Устройство для исследования двойного электронно-ядерного резонанса

Союз Соеетских Социалистических РеспубликЗависимое от авт. свидетельстваЗаявлено 23 Л,1965 ( 942043/26-25)с присоединением заявкиПриоритетОпубликовано 14.Ч 1,1968, Бюллетень19Дата опубликования описания 23.1 Х.1968 Кл, 421, 3/09 МПК 6 01 пУДК а 39 1 075(088 8) Комитет ло делам изобретений и открытий ари Сонете Мнннстрое СССРАвторизобретения М. А. Рубаи Институт полупроводников АН УССРЗаявитель УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВОЙНОГО ЭЛЕКТРОННО-ЯДЕРНОГО РЕЗОНАНСАУстройство предназначено для регистрации и наблюдения спектров двойного электронно- ядерного резонанса (ДЭЯР) и спектров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Объектами исследования могут быть обладающие спектрами ЭПР вещества со сверхтонкой структурой. Устройство обеспечивает исследования неметаллических твердых тел (полупроводников и диэлектриков), свободных радикалов, парамагнитных ионов, металло- органических парамагнитных комплексов радиационных дефектов и других парамагнитных образований, при фундаментальных исследованиях в области физики твердого тела, квантовой электроники и структурной химии.Известные устройства для исследозания двойного электронно-ядерного резонанса содержат электромагнит с системой стабилизации тока питания, в зазор которого помещен резонатор СВЧ с образцом, генератор радиочастотной подсветки, супергетеродинный спектрометр ЭПР с бглансными смесителями СВЧ, усилителями промежуточной частоты и системой автоматической подстройки частоты. Из. вестно также применение однополосных модуляторов в качестве гетеродина в спектрометрах ЭПР.Предлагаемое устройство отличается тем, что, с целью создания магнитного радиочастотного поля интенсивности, достаточной для насыщения ядерных переходов в образце, и расширения частотного диапазона, генератор радиочастотной подсветки содержит модулятор, собранный по схеме триггера Шмитта, 5 включенный в сеточную цепь двухтактного генератора с самовозбуждением, выходной контур которого индуктнвно связан с петлей радиочастотной подсветки резонатора СВЧ,С целью повышения помехоустойчивости и 10 устранения наводок от мощного генераторарадиочастотной подсветки между выходом балансного смесителя СВЧ и входом предварительного усилителя промежуточной частоты включены режекторные фильтры, настроенные 15 на субгармонические составляющие промежуточной частоты, и фильтр верхних частот, основной усилитель промежуточной частоты выполнен в виде балансного смесителя с гетеро- дином, стабилизированным кварцем, а на вы ходе узкополосного усилителя второй промежуточной частоты включены амплитудный и фазовый детекторы.С целью повышения чувствительности однополосный модулятор СВЧ выполнен на диоде,.25 включенном через трансформатор полных со.противлений в одно из плеч ферритового циркулятора, которое заканчивается короткозамкнутым поршнем, а выходное плечо содержитрезонагорньш фильтр.ЗО Для облегчения количественной интерпрета 219862ции спектров двойного электронно-ядерногорезонанса на выходе генератора радиочастотной подсветки включена система измерениячастоты и нанесения меток частоты на записы 5ваемый спектр.На фиг, 1 показана блок-схема устройства;на фиг. 2 - принципиальная схема генераторарадиочастотной подсветки; на фиг, 3 - принципиальная схема предварительного усилителяпромежуточной частоты; на фиг. 4 - принци 1пиальная схема основного усилителя второйпромежуточной частоты; на фиг. 5 - принципиальная схема однополосного модулятора.Мощность от генератора 1 СВЧ через ферритовый вентиль 2, направленные ответвителп 13, 4 и 5, градуировочный аттенюатор б и фер.ритовый вентиль 7 поступает на одно из плечдвойного Т-образного моста 8, в одном из плечкоторого находится резонатор 9 с образцом,имеющий регулируемую связь 10, благодаря . 2которой осуществляются общая балансировкамоста 8 и оптимальное согласование при смене образцов. Второе плечо моста 8 - компенсационное - содержит согласованную нагрузку 11 с трансформатором 12 импеданса перед 2ней. Мост 8 имеет массивную конструкциюдля ослабления микрофонного эффекта и увеличения стабильности. Во входном и выходномплечах имеются ферритовые вентили 7 и 13,Сигнал разбаланса моста 8, обусловленный 3поглощением энергии СВЧ образцом в резонаторе 9, поступает на балансный смеситель 14на щелевом мосте, конструктивно объединенный с предварительным усилителем 15 промежуточной частоты. Гетеродинный сигнал набалансный смеситель подается через ферритовый вентиль 1 б от однополосного модулятора17 СВЧ.Направленный ответвитель 3 ответвляетмощность от сигнального СВЧ генератора 1 навнешний резок.атор 18 для измерения частотыСВЧ с точностью до 10 ф и автоматическойподстройки частоты модуляционного типа принаблюдении сигналов дисперсии электронногопарамагнитного резонанса и нестационарногосигнала двойного электронно-ядерного резонанса.