Радиоспектрометр электронногопАРАМАгНиТНОгО РЕзОНАНСА Советский патент 1981 года по МПК G01N24/10 

I . ,: Изобретение относится к технике электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может быть использовано для проведения исследований в химии, биологии и физике. Известен радиоспектрометр ЭПР, содержащий блок СВЧ с последовательно соединенными усилителем, синхронным детектором и фильтром нижних частот, генератор ВЧ колебаний и измерительный резонатор, который расположен между полюсными наконечниками электро магнита, подключенного к последовательно соединенным источнику питания и генератору развертки. Радиоспектрометр ЭПР осуществляет регистрацшо пер вой производной сигнала ЭПР при линейной развертке магнитного поля . Недостатком известного радиоспект|рометра ЭПР является сложность процесса его настройки для регистрации первой производной сигнала ЭПР с малыми иска жениями и высокой чувствительностью. причем регистрация сигнала ЭПР занимает много времени.. Наиболее близким техническим реше- . нием является радиоспектрометр ЭПР, содержащий электромагнит с источником питания и генератором развертки, между полюсными наконечниками которого помещен измерительный резонатор, соединенный через делитель частоты с генератором ВЧ колебаний и со входом блока СВЧ, выход которого через усилитель соединен со схемой регистрации первой производной, состоящей из последовательно соединенных первого синхронного детектора, опорное напряжение на который подается с выхода делителя частоты, и первого фильтра нижних частот, и со схемой регистрации второй производной, состоящей из последовательно соединенных второго синхронного детектора, опорное напряжение на который подается с выхода генератора ВЧ колебаний и второго фильтра нижних частот. Радиоспектрометр ЭПР осуществляет регистрацию первой или второй производной сигнала ЭПР. при линейной развертке магнитного поля путем подключения генератора ВЧ колебашй к резо натору прямо или через делитель частоты . . Недостатком известного радиоспект рометра ЭПР является сложность процесса его настройки дпя регистрации сигнала ЭПР с мальофн искажениями и максимальной чувствительностью. В процессе настройки осуществляют предварительную запись спектральной лишш ЭПР и оценивают ее параметры для выбора условий, регистрации амп|литуды-и времени развертки, постоянной времени и др.), что занимает мно го времени. Цель изобретения - упрощение настройки радиоспектрометра и сокращен времени регистрации. , Указанная цель достигается тем, -что в известный радиоспектрометр ЭПР содержащий электромагнит с источнико питания и генератором развертки, меж ду палюсньвш наконечниками которого помещен.измерительный резонатор, с6еднненяый через- делитель частоты с генератором ВЧ колебаний и со входом блок;1 СВЧ, которого через усилитель соединен со схемой регистраци первой производной,состоящей из последовательно соединенных первого синхронного детектора, опорное напря женна на который подается с выхода делителя частоты, и первого фильтра щаатх частот, и со схемой регистрац второй производной, состоящей из последовательно соединенных второго синхронного детектора, опорное напря жение на который подается с выхода генератора ВЧ колебаний, и второго фильтра нижних частот, в него дополнительно введе1 ы схема деления, гене ратор порогового сигнала и двухполупериодный выпрямитель, подключенный входом к выходу второго фильтра нижних частот, а выходом к первому вход схемы деления, выход которой соедине с управляющим входом генератора раз вертки, причем выход генератора поро гового сигнала подключен ко второму входу схемы деления сигнала. На чертеже представлена блок-схема радиоспектрометра ЭПР. Она содержит блок 1 СВЧ, соединен ный с одной стороны с последовательн включенными усилителем 2, вторым 944 синхронным детектором 3 и вторым 1фильтром 4 нижних частот, а с дру|гой стороны - с измерительным резонаJTOpoM 5, который расположен между полюсными, наконечниками электромаг|нита 6. Генератор 7 ВЧ колебаний че1рез делитель 8 частоты соединен с измерительным резонатором 5. К выходу усилителя 2 подключены последователь- iHO соединенные первый синхронный дё;тектор 9, первый фильтр 10 нижних частот, двухполупериодный выпрямитель и схема I2 деления, причем второй вход 12 деления соединен с генератором 13 порогового сигнала. Опорные входы первого и второго синхронных детекторов. 3. и 9 соединены соответственно с выходом делителя 8 частоты и генератором 7 ВЧ колебаний. Выход.схемы 12 деления подключен к управляющему входу генератора 14 развертки, который связан с источником 15 .питания, соединенным с электромагнитом 6. Радиоспектрометр работает следующим образом. В блоке 1 СВЧ формируется мощность СВЧ и подводится к исследуемому образцу, помещенному в измерительный резонатор 5 который расположен между полюсшлми наконечниками электромагнита 6. Электромагнит 6 создает в резонаторе 5 стабильное поляризующее магнитное поле с помощью источника 15 питания. Высокочастотная модуляция магнитного поля на образце осзществляется с помощью сигнала, сформированного генератором 7 ВЧ колебаний и делителем 8 частоты на Два. В результате развертки магнитного поля генератором 14 развертки, при прохождении резонансного значения магнитного поля на выходе блока 1 СВЧ, формируется сигнал ЭПР на частоте модуляции магнитного поля.. После усиления сигнала ЭПР на частоте модуляции магнитного поля