Устройство для определения концентрации парамагнитных частиц

ОЛИСАЗИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 11) 432311 Союз Советских Социалистических Республик(32) ПриоритетОпубликовано 15,06.74. Бюллетеньасударственный комитеСовета Министров СССРоо делам изобретенийи открытии 53) УДК 539.142(088 описания 4.11.74 ата опубликовани 72) Авторы изобретени ейсте И. М. Деся 1 ник, И, Е. ПогуляевскийА. И. Кашлинский(71) Заявител 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПАРАМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦИзобретение относится к приборам, предназначенным для автоматического непрерывного анализа состава веществ, а именно, к устройствам для определения концентрации парамагнитных частиц в веществах методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).Известны устройства для определения концентрации парамагнитных частиц в веществах, содержащие поляризующий магнит, тракт сверхвысокой частоты (СВЧ), усилитель напряжения переменного тока, синхронный детектор, усилитель сигнала ошибки, модулятор поляризующего магнитного поля с регулируемым и нерегулируемым выходными каскадами, подключенными соответственно к петлям модуляции поляризующего магнитного поля в сравнительном:и измеряемом образцах, расположенных в рабочем сверхвысоко- частотном резонаторе, помещенном в поляризующее магнитное поле. Амплитуда модуляции поляризующего магнитного поля в каждом образце много меньше ширины соответствующей линии спектра ЭПР, поэтому сигнал ЭПР от каждого образца пропорционален произведению амплитуды модуляции и концентрации парамагнитных частиц.В известных устройствах используется нулевой метод измерения и сигнал с выхода тракта СВЧ, являющийся разностью сигналов ЭПР от образцов, поступает на вход цепи отрицательной обратной связи: усилитель напряжения переменного тока, синхронный детектор, усилитель сигнала ошибки, регулируе мый выходной каскад модулятора, петля модуляции поля в сравнительном образце, Эта система автоматического регулирования поддерживает равенство сигналов ЭПР от образцов. В результате амплитуда модуляции поля 10 в сравнительном образце изменяется в точном соответствии с изменением сигнала ЭПР от измеряемого образца. По величине амплитуды модуляции в сравнительном образце и судят о концентрации парамагнитных частиц 15 в,измеряемом образце, предполагая, что в немамплитуда модуляции постоянна.Однако результаты измерении с помощьюизвестных устройств недостаточно стабильны, так как амплитуда модуляции измеряемого 20 образца изменяется в процессе работы, например, вследствие нестабильности напряжений питания модулятора, влияния внешних условий (температуры, влажности и т. д.), старения аппаратуры, изменения сопрогивле ния петли модуляции. А так как эти устройства непосредственно измеряют не концентрацито парамагпитных частиц в измеряемом образце, а сигнал ЭПР от этого образца, тэ они не могут различить изменение концентрации 30 парамагнитных частиц и амплитуды модуляции поля и поэтому реагируют па любые изменения амплитуды модуляции измеряемогоооразца, как на изменение измеряемой концентрации.С целью увеличения стабильности результатов измерений концентрации парамагнитных частиц в анализируемом веществе в устройство введены две измерительные печли,индуктивно связанные соответственно с петлями модуляции сравнительного и измеряемого образцов и подклю,еп к измерителоотношения напряжений переменного тока, выход которого является измерительным выходом устройства и который выполнен, например, в виде двух амплитудных детекторов,подсоединенных к измерителю отношения напряжений постоянного тока.1-а чертеже показана блок-схема устройства,В поляризующем поле магнита 1 расположен рабочии СВЧ резонатор 2 с измеряемымобразцом 3 и сравнительным образцом 4.Тракт СВЧ устройства может быль выполненпо проходной схеме радиоспектрометра прямого усиления и иметь СВЧ генератор 5, рабочий СВЧ резонатор 2 и СВЧ детектор 6.В качестве резонатора 2 может быть использован многополуволновый прямоугольныйпроходной резонатор. В резонаторе 2 в пуч.костях магнитного поля СВЧ помещаются измеряемый 3 и сравнительный 4 образцы.Для модуляции поляризучощего магнитногополя в образцах 3 и 4 в устройстве предусмотрены петля модуляции 7 измеряемогообразна 3 и петля модуляции 8 сравнительного ооразца 4. Петля модуляции 7 подключенак выходу нерегулируемого выходного каскада9 модулятора поляризующего магнитного поля 12, а петляодуляции 8 - к выходу регулируемого выходного каскада 10. Модулятор2 содержит также задающий генератор 11.СВЧ детектор 6 подключен ко входу усилителя напряжения переменного тока 13, нагрузкои которого является синхронный детектор 14. К выходу синхронного детектора 14подключен усилитель сигнала ошибки 15,связанный с цепью управления регулируемоговыходного каскада 10.С петлями модуляции 7 и 8 индуктивносвязаны измерительные пстли соответственно16 и 7, Измерительные петли 16 и 17 подключены к измерителю отношения напряжений переменного тока 18, который может состоять из двух амплитудных детекторов 19, 20и измерителя отношения напряжений постоянного тока 21.