Способ модуляционно-фазовой регистрации спектров магнитного резонанса и устройство для его осуществления

сОюз советснихСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРеспблин 0% 01) О 01 г. з. ДоИЕ ИЗОБРЕТЕН ТОРСКСМУ СВ(57) 1. регистр о зонанса, сокочаст поля на спиновую систему, разверткумагнитного поля в области магнитногоорезонанса и измерение 90 - компоненть игнала магнитного резонанса на час оте модуляции, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьпденияточности и информативности за сче дновременнои ой и фазовой егистраци арактерис нанса, не ение фазы нанса на амплитудик сигнала рерывно кор сигнала маьитного ре ректируют изм магнитного ре астоте модуляции по минимумпри развертке маг временно измеряют фазовой коррекции магнитного резона-ФАЗОВОЙ РЕНОГО РЕЗОО ОСУЩЕСТВссуда ственнцй комитет сссРо дклдм изоБв=тений и ота цтий 21) 3551915/18-2522) 15.02.8346) 30.07.84, Бюл. Р 28(71) Белорусский ордена ТрудовогоКрасного Знамени государственныйуниверситет им. В.И. Ленина(56) 1. Лундин А.Г., Федин Э.И. Ядерный магнитный резонанс. Основы иприменения. Новосибирск, Наука",1980, с. 16-20 и 33-40.2. ЕоЬь.пзоп В.Н., Ва 1 гоп 1,.К.ЕРЕ апй Багцгагдоп Тгапз Еег ЕРК Бресггаг ЬЦЬ Мьсгочаче Р 1 еЫ 1 пг.епз 1 дез.3. СЬев, РЬуз. 1979, . 36, р, 207237 (прототип).(54) СПОСОБ МОДУЛЯЦИОНГИСТРАЦИИ СПЕКТРОВ МАГНАНСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯЛЕНИЯ. пособ модуляционно-фазовии спектров магнитного ревключающий воздействие вьтной модуляции магнитного у 90 -компонентыитного поля и одновеличину сигналаи амплитуду сигналса.= 0,1,2.НедосТатками известного способа и устройства являются низкая точность измерения релаксационных параметров. При фазовой задержке ЕЦ;2,5 О погрешность в определении релаксационных параметров превышает 507, низкая чувствительность измерения, так как максимальная чувствительность достигается за счет увеличения фазового сдвига (до 45 О), т.е. за счет снижения точности измерения, низкая информативность измерения, поскольку регистрируемая 90 -компонента являетсяосложной Функцией амплитудной ь и фаэовой Ь( характеристик сигнала магнитного резонанса. В этих характеристиках заключена информация о поглощаемой мощности СВЧ (в сигнале поглощения) и о временах релаксации. Информацию о релаксационных параметрах исследуемого вещества получают косвенно путем сравнения зарегистриорованной 90 -компоненты сигнала магнитного резонанса с рассчитанной на ЭВМ конкретной моделью спектра.Цель изобретения - повышение точности и информативности за счет одновременной регистрации амплитудной и фазовой характеристик сигнала магнитного резонанса.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу модуляционнофазовой регистрации спектров магнитного резонанса, включающему воздействие высокочастотной модуляции магнитного поля на спиновую систему, развертку магнитного поля в областио магнитного резонанса и измерение 90 - компоненты сигнала магнитного резонанса на частоте модуляции, непрерывно корректируют изменение фазы сигнала магнитного резонанса на частоте модуляции по минимуму 90 -компоненты0 при развертке магнитного поля и одновременно измеряют величину сигнала фазовой коррекции и амплитуду сигнала магнитного резонанса.Устройство для модуляционно-фазовой регистрации спектров магнитного резонанса, содержащее электромагнит с блоком управления, блок СВЧ с рабочим резонатором, модулятор магнитного поля с катушками модуляции, фазовый 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 детектор, на опорном входе которого включен 90 -фазовращатсль, введсны0синхронный детектор, электрически управляемый Фаэовращатель и усилитель ошибки, причем второй выход модулятора магнитного поля через электрически управляемый фаэовращатель соединен с опорными входами синхронного и фазового детекторов, сигнальные входы которых подключены к выходу блока СВЧ, выход фазового детектора через усилитель ошибки соединен с управляющим входом электрически управляемого фазовращателя, а выходы усилителя ошибки и синхронного детектора являются выходами устройства.