Устройство для регистрации сигнала ЭПР Советский патент 1990 года по МПК G01N24/10 

(Л

с

Изобретение может быть использовано в радиоспектрометрах ЭПР. Цель изобретения - повышение чувствительности путем улучшения условий вывода сигнала ЭПР. С этой целью входной и выходной волноводы резонатора установлены соосно и повернуты друг относительно друга вокруг их общей оси на угол 90°, а вне полости резонатора установлен приемный рупор, который переходит в выходной волновод. 2 ил.

Изобретение относится к исследованию магнитных свойств веществ и может быть использовано в радиоспектрометрах ЭПР.

Цель изобретения - повышение чувствительности путем улучшения условий вывода сигнала ЭПР из резонатора. .

На фиг,1 приведено предлагаемое устройство-сечение, вдоль его оси в плоскости Н напряженности магнитной компоненты микроволнов.ого поля в резонаторе; на фиг.2 - то же, сечение вдоль его оси в плоскости вектора Е напряженности электрической компоненты микроволнового поля в резонаторе.

Устройство для регистрации сигнала ЭПР состоит из сферического зеркала 1 и выполненного в виде дифракционной решетки 2 плоского зеркала, образующих открытый полусферический

-резонатор, приемного рупора 3,установленного непосредственно за дифракционной решеткой 2 вне полости резонатора и плавно переходящего в выходной волновод 4, щели 5 входной связи, соединяющей полость резонатора с входным волноводом- 6 посредством плавного перехода 7 Исследуемый образец 8 крепится непосредственно на дифракционную решетку 2 со стороны полости резонатора и имеет форму плоского диска, заполняющего все поперечное сечение резонатора.

Дифракционная решетка 2 выполнена в виде плоского диска из одномерной металлической решетки, у которой период 1 f Ъ , где ft - рабочая длина волны. Диаметр решетки 2 равен диаметру входного отверстия приемного рупора 3, и установлены они так, что входное отверстие приел ел

со

00

;0

мкого рупора 3 полностью закрыто | ешеткой 2. Последнее требование накадывается применением в предлагаеом устройстве открытого резонатора. Основные потери мощности в открытых резонаторах - это дифракционные потери, т.е. потери мощности вследствие излучения из полости резоатора в окружающее пространство, и если не перекрыть доступ этому излуению в приемный рупор 3, то уменьится уровень развязки входного 6 и выходного 4 волноводов, в результате чего увеличится мощность излучения, поступающего на микроволновый приемник в отсутствие сигнала ЭПР Рост просачивающейся на приемник в отсутствие ЭПР мощности вызовет пропорциональный рост мощности шумов генератора, поступающих на приемник, что в конечном итоге снизит чувствительность радиоспектрометра. Экранировка входного отверстия рупора 3 дифракционной решеткой 2 увеличивает развязку между входным волноводом 6 и выходным волноводом 4, что способствует повышению чувствительности радиоспектрометра.

Входной б и выходной 4 волноводы установлены соосно резонатору. Выходной волновод 4 ориентирован так,что его широкая стенка параллельна щелям решетки 2, Входной волновод 6 повернут относительно выходного волновода 4 вокруг их общей оси на угол 90 .Переход 7 соединяющий входной волновод 6 со щелью 5 связи, имеет форму прямоугольного волновода неизменной ширины с плавно уменьшающейся (от входного волновода 6 до щели 5 входной связи) высотой. Поляризующее магнитное поле направлено вдоль оси резонатора.

Устройство,, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом,

Резонатор с парамагнитным образцом 8 помещают в источник магнитного поля, например сверхпроводящий соленоид. Включают генератор микроволнового излучения, сигнал с которо- га через входной волновод 6 и переход 7 поступает на щель 5 связи.

Изменяя расстояние между сферическим зеркалом 1 и дифракционной решеткой 2, настраивают резонансную частоту резонатора на частоту подаваемого микроволнового излучения, в

результате чего в резонаторе возбуждаются микроволновые колебания,Поляризация этих колебаний такова, что

электрический вектор направлен параллельно щелям в дифракционной решетке 2. Вращая как единое целое дифракционную решетку 2, приемный рупор 3 и выходной волновод 4 вокруг продольной оси резонатора, добиваются минимального значения микроволнового излучения на выходе волновода 4 в отсутствие сигнала ЭПР. Затем при появлении резонансного4 парамагнитного

5 вращения плоскости поляризации регистрируют сигнал ЭПР по изменению интенсивности микроволнового излучения на выходе волновода 4.

