Гомодинный радиоспектрометр электронного парамагнитного резонанса

 

ГОМОДИННЬЙ РАДИОСПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА, содержащий генератор СВЧ, ответвитель, основной циркулятор, резонатор, СВЧ-детектор, блок регистрации , блок автоматической подстройки частоты и фазы, электромагнит, блок управления магнитным полем, причем генератор СВЧ соединен через ответвитель с первым входом циркулятора , резонатор подключен к второму а СВЧ-детектор - к третьему входам циркулятора, блок регистрации и блок автоматической подстройки частоты и фазы подключены к выходу СВЧ-детектора, выход блока управления магнитным полем соединен с входом электромагнита, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности при регистрации сигналов поглощения и дисперсии, он дополнительно содержит электронный фазовращатель, включающий дополнительный циркулятор, четвертьволновый короткозамкнутый -отрезок волновода , резонансную диафрагму с p-i-nдиодом , блок задания фазы, схему выборки-хранения и схему суммирования, причем первый вход дополнительного циркулятора подключен к второму выходу ответвителя, второй вход - к СВЧ-входу резонансной диафрагмы, третий вход - к СВЧ-детектору, блок задания фазы и схема выборки-хранения подключены управляющими входами к блоку управления магнитным полем, а выводами через схему суммирования к управляющему входу электронного фазовращателя С к второму входу резонансной диафрагмы), третий вход резонансной диафрагмы соединен с четвертьволновым короткозамкнутым сл отрезком волновода, схема выборкихранения соединена двумя сигнальны4;ii ми входами с первым и вторым выхоto дами блока автоматической подстрой4;; ки частоты и фазы, а выход ее соединен с управляющим входом генератора СВЧ, управляющий вход блока регистрации подключен к блоку управления магнитным полем.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

С00ИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (. !1 G Ol N 24 10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

110 делАм изОБРетений и ОтнРытий (2l) 3668244/24-25 (22) 02.12.83 (46) 23.05.85. Бюл. 11 19 (72) В.Н.Линев, В.Б.Мочальский, В.А.Муравский и E.ß.Ôóðcà (71) Белорусский ордена Трудового

Красного Знамени государственный университет им.В.И.Ленина (53) 538.113(088.8) (56) 1. Wilmsherst Т.Н. Electron

spin resonance spectrometers. T ondon, 1967, р.142-160.

2 ° Авторское свидетельство СССР

11 785701, кл. G 01 N 24/00, 1980. (54) (57) ГОМОДИННЫЙ РАДИОСПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО

РЕЗОНАНСА, содержащий генератор СВЧ, ответвитель, основной циркулятор, резонатор, СВЧ-детектор, блок регист". рации, блок автоматической подстройки частоты и фазы, электромагнит, блок управления магнитным полем, причем генератор СВЧ соединен через ответвитель с первым входом циркуля" тора, резонатор подключен к второму, а СВЧ-детектор — к третьему входам циркулятора, блок регистрации и блок автоматической подстройки частоты и фазы подключены к выходу

СВЧ-детектора, выход блока управления магнитным полем соединен с входом электромагнита, о т л и ч а ю—

„„SU,„,1157424 шийся тем, что, с целью повышения чувствительности при регистрации сигналов поглощения и дисперсии, он дополнительно содержит электронный фаэовращатель, включающий дополнительный циркулятор, четвертьволновый короткоэамкнутый отрезок волновода, резонансную диафрагму с р-i-идиодом, блок задания фазы, схему выборки-хранения и схему суммирования, причем первый вход дополнительного циркулятора подключен к второму выходу ответвителя, второй вход — к

СВЧ-входу резонансной диафрагмы, третий вход — к СВЧ-детектору, блок задания фазы и схема выборки-хранени подключены управляющими входами к блоку управления магнитным полем, а выводами через схему суммирования к управляющему входу электронного фазовращателя (к второму входу резонансной диафрагмы), третий вход резонансной диафрагмы соединен с четвертьволновым короткозамкнутым отрезком волновода, схема выборкихранения соединена двумя сигнальными входами с первым и вторым выходами блока автоматической подстройки частоты и фазы, а выход ее соединен с управляющим входом генера тора СВЧ, управляющий вход блока регистрации подключен к блоку управления магнитным полем.

