Мост импульсного эпр-спектрометра x- и q-диапазона на основе цифрового синтезатора свч-излучения и полупроводникового усилителя мощности

Авторы патента:

Ломанович Константин Александрович (RU)

Багрянская Елена Григорьевна (RU)

Гришин Юрий Акимович (RU)

Вебер Сергей Леонидович (RU)

Исаев Николай Павлович (RU)

Половяненко Дмитрий Николаевич (RU)

G01N24/00 - Исследование или анализ материалов с помощью ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса или других спин-эффектов (устройства или приборы для измерения эффектов магнитного резонанса G01R 33/20)

Владельцы патента RU 2756168:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук (НИОХ СО РАН) (RU)

Изобретение используется в импульсной ЭПР-спектроскопии. Мост спектрометра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР-спектрометра) содержит опорный генератор, цифровой синтезатор СВЧ-сигнала, смеситель, первый фазовращатель, второй фазовращатель, третий фазовращатель, первый аттенюатор, СВЧ-ключ, СВЧ-переключатель, второй аттенюатор, цифровой полупроводниковый усилитель мощности 350 ватт, третий аттенюатор, первый СВЧ-ответвитель, первый квадратурный детектор, первый видеоусилитель, циркулятор, второй СВЧ-ответвитель, детектирующий диод, второй видеоусилитель, защитный диод, малошумящий усилитель, второй квадратурный детектор, третий видеоусилитель, четвертый видеоусилитель, низкочастотный фильтр, контроллер. Технический результат: расширение диапазона рабочей частоты спектрометра до 5.0 - 15.0 ГГц, стабилизация фазы и мощности импульсов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может быть применено для регистрации сигнала электронного спинового эха. ЭПР спектрометр используется для исследования и анализа материалов методом ЭПР в физике, химии и биологии.

Известен коммерчески доступный стационарный спектрометр фирмы Adani Spinscan X с диапазоном рабочих частот 9.2-9.55 ГГц, где в качестве генератора СВЧ-излучения используется диод Ганна, установленный в резонаторе, играющий роль резонансного фильтра, выделяющего узкую полосу излучения.

Недостатком спектрометров Adani Spinscan X является малый диапазон рабочих частот (9.2-9.55 ГГц), позволяющий работать только со штатным резонатором соответствующим частотному диапазону прибора. Резонаторы с собственной частотой, отличной от рабочего диапазона не могут быть подключены к данному прибору. Кроме того, узкая полоса генерации источника прибора накладывает существенные ограничения на систему термостатирования образцов, помещаемых в резонатор, так как использование криостата из кварца сдвигает рабочую частоту резонатора за пределы диапазона генерации коммерческого прибора.

Известен коммерчески доступный импульсный спектрометр фирмы Bruker ElexSys E-580 с диапазоном рабочих частот СВЧ-источника 9.1-9.9 ГГц, схема генератора СВЧ-сигнала сходна с Adani Spinscan X. В качестве усилителя мощности, как правило, используется лампа бегущей волны.

Недостатком спектрометров Bruker ElexSys E-580 является так же узкая полоса генерации СВЧ-излучателя, которая позволяет использовать не все доступные резонаторы. Лампа бегущей волны, использованная в качестве усилителя мощности, имеет нестабильную фазу при работе с импульсными последовательностями. Кроме того, лампа бегущей волны имеет плохую стабильность выходной мощности, что негативно влияет на качество получаемых результатов, может требоваться дополнительная подстройка прибора в процессе эксперимента.

Задачей настоящего технического решения является разработка импульсных ЭПР спектрометров X- и Q-диапазонов с более широким диапазоном частот, позволяющих использовать как коммерчески доступные резонаторы разных производителей, так и резонаторы специального назначения (для реализации нестандартных задач), а так же решить проблемы связанные с нестабильностью фазы.

Создана схема СВЧ-моста импульсного ЭПР-спектрометра (Фиг. 1) Х-диапазона на базе цифрового синтезатора СВЧ-сигнала ECC15K, который имеет диапазон частот 5.0-15.0ГГц, вместо диода Ганна с более узким диапазоном генерации (Adani Spinscan X диапазон 9.2-9.55 ГГц, Bruker ElexSys E-580 диапазон 9.1-9.9 ГГц), который генерирует СВЧ-излучение, и полупроводникового усилителя мощности ЖНКЮ.468714.060 на 350Вт российского производства в передающей части моста вместо лампы бегущей волны. Усилитель мощности ЖНКЮ.468714.060 имеет высокую стабильность фазы в импульсной последовательности, что существенно улучшает качество работы прибора, а так же выдает на выход стабильную мощность по сравнению с лампой бегущей волны.

