Устройство для исследования двойного электронно-ядерного резонанса

 

2I9862

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 23Л.1965 (№ 942043/26-25) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 14.VI.1968. Бюллетень № 19

Дата опубликования описания 23.IX.1968

Кл. 42l, 3/09

МПК G 01п

УДК 539.1.075(088.8) Комитет ло делам изобретеиий и открытий ари Совете Мииистров

СССР

Автор изобретения

М. А. Рубаи

Институт полупроводников АН УССР

3 аявитель

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВОЙНОГО

ЭЛЕКТРОННО-ЯДЕРНОГО РЕЗОНАНСА

Устройство предназначено для регистрации и наблюдения спектров двойного электронноядерного резонанса (ДЭЯР) и спектров электронного пар амагнитного резонанса (ЭПР) .

Объектами исследования могут быть обладающие спектрами ЭПР вещества со сверхтонкой структурой. Устройство обеспечивает исследования неметаллических твердых тел (полупроводников и диэлектриков), свободных радикалов, парамагнитных ионов, металлоорганических парамагнитных комплексов радиационных дефектов и других парамагнитных образований, при фундаментальных исследованиях в области физики твердого тела, квантовой электроники и структурной химии.

Известные устройства для исследозания двойного электронно-ядерного резонанса содержат электромагнит с системой стабилизации тока питания, в зазор которого помещен резонатор СВЧ с образцом, генератор радиочастотной подсветки, супергетеродинный спектрометр ЭПР с бглансными смесителями СВЧ, усилителями промежуточной частоты и системой автоматической подстройки частоты. Известно также применение однополосных модуляторов в качестве гетеродина в спектрометрах ЭПР.

Предлагаемое устройство отличается тем, что, с целью создания магнитного радиочастотного поля интенсивности, достаточной для насыщения ядерных переходов в образце, и расширения частотного диапазона, генератор радиочастотной подсветки содержит модулятор, собранный по схеме триггера Шмитта, включенный в сеточную цепь двухтактного генератора с самовозбуждением, выходной контур которого индуктнвно связан с петлей радиочастотной подсветки резонатора СВЧ.

С целью повышения помехоустойчивости и устранения наводок от мощного генератора радиочастотной подсветки между выходом балансного смесителя СВЧ и входом предварительного усилителя промежуточной частоты включены режекторные фильтры, настроенные на субгармонические составляющие промежуточной частоты, и фильтр верхних частот, основной усилитель промежуточной частоты выполнен в виде балансного смесителя с гетеродином, стабилизированным кварцем, а на вы20 ходе узкополосного усилителя второй проме-. жуточной частоты включены амплитудный н фазовый детекторы.

С целью повышения чувствительности одно. полосный модулятор СВЧ выполнен на диоде, включенном через трансформатор полных сопротивлений в одно из плеч ферритового циркулятора, которое заканчивается короткозамкнутым поршнем, а выходное плечо содержит резонаторный фильтр.

30 Для облегчения количественной интерпрета219862 ции спектров двойного электронно-ядерного резонанса на выходе генератора радиочастотной подсветки включена система измерения частоты и нанесения меток частоты на записы5 ваемый спектр.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства; на фиг. 2 — принципиальная схема генератора радиочастотной подсветки; на фиг. 3 — принципиальная схема предварительного усилителя промежуточной частоты; на фиг. 4 — принци1 пиальная схема основного усилителя второй промежуточной частоты; на фиг. 5 — принципиальная схема однополосного модулятора.

Мощность от генератора 1 СВЧ через ферритовый вентиль 2, направленные ответвителп

8, 4 и 5, градуировочный аттенюатор б и ферритовый вентиль 7 поступает на одно из плеч двойного T-образного моста 8, в одном из плеч которого находится резонатор 9 с образцом, имеющий регулируемую связь 10, благодаря . 2 которой осуществляются общая балансировка моста 8 и оптимальное согласование при смене образцов. Второе плечо моста 8 — компенсационное — содержит согласованную нагрузку 11 с трансформатором 12 импеданса перед 2 ней. Мост 8 имеет массивную конструкцию для ослабления микрофонного эффекта и увеличения стабильности. Во входном и выходном плечах имеются ферритовые вентили 7 и 18, Сигнал разбаланса моста 8, обусловленный З поглощением энергии СВЧ образцом в резонаторе 9, поступает на балансный смеситель 14 на щелевом мосте, конструктивно объединенный с предварительным усилителем 15 промежуточной частоты. Гетеродинный сигнал на балансный смеситель подается через ферритовый вентиль 1б от однополосного модулятора

17 СВЧ.

Направленный ответвитель 8 ответвляет мощность от сигнального СВЧ генератора 1 на внешний резоьатор 18 для измерения частоты

СВЧ с точностью до 10 и автоматической подстройки частоты модуляционного типа при наблюдении сигналов дисперсии электронного парамагнитного резонанса и нестационарного сигнала двойного электронно-ядерного резонанса.

