Радиоспектрометр электронного парамагнитного резонанса

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК С 01 И 24/10 ОСУДАРСПО ДЕЛА АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ О ственно ЕННЫЙ КОМИТЕТ, СССРЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ВТОРИЧНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Специальное конструкторско-технологическое бюро с опытным производством при Белорусском государ м университете им.В.И.Ленина (53) 538.69.083(088.8)(56) 1.Радиоспектрометр РЭ 1306. Техническое описание и инструкция по эксплуатации М., 1978.2. Анисимов Т.К. и др. Безмодуляционный метод регистрации сигналов электронного парамагнитного резонанса. Л., ЛИЯФ, 1979, Препринт В 526, с. 28 (прототип).(54)(57) 1. РАЛИОСПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОН-НОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА, содержащий блок СВЧ, электромагнит с блоком питания, рабочий резонатор, размещенный в зазоре между полюсами электромагнита и подключенный к блоку СВЧ, последовательно соединенные детектор СВЧ, приемник, аналого-цифровой преобразователь и накопитель, подключенные к рабочему резонатору, а также цифроаналоговый преобразователь, блок ЯО 1114934 цифровой развертки магнитного поля с переключателем амплитуды развертки, катушку развертки, размещенную в зазоре между полюсами электромагнита, при этом блок цифровой развертки магнитного поля подключен информационным входом к выходу цифроаналогового преобразователя, управляющими входами - к выходам переключателя амплитуды развертки и выходом - к катушке развертки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения диапазона разверток магнитного поля при одинаковой чувствительности измерений в него дополнительно введен управляемый коммутатор цифровых сиг- . Е налов, информационные входы которого подключены к выходам накопителя, управляющие входы - к выходам пере- С" ключателя амплитуды развертки, выходы - к установочным входам цифроаналогового преобразователя.2. Радиоспектрометр по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения чувствительности с . уменьшением амплитуды развертки, аналого-цифровой преобразователь выполнен интегрирующим со статистическим усреднением.Изобретение относится к технике электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может быть использовано при изготовлении радиоспектрометров ЭПР, 5Известен радиоспектрометр ЭПР, содержащий блок СВЧ с последовательно соединенными детектором СВЧ, усилителем, синхронным детектором и Фильтром нижних частот, накопитель и регистратор, генератор ВЧ колебаний и рабочий резонатор, который расположен между полюсными наконечниками электромагнита, подключенного к последовательно соединенным источнику пита 15 ния и генератору развертки. Радиоспектрометр ЭПР осуществляет регистрацию сигнала ЭПР на частоте ВЧ колебаний при линейной развертке поляризующего магнитного поля 13. 20Формирование напряжения развертки в известном радиоспектрометре аналоговыми электронными схемами не обеспечивает необходимые для точного воспроизведения Формы линии ЭПР, линейность развертки поляризующего магнитного поля и его стабильность, а также не позволяет обеспечить надежное согласование хода развертки магнитного поля с переключением каналов 30 нагопителя, что делает практически невозможным применение когерентного суммирования многократно регистрируемого сигнала ЭПР.Кроме того, используемый в извест-З 5 ном радиоспектрометре модуляционный способ регистрации спектров ЭПР приводит к дополнительным искажениям Формы линии, обусловленным как конечной амплитудой, так и частотной модуляциями магнитного поля.Наиболее близким техническим решением к изобретению является радиоспектрометр ЭПР, содержащий блок СВЧ, электромагнит с блоком питания, 45 рабочий резонатор, размещенный в зазоре между полюсами электромагнита и подключенный к блоку СВЧ, последовательно соединенные детектор СВЧ, приемник, аналого-цифровой преобра зователь и накопитель, подключенные к рабочему резонатору, а также цифроаналоговый преобразователь, блок цифровой развертки магнитного поля с переключателем амплитуды развертки, 55 катушку развертки, размещенную в зазоре между полюсами электромагнита, при этом блок цифровой развертки магнитного поля подключен информациончым входом к выходу цифроаналоговогопреобразователя, управляющими входами - к выходам переключателя амплитуды развертки и выходом - к катушке развертки.Известный радиоспектрометр осуществляет безмодуляционный способ регистрации спектров ЭПР, основанныйна одновременном воздействии на исследуемый образец постояйного магнитного поля, перпендикулярно ему сверхувысокочастотного магнитного поля,периодической, развертке постоянногомагнитного поля, усилении продетектированного СВЧ детекторомсигналаЭПР и его накоплении, осуществляемомсинхронно с периодической разверткоймагнитного поля, исключает искажение формы линии, присущее:модуляционному способу регистрации.