Анализатор концентрации парамагнитных центров Советский патент 1984 года по МПК G01N24/10 

Изобретение относится к радио спектроскопии и может быть использо вано при разработке аппаратуры для количественного анализа веществ методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Известен анализатор концентрации веществ методом ЭПР, в котором исследуемый и калибровочный образцы помещают в один и тот же объем резо натора поочередно fl. Точность известного устройства ограничена погрешиостью,обусловленной изменением параметров измерител ного резонатора при смене образцов и временной нестабильностью коэффициента передачи системы регистрации Общее время измерения включает врем раздельной регистрации спектров от исследуемого и калибровочного образ цов. Известное устройство не позволяет осуществлять непрерывный контроль концентрации исследуемого вещества . Наиболее близким к изобретению является анализатор концентрации па рамагнитных центров, содержащий электромагнит с блоком управления, измерительный резонатор с исследу.емым и калибровочным образцами, блок СВЧ, подключенный к измерительному резонатору, блок регистрации и моду лятор с катушками модуляции магнит ного поля 2 . Регистрация сигналов ЭПР ведется на одной частоте модуляции, а устра нение перекрытия спектров от исслед емого и калибровочного образцов осу ществляется соответствующим выбором д-фактора калибровочного образца. Т КИМ образом, спектры сигналов разде лены по полю, а, следовательно, и по времеЕ и регистрации. Недостатком известного устройства является то, что из-за разнесения регистрации спектров во времени точность измерения концентрации остается невысокой и обусловлена временной нестабильностью всей системы регистрации и нелинейностью развертки магнитного поля в диапазоне регистрации спектров исследуемого и калибророчного образцов. Кроме того, последовательная запись и обработка спектров увеличивает время измерения. Цель изобретения - повышение точ ности анализа и сокращение времени измерений. Поставленная цель достигается тем, что в анализатор концентрации парамагнитных центров, содержащий электромагнит с блоком управления,, измерительный резонатор с исследуемым и калибровочным образцами, блок СВЧ, подключенныйк измерительному резонатору, блок регистрации и моду лятор с катушками модуляции магнит ного поля, дополнительно введены вт рой М.ОДУЛЯТОР с электродами для создания модулирующего электрического поля на калибровочном образце, второй блок регистрации и вычитающий усилитель, в качестве калибровочного образца введено парамагнитное вещество, обладающее электрополевым эффектом/ причем сиг:чальные входы первого и второго блокос регистрации соединены с выходом блока СВЧ, опорные входы соединены соответственно с выходами первогО и второго модуляторов, а выходы подключены ко входам вычитающего усилителя. На чертеже представлена блок-схема анализатора концентрации парамагнитных центров. Анализатор содержит электромагнит Iс блоком 2 управления, измерительный резонатор 3 с исследуемым 4 и калибровочным 5 образцами, блок 6 СВЧ, модулятор 7 с катушками 8 модуляции магнитного поля, второй модулятор 9 с электродами 10 для создания модулирующего электрического поля калибровочном образце 5, блок IIрегистрации суммау ьюго сигнала ЭПР от исследуемого и калибровочного образцов на частоте модуляции магнитного поля и второй блок 12 регистрации сигнала ЭПР от калибровочного образца на частоте моддуляции электрического поля. Сигнальные входы блоков 11 и 12 соединены с выходом блока СВЧ 6, опорные входы - с выходами модуляторов 7 и 9, а выходы подключены ко входам вычитающего усилителя 13, Анализатор работает следующим образом . Исследуемый 4 и калибровочный 5 образцы помещают в одну и ту же область измерительного резонатора 3, расположенного между полюсными наконечниками электромагнита 1, и облучают электромагнитным излучением от блока 6 СВЧ. Задание начального значения магнитного поля и его развертка осуществляется блоком 2 управления. Модуляция магнитного поля на иссл€;дуемом и калибровочном образцах производится с помощью катушек модуляции 8, на которые подается сигнал частоты LU с модулятора 7 магнитнох-о поля. Изменение магнитного поля по времени на исследуемом и калибровочном образцах без учета развертки Мс;гНйтного поля описываете я выражением H(t). U..t, амплитуда модуляции магнитного поля. Модулирующее магнитное поле частотой Ы прикладывают к калибровочному образцу 5 с (1щью электродов 10, соединенных с модулятором 9, ч-т с эквивалентно моцулягмп

