Гомодинный радиоспектрометр электронного парамагнитного резонанса Советский патент 1985 года по МПК G01N24/10 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при построении радиоспектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Известны радиоспектрометры ЭПР, . построенные по супергетеродинной схе ме, обеспечивают регистрацию сигналов поглощения и дисперсии 13 « Недостатком этих радиоспектрометров является низкая чувствительность ре-гистрации сигналов поглощения и дисперсии при больших уровнях мощности СВЧ, поступающей в рабочий резонатоц Наиболее близким техническим рещением к изобретеник) является гомодинньй радиоспектрометр ЭПР, содержащий генератор СВЧ,ответвитель,циркулятор, резонатор,СВЧ-детектор,блок регистрации, блок автоматической подстройки частоты и фазы электромагнит блок управления магнитным полем,причем геАератор СВЧ соединен через ответвитель с первым входом циркулятора, резонатор подключен к второму, а СВЧ-детектор - к третьему входам циркулятора, блок регистрации и блок автоматической подстройки частоты и фазы подключены к выходу СВЧ-детектора, выход блока управления магнитнь1м полем соединен с входом электромагнита, рабочий резонатор - проходного типа и юсеет на выходе последовательно соединенные второй СВЧ-детектор и второй блок регистрации. На выходе первого блока регистрации регистрируется сигнал дисперсии, а на выходе второго - сигнал поглощения 2. Недостатком известного радиоспектрометра ЭПР является низкая чувствительность при регистрации как сигналов поглощения, так и сигналов дисперсии, что связано с разделением сигнала с выхода резонатора по двум каналам детектирования, с невоэможностью оптимального согласования резо натора работающего в комбинированном режиме (в режиме отражательного и проходного резонатора одновременно). Наличие схемы с проходным резонатором приводит, кроме TorOj к снижению чувствительности регистрации сиг налов поглощения при низких уровнях мощности СВЧ. Цель изобретения - повыщение чувствительности при регистрации сигналов поглощения и дисперсии. Указанная цель достигается тем, что гомодинный радиоспектрометр ЭПР, содержащий генератор СВЧ, ответвитель основной циркулятор, резонатор СВЧ-детектор, блок регистрации, блок автоматической подстройки частоты и фазы, электромагнит, блок управления магнитным полем. причем генератор СВЧ соединен через ответвитель с первым входом циркулятора, резонатор подключен к второму, а СВЧ-детектор - к третьему входам циркулятора. блок регистрации и блок автоматической подстройки частоты и фазы подключены к выходу СВЧ-детектора, выход блока управления магнитным полем соединен с входом электромагнита, дополнительно содержит электронный фазовращатель, включающий- дополнительный циркулятор, четвертьволновый короткозамкнутый отрезок волновода, резонансную диафрагму с p-i-n-диодом, блок задания фазы, схему выборкихранения и схему суммирования, причем первый вход дополнительного циркулятора подключен к второму выходу ответвителя, второй вход - к : СВЧ-входу резонансной диафрагмы, третий вход - к СВЧ-детектору, блок задания фазы и схема выборки-хранения подключены управляющими входами к блоку управления магнитным полем, а выходами через схему суммирования JC управляющему входу электронного фазовращателя (к второму входу резонансной диафрагмы), третий вход резонансной диафрагмы соединен с четвертьволновым короткозамкнутым отрезком волновода, схема выборки-хранения соединена двумя сигнальными входами с первым и вторым выходами блока автоматической подстройки частоты и фазы, а выход ее соединен с управляющим входом генератора СЕЧ, управляющий вход блока регистрации подключен к блоку управления магнитным полем. На чертеже приведена блок-схема предлагаемого гомодинного радиоспектрометра ЭПР. Радиоспектрометр содержит генератор СВЧ 1 соединенный через от- ветвйтель 2 с гомодинным каналом 3 и первым входом циркулятора 4 сигнального канала 5. рабочий резонатор 6, расположенный в межполксном зазоре электромагнита 7 и подключенный к второму входу цнркуляторз 4 СВ.