Способ определения разности фаз электромагнитных импульсов, разнесенных во времени в одном канале Советский патент 1990 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к импульсной фазометрии и может быть использовано при создании фазометров для измерения разности фаз между двумя импульсными сигналами, разнесенными во времени, для всех частот электромагнитных колебаний, где наблюдается хановское эхо, включая ВЧ-, СВЧ-и оптический диапазон,

Целью изобретения является расширение частотного диапазона.

На фиг.1а,б схематично изображена последовательность импульсов и хановское эхо: от первого и второго образцов ; на фиг.2 - последовательность импульсов и хановское эхо от второго образца при определении калибровочной амплитуды Ак(Ј); на фиг.З - схема

устройства, реализующего предлагаемый способ.ЈЛ

На первый образец подают последо-r QQ вательность импульсов, причем сначала первый измеряемый импульс Xf, за- тем через время Ј второй измеряемый 1 импульс Х затем через время Т - ,1 первый опорный импульс Р и через время после этого - второй опорный импульс Р с нулевым сдвигом фаз относительно Р ц. Под действием импуль- ч сов в образце возбуждаются колеба- тельные процессы, которые проявляются в формировании всплесков излучения, называемых сигналами хановского эха, т.е. через время Ъ после импульса PZ в первом образце формируются одновременно два сигнала эха - двухимпульсное эхо от импульсов P и Р и трех- импульсно е стимулированное эхо от импульсов X,, Хг и Рг Эффект формирования составного эха, являющегося суперпозицией двух сигналов эха, называется фазовым эффектом, поскольку амплитуда составного эха является функцией разности фаз (у составляющих сигналов. Известно, что амплитуда

знать сумму (А1)2 + (А1) . Для определения этой величины проводят предварительный цикл измерений на втором образце (фиг.2). В последовательности импульсов вместо импульса Х на второй образец подают первый пробный импульс К(, а вместо Х2 - второй пробный импульс К, фаза которого равна фазе импульса затем через время Т подают первый опорный импульс Р. , а через время с после Р - третий

Изобретение относится к фазометрии и позволяет измерять разность фаз во всех диапазонах частот электромагнитных колебаний, где наблюдается хановское эхо, в том числе в оптическом диапазоне. Для этого измеряемые импульсы подают одновременно на два одинаковых образца, в которых возможно формирование хановского эха, измеряют интервал между ними. Через время Т формируют и подают на образцы первый опорный импульс. Затем формируют и подают на первый образец второй опорный импульс, фаза которого равна фазе первого импульса, а на второй образец - третий опорный импульс, фаза которого сдвинуна @ /2 относительно первого импульса. Затем измеряют максимальные амплитуды хановского эха от первого и второго образцов, а разность фаз вычисляют по формуле, приведенной в описании изобретения. 3 ил.

А ||А (О

амплитуда двухимпульсного

эха;

амплитуда стимулированного

эха.

Результирующая фаза для первого образца получается

G,-lf( X,) -(f(X2)+q(P2) - 4f(P, ) ,(2)

гдеС|)(Х,) - фаза импульса Xj;

С(Хг) - фаза импульса X ;

Cf(P,) - фаза импульса Р,;

ЦКР2-) Фаза импульса Pit Поскольку Cj(X2) q(X,) + (f, a С((Рг) -Cf(Pf),(3)

то квадрат амплитуды составного эха А . является функцией от cos cp

1

(А1)

(А )2

2А А

cos U,

(4)

Аналогичные колебательные процесс происходят при воздействии последовательности импульсов во втором образце с той лишь разницей, что вместо ипульса Р подается третий опорный импульс Pi, фаза которого отличается от фазы второго опорного импульса PJ. , а разность фаз ф2 между двух- импульсными и стимулированным сигналами эха равна г/2 -(, так как((Рг) Cf(P |) tfT/2. Таким образом для второго образца получается

Vi-cj(x,) -(f(x2) + q(pi) -cj(pf)- -fi/2 -lp;

А . (А1)1 + (А )4 + - (А1)2 + (Ан) + 2A A sinlf. (5)

В этом случае квадрат амплитуды составного эха А является функцией от sintf. Для того, чтобы определить искомую разность фаз Ц , необходимо

Аопорный импульс Р. Через время Ј после импульса Р формируется составное эхо амплитудой ). Разность фаз ( между двухимпульсным и стимулированным эхом в этом случае равна

,) - tf(K2) + tf(p) - tf(P,) T/2,(6)

поэтому квадрат амплитуды Ак() определяется формулой Aj(t) (А )2

(А);

(A f

(А)1

2A Aflcosyfc (7)

Из формул (4), (5) и (7) находим искомое выражение

tgq

AtAk()

А

At(t)

5

0

5

O

5

которое позволяет определить разность фаз (0. Амплитуда и длительность измеряемых и пробных импульсов должны быть стандартными, т.е. должны превышать пороговый уровень амплитудного ограничителя и селектора длительности; уровень ограничения выбирается таким образом, чтобы амплитуда хановского эха превосходила уровень шумов,

