Малогабаритный спектрометр электронного парамагнитного резонанса Советский патент 1982 года по МПК G01N24/10 

(54) МАЛОГАБАРИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

1

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при изготовлении малогабаритных радиоспектрометров электронного парамагнитного резонанса.

Известен спектрометр электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), содержащий активный магнитный элемент, в частности постоянный магнит, магннтопровод с рабочим зазором, в котором расположен измерительный резонатор, блок развертки магнитного поля с катушками развертки и блок регистрации 1 .

В известном спектрометре задание начального значения магнитного поля осуществляется изменением величины рабочего зазора, а развертка магнитного поля - с помощью катушек развертки. Диапазон перестройки магнитного поля определяется положением граничных точек линии возврата иа кривой размагничивания постоянного магнита.

Для известных магнитотвердых материалов диапазон перестройки обычно не превышает 1500 Э. При этом амплитуда развертки составляет не более 200 Э, поскольку получение больших амплитуд развертки магнитного поля связано с увеличением катушки, что приводит к значительному увеличению габаритов, массы и потребляемой мошности спектрометра ЭПР.

Недостатком известного устройства, таким образом, является узкий диапазон перестройки начального значения магнитного поля, а также малая амплитуда его развертки.

Наиболее близким к изобретению является малогабаритный спектрометр ЭПР, содержащий активный магнитный элемент, магнитопровод, снабженный рабочим и вспомога10тельным зазорами, механизм перестройки величины вспомогательного зазора, измерительный резонатор и датчик магнитного поля, расположенные в рабочем зазоре, а также блок регистрации, соединенный с измерительным резонатором, последовательно включен15ные блок развертки магнитного поля, усилитель сигнала ошибки, соединенный вторым входом с датчиком магнитноге поля, источник питания с опорным резистором и катушки развертки магнитного поля 2.