Мост ЭПР-спектрометра, содержит опорный генератор 1, цифровой синтезатор частоты 2, смеситель 3, фазовращатель 4, фазовращатель 5, фазовращатель 6, аттенюатор 7, СВЧ-ключ 8, СВЧ-переключатель 9, аттенюатор 10, цифровой полупроводниковый усилитель 350 Ватт 11, аттенюатор 12, СВЧ-ответвитель 13, квадратурный детектор 14, видеоусилитель 15, циркулятор 16, СВЧ-ответвитель 17, детектирующий диод 18, видеоусилитель 19, защитный диод 20, малошумящий усилитель 21, квадратурный детектор 22, видеоусилитель 23, видеоусилитель 24, низкочастотный фильтр 25, контроллер 26, при этом опорный генератор 1 стабилизирует цифровой синтезатор частоты 2, СВЧ-излучение от которого идет на смеситель 3 и фазовращатели 4, 5, 6, излучение с фазовращателя 4 идет на аттенюатор 7, затем через СВЧ-ключ 8 на СВЧ-переключатель 9, сигнал, прошедший через смеситель 3, идет на СВЧ-переключатель 9, с СВЧ-переключателя 9 излучение идет на аттенюатор 10, излучение с аттенюатора 10 идет на полупроводниковый усилитель мощности 350 Ватт 11, с полупроводникового усилителя мощности 350 Ватт 11 сигнал идет через аттенюатор 12, затем через ответвитель 13 на циркулятор 16, из циркулятора 16 сигнал идет на внешний резонатор, из резонатора сигнал возвращается на циркулятор 16, далее сигнал идет через ответвитель 17 на защитный диод 20, из защитного диода 20 сигнал идет на малошумящий усилитель 21, с малошумящего усилителя сигнал идет на квадратурный детектор 22, с фазовращателя 6 опорный сигнал идет на квадратурный детектор 22, из квадратурного детектора 22 сигнал идет через видеоусилитель 23, далее через видеоусилитель 24 на низкочастотный фильтр 25, далее из низкочастотного фильтра 25 сигнал идет на внешний выход, с ответвителя 13 сигнал идет на квадратурный детектор 14, далее на видеоусилитель 15, далее на внешний выход, с ответвителя 17 сигнал идет на детектирующий диод 18, далее на видеоусилитель 19, с усилителя 19 сигнал идет на внешний выход, с фазовращателя 5 опорный сигнал идет на квадратурный детектор 14, контроллер управляет работой цифрового синтезатора частоты 2, фазовращателей 5, 6, аттенюаторов 7, 10, 12, видео усилителей 15, 19, 23, 24, полупроводниковый усилитель мощности 350 Ватт 11 синхронизован с защитным диодом 20, фазовращатель 4, аттенюатор 7, СВЧ-ключ 8, смеситель 3, СВЧ-переключатель 9, полупроводниковый усилитель мощности 350 Ватт 11 и защитный диод 20 имеют внешние входы, видео усилители 15, 19 и низкочастотный фильтр 25 имеют внешние выход.

Цифровой синтезатор СВЧ-излучения российского производства ECC15K имеет диапазон излучения 5.0-15.0 ГГц, что дает большие преимущества по сравнению со штатными излучателями установленными в Bruker ElexSys E-580 (9.1-9.9 ГГц) и Adani Spinscan X (9.2-9.55 ГГц), однако, необходимо было убедиться в работоспособности модуля. Для этого был проведен ряд экспериментов, доказывающих работоспособность модели. Для этого в коммерческом спектрометре X-диапазона Bruker ElexSys E-580 штатный генератор СВЧ на базе диода Ганна заменили на синтезатор ECC15K. Импульсный спектр, записывали при помощи моста Bruker Elexsys E-580 в одинаковых условиях, с использованием ECC15K и штатного источника СВЧ. Полученные зависимости сигнала эха от величины магнитного поля (ЭПР-спектр) приведенные на Фиг. 2, не показали ухудшения соотношения сигнал/шум при использовании ЕСС-15 по сравнению со штатным генератора СВЧ-сигнала фирмы Bruker.