усилителем 2 осуществляется синхронное детектирование одновременно на удвоенной частоте модуляции и на частоте модуляции соответственно первым и вторым синхронными детекторами 9 и 3. Дпя улучшения отношения сигнал/шум осуществляют низкочастотную фильтрацию сигналов с выходов первого и второго синхронных детекторов 9 и 3 с помощью соответственно первого и второго фильтров 10 и 4 нижних частот, на выходах которых формируются производные сигнала поглощения ЭПР - BTOpaH( 5 (выход первого фильтра нижних частотУ и первая(37/ЗЧ (выход второго фип ра нижних частот). Амплитудны е искаж ния первой производной бигнала поглощения ЭПР( счет фильтрации . определяются выражением iM) dH где/B постоянная времени интегрирования второго фильтра нижних частот; скорость развертки магнитног поля. , Из полученного CHrHanadH|dt двухполу периоднь1й. выпрямитель 1 Г формирует его модульdY/dH . Схема J2 деления вырабатывает сигнал где А - сигнал, сформированный генератором 13 порогового сигнала. Этот сигнал поступает на управляющий вход ге нератора 14 развертки, при этом скорость развертки магнитного поля зада ется равной Величина сигнала A для заданной постоянной времени интегрирования и максимальных амплитудных искажений производной сигнала поглощения ЭПР определяется из выражений (1) и А« .IdlYl 1анг I Таким образом, в предлагаемом устройстве автоматически задается максимально возможная скорость развертки магнитного поля в каждой точке магнит ного поля с точки зрения регистрации сигналов ЭПР с максимальной чувствительностью и заданш 1ми искажениями. При этом упрощается процесс нас ройки радиоспектрометра, так как не требуется предварительная оценка параметров регистрируемых сигналов. Сравниваем времена развертки магнитного поля, осуществляемой в известном и предлагаемом устройстве при одинаковых максимальных амплитудных искажениях первой производной сигнала поглощения ЭПР - л Ущ. Рассчитаем вре46мя развертки в известном устройстве. Максимальные амплитудные искажения АУгт наблюдаются вблизи резонансного значения магнитного поля, где ско(fr) рость изменения сигнала а 3 максимальная . где у - амплитуда сигнала Ч-п ... йНрр- ширина спектральной линии .резонанса. Тогда время развертки tл магнитного поля для регистрации сигнала резонанса -4 в известном устройстве при постоянной скорости развертки магнитного поля с учетом выражения составляет dH &Hj dtT ДУгп-ЛИ где Н р - амплитуда развертки магнитного поля, .. которая обычно выбирается для регистрации одиночной спектральной линии из условия лНр ЮлНрр. С учетом выражения (3) время развертки магнитного поля в предлагаемом устройстве при регистрации сигнала резонанса, например для лоренцевой формы линии производной сигнала поглощения ЭПР pirl idH / H-HO W2&Hpp/ Ы L 1/2лНрр) J где HO - резонансное значение напряженности магнитного поля; Н - .текущее значение напряженности магнитного поля.. В результате интегрирования (5) с учеСравнивая выражения (8) и том условия (б), получаем tp 2 Р Г В таблице приведены для сравнения |рассчитаншае по формулам (5) и (7), времена развертки магнитного поля в известном (число в числителе) и пред лагаемом (число в знаменателе) устро ствах дпя различных амплитуд разверток &НрИ относифельных амплитудных искажений Е °°| 100%, составленно дпя случая регистрации одщночной резанансной линии шириной дНрр 1 Гс, постоянной времени регистрируищей системы t 1 с и максимальной скорости развертки магнитного поля 2000 Гс/мин (паспортное значение для .радиоспектрометра ЭПР BR-420L Таким образом, предлагаемое устройство позволяет сократить время ре гистрации, причем выигрыш по времени значительно возрастает при регистрац спектров, состоящих из набора далеко отстоящих спектральных линий. 48 Формула изобретения Радиоспектрометр электронного парамагнитного резонанса ЭПР, содержащий электромагнит с источником питания и генератором развертки, между полюсными наконечниками которого помещен измерительный резонатор, соединенный через делитель частоты с генератором высокочастотных ВЧ колебаний и со входом блока сверхвысоких частот СВЧ, причем выход блока СВЧ через усилитель соединен со схемой регистрации первой производной, состоящей из последовательно соединенных первого синхронного детектора, опорное напряжение на который подается с выхода делителя частоты, и первого фильтра нижних частот,и со схемой регистрации второй производной, состоящей из последовательно соединенных второго синхронного детектора, опорное напряжение на который подается с выхода генератора ВЧ колебаний, И второго |фильтра нижних частот, о т л и ч а юг щ и и с я тем, что, с целью упрощения н астройки радиоспектрометра и сокращения времени регистрации спектров ЭПР, в него дополнительно введены схема деления, генератор порогового сигнала и двухполупериодный выпрямитель, подключенный входом к выходу второго фильтра нижних частот, а выходом к первому входу схемы деления, выход которого -соединен с управляющим входом генератора развертки, причем выход генератора порогового сигнала подключен ко второму входу схемы деления. Источники информации, принятые во внимание прИ экспертизе. 1. Горди В. и др. Радиоспектроскопия. М., Государственное издательство технически-теоретической литературы, 1955, с. 15-29. 2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации радиоспектрометра ЭПР ER-420. Вгикер (ФРГ) (прототип) .

ZBnpoa тя Сиднею ЗПР

/-Я прдизбодноя

сигнала ЭПР