Спектрометр электронного парамагнитного резонанса Советский патент 1980 года по МПК G01N27/78 

Цель изобретения - повышение стабильности при одновременной регистрации сигналов дисперсии и поглощения.

Поставленная цель достигается тем, что в известный спектрометр дополнительно введены линия задержки на четверть периода, фазовый и частотный детекторы промежуточной частоты, блоки электронной подстройки частоты, сигнального генератора СВЧ и частоты рабочего резонатора, причем к выходу усилителя промежуточной частоты опорного канала подключены совместно вход частотного детектора, опорный вход фазового детектора и через линию задержки опорный вход синхронного детектора промежуточной частоты, а к выходу усилителя промежуточной частоты сигнального канала подключены совместно сигнальные входы фазового и синхронного детекторов промежуточной частоты; выходы частотного и фазового детекторов подключены соответственно к блокам электронной подстройки частоты рабочего резонатора и сигнального генератора СВЧ.

На чертеже представлена блок-схема варианта предлагаемого спектрометра. Спектрометр содержит высокостабильный гетеродинный генератор СВЧ 1, например, на основе полупроводникового генератора, стабилизированного внешним высокодобротным резо-натором; направленные ответвители мощности СВЧ 2-5;перестраиваемый фазовращатель СВЧ б j согласованные нагрузки 7 и 8; смесительные детекторы СВЧ опорного канала 9 и 10; смесительные детекторы СВЧ сигнального канала 11 и 12; сигнальный генератор СВЧ 13; ослабитель мощности СВЧ 14;. циркулятор СВЧ 15; рабочий резонатор произвольного типа 16; усилитель промежуточной частоты опорного кана1ла 17; усилитель промежуточной частоты сигнального канала 18; линию задержки промежуточной частоты на четверть периода 19; синхронный детектор промежуточной частоты 20; фазовый детектор промежуточной частоты 21; частотный детектор промежуточной частоты 22;блок электронной подстройки частоты рабочего резонатора 23; блок электронной подстройки частоты сизрнального генератора 24; выход для подключения индикатора настройки 25; В1ЛКОЯ сигнала поглощения 26 и сигнала дисперсии 27. Утолщенными линиями выделены СВЧ-соединения. .Мощностьсигнального генератора СВЧ 13 через направленный ответвитель 10, ослабитель мощности 14 и циркулятор 15 подводится к исследуемому образцу, расположенному в рабочем резонаторе 16. Отраженная от резонатора мощность СВЧ, несущая информацию о сигна ле ЭПР, через циркулятор 15 поступаетна балансный смеситель СВЧ сигнального канала, образованный

направленным ответвителем 4 и смесительными детекторами 11 и 12. На выходе смесителя формируется напряжение сигнала ЭПР U промежуточной частоты;

Г, Г /Vv V

V, SinfuJntt Ptarcsin-. Л I

. с X X 1 /wz + v2

V Vj(,, Vy,

где V - амплитуда сигнала диспер.сии, пропорциональная мнимой части х магнитной восприимчивости вещества X ;

- амплитуда сигнала поглощения, пропорциональная действительной часТи х магнитной восприимчивости X;

f - разность фаз между сигналами генераторов СВЧ 1 и 13 на входе смесителя сигнального канала;

Шг, - промежуточная частота, равная разности частот генераторов СВЧ 1 и 13. Сигнал ЭПР поступает на усилитель промежуточной частоты 18, на выходе которого разделяется на два сигнала

Uc, сг

Ucr-Ucz x х S (),

v;. Рп, сдвиг фазы, вносимый-усилителем 18.

Напряжение Uci подается на сигнальный вход синхронного детектора, промежуточной частоты 20, а напряжение UGJ - на сигнальный вход фазового детектора 21.

Смеситель промежуточной частоты опорного канала,(Состоящий из направленного ответвителя 3 и смесительных детекторов 9 и 10, формирует опорное ндпряжение UQ промежуточной частоты из сигналов генераторов 1 и 13, которое поступает на усилитель промежуточной частоты 17 и разделяется на выходе на три опорных сигнала. Один из сигналов llo.i через линию-задержки 19 поступает на опорный вход фазового детектора 21, второй Uo2. на вход синхронного детектора 20, а третий УОЗ - на вход частотного детектора 22.

Hjr. F) ( ) где VQ - амплитуда опорного напряжения;

-Pj - сдвиг фаз, вносимый усилителем 17.

