Спектрометр спинового эха Советский патент 1982 года по МПК G01N24/12 

Изобретение относится к радиотехнике и экспериментальной физике и может быть использовано в магнитной радиоспектроскопии, при разработке импульсных методов исследований ядерного и электронного парамагнитного резонансов, основу которы составляют явления спинового эха, при проведении лабораторных и производственных анализов различных образцов веществ. Известен спектрометр спинового эха, содержащий резонатор с исследуемым веществом, магнетрон, возбуждающий сверх- высокочастотные |ДСВЧ) колебания в резонаторе, и стробируемый интегратор 111 . Недостатком известного спектрометра является некогерентное детектирование сигнала эха и, следовательно, его низкая чувствительность. Наиболее близким техническим решением к изобретению является спектрометр спинового эха, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, СВЧ усилитель, импульсную лампу бегущей волны (ЛБЕ) и циркулятор, первый вы-ход которого соединен с резонатором, а второй выход через СВЧ усилитель сигнала эха с измерительным входом фазового детектора, опорный вход которого соединен через фазовращатель и аттенкь- атор с выходом задающего генератора, а выход - со входом стробируемого интегратора, а также блок программ, сое- диненный первым выходом со входом модулятора, нодключе шого к ЛБВ, и вторым выходом - со вторым входом стробируе- мого интегратора, выход которого подключен к регистратору 121 , Данный спектрометр обладает существенным недостатком - необходимостью больщого усиления СВЧ колебаний к формирования мощных коротких KorepeHTiaix СВЧ импульсов. Рещение этой технической задачи с использованием современных твердотелых элементов и интегральных микросхем представляется затруднительным, а использование вакуумшлх приборов (ЛБВ) связано с необходимостью применения мощных источников питания 390 и приводит к значительному увеличению габаритов и веса устройства, а также с высокими требованиями, накладываемыми на СВЧ импульсы. Цель изобретения - повышение надеж- ности работы спектрометра за счет снижения требований, накладываемых на СВЧ импульсы. Поставленная цель достигается тем, что в спектрометр спинового эха, содержащий задающий генератор, диркулягор, первый выход которого соединен с резонатором, а второй выход - с СВЧ усилителем сигнала эха, модулятор, стро бируемый интегратор, регистратор, блок программ, соединенный первым выходом со входом модулятора и вторым выходом - с первым входом стробируемого интегратора, выход которого подключен к регистратору, и аттенюатор, подключен ный к первому выходу задающего генератора, дополнительно введены два СВЧ ключа и коррелятор, причем выход модулятора подключен ко входу задающего генератора, второй выход которого подключен через первый СВЧ ключ к циркулятору, первый вход коррелятора подклю чен к выходу СВЧ усилителя сигнала эха, второй вход коррелятора подкгаочен через второй СВЧ ключ к выходу аттенюатора, а его выход - ко второму входу стробируемого .интегратора, блок программ подключен третьим выходом ко второму входу первого СВЧ ключа, четвертым выходом - ко второму входу СВЧ усилителя сигнала эха и пятым выходом - ко второму входу второго СВЧ ключа. На фиг. 1 представлена блок-схема спектрометра; на фиг. 2 - блок-схема коррелятора; на фиг. 3-5 - эпюры нанря .: ;шй, получаемых с выходов. Спектрометр содержит последовательно соединенные блок программ 1, модулятор 2, задающий генератор 3, первый СВЧ ключ 4, циркулятор 5, соединенный первым выходом с резонатором 6, содержащим образен, и вторым выходом с СВЧ усилителем сигналов эха 7, выход которого соединен с коррелятором 8, подключенным к стробируемому -интегратору 9, задающий генератор соединен со входом коррелятора 8 через аттенюатор 10 и второй СВЧ ключ 11. Блок программ 1 соединен вторым входом со стробируемым интегратором, третьим выходом - с первым СВЧ ключом 4, че твертым выходом - с СВЧ усилителем 4 игнала эхп 7 и пятым пыходом - го торым СВЧ ключом 11, п иыход стро- 1фуемого иитсгрлтора О подключен к егистратору 12. В качество коррелятора ожет быть использовано, например, стройство (см. фиг. 2), состоящее из вух каналов, каждый из которых содерит последовательно соединенные пере- , ножитель 13 и интегратор 14, подклюенные к сумматору 15, причем сигнаы эха подаются к первому входу корреятора 1.1, а второй сигнал - с выхода второго СВЧ ключа ко второму входу 18 и к перемножитешо первого канала, и через фазовращатель 16 - ко второму входу перемножителя второго канала коррелятора. Устройство работает следующим образом. Блок программ 1 в момент времени t 0 создает видеоимпульс длительное- тью (Г , который, воздействуя на первый СВЧ ключ 4, открывает (на время Т ) СВЧ тракт и одновременно, воздействуя на модулятор 2, формирует в нем сложную кодовую посылку импульсов или линейно изменяющееся напряжение, которое воздействуя на задающий генератор 3, создает в нем сложные посылки СВЧ импульсов или СВЧ радиоимпульсов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Таких радиоимпульсов может быть три при исследовании сигналов эха ло трехимпульсной методике Хана (фиг. 3) или два радиоимпульса при двухимпульсной методике соответственно. Сложная посылка СВЧ импульсов или радиоимпульсов с ЛЧМ через первый СВЧ ключ 4 и циркулятор 5 воздействует на резонатор 6, содержащий образец. В резонаторе 6 под влиянием импульсов возбуждения формируется сигнал эха, характеристики которого с малой погрешностью совпадают с характеристиками импульсов возбуждения. Сигнал эха полностью сохраняет фазовую структуру сигнала возбуждения, при этом с выхода резонатора 6 сигнал эха через циркулятор 5 подается на вход СВЧ усилителя сигналов эха 7, открываемый на время воздействия сигнала эха импульсом, снимаемым с выхода блока программ 1. Сигнал эха с выхода усилителя сигнала эха 7 поступает на первый вход коррелятора 8. Одновременно с выхода блока программ 1 импульс, длительностью f , действует на модулятор 2, а сформированные в модуляторе 2 кодовая посылка или линейно измен5пощееся напряжение