Таким образом, цифровой синтезатор российского производства ECC15K имеет существенное преимущество по ширине полосы частот генерации, а по качеству сигнала не уступает СВЧ-излучателям, установленным в коммерческих приборах и, следовательно, дает лучший результат при использовании в мостах ЭПР-спектрометров.

Служебное изобретение выполнено в рамках соглашения № 14.W03.31.0034 от 26.04.2018 г.

Авторы выражают благодарность Химическому исследовательскому центру коллективного пользования СО РАН за проведение спектральных и аналитических измерений.

1. Мост спектрометра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР-спектрометра), содержащий опорный генератор, цифровой синтезатор СВЧ-сигнала, смеситель, первый фазовращатель, второй фазовращатель, третий фазовращатель, первый аттенюатор, СВЧ-ключ, СВЧ-переключатель, второй аттенюатор, цифровой полупроводниковый усилитель мощности 350 ватт, третий аттенюатор, первый СВЧ-ответвитель, первый квадратурный детектор, первый видеоусилитель, циркулятор, второй СВЧ-ответвитель, детектирующий диод, второй видеоусилитель, защитный диод, малошумящий усилитель, второй квадратурный детектор, третий видеоусилитель, четвертый видеоусилитель, низкочастотный фильтр, контроллер, при этом соединенные в последовательности: опорный генератор стабилизирует цифровой синтезатор СВЧ-сигнала, СВЧ-излучение от которого идет на смеситель и первый, второй и третий фазовращатели, излучение с первого фазовращателя идет на первый аттенюатор, затем через СВЧ-ключ на СВЧ-переключатель, сигнал, прошедший через смеситель, идет на СВЧ-переключатель, с СВЧ-переключателя излучение идет на второй аттенюатор, излучение со второго аттенюатора идет на цифровой полупроводниковый усилитель мощности 350 ватт, с цифрового полупроводникового усилителя мощности 350 ватт сигнал идет через третий аттенюатор, затем через первый ответвитель на циркулятор, из циркулятора сигнал идет на внешний резонатор, из резонатора сигнал возвращается на циркулятор, далее сигнал идет через второй ответвитель на защитный диод, из защитного диода сигнал идет на малошумящий усилитель, с малошумящего усилителя сигнал идет на второй квадратурный детектор, с третьего фазовращателя опорный сигнал идет на второй квадратурный детектор, из квадратурного детектора сигнал идет через третий видеоусилитель, далее через четвертый видеоусилитель на низкочастотный фильтр, далее из низкочастотного фильтра сигнал идет на внешний выход, с второго ответвителя сигнал идет на первый квадратурный детектор, далее на первый видеоусилитель, далее на внешний выход, с второго ответвителя сигнал идет на детектирующий диод, далее на второй видеоусилитель, со второго видеоусилителя сигнал идет на внешний выход, с фазовращателя опорный сигнал идет на первый квадратурный детектор, контроллер управляет работой цифрового синтезатора частоты, вторым и третьим фазовращателями, вторым и третьим аттенюаторами, первым, вторым, третьим и четвертым видеоусилителями, цифровой полупроводниковый усилитель мощности 350 ватт синхронизован с защитным диодом, первый фазовращатель, первый аттенюатор, СВЧ-ключ, смеситель, СВЧ-переключатель, цифровой полупроводниковый усилитель мощности 350 ватт и защитный диод имеют внешние входы, первый и второй видеоусилители и низкочастотный фильтр имеют внешние выходы.

2. Мост ЭПР-спектрометра по п.1, отличающийся тем, что в качестве излучателя СВЧ-сигнала содержит цифровой синтезатор СВЧ-сигнала с диапазоном частот 5.0-15.0 ГГц без потери качества сигнала.

3. Мост ЭПР-спектрометра по п.1, отличающийся тем, что содержит цифровой полупроводниковый усилитель мощности на 350 Вт с высокой стабильностью фазы, а также усилитель выполнен с возможностью выдавать на выход стабильную мощность.

Использование: для измерения времени продольной релаксации в текущей среде. Сущность изобретения заключается в том, что измерение времени продольной релаксации в текущей среде выполняют с помощью обработки данных о величине расхода жидкости q, значениях амплитуд U1 и U2, полученных с использованием метода ядерного магнитного резонанса и с помощью обработки данных об объемах соединительных участков трубопровода Vc2 и Vc1, при этом для значения расхода q исследуемой текущей жидкости, при котором отношение сигнал/шум регистрируемого сигнала ЯМР с использованием модуляционной методики больше 3 (условие измерение расхода жидкости с погрешностью менее 1%), проводятся измерения значений амплитуд U1 и U2 сигналов ЯМР для двух соединительных участков трубопроводов разного объёма, после чего, используя заданное соотношение, определяют продольное время релаксации в текущей среде.

