Радиоспектрометр магнитного резонанса Советский патент 1984 года по МПК G01N24/10 

111 Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при разработке малогабаритной радиоспектрометрической аппаратуры для эксперсс-анализа методом ЭПР и ЯМР в химии, геологии, металлургии, медицине и т.п. Известны радиоспектрометры магнитного резонанса, обеспечивающие регистрацию сигналов магнитного резонан са путем линейной развертки магнитного поля СП Недостатком известных устройств яв ляется сложность процесса их настройки - требуется предварительная запись рпектра и оценка его параметров для выбора оптимальных условий регистрации (амплитуды и времени развертки), постоянной времени интегрирования и др.) ,а также большое время измерения спект ров магнитного резонанса. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является радиоспектрометр магнитного резонанса, содержащий измерительньм резонатор, подключенный на вход блока измерения выход которого срединен с сигнальным входом схемы интегрирования, электромагнит с блоком управления магнитным полем и блок развертки, подключенный между выходом блока измерения и входом блока управления магнитным полем и включающий двухполупериодный выпрямитель и генератор порогового сигнала. В известном радиоспектрометре регистрация сигнала Y магнитного резонанса, например, в виде первой производной .. сигнала поглощения. осуществляется с переменной скоростью развертки магнитного поляН, причем величина скорости развертки задается регистрируемым сигналом Н А (О diii l; где А - коэффициент пропорциональности, определяющий искажения 12Y сигнала поглощения, (-7771) модуль второй Производной сигнала поглощения. Известное техническое решение позволяет упростить процесс настройки. радиоспектро)етра, а также сущест венно сократить время измерения, в ;первую очередь интенсивных сигналов магнитного резонанса, за счет увелимения скорости прохождения неинформативных участков спектраС21. 3 Однако при измерении слабых сигналов магнитного резонанса (с малым отношением сигнал/шум) шумы S и низкочастотные дрей(|ы Д постоянной состав- ляющей, на фоне которых регистрируется вторая производная сигнала поглощения, являются источниками нестабильности скорости развертки магнитного поля IH А Б результате не только искажается регистрируемый спектр, но и увеличивается время его измерения На 4 f f U рГом / ЛHpl/ -J 1жГ -75Гт 1н7р где ,- амплитуда развертки магнитного поля: ширина спектральной линии; дисперсия шума; амплитуда сигнала второй производной, например, при регистрации известным устройством слабого сигнала магнитного резонанса с отношением сигнал/шум, равным 5 ( , при амплитуде развертки , время измерения относительно случая регистрации интенсивного сигнала больше, чем в 2 раза. Таким образом, недостатками известного устройства являются большое время измерения слабых спектров магнитного резонанса.и искажение формы регистрируемых спектров. Цель изобретения - повьш ение производительности и точности измерений слабых сигналов магнитного резонанса путем автоматического выбора оптимальных значений скорости развертки магнитного поля и постоянной времени интегрирования. Указанная цель достигается тем, .что в радиоспектрометре магнитного резонанса, содержащем измерительный резонатор, подключенный к входу блока измерения, выход которого соединен с сигнальным входом схемы интегрирования, электромагнит с блоком управления магнитным полем и блок разверт ки, подключенный между выходом блока измерения и входом блока управления магнитным полем и включающий двух-

олупериодный выпрямитель и генератор порогового сигнала, схема интегирования снабжена двумя управляюими входами, дополнительно введен лок регулирования постоянной времеи интегрирования, которьй подклюен между выходом блока измерения первым управлякнцим входом схемы интегрирования, а в блок развертки ополнительно введены устройство выборки-хранения, подключенное к выоду блока измерения, дифференциальный усилитель, первый вход которого подключен к выходу устройства выборки-хранения, второй- - к выходу блока измерения, а выход - к входу двухполупериодного выпрямителя, усилитель ошибки, первый вход которого подключен к вьрсоду двухполупериодного вЫпрямителя, а второй - к генератору порогового сигнала, и преобразователь напряжение - частота, подключенный входом к выходу усилителя ошибки, первым выходом - к блоку управления магнитным полем, а вторым к стробирующему входу устройства выборки-хранения и второму управляющему Входу схемы интегрирования.

На чертеже представлена блок-схема предпагаемого радиоспектрометра магнитного резонанса.