1 )1574

Изобретение относится к технкчесГ кой физике и может быть использовано при построении радиоспектрометров электронного парамагнитного .резонанса (ЭПР), 5

Известны радкоспектрометры ЭПР, . построенные по супергетеродинной схеме, которые обеспечивают регистрацию сигналов поглощения и дисперсии ))).

Недостатком этих радиоспектрометров 30 является низкая чувствительность ре гистрацки сигналов поглощения и дисперсии при больших уровнях мощности

СВЧ, поступающей в рабочий резонатор .

Наиболее близким техническим реше- 1 нием к изобретению является гомодинный радиоспектрометр ЭПР, содержащий генератор СВЧ,ответвитель,циркулятор,резонатор,СВЧ-детектор, блок регистрации, блок автоматической подстройки 20 частоты и фазы электромагнит> блок управления магйнтнымпалем,причем генератор СВЧ соединен через ответвитель,. с первым входом циркулятора, резонатор подключен к второму, а СВЧ-детек-25 тор — к третьему входам циркулятора, блок регистрации и блок автоматической подстройки частоты и фазы подключены к выходу СВЧ-детектора, выход . блока управления магнитным полем соеди- Э0 нен с входом электромагнита, рабочий резонатор — проходного типа ккмеет на выходе последовательно соединекные второй СВЧ-детектор и второй блок регистрации. На выходе первого блока регистрации регистрируется сигнал дисперсии, а на выходе второго — сигнал поглощения )2).

Радиоспектрометр содержит генератор СВЧ 1 соединенный через ответвитель 2 с гомодинным каналом 3 к первым входом циркулятора 4 сигнального канала 5 рабочий резонаl тор 6, расположенный в межполюсном зазоре электромагнита 7 и подключенный к второму входу циркуллтора 4у

Недостатком известного радиоспектрометра ЭПР является низкая чувствя- 40 тельность при регистрации как сиг" налов поглощения, так и сигналов дисперсии, что связано с разделением сигнала с выхода резонатора по двум каналам детектирования, с невозможностью оптимального согласования pesoнаточка работающего в комбинированном режиме (в режиме отражательного к проходного резонатора одновременно .

Наличие схемы с проходным резонато ™ ром приводит, кроме того> к снижению чувствительности регистрации сиг" налов поглощения прк низких уровнях мощности СВЧ.

- И

Цель изобретения — повышение чувствительности при регистрации скгнаl лов поглощения и дисперсии.

24 2

Укаэанная цель достигается тем что гомодинный радиоспектрометр

ЭПР содержащий генератор СВЧ, ответвктель| основной циркулятор, резонатор СВЧ-детектор. блок регистрации, блок автоматической подстройки частоты и фазы, электромагнит. блок управления магнитным полем. причем генератор СВЧ соединен через ответвитель с первым входом циркулятора, резонатор подключен к второму, а СВЧ-детектор — к третьему входам циркулятора, блок регистрации

Г и блок автоматической подстройки частоты и фазы подключены к выходу

СВЧ-детектора, выход блока управления магнитным полем. соединен с входом электромагкита, дополнительно содержит электронный фаэовращатель, включающий дополнительный циркулятор, четвертьволновый короткозамкнутый отрезок волновода, резонансную диафрагму с р-i-n-диодом, блок задания фазы, схему выборкихраненкя и схему суммирования, при = чем первый вход дополнительного циркулятора подключен к второму выходу ответвителя, второй вход — к

СВЧ-входу резонансной диафрагмы, третий вход — к СВЧ-детектору, блок задания фазы и схема выборки-хранения подключены управляющими входами к блоку управления магнитным полем, а выходами через схему суммированияк управляЮщему входу электронного фазовращателя (к второму входу peso нанснои диафрагмы), третин вход резонансной диафрагмы соединен с четвертьволновым короткозамкнутым отрезком -волновода, схема выборки-хранения соединена двумя сигнальными входами с первым и вторым выходами блока автоматической подстройки частоты и фазы, а выход ее соединен с управляющим входом генератора СВЧ, управляющий вход блока регистрации подключен . к блоку управления магнитным полем.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого гомодинного радиоспектрометра ЭПР.

