Гомодинный радиоспектрометр электронного парамагнитного резонанса

(21) (22) (46) (72) В,А.Ь (7) Крас унив (53) (56) арап с 1 оп,2 9 78 и ии еем. ГОСУДАРСТВЕННЫИ НОМИТЕТ СССР110 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ 3668244/24-2502.12.8323.05.85. Бюл. 1 9В.Н.Линев, В.Б.Мочальский,1 уравский и Е.Я.фурсаБелорусский ордена Трудовогоного Знамени государственныйерситет им.В.И,Ленина538.13(088.8)1. Чг 1 шзЬегзс Т.Н. Е 1 ессгопгезопапсе зресгошегегз. 1,оп1967, р,42-160,Авторское свидетельст5701, кл. С 01 В 24/00, 1980.(54) (57) ГОМОДИННЫЙ РАДИОСПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГОРЕЗОНАНСА, содержащий генератор СВЧ,ответвитель, основной циркулятор,резонатор, СВЧ-детектор, блок регистрации, блок автоматической подстройки частоты и фазы, электромагнит,блок управления магнитным полем,причем генератор СВЧ соединен черезответвитель с первым входом циркуля"тора, резонатор подключен к второму,а СВЧ-детектор - к третьему входамциркулятора, блок регистрации иблок автоматической подстройки частоты и фазы подключены к выходуСВЧ-детектора, выход блока управления магнитным полем соединен с входом электромагнита, о т л и ч а ю -щ и с я тем, что, с целью повышения чувствительности при регистрац сигналов поглощения и дисперсии, он дополнительно содержит электронный фаэовращатель, включающий дополнительный циркулятор, четвертьволновый короткоэамкнутый отрезок волновода, резонансную диафрагму с р-и- диодом, блок задания фазы, схему выборки-хранения и схему суммирования, причем первый вход дополнительного циркулятора подключен к второму выходу ответвителя, второй вход - к СВЧ-входу резонансной диафрагмы, третий вход - к СВЧ-детектору, блок задания фазы и схема вь:борки-хранени подключены управляющими входами к блоку управления магнитным полем, а выводами через схему суммирования к управляющему входу электронного фазовращателя ( к второму входу резонансной диафрагмы), третий вход резонансной диафрагмы соединен с четвертьволновым короткозамкнутым отрезком волновода, схема выборки- хранения соединена двумя сигнальными входами с первым и вторым выходами блока автоматической подстройки частоты и фазы, а выход ее соединен с управляющим входом генера тора СВЧ, управляющий вход блока р гистрации подключен к блоку управления магнитным пол1 11574Изобретение относится к технкчесГкой физике и может быть использовано при построении радиоспектрометров электронного парамагнитного .резонанса (ЭПР) .5Известны радкоспектрометры ЭПР, . построенные по супергетеродинной схеме, которые обеспечивают регистрацию сигналов поглощения и дисперсии 1 11 . Недостатком этих радиоспектрометров 0 является низкая чувствительность ре" гистрацки сигналов поглощения и дисперсии при больших уровнях мощности СВЧ, поступающей в рабочий резонаторНаиболее близким техническим реше нием к изобретению является гомодинный радиоспектрометр ЭПР, содержащий генератор СВЧ,ответвитель,циркулятор,- резонатор,СВЧ-детектор, блок регистрации, блок автоматической подстройки 20 частоты и фазы электромагнит блок управления магйнтнымполем,причем генератор СВЧ соединен через ответвитель с первым входом циркулятора, резонатор подключен к второму, а СВЧ-детектор - к третьему входам циркулятора, блок регистрации и блок автоматической подстройки частоты и фазы подключены к выходу СВЧ-детектора, выход . блока управления магнитным полем соеди- Э 0 нен с входом электромагнита, рабочий резонатор - проходного типа ккмеет на выходе последовательно соединекные второй СВЧ-детектор и второй блок регистрации. На выходе первого блока регистрации регистрируется сигнал дисперсии, а на выходе второго - сигнал поглощения 21 . Радиоспектрометр содержит генератор СВЧ 1) соединенный через ответвитель 2 с гомодинным каналом 3 к первым входом циркулятора 4 сигнального канала 5 рабочий резона)тор 6, расположенный в межполюсном зазоре электромагнита 7 и подключенный к второму входу циркуллтора 4 у Недостатком известного радиоспектрометра ЭПР является низкая чувствя тельность при регистрации как сиг" налов поглощения, так и сигналов дисперсии, что связано с разделением сигнала с выхода резонатора по двум каналам детектирования, с невоэмож костью оптимального согласования резонатора работающего в комбинированном режиме ( в режиме отражательного и проходного резонатора одновременно . Наличие схемы с проходным резонато ром приводит, кроме того к снижению чувствительности регистрации сиг" налов поглощения прк низких уровняхмощности СВЧ.. 55Цель изобретения - повышение чувствительности при регистрации скгнаl лов поглощения и дисперсии. 