Радиоспектрометр электронного парамагнитного резонанаса

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистицеских РеспубликВТОР СКОМУ ВИДЕТЕЛЬСТВУ вид-ву -лнительное 21) 2395680/18-25) Заявлено 16.08.76 с присоединением заяв Государственный намет СССР па делам изобретений н открытий.79. Бюллетень17 Опубликовано 05.0 писания 15.05,79 та опубликова вторы бретен Мейсте И. М. есятник(71) Заявите РОННОГОНСА МЕТР Э ОГО РЕЗ 4) РАДИОСПЕКТР ПАРАМАГНИТН 1Изобретение относится к приборам и средствам для наблюдения, регистрации. и определения параметров спектров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).Известны серийно выпускаемые промышленностью радиоспектрометры Рубин 1 и РЭ 1306 2, предназначенные для наблю 5 дения и регистрации спектров ЭПР.Выходной сигнал этих радиоспектрометров, являющийся функцией магнитной восприимчивости исследуемого образца, завивит также от мощности СВЧ-генератора, ам о плитуды модуляции поляризующего магнитного поля, коэффициента передачи усилительно-преобразовательного устройства и других параметров, входящих в радиоспектрометры узлов и устройств.15 Такие радиоспек о существу индикаторами приборами, не дазионно регистр ировлять их параметры.Указанные недостатки устранены в устройстве для определения концентрации парам а г нитных частиц - радиоспектро метре электронного парамагнитного резонанса 3. Оно содержит СВЧ-тракт с СВЧ-модулятором, усилительно- и реобразовапгсл ьшк ВЧ-устройство с синхронным ВЧ-детектором, связанное с выходом СБЧ-тракта, ВЧ- модулятор поляризующего магнитного поля й ВЧ-устройство с регулируемым коэффициентом передачи, вход которого связан с ВЧ- модулятором магнитного поля, а выход - с модуляционным выходом СВЧ-модулятораСВЧ-тракт состоит из генератора, циркулятора, рабочего резонатора, модулятора детектора. В рабочем СВЧ-резонаторе, помещенном в поле поляризующего мапшта, расположен измеряемый образец.СВЧ-модулятор служит для создания компенсационного сигнала.Усилительно-преобразовательнос ВЧ-устройство состоит из усилителя сигнала на частоте модуляции поляризующего поля, синхронногоо ВЧ-детектора и и нтегри рующего усилителя сигнала ошибки. Оно подключено к выходу СВЧ-тракта и управляет ВЧ-устройством с регулируемым коэффициентом передачи, вход которого подключен к выходу ВЧ-модулятора поляризующего поля, а выход - к модуляционному входу СВЧ- модулятора.В таком измерителе концентрации пара- магнитных частиц используется нулевой компенсационный метод измерения, и сигнал с выхода СВЧ-тракта, являющийся разностью сигнала ЭПР от измеряемого образца и компенсационного сигнала, поступает на входцепи отрицательной обратной связи: усилительно;преобразовательное ВЧ-устройство, ВЧ-устройство с регулируемым коэффициентом передачи, СВЧ-модулятор. Это автоматическая система регулирования постоянноподдерживает равенство сигнала от образца и компенсационного сигнала. При этомвеличина модулирующего сигнала, поступающего на СВЧ-модулятор, изменяется в соответствии с изменением сигнала ЭПР от измеряемого образца. Таким образом, сигнал на выходе усилительно-преобразовательного ВЧ-устройства соответствует первойпроизводной спектра ЭПР от измеряемогообразца.Некоторая часть информации о спектре ЭПР извлекается из второй производной спектра. Известное же устройство позволяет регистрировать только первую производную.Более того, в ряде случаев требуетсяодновременная регистрация и первой, и второй производных спектра ЭПР. Это особенно необходимо, например, при исследовании кинетики химических процессов, быстротекущих реакций, короткоживущих радикалов и в других подобных случаях,Цель предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей ра- зО диоспектрометра за счет синхронной регистрации первой и второй производных спектра ЭПР.