3 1!5

СВЧ-детектор 8, соединенный с выходом гомодинного канала 3 и третьим входом циркулятора 4, блок 9 регистрации и блок 10 автоматической подстройки частоты и фазы, подключен., ные к выходу СВЧ-детектора 8, блок ll управления магнитным полем соединенный с электромагнитом 7, электронный фазовращатель 12, содержащий дополнительный циркулятор 13, включенный последовательно первым и третьим входами в гомодинный ка. нал 3, и резонансную диафрагму 14 с р-ъ-п-диодом, подключенную СВЧвходом к второму входу циркулятора 15

l3 а выходом к четвертьволновому короткоэамкнутому отрезку волновода 15, блок 16 задания фазы и схему 17 выборки-хранения, подключенные управляющими входами к бло- 26 ку 11 управления магнитным полем, а выходами через схему 18 суммирования — к управляющему входу электронного фаэовращателя 12, причем схема 17 выборки-хранения вторым вы- 25 ходом соединена с управляющим входом генератора СВЧ l,a двумя счгнальными входами — с первым и вторым выходами блока 10 автоматической подстройки частоты и фазы, управляющий вход блока 9 регистрации подключен к блоку 11 уцравления магнитным полем.

Радиоспектрометр работает следующим образом. 35

Исследуемый образец помещают в рабочий резонатор 6, где создаются резонансные условия для наблюдения сигнала ЗПР. Мощность СВЧ в рабочий резонатор 6 поступает с выхода гене- 40 ратора СВЧ 1 через ответвитель 2 и циркулятор 4. В момент резонанса на выходе СВЧ-детектора 8 формируется сигнал поглощения или дисперсии.

Необходимая мощность СВЧ-смещения 45 на детектор 8 поступает через гомодинный канал 3, Фаза СВЧ-смещения задается электронным фазовращателем 12, .включенным в гомодинный канал 3. За,, дание начального значения и разверт- 5О ка поляризующего магнитного поля осуществляются блоком !1 управления магнитным полем, Развертка магнитного поля осуществляется дискретно с заданным шагом (например, с помощью 55 цифроаналогового преобразователя}, Согласование частоты генератора СВЧ 1 с частотой рабочего резонатора 6. а

1424 4 также подстройка фазы СВЧ-смешения в гомодинном канале 3 обеспечиваются блоком 10 автоматической подстройки частоты и фазы, на выходе которого формируются сигналы, пропорциональные рассогласованию частоты и фазы соответственно ° Эти сигналы управляют частотой генератора СВЧ 1 и электронным фазоврашателем 12. Пос-. ледний выполнен по отражательной схеме и включает циркулятор 13, к второму входу которого через резонансную диафрагму 14 с р-i-n-диодом подключен четвертьволновой короткозамкнутый отрезок волновода 15.

Изменение фазы СВЧ на третьем входе циркулятора 13 относительно первого входа достигается путем суммирования СВЧ-.волн, отраженных от короткозамкнутого волновода 15 и резонансной диафрагмы 14, соотношение которых регулируется р-i-n-диодом, расположенным в окне резонансной диафрагмы 14.

Сигнал поглощения формируется на выходе СВЧ-детектора 8 при нулевом (180 ) соотношении фаэ сигналов СВЧ гомодинного 3 и сигнального 5 каналов на входах СВЧ-детектора 8. Сигнал дисперсии формируется при, соотношении фаз сигналов СВЧ 90 $7(f)

Режим регистрации (поглощение илн дисперсия) задается блоком 16 задания фазы, который формирует управляющий электрический сигнал для электронного фазовращателя 12 по команде с блока 11 управления магнитным полем. Этот сигнал .с помощью схемы 18 суммирования досуммируется к сигналу автоподстройки фазы П(Ю ), поступающему из блока 10 автоматической подстройки частоты и фазы и подает1 ся на р-д-и-диод резонансной диафрагмы 14, Гомодинный радиоспектрометр ЭПР может работать в режиме либо раздельной, либо одновременной регистрации сигналов поглощения и диспер сии. Режим работы задается блоком !

