ДАТЧИК СПЕКТРОМЕТРА ДВОЙНОГО ЯДЕРНО-ЭЛЕКТРОННОГО РЕЗОНАНСА Российский патент 1997 года по МПК G01N24/12 

Изобретение относится к магнитной радиоспектроскопии и может быть использовано для возбуждения и регистрации сигналов в спектрометрах двойного ядерно-электронного резонанса (ДЯЭР).

Известно, что явление ДЯЭР заключается в том, что в системе, содержащей ядерные и электронные спины, взаимодействующие между собой, насыщение электронной спин-системы сильным переменным магнитным полем на частоте резонанса влечет за собой изменение распределения (поляризацию) ядерных спинов по энергетическим состояниям (Б.М.Одинцов "Ядерно-электронный эффект Оверхаузера в растворах", КФ АН СССР, Казань, 1986, гл.I, с. 7-23).

Особенностью датчика спектрометра ДЯЭР является необходимость облучения исследуемого образца одновременно на двух частотах ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного магнитного резонанса (ЭМР), различающихся на три и более порядков величины. Другой особенностью датчика спектрометра ДЯЭР является требование высокой чувствительности по приему сигнала ЯМР при одновременном насыщении электронной спин-системы сильным полем на частоте резонанса. Напряженность ЭПР-насыщающего поля должна быть такова, чтобы вероятность индуцированных этим полем ЭПР переходов была сравнима или больше вероятности релаксационных переходов. Это означает, что для получения фактора насыщения электронной спин-системы порядка единицы, напряженность круговой компоненты поля ЭПР-накачки должна быть порядка полуширины линии ЭПР. В случае отсутствия насыщения ЭПР-переходов сигнал ДЯЭР не наблюдается (то же, гл.I, с.30-37).

Известны датчики спектрометра ДЯЭР, в которых для получения необходимой микроволновой мощности, достаточной для насыщения электронных зеемановских уровней используют объемные резонаторы (то же, гл.III, с.117-119, а также В. И. Балдин, А.П. Степанов, "Резонансная ячейка спектрометра двойного двойного ядерно-электронного резонанса". Приборы и техника эксперимента, N 5, с.168, 1976). Применение объемного резонатора влечет за собой ряд трудностей, поскольку введение резонансного радиочастотного (РЧ)-контура (катушка ЯМР) внутрь резонатора резко снижает его добротность, а следовательно, приводит к снижению напряженности ЭПР-насыщающего поля, причем катушка ЯМР еще и дополнительно экранирует образец от воздействия ЭПР-насыщающего поля. Кроме того, в экспериментах ДЯЭР бывает необходимо знать напряженность ЭПР-поля в образце. Помещение катушки ЯМР внутрь резонатора настолько искажает величину ЭПР-поля в нем, что практически невозможно рассчитать его величину исходя из геометрии резонатора. Добавим, что в метровом и дециметровом диапазонах волн сильно возрастают размеры резонатора.