Радиоспектрометр магнитного резонанса содержит измерительный резонатор 1, подключенный к входу блока 2 измерения, выход которого соединен с сигнальным входом схемы 3 интегрирования, электромагнит 4 с блоком 5 управления магнитным полем и блок 6 развертки, подключенньй между выходом блока 2 измерения и управляющим входом блока 5 управления магнитным полем и включающий двухполупериодный выпрямитель 7 и генератор 8 порогового сигнала, схему 3 интегрирования, снабженную двумя управляющими входами. Блок 6 развертки включает также устройство 9 выборки-хранения, подключенное к выходу блока 2 измерения, дифференциальный усилитель 10, первый вход которого подключен к выходу устройства 9 выборки-хранения, второй - к выходу блока 2 измерения, а выход - к входу двухполупериодного выпрямителя 7, усилитель 11 ошибки, первый вход которого подключен к выходу двухполупериодного выпрямителя 7, а второй - к генератору 8 порогового сигнала, и преобразователь 12 напряжение-частота, подключенньй входом к выходу усилителя 11 ошибки, первым выходом - к блоку 5 управления магнитным полем, а вторым - к стробирующему входу устройства 9 выборки-хранения и второму управляющему входу схемы 3 интегрирования.

Дополнительно введенный блок 13 регулирования постоянной времени интегрирования подключен между выходом блока 2 измерения и первым управляющим входом схемы 3 интегрирования и содержит вторую схему 14 интегрирования, второй дифференциальньй усилитель 15, первьй вход которого подключен к выходу второй схемы 14 интегрирования, а второй - к выходу блока 2 измерения, и второй двухполупериодный выпрямитель 16, подключенный между выходом второго дифференциального усилителя 15 и первым управляющим входом схемы 3 интЪгрирования.

Радиоспектрометр магнитното резонанса работает следующим образом.

Исследуемый парамагнитный образец помещается в измеритепьньй резонатор 1, которьй располагается в поляризующем магнитном поле, создаваемом электромагнитном 4. Блок 2 измерения формирует необходимые резонансные условия для наблюдения сигнала магнитного резонанса. Сигнал магнитного резонанса регистрируется на выходе схемы 3 интегрирования, где осуществляется его низкочастотная фильтрация с целью улучшения отношения сигнал/шум.

Величина магнитного поля в рабоче зазоре электромагнита 4 регулируется блоком 5 управления магнитным полем.

Управляющий сигнал скорости развертки магнитного поля, как и в известном устройстве, формируется в блоке 6 развертки, на вход которого поступает сигнал магнитного резонанса

с блока 2 измереc н

ния.