5П

посгуипют HQ плппюшкй ггигрптор 3, с пыходо ко-горого С.ВМ посылка или СВЧ радиоимпульс с ЛЧМ, лааыпаеNQ ic опорным сигналом, Mpfioa пттопоа- тор Ю и второй СВЧ ключ 11, ЪткрЫпа емый на это время импульсом, поступаюишм на него с выхода блока программ 1 поступает ко второму входу коррелятора 8. При этом сигиол эха, поступающий па первый вход коррелятора 8, и опорны сигнал, поступающий па первый пход коррелятора 8, и опорный сигнал, поступаюитй на второй вход коррелятора 8, начинаются в одно и то же время i 2t + tj (фиг. 3 и 4). В результате воздействия на коррелятор 8 двух сигналов на его выходе к мометггу их OKOIIчания создается максимальное напряжение, пропорциональное энергии сиг 1алов эха фиг. 5), которое накапливается в стробируемом интеграторе О и подается Д1;я измерения на вход регистратора 12.

Работоспособность спектрометра подтверждается лабораторными исследованиями ядерного и электронного резонанса. В экспериментах с ядерным резонансом используется железно-никелевый феррит ( NtFgj Oi, ), обогащенный изотопом железа ( ). Сигнал эха возбуждается тремя радиочастотными импульсами с .ЛЧМ на частоте 71,5 МГц в полосе 3,0 МГц и длительностях Ю мкс. Сигнеш эха имеет вид радиоимпульса с ЛЧМ подвергается корреляционной обработке. Аналогичные эксперименты проведены с электронным спиновым эхом. В качестве образца используется облученный рентгеновскими лучами кварц. Сигнал эха возбуждается двумя и тремя радиоимпульсами с ЛЧМ. В качестве задающего генератора используется нестандартная секция с диодом Ганна с электронной перестройкой. Сигналы формируются на частоте 9200 МГц с линейным изменением частоты в пределах 6 МГц и длительноетями 4 МКС. Сигналы эха также имеют вид радиоимпульсов с ЛЧМ и также подвергаются корреляционной обработке.

Предлагаемый спектрометр позволяет уменьшить мощности сигналов возбуждения спиновой системы при одинаковых характеристиках импульсов в двух и трех импульсных способах возбуждения сигнала эха. Уменьшение мощности импульсов позволяет применить твердотельные гене- раторы СВЧ мощности и твердотельные СВЧ усилители сигналов эха, перейти на

576

полосконую технологию изг(УгоБле ШЯ от- дольньсх элементов СВЧ тракта спектрометра или на исполнение вс:его СВЧ тракта спектрометра в виде интегральной СВЧ микросхемьцзначительно вес и габариты спектрометров и уменьшить мотшюсть, потребляемую от источников питания. Такая структурная схема спектрометра может быть использована и для спектрометров ядерного спинового эха. Возмож11ос -и применения предложенного спектрометра ограничиваются временами релаксации исследуемых образцов.

Формула изобретения

Спектрометр спинового эха, содержащий задающий генератор, циркулятор, первый выход которого соединен с резонатором, а второй выход - с сверхвысокочастотным (СВЧ) усилителем сигнала эха, модулятор, стробируемый интегратор, блок программ, соедине шый первым выходом со входом модулятора и вторым выходом - с первым входом стробируемого интегратора, выход которого подключен к регист ратору, и аттенюатор, подключенный к первому выходу задающего генератора, о тличающийся тем, что, с целью повышения надехшости работы спектрометра за счет снижения требований, накладываемых на СВЧ импульсы, в него дополнительно введены два СВЧ ключа и коррблятор, причем выход модулятора подключен ко входу задающего генератора, второй выход которого подключен через, первый СВЧ ключ к циркулятору, первый вход коррелятора под1шючен к выходу СВЧ усилителя сигнала эха, второй вход коррелятора подключен через второй СВЧ ключ к выходу аттенюатора, а его выход - ко- второму входу строб1фуемого интегратора, блок программ подключен третьим выходом ко второму входу первого СВЧ ключа, четвертым выходом - ко второму входу СВЧ усилителя сигнала эха и пятым выходом - ко второму входу второго СВЧ ключа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе i-KapEan t).E.,Brovvne M.e., A.utseJ X-Baff 6PR 5pceh-omefer fe.S.a 961,«a2

ыМ1.РЛ1а2.-иЦ. « va c

2. Семенов A. Г. и Хмелинский В. E. Релаксометр ЭПР в трехсантиметровом диапазоне длин волн. ПТИ, .1967, т. 5 с. 197-199 (прототип).