Известен датчик спектрометра ДЯЭР, котором для создания ЭПР-насыщающего поля вместо объемного резонатора использована спиральная замедляющая система (Ф. Валино, Ф. Чаквари, Р.Серво-Гавен, "Резонансные спирали и их применение для спектроскопии ЭПР и других резонансов", Приборы для научных исследований, N 11, с.50, 1968). Этот датчик является наиболее близким к заявляемому и поэтому выбран в качестве прототипа. Датчик состоит из спиральной замедляющей системы, представляющей собой однослойный соленоид, состоящий из нескольких витков немагнитного провода. Спиральная система помещена внутрь резонансного РЧ-контура (катушка ЯМР). При распространении электромагнитной энергии по виткам спирали происходит замедление волны в осевом направлении, что приводит к сжатию волны и увеличению плотности электромагнитной энергии внутри спирали. В режиме отражения спираль является резонансной системой. В экспериментах ДЯЭР спиральная конструкция легко сочетается с катушкой ЯМР. По сравнению с объемными резонаторами спираль обладает рядом преимуществ: простой изготовления, небольшими габаритами и значительно большей широкополосностью. Спираль можно настроить при комнатной температуре, а затем без существенной перестройки использовать при низких температурах. Спиральные конструкции позволяют получить большие коэффициента при малых объемными резонаторами (то же, гл.III, с.117-119). Все это делает спиральные замедляющие системы более перспективными для создания ЭПР-насыщающего поля по сравнению с объемными резонаторами в датчиках ДЯЭР. Однако известное техническое решение не может обеспечить необходимых значений ЭПР-насыщающего поля в объеме изучаемого образца при ДЯЭР исследовании парамагнитных соединений с короткими (<10^-7с) временами электронной релаксации и широкими линиями ЭПР, таких как ионы и комплексы соединений переходных и редкоземельных металлов (то же, гл.I, с.30-37).

Задачей изобретения является расширение класса исследуемых методом ДЯЭР объектов.

Для решения задачи необходимо достижение следующего технического результата: увеличить напряженность ЭПР-насыщающего поля до величины, превышающей полуширины линии ЭПР-исследуемых методом ДЯЭР образцов с сохранением требуемой для экспериментов ДЯЭР высокой чувствительности по сигналу ЯМР.

Указанная цель достигается тем, что известный датчик спектрометра двойного ядерно-электронного резонанса, содержащей устройство для насыщения сигнала электронного парамагнитного резонанса, выполненное в виде спиральной системы, и резонансный радиочастотный контур, для решения поставленной задачи содержит экран из немагнитного проводящего материала, выполненный в виде разомкнутой цилиндрической поверхности и расположенный между устройством насыщения сигнала электронного парамагнитного резонанса, которое расположено внутри экрана, и резонансным радиочастотным контуром.

Было проведено сравнение величины ЭПР-насыщенного поля в предложенном и известном технических решениях. Как показали испытания, при использовании заявляемой конструкции датчика с разомкнутыми экраном величина насыщающего поля почти на порядок больше, чем у известного технического решения. С другой стороны, введение разомкнутого экрана не ухудшает чувствительности заявляемого датчика по сигналу ЯМР (Акт испытаний к заявке).

Расстояние между незамкнутыми краями экрана выбирается из следующих соображений: по максимуму оно определяется потерями ЭПР-насыщающего поля на излучения из внутренней полости, ограничиваемой экраном; по минимуму оно определяется тем, чтобы экран не замкнулся, а также с учетом прочности конструкции.

Были проведены испытания конструкции в замкнутом и разомкнутых экранах. Конструкция с замкнутым экраном является аналогом коаксиального резонатора со спиральным внутренним проводником, имеющим чрезвычайно высокую добротность (до нескольких тысяч). Величины амплитуд ЭПР насыщающего поля в обоих случаях практически совпадают. Однако замкнутый экран не может быть использован в ДЯЭР экспериментах, поскольку он будет поглощать сигнал ЯМР.

В качестве развития предложенного технического решения разомкнутые края экрана могут быть выполнены со взаимным перекрытием. Это уменьшает ЭПР-насыщающего поля на излучение из внутренней полости, ограничиваемой экраном. При этом степень перекрытия не должна превышать той критической величины, когда начнется интенсивное ослабление сигнала ЯМР.

Возможен вариант развития предложенного технического решения, когда между разомкнутыми краями экрана расположена изолирующая прокладка, плотно примыкающая к ним, а толщина прокладки не превышает величины:
h<R_cωεS/4π
где
h толщина прокладки;
R_с реактивное сопротивление емкости, образованной перекрывающимися краями экрана;
ω - рабочая резонансная частота ЭПР;
ε - диэлектрическая проницаемость материала изолирующей прокладки;
S площадь перекрывающейся части экрана.