Неравенства и Т -Т ( необходимы для того, чтобы избежать подавления двухимпульсного сигнала с амплитудой А, пропорциональной exp(-2t/T2), и подавление стимулированного сигнала с амплитудой А, пропорциональной ехр(-Т/Т.j), соответственно. Условие Ј Т3 должно быть выполнено, чтобы не допустить суперпозиции хановского эха и сигнала свободной индукции с характерным временем Т, если T-j превосходит мертвое время Тм детектирующего устройства. Неравенство Т Т2 необходимо.для подавления комбинационных сигналов, амплитуда которых пропорциональна

е(-2Т/Т2) и которые могли бы наблю- даться после воздействия импульсов Рг и Р на первом и втором образцах соответственно.

Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.З), содержит блок 1 измерения временного интервала между входными импульсами, селекторы 2 и 3 длительности, формирователь 4 управ- JQ X , и Хг . После поступления на форми- ляющих импульсов , амплитудный ограни- рователь 4 управляющего напряжения с читель 5, генератор 6 опорных колеба- выхода блока 1, на втором выходе форвремя и управляющее напряжение с выхода блока 1 подается в формирователь 4 и блок 12. По сигналам переднего фронта входных импульсов X и на первом выходе формирователя 4 формируются два импульса с фиксированной длительностью С, которые поступают на селектор 2 и стробируют импульсы

ний, управляемый фазовращатель 7, резонаторы 8 и 9 с образцами, строби- руемые квадратичные детекторы 10 и 11, арифметический блок 12.

При этом вход устройства через последовательно соединенные первый селектор 2 длительности, амплитудный ограничитель 5, резонатор 8 с образцом и стробируемый квадратичный детектор 10 соединен с первым входом арифметического блока 12, второй вход которого соединен через последовательно соединенные управляемый фазовраща- 25 равляющий вход фазовращателя 7, на тель 7, резонатор 9 с образцом и в то- время, соответствующее формированию рой стробируемый квадратичный детектор 11 с выходом амплитудного ограниимпульса Р„. При подаче этого импульса фаза сигнала, прошедшего через фа- чителя 5, вход которого через селек- зовращатель 7, изменяется на и/2, тор 3 длительности соединен с выходом 30 т.е. формируется опорный импульс Р,

при

генератора 6 опорных колебаний, вход формирователя управляющих импульсов соединен с входом устройства, первый выход - с управляющим входом первого

отсутствии управляющего напряжения изменение фазы не происходит. На выходе обнуления формирователя 4 формируется стробирующий

селектора 2 длительности, второй вы-,, импульс, открывающий детекторы 10 и ход - с управляющим входом второго 1 1 после формирования опорного импуль- селектора 3 длительности, третий вы- са Р„ или Р. ход - с управляющим входом фазовраща- Первая последовательность импулы

теля 7, четвертый выход - с управляю- сов X

щими входами детекторов 10 и 11, вход 40 амплитудный ограничитель 5 на резона- блока 1 измерения Ъ соединен с входомтор 8 образца, а вторая последоват устройства, а выход - с вторым входомтельность импульсов X , Х, Р1, Р - чеформирователя 4 и третьим входом блока 12.

Устройство работает следующим образом.

По переднему фронту первого измеряемого импульса X, на выходе обнуления формирователя 4 формируется импульс управления, сбрасывающий показания детекторов 10 и П и запирающий их. При отсутствии выходного сигнала де- . текторов 10 и 11 выходной сигнал арифрез фазовращатель 7 на резонатор 9 образца, возбуждая сигналы хановского

45 эха в образцах (фиг.1 а,б), которые поступают на входы стробируемых квадратичных детекторов 10 и 11. Квадрат амплитуды хановского эха в момент максимума измеряется .детекторами 10и 11

50 в виде напряжений, равных А2- и АЈ соответственно. При поступлении на вход блока 12 этих сигналов в калибровочном режиме в арифметическом блоке 12

метического блока также отсутствует.вычисляется значение А(сО, а затем

Передний фронт импульса устанавливает55 B соответствии с (8) вычисляется зна- также в нулевое состояние блок 1, вчение (0 , которое поступает на выход

котором производится измерение ин-устройства.

