Микроволновый спектрометр Советский патент 1992 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к технике радиоизмерений и молекулярной спектроскопии и может быть использовано при молекулярном и изотопном анализе веществ о газовой и паровой фазе. &

Известна конструкция микроволнового спектрометра, содержащая источник когерентного микроволнового излучения, ячейку для исследуемого газа, синтезатор частоты, первый и второй усилители промежуточной частоты, смеситель, регистратор, первый и второй частотные детекторы, сумматор, блок вычитания, блок управления, частотный детектор.

Недостатком данной конструкции является чрезвычайная сложность блока перестройки и стабилизации частоты

микроволнового излучения, что ограничивает диапазон работы спектрометра. Наиболее близким по технической сущности является микроволновый спектрометр, содержащий перестраиваемый генератор микроволнового излучения с упрааляемым блоком питания, делитель излучения, первую и вторую ячейки с исследуемым газом и газом с известными спектральными характеристиками, соответственно, первый и второй микрофоны, перестраиваемый резонатор Фабри-Перо. детектор микроволнового излучения, интерферометр Майкельсона, источник когерентного оптического излучения, фотоприемник, усилители, первый, второй и третий синхронные детекторы, регистратор, генератор модулирующего напряжения и элемент для перемещения

Ч XI СП

о ел со

подвижного зеркала интерферометра Фаб- ри-Перо,

Основными недостатками известного микроволнового спектрометра являются:

невысокая чувствительность, обусловленная малой мощностью выходного излучения источника микроволнового излучения;

ограниченный диапазон работы спектрометра миллиметровым и субмиплиметро- вым диапазонами длин волн;

невысокая точность измерения частот спектральных линий.

Целью изобретения является повышение чувствительности, расширение спектрального диапазона спектрометра и увеличение точности измерений спектральных линий.

Указанная цель достигается введением в конструкцию микроволнового спектрометра дополнительно подвижного элемента, образующего резонансную систему с генератором микроволнового излучения, при этом, подвижный элемент резонансной системы выполнен в виде:

делительной пластины из материала, прозрачного для излучения генератора субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов, например из слюды, кварца, фторопласта и т.д.

диафрагмы - для сантиметрового диапазона излучения, например: в виде металлического стержня, металлического экрана с отверстием, металлической сетки.

На чертеже представлена структурная схема микроволнового спектрометра. Микроволновый спектрометр содержит генератор модулирующего напряжения 1, первый 2, второй 14 и третий 20 синхронные детекторы, первый 5, второй 13 и третий 19 усилители, перестраиваемый генератор микроволнового излучения 4, управляемый блок питания 3, подвижный элемент 7, блок перемещения подвижного элемента 6, источник когерентного оптического излучения 8, интерферометр Майкельсона 9, фотоприемник 10, детектор микроволнового излучения 12, делитель излучения 11, первую ячейку для исследуемого газа 15 и вторую ячейку для газа с известными спектральными характеристиками 17, снабженные первым 16 и вторым 18 микрофонами, соответственно, регистратор сигналов 21,

Подвижный элемент установлен на расстоянии от генератора микроволнового излучения, определяемом формулой:

L mc/2v , где с - скорость света;

v - частота излучения генератора; m - число полуволн, укладывающихся между отражающим элементом и концом резонатора или замедляющей системы генератора микроволнового излучения,

При изменении L будет меняться и резонансная частота системы генератор-отра- жающий элемент, что при наличии системы автоподстройки частоты генератора на мак0 симум резонансной кривой резонансной системы позволяет осуществлять плавную и поочередную перестройку длины волны излучения микроволнового генератора.

Микроволновый спектрометр работает

5 следующим образом.

Частота излучения перестраиваемого генератора микроволнового излучения 4 автоматически настраивается на собственную частоту резонансной системы, образован0 ной подвижным элементом и генератором микроволнового излучения 7 и 4, соответственно, при перемещении элемента 7 с помощью блока 6 осуществляется изменение частоты излучения по рабочему диапазону

5 генератора 4. При совпадении частоты излучения с частотой линии поглощения газов в ячейках 15 и 17 возникают сигналы, которые улавливаются микрофонами 16 и 18 и через усилители 13 и 19 и синхронные детекторы

0 14 и 20 поступают на регистратор 21.