Для этого в радиоспектрометр введены НЧ-модулятор поляризующего магнитного поля, усилительно-преобразовательное НЧ-устройство, НЧ-устройство с регулируемым коэффициентом передачи и суммирующее устройство, Вход усилительно-преобразовательного НЧ-устройства связан с выходом синхронного ВЧ-детектора, Вход НЧ-уст- р ройства с регулируемым коэффициентом передачи связан с НЧ-модулятором магнитного поля, а цепь управления подключена к выходу усилительно-преобразовательного НЧ-устройства. Одий вход суммирующего устройства связан с выходом усилительно-преобразо вательного ВЧ-устройства, другой вход - с выходом НЧ-устройства с регулируемым коэффициентом передачи, а выход подключен к цепи управления ВЧ-устройства с регулируемым коэффициентом передачи.На чертеже представлена блок-схема предлагаемого радиоспектрометра ЭПР.Радиоспектрометр содержит поляризующий магнит 1, СВЧ-тракт 2, усилительно- преобразовательное ВЧ-устройство 3, ВЧмодулятор 4 поляризующего магнитного поля, ВЧ-устройство 5 с регулируемым коэффициентом передачи, усилительно-преобразовательное НЧ-устройство 6, НЧ-модулятор 7 поляризуюшего магнитного поля, НЧ- устройство 8, с регулируемым коэффициентом передачи и суммирующее устройство 9,СВЧ-тракт 2 выполнен по отражательной схеме радиоспектрометра прямого усиления и содержит генератор 1 О, циркулятор 11, детектор 12 и рабочий резонатор 13, в который помещен исследуемый образец 14. Для создания компенсационного сигнала СВЧ- тракт 2 снабжен отражательным СВЧ-модулятором 15, связанным с рабочим резонатором 13.Усилительно-преобразовательное ВЧ-устройство 3 содержит избирательный ВЧ-усилитель 16, настроенный на частоту ВЧ-модуляции магнитного поля, синхронный ВЧ-детектор 17, и интегрирующий усилитель 18 сигнала ошибки. Выход интегрирующего усилителя 18 подключен к одному из входов суммирующего устройства 9.Усилительно-преобразовательное НЧ-устройство 6 содержит избирательный НЧ-усилитель 19 настроенный на частоту НЧ-модуляции магнитного поля, синхронный НЧ-детектор 20 и интегрируюгций усилитель 21 сигнала ошибкй. Выход усилительно-преобразовательного НЧ-устройства 6 подключен к выходу синхронного ВЧ-детектора 17, а выход - к цепи управления НЧ-устройства 8 с регулируемым коэффициентом передачи.Вход НЧ-устройства 8 с регулируемым коэффициентом передачи связан с НЧ-модулятором 7 магнитного поля, а выход подключен ко второму входу суммирующего устройства 9. Вход ВЧ-устройства 5 с регулируемым коэффициентом передачи подключен к выходу суммирующего устройства 9, а выход - ко входу СВЧ-модулятора 15.Предлагаемый радиоспектрометр работает следуюгцим образом.Генератор 10 через циркулятор 1 возбуждает в резонаторе 13 электромагнитное СВЧ-поле, в пучности магнитной составляющей которого находится исследуемый обра. зец 14. При значения.; поляризуюшего поля магнита 1, соответствующих линий спектра ЭПР, в образце 4 возникает ЭПР-поглощение СВЧ-энергии. Это приводит к уменьшению добротности резонатора 13 и изменению мощности, поступающей через циркулятор 11 на детектор 12.Напряженность поля ризуюшего поля в объеме образца 14 модулируется с помощью ВЧ-модулятора 4 по синусоидальному закону с амплитудой, много меньшей ширины линий спекТра ЭПР. Одновременно напряженность поляризуюшего поля модулируется и с помощью НЧ-модулятора 7. Эта модуляция осуществляется также по синусоидальному закону с амплитудой, много меньшей ширины линии спектра. Частота второй модуляции значительно ниже частоты первой модуляции. В результате на выходе детектора 12 выделяется сигнал, зависящий от5магнитной восприимчивости образца 14, Составляющая этого сигнала, имеющая частоту первой модуляции (ВЧ-модуляции), имеет вид амплитудно-модулированных колебаний. Амплитуда несущего колебания, пропорциональна первой производной линииспектра ЭПР образца 14. Частота огибающей равна частоте второй модуляции (НЧ- модуляции), а амплитуда пропорциональнавторой производной линии спектра,Часть СВЧ-энергии из резонатора 13 поступает в отражательный СВЧ-модуляттор 15Отраженная от модулятора 15 электромагнитная волна промодулирована по амплитуде сигнала поступающему с выхода ВЧ-устройства 5.