Способ регистрации спектров электронногопАРАМАгНиТНОгО РЕзОНАНСА и уСТРОйСТВОдля ЕгО ОСущЕСТВлЕНия Советский патент 1981 года по МПК G01N24/00 

(54) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СПЕКТРОВ ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА И УСТРОЙСТВО Изобретение относится к технике электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может быть использовано при конструировании спектрометров ЭПР и при исследовании парамагнитншс свойств физико-химических и биологических объектов. Известен способ регистрации спект ра двойного электрон-ядерного реэонатора (ДЭЯР), заключающийся в помещении исследуемого образца в магнитное поле, подведении к нему мощности сверхвысокой частоты (СЕЧ) и регистрации поглсмцения СВЧ-мощности и радиочастотном возбуждении скст&ш ядерных магнитных моментов. Вектор магнитной компоненты этого возбуждения направлен перпендикулярно вектору внешнего магнитного поля. Регистрация спектра ДЭЯР осуществляется при фиксированном значении внешне го магнитного поля путем изменения частоты радиочастотного возбужденияГ Однако данный способ не позволяет исследовать объекты, в которых отсутствуют электрон-ядерные магнитные взаимодействия. Наиболее близким к предлагаемому по физической и технической сущности ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ является способ, в котором регистрация спектра производится при изменении внешнего магнитного поля. Способ заключается в наложении на электронные спиновые магнитные моменты исследуемого образца внешнего магнитного поля, мощности СВЧ и регистрации изменения мощности СВЧ при изменении магнитного поля. Способ осуществляют устройством, содержащим блок получения магнитного поля в месте расположения исследуемого образца, блок развертки «агнитного поля, источник мощности СВЧ с измерительньал резбнатором, в котором помещен образец, и систему регистрации изменения мощности СВЧ при изменении внешнего магнитного поля 2. В ряде случаев исследуемые образцы содержат сложную систему электронных спиновых магнитных моментов ЭCMMJ, дающих малоинфорлативные, плохо разрешенные при указанном способе регистрации спектры ЭПР, например, из-за неразрешенной тонкой и сверхтонкой структуры, анизотропии д-фактора и сверхтонкой структуры, наличия ряда типов ЭСММ с близкими д-факторами и т.д. Спектральное разрешение сигналов подобных систем обычными способами невозможно.

Цель изобретения - повышение разрешающей способности и чувствительности при регистрации малоинформативных спектров ЭПР.

Указанная цель достигается тем, что систему электронных спиновых магнитных моментов исследуемого образца насыщают при заданном значении магнитного поля, подводят дополнительное рсщиочастотное возбуждение, частоту, мощность и направление вектора магнитной компоненты которого относительно направления внешнего магнитного поля изменяют до установления минимального поглсяцения мсядности СВЧ а затем производят регистрацию спектра ЭПР.

Устройство для осуществления способа, содержащее блок получения магнитного поля в месте расположения исследуемого образца, блок развертки магнитного поля, источник мощности СВЧ с измерительным резонатором, в котором помещен образец, и систему регистрации изменения мощности СВЧ при изменении внешнего магнитного поля, дополнительно содержит генератор радиочастотного возбуждения, связанный с измерительным резонатором через устройство изменения частоты, мощности и угла между направлением 1вектора. магнитного поля радиочастотного возбуждения и направлением внешнего магнитного поля.

На фиг, 1 изображена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа (спектрометр); на фиг. 2- устройство для подведения дополнительного радиочастотного возбуждения к образцу.

Из теории электронного магнитного резонанса известно, что в услсшиях насыщения исследуемого образца с помощью СВЧ мощности вектор намагниченности системы ЭСММ, помимо прецессии относительно направления внешнего магнитного поля Цу совершает нутационное движение вокруг направления Н с частотой Ш 3Й,, где Jf - гиромагнитное отношение; напряженность магнитного поля СВЧ,

В системе координат, вращающейся с частотой поля СВЧ, система ЭСММ характеризуется стационарными уровнями энергии в эффективном поле, расстояние между которыми задается величиной паля СВЧ и внутренними взаимодействиями в системе ЭСММ (локальные поля) ,

Если в этих условиях на систему ЭСММ наложить дополнительное радиочастотное поле, частота которого удовлетворяет расцеплению между указанными выше уровнями в эффективном поле, то в системе ЭСММ возникает дополнительное поглощение радиочастотной энергии. Величина поглсяцения радиочастотной энергии критическим образом зависит от направления радиочастотного магнитного поля по отношению 0 Ц поскольку направление эффективного магнитного поля задается ве- .личиной локального поля в системе ЭСММ и величина разности/(и,,д-згр, определяющей угол прецессии спинов относительно Нд (ШсвцЧастота поля СВЧ) . Кроме того, величина поглощаемой радиочастотной энергии зависит от центрации ЭСММ и их связи с решеткой. Таким образом, для достижения поставленной, цели систему ЭСММ насыщают при заданном значении магнитного поля, налагают дополнительное радиочастотное возбуждение, частоту, мощность и направление вектора магнитной компоненты которого относительно направления внешнего магнитного поля изменяют до установления минимального

0 поглощения мсяцности СВЧ, После выполнения этих операций за счет поглощения радиочастотной мощности система ЭСММ дополнительно приобретает от источника радиочастоты энергию при зас данном значении магнитного поля ТГд что приводит к дальнейшему уменьшению поглощения мощности СВЧ при этом поле Ид.В дальнейшем производятся стандартные операции по снятию спектров ЭПР при изменении внешнего магнитного поля.