24 2Укаэанная цель достигается тем что гомодинный радиоспектрометр ЭПР) содержащий генератор СВЧ, ответвктель основной циркулятор, резонатор СВЧ-детектор, блок регистрации, блок автоматической подстрой. ки частоты и фазы, электромагнит, блок управления магнитным полем. причем генератор СВЧ соединен через ответвитель с первым входом циркуля- тора, резонатор подключен к второму, а СВЧ-детектор - к третьему входам циркулятора, блок регистрацииГи блок автоматической подстройки частоты и фазы подключены к выходу СВЧ-детектора, выход блока управления магнитным полем. соединен с входом электромагкита, дополнительно содержит электронный фаэовращатель, включающий дополнительный циркулятор, четвертьволновый коротко- замкнутый отрезок волновода, резонансную диафрагму с рп-диодом, блок задания фазы, схему выборкихраненкя и схему суммирования, при = чем первый вход дополнительного циркулятора подключен к второму выходу ответвителя, второй вход - к СВЧ-входу резонансной диафрагмы, третий вход - к СВЧ-детектору, блок задания фазы и схема выборки-хранения подключены управляющими входами к блоку управления магнитным полем, а выходами через схему суммированияк управляЮщему входу электронного фазовращателя (к второму входу резонансной диафрагмы), третий вход резонансной диафрагмы соединен с четвертьволновым короткозамкнутым отрезком волновода, схема выборки-хранения соединена двумя сигнальными входами с первым и вторым выходами блока автоматической подстройки частоты и фазы, а выход ее соединен с управляю. щим входом генератора СВЧ, управляющий вход блока регистрации подключен к блоку управления магнитным полем,На чертеже приведена блок-схема предлагаемого гомодинного радиоспектрометра ЭПР.3 15 СВЧ-детектор 8, соединенный с выходом гомодинного канала 3 и третьим входом циркулятора 4, блок 9 регистрации и блок 10 автоматической подстройки частоты и фазы, подключен, ные к выходу СВЧ-детектора 8, блок 11 управления магнитным полем соединенный с электромагнитом 7, электронный фазовращатель 12, содержащий дополнительный циркулятор 13, вклю О ченный последовательно первым и третьим входами в гомодинный ка нал 3, и резонансную диафрагму 14 с р-д-п-диодом, подключенную СВЧ- входом к второму входу циркулятора 15 13, а выходомк четвертьволновому короткоэамкнутому отрезку волновода 15, блок 16 задания Фазы и схему 7 выборки-хранения, подключенные управляющими входами к бло ку 11 управления магнитным полем, а выходами через схему 18 суммирования - к управляющему входу электронного фаэовращателя 12, причем схема 17 выборки-хранения вторым вы ходом соединена с управляющим входом генератора СВЧ 1,а двумя счгнальными входами - с первым и вторым выходами блока 10 автоматической подстройки частоты и фазы, управляю- Зо щий вход блока 9 регистрации подключен к блоку 11 уцравления магнитным полем,/424 4также подстройка фазы СВЧ-смешенияв гомодинном канале 3 обеспечиваются блоком 10 автоматической подстройки частоты и фазы, на выходе которого формируются сигналы, пропорциональные рассогласованию частоты ифазы соответственноЭти сигналы управляют частотой генератора СВЧ 1 иэлектронным фазоврашателем 2. Пос-;ледний выполнен по отражательнойсхеме и включает циркулятор 13, квторому входу которого через резонансную диафрагму 14 с р-и-диодомподключен четвертьволновой короткозамкнутый отрезок волновода 5,Изменение фазы СВЧ на третьем входе циркулятора 13 относительно первого входа достигается путем суммирования СВЧ-,волн, отраженных от короткозамкнутого волновода 15 и резонансной диафрагмы 14, соотношение которых регулируется ри-диодом, расположенным в окне резонансной диафрагмы 14.Сигнал поглощения формируется навыходе СВЧ-детектора 8 при нулевом180 ) соотношении фаэ сигналов СВЧгомодинного 3 и сигнального 5 каналов на входах СВЧ-детектора 8. Сигнал дисперсии формируется при, соотношении Фаз сигналов СВЧ 90 (27 О )Режим регистрации (поглощение илндисперсия) задается блоком 16 задания фазы, который формирует управляющий электрический сигнал для электронного фазовращателя 12 по командес блока 11 управления магнитным полем. Этот сигнал с помощью схемы 18суммирования досуммируется к сигналуавтоподстройки фазы П(Ю), поступающему из блока 10 автоматическойподстройки частоты и фазы и подает 1 ся на р-д-и-диод резонансной диафрагмы 14,Радиоспектрометр работает следующим образом. 