Устройство управления магнитнымпОлЕМ СпЕКТРОМЕТРА элЕКТРОННОгОпАРАМАгНиТНОгО РЕзОНАНСА Советский патент 1981 года по МПК G01N24/10 

(54) УСТОРЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНЫМ ПОЖМ СПЕКТРОМЕТРА ЭЖКТРОННОГО ПАРАМАГ НИТНОГО РЕЗОНАНСА

Изобретение относится к технике электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может быть использовано в приборостроительной промышленности при изготовлении малогабаритных спектрометров ЭПР.

Известно устройство управления магнитным полем спектрометра ЭПР, содержащее электромагнит, последовательно с которым включено опорное сопротивление, выход которого соединен с первым входом усилителя ошибки, второй вход которого соединен с выходом регулируемого исто яника опорного напряжения и генератором развертки, выход усилителя ошибки соединен с источником питания электромагнита. В данном устройстве стабилизация магнитного поля осуществляется по току электромагнита, величина которого контролируется по опорному сопротивлению и сравнивается с опорным напряжением. Возникающий сигнал ошибки за счет большой величины петлевого усиления используется для коррекции тока электромагнита. Устройство позволяет обеспечить высокую линейность зависимости между задцаваемым опорным напряжением и значением магнитного поля в зазоре электромагнита l .

Однако такое устройство обладает низкой долговременной стабильностью (10 за 1 ч), определяемой стабильностью опорного еепротивления. Относительная стабильность магнитного поля уменьшается с уменьшением тока (магнитного поля).

