального значения, величина которого превышает ширину линии сигнала ЭПР (фиг. 1 д).

Горизонтальную развертку осциллографа осуществляют сигналом НЧ модуляции пилообразно-прямоугольной форьы. На экране осциллографа наблюдают сигнал бйстрой первой производной (интервал времени t„ — tg) и яркую точку, изображающую положение пера самописца, регистрирующего сигнал медленной первой производной (интервал времени t1 — t„). Сигнал быстрой первой производной за время записи сигнала медленной первой производной повторяется многократно. Таким образом, на экране осциллографа наблюдают спектр ЭПР и процесс записи его на самописце.

Устройство работает следующим образом.

В момент резонанса парамагнитный образец поглощает СВЧ-мощность, посту пающую с выхода СВЧ-генератора 1.

Промодулированный сигнал поглощения формула изобретения

Способ детектирования сигналов в спектрометре электронного парамаг873080

Риг.2

Составитель В. Покатилов

Редактор П. Коссей Техред Л.Пекарь Корректор М. Демчик

Закаэ 9020/б 7 Тирал(910 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 нитного резонанса (3QPj по авт.св.

9 741133, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности спектрометра путем сокращения времени регистрации спектра

ЭПР, дополнительно осуществляют пилообразную развертку поляриэующего магнитного поля с амплитудой, равной

1максимальной амплитуде прямоугольных импульсов поляриэующего магнитного поля, в интервале между этими -импульсами.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 741133, кл. G 01 N 24/10, 15.09.77.