35Исследуемый образец помещают в рабочий резонатор 6, где создаются резонансные условия для наблюдения сигнала ЗПР. Мощность СВЧ в рабочий резонатор 6 поступает с выхода гене ратора СВЧ 1 через ответвитель 2 и циркулятор 4В момент резонанса на выходе СВЧ-детектора 8 формируется сигнал поглощения или дисперсии. Необходимая мощность СВЧ-смещения 45 на детектор 8 поступает через гомодинный канал 3, Фаза СВЧ-смещения задает. ся электронным фазовращателем 12, .включенным в гомодинный канал 3. За, , дание начального значения и разверт ка поляризующего магнитного поля осуществляются блоком 1 управления магнитным полем, Развертка магнитного поля осуществляется дискретно с заданным шагом (например, с помощью 55 цифроаналогового преобразователя), Согласование частоты генератора СВЧ 1 с частотой рабочего резонатора 6. а Гомодинный радиоспектрометр ЭПР может работать в режиме либо раздельной, либо одновременной регистрации сигналов поглощения и диспер сии. Режим работы задается блоком 1 управления магнитным полем. Обра- . ботка сигналов осуществляется двухканальным блоком 9 регистрации.Режим регистрации сигнала поглощения реализуется при установке О фазы СВЧ-смещения в гомодинном канале 3 с помощью блока 16 задания фазы, Схема 17 выборки-хранения обеспечивает трансляцию сигналов управ 1157 л 2430 ленин частотой П( Й Г) генератораСВЧ и Фазой П( 3 М)электронногофаэовращателя 12 с выхода блока 10автоматической подстройки частоты ифазы на генератор СВЧ 1 и Фазовращатель 12 и, таким образом, обеспечивает режим автоматической подстройки частоты и Фазы в радиоспектрометре,Режим регистрации сигнала дисперсии реализуется изменением фазы СВЧосмещения на 90 с помощью блока .16задания фазы. При этом схема 17 выборки-хранения обеспечивает запоминание и поддержание на время 15регистрации сигнала дисперсии уровней сигналов управления частотой ифазой на управляющих входах генератора СВЧ 1 и Фазовращателя 12, Коррекция расстройки частоты 8 Г и фазы дЧ ,которые возникают в моментрегистрации сигнала дисперсии, достигается путем периодического пере- .ключения радиоспектрометра в режимавтоматической подстройки частоты ии фазы (т,е, в режим регистрациисигнала поглощения) во время переключения величины поляризующего магнитного поля на один шаг разверткиравный дискретности развертки),Режим одновременной регистрациисигналов дисперсии и поглощенияреализуется при периодическом, изменении фазы СВЧ-смещения на 0 и90 за время;,одного шага развертки,35В этом случае время регистрации сиг-.нала поглощения равно времени ре- .гистрации сигнала дисперсии, и, таким образом, режим одновременнойрегистрации сигналов поглощения идисперсии отличается от режима регистрации сигнала дисперсии толькосоотношением времени устаиовки фа 6зы СВЧ-смещения в нулевое или 90состояние,В отличие от известного технического решения предложенный гомодинный радиоспектрометр ЭПР обеспечи. вает более высокую чувствительность регистрации (как минимум в 5 раз) сигналов поглощения и дисперсии за счет использования оабочего оеэонатора в отражательном режиме как пля регистрации сигнала поглощения так и сигнала дисперсии ( что теоретически обеспечивает не менее, чем двукратный выигрьш 1 в чувствительности по сравнению со схемой с проходным резонатором), использования одноканальной схемы регистрации что устраняет потери сигнала резонанса на выходе рабочего резонатора, которые имеют место при комбинированной схеме включения рабочего резонатора. повышения стабильности при упрощении СВЧ-схемы сигнального канала радиоспектрометра. Прн этом высокая чувствительность обеспечивается на всех уровнях мощности СВЧ поступаюшей в рабочий резонатор. Предложенное техническое решение реализовано в унифицированном малогабаритном радиоспектрометре "Минск РЭМИФС" и обеспечивает одновременную и раздельную регистрацию сигналов поглощения и дисперсии, а также автоматическое согласование тракта СВЧ в диапазоне мощностей 005- 50 мВт, Вывод спектров .П 1 Р осуществляется на электронно-лучевую трубку через двухканальный накопитель,1157424 щМ мроставитель Л.Горехред М.ПаРоцай Зак Филиал ППП "Патент" г.Ужгород. ул роектн дактор О.Ювковецкая 3359/41ВНИИПИ Государспо делам изобр 113035 Москвад еваКорректор Л. ПилипенкоПодписноеР Тираж 897венного комитета СССтений и открытийЖРаушская наб,