Выходной сигнал ВЧ-устройства 5 формируется с помощью сигнала ВЧ-модуля ь тора 4, поступающего на вход ВЧ-устройства 5 и сигнала НЧ-модулятора 7, поступающего через НЧ-устройство 8 с регулируемым коэффициентом передачи и суммирующее устройство 9 в цепь управления (второй вход) ВЧ-устройства 5. Этот выходной модулирующий сигнал также имеет вид амплитудно-модулированных колебаний.Отраженная промодулированная электромагнитная волна через резонатор 13 и циркулятор 11 поступает на детектор 12, В ре- и зультате на выходе детектора 12 выделяется компенсационный сигнал, имеющий вид амплитудно-модулированных колебаний. Частота несущей этого сигнала равна частоте ВЧ-модуляции, частота огибающей - НЧ- модуляции.30Таким образом; частоты несущих и огибающих обоих сигналов, выделяющихся на выходе детектора 12, соответственно равны. Фазы же несущей и огибающей компенсационного сигнала отличаются соответственно от фаз несущей и огибающей сигнала ЭПР на 180. Вследствие этого амплитуда несущей результирующего сигнала, выделенного на выходе детектора 12, равна разности амплитуды несущей сигнала ЭПР от исследуемого образца 14 и амплитуды не сущей компенсационного сигнала, а амплитуда огибающей результирующего сигнала равна разности амплитуд огибающих этих сигналов.Результирующий сигнал поступает на45 усилительно-преобразовательное ВЧ-устройство 3, где усиливается с помощью избирательного ВЧ-усилителя 16 и детектируется синхронным ВЧ-детектором 17. Постоянная составляющая выделенного на выходе синхронного ВЧ-детектора 17 сигнала (сиг- ьо нал ошибки) поступает на интегрирующий усилитель 18 сигнала ошибки.Усиленный и проинтегрированный сигнал ошибки с выхода усилительно-преобразовательного ВЧ-устройства 3 поступает на один из входов суммирующего устройства 9. На другой вход суммирующего устройства 9 через НЧ-устройства 8 с регулируемым коэффициентом передачи поступает сигбнал с НЧ-модулятора 7 магнитного поля. Суммарный сигнал с выхода устройства 9 подается в цепь управления ВЧ-устройства 5 с регулируемым коэффициентом передачи. Изменения этого сигнала вызывают изменения коэффициента передачи В Ч-устройства 5, а, следовательно, и величины сигнала, поступающего на СВЧ-модулятор 15 с ВЧ- модулятора 4 магнитного поля,Одновременно на выходе синхронного ВЧ-детектора 17 выделяется огибающая результирующего сигнала. Эта огибающая с выхода синхронного ВЧ-детектора 17 поступает на усилительно-преобразовательное НЧ устройство 6, где усиливается с помощью НЧ-усилителя 19 и детектируется синхронным НЧ-детектором 20. Сигнал ошибки с выхода синхронного НЧ-детектора 20 поступает на интегрирующий усилитель 21 сигнала ошибки. Усиленный и проинтегрированный сигнал ошибки подается в цепь управления НЧ-устройства 8 с регулируемым коэффициентом передачи. Изменения этого сигнала вызывают изменения ко э ффициента передачи устройства 8, а, следовательно, и сигнала, поступающего на вход суммирующего устройства 9 с НЧ-модулятора 7 магнитного поля.Составляющая суммарного сигнала в цепи управления ВЧ-устройства 5, пропорциональная сигналу ошибки на выходе интегрирующего усилителя 18, так изменяет коэффициент передачи ВЧ-устройства 5, что амплитуда несущей компенсационного сигнала на выходе детектора 12 становится равной амплитуде несущей сигнала ЭПР от исследуемого образца 14 и амплитуда несущей результирующего сигнала уменьшается до нуля. Поскольку это равенство амплитуд постоянно поддерживается, сигнал на выходе интегрирующего усилителя 8 всегда пропорционален величине первой производной линии спектра ЭПР от исследуемого образца 14.