терзала t, При поступлении второгоВ качестве примера могут применятьимпульса Х2 в блоке . 1 фиксируетсяся образцы с использованием ферромагX , и Хг . После поступления на форми- рователь 4 управляющего напряжения с выхода блока 1, на втором выходе форвремя и управляющее напряжение с выхода блока 1 подается в формирователь 4 и блок 12. По сигналам переднего фронта входных импульсов X и на первом выходе формирователя 4 формируются два импульса с фиксированной длительностью С, которые поступают на селектор 2 и стробируют импульсы

мирователя 4 формируются два импульса длительностью Ји: первый из них

поступает через фиксированное время Т после импульса Хг, второй - через время Т + ( после импульса Х. Импульсы второго выхода формирователя 4 поступают в селектор 3, в котором из

опорного колебания, поступающего от генератора 6, формируются опорные импульсы Р х и Рг. На третьем выходе формирователя 4 формируется стробиру- ющий импульс, который подается на управляющий вход фазовращателя 7, на время, соответствующее формированию

импульса Р„. При подаче этого импульпри

отсутствии управляющего напряжения изменение фазы не происходит. На выходе обнуления формирователя 4 формируется стробирующий

X,

Р, поступает через

амплитудный ограничитель 5 на резона- тор 8 образца, а вторая последоват тельность импульсов X , Х, Р1, Р - через фазовращатель 7 на резонатор 9 образца, возбуждая сигналы хановского

эха в образцах (фиг.1 а,б), которые поступают на входы стробируемых квадратичных детекторов 10 и 11. Квадрат амплитуды хановского эха в момент максимума измеряется .детекторами 10и 11

в виде напряжений, равных А2- и АЈ соответственно. При поступлении на вход блока 12 этих сигналов в калибровочном режиме в арифметическом блоке 12

вычисляется значение А(сО, а затем

нитных пленок кобальта. В этих образцах при комнатной температуре наблюдается хановское эхо (ядерное спиновое эхо) с частотой резонанса f 216 мГц. Мертвое время квадратичных детекторов Тм 0,1 мкс, что превышает время неоднородной расфазировки Т-, поэтому условие с T-j заменяется условием . Время поперечной релаксации Tt 25 мкс, время продольной релаксации Т 120 мкс. Длительность импульсов Ј„, формируемых в формирователе 4, составляет 0,2 мкс. Амплитудный ограничитель имеет пороговый уро- венъ 20 мВ. Временной интервал Т 30 мкс.

В калибровочном режиме на вход устройства вместо измеряемых импульсов Х и Хг подаются пробные импульсы Kf и К2 одинаковой фазы (фиг.2) и детектором 11 измеряется зависимость A(t) при Тм Ј -Тг/2. Поскольку за- висимость АК(Ј) описывается экспо,- ненциальной функцией А(1)

А0ехр(-2Ј/Т2) , где АО определяется параметрами резонатора с образцом, в арифметическое устройство вводится программа вычисления этой функции. После этого устройство, схема которо- го изображена на фиг.З, позволяет измерять разность фаз радиоимпульсов с частотой заполнения 216 мГц. Амплитуда и длительность измеряемых импульсов X и Х, так же как и пробных импульсов К , и К, должны превышать уровень 20 мВ и длительность 0,2 мкс соответственно. Временной интервал между передними фронтами этих импульсов должен удовлетворять условию О, 1 мкс Ј 1 2 мкс.

Использование предлагаемого способа измерения разности фаз импульсов, разнесенных во времени, по сравнению с известным обеспечивает расширение частотного диапазона, поскольку хановское эхо наблюдается на частотах от 10 до 15 1S Гц.

Формула изобретения

Способ определения разности фаз электромагнитных импульсов, разнесенных во времени в одном канале, включающий формирование колебаний, частот та которых равна частоте заполнения первого и второго измеряемых импульсов, о тличающийся тем, что, с целью расширения частотного

диапазона, измеряют временной интер- . вал Ј между этими измеряемыми импульсами, формируют первую последовательность импульсов с нормированной длительностью и заданной постоянной амплитудой, в которой за первым и вторым измеряемыми импульсами через некоторый интервал времени Т после второго следует первый и второй опорные импульсы нормированной длительности, имеющие между собой интервал времени (/ и нулевую разность фаз, формируют вторую последовательность импульсов, в которой за первым и вторым измеряемыми импульсами через интервал времени Т следуют первый и третий опорные импульсы нормированной длительности, имеющие между собой интервал времени Ј и разность фаз Т/2, полученные последовательности импульсов подают соответственно на первый и второй образцы, в каждом из которых на частоте заполнения соответственно после второго опорного импульса и после третьего опорного импульса через интервал времени формируются первый и второй отклики хановского эха, отклики селектируют, а затем измеряют их максимальные амплитуды А 4 и А для первого и второго образцов соответственно , разность фаз Ср определяют в соответствии с формулой

А - А()

tgCf

л 2 л2/ А , - АК(О

де А,ЛЈ) - калибровочная амплитуда хановского эха, которую предварительно измеряют, выполняя на втором образце перечисленные операции, -когда вместо измеряемых импульсов подают первый и второй пробные импульсы с одинаковой фазой и нормированной длительностью и заданной постоянной амплитудой, временной интервал Ј между которыми изменяется в пределах Т ,, Т2/г , где Т 3- время спада свободной индукции в образцах, Т2 время поперечной релаксации, а временной интервал Т удовлетворяет неравенствам Тг.Т.Т,, где Т, - время продольной релаксации в образцах.

а хг

PJ Р2

Фиг. 2

Фиг.З