поля только на калибровочном образце по згжону

) Л(Е + i

)

где А - коэффициент, характеризующий смещение резонансного значения магнитного поля калибровочного образца при воздействии на него электрического п OJ1 я ;

EQ - начальное значение напряженности электрического поля; Е - амплитуда модуляции электрического поля.

Значение поля EQ выбирается таким, чтобы совместить центры линий ЭПР исследуемого и калибровочного образцов.

Сумг.1арный сигнал ЭПР от исследуемого 4 и калибровочного 5 образцов на частоте модуляции w регистрируется блоком 11 регистрации, а сигнал ЭПР от калибровочного образца 5 на частоте модуляции w 12. Полученные сигналы поступают на входы вычитающего усилителя 13, на выходе которого формируется сигнал только от исследуемого образца 4.

Преимуществом предлагаемого анализатора концентрации парамагнитных центров перед известным является одновременная регистрация спектров исследуемого и калибровочного образцов Поэтому нестабильность резонансных условий и нестабильность коэффициентов передачи систем регистрации одинаковым образом сказывается на точности регистрации спектров этих образцов, чем достигается более высокая точность анализа концентрации. Совмещение спектров исследуемого и

калибровочного образцов осуществляется путем прикладывания к калибровочному образцу постоянного электрического поля нужной величины.

Так как регистрация спектров исследуемого и калибровочного образцов осуществляется одновременно и параллельно по двум каналам, а сравнение этих спектров производится в один и тот же момент времени, общее время измерения концентрации сводится к минимуму. Это позволяет производить непрерывный контроль концентрации парамагнитных центров в исследуемом образце,

Таким образом, в предлагаемом анализаторе концентрации за счет одновременной регистрации спектров ЭПР от исследуемого и калибровочного образцов, размещенных в одной рабочей области измерительного резонатора, повышается точность анализа и сокращается время измерения.

При реализации предложенного анализатора концентрации в качестве калибровочного образца используется

кристалл 7, Сг толщиной 10 мкм, имеющий коэффициент А -10 Э/В. Электрическое поле прикладывается к калибровочному образцу вдоль кристаллографической оси симметрии второго

0 порядка и составляет угол 30° по отношению к направлению поляризующего маг н и т н ог о п ол я,

Время измерепия концентрации определяется главныт-1 образом временем

5 прохолздения резона ;сного значения

спектральной линии и в 2-3 раза меньше, чем при последоэательной регистрации спектров, при этом относительная ошибка измерения уменьшается до

0 3%.

АНАЛИЗАТОР КОНЦЕНТРАЦИИ ПАРАМАГНИТНЫХ ЦЕНТРОВ, содержащий электромагнит с блоксм управления, измерительный резонатор с исследуемым и калибровочным образцами, блок СВЧ, подключенный к измерительному резонатору, блок регистрации и модулятор с катушками модуляции магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью повышения точности анализа и сокращения времени измерений, в него дополнительно введены второй модулятор с электродами для создания модулирующего электрического поля на калибровочном образце, второй блок регистрации и вычитающий усилитель, в качестве калибровочного образца вгодеио парамагнитное вещество, обладанжаа электрополевымэффектом, причем сигнальные входы первого и второго блоков регистрации соединены с выходок блока СВЧ, опорные S входы - с выходами первого и второго модуляторов соответственно, а выхс i;V ды подключены к входам вычитающего усилителк.