Спектрометр электронного парамагнитного резонанса

Полезная модель относится к классу малогабаритных спектрометров электронного парамагнитною резонанса (ЭПР) и может найти применение при исследованиях методом ЭПР в физике, химии, биологии, геологии, медицине и других областях. Он может быть использован как в научных целях, так и в промышленности при контроле технологических процессов, например для измерения ее состава вещества. Решена задача повышения точности установки параметров регистрации спектров ЭПР. Спектрометр ЭПР содержит корпус 1, блок питания 2, рабочий резонатор 4, помещеный в зазор электромагнита 5, установленного отдельно. Также в зазоре электромагнита, параллельно его полюсным наконечникам размещены катушки 6 высокочастотной модуляции, которые соединены с усилителем 7 мощности высокочастотной модуляции, размещенным в корпусе. Также в корпус 1 помещен блок 3 управления и регистрации сигнала ЭПР. Блок СВЧ 8 помещен в корпус 9. Блок СВЧ 8 соединен с рабочим резонатором 4 с помощью волновода 10. В блоке СВЧ расположен твердотельный генератор 11, частота которого изменяется при помощи диэлектрического штыря 12, перемещаемого электромеханическим приводомом 13 с шаговым двигателем 14, соединенным с блоком управления 3. Передаваемая в рабочий резонатор 4 СВЧ мощность изменяется при помощи расположенной в волноводе 10 поглощающей пластины 15, перемещаемой электромеханическим приводом 16 с шаговым двигателем 17, соединенным с блоком управления 3. Установленные значения частоты и мощности СВЧ индицируются на светодиодном индикаторе 18, расположенном на панели корпуса 9 блока СВЧ и соединенным с блоком управления и регистрации сигнала ЭПР 3. В приборе устранено влияние человеческого фактора на точность установки значений СВЧ мощности и частоты, тем самым повышена точность измерений.

Полезная модель относится к классу малогабаритных спектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может найти применение при исследованиях методом ЭПР в физике, химии, биологии, геологии, медицине и других областях. Он может быть использован как в научных целях, так и в промышленности при контроле технологических процессов, например для измерения состава вещества.

Принцип действия любого спектрометра ЭПР основан на использовании эффекта поглощения парамагнитным веществом энергии сверхвысокочастотного (СВЧ) поля в условиях электронного парамагнитного резонанса, возникающего при одновременном воздействии на исследуемое вещество поляризующего магнитного поля определенной напряженности и СВЧ-поля определенной частоты (Спектрометр ЭПР фирмы Advanced analytical instruments PS 100 X).

Для реализации этого принципа действия спектрометры ЭПР содержат корпус, блок питания, блок СВЧ, содержащий генератор колебаний СВЧ с элементом перестройки частоты и аттенюатор и помещенный в отдельный корпус, выход которого соединен со входом блока управления и регистрации сигнала ЭПР, и отдельно установленный электромагнит, в зазоре которого параллельно его полюсным наконечникам размещены катушки высокочастотной модуляции, подключенные к выходу усилителя мощности высокочастотной модуляции, и рабочий резонатор, соединенный с блоком СВЧ через волновод, проходящий через отверстие в корпусе блока СВЧ (Патент РФ 51227 «Спектрометр электронного парамагнитного резонанса»). Последний спектрометр выбран в качестве прототипа.

В известном спектрометре ЭПР СВЧ-колебания по волноводу подводятся к рабочему резонатору, в котором предварительно устанавливается исследуемый парамагнитный образец. При линейном изменении напряженности магнитного поля в момент появления резонанса часть СВЧ-мощности в резонаторе будет поглощена образцом. Это приводит к изменению добротности резонатора, вследствие чего происходит изменение коэффициента отражения, что регистрируется микроволновым детектором в виде сигнала ЭПР. Дополнительная высокочастотная модуляция позволяет уменьшить шумы приемного канала.

Для исследования методом ЭПР образцов различной природы требуется различная СВЧ мощность. Кроме того, при помещении в резонатор образцов с различной диэлектрической проницаемостью изменяется резонансная частота, при этом требуется перестройка частоты генератора СВЧ колебаний. В известном спектрометре для изменения этих параметров используются поглощающие и диэлектрические элементы, расположенные в определенных точках блока СВЧ, и перемещаемые в окрестности этих точек при помощи механических устройств с ручным приводом. Значение мощности СВЧ и частоты генератора при этом отсчитываются по шкальным индикаторам, стрелки которых имеют механическую связь с перемещаемыми элементами.

Существенным недостатком таких устройств является влияние человеческого фактора на точность установки требуемых значений мощности СВЧ и частоты генератора, и, как следствие, низкая точность измерений и плохая воспроизводимость результатов.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение точности установки требуемой мощности СВЧ и частоты генератора СВЧ в спектрометре ЭПР.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности установки параметров регистрации сигнала ЭПР и улучшение точности и воспроизводимости результатов измерений за счет исключения человеческого фактора.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая полезная модель, как и известный спектрометр ЭПР, содержат корпус, блок питания, блок СВЧ, содержащий генератор колебаний СВЧ с элементом перестройки частоты и аттенюатор и помещенный в отдельный корпус, выход которого соединен со входом блока управления и регистрации сигнала ЭПР, выход которого соединен со входом усилителя мощности высокочастотной модуляции и отдельно установленный электромагнит, в зазоре которого параллельно его полюсным наконечникам размещены катушки высокочастотной модуляции, подключенные к выходу усилителя мощности высокочастотной модуляции, и рабочий резонатор, соединенный с блоком СВЧ через волновод, проходящий через отверстие в корпусе блока СВЧ. Но, в отличие от известного, в предлагаемом спектрометре дополнительно введены электромеханические актуаторы, соединенные с шаговыми двигателями и цифровой дисплей, причем шаговые двигатели и дисплей соединены с блоком управления.

За счет того, что в блоке СВЧ применены управляемые цифровым сигналом электромеханические приводы, исключен человеческий фактор, присутствующий при ручной регулировке параметров, а за счет применения цифровых индикаторов исключена ошибка, возникающая при считывании показаний с аналоговой шкалы прибора, что приводит к повышению точности установки требуемой мощности СВЧ и частоты генератора СВЧ.

Полезная модель поясняется чертежами, где:

на фиг.1 схематически показан спектрометр ЭПР;

на фиг.2 схематически показан пример реализации блока СВЧ с электромеханическими приводами регулирующих элементов.

Приведенная конструкция спектрометра ЭПР содержит размещенные в корпусе 1 блок питания 2 и соединенный с ним блок 3 управления и регистрации сигнала ЭПР. Рабочий резонатор 4 помещен в зазор электромагнита 5, установленного отдельно. Также в зазоре электромагнита, параллельно его полюсным наконечникам размещены катушки 6 высокочастотной модуляции, которые соединены с усилителем 7 мощности высокочастотной модуляции, установленным в корпусе 1 и соединенным с блоком питания 2. Вход усилителя 7 соединен с блоком управления и регистрации сигнала ЭПР 3. Блок СВЧ 8, так же соединенный с блоком управления 3, помещен в корпус 9. Резонатор и блок СВЧ соединены волноводом 10. В блоке СВЧ размещен твердотельный генератор 11, частота которого может изменяться путем перемещения диэлектрического штыря 12 с помощью электромеханического привода 13 с шаговым двигателем 14. В рабочий резонатор 4 СВЧ мощность передается по волноводу 10. Передаваемая мощность может изменяться при помощи аттенюатора, роль которого выполняет поглощающая СВЧ-мощность пластина 15, перемещаемая при помощи электромеханического привода