Частота генератора 1 может автоматическиподстраиваться также по рабочему резонатору 9. При этом усилитель 19 ЛПЧ с фазовымдетектором через переключатель 20 подсоединяется к выходу предварительного усилителя15 промежуточной частоты. Опорное напряжение для фазового детектора блока 19 и напряжение модуляции для генератора 1 создаютсяв блоке 21,Направленный ответвитель 4 ответвляет мощность через аттенюатор 22 и прецизионный фазовращатель 23 на формирование опорного сигнала промежуточной частоты на балансном смесиеле 24.Направленный ответвитель 5 ответвляет мощность от генератора 1 через ферритовый вентиль 25 и аттенюатор 2 б на однополосный модулятор 17, высокочастотное напряжениедля которого поступает с блока 27.Направленный ответвитель 28 подключаетанализатор 29 спектра.Направленный ответвитель 30 ответвляетчасть мощности однополосного модулятора 17на балансный смеситель 24 опорного канала.Опорный и сигнальный каналы после балансных смесителей 14 и 24 идентичны. Они со 0 стоят из предварительных усилителей 15 и 31промежуточных частот, балансных смесителейс узкополосными усилителями 32 и 33 второйпромежуточной частоты и общего гетероди.на 34,5 На выходе основного усилителя 32 промежуточной частоты используют амплитудныйдетектор 35 или фазовый детектор Зб, после.его сигнал поступает через широкополосныйусилитель 37, узкополосный избирательныи0 усилитель 38 и синхронный детектор 39 на самописец 40.Опорное низкочастотное напряжение поступает на синхронный детектор 39 от задающегонизкочастотного генератора 41, откуда напря 5 жение низкой частоты может поступать черезпереключатель 42 на катушки 43 модуляциимагнитного поля электромагнита 44 при регистрации ЭПР и нестационарного ДЭЯР. Прирегистрации стационарного ДЭЯР напряжение0 с генератора 41 поступает на генератор 45 радиочастотной подсветки, с которым связанаавтоматическая или полуавтоматическая система 4 б измерения его частоты и нанесенияметок частоты на записываемый спектр, свя 35 занная, в свою очередь, с самописцем 40.Устройство содержит также блок 47 стабилизации и прецезионной установки тока электромагнита 44 и измеритель 48 напряженностимагнитного поля с протонным датчиком 49 в40 зазоре электромагнита 44.Генератор 45, создающий радиочастотноемагнитное поле интенсивности, достаточнойдля насыщения ядерных переходов в образце,размещенном в резонаторе 9 СВЧ, работает в45 широком диапазоне частот благодаря пере.ключающимся катушкам выходного контура50 и конденсатору 51 переменной емкости,пластины которого вращаются через редукторсинхронным мотором.50 Принципиальная схема генератора радиочастотной подсветки представлена на фиг. 2.Модулятор 52, собранный по схеме триггераШмитта, включен в сеточную цепь двухтактного генератора 53 с самовозбуждением. Вы 55 ходной контур 50 генератора 53 индуктивносвязан с петлей радиочастотной подсветки врезонаторе СВЧ.Генератор 45 работает в импульсно-модулярованном и непрерывном режимах. Переход с60 одного режима работы на другой обеспечивается переключателем 54. Мощность генератора53 регулируют изменением анодного напряжения питания. Чтобы получить отрицательныйимпульс модуляции генератора 53, катод ламэ65 пы генератора 53 заземляют, а модулятор э 2198625 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 питается от отдельного источника анодного напряжения, плюсовый вывод которого заземлен.Для увеличения помехоустойчивости и подавления наводок от генератора 45 радиочастотной подсветки между выходом балансного смесителя СВЧ и входом предварительного усилителя 15 промежуточной частоты включены режекторные фильтры 55, настроенные на субгармонические составляющие промежуточной частоты, и фильтр 56 верхних частот после первого каскада 57 усиления для лучшего согласования его по входу и выходу. Каскад 57 собран на триоде с заземленной сеткой. За вторым каскадом усиления 58, собранным по каскадной схеме с регулировкой усиления, сле. дует двухкаскадный резонансный усилитель 59, с выхода которого сигнал поступает на основной усилитель 32 промежуточной частоты, состоящий из усилителя 60 высокой частоты на триоде с заземленной сеткой и идентичных балансных смесителей 61 и 62 сигнального и опорного каналов с общим гетеродином 34, стабилизированным кварцем, а также узкополосных усилителей 63, 64 и 65. На выходе усилителя 63 включен амплитудный детектор бб, а на выходе усилителя 65 - фазовый детектор 67, опорное напряжение на который поступает с усилителя 64 опорного канала.На выходе основного усилителя 32 включены усилители 68 и 69 низкой частоты,Однополосный модулятор 17, повышающий чувствительность устройства, выполнен на диоде 70, включенном в плечо 71 ферритового циркулятора 72. Трансформатор 73 полных сопротивлений перед диодом 70 позволяет согласовать этот диод с волноводным трактом и добиться оптимального подавления несущей частоты СВЧ. Этой же цели служит коротко- замыкающий поршень 74 за диодом 70, распо 1ложенный на расстоянии - от его плоскости.4Одна из боковых частот выделяется резона- торным фильтром 75 проходного типа циркулятора 72. В этом же плече находится согласованная поглощающая нагрузка 76.