Радиоспектрометр электронного парамагнитного резонанса Советский патент 1979 года по МПК G01N27/78 

(54) РАДИОСПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА С регулируемым коэффициентом передачи, вход которого подключен к выходу модулятора поляризующего поля, а выход - к модуляционному входу СВЧ-модулятора. В таком измерителе концентрации парамагнитных частиц используется нулевой компенсационный метод измерения, и сигнал с выхода СВЧ-тракта, являющийся разностью сигнала ЭПР от измеряемого образца и компенсационного сигнала, поступает на вход цепи отрицательной обратной связи: усилительно-преобразовательное устройство, устройство с регулируемым коэффициентом передачи, СВЧ-модулятор. Эта -автоматическая система регулирования постоянно поддерживает равенство сигнала от образца и компенсационного сигнала. При этом величина модулирующего сигнала, поступающего на СВЧ-модулятор, изменяется в соответствии с изменением сигнала ЭПР от измеряемого образца. Таким образом, сигнал на выходе усилительно-преобразовательного устройства соответствует первой производной спектра ЭПР от измеряемого образца. Некоторая часть информации о спектре ЭПР извлекается из второй производной спектра. Известное же устройство позволяет регистрировать только первую производную. Цель предлагаемого изобретения - расширение функционального назначения радиоспектрометра за счет возможности регистрации второй производной спектра ЭПР. Для этого в радиоспектрометр введены удвоитель частоты с квадратичной амплитудной характеристикой, вход которого связан с модулятором магнитного поля, и два синхронизированных коммутирующих устройства. Причем, усилительно-преобразовательное устройство выполнено с возможностью наст.ройки при помощи одного из коммутирующих устройств как на частоту модуляций магнитного поля, так и на удвоенную частоту модуляции, один вход второго коммутирующего устройства связан с мудулятором магнитного поля, другой - с удвоителем частоты, а выход этого коммутирующего устройства связан с устройством с регулируемым коэффициентом передачи и с усилительно-преобразовательным устройством. - -На чертеже представлена блок-схема предлагаемого радиоспектрометра ЭПР. Предлагаемый радиоспектрометр содержит поляризующий магнит 1, СВЧ-тракт 2, усилительно-преобразовательное устройство 3, модулятор 4 поляризующего магнитного поля в образце 5, удвоитель 6 частоты с квадратичной амплитудной характеристикой, устройство 7 с регулируемым коэффициентом передачи, коммутирующее устройство 8 и коммутирующее устройство 9. СВЧ-тракт 2 выполнен по отражательной схеме радиоспектрометра прямого усиления и содержит генератор 10, циркулятор 11, детектор 12 и рабочий резонатор 13. Кроме того, для создания компенсационного си-гнала СВЧ-тракт 2 снабжен отражательным СВЧ-модулятором 14, связанным с резонатором 13. Усилительно-преобразовательное устройство 3 содержит избирательный усилитель 15, выполненный с возможностью настройки при помощи коммутирующего устройства 8 как на частоту модуляции магнитного поля, так и на ее вторую гармонику, синхронный детектор 16, один из входов которого связан с выходом коммутирующего устройства 9, и интегрирующий усилитель 17 сигнала ошибки. Коммутирующее устройство 8 синхронизировано с коммутирующим устройством 9. Выход интегрирующего усилителя 17 подключен к цепи управления устройства 7 с регулируемым коэффициентом передачи. Выход устройства 7 с регулируемым коэффициентом передачи связан с СВЧ-модулятором 14, а вход связан с выходом коммутирующего устройства 9. Один из входом коммутирующего устройства 9 связан с модулятором 4 магнитного поля, другой - подключен к выходу удвоителя 6 частоты с квадратичной амплитудной характеристикой, вход которого связан с модулятором 4 магнитного поля. Предлагаемый радиоспектрометр работает следующим образом. Генератор 10 через циркулятор 11 возбуждает в резонаторе 13 электромагнитное СВЧ-поле, в пучности магнитной составляющей которого находится исследуемый образец 5. При значениях напряженности поляризующего поля магнита 1, соответствующих линии спектра ЭПР, в образце 5 возникает ЭПР-поглощение СВЧ-энергии. Это приводит к уменьщению добротности резонатора 13 и изменению мощности, поступающей через циркулятор 11 на детектор 12. Напряженность поляризующего поля в объеме образца 5 модулируется с помощью модулятора 4 по синусоидальному закону с амплитудой, много меньшей ширины линии спектра ЭПР. При этом на выходе детектора 12 появляется сигнал, зависящий от магнитной восприимчивости образца 5. Составляющая этого сигнала,пропорциональная первой производной от магнитной восприимчивости по поляризующему полю (сигнал первой производной спектра ЭПР), имеет частоту, равную частоте магнитной модуляции. Составляющая же, пропорциональная второй производной (сигнал второй производной спектра ЭПР), имеет частоту, равную удвоенной частоте магнитной модуляции. Часть СВЧ-энергии из резонатора 13 поступает в отражательный СВЧ-модулятор 14. Отраженная от модулятора 14 электромагнитная волна оказывается промодулированной по амплитуде сигналом, поступающим через устройство 7 с регулируемым коэффициентом передачи либо с модулятора 4 магнитного поля, либо с удвоителя 6 частоты с квадратичной амплитудной характеристикой (в зависимости от состояни коммутирующего