С выхода блока 6 разверткь на управляющий вход блока 5 управления магнитным полем поступают импульсы с частотой следования обратно пропорциональной модулю производной регистрируемого сигнала магнитного резонанса, которые задаются скоростью развертки магнитного поля в соответствии с выражением (1). По каждому импульсу величина магнитногополя .изменяется на величину дискретности (шага) развертки. Однако скорость изменения сигнала магнитного резтитнса - ,т.е производная .jri., отличие от известного устройсттза, определяет ся путем измерения разности амплитуд сигнала магнитного резонанса в отстоя,ик на один или несколько шагов развертки значениях магнитного поля Для этого схема 9 выборки-хранения, подключенная к выходу блока 2 измерения, запоминает амплитуду U (t регистрируемого сигнала до момента времени tt-u.-t , пока величина магнитного поля не изменится на один или несколько шагов развертки. Этот сигнал поступает на первый вход дифференциального усилителя 10, на второй вход которого подается сигнал (J (. A.-t) непосредственно с выхода блока 2 измерения. В результате на в ходе дифференциального усилителя 10 формируется разностньм сигнал au(i) AUHJ(i4ui)-U(tl-.Время хранения амплитуды сигнала в схеме 9 выборки-хранения задае.тся частотой следования импульсов на втором выходе преобразователя 12 на пряжение-частота. При регистрации слабых спектров мы S(-fc и дрейфы Д. постоянной составляющей на выходе блока 2 измерен на фоне которых, как правило, детек тируется сигнал магнитного резона са, как и в известном устройстве, т же присутствуют на входе блока 6 ра вертки fi uU) )u. Однако в предлагаемом техническом р шении дифференциальный усилитель 10 не только формирует производную сиг /.1) нала магнитного резонанса V . но одновременно компенсирует в нем дрейф 6, постоянной составляющей 1Ш dtVdH Разностньш сигнал дО с выхода дифференциального усилителя 10 чере двухполупериодный выпрямитель 7 пос пает на вход усилителя 11 ошибки, где сравнивается с пороговым значе нием, задаваемым генератором 8 поро гового сигнала. Сигнал ошибки с выхода усилителя 11 ошибки поступает в преобразователь 12 напряжение частота, формирующий пос/гедовательность импульсов, поступающих в блок 5 управления магнитным полем и задаю1(их развертку магнитного поля. При этом поддерживается такая скорость развертки (частота следования импульсов), которая обеспечивает равенство сигналов на входах усилителя 11 ошибки. Таким образом, в предлагаемом радиоспектрометре при регистрации слабых спектров магнитного резонанса реализуется зависимость (1) скорости развертки магнитного поля, т.е. та же зависимость, что и в известном устройстве при регистрации интенсивных спектров магнитного резонанса. Кроме того, достигается сокращение времени регистрации слабых спектров магнитного резонанса путем увеличения скорости прохождения неинформативных участков спектра. На неинформативных участках спектра (при отсутствии на выходе блока 2 измерения магнитного резонанса), на первом выходе усилителя 11 ошибки присутствуют только шумы S , амплитуда которых меньше величины порога, задаваемого генератором 8 порогового сигнала, что обеспечивает максимальную скорость прохождения неинформативных участков спектра. I; В предлагаемом устройстве осуществляется автоматический выбор оптимального значения постоянной времени интегрирования с помощью блока 13 регулирования постоянной времени интегрирования. Для этого сигнал магнитного резонанса с выхода блока 2 измерения поступает через вторую схему 14 интегрирования на вход второго ди(}х})еренциального усилителя 15, который измеряет разность сигналов на входе и выходе второй схемы 14 интегрирования и таким образом измеряет величину искажений спектра магнитного резонанса при интегрировании. Разностный сигнал через второй двухполупериодный выпрямитель 16 поступает на управляющий вход схемы 3 интегрирования, изменяя величину ее постоянной времени в соответствии с характером регистрируемого сигнала: величина постоянной времени уменьшается при измерении узких спектральных линий, характеризующихся большой крутизной изменения сигнала, величина постоянной времени увеличивается при измерении широких спектральных линий или на неинформативных участках спектра. Таким образом, достигается близкая к оптимальной .низкочастотная фильтрация сигнала магнитного резонанса с требуемыми минимальными искажениями регистрируемого спектра. 111 38 Проведенные измерения показали, что предлагаемое устройство по сравнению с известным сокращает приблизительно в 2-7 раз время регистрации слабых спектров магнитного резонанса, а также обеспечивает оптимальный выбор постоянных времени по спектРУ.

РАДИОСПЕКТРОМЕТР МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА, содержащий измерительный резонатор, подключенный к входу блока измерения, выход которого соединен с сигнальным входом схемы интегрирования, электромагнит с блоком управления магнитным полем и блок развертки, подключенный между выходом блока измерения и входом блока управления магнитным полем и включающий двухполупериодный выпрямитель и генератор порогового сигнала, о тличающийся тем, что, с целью повышения его производительности и точности измерения слабых сигналов путем автоматического выбора оптимальных значений скорости развертки магнитного поля и чюстоянной времени интегрирования, схема интегрирования снабжена двумя управляющими входами, дополнительно введен блок регулирования постоянной времени интегрирования, который подключен между выходом блока измерения и первым управляющим выходом схемы интегрирования, а в блок развертки дополнительно введены устройство выборки-хранения, подключенное к выходу блока измерения, дифференциальный усилитель, первый вход которого подi ключен к выходу устройства выборкихранения, второй - к выходу блока из(Л мерения, а выход к входу двухполупериодного выпрямителя, усилитель ошибки, первый вход которого подключен к выходу двухполупериодного выпрямителя, а второй - к генератору порогового сигнала, и преобразователь напряжение - частота, подключенный входом к выходу усилителя ошибки, первым выходом - к блоку управления магнитным полем, а вторым - к стро оо со бирующему входу устройства выборкихранения и второму управляющему входу схемы интегрирования.