Способ определения направления кристаллографической оси одноосных парамагнитных кристаллов Советский патент 1992 года по МПК G01N24/10 

сл С

Использование: в радиоспектроскопии ЭПР, при определении направления кристаллографической оси кристаллов. Сущность изобретения: ориентируют кристалл путем поворота вокруг двух взаимно перпендикулярных осей сначала в суперпозиции взаимно перпендикулярных статического, модулирующего и СВЧ-маг- нитных полей, затем - в традиционной для ЭПР суперпозиции полей. Использованы экстремальные критерии при измерении углов поворота, что позволяет повысить точность определения направления кристаллографической оси, в частности, в кристаллах с примесными парамагнитными центрами, дающими широкие изотропные линии в спектре ЭПР.

Изобретение относится к технической физике, в частности к радиоспектроскопии методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), и позволяет определить направление кристаллографической оси в одноосном парамагнитном кристалле с высокой степенью точности.

Известны способы определения направления кристаллографической оси одно- осных кристаллов с использованием рентгеноструктурного анализа, поляризационных методов и ЭПР.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения направления кристаллографической оси одноосных парамагнитных кристаллов, согласно которому кристалл помещают в суперпозицию трех магнитных полей: статического, модулирующего его низкочастотного и индуцирующего СВЧ-пе- реходы поля,-детектируютсигнал ЭПР при

повороте кристалла и определяют направление кристаллографической оси в соответствии с видом спектра, при этом вектор индукции статического магнитного поля параллелен вектору индукции модулирующего его низкочастотного поля, вектор индукции СВЧ-поля перпендикулярен двум вышеуказанным полям, фиксируют начальную ориентацию кристалла, затем поворачивают кристалл вокруг оси, неортогональной вектору индукции статического магнитного поля, детектируя одновременно сигнал ЭПР и регистрируя углы поворота кристалла, при которых вид спектра ЭПР соответствует заранее выбранной величине угла ©между направлением кристаллографической оси и вектором индукции статического магнитного поля, по зарегистрированным углам поворота (их четыре), заранее выбранному углу ©и известному в эксперименте углу между вращения кристалла и направлением

XI

О

СО

сл

вектора индукции статического магнитного поля вычисляют направление кристаллографической оси в кристалле.

Недостатком известного способа является недостаточно высокая точность определения направления кристаллографической оси в кристаллах. Это связано с тем, что известный способ основан не на прямых, а на кос- венных измерениях, т,е. предполагает вычисление направляющих углов кристаллографической оси по довольно сложным формулам. Кроме того, точность определения направления кристаллографической оси известным способом оказывается сниженной в кристаллах с примесными центрами, когда широкая изотропная линия примеси в спектре ЭПР маскирует анизотропную структуру спектра. В этом случае вид результирующего спектра ЭПР может определяться, в основном, маскирующим эффектом изотропной линии.

Цель изобретения - повышение точности определения направления кристаллографической оси в одноосных парамагнитных кристаллах с синглетной линией ЭПР.

Поставленная цель достигается тем, что согласно предлагаемому способу, кристалл помещают в суперпозицию трех магнитных полей: статического модулирующего его низкочастотного и индуцирующего СВЧ-пе- реходы поля, детектируют сигнал ЭПР при повороте кристалла и определяют направление кристаллографической оси в соответствии с видом спектра, причем векторы индукции магнитных полей ориентируют взаимно перпендикулярно, кристалл поворачивают вокруг оси,параллельной вектору индукции статического магнитного поля до получения максимальной интенсивности сигнала ЭПР, с последующим поворотом кристалла вокруг оси, параллельной вектору индукции СВЧ-поля до получения максимальной интенсивности сигнала ЭПР, затем ориентируют вектор индукции модулирующего магнитного поля параллельно вектору индукции статического магнитного поля, определяют положение сигнала Вот и поворачивают кристалл на угол 90° сначала вокруг оси, параллельной вектору индукции статического магнитного поля, затем вокруг оси, параллельно вектору индукции СВЧ-поля, повторно определяют положение сигнала Во2 и принимают решение о направлении кристаллографической оси из условия: при изменении положения сигнала в процессе поворотов на угол 90° (ВогВо2) ось до этих поворотов была ориентирована параллельно вектору индукции статического магнитного поля, при неизменности положения

0

5

5

0

5

0

5

0

5

сигнала (Вот 802) ось до поворотов на угол 90° была ориентирована перпендикулярно векторам индукции статического и СВЧ-маг- нитных полей.