20

В данном спектрометре начальное значение поляризующего магнитного поля устанавливается с помощью механизма перестройки вспомогательного зазора. Величина магнитного поля в рабочем зазоре контролируется датчиком магнитного поля. Устройство обеспечивает широкий диапазон перестройки магнитного поля в рабочем зазоре. Например, при использовании в качестве постоянного магнита материала SmCos, перестройка магнитного поля в диапазоне АН 9000 Э в рабочем зазоре 10 мм достигается за счет изменения величины вспомогательного зазора на uf 20 мм. Крутизна перестройки магнитного поля, таким образом, составляет - 500 Э/мм, а точность установки магнитного поля определяется точностью, которую может обеспечить механизм перестройки вспомогательного зазора, и реально не превышает значения 10 (т.е. порядка 1Э). Это не позволяет использовать механизм перестройки в качестве регулируюш,его элемента для линейной развертки и стабилизации магнитного поля в рабочем зазоре. Линейная развертка магнитного поля в этом спектрометре осуществляется катушками развертки, в которые с помош,ью блока развертки и источника питания подается изменяющийся по линейному закону ток. Диапазон развертки магнитного поля ограничен габаритами катушек и реально не превышает 200 Э. Недостатками известного спектрометра ЭПР являются невысокая стабильность магнитного ПОЛЯ (определяемая стабильностью постоянного магнита), а также невозможность получения линейной развертки магнитного поля больщих амплитуд (более 200 Э). Целью изобретения является увеличение точности измерения и расширение динамического диапазона путем повышения стабильности магнитного поля и увеличения амплитуды его развертки. Поставленная цель достигается тем, что в малогабаритный спектрометр электронного парамагнитного резонанса, содержащий активный .магнитный элемент, магнитопровод, снабже.1:-:ий рабочим и вспомогательным зазорами, механизм перестройки величины вспомогательного зазора, измерительный резонатор и датчик магнитного поля, расположенные в рабочем зазоре, блок регистрации, соединенный с измерительным резонатором, последовательно включенные блок развертки магнитного поля, усилитель сигнала ошибки, соединенный вторым входом с датчиком магнитного поля, источник питания с опорным резистором и катушки развертки магнитного поля введены источник опорного напряжения и дополнительный усилитель сигнала ошибки, первый вход которого подключен к опорному резистору, второй вход - к источнику опорного напряжения, а выход - к механизму перестройки величины вспомогательного зазора. На чертеже представлена блок-схема малогабаритного спектрометра электронного парамагнитного резонанса. Малогабаритный спектрометр электронного парамагнитного резонанса содержит активный магнитный элемент 1, магнитоПровод 2 с рабочим 3 и вспомогательным 4 зазорами,, механизм перестройки 5 величины вспомогательного зазора, измерительный резонатор 6 и датчик 7 магнитного поля, блок регистрации 8, последовательно соединенные блок развертки 9 магнитного поля, усилд тель 10 сигнала ошибки, соединенный вторым входом с датчиком 7 магнитного поля, источник питания 11 с опорным резистором 12 и ка тушки развертки 13 магнитного поля, источник питания 11 с опорным резистором 12 и катущки развертки 13 магнитного поля, источник опорного напряжения 14 и дополнительный усилитель 15 сигнала ошибки, первый вход которого соединен с опор(1ым резистором 12, второй вход - с источником опорного напряжения 14, а выход - с механизмом перестройки 5 величины вспомогательного зазора. Спектрометр ЭПР работает следующим образом. Исследуемый образец помещается в измерительный резонатор 6, который располагается в поляризующем магнитном поле, создаваемом в рабочем зазоре 3 активным магнитным элементом 1. При выполнении условия резонанса на образце на выходе блока регистрации 8 формируется сигнал ЭПР. Установка начального значения магнитно- , го поля и его развертка в рабочем зазоре 3 осуществляется путем перераспределения магнитного потока, создаваемого активным магнитным элементом I, между участками цепи магнитопровода 2 с рабочим зазором 3 и участком цепи с вспомогательным зазором 4, что достигается изменением магнитного сопротивления вспомогательного зазора 4 с помощью механизма перестройки 5 величины вспомогательного зазора. При этом величина магнитного поля в рабочем зазоре 3 контролируется датчиком 7 магнитного поля. В предлагаемом спектрометре развертка магнитного поля и его стабилизация осуществляются комбинированной электронномеханической системой с помощью катущек развертки 13 магнитного поля и механизма перестройки 5 величины вспомогательного зазора. Блок развертки 9 магнитного поля формирует сигнал, пропорциональный начальному значению поляризующего магнитного поля и амплитуде развертки магнитного поля. В случае отклонения величины сигнала с выхода датчика 7 магнитного поля (величина этого сигнала пропорциональна величине магнитного поля в рабочем зазоре) от сигнала с выхода блока развертки 9 магнитного поля на выходе усилителя 10 сигнала ошибки формируется сигнал ошибки, управляющий посредством источника питания 11 током в катушках развертки 13 магнитного поля. Катушки развертки 13 магнитного поля создают корректирующее магнитное поле небольшой величины (порядка 50-100 Э), которое приводит в соответствие значение магнитного поля в рабочем зазоре с величиной сигнала с выхода блока развертки 9 магнитного поля и, таким образом, обеспечивает стабилизацию магнитного поля. В случае, если величина корректирующего магнитного поля превышает пороговое значение (максимальное значение, которое могут создать катушки развертки 13 магнитного поля), на выходе дополнительного усилителя 15 сигнала ошибки формируется управляющий сигнал для механической перестройки величины вспомогательного зазора, а следовательно, и величину магнитного поля в рабочем зазоре 3 с помощью механизма перестройки 5 величины вспомогательного зазора. В этом случае величина тока, протекающего через катушки развертки 13, магнитного поля преобразуется при помощи опорного резистора 12 в электрический смгнал и сравнивается дополнительн,ым усилителем 15 сигнала ошибки с опорным напряжением, формируемым источником опорного напряжения 14. При этом катушки развертки 13 магнитного поля компенсируют дискретность развертки магнитного поля, вносимую механизмом перестройки, и обеспечивают линеаризацию развертки магнитного поля.

Таким образом, в предлагаемом устройстве реализуется диапазон линейных разверток магнитного поля, равный диапазону механической перестройки магнитного поля, причем линейность развертки и стабильность магнитного поля определяется только параметрами датчика магнитного поля.

Макет предлагаемого спектрометра на базе постоянного магнита из материала SmCo имеет следующие основные характеристики: рабочая частота 10 ГГц; диапазон магнитных полей 200-8000 Э; амплитуда развертки О-5000 Э; максимальная скорость развертки 3000 Э/мин; линейность развертки определяется линейностью генератора тока в блоке развертки; стабильность магнитного поля 2-10 1/Ч.

Экспериментальная проверка разработанного спектрометра показывает, что он превосходит по своим параметрам аналогичные спектрометры ЭПР и позволяет исследовать более широкий класс материалов, обладающий парамагнитными свойствами.

Формула изобретения

Малогабаритный спектрометр электронного парамагнитного резонанса, содержащий активный магнитный элемент, магнитопровод, имеющий рабочий и вспомогательный зазоры, механизм перестройки величины вспомогательного зазора, измерительный резонатор и датчик магнитного поля, расположенные в рабочем зазоре, блок регистрации, соединенный с измерительным резонатором, последовательно включенные блок развертки магнитного поля, усилитель сигнала ошибки, содиненный вторьш входом с датчиком магнитного поля, источник питания с опорным резистором и катушки развертки магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения и расширения динамического диапазона путем повышения стабильности магнитного поля и увеличения амплитуды развертки магнитного поля, в него введены источник опорного напряжения и дополнительный усилитель сигнала ошибки, первый вход которого подключен к опорному резистору, второй вход - к источнику опорного напряжения, а выход - к механизму перестройки величины вспомогательного зазора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Сигнал ЗПР