В устройстве для работы в двухмил0 лиметровом диапазоне диаметр сферического зеркала 1 и дифракционной решетки 2 равен 12 мм. Радиус кривизны сферического зеркала 1 равен 13 мм Ширина щелей дифракционной решетки

5 2-60 мкм, период следования щелей в дифракционной решетке 2 равен 120 мкм. Такое исполнение дифракционной решетки 2 обеспечивает в двухмиллиметровом диапазоне длин волн микроволно0 вого излучения практически полную ее прозрачность для излучения с электрическим вектором,, ортогонально поляризованным по отношению к щелям, и зеркальность (отражательную способ5 ность) для излучения, электрический вектор которого параллелен щелям.Устройство содержит также прямоугольные входной б и выходной 4 волноводы (тип волны Н10) сечением 0„8х1,6 мм.ус0 тановленные соосно и взаимно ортогонально по поляризациям распространяющихся в них волн (широкая стенка волновода 6 ортогональна широкой стенке волновода 4), В центре сферического 5 зеркала I (по продольной оси резонатора) выполнено отверстие (щель) 5 связи, соединяющее резонатор с входным волноводом 6 посредством плавного перехода 7, Отверстие 5 связи вы- Q полнено в виде прямоугольной щели 0,08x1,6 ммг. Переход 7 имеет форму волновода неизменной ширины (1,6 мм) с плавно изменяющейся высотой от 0,08 до 0,8 мм и длиной 20 мм, что 5 соответствует примерно десяти длинам волн. Параметр связи резонатора с образцом 8 и входного волновода 6 примерно равен единице. Выходной элемент связи образован дифракционной

решеткой 2 и приемным рупором 3, установленным непосредственно за ней Приемный рупор 3 имеет форму конуса с углом раскрыва, равным примерно 10 Диаметр входного отверстия рупора 3 равен диаметру дифракционной решетки 2, т.е. 12 мм. Щели решетки 2 параллельны широкой стенке выходного ВОЛНОВОДа 4.

Рупор 3 и дифракционная решетка 2 установлены так, что дифракционная решетка 2 полностью закрывает входное отверстие рупора 3, Это позволяет защитить вход рупора 3 от проник- новения в него микроволнового излучения, рассеиваемого открытым резонатором в окружающее пространство вследствие дифракционных потерь энергии, и тем самым повысить уро- вень развязки между входным 6 и выходным 4 волноводами, что способст- вует повышению чувствительности радиоспектрометров за счет снижения вклада шумов генератора в общий шум радиоспектрометра.

Регистрация сигнала ЭПР осуществляется следующим образом.

Исследуемый парамагнитный образец закрепляют на дифракционной решетке, которая установлена на приемном рупоре, соединенном с выходным волноводом, после чего всю эту конструкцию помещают в отверстие сверхпроводящего соленоида так, что образец оказывается .в центре однородности магнитного поля соленоида. Предварительно в отверстии соленоида крепится сферическое зеркало с входным волноводом. Эта часть конструкции резо натора не демонтируется в процессе замены образца. Затем выходной волновод соединяют с приемником микроволнового излучения и включают микроволновый генератор. Далее, изменяя расстояние между дифракционной решет кой и сферическим зеркалом, настраивают резонатор на частоту генерато- pa микроволнового излучения, равную примерно 150 ГГц, что соответствует

Q

g 0 5

о 0 5

5

длине волны ft 2 мм. Критерий совпадения частот генератора и резонатора - минимум отраженного от резонатора СВЧ излучения. Затем, вращая выходной волновод вокруг его оси,добиваются минимума мощности на микровол- новом приемнике, что соответствует максимальной развязке между генератором и приемником

После настройки резонатора включают источник питания соленоида,создающего поляризующее магнитное поле, устанавливают резонансное значение магнитного поля, равное для парамагнитного образца с g-фактором свободного электрона примерно 55 кЭ, и регистрируют сигнал ЭПР по изменению уровня микроволнового излучения в выходном волноводе. Формула изобретения

Устройство для регистрации сигнала ЭПР, содержащее полусферический резонатор, одна из стенок которого представляет собой плоское зеркало, выполненное в виде одномерной дифракционной решетки с периодом 1 « А , где ft - рабочая длина волны, и элемент связи, выполненный в виде отверстия в другой стенке, представляющей собой сферическое зеркало, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности путем улучшения условий вывода сигнала ЭПР из резонатора, входной и выходной прямоугольные волноводы установ- лены соосно и повернуты друг относительно друга вокруг их общей оси ка угол 90°, вне полости резонатора установлен приемный рупор с углом раскрыва Ю°, который переходит в выходной прямоугольный волновод, при этом рупор установлен так, что его входное отверстие полностью закрыто дифракционной решеткой, диаметр которой равен диаметру входного отверстия рупора, а широкая стенка выходного волновода параллельна щелям дифракционной решетки.

/ 7 /1.5

УУХ/хУУУУХ/У, , fH

/////S/s