УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПАРАМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ Советский патент 1974 года по МПК G01N24/10 

1

Изобретение относится к приборам, предназначенным для автоматического непрерывного анализа состава веществ, а именно, к устройствам для определения концентрации парамагнитных частиц в веществах методом электронного нарамашитного резонанса (ЭПР).

Известны устройства для определения концентрации парамагнитных частиц в веществах, содержащие поляризующий магнит, тракт сверхвысокой частоты (СВЧ), усилитель напряжения переменного тока, синхронный детектор, усилитель сигнала ошибки, модулятор поляризующего магнитного поля с регулируемым и нерегулируемым выходными каскадами, нодключенными соответственно к нетлям модуляции поляризующего магнитного поля в сравнительном и измеряемом образцах, расположенных в рабочем сверхвысокочастотном резонаторе, помещенном в поляризующее магнитное поле. Амплитуда модуляции поляризующего магнитного поля в каждом образце много меньше ширины соответствующей линии спектра ЭПР, поэтому сигнал ЭПР от каждого образца пропорционален произведению амплитуды модуляции и концентрации нарамагнитных частиц.

В известных устройствах используется нулевой метод измерения и сигнал с выхода тракта СВЧ, являющийся разностью сигналов

ЭПР от образцов, поступает на вход цепи отрицательной обратной связи: усилитель напряжения переменного тока, синхронный детектор, усилитель сигиала ошибки, регулируемый выходной каскад модулятора, петля модуляции поля в сравнительном образце. Эта система автоматического регулирования поддерживает равенство сигналов ЭПР от образцов. В результате амплитуда модуляции поля

в сравнительном образце изменяется в точном соответствии с изменением сигнала ЭПР от измеряемого образца. По величине амплитуды модуляции в сравнительном образце и судят о концентрации парамагнитных частиц

в измеряемом образце, предполагая, что в нем амплитуда модуляции постоянна.

Однако результаты измерений с помощью известных устройств недостаточно стабильны, так как амплитуда модуляции измеряемого

образца изменяется в процессе работы, например, вследствие нестабильности напряжений нитания модулятора, влияния внешних условий (температуры, влажности и т. д.), старения аппаратуры, изменения сонротивления петли модуляции. А так как эти устройства непосредственно измеряют не концентрацию нарамагнитных частиц в измеряемом образце, а сигнал ЭПР от этого образца, то они не могут различить изменение концентрации

парамагнитных частиц и амплитуды модуляции ПОЛЯ и поэтому реагируют на любые изменения амплитуды модуляции измеряел;ого образца, как на изменение измеряемой концентрации.

С целью увеличения стабильности результатов измерений концентрации парамагнитных частиц в анализируемом веществе в устройство введены две измерительные нетли, индуктивно связанные соответственно с неглями модуляции сравнительного и измеряемого образцов и подключенные к измерителю отношения напряжений переменного тока, выход которого является измерительным выходом устройства и который выполнен, например, в виде двух амплитудных детекторов, подсоединенных к измерителю отношения нанря}кений постоянного тока.

На чертеже показана блок-схема устройства.

В поляризующем ноле магнита 1 расположен рабочий СВЧ резонатор 2 с измеряемым образцом 3 н сравнительным образцом 4. Тракт СВЧ устройства может быть вынолнен по проходной схеме радиоспектрометра прямого усиления и иметь СВЧ генератор 5, рабочий СВЧ резонатор 2 и СВЧ детектор 6.

8качестве резонатора 2 может быть использован многополуволновый прямоугольный нроходпой резонатор. В резонаторе 2 в нучностях магнитного поля СВЧ помещаются измеряемый 3 и сравнительный 4 образцы.

Для модуляции поляризующего магнитного поля в образцах 3 и 4 в устройстве предусмотрены петля модуляции 7 измеряемого образна 3 и петля людуляции 8 сравнительного образца 4. Петля модуляции 7 подключена к выходу нерегулируемого выходного каскада

9модулятора поляризующего магнитного ноля 12, а петля модуляции 8 - к выходу регулируемого выходного каскада 10. Модулятор 12 содержит также задаюиднй генератор И.

СВЧ детектор 6 подключен ко входу усилителя напряжения неременного тока 13, нагрузкой которого являетея синхронный детектор 14. К выходу синхронного детектора 14 подключен усилитель сигнала ошибки 15, связанный с ценью унравления регулируемого выходного каскада 10.

С нетлями модуляции 7 и 8 индуктивно связаны измерительные нетлй соответственно 16 и 17. Измерительные нетли 16 и 17 подключены к измерителю отношения напряжений неременного тока 18, который может состоять из двух амнлитудных детекторов 19, 20 и измерителя отношения напряжений ностоянного тока 21.

Устройство работает следующим образом. Генератор 5 возбуждает в резонаторе 2 электромагнитное СВЧ ноле, магнитная составляющая которого имеет максимумы в объемах измеряемого 3 и сравнительного 4 образцов. При значениях напряженности поляризующего поля магнита 1, соответствующих линиям снектров ЭПР, в образцах 3 и 4 возникает ЭПР поглощение СВЧ энергии. Это

приводит к уменьшен; ю добротности резонатора 2 и изменению мощности, поступающей в детектор 6.