Ч-детектор 8, соединенньй с выходом гомодинного канала 3 и третьим входомциркулятора 4, блок 9 регист рации и блок 10 автоматической подстройки частоты и , подключен, ные к выходу СВЧ-детектора 8, блок управления магнитным полем,соединенный с электромагнитом 7, электронный фазовращатель 12, содержащий дополнительный циркулятор 13, включенный последовательно первым и третьим входами в гомодинный канал 3, и резонансную диафрагму 14 с p-i-n-диодом, подключенную СВЧвходом к второму входу циркулятода 13, а выходом - к четвертьволновому короткозамкнутому отрезку волновода 15, блок 16 задания фазы и схему 17 выборки-хранения, подключенные управляющими входами к блоку 11 управления магнитным полем, а выходами через схему 18 суммирования - к управлянщему входу злектронного фазовращателя 12, причем схема 17 выборки-хранения вторым вы ходом соединена с управляющим входо генератора СБЧ 1,а двумя сигнальными входами - с первым и вторым вы ходами блока 10 автоматической подстройки частоты и фазы, управляющий вход блока 9 регистрации подклю чен к блоку 11 управления магнитным полем. Радиоспектрометр работает следующим образом. Исследуемый образец помещают в ра бочий резонатор 6, где создаются резонансные условия для наблюдения сигнала ЭПР. Мощность СБЧ в рабочий резонатор 6 поступает с выхода генератора СБЧ 1 через ответвитель 2 и циркулятор 4, В момент резонанса на выходе СВЧ-детектора 8 формируется сигнал поглощения или дисперсии. Необходимая мощность СВЧ-смещения на детектор 8 поступает через гомоди ный канал 3. Фаза СБЧ-смещения задае ся злектронным фазовращателем 12, .включенным в гомодинный канал 3. За,. дание начального значения и развертка поляризующего магнитного поля осуществляются блоком I1 управления магнитным полем. Развертка магнитного поля осуществляется дискретно с заданным шагом (например, с помощью цифроаналогового преобразователя), Согласование частоты генератора СВЧ с частотой рабочего резонатора 6. а й24 .4 также подстройка фазы СВЧ-смешения в гомодинном канале 3 обеспечиваются блоком 10 автоматической подстройки частоты и фазы, на выходе которого .формируются сигналы, пропорциональные рассогласованию частоты и фазы соответственно. Эти сигналы управляют частотой генератора СВЧ 1 и злектронным фазовращателем 12. Пос-; ледний выполнен по отражательной схеме и включает циркулятор 13, к второму входу которого через резонансную диафрагму 14 с p-i-n-диодом подключен четвертьволновой короткозамкнутый отрезок волновода 15. Изменение фазы СВЧ на третьем входе 1Ц1ркулятора 13 относительно первого входа достигается путем суммирования СВЧ-волн, отраженных от короткозамкнутого волновода 15 и резонансной диафрагмы 14, соотношение которых регулируется p-i-п-диодом, расположенньм в окне резонансной диафрагмы 14. Сигнал поглощения формируется на выходе СВЧ-детектора 8 при нулевом (180°) соотнощении фаз сигналов СВЧ гомодинного 3 и сигнального 5 каналов на входах СВЧ-детектора 8. Сигнал дисперсии формируется при соотношении фаз сигналов СВЧ 90 (7Cf)Режим регистрации (поглощение или дисперсия) задается блоком 16 задания фазы, который формирует управляющий электрический сигнал для электронного фазовращателя 12 по команде с блока 1I управления магнитным полем. Этот сигнал с помощью схемы 18 суммирования досуммируется к сигналу автоподстройки фазы U(), поступающему из блока 10 автоматической подстройки частоты и фазы и подается на p-i-n-диод резонансной диафрагмы 14, Гомодинный радиоспектрометр ЭПР ожет работать в режиме либо разельной, либо одновременной регистации сигналов поглощения и дисперии. Режим работы задается блоком 11 управления магнитным полем. Обра- . отка сигналов осуществляется двуххаальным блоком 9 регистрации. Режим регистрации сигнала поглощеия реализуется при установке 0° азы СВЧ-смещения в гомодинном канаа 3 с помощью блока 16 задания фаы . Схема I7 выборки-хранения обесечивает трансляцию сигналов управ51

