Радиоспектрометр электронного парамагнитного резонанса Советский патент 1984 года по МПК G01N24/10 

Изобретение относится к технике электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может быть использовано при изготовлении радиоспектрометров ЭПР . Известен радиоспектрометр ЭПР, содержащий блок СВЧ с последовательно соединенными детектором СВЧ, уси лителем, синхронным детектором и фильтром нижних частот, накопитель и регистратор, генератор ВЧ колебаний и рабочий резонатор, который расположен между полюсными наконечниками электромагнита, подключенного к посл довательно соединенным источнику пит ния и генератору развертки. Радиоспектрометр ЭПР осуществляет регистрацию сигнала ЭПР на частоте БЧ коле баний при линейной развертке поляризующего магнитного поляС.1. Формирование напряжения развертки в известном радиоспектрометре аналоговыми электронными схемами не обе печивает необходимые для точного воспроизведения формы линии ЭПР, линейность развертки поляризующего магнитного поля и его стабильность, а также не позволяет обеспечить наде ное согласование хода развертки магнитного поля с переключением каналов накопителя, что делает практически н возможным применение когерентного суммирования многократно регистрируемого сигнала ЭПР. Кроме того, используемый в извест ном радиоспектрометре модуляционный способ регистрации спектров ЭПР прив дит к дополнительным искажениям формы линии, обусловленным как конечной амплитудой, так и частотной моду ляциями магнитного поля, Наиболее близким техническим решением к изобретению является радиоспектрометр ЭПР, содержащий блок СВЧ, электромагнит с блоком питания, рабочий резонатор, размещенный в заз ре между полюсами электромагнита и подключенный к блоку СВЧ, последовательно соединенные детектор СВЧ, приемник, аналого-цифровой преобразователь и накопитель, подключенные к рабочему резонатору, а также цифро аналоговый преобразователь, блок циф ровой развертки магнитного поля с переключателем амплитуды развертки, катушку развертки, размещенную в зазоре между полюсами электромагнита, при этом блок цифровой развертки маг нитного поля подключен информационным входом к выходу цифроаналогового преобразователя, управляющими входами - к выходам переключателя амплитуды развертки и выходом - к катушке развертки. Известный радиоспектрометр осуществляет безмодуляционный способ регистрации спектров ЭПР, основанный на одновременном воздействии на исследуемый образец постоянного магнитного поля, перпендикулярно ему сверхвысокочастотного магнитного поля, периодической, развертке постоянного магнитного поля, усилении продетектированного .СВЧ детектором сигнала ЭПР и его накоплении, осуществляемом синхронно с периодической разверткой магнитного поля, исключает искажение формы линии, присущее модуляционному способу регистрации. Цифровая развертка постоянного магнитного поля в известном радиоспектрометре обеспечивает высокую линейность развертки и достаточную для неискаженной регистрации формы линии стабильность магнитного поля, а также жесткую синхронизацию хода развертки с переключением каналов накопителя, что исключает искажение формы линии в процессе накопления спектров . Разрешающая способность радиоспектрометра равная минимальному расстоянию между соседними линиями, которые могут быть раздельно зарегистрированы радиоспектрометром, зависит как от стабильности постоянного магнитного поля, так и от ширины канала накопителя. Ширина канала накопителя, равная значению интервала между двумя соседними уровнями квантования напряженности поляризующего магнитного поля, определяется блоком цифровой развертки магнитного поля и зависит от заданной амплитуды развертки и числа каналов накопителя, т.е. числа уровней квантования напряженности поляризующего магнитного поля в процессе его развертки. В известном радиоспектрометре число каналов накопителя постоянно и не зависит от амплитуды развертки, вследствие чего Ш1фина канала изменяется при изменении амплитуды развертки и может соответствовать значению абсолютной разрешающей способности радиоспектрометра, определяемой стабильностью поляризующего магнитного поля лишь при некотором определенном значении амплитуды развертки. Регистрация ЭПР спектров при больших амплитудах развертки относительно этого значения приводит к ухудшению разрешения регистрируемых спектров по магнитному полю и, следовательно, к искажению формы линии. В случае меньших амплитуд развертки дальнейшее уменьшение ширины канала накопителя не обеспечивает соответствующее улучшение разрешения регистрируемых сигналов ЭПР по полю, так как в этом случае разрешающая способность радиоспектрометра ограничивается системой стабилизации магнитного поля. При этом избыточное число каналов накопителя ухудшает отношение сигнал/шум регист рируемых спектров ЭПР.

Цель изобретения - расширение диапазона разверток магнитного поля при одинаковой чувствительности измерений и увеличение чувствительности с уменьшением амплитуды развертки.