1 управления магнитным полем. Обра- . ботка сигналов осуществляется двухканальным блоком 9 регистрации.

Режим регистрации сигнала поглощения реализуется при установке 0 фазы СВЧ-смещения в гомодинном канале 3 с помощью блока 16 задания фазы, Схема 17 выборки-хранения обеспечивает трансляцию сигналов управ1157424

30 ленин частотой U((f f) генератора

СВЧ и фазой П(3 М)электронного фаэовращателя 12 с выхода блока 10 автоматической подстройки частоты и фазы на генератор СВЧ 1 и фазовра- 5 щатель 12 и, таким образом, обеспечивает режим автоматической подстройки частоты и фазы в радиоспектрометре.

Режим регистрации сигнала дисперсии реализуется изменением фазы СВЧо смещения на 90 с помощью блока .16 задания фазы. При этом схема 17 выборки-хранения обеспечивает запоминание и поддержание на время 15 регистрации сигнала дисперсии уровней сигналов управления частотой и фазой на управляющих входах генератора СВЧ i и фазовращателя 12, Коррекция расстройки частоты 8 Г и фа- 20 зы ДЧ,которые возникают в момент регистрации сигнала дисперсии, достигается путем периодического пере- . ключения радиоспектрометра в режим автоматической подстройки частоты и фазы (т.е. в режим регистрации сигнала поглощения) во время переключения величины поляризующего магнитного поля на один шаг развертки равный дискретности развертки), Режим одновременной регистрации сигналов дисперсии и поглощения реализуется при периодическом, изменении фазы СВЧ-смещения на 0 и

90 за время;.одного шага развертки, 35

В этом случае время регистрации сиг-. нала поглощения равно времени ре- . гистрации сигнала дисперсии, и, таким образом, режим одновременной регистрации сигналов поглощения и дисперсии отличается от режима регистрации сигнала дисперсии только соотношением времени установки фаС зы СВЧ-смещения в нулевое или 90 состояние.

В отличие от известного технического решения предложенный гомодинный радиоспектрометр ЭПР обеспечивает более высокую чувствительность регистрации (как минимум в 5 раз) сигналов поглощения и дисперсии за счет использования оабочего оеэонатора в отражательном режиме как пля регистрации сигнала поглощения так и сигнала дисперсии (что теоретически обеспечивает не менее, чем двукратный выигрьш1 в чувствительности по сравнению со схемой с проходным резонатором), использования одноканальной схемы регистрации, что устраняет потери сигнала резонанса

«а выходе рабочего резонатора, которые имеют место при комбинированной схеме включения рабочего резонатора. повышения стабильности при упрощении

СВЧ-схемы сигнального канала радиоспектрометра. Прн этом высокая чувствительность обеспечивается на всех уровнях мощности СВЧ поступаю1 шей в рабочий резонатор.

Предложенное техническое решение реализовано в унифицированном малогабаритном радиоспектрометре "Минск

РЭМ-12 ИФС" и обеспечивает одновременную и раздельную регистрацию сигналов поглощения и дисперсии, а также автоматическое согласование тракта СВЧ в диапазоне мощностей 0 0550 мВт. Вывод спектров .)Ш осуществляется на электронно-лучевую трубку через двухканальный накопитель, 1157424 яМ

entpРедактор О.Ювковецкая

Заказ 3359/41

Составитель Л.Горячева

Техреду N.Пароцай Корректор Л.Пилипенко

Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, Ж-35> Разовская наб. ц.4/5

Филиал ППП "Патент" r.ужгород. ул.Проектная,4