Автоматизированное неинвазивное определение оплодотворения яйца птицы // 2739896

Группа изобретений относится к автоматизированному неинвазивному определению оплодотворения яйца птицы. Способ включает следующие этапы: последовательную или параллельную конвейерную подачу множества яиц птицы в ЯМР-аппарат, подвергание яиц птицы ЯМР-измерению, например, для генерации трехмерного изображения ЯМР по меньшей мере части каждого из упомянутых яиц, причем упомянутое трехмерное изображение ЯМР имеет пространственное разрешение в по меньшей мере одном измерении 1,0 мм или менее, предпочтительно - 0,50 мм или менее, причем упомянутая часть яйца (14) включает зародышевый диск соответствующего яйца, определение прогноза оплодотворения согласно по меньшей мере одной из следующих двух процедур: (i) выявление по меньшей мере одного признака из каждого из упомянутых трехмерных изображений ЯМР и использование упомянутого по меньшей мере одного признака в классификаторе на основе признаков для определения прогноза оплодотворения, и (ii) использование алгоритма глубокого обучения и, в частности, алгоритма глубокого обучения на основе сверточных нейронных сетей, генеративно-состязательных сетей, рекуррентных нейронных сетей или нейронных сетей долгой краткосрочной памяти.

Способ измерения времени продольной релаксации в текущей среде // 2696370

Использование: для измерения времени продольной релаксации в текущей среде. Сущность изобретения заключается в том, что измеряют расход исследуемой текущей жидкости, амплитуду радиочастотного поля, частоту и амплитуду модуляции постоянного магнитного поля, при которых амплитуда сигнала поглощения ядерного магнитного резонанса достигает максимального значения, затем измеряют интервал значений оптимального расхода, в пределах которого амплитуда сигнала поглощения ядерного магнитного резонанса текущей жидкости уменьшается на фиксированную величину, определяемую отношением сигнал/шум, для измеренного интервала оптимального расхода исследуемой текущей жидкости определяют соответствующие значения продольного времени релаксации по градуировочной зависимости амплитуды сигнала, после чего проводят аналогичные измерения расхода эталонной текущей жидкости, амплитуду радиочастотного поля, частоту и амплитуду модуляции постоянного магнитного поля, при которых амплитуда сигнала поглощения ядерного магнитного резонанса достигает максимального значения для эталонной текущей жидкости с известным значением времени продольной релаксации, величина которого находится в пределах диапазона значений продольного времени релаксации тестируемого образца, затем уменьшают расход эталонной текущей жидкости до значения q*, соответствующего амплитуде сигнала поглощения ядерного магнитного резонанса, уменьшенной в два раза по сравнению с максимальным значением, строят градуировочную зависимость относительной амплитуды сигнала поглощения ядерного магнитного резонанса текущей жидкости при расходе q* от времени продольной релаксации в диапазоне значений продольного времени релаксации исследуемой жидкости, эталонную текущую жидкость заменяют на исследуемую текущую жидкость и измеряют относительную по отношению к максимальной амплитуде амплитуду сигнала поглощения ядерного магнитного резонанса при тех же значениях расхода q*, амплитуды радиочастотного поля, частоты и амплитуды модуляции постоянного магнитного поля, которые были зафиксированы при измерении уменьшенной в два раза амплитуды сигнала от эталонной текущей жидкости, проводят сравнение относительной амплитуды сигнала поглощения ядерного магнитного резонанса исследуемой текущей жидкости с полученными данными градуировочной зависимости и наблюдаемого сигнала и по заданной функциональной зависимости амплитуды сигнала от времени продольной релаксации определяют значение этого времени для исследуемой текущей жидкости.

Имитатор сигналов свободной прецессии ядерного магнитного резонанса и спинового эхо протонов масла с различной массовой долей олеиновой кислоты в семенах рапса // 2682977

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к средствам градуировки импульсных ЯМР-спектрометров и может быть использовано для определения содержания олеиновой кислоты в масле семян рапса. Имитатор представляет собой смесь двух кремнийорганических жидкостей, одна из которых имеет время спин-спиновой релаксации протонов в диапазоне 210±10 мс, а другая - 130±10 мс при следующем их соотношении, мас.%: 18,6-86,2 и 81,4-13,8 соответственно.