устройства 9). Отраженная промодулированная электромагнитная волна через резонатор 13 и циркулятор 11 поступает на детектор 12. В результате на выходе детектора 12 выделяется компенсационный сигнал с частотой, соответственно равной либо частоте модуляции магнитного поля, либо удвоенной частоте модуляции. Таким образом, частота сигнала ЭПР одинакова с частотой соответствующего ему компенсационного сигнала. Фазы этих сигналов отличаются на 180°. Вследствие этого амплитуда результирующего сигнала, выделенного на выходе детектора 12, равна разности амплитуды сигнала ЭПР от измеряемого образца 5 и амплитуды соответствующего этому сигналу ЭПР компенсационного сигнала. Результирующий сигнал поступает на усилительно-преобразовательное устройство 3|Где усиливается с помощью избирательного усилителя 15 и детектируется синхронным детектором 16. Сигнал ошибки, выделенный на выходе синхронного детектора 16, поступает на интегрирующий усилитель 17 сигнала ошибки. Частота настройки усилительно-преобразовательного устройства 3 определяется состоянием коммутирующего устройства 8, синхронизированного с коммутирующим устройством 9, и изменяется, например.соответствующим переключением частотно-избирательных фильтров усилителя 15 или их элементов. Одновременно с помощью коммутирующего устройства 9 изменяется и частота опорного напряжения синхронного детектора 16. В зависимости от состояния коммутирующего устройства 9 опорное напряжение поступает на детектор 16 либо с модулятора 4, либо с удвоителя 6 частоты. Усиленный и проинтегрированный сигнал ошибки с выхода усилительно-преобразовательного устройства 3 поступает в цепь управления устройства 7 с регулируемым коэффициентом передачи. Он изменяет коэффициент передачи устройства 7 так, что амплитуда компенсационного сигнала становится равной амплитуде сигнала соответствующей производной и результирующий сигнал на выходе детектора 12 уменьшается до нуля. Таким образом, изменяется величина модулирующего сигнала, поступающего на СВЧ-модулятор 14, и постоянно поддерживается равенство сигнала регистрируемой производной спектра ЭПР и соответствующего компенсационного сигнала. При этом сигнал на выходе усилительно-преобразовательного устройства 3 пропорционален этой производной спектра ЭПР. Так как для создания компенсационного сигнала в СВЧ-модуляторе 14 используется часть СВЧ-энергии, поступающей на резонатор 13, нестабильность СВЧ-генератора 10 не будет оказывать влияния на стабильность выходного сигнала радиоспектрометра. По той же причине выходной сигнал не будет зависеть от изменений добротности резонатора 13, например, при изменении диэлектрических потерь образца или при смене образцов. Нестабильность коэффициента передачи цепи, общей для обоих сигналов (СВЧ-детектор 12 - усилительно-преобразовательное устройство 3), также не влияет на выходной сигнал радиоспектрометра. Амплитуда сигнала первой производной спектра ЭПР линейно зависит от амплитуды модуляции магнитного поля. Поэтому нестабильность выходного сигнала модулятора 4 одинаково сказывается как на сигнал ЭПР, так и на компенсационном сигнале. Зависимость между составляющей, пропорциональной второй производной спектра, и амплитудой модуляции поля, квадратичная. Однако, вследствие того, что амплитуда выходного сигнала удвоителя 6 частоты связана квадратичной зависимостью с амплитудой входного сигнала, нестабильность выходного сигнала модулятора 4 также скажется одинаково на обоих сигналах. Следовательно, нестабильность модулятора 4 магнитного поля не будет влиять на выходной сигнал радиоспектрометра. Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит создать качественно новый радиоспектрометр электронного программного резонанса, способный прецизионно регистрировать как первую, так и вторую производные спектра ЭПР от исследуемого образца. Формула изобретения Радиоспектрометр электронного парамагнитного резонанса, содержащий СВЧ-тракт с СВЧ-модулятором, усилительно-преобразовательное устройство, связанное с выходом СВЧ-тракта, модулятор поляризующего магнитного поля и управляемое усилительнопреобразовательным устройством устройство с регулируемым коэффициентом передачи, выход которого связан с модуляционным входом СВЧ-модулятора, отличающийся тем, что, с целью расширения функционального назначения за счет возможности регистрации второй производной спектра, в него введены удвоитель частоты с квадратичной амплитудной характеристикой, вход которого связан с модулятором магнитного поля, и два синхронизированных коммутирующих устройства, причем усилительно-преобразовательное устройство выполнено с возможностью настройки при помощи одного из коммутирующих устройств как частоту модуляции магнитного поля, так и на /двоенную частоту модуляции, один вход второго коммутирующего устройства связан с модулятором магнитного поля, другой - с удвоителем частоты, а выход этого коммутирующего устройства связан с устройством с регулируемым коэффициентом передачи и с усилительно-преобразовательным устройством.

Источники информации, принятые во вни мание при экспертизе

1.Радиоспектрометр «Рубин. ТО и инструкция по эксплуатации. 5 Б 1.550.198 ТО, 1972.

2.Радиоспектрометр РЭ 1306. ТО и инструкция по эксплуатации. Л., 1974.

3.Авторское свидетельство СССР № 528493, кл. G 01 N 47/78, 1975.