На фиг.1 представлена блок-схема устройства для модуляционно-фазовой регистрации спектров магнитного резонанса; на фиг.2 - фазовая характеристика Ьс сигнала ЭПР-облученного образца кварца, измеренная по предлагаемому способу на трех частотах модуляции Я магнитного поля; на фиг.3 - 90 -компонента 1 , сигналаоЭПР того же образца, измеренная согласно известному способу на тех же частотах модуляции, что и фазовая характеристика ьь; на Фиг.4 - амплно тудная характеристика У и О. -компонента Уо, сигнала ЭПР, измеренные соответственно предложенным и известным способами на частоте модуляции Я500 кГц.Устройство для модуляционно-фазовой регистрации спектров магнитного резонанса содержит электромагнит 1 с блоком 2 управления, блок 3 СВЧ с рабочим резонатором 4, модулятор 5 магнитного поля с катушками 6 модуляции, фазовый детектор 7, на опорном входе которого включен 90 -фазоо вращатель 8, а также синхронный детектор 9, электрически управляемый Фазовращатель 10 и усилитель 11 ошибки, причем второй выход модулятора 5 магнитного поля через электрически управляемый фазовращатель 10 соединен с опорными входами синхронного 9 и Фазового 7 детекторов, сигнальные входы которых подключены к выходу блока 3 СВЧ, а выход фазового детек" тора 7 через усилитель 11 ошибки соединен с управляющим входом элект рически управляемого фазовращателя 10. Сигнал магнитного резонанса ре"гистрируется путем воздействия наисследуемый парамагнитный образец постоянного поляризующего и сверхвысокочастотного магнитных полей. Для этого образец помещается в рабочий резонатор 4, где на него воздейст вует мощность СВЧ, генерируемая блоком 3 СВЧ, и поляризующее магнитное поле, создаваемое электромагнитом 1. Величина магнитного поля регулируется блоком 2 управления. 1 ОКроме того, магнитное. поле в месте расположения образца модулируется катушками 6 модуляции, подключенными на выход модулятора 5 магнитного поля, Модулятор 5 формирует также опор ное напряжение для синхронного 9 и фазового 7 детектора, причем опорный сигнал на вход фазового детектора 7оподается через 90 -фазовращательо что обеспечивает регистрацию 90-ком поненты 1 о, сигнала магнитного резонанса, поступающего с выхода блока 3 СВЧ. Усилитель ошибки, включенный в канал регулирования фазы опорного напряжения, с помощью электрически управляемого фазовращателя 10 корректирует фазу опорного напряжения (что эквивалентно коррекции фазы сигнала магнитного резонанса при включении фазовращателя 10 в канал регистрации Зо сигнала магнитного резонанса) пооминимуму 90 -компоненты сигнала. Поланая компенсация 90 -компоненты ( 1 о=9 о = О) достигается при точной настройке на 90 опорного сигнала относиотельно сигнала магнитного резонанса. Сигнал ошибки на выходе усилителя 11 ошибки, пропорциональный изменению фазы сигнала магнитного резонанса Ь, является фазовой характеристикой 40 сигнала магнитного резонансаЬр-агс 15 д 1,1 ко 1 орая описывает распределение вре 45 мени релаксации 1 по спектру магнитного резонансаПри этом частота модуляции Я выбирается по максимуму фазовой характеристикид .