Сущность изобретения заключается в том, что косвенные измерения заменены на прямые, введены экстремальные (по максимуму и минимуму интенсивности сигнала ЭПР) критерии отбора углов поворота, устранена возможность маскирующего эффекта изотропных линий.

Способ осуществляется следующим образом.

Кристалл располагают произвольным образом в суперпозции трех взаимно перпендикулярных магнитных палей: статического с индукцией BЈ, модулирующего его низкочастотного с индукцией ) Q t и индуцирующего СВЧ-переходы поля с 0 индукцией Bi(t) Bi cos cut. Поворачивают кристалл вокруг оси, параллельно вектору индукции Во, одновременно синхронно и синфазно с модуляцией детектируют сигнал ЭПР, и фиксируют положение кристалла, в котором интенсивность сигнала ЭПР максимальна. Затем поворачивают кристалл вокруг оси, параллельной вектору индукции СВЧ-поля Ёдт.), одновременно детектируют сигнал ЭПР и фиксируют положение кристалла, при котором интенсивность этого сигнала минимальна. В последнем положении реализуется одна из двух возможных ориентации кристаллографической оси: параллельно или перпендикулярно вектору индукции Во (т.е. параллельно или перпендикулярно к плоскостям полюсных наконечников магнита спектрометра (ЭПР).

Для уточнения направления кристаллографической оси необходимо, не нарушая достигнутой таким образом ориентации кристалла, ориентировать вектор индукции модулирующего низкочастотного поля параллельно вектору индукции статического магнитного поля, т.е. создать новую супер- позицию магнитных полей: статического Во, коллинеарногд с ним модулирующего низкочастотного Bm(t) cos Qt и перпендикулярного к двум первым индуцирующего С ВЧ-переходы поля с индукцией E5i(t) Bicos 0)1. При этом интенсивность сигнала ЭПР, минимальная для зафиксированного равнее положения кристалла в прежней суперпозиции полей, окажется не равной нулю.

В новой суперпозиции полей поворачивают кристалл сначала на угол 90° вокруг оси, параллельной вектору индукции статического магнитного поля, затем за угол 90° вокруг оси, параллельной вектору индукции СВЧ-поля. Если в процессе второго поворота наблюдается изменение положения сигнала (Boi Во2) одновременно детектируемого спектра ЭПР, то до поворотов на углы 90° ось кристалла была ориентирована параллельно вектору индукции Ва если положение сигнала (602 Boi) не меняется - то ось до поворота на углы 90° была ориентирована перпендикулярно векторам индукции Во и Bi(t).

Пример. Реализация способа с монокристаллом CuS04 5HzO на стационарном спектрометре ЭПР с рабочей модой Eon. В этом спектрометре пара обычных модуляционных катушек (продольной модуляции) выполнена в виде четырех латунных стержней, находящихся внутри резонатора вдоль магнитной моды и не пересекающих электрические моды.

Для создания модулирующего магнитного поля с индукцией Bm(t) Во в резонатор введена дополнительная пара модуляционных катушек, повернутая вокруг оси цилиндрического резонатора относительно стандартной пары на угол 90°. Обе пары выполнены конструктивно одинаковыми, что позволяет создавать магнитные модуляционные поля равной амплитуды в месте расположения кристалла в резонаторе. Предусмотрена возможность подключения выхода модуляционного генератора либо к одной, либо к другой паре модуляционных катушек.