На фиг. 1 представлена конструкция датчика, с неперекрывающимися краями экрана; на фиг.2 с перекрывающимися краями и изолирующей прокладкой.

Для наглядности изображения на фиг.1 и фиг.2 приведены в аксонометрической проекции.

Спиральная замедляющая система 1 для создания ЭПР-насыщающего поля, представляющая собой однослойный соленоид, состоящий из нескольких витков немагнитного провода, помещена внутрь экрана 2 из немагнитного проводящего материала. Экран 2 выполнен в виде разомкнутой цилиндрической поверхности. Резонансный РЧ-контур 3 расположен (намотан) на экране 2. Экран 2 и РЧ-контур 3 электрически изолированы друг от друга. В варианте фиг. 2 между перекрывающимися краями экрана 2 расположена изолирующая прокладка 4.

Датчик работает следующим образом. Исследуемый образец (не показан), помещают внутрь спиральной системы 1 в пучность ЭПР-насыщающего поля. На исследуемый образец одновременно воздействуют резонансным ЭПР-насыщающим полем, создаваемым спиральной системой 1 и РЧ-полем, создаваемым контуром 3 на частоте ЯМР. Возникающий при этом сигнал ДЯЭР может быть зарегистрирован с помощью автодинного ЯМР-генератора (не показан), который служит также для возбуждения резонансного РЧ-поля. Для возбуждения ЭПР-насыщающего поля может быть использован стандартный генератор (не показан), связанный со спиральной системой 1. Для повышения добротности датчика на частоте ЭПР между незамкнутыми перекрывающимися краями экрана 2 помещают прокладку 4. Толщина прокладки 4 выбирается из соображений минимальности реактивного емкостного сопротивления между незамкнутыми краями экрана 2, а также из изображений разумной прочности конструкции в целом. Для расчета оптимальных параметров экрана 2 (внутренний диаметр, длина) и спиральной системы 1 (число витков, диаметр и шаг намотки, диаметр провода) могут быть использованы расчетные формулы, взятые из работы (W.Macalpine, R.O.Shildknecht, "Coaxial Resonators with Helical Inner Conduktor", Proceeding of IEEE, 47, p.2099-2117, 1959).

Использование: изобретение относится к магнитной радиоспектроскопии и может быть использовано для возбуждения и регистрации сигналов в спектрометрах ДЯЭР. Сущность изобретения: датчик содержит устройство для насыщения сигнала ЭПР, выполненное в виде спиральной замедляющей системы и разонансный РЧ-контур. Новым в датчике является то, что он содержит экран из немагнитного материала, выполненный в виде разомкнутой цилиндрической поверхности. Экран расположен между устройством насыщения сигнала ЭПР, находящимся внутри экрана, и резонансным РЧ-контуром. Возможен вариант, в котором разомкнутые края экрана выполнены со взаимным перекрытием, а между ними расположена изолирующая прокладка. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Датчик спектрометра двойного ядерно-электронного резонанса, содержащий устройство для насыщения сигнала электронного парамагнитного резонанса, выполненное в виде спиральной системы, и резонансный радиочастотный контур, отличающийся тем, что он содержит экран из немагнитного проводящего материала, выполненный в виде разомкнутой цилиндрической поверхности и расположенный между устройством насыщения сигнала электронного парамагнитного резонанса, которое расположено внутри экрана, и резонансным радиочастотным контуром. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что разомкнутые края экрана выполнены с взаимным перекрытием. 3. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что между разомкнутыми краями экрана расположена изолирующая прокладка, плотно примыкающая к ним, а толщина прокладки не превышает величины
h < R_cωεS/4π,
где h толщина прокладки;
R_с реактивное сопротивление емкости, образованной перекрывающимися краями экрана;
ω - рабочая резонансная частота ЭПР;
ε - диэлектрическая проницаемость материала изолирующей прокладки;
S площадь перекрывающейся части экрана.