Напряженность поляризующего поля в обьеме каждого образца 3 и 4 независимо модулируется по синусоидальному закону с амплитудой, много меньп ей ширины соответствующей линии спектра ЭПР. При этом на выходе детектора 6 выделяется от каждого

образца сигнал ЭПР, имеющий частоту, равную соответствующей частоте модуляции, н амплитуду, пронорциональную произведению соответствующих концентраций парамагнитных частиц и амплитуд модуляции поля, т. е.:

с /, г -и

/

JCP

где Sji - амплитуда сигнала ЭПР от измеряемого образца 3;

5ср - то же от сравнительного образца 4; /г„ - амплитуда модуляции поляризующего магнитного поля в измеряемом образце 3;

- ТО же в сравнительном образце 4;

С, - коццентрация нарамагнитных частиц в измеряемо.м образце 3; ССР - то же в сравнительном образце 4.

Модуляция ноля в образцах 3 и 4 осуществляется токами, текущими в нетлях модуляции 7 и 8. Ток в нетле модуляции 7 измеряемого образца 3 создается нерегулируемым выходным каскадом 9 модулятора поляризующего л;агнитного ноля 12, поэтому амплитуда модуляции иоля в измеряемом образце 3 не регулируется в процессе работы устройства. Ток в петле модуляции 8 сравнительного образца 4 создается регулируемым выходным каскадом 10 и и амплитуда модуляции иоля

в сравнительном образце 4 зависит от величины сигнала, нриходящего на управляющий вход регулируемого выходного каскада 10 е усилителя сигнала ошибки 15. Частота модуляции ноляризующего ноля в обоих образцах

одинакова, так как сигнал на нерегулируемый 9 и регулируемый 10 выходные каскады поступает с одного задающего генератора П. Фазы модуляции отличаются на 180° за счет соответствующего подключения петель .модуляции 7 и 8 к выходным каскадам 9 и 10. Вследствие этого сигнал на выходе детектора 6 имеет частоту модуляции и равен разности сигналов ЭПР от измеряемого и сравнительного образцов 3 и 4. Этот сигнал усиливается

усилителем напряжения неременного тока 13 и детектируется в синхронном детекторе 14. Сигнал ошибки, выделенный в синхронном детекторе 14, поступает на усилитель сигнала ошибки 15. Усиленный сигнал унравляет

регулируемым выходным каскадом 10, и амплитуда модуляции поля в сравнительном образце 4 изменяется до тех пор, пока сигналы ЭПР 5„ и 5ср не станут равными и сигнал па выходе детектора 6 не уменьшится до

НУЛЯ.

Таким образом, рассмотренная следящая система автоматического управления, изменяя амплитуду модуляции ноля в сравнительном образце 4, постоянно поддерживает равенство:

- ИЛИ Э.Д.С., наводимые в измерительных петлях 16 и 17, соответственно пропорциональны амплитудам модуляции поля /г„ и ftcp в измеряемом 3 и сравнительном 4 образцах. Эти э.д.с. поступают на измеритель отношения напряжений переменного тока 18. В измерителе отношения 18 входные сигналы с измерительных петель 16 и 17 поступают на входы двух амплитудных детекторов 19 и 20. Выпрямленные напряжения с детекторов 19 и 20 после соответствующей фильтрации подаются на измеритель отнощения напряжений постоянного тока 21, выход которого и является измерительным выходом всего устройства. В соответствии с этим выходной сигнал устройства д- ИЛИ, учитывая равенство (I), т. е. выходной сигнал зависит только от концентрации парамагнитных частиц в измеряемом образце 3, так как концентрация парамагнитных частиц в сравнительном образце 4 есть величина постоянная. Любые нестабильности, вызывающие изменения амплитуд моду,-;яции hep и /Ьг в сравнительном п измеряемом образцах 3 и 4, не влияют на .показания устройства, ибо оно постоянно следит путем изменения величины Лср за тем, чтобы соблюдалось равенство (2). 15 20 25 30 35 i 1 р е д м е т изобретения Устройство для определения концентрации парамагнитных частиц в вещества.х методом электронного парамагнитного резонанса, содержащее поляризующий магнит, тракт сверхвысокой частоты, усилитель напряжения переменного тока, синхронный детектор, усилитель сигнала ошибки, модулятор поляризующего магнитного поля с регулируемым и нерегулируемым выходными каскадами, подключенными соответственно к петлям модуляции поляризующего магнитного поля в сравнительном и измеряемом образцах, расположенных в рабочем сверхвысокочастотном резонаторе, помещенном в поляризующее магнитное поле, отличающееся тем, что, с целью увеличения стабильности результатов измерений, оно снабжено двумя измерительными петлями, индуктивно связанными с петлями модуляции сравнительного п измеряемого образцов и подключенными к измерителю отношения напряжений переменного тока, выполненному, например, в виде двух амплитудных детекторов, выходы которых подключены к измерителю отношения напрял ений постоянного тока.