Монокристалл CuSCM 5Н20 закрепляют в двухплоскостном гониометре, который помещен в резонатор спектрометра и допускает возможность вращения монокристалла вокруг рси, параллельной вектору индукции Во статического магнитного поля, и оси, параллельной вектору индукции Bi(t) СВЧ-поля. При подаче питания на катушки перпендикулярной модуляции создают суперпозицию трех взаимнс)перпендикулярных магнитных полей: , (t), ST(t). Кристалл поворачивают вокруг оси, параллельной вектору индукции Во статического магнитного поля, и одновременно детектируют сигнал ЭПР. Ориентацию монокристалла, отвечающую максимуму интенсивности сигнала ЭПР, фиксируют, Затем кристалл поворачивают вокруг оси, параллельной вектору индукции Bi(t) СВЧ- поля, одновременно детектируют сигнал ЭПР. При достижении минимума интенсивности детектируемого сигнала. Ориентацию кристалла фиксируют.

Далее выход модуляционного генератора подключают к стандартным катушкам (продольной) модуляции, при этом реализуется суперпозиция магнитных полей, в которой Во|{Вт(х); Ва B(t) Bitt). В спектре ЭПР, детектированном в новой суперпозиции полей (без изменения положения кристалла), вновь появляется интенсивная синглетная

линия. Определяют положение этой линии BOL Кристалл поворачивают вокруг оси, параллельной вектору Во индукции статического магнитного поля на угол 90°, и одновременно детектируют сигнал ЭПР. По0 ложение линии в детектируемом спектре ЭПР при повороте не изменяется. Затем кристалл поворачивают на угол 90°вокруг оси, параллельной вектору индукции Bi(t) СВЧ-поля, одновременно детектируют сиг5 нал ЭПР. Положение линии Во2 в спектре смещается в сторону более низких полей, т.е. Вот Во2. Вывод: до поворотов на угол 90° (в суперпозиции полей (t); boTB(t)(t) кристаллографическая ось

0 была ориентирована параллельно вектору индукции статического магнитного поля.

Изобретение позволяет с высокой точностью определять направление кристалло5 графической оси одноосных парамагнитных кристаллов с синглетной линией ЭПР. Формула изобретения Способ определения направления кристаллографической оси одноосных парамаг0 нитных кристаллов, включающий воздействие на кристалл суперпозиции трех магнитных полей статического модулирующего его низкочастотного и СВЧ-поля, инду- цирующего сигнал электронного

5 парамагнитного резонанса (ЭПР), детектирование сигнала ЭПР, ориентирование кристалла, определение направления кристаллографической оси в соответствии с параметрами сигнал ЭПР, отличающий0 с я тем, что, с целью увеличения точности определения направления кристаллографической оси кристаллов с синглетной линией ЭПР, воздействуют магнитными полями, ориентированными взаимно перпендик у5 лярно, определяют интенсивность сигнала ЭПР после его детектирования, ориентируют кристалл путем поворота его вокруг оси, параллельной вектору индукции статического магнитного поля, до получения макси0 мальной интенсивности сигнала ЭПР, а затем вокруг оси, параллельной вектору индукции СВЧ-поля, до получения минимальной интенсивности сигнала ЭПР. дополнительно ориентируют вектор индук5 ции модулирующего магнитного поля параллельно вектору индукции статического магнитного поля, детектируют сигнал ЭПР, определяют его положение Вот, повторно ориентируют кристалл путем поворота его на угол 90° вокруг оси, параллельной вектору индукции статического магнитного поля, а затем вокруг оси, параллельной вектору индукции СВЧ-поля, повторно определяют положение сигнала Во2, а по соотношению Вел и Во2 судят о направлении кристаллографической оси кристалла до его поворотов на

90°, причем при Bot Во2 делают вывод о перпендикулярном направлении векторам индукции статического и СВЧ-полей, а при Вот 5 Во2 - о параллельном направлении вектору индукции статического поля.