Цифровая развертка постоянногомагнитного поля в известном радиоспектрометре обеспечивает высокую линейность развертки и достаточную длянеискаженной регистрации формы линиистабильность магнитного поля, а такжежесткую синхронизацию хода разверткис переключением каналов накопителя,что исключает искажение формы линиив процессе накопления спектровЭПР 121,Разрешающая способность радиоспектрометра равная минимальному расстоянию между соседними линиями, которые могут быть раздельно зарегистрированы радиоспектрометром, зависиткак от стабильности постоянного магнитного поля, так и от ширины каналанакопителя. Ширина канала накопителя,равная значению интервала между двумя соседними уровнями квантованиянапряженности поляризующего магнитного поля, определяется блоком цифровойразвертки магнитного поля и зависитот заданной амплитуды развертки и числа каналов накопителя, т.е. числауровней квантования напряженностиполяризующего магнитного поля в процессе его развертки. В известном радиоспектрометре число каналов накопителя постоянно и не зависит от амплитуды развертки, вследствие чего ширина канала изменяется при изменении амплитуды развертки и может соответствовать значению абсолютной разрешающей способности радиоспектрометра, оп1114934 3ределяемой стабильностью поляризую:. щего магнитного поля лишь при некотором определенном значении амплитуды развертки. Регистрация ЭПР спектров при больших амплитудах развертки . 5 относительно этого значения приводит к ухудшению разрешения регистрируемых спектров по магнитному полю и, следовательно, к искажению формы линии. В случае меньших амплитуд раэ-О вертки дальнейшее уменьшение ширины канала накопителя не обеспечивает соответствующее улучшение разрешения регистрируемых сигналов ЭПР по олю, так как в этом случае разрешаю ая способность радиоспектрометра ограничивается системой стабилизации магнитного поля. При этом избыточное число каналов накопителя ухудшает отношение сигнал/шум регист рируемых спектров ЭПР.Цель изобретения - расширение диапазона разверток магнитного поля при одинаковой чувствительности измерений и увеличение чувствительности 25 с уменьшением амплитуды развертки. Поставленная цель достигается тем,что в радиоспектрометр ЭПР, содержащий блок СВЧ, электромагнит с блоком питания, рабочий резонатор,размещенный в зазоре между полюсамиэлектромагнита и подключенный к блоку СВЧ, последовательно соединенныедетектор СВЧ, приемник, аналого-цифровой преобразователь и накопитель,подключенные к рабочему резонатору, атакже цифроаналоговый преобразователь, блок цифровой развертки магнитного поля с переключателем амплитудыразвертки, катушку развертки, размещенную в зазоре между полюсамиэлектромагнита, при этом блок цифровой развертки магнитного поля подключен информационным входом к выходуцифроаналогового преобразователя, уп равляющими входами - к выходам переключателя амплитуды развертки и выходом - к катушке развертки, дополнительно введен управляемый коммутатор цифровых сигналов, информационные входы которого подключены к выходам накопителя, управляющие входы - к выходам переключателя амплитуды развертки, а выходы - к установочным входам цифроаналогового преобразователя. Аналого-цифровой преобразователь выполнен интегрирующпм состатистическим усреднением. 4На чертеже представлена блок-схема радиоспектрометра ЭПР.Радиоспектрометр ЭПР содержит блок 1 СВЧ, соединенный с рабочим резонатором 2, который размещен в зазоре между полюсами электромагнита 3 последовательно включенные детектор 4 СВЧ, приемник 5, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6 со статистическим усреднением и накопитель 7, а также блок 8 питания электромагнита, блок 9 цифровой развертки магнитного поля, цифроаналоговый преобразователь 10, переключатель 11 амплитуды развертки, катушку 12 развертки, размещенную в зазоре между полюсами электромагнита 3 и управляемый коммутатор 13 цифровых сигналов.При этом вход детектора 4 СВЧ подключен к выходу рабочего резонатора 2, блок 9 цифровой развертки маг. нитного поля подключен информационным входом к выходу цифроаналогового преобразователя 10, управляющими входами - к выходам переключателя 11 амплитуды развертки и выходом - к катушке -12 развертки, управляемый коммутатор 13 цифровых сигналов подключен информационными входами к выходам накопителя 7, управляющими входами - к выходам переключателя 11 амплитуды развертки и выходами - к установочным входам цифроаналогового преобразователя 10. Радиоспектрометр работает следующим образом.Мощность СВЧ, Формируемая в блоке .1 СВЧ, подводится к рабочему резонатору 2 с исследуемым образцом, который расположен в зазоре между .полюсами электромагнита 3. Электромагнит 3 создает в рабочем резонаторе 2 с помощью блока 8 питания стабильное поляризующее магнитное полеЗадатчиком развертки является цифроаналоговый преобразователь 10, формирующий на выходе линейно изменяющееся напряжение треугольярй формы с нулевой постоянной составляющей. Выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 1 О поступает на вход блока 9 цифровой развертки поляризующего магнитного поля, соединенного по выходу с катушкой 12 развертки.