Известно устройство стабилизации магнитного поля, в котором с целью повьш1ения стабильности тока и - бтабильности магнитного поля, последовательно с основным электромагнитом в слючен вспомогательный электромагнит, в зазоре которого помещен датчик ЯМР, соединенный со схемой управления. Данное устройство позволяет обеспечить долговременную ста 3 бильность магнитного поля (lO за 1 ч) в заданной точке 2. Однако данное устройство не позволяет обеспечивать развертку магнитного поля в широком диапазоне, а также для стабилизации тока в широких пределах требуется набор сменных датчиков 5ШР. Поэтому используется устройство стабилизации на основе датчика Холла. Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство управления магнитным полем спектрометра ЭПР, содержащее генератор развертки, источ ник регулируемого опорного напряжения, основной электромагнит, вспомогательный электромагнит с обмоткой, в зазоре которого помещен датчик Холла, соединенный с первым вхо дом усилителя ошибки, выход которого соединен со входом источника, питания. В этом устройстве второй вхо усилителя ошибки соединен с выходом регулируемого 1 сточника опорного напряжения и генератора развертки, выход усилителя ошибки подключен ко входу источника питания электромагнита, выход которого соединен с последовательно соединенными вспо могательным и основным электромагни тами. В этом устройстве стабилизация магнитного поля основного электромагнита осуществляется с помошью стабилизации магнитного поля вспомогательного электромагнита с помощью датчика Холла, Сигнал с выхода датчика Холла сравнивается на усили теле ошибки с суммой опорных сигналов с выходов регулируемого источника опорного напряжения и генератора развертки. Усиленный сигнал ошибки, благодаря большому петлевом усилению, используется для коррекции величины тока вспомогательного электромагнита, и следовательно, тока последовательно включенного с ним основного электромагнита Это устройство позволяет осуществлять стабилизацию магнитного ля в широком диапазоне, однако, из-за нелинейности датчика Холла и ограниченного динамического диапазона по входу усилителя ошибки невозможно обеспечить высокое соот . ветствие мехсду опорным напряжением и величиной магнитного-поля в зазо ре основного электромагнита. Кроме 34 того, относительная стабильность магнитного поля понижается с уменьшением магнитного поля. Цель изобретения - повышение линейности и стабильности магнитного поля. Указанная цель достигается тем, что в устройстве управления магнитным полем спектрометра ЭПР, содержащем генератор развертки, источник регулируемого опорного напряжения, основной электромагнит, вспомогательный электромагнит с oбмoтkoй в зазоре которого помещен датчик . Холла, соединенный с первым входом усилителя ошибки, выход которого соединен со входом источника питания,дополнительно введен переключатель, источник опорного напряжения сделан нерегулируемым, а вспомогательный электромагнит выполнен с двумя обмотками, причем первая обмотка соединена с генератором развертки, а вторая выполнена сотводами, которые через переключатель соединяются после цовательно с источником питания и основным электромагнитом. На чертеже представлена блок-схема устройства. Устройство содержит основной элек тромагнит 1, вспомогательный электромагнит 2 .со второй обмоткой 3 и первой обмоткой 4, в зазоре которого помещен датчик Холла 5, соединенный с первым входом усилителя 6 ошибки, выход которого соединен со входом источника 7 питания. Вторая обмотка 3 вспомо1ательного электромагнита 2 с помощью переключателя 8 подключается между выходом источника 7 питания и основным электромагнитом 1. На второй вход усилителя 6 ошибки подключен нерегулируемый источник опорного 9 напряжения, а генератор 10 развертки соединен с первой обмоткой 4 вспомогательного электромагнита 2. В предлагаемом устройстве управления магнитного поля спектрометра ЭПР стабилизации магнитного поля в зазоре основного электромагнита 1 осуществляется путем стабилизации тока I, протекающего через основной электромагнит I и вспомогательный электромагнит 2. В зазоре вспомога.тельного электромагнита 2 создается магнитное поле В , пропорциональное току I, протекающему через N 5 витков второй обмотки 3, иеличина которого измеряется с помощью датчи ка Холла 5. Напряжение и.на выходе датчика Холла 5, пропорциональное величине В стабилизируемого поля вспомогательного электромагнита 2, сравнивается на усилителе 6 ошибки с фиксированным опорным напряжением Ugr, нерегулируемого источника 9 опо ного напряжения. Сигнал ошибки, ,рав ный разности этих сигналов UQ иду усиливается усилителем 6 ошибки с большим коэффициентом усиления и по дается на источник питания, замыкая тем самым цепь отрицательной обратной связи. Петлевое усиление такой системы пропордион ально произведени коэффициента.К передачи усилителя 6 ошибки, коэффициента К2 передачи источника 7 питания, числа витков N второй обмотки 3 и коэффициента К передачи датчика Холла 5. Вследстви большой величины петлевого усиления величина магнитного поля В в зазоре основного электромагнита 1 прямо пропорциональна току I и величине опорного напряжения DO нерегулируемого источника 9 опорного напряжения и обратно пропорционал на коэффициенту К-а передачи датчика Холла и -числу витков N второй обмотки 3и, Величина магнитного поля В. в заз ре вспомогательного электромагнита 2 ввиду очень малой величины разности и.,-и, определяется выражением ° - -IJ const .. (2) Относительная стабильность -магни ного поля, обратно пропорциональная величине петлевого усиления, для такого устройства описывается выражениемВо .. -I БО .1,,N Как видно из выражений (1) - (З), изменяя с помощью переключателя 8 число витков N второй обмотки 3, можно изменять величину тока I основ ного электромагнита 1 и, следовательно, величину магнитного поля В,. При этом при переходе к меньшим величинам магнитных полей возрастает величина петлевого усиления системы и, следовательно, улучшается отно,сительная стабильность магнитного поля. Величина магнитного поля 36 В в зазоре вспомогательного электромагнита 2 при этом остается постоянной . Развертку маг итного поля осуществляют, создавая с помощью генератора 10 развертки в первой обмот- . ке 4 из h витков вспомогательного электромагнита 2 изменяющийся по определенному закону во времени ток i(t). Так как величина I (t)N4-i (t) (с точностью до коэффициента пропорциональности) поддерживается постоянной за счет отрицательной обратной связи, как следует из (2), то .амплитуда развертки магнитного поля АВ задается изменением тока генератора 9 развертки : (t) и определяется из выралсения ,. B(t)(t)(t). (М Таким образом, предлагаемое устройство позволяет устранить нелинейность магнитного поля, связанную с нexп нeйнocтью датчика Холла, так как датчик Холла работает в определенной фиксированной точке, которая может быть выбрана оптимальной с точки зрения температурной стабильности, чувствительности и другггх параметров. Кроме того, устраняется нелинейность магнитного поля, связанная с ограниченным входным динамическим диапазоном применяемого yciinaтеля ошибки, так как на входы усилителя ошибки поступают равные и постоянные уровни сигналов, которые могут быть выбраны оптимальными по величине с точки зрения максимального отношения сигнал/шум, уменьшение магнитного поля приводит, к увеличению коэффициента преобразования тока в магнитное поле во вспомогательном электромагните, что ведет к увеличению петлевого усиления и,следовательно, к повышению относительной стабильности магнитного поля. с КСпериментальные данные показывают, что долговременная стабильность поля за 1 ч . Диапазон стабилизируемого магнитного поля составляет 10-100000 Гс. Формула изобретения Устройство управления магнитным полем спектрометра электронного па рамагнитного резонанса, содержащее генератор развертки, источник опорного напряжения, основной электромагнит, вспомогательный электромагнит, в зазоре которого помещен датчик Холла, соединенный с первым

входом усилителя ошибки, выход КОТ

рого соединен со входом источника питания, о.тличающееся тем, что, с целью повьшения линейности и стабильности магнитного поля, дополнительно введен переключатель, источник опорного напряжения выполнен нерегулируемым, а вспомогательный электромагнит выполнен с двумя обмотками, причем первая обмотка соединена с генера302138

тором развертки, а вторая выполнена с отводами, которые через переключатель соединяются последовательно с источником питания и основным электромагнитом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

3. Bruker report, 1976, № 2, 15 p. 13 (прототип).