Частота генератора 1 может автоматически подстраиваться также по рабочему резонатору 9. При этом усилитель .19 ЛПЧ с фазовым детектором через переключатель 20 подсоединяется к выходу предварительного усилителя

15 промежуточной частоты. Опорное напряжение для фазового детектора блока 19 и напряжение модуляции для генератора 1 создаются в блоке 21.

Направленный ответвитель 4 ответвляет мощность через аттенюатор 22 и прецизионный фазовращатель 28 на формирование опорного сигнала промежуточной частоты на балансном смеси еле 24.

Направленный ответвитель 5 ответвляет мощность от генератора 1 через ферритовый вентиль 25 и аттенюатор 26 на однополосный модулятор 17, высокочастотное напряжение для которого поступает с блока 27.

Направленный ответвитель 28 подключает анализатор 29 спектра.

Направленный ответвитель 80 ответвляет часть мощности однополосного модулятора 17 на балансный смеситель 24 опорного канала.

Опорный и сигнальный каналы после балансHblx смесителей 14 и 24 идентичны. Они со0 стоят из предварительных усилителей 15 и 81 промежуточных частот, балансных смесителей с узкополосными усилителями 82 и 33 второй промежуточной частоты и общего гетеродиv.а 84.

5 На выходе основного усилителя 82 промежуточной частоты используют амплитудный детектор 85 или фазовый детектор 3б, после чего сигнал поступает через широкополосный усилитель 87, узкополосный избирательный

0 усилитель 88 и синхронный детектор 89 на самописец 40.

Опорное низкочастотное напряжение поступает на синхронный детектор 89 от задающего низкочастотного генератора 41, откуда напря5 жение низкой частоты может поступать через переключатель 42 на катушки 48 модуляции магнитного поля электромагнита 44 при регистрации ЭПР и нестационарного ДЭЯР. При регистрации стационарного ДЭЯР напряжение

0 с генератора 41 поступает на генератор 45 радиочастотной подсветки, с которым связана автоматическая или полуавтоматическая система 4б измерения его частоты и нанесения меток частоты на записываемый спектр, свя35 занная, в свою очередь, с самописцем 40.

Устройство содержит также блок 47 стабилизации и прецезионной установки тока электромагнита 44 и измеритель 48 напряженности магнитного поля с протонным датчиком 49 в

40 зазоре электромагнита 44.

Генератор 45, создающий радиочастотное магнитное поле интенсивности, достаточной для насыщения ядерных переходов в образце, размещенном в резонаторе 9 СВЧ, работает в

45 широком диапазоне частот благодаря переключающимся катушкам выходного контура

50 и конденсатору 51 переменной емкости, пластины которого вращаются через редуктор синхронным мотором.

50 Принципиальная схема генератора радиочастотной подсветки представлена на фиг. 2.

Модулятор 52, собранный по схеме триггера

Шмитта, включен в сеточную цепь двухтактного генератора 58 с самовозбуждением. Вы55 ходной контур 50 генератора 53 индуктивно связан с петлей радиочастотной подсветки в резонаторе СВЧ.

Генератор 45 работает в импульсно-модулированном и непрерывном режимах. Переход с

60 одного режима работы на другой обеспечивается переключателем 54. Мощность генератора

58 регулируют изменением анодного напряжения питания. Чтобы получить отрицательный импульс модуляции генератора 58, катод ламэ

65 пы генератора 58 заземляют, а модулятор э219862

65 питается от отдельного источника анодного напряжения, плюсовый вывод которого заземлен.

Для увеличения помехоустойчивости и подавления наводок от генератора 45 радиочастотной подсветки между выходом балансного смесителя СВЧ и входом предварительного усилителя 15 промежуточной частоты включены режекторные фильтры 55, настроенные на субгармонические составляющие промежуточной частоты, и фильтр 56 верхних частот после первого каскады 57 усиления для лучшего согласования его по входу и выходу. Каскад

57 собран на триоде с заземленной сеткой. За вторым каскадом усиления 58, собранным по каскадной схеме с регулировкой усиления, сле дует двухкаскадный резонансный усилитель

59, с выхода которого сигнал поступает на основной усилитель 32 промежуточной частоты, состоящий из усилителя 60 высокой частоты на триоде с заземленной сеткой и идентичных балансных смесителей 61 и 62 сигнального и опорного каналов с общим гетеродином 34, стабилизированным кварцем, а также узкополосных усилителей 68, 64 и 65. На выходе усилителя 68 включен амплитудный детектор бб, а на выходе усилителя 65 — фазовый детектор

67, опорное напряжение на который поступает с усилителя 64 опорного канала.

На выходе основного усилителя 82 включены усилители 68 и 69 низкой частоты.

Однополосный модулятор 17, повышающий чувствительность устройства, выполнен на диоде 70, включенном в плечо 71 ферритового циркулятора 72. Трансформатор 78 полных сопротивлений перед диодом 70 позволяет согласовать этот диод с волноводным трактом и добиться оптимального подавления несущей частоты СВЧ. Этой же цели служит короткозамыкающий поршень 74 за диодом 70, распо1 ложенный на расстоянии — от его плоскости.