Одним из возможных вариантов осуществления способа может быть слес дующая последовательность операций. Исследуемый образец помещают во внешнее магнитное поле Нр,подводят к нему насыщающую СВЧ-мощность, подбирая частоту дополнительного возбуждения, добиваются уменьшения поглощения СВЧ-мощности, затем, изменяя направление вектора магнитной компоненты этого возбуждения, добиваются дальнейшего уменьшения поглощения, после чего, варьируя мощностью возбуждения, получают минимальное поглощение СВЧ-мсядности.

Последующая операция снятия спектра при изменении внешнего магнитного поля может произведена обычными способами, например модуляцией внаынего магнитного поля или супергетеродинным методом.

Спектрометр (фиг,1) содержит устройство 1 получения однородного магнитного поля, блок 2 развертки магнитного поля, источник 3 насыщающей мощности СВЧ с измерительным резонатором 4, в- котором помещен исследуемый образец, генератор 5 радиочастотного возбуждения, устройство 6

0 для изменения частоты, мсхдности и ориентации вектора магнитной компоненты радиочастотного возбуждения с устройством подведения радиочастотного возбуждения к образцу и схему 7

5 регистрации.

спектрометр работает следующим образом.

Устройство 1 получения магнитного поля создает в месте расположения образца магнитное поле заданной величины. Насыщают исследуемый образец СВЧ-мощностью, поступающей от источника 3 в резонатор 4. Генератор 5 дополнительного радиочастотного возбуждения вырабатывает электромагнитные колебания, частоту которых изменяют до получения уменьшения поглсадения СВЧ-мощности, регистрируемого схемой 7 регистрации. Затем с помсадью устройства б изменения угла ориентациивектора магнитной компоненты получают дальнейшее уменьшение поглощения. Изменяя мощность этого возбуждения, добиваются минимального поглощения, после чего включается блок 2 развертки магнитного поля и производится регистрация спектра ЭПР.

Устройство для подведения дополнительного радиочастотного возбуждения к образцу (фиг. 2) может быть выполнено в виде трех ортогональных петель. Варьируя амплитуду и фазу подводимых к ним токов, можно получить любую ориентацию и амплитуду вектора магнитной компоненты радиочастотного возбуждения.

Отличие спектра, снятого на предлагаемом спектрометре, от обычных спектров является физическим следствием того, что величина поглощаемой СВЧ-энергии перераспределяется по спектру в зависимости от параметров внутренних локальных полей в системе ЭСММ, некоторые из которых, в свою очередь, частично подавлены дополнительным радиочастотным возбуждением, индивидуальным для определенного типа ЭСММ. Для других типов ЭСММ требуются другие -.характеристики радиочастотного возбуждения, которое приводят к изменению структура снимаемого спектра.

Таким образом, достигается повышение информативности регистрируемых спектров магнитного резонанса, эквивалентное повышению разрешающей способности спектрометра и чувствительности регистрации малоинформативного сигнала. Кроме того, предлагаемая

конструкция спектрометра позволяет производить.регистрацию спектра ДЭЯР.

Формула изобретения

1. Способ регистрации спектров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), заключающийся в наложении на электронные спиновые магнитные моменты иccлeдyeмoJ o образца внешнего

магнитного поля, мсяцности сверхвысокой частоты(СВЧ) и регистрации изменения модности СВЧ при изменении магнитного поля, отличаю,щийс я тем, что, с целью повышения разрешающей способности и чувствительнос ти при регистрации спектров ЭПР, систему электронных спиновых магнитных моментов образца насыщают при заданном значении магнитного поля, подводят дополнительное радиочастотное возбуждение, частоту, мощность и направление вектора магнитной компоненты которого .относительно направления внешнего магнитного поля изменяют до

установления минимального поглощения мощности СВЧ, а затем производят регистрацию спектра ЭПР.

2. Устройство для осуществления способа по П.1, содержащее блок получения магнитного поля в месте рас-. палсзйсения исследуемого образца, блок развертки магнитного поля, источник мощности СВЧ с измерительным резонатором, в котором помещен образец, и систему регистрации изменения мощности СВЧ при изменении внешнего магнитного поля, отличающееся тем, то в него введен генератор радиочастотного возбуждения, связанный

с измерительным резонатором через устройство изменения частоты, мощности и угла между направлением вектора магнитного поля радиочастотного возбуждения и направлением внешнего магнитного поля.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Пул Ч. Техника ЭПР-спектроскоПИИ. М., Мир, 1970. с. 341-364.

2.Там же, с. 226-231 (прототип).

Vutj

фиг. г.