Электрически управляемый фазовращатель 10 включен также в опорный ка 50 нал синхронного детектора 9. Благодаря этому на выходе детектора 9 регистрируется амплитудная характеристика сигнала магнитного резонанса 1, коС торая описывает только сигнал поглощения без фазовых искажений. Сравнение амплитудной и фазовых характеристик сложного спектра магнитного резонанса позволяет найти соответствие между отдельными компонентами спектральной линии и описывающими их временами релаксации.Таким образом, предлагаемый модуляционно-фазовый способ регистрации спектров магнитного резонанса обеспечивает высокую точность измерения времени релаксации, поскольку непосредственно измеряется величина фазовой задержки д(, функционально связанная с временем релаксации Т , высокую чувствительность, благодаря ,воэможности оптимизировать частоту модуляции Л по максимуму фазовой задержки дц. При этом частота модуляции не сказывается на точности измерения, высокую информативность, обусловленную не только высокой точностью измерения и высокой чувствительностью, но и возможностью оценивать непосредственно без дополнительных расчетов на ЭВМ время релаксации каждой спектральной линии сложного спектра и выявлять наличие неразрешенных компонент спектра за счет различия их временных параметров.На фиг.2 приведена фазовая характеристика Ь сигнала ЭПР-облучен- ного образца кварца, измеренная по предлагаемому способу на частотах модуляции магнитного поля Я = 500;200; 100 кГц (соответственно кривые 12-14). На фиг.2 обозначены стрелками также местоположение отдельных спектральных линий и значения-факторов, соответствующие различным.типам Е -центров в кварце (Е 4, Е 2 фЕ 1) ф Как видно из кривых 12-14, наблюдается соответствие между .положением отдельных спектральных линий Е -центров и положением максимумов на фазовой характеристике Ь Щ, обусловленныхрелаксационными процессами в исследуемом парамагнитном образце. В тооже время регистрация 90 -компонентыо сигнала ЭПР на тех же частотах модуляции (кривые 15-17 на фиг.З) известным способом не позволяет (без дополнительных расчетов) получить однозначную информацию о наличии плохо разрешенных спектральных линий сложного спектра ЭПР.Все кривые измерены при мощностиСВЧ 0,2 МвТ, амплитуде модуляции0,5 Э.Для приведенного случая фазовая характеристика обусловлена спин-спиновой релаксацией (время Т; ). Времена релаксации отдельных Е -центров могут быть оценены с помощью выражения:ьф; си с(Я - ЯТ3С 2 2 При этом получены следующие значения Ь - центр - Т6 10 .с; Е - центр - Ттр - 210с, Е " центр - Т 3810 с.На фиг.4 приведена амплитудная характеристикаи 0 -компонентаеос игнала ЭПР, измеренные по предлагае 0 мому и известному способам на частоте модуляции й = 500 кГц, когда в наибольшей степени проявляются фаэовыеоискажения. В 0 -компоненте У о(криО вая 18) вследствие фазовых искажений наблюдается уменьшение интенсивности и появление ложных спектральных линий, не обусловленных поглощением мощности СВЧ. Такие искажения устра няются при регистрации амплитудной характеристики 1 (кривая 1;9) сигнала ЭПР.Таким образом, предлагаемый способ обладает высокой информативностью поскольку позволяет выявлять наличие неразрешенных (или плохо разрешенных) компонент сложного спектра за счет различия их временных параметров а также оценивать времена релаксаций спектральных линий.Повышение чувствительности модуляционно-фазовой регистрации спектров ЭПР достигается за счет повышения частоты модуляции магнитного поляЯ (в данном случае 100 кГц - 500 кГц), при этом частота модуляции не сказывается на точности измерения.Кроме того,в предлагаемом способе существенно меньшие искажения сигнала поглощения, обусловленные релаксационными процессами в исследуемом образце, что особенно важно при измерениях концентрации парамагнитных центров, когда определяется интенсивность или площадь, ограниченная кривой поглощения.