Устройство работает следующим образом.Генератор 5 возбуждает в резонаторе 2 электромагнитное СВЧ поле, магнитная составляющая которого имеет максимумы в ооъемах измеряемого 3 и сравнительного 4 образцов. При значениях напряженности поляризующего поля магнита 1, соответствующихлиниям спектров ЭПР, в образцах 3 и 4 возникает ЭПР поглощение СВЧ энергии. ЭтоМодуляция поля в образцах 3 и 4 осущест вляется токами, текущими в петлях модуляции 7 и 8. 1 ок в петле модуляции 7 измеряемого образца 3 создается нерегулируемым выходным каскадом 9 модулятора поляризующего магнитного поля 12, поэтому амплитуЗ 5 да модуляциями поля в измеряемом образце 3не регулируется в процессе работы устройства, Ток в петле модуляции 8 сравнительного образца 4 создается регулируемым выходным каскадом 10 и и амплитуда модуляции поля 40 в сравнительном образце 4 зависит от вели,ины сигнала, приходящего на управляющий вход регулируемого выходного каскада 10 с усилителя сигнала ошибки 15, Частота модуляции поляризующего поля в обоих образцах 45 одинакова так как сигнал на нерегулируемЫй9 и регулируемый 10 выходные каскады поступает с одного задающего генератора 11.Фазы модуляции отличаются на 180 за счет соответствующего подключения петель моду ляции 7 и 8 к выходным каскадам 9 и 10,Вследствие этого сигнал на выходе детектора 6 имеет частоту модуляции и равен разности сигналов ЭПР от измеряемого и сравнительного образцов 3 и 4. Этот сигнал усиливается 55 усилителем напряжения переменного тока 13и детектируется в синхронном детекторе 14.Сигнал ошибки, выделенный в синхронном детекторе 14, поступает на усилитель сигнала ошибки 15. Усиленный сигнал управляет 60 регулируемым выходным каскадом 10, и амплитуда модуляции поля в сравнительном образце 4 изменяется до тех пор, пока сигналы ЭПР 5 и 5,р не станут равными и сигнал па выходе детектора 6 не уменьшится до 65 НУля,510152025 приводит к уменьшснк.о добротности резонатора 2,и изменению мощности, послпа:ошей в детектор 6,апряженпосгь поляризующего поля в обьеме каждого образца 3 и 4 независимо модулируется по синусоилальному закону с амплитудой, много .понырей ширины соответствующей линии спектра ЭПР, При этом па выходе детектора 6 выделяется от каждого образца сигнал ЭПР, имеющий частоту, равную соответствующей частоте модуляции, и амплитуду, пропорциональную произведению соответствующих концентраций парамагнитпых частиц и амплитуд модуляции поля, т. е.:и ниСиЗ,р - й,рС,р,где 5 - амплитуда сигнала ЭПР от измеряемого образца 3;5 ц, - то же от сравнительного образца 4;Й - амплитуда модуляции поляризующего магнитного поля в измеряемом ооразце 3;Йср - то же в сравк образце 4; С - концентрация парамагнитных частиц в измеряемом образце 3;С,р - то же в сравнительном образце 4.оТаким образом, рассмотренная следящая система автоматического управления, изменяя амплитуду модуляции поля в сравнительном образце 4, постоянно поддерживает равенство:и - срили(1) Э.д.с., наводимые в измерительных петлях 16 и 17, соответственно пропорциональны амплитудам модуляции поля ггц й, в измеряемом 3 и сравнительном 4 образцах. Эти э.д.с. поступают на измеритель отношения напряжений переменного тока 18. В измерителе отношения 18 входные сигналы с измерительных петель 16 и 17 поступают на входы двух амплитудных детекторов 19 и 20. Выпрямленные напряжения с детекторов 19 и 20 после соответствующец фильтрации подаются на измеритель отношения напряжений постоянного тока 21, выход которого и является измерительным выходом всего устройства. В соответствии с этим выходной сигнал устройствагсрА=или, учитывая равенство (1),А =. С, (2)Серт. е. выходной сигнал зависит только от концентрации парамагнитных частиц в измеряемом образце 3, так как концентрация пара- магнитных частиц в сравнительном образце 4 есть величина постоянная, Любые нестабильности, вызывающие изменения амплитуд модуляции гг,р и Уг,. в сравнительном п измеряемом образцах 3 ц 4, не влияют на,показания устройства, ибо оно постоянно следит путем изменения величины 1 гср за тем, чтобы соблюдалось равенство (2). Предмет изобретения10Устройство для определения концентрациипарамагнитных частиц в веществах методомэлектронного парамагнитного резонанса, содержащее полярцзующий магнит, трактсверхвысокой частоты, усилитель напряженияпеременного тока, синхронцьш детектор, усилитель сигнала ошибки, модулятор цолярцзующего магнитного, поля с регулируемым ц нерегулируемым выходными каскадами, под 20 ключенными соответственно к петлям модуляции поляризующего магнитного поля всравнительном и измеряемом образцах, расположенных в рабочем сверхвысокочастогномрезонаторе, помещенном в поляризующсе25 магнитное поле, отличающееся тем, что,с целью увеличения стабильности результатовизмерений, оно снабжено двумя измерцгельными петлями, индуктивно связанными с петлями модуляции сравнительного ц измеряемо 30 го ооразцов и подключенными к измсритслюотношения напряжений переменного тока, выполненному, например, в виде двух амплитудных дееторов, входы которых подключенык измерителю отношения напряжений по 35 стоянного тока,