Одна из боковых частот выделяется резонаторным фильтром 75 проходного типа циркулятора 72. В этом же плече находится согласованная поглощающая нагрузка 76.

Принцип работы устройства основан на изучении снятия насыщения электронного парамагнитного резонанса в образце при одновременном насыщении ядерных переходов. Если зафиксировать частоту СВЧ, произвести насыщение rro ЭПР, значение статического магнитного поля Но установить на центр линии ЭПР и при этих условиях медленно менять частоту радиочастотной подсветки, вызывающей насыщение ядерных переходов между различными сверхтонки ми уровнями, можно наблюдать спектр ДЭЯР. Выбирая диапазоны частот радиочастотной подсветки, можно получить спектры ДЭЯР or различных координационных сфер.

Для образцов с коротким временем релаксации лучшие результаты получают при измерении сигнала стационарного ДЭЯР. При этом спектрометр настраивают на регистрацию сигнала поглощения, частота автоматически подстраивается по рабочему резонатору, магнитное поле kip модулируют, а использую

100%-ную амплитудную модуляцию радиочастотной подсветки с низкой частотой F„, опре1 деляемой условием F„ ((, где т — время

1 релаксации электронных спинов. С частотой модуляции изменяется параметр насыщения ядерных переходов и с такой же частотой изменяется сигнал ДЭЯР, который можно зарегистрировать при комнатной температуре.

При регистрации сигнала нестационарного

ДЭЯР спектрометр настраивают на регистрацию сигнала дисперсии, включают автоматическую подстройку частоты по внешнему резонатору, магнитное поле модулируют низкой частотой с некоторой оптимальной глубиной при работе генератора радиочастотной подсветки в непрерывном режиме.

Устройство позволяет выявить неразрешимую обычной методикой ЭПР сверхтонкую структуру линий ЭПР, определить экспериментально пространственное распределение электронной волновой функции одних, напри iep примесных, атомОВ В местах расположения соседних атомов на расстоянии до десятка координационных сфер, исследовать природу и модель парамагнитного центра, решать задачи структурного анализа, определять ядерные, спиновые и квадрупольные моменты изотопов, изучать вопросы поляризации ядер, механизмы процессов спин-решеточного н спин-спипового взаимодействия и т. д.

Устройство обладает на 3 — 4 порядка более высокой разрешающей способностью по сравнению со спектрометрами ЭПР.

Предмет изобретения

1. Устройство для исследования двойного электронно-ядерного резонанса, состоящее из электромагнита с системами стабилизации тока, в зазор которого помещен резонатор СВЧ с образцом, генератора радиочастотной подсветки и супергетеродинпого спектрометра электронного парамагнитного резонанса с однополосным модулятором в качестве гетеродина, с балансными смесителями, усилителями промежуточной частоты, системой автоматической подстройки частоты и самописцем, Огличаюи ееся тем, что, с целью создания магнитного радиочастотного поля интенсивности, достаточной для насыщения ядерных переходов в образце, и расширения частотного диапазона, генератор радиочастотной подсветки содержит модулятор, собранный по схеме триггера Шмитта, включенный в сеточную цепь двухтактного генератора с самовозбуждением, выходной контур которого связан индуктивно с петлей радиочастотной подсветки в резонаторе СВЧ.

2. У стройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и устранения наводок от мощного генератора

7 радиочасто гной подсветки, между выходом балансного смесителя СВЧ и входом предварительного усилителя промежуточной частоты включены режекторные фильтры, настроенные на субгармонические составляющие промежуточной частоты, и фильтр верхних частот, основной усилитель промежуточной частоты выполнен в виде балансного смесителя с гетеродином, стабилизированным кварцем, и узкополосным усилителем второй промежуточной частоты, на выходе которого включены ам плитудпый и фазовый детекторы.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности, однополосный модулятор СВЧ выполнен на диоде с питанием от генератора высокой частоты

219862 с кварцевой стабилизацией частоты, включенным в одно из плеч ферритового циркулятора, которое заканчивается короткозамкнутым nop/i

5 шнем на расстоянии — от плоскости диода, 4 а выходное плечо ферритового циркулятора содержит резонаторный фильтр проходного типа, выделяющий одну из боковых частот.

4. Устройство по п. 1, отгичающееся тем, что, с целью облегчения количественной интер. претации спектров двойного электронно-ядерного резонанса, на выходе генератора радиочастотной подсветки включена система измерения частоты и нанесения меток частоты на записываемый спектр, связанная с самописцем, Фиг.1

Om Pnowa 46 0m илокос 41

219862

uz.

0m ген

ЮЧ

Составитель И. А. Рощина

Редактор Б. Б. Федотов Техред P. М. Новикова Корректор Т. Ф. Старостина

Заказ 2689/11 Тираж 530 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобрегений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Центр, пр. Серова, д. 4

Типография, пр. Сапунова, 2