Сформированный на выходе детектора 4 СВЧ в результате развертки при, 1114934 бпрохождении резонансного значения поляризующего магнитного поля сигнал ЭПР усиливается в приемнике 5. Мгновенные значения этого сигнала при каждом дискретном значении поля ризующего магнитного поля преобразуются интегрирующим АЦП 6 в цифровую форму. Полученные цифровые эквиваленты мгновенных значений сигнала ЭПР записываются в соответствующие ячейки запоминающего устройства накопителя 7,Когерентное суммирование преобразованных в цифровую форму спектров ЭПР, зарегистрированных при многократном прохождении резонансных условий, обеспечивает, за счет подавления шумов, обратно пропорциональных частоте СВЧ поля, значительное улучшение отношения сигнал/шум, по 20 сравнению со случаем медленного однократного прохождения резонансного значения поляризующего магнитного поля, причем эффективность подавления возрастает с увеличением частоты раз вертки магнитного поля.Число дискретных значений поляризующего магнитного поля и, следовательно, число каналов накопителя определяются управляемым коммутатором 13 30 цифровых сигналов. При максимальном значении амплитуды развертки, задаваемом переключателем 11, все выходные сигналы накопителя 7 проходят на установочные входы работающего в режиЗ 5 ме последовательного реверсивного счета цифроаналогового преобразователя 10. Выходной сигнал последнего представляет собой ступенчатое линейно изменяющееся напряжение, амплитуда которого 40 является постоянной и не зависит отзаданного значения амплитуды развертки, а количество дискретных уровней в заданном случае является максимальным и выбирается из соображеиий обеспечения абсолютной разрешающей снособцости радиоспектрометра, определяемой системой стабилизации магнитного поля,1При уменьшении амплитуды развертки 50 магнитного поля в 2 . раз, где= О, 1, 2, , управляемый коммутатор 13 цифровых сигналов под воздействием переключателя 1 1 амплитуды развертки отключает ю младших ус тановочных входов цифроаналогового преобразователя 10. При этом амплитуда выходного напряжения цифроаналогового преобразователя 1 О, работающего в режиме последовательного реверсивного счета, и время развертки сохраняются прежними, а число дискрет. ных значений выходного напряжения уменьшается в 2 раз, что приводит к такому же увеличению значения интервала между двумя соседними уровнями квантования выходного напряжения и времени измерения мгновенного зна-, чения регистрируемого спектра ЭПР в каждом канале, Выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 10 поступает на информационный вход. блока 9 развертки, на управляющие входы которого заведены выходные сигналы переключателя 11 амплитуды развертки, обеспечивающие эквивалентное (в 2 раза) уменьшение выходного напряжения блока 9 развертки и, следовательно, такое же уменьшение величины интервала между двумя соседними уровнями квантования выходного напряжения, что обеспечивает сохранение прежнего значения абсолютной разрешающей способности радиоспектрометра.Таким образом, изменение числа каналов накопителя 7 в соответствии с изменением амплитуды развертки обеспечивает сохранение постоянного значения абсолютной разрешающей способности радиоспектрометра ЭПР и при уменьшении амплитуды развертки приводит к соответствующему увеличению времени измерения Т мгновенного значения сигнала ЭПР в каждом канале. В течение этого времени амплитуда сигнала О ЭПР имеет постоянное значение, а амплитуда помехи 0 представляет собой случайный сигнал с нормальным законом распределения.При максимальном значении амплитуды развертки магнитного поля преобразование интегрирующим АЦП 6 мгновенного значения сигнала ЭПР в цифровую форму в каждом канале накопителя 7 выполняется за один цикл преобразования. При этом интегрирование выходного сигнала, осуществляемое АЦП 6, приводит к сглаживанию всех быстрых, по сравнению с временем интегрирования, помех.Уменьшение в М раз амплитуды развертки приводит к соответствующему увеличению времени измерениямгновенного значения сигнала ЭПР в каждом канале, преобразование которых осуществляется за Ы циклов преобразо1114 Составитель В.Майоршин Техред И.Асталош Коррректор В.Бутяга Редактор Р.Цицика Заказ 6759/29 Тираж 822 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 вания, а полученные в каждом цикле результаты усредняются. При этом значение соотношения сигнал/шум на выходе АЦП возрастает, что приводит к увеличению чувствительности радиоспектрометра при уменьшении амплитуды развертки поляризующего магнитного поля.Экспериментальная проверка макета радиоспектрометра ЭПР подтверди О ла целесообразность и возможность обеспечения постоянной для всех амплитуд развертки разрешающей способности радиоспектрометра за счет изменения числа каналов накопителя. В разрабо танном радиоспектрометре абсолютная разрешающая способность, равная 62 .10 Э, сохраняется постоянной при, 10. При этом число каналов накопителя изменяется от 1.6384 в случаемаксимальной амплитуды разверткидо 64 - для амплитуды развертки,равной 4 ЭИзменение числа отсчетов измеряемого АЦП мгновенных значений сигнала ЭПР в каждом каналеот 1 до 256 при изменении амплитудыразвертки от ее максимального значения до минимального обеспечивает сохранение высокой чувствительности радиоспектрометра ЭПР.Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет сохранятьвысокую чувствительность измеренийпри исследовании различных веществ,когда требуются изменения амплитудразверток магнитного поля,