Доставленная цель достигается тем что в радиоспектрометр ЭПР, содержащий блок СВЧ, электромагнит с блоком питания, рабочий резонатор, размещенньш в зазоре между полюсами электромагнита и подключенный к блоку СВЧ, последовательно соединенные детектор СВЧ, приемник, аналого-цифровой преобразователь и накопитель,подключенные к рабочему резонатору, а также цифроаналоговьр преобразователь, блок цифровой развертки магнитного поля с переключателем амплитуды развертки, катушку развертки, размещенную в зазоре 1 «ежду полюсами электромагнита, при этом блок цифровой развертки магнитного поля подключен информационным входом к выходу цифроанаяогового преобразователя, управляющими входами - к выходам переключателя амплитуды развертки и выходом - к катушке развертки, дополнительно введен управляе.мый коммутатор цифровых сигналов, информационные входы которого подключены к выходам накопителя, управляющие входы - к выходам переключателя амплитуды развертки, а выходы - к устано- . ночным входам цифроаналогового преобразователя. Аналого-цифровой преобразователь выполнен интегрирующим со статистическим усреднением.

На чертеже представлена блок-схема радиоспектрометра ЭПР.

Радиоспектрометр ЭПР содержит блок 1 СВЧ, соединенный с рабочим резонатором 2, который размещен в зазоре между полюсами электромагнита 3.последовательно включенные детектор 4 СВЧ, приемник 5, интегрирующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6 со статистическим усреднением и накопитель 7, а также блок 8 питания электромагнита, блок 9 цифровой развертки магнитного поля, цифроаналоговый преобразователь 10, переключатель 11 амплитуды развертки, катушку 12 развертки, размещенную в зазоре между полюсами электромагнита 3 и управляемый коммутатор 13 цифровых сигналов.

При этом вход детектора 4 СВЧ подключен к выходу рабочего резонатора 2, блок 9 цифровой развертки манитного поля подключен информационным входом к выходу цифроаналоговоЬо преобразователя 10, управляющими входами - к выходам переключателя 1 амплитуды развертки и выходом - к катушке -12 развертки, управляемый коммутатор 13 цифровых сигналов подключен информационными входами к выходам накопителя 7, управляющими входами - к выходам переключателя 11 амплитуды развертки и выходами к установочным входам цифроаналогового преобразователя 10.

Радиоспектрометр работает следующим образом.

Мощность СВЧ, формируемая в блоке .1 СВЧ, подводится к рабочему резонатору 2 с исследуемым образцом, который расположен в зазоре между полюсами электромагнита 3. Электромагнит 3 создает в рабочем резонаторе 2 с помощью блока 8 питания стабильное поляризующее магнитное поле. Задатчиком развертки является цифроаналоговый преобразователь 10, формирующий на выходе линейно изменяющееся напряжение треугольнрй формы с нулевой постоянной составляющей Выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 10 поступает на вход блока 9 цифровой развертки поляризукмцего магнитного поля, соединенного по выходу с катушкой 12 развертки.

Сформированный на выходе детектора 4 СВЧ в результате развертки при. 11 прохождении резонансного значения поляризующего магнитного поля сигнал ЭПР усиливается в приемнике 5, Мгновенные значения этого сигнала при каждом дискретном значении поляризующего магнитного поля преобразуются интегрирующим АЦП 6 в цифровую форму. Полученные цифровые эквивален ты мгновенных значений сигнала ЭПР записываются в соответствующие ячейки запоминающего устройства накопителя 7. Когерентное суммирование преобразованных в цифровую форму спектров ЭПР, зарегистрированных при многократном прохождении резонансных ус ловий, обеспечивает, за счет подавления шумов, обратно пропорциональных частоте СВЧ поля, значительное улучшение отношения сигнал/шум, по сравнению со случаем медленного одно кратного прохождения резонансного значения поляризующего магнитного по ля, причем эффективность подавления возрастает -с увеличением частоты раз вертки магнитного поля. Число дискретных значений поляризующего магнитного поля и, следовательно., число кансшов накопителя определяются управляемым коммутатором 1 цифровых сигналов. При максимальном значении амплитуды развертки, задаваемом переключателем 11, все выходные сигналы накопителя 7 проходят на установочные входы работающего в режиме последовательного реверсивного счета цифроаналогового преобразователя 10. Выходной сигнал последнего представляет собой ступенчатое линейно изменяющееся напряжение, амплитуда которого 40 является постоянной и не зависит от заданного значения амплитуды развертки, а количество дискретных уровней в заданном случае является максимальным и выбирается из соображений обес- з ного печения абсолютной разрешающей способности радиоспектрометра, определяемой системой стабилизации магнитного поля. 1 При уменьшении амплитуды развертк т магнитного поля в 2 . раз, где 1 0, 1, 2,... управляемый коммутатор 13 цифровых сигналов под воздействием переключателя 11 амплитуды развертки отключает m нпадших установочных входов цифроаналогового преобразователя 10. При этом амплитуда выходного напряжения цифроаначения сигнала ЭПР в каждом канале. В течение этого времени амплитуда сигнала Uf. ЭПР имеет постоянное значение, а амплитуда помехи 1), представляет собой случайный сигнал с нормальным законом распределения.