Принцип работы устройства основан на изучении снятия насыщения электронного пара- магнитного резонанса в образце при одновре. менном насыщении ядерных переходов. Если зафиксировать частоту СВЧ, произвести насы. щение по ЭПР, значение статического магнитного поля Но установить на центр линии ЭПР и при этих условиях медленно менять частоту радиочастотной подсветки, вызывающей насыщение ядерных переходов между различными сверхтонки ми уровнями, можно наблюдать спектр ДЭЯР. Выбирая диапазоны частот радиочастотной подсветки, можно получить спектры ДЭЯР ог различных координационных сфер.Для образцов с коротким временем релаксации лучшие результаты получают при измерении сигнала стационарного ДЭЯР. При этом спектрометр настраивают на регистрацию сигнала поглощения, частота автоматически подстраивается по рабочему резонатору, магнитное поле не модулируют, а использую 100%-ную амплитудную модуляцию радиочастотной подсветки с низкой частотой Р, опре 1деляемой условием Рм, где т - время релаксации электронных спинов. С частотой модуляции изменяется параметр насыщения ядерных переходов и с такой же частотой изменяется сигнал ДЭЯР, который можно зарегистрировать при комнатной температуре.При регистрации сигнала нестационарного ДЭЯР спектрометр настраивают на регистрацию сигнала дисперсии, включают автоматическую подстройку частоты по внешнему резонатору, магнитное поле модулируют низкой частотой с некоторой оптимальной глубиной при работе генератора радиочастотной подсветки в непрерывном режиме.Устройство позволяет выявить неразрешимую обычной методикой ЭПР сверхтонкую структуру линий ЭПР, определить экспериментально пространственное распределение электронной волновой функции одних, например пцимесных, атомОВ В местах расположения соседних атомов на расстоянии до десятка координационных сфер, исследовать природу и модель парамагнитного центра, решать задачи структурного анализа, определять ядерные, спиновые и квадрупольные моменты изотопов, изучать вопросы поляризации ядер, механизмы процессов спин-решеточного н спин-спинового взаимодействия и т. д,Устройство обладает на 3 - 4 порядка более высокой разрешающей способностью по сравнению со спектрометрами ЭПР. Предмет изобретения1. Устройство для исследования двойного электронно-ядерного резонанса, состоящее из электромагнита с системами стабилизации тока, в зазор которого помещен резонатор СВЧ с образцом, генератора радиочастотной подсветки и супергетеродинпого спектрометра электронного парамагнитного резонанса с однополосным модулятором в качестве гетеродина, с балансными смесителями, усилителями промежуточной частоты, системой автоматической подстройки частоты и самописцем, Отличаюиееся тем, что, с целью создания магнитного радиочастотного поля интенсивности, достаточной для насыщения ядерных переходов в образце, и расширения частотного диапазона, генератор радиочастотной подсветки содержит модулятор, собранный по схеме триггера Шмитта, включенный в сеточную цепь двухтактного генератора с самовозбуждением, выходной контур которого связан индуктивно с петлей радиочастотной подсветки в резонаторе СВЧ.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и устранения наводок от мощного генератора219862 грару йлона Фб йг 7 г иткс 41 иг. 1 7радиочастотной подсветки, между выходом балансного смесителя СВЧ и входом предварительного усилителя промежуточной частоты включены режекторные фильтры, настроенные на субгармонические составляющие промежуточной частоты, и фильтр верхних частот, основной усилггтель промежуточной частоты выполнен в виде балансного смесителя с гетеро- дином, стабилизированным кварцем, и узкополосным усилителем второй промежуточной частоты, на выходе которого включены ампли. тудпый и фазовый детекторы.3, Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности, однополосный модулятор СВЧ выполнен на дио. де с питанием от генератора высокой частоты с кварцевой стабилизацией частоты, включенным в одно из плеч ферритового циркулятора,которое заканчивается короткозамкнутым пор/5 шнем на расстоянии - от плоскости диода,4а выходное плечо ферритового циркуляторасодержит резонаторный фильтр проходного типа, выделяющий одну из боковых частот.4. Устройство по п. 1, отггичагоагееся тем,10 что, с целью облегчения количественной интерпретации спектров двойного электронно-ядерного резонанса, на выходе генератора радиочастотной подсветки включена система измерения частоты и нанесения меток частоты на15 записываемый спектр, связанная с самописцем, 219862219862к цнч ген ЮСоставитель И. А, РощинаРедактор Б. Б. Федотов Техред Р. М. Новикова Корректор Т. Ф. Старостина Заказ 2689/11 Тираж 530 Подписное ЦНИИПИ Комитета по делам изобрегений и открытий при Совете Министров СССР Москва, Центр, пр, Серова, д. 4ография, пр. Сапунова, 2