ления частотой U(Jf) генератора СВЧ и фазой и( (f Ч ) электронного фазовращателя 12 с выхода блока 10 автоматической подстройки частоты и фазы на генератор СВЧ 1 и фазовращатель 12 и, таким образом, обеспечивает режим автоматической подстройки частоты и фазы в радиоспектрометре .

Режим регистрации сигнала дисперсии реализуется изменением фазы СВЧсмещения на 90 с помощью блока 16 задания фазы. При этом схема 17 выборки-хранения обеспечивает запоминание и поддержание на время регистрации сигнала дисперсии уровней сигналов управления частотой и фазой на управляющих входах генератора СВЧ 1 и фазовращателя 12. Коррекция расстройки частоты 6 f и фазы ,которые возникают в момент регистрации сигнала дисперсии, достигается путем периодического переключения радиоспектрометра в режим автоматической подстройки частоты и фазы (т.е. в режим регистрации сигнала поглощения) во время переключения величины поляризующего маг51итного поля на один шаг развертки равньш дискретности развертки) .

Режим одновременной регистрации еигнсгпов дисперсии и поглощения реализуется при периодическом,изменении фазы СВЧ-смещения на О и 90 за время:, одного шага развертки, В этом случае время регистрации сигнала поглощения равно времени ре-v гистрации сигнала дисперсии, и, таким образом, режим одновременной регистрации сигналов поглощения и дисперсии отличается от режима реЗУ агистрации сигнала дисперсии только соотношением времени устаногжи фазы СВЧ-смещения в нулевое или 90 состояние.

В отличие от известного технического решения предложеиньй гомодинный радиоспектрометр ЗПР обеспечивает более высокую чувствительность регистрации (как минимум в 5 рзз)

0 сигналов поглощения и дисперсии за счет использования рабочего везонатора в отражательном режиме как для регистрации сигнала поглощения так и сигнала дисперсии (что теоре5тически обеспечивает не менее, чем двукратный выигрьт в чувствительности по сравнению со схемой с прохолным резонатором), использования одноканальной схемы регистрации, что

0 устраняет потери сигнала резонанса на выходе рабочего резонатора, которые имеют место при комбинированной схеме включения рабочего резонатора, повышения стабильности при упрощении

5 СВЧ-схемы сигнального канала радиоспектрометра. При этом высокая чувствительность обеспечивается на всех уровнях мощности СВЧ поступающей в рабочий резонатор.

0

Предложенное техническое решение реализовано в унифицированном малогабаритном радиоспектрометре Минск РЭМ-12 МФС и обеспечивает одновременную и раздельную регистрацию си1-

5 налов поглощения и дисперсии а также автоматическое согласоучание тракта СВЧ в диапазоне мошностей 0 0550 мВт. .Вывод спектров DflF осуществляется на электронно-лученую трубку через двухканальный накопитель.

ГОМОДИННЬЙ РАДИОСПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА, содержащий генератор СВЧ, ответвитель, основной циркулятор, резонатор, СВЧ-детектор, блок регистрации, блок автоматической подстройки частоты и фазы, электромагнит, блок управления магнитным полем, причем генератор СВЧ соединен через ответвитель с первым входом циркулятора, резонатор подключен к второму а СВЧ-детектор - к третьему входам циркулятора, блок регистрации и блок автоматической подстройки частоты и фазы подключены к выходу СВЧ-детектора, выход блока управления магнитным полем соединен с входом электромагнита, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности при регистрации сигналов поглощения и дисперсии, он дополнительно содержит электронный фазовращатель, включающий дополнительный циркулятор, четвертьволновый короткозамкнутый -отрезок волновода, резонансную диафрагму с p-i-nдиодом, блок задания фазы, схему выборки-хранения и схему суммирования, причем первый вход дополнительного циркулятора подключен к второму выходу ответвителя, второй вход - к СВЧ-входу резонансной диафрагмы, третий вход - к СВЧ-детектору, блок задания фазы и схема выборки-хранения подключены управляющими входами к блоку управления магнитным полем, а выводами через схему суммирования к управляющему входу электронного фазовращателя С к второму входу резонансной диафрагмы), третий вход резонансной диафрагмы соединен с четвертьволновым короткозамкнутым сл отрезком волновода, схема выборкихранения соединена двумя сигнальны4;ii ми входами с первым и вторым выхоto дами блока автоматической подстрой4;; ки частоты и фазы, а выход ее соединен с управляющим входом генератора СВЧ, управляющий вход блока регистрации подключен к блоку управления магнитным полем.