При максимальном значении амплитуды развертки магнитного поля преобразование интегрирующим АЦП 6 мгновен4 : логового преобразователя 10, работающего в режиме последовательного реверсивного счета, и время развертки сохраняются прежними, а число дискретных значений выходного напряжения уменьшается в 2 раз, что приводит к такому же увеличению значения интервала между двумя соседними уровнями квантования выходного напряжения и времени измерения мгновенного значения регистрируемого спектра ЭПР в каждом канале. Выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 10 поступает на информационный вход, блока 9 развертки, на управляющие входы которого заведены выходные сигналы переключателя 11 амплитуды развертки, обеспечивающие эквивалентное (в 2 раза) уменьшение выходного напряжения блока 9 развертки и, следовательно, такое же уменьшение величины интервала между двумя соседними уровнями квантования выходного напряжения, что обеспечивает сохранение прежнего значения абсолютной разрешающей способности радиоспектрометра. Таким образом, изменение числа каналов накопителя 7 в соответствии с изменением амплитуды развертки обеспечивает сохранение постоянного значения абсолютной разрешающей способности радиоспектрометра ЭПР и при уменьшении, амплитуды развертки приводит к соответствующему увеличению времени измерения Т мгновенного зназначения сигнала ЭПР в цифровую форму в каждом канале накопителя 7 выполняется за один цикл преобразования. При этом интегрирование выходного сигнала, осуществляемое АЦП 6, приводит к сглаживанию всех быстрых, по сравнению с временем интегрирования, помех. Уменьшение в N раз амплитуды развертки приводит к соответствующему увеличению времени измерения Тц мгновенного значения сигнала ЭПР в каждом канале, преобразование которых осуществляется за М циклов преобразования, а полученные в каждом цикле результаты усредняются. При этом значение соотношения сигнал/шум на выходе АЦП возрастает, что приводит к увеличению чувствительности радиоспектрометра при уменьшении амплитуды развертки поляризующего магнитного поля. Экспериментальная проверка макета радиоспектрометра ЭПР подтвердила целесообразность и возможность обеспечения постоянной для всех ампл туд развертки разрешающей способност радиоспектрометра за счет изменения числа каналов накопителя. В разрабо танном радиоспектрометре абсолютная разрешающая способность, равная 62-10 Э, Сохраняется постоянной при изменении амплитуды развертки в диап 34 8 зоне 4 Э 2 - 1024 Э, где п 2, 3, ...,10. При этом число каналов накопителя изменяется от 1.6384 в случае максимальной амплитуды развертки до 64 - для амплитуды- развертки, равной 4 Э. Изменение числа отсчетов измеряемого АЦП мгновенных значений сигнала ЭПР в каждом канале от 1 до 256 при изменении амплитуды развертки от ее максимального значения до минимального обеспечивает сохранение высокой чувствительности радиоспектрометра ЭПР. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет сохранять высокую чувствительность измерений при исследовании различных веществ, когда требуются изменения амплитуд разверток магнитного поля.

1. РАДИОСПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОН- ; НОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА, содержащий блок СЕЧ, электромагнит с блоком питания, рабочий резонатор, размещенный в зазоре между полюсами электромагнита и подключенный к блоку СЕЧ, последовательно соединенные детектор СЕЧ, приемник, аналого-цифровой преобразователь и накопитель, подключенные к рабочему резонатору, а также цифроаналоговый преобразователь, блок цифровой развертки магнитного поля с переключателем амплитуды развертки, катушку развертки, размещенную в зазоре между полюсами электромагнита, при этом блок цифровой развертки магнитного поля подключен информационным входом к выходу цифроаналогового преобразователя, управляющими входами к выходам переключателя амплитуды развертки и выходом - к катушке развертки, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона разверток магнитного поля при одинаковой чувствительности измерений в него дополнительно введен управляемьш коммутатор цифровых сигналов, информационные входы которо(Л го подключены к выходам накопителя, управляющие входы - к выходам переключателя амплитуды развертки, выхо- § ды - к установочным входам цифроаналогового преобразователя. 2. Радиоспектрометр по п.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности с и ;о уменьшением амплитуды разверт си, аналого-цифровой преобразователь выполнен интегрирукщим со статистисо ческим усреднением. 4