Способ оценки времени спин-спиновой релаксации в твердом теле // 2680725

Использование: для анализа структуры и контроля качества твердых тел. Сущность изобретения заключается в том, что на исследуемый образец, помещенный в магнитное поле, воздействуют циклом импульсных последовательностей с переменной временной задержкой tau между первым, стимулирующим, 90-градусным радиочастотным импульсом и вторым, сдвинутым по фазе относительно первого на 90 градусов.

Способ определения следовых количеств нитрат-ионов в хлориде стронция // 2657443

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано при производстве радиофармпрепаратов, в стоматологии и косметологии. Способ определения следовых количеств нитрат-ионов в соли SrCl2 характеризуется тем, что из исходного хлорида стронция получают макроциклический комплекс состава КЭ⋅SrCl2, где КЭ - молекула краун-эфира; облучают макроциклический комплекс КЭ⋅SrCl2 при температуре жидкого азота 77 К с целью образования и стабилизации радикальных продуктов радиолиза, при этом макроциклический комплекс КЭ⋅SrCl2 предварительно вакуумируют в стеклянной ампуле; регистрируют спектры ЭПР радикальных продуктов радиолиза, стабилизированных в облученном макроциклическом комплексе КЭ⋅SrCl2, при температуре в диапазоне 77-110 К, определяют концентрацию дианионов NO32- в исходной соли SrCl2.

Ядерно-магнитный расходомер и способ эксплуатации ядерно-магнитных расходомеров // 2653588

Изобретение относится к ядерно-магнитный расходомеру (1) для определения расхода текущей через измерительную трубу (2) среды, с устройством (4) создания магнитного поля, измерительным устройством (5) и антенным устройством (6) с антенной (7). Устройство (4) создания магнитного поля на протяженности направленного параллельно продольной оси (8) измерительной трубы участка (9) магнитного поля пронизывает текущую среду (3) имеющим по меньшей мере один перпендикулярный продольной оси (8) измерительной трубы компонент магнитным полем для намагничивания среды (3), причем измерительное устройство (5) выполнено для формирования возбуждающих намагниченную среду (3) сигналов возбуждения и для измерения вызванных сигналами возбуждения в намагниченной среде (3) измерительных сигналов, и причем антенна (7) выполнена катушкообразной и выполнена на протяженности направленного параллельно продольной оси (8) измерительной трубы и находящегося на участке (9) магнитного поля измерительного участка (10) для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду (3) и для детектирования измерительных сигналов.

Система (варианты) и способ детектирования наличия аналита в жидком образце // 2653451

Представленные изобретения касаются способа детектирования наличия аналита в жидком образце, способа детектирования наличия патогена в образце цельной крови, способа детектирования наличия вируса в образце цельной крови, способа детектирования присутствия нуклеиновой кислоты-мишени в образце цельной крови, способа детектирования наличия организмов, относящихся к видам Candida в жидком образце, системы для детектирования одного или более аналитов нуклеиновой кислоты в жидком образце и сменного картриджа для размещения реагентов для анализа и расходных материалов в указанной системе.

Оптический магнитометр // 2607840

Изобретение относится к области измерения магнитных полей и касается оптического магнитометра. Магнитометр включает генератор низкой частоты, конденсатор, по меньшей мере одну катушку электромагнита, активный материал виде кристалла карбида кремния, содержащий по меньшей мере один спиновый центр на основе вакансия кремния с основным квадрупольным состоянием, помещенный внутрь катушки, источник постоянного тока, синхронный детектор, блок управления, оптическую систему из полупрозрачного зеркала, зеркала, светофильтра, линзы и объектива, лазер, излучающий в ближней инфракрасной области, и фотоприемник.

Устройство исследования электромагнитного поля вторичных излучателей // 2572057

Изобретение относится к области радиосвязи. Отличительной особенностью заявленного устройства исследования электромагнитного поля вторичных излучателей является введение коммутатора передающих антенн, коммутатора приемо-передающих антенн, приемо-передающей антенной системы, двух передающих антенн для создания вертикальной составляющей, двух передающих антенн для создания горизонтальной составляющей, адаптивного преобразователя, формирователя информации излучения вторичных излучателей, преобразователя частотного спектра, блока фильтров, блока анализа спектра излучения, блока исследования спектра вторичного излучения.