Излучение генератора 4 частотно про- модулировано путем подачи опорного напряжения с генератора 1 на блок питания 3. Это дает возможность выработать сигнал

5 ошибки в системе автоподстройки частоты генератора микроволнового излучения и синхронное детектирование сигналов с микрофонов 16 и 18.

Автоматическая настройка насобствен0 нуго частоту резонатора осуществляется следующим образом: при отклонении часто- , ты излучения микроволнового генератора от собственной частоты резонансной системы на первом синхронном детекторе 2 вы5 рабатыоается сигнал ошибки, который поступает на блок питания 3 и изменяет напряжение так, чтобы это отклонение частоты генератора 4 устранить,

Таким обрэзом, частота излучения гене0 ратора 4 постепенно настраивается на собственную частоту резонансной системы. При плавном перемещении элемента 7 вдоль оси луча происходит перестройка резонансной системы и соответственно, пере5 стройка частоты излучения микроволнового генератора.

Одновременно с записью спектров на регистратор 21 поступэсгинтерферограмма с фотоприемника 10, образованная интерферометром Майкельсона 9, и служащая для

регистрации перемощения элемента 7. Вследствие этого, периоды интерферограм- мы связаны с частотой излучения микроволнового генератора и являются метками точного масштаба для измерения частоты. Формула изобретения 1. Микроволновый спектрометр, содержащий последовательно соединенные генератор модулирующего напряжения, первый синхронный детектор, управляемый блок питания и перестраиваемый генератор микроволнового излучения, оптически связанные источник когерентного оптического излучения, интерферометр Майкельсона и фотоприемник, выход которого соединен с первым входом регистратора, детектор излучения, выход которого через усилитель подключен к второму входу первого синхронного детектора, делитель луча, один выход которого оптически связан с ячейкой для исследуемого газа, выход которой через последовательно соединенные первый микрофон, второй усилитель и второй синхронный детектор подключен к второму входу регистратора, ячейку для газа с известными спектральными характеристиками, установленную последовательно с ячейкой для исследуемого газа, выход которой через

последовательно соединенные второй микрофон, третий усилитель, третий синхронный детектор подключен к третьему входу регистратора, при этом вторые входы второго и третьего синхронных детекторов и управляемого блока питания соединены с выходом генератора модулирующего напряжения, отличающи йсятем, что, с целью повышения точности измерений и увеличения чувствительности, введен подвижный элемент, образующий общую резонансную систему с элементами перестраиваемого генератора микроволнового излучения, при этом вход и второй выход делителя луча оптически связаны соответственно с выходом подвижного элемента и входом детектора излучения.

2.Спектрометр поп. 1,отличаю- щ и и с я тем, что подвижный элемент выполнен в виде делительной пластины из материала, прозрачного для излучения субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов волн.

3.Спектрометр по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых спектров, подвижный элемент выполнен в виде диафрагмы сантиметрового диапазона длин волн.

Использование: техника радиоизмерений для молекулярной спектроскопии при молекулярном и изотопном анализе веществ в газовой и паровой фазе. Сущность изобретения: микроволновый спектрометр содержит источник микроволнового излучения, состоящий из перестраиваемого генератора, управляемого блока питания, подвижного элемента резонансной системы и элемента для его перемещения, делитель излучения, ячейки с исследуемым газом и газом с известными спектральными характеристиками, два микрофона, детектор микроволнового излучения, интерферометр Майкельсона, источник когерентного оптического излучения, фотоприемник, усилители, синхронные детекторы, регистратор, генератор модулирующего излучения. Подвижный элемент резонансной системы, предназначенный для отражения назад части излучения генератора, выполнен в виде делительной пластины из материала, прозрачного для излучения генератора миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн или диафрагмы - для сантиметрового диапазона излучения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил. in С