Одновременно сигнал ошибки, поступающий с выхода усилительно-преобразовательного НЧ-устройства 6 в цепь управления НЧ-устройства 8, изменяет составляющую суммарного сигнала, пропорциональную сигналу НЧ-модулятора 7. Это изменение осуществляется так, что амплитуда огибающей компенсационного сигнала на выходе детектора 12 становится равной амплитуде огибающей сигнала ЭПР от исследуемого образца 14 и амплитуда огибающей результирующего сигнала уменьшается до нуля. Это равенство амплитуд также постоянно поддерживается. Поэтому сигнал на выходе усилительно-преобразовательного НЧ-устройства 6 всегда пропорционален величине второй производной линии спектра ЭПР от исследуемого образца 14,Так как для создания компенсационного сигнала в СВЧ-модуляторе 15 используется часть СВЧ-энергии, поступающей в резонатор 13, нестабильность СВЧ-генератора 10661324 формула изобретения Составитель М. Дедловский Редактор Б. Павлов Техред О. Луговая Корректор Е. Папп Заказ 2430/39 Тираж 1089 Подписное ЦН И И П И Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д, 4,5 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4не будет оказывать влияния на стабильностьвыходных сигналов радиоспектрометра. Поэтой же причине выходные сигналы не будут зависеть от изменений добротности резонатора 13, например, при изменении диэлектрических потерь образца или при смене.образцов.5Нестабильность коэффициента передачи.цепей, об;цих для сигнала ЭПР и компенсационного сигнала (СВЧ-детектор 12усилительно-преобразовательное ВЧ-устройство 3 и синхронный ВЧ-детектор 17 - 10усилительно-преобразовательное НЧ-устройство 6 также не влияет на выходные сигналы радиоспектрометра.),Амплитуды первой и второй производныхсигнала ЭПР линейно зависят от амплитудсоответствующих модуляций магнитного поля. Поэтому нестабильность выходных сигналов модуляторов 4 и 7 одинаково сказываются как на сигнале ЭПР, так и на компенсационном сигнале.Следовательно, нестабильность ВЧ-модулятора 4 и НЧ-модулятора 7 поляризующего магнитного поля не будет влиять на выходные сигналы радиоспектрометра,Таким образом, предлагаемый радиоспектрометр позволяет прецизионно и одновременно регистрировать первую и вторуюпроизводные спектра ЭПР от исследуемогообразца. Радиоспектрометр электронного парамагнитного резонанса, содержащий СВЧ-тракт с СВЧ-модулятором, усилительно-преобразовательное ВЧ-устройство с синхронным ВЧ. детектором, связанное с выходом СВЧ-тракта, ВЧ-модулятор поляризуюшего магнитного поля и ВЧ-устройство с регулируемым коэффициентом передачи, вход которого связан с ВЧ-модулятором магнитного поля, а выход - с модуляционным входом СВЧ- модулятора, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет синхронной регистрации первой и второй производной спектров, в него введены НЧ-модулятор поляризуюшего магнитного поля, усилительно-преобразовательное НЧ-устройство, вход которого подключен к выходу синхронного ВЧ-детектора, НЧ-устройство с регулируемым коэффициентом передачи, вход котОрого связан с НЧ-модулятором магнитного поля. а цепь управления подключена к выходу усилительно-преобразовательного НЧ-устройства, и суммирующее устройство, один вход которого связан с выходом усилительно-преобразовательного ВЧ-устройства, другой вход - с выходом НЧ-устройства с регулируемым коэффициентом передачи, а выход подключен к цепи управления ВЧ-устройства с регулируемым коэффициентом передачи.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Радиоспектрометр Рубин, ТО и инструкция по эксплуатации, 5 Б 1, 550.198. ТО.1972.2. Радиоспектрометр РЭ 1306. ТО и инструкция по эксплуатации, А., 1974.3. Авторское свидетельство СССР528493, кл. б О 1 М 27,78, 1976.