С помощью фазовращателя 6 изменяется сдвиг фаз Р так, чтобы выполнялось условие - + Чз , и в результате синхронный детектор 20 выделяет сигнал поглощения (выход 26), а фазовый дете.ктор 21 в то же время - сигнал дисперсии (выход 27). Постоянная сойта йляющая сигнала синхронного детектора 20 с выхода 25 используется для контроля настройки спектрометра, апостоянная составляющая фазового детектора 21 с выхода 28 используется в качестве сигнала автоматической подстройки частоты генератора СВЧ 13, осуществляемой с помощью блока 24 известными способами, например, с помощью изменения питающего напряжения.

С помощью частотного детектора промежуточной частоты 22 выделяется сигнал автоматической подстройки частоты рабочего резонатора 16 в том случае, когда имеет место отклонение формируемой смесителем опорного канала (3, 9, 10) промежуточной частоты от. заданного заранее значения. Поскольку промежуточная частота определяется разностью частот, высокостабилизированного гетеродинного генератора СВЧ 1 и сигнального генератора 13, стабилизированного по рабочему резонатору, то напряжение с выхода частотного детектора несет также информацию об отклонении частоты рабочего резонатора 16 от наперед заданного значения и используется для его автоматической подстройки с помощью блока 23 известнЕлми способами,например, перемещением корректирующего стержня.

Таким образом, в предлагаемом устройстве содержатся два канала автоматической подстройки часто ы - рабочего резонатора и сигнального генератора. Устойчивость двухканальной следящей системы обеспечивается благодаря различию постоянной времени регулиройания в инерционном канале подстройки частоты рабочего резонатора и в сравнительно быстродействующем канале подстройки частоты сигнального генератора, постоянная времени регулирования которого выбрана большей времени сканирования спектральной линии ЭПР.

Обеспечению долговременной стабильности регистрации сигналов поглощения и дисперсии способствует и то, что в отличие от известных устройств, в предлагаемом спектрометре в процессе длительной работы не изменяется абсолютное значение частотсигнального генератора СВЧ и промежуточной частоты благодаря выбранной схеме автомат ической подстройки. Этот факт способствует эффективному применению в сочетании со спектрометром современных устройств обработки сигналов - накопителей и ЭВМ.

Кроме того, в предлагаемом спект-. рометре за счет распределения функции автоподстройки частоты по двум каналам с различным быстродействием удается оптимизировать элементы обоих

каналов, сочетая большой диапазон абсолютного изменения частоты в инерционном kaHas eiia6o4ero резонатора и высокое быстродействие, обеспечивающее кратковременную стабильность, устранение микрофонных эффектов, при сравнительно Узком диапазоне абсолютных изменений частоты сигнального генератора СВЧ. Вместе с тем повышег ние стабильности одновременной регистрации сигналов дисперсии и погло0щения обеспечивается без использования известных устройств автоподстройки, модулирующих частоту генераторов СВЧ и являющихся источниками искажения сигналов ЭПР (уширения линий

s и т.п.).

Формула изобретения

Спектрометр электронного пара0магнитного резонанса, содержащий сигнальный и гетеродинный генераторы СВЧ, циркуля:тор, фазовращатель и рабочий резонатор СВЧ, смесители и усилители промежуточной частоты сиг5нального и опорного каналов, синхронный детектор промежуточной частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности при одновременной регистрации сигналов

0 дисперсии и поглощения, спектрометр дополнительно содержит линию задержки На четверть периода, фазовый и частотный детекторй промежуточной частоты, блоки электронной подстрой5ки частоты сигнального генератора СВЧ и частоты рабочего резонатора, причем к выходу усилителя промежуточной частоты опорного канала подключены совместно вход частотного детектора, опорный вход синхронно0го детектора и через линию задержки опорный вход фазового детектора промежуточной частоты, а к выходу усилителя промежуточной частоты сигнального канала подключены совместно

5 сигнальные входы фазового и синхронного детекторов промежуточной частоты; выходы частотного и фазового детекторов подключены соответственно к электронной подстройки час0тоты рабочего резонатора и сигнального генератора СВЧ.

4

Источники информации, принятые.во внимание при экспертизе

5

1.Приборы и техника эксперимента, 1974, №.5, с.114-117.

2. Тезпеу D.T., Klein М.Р., Portis A.M. The Reviuv of Scientific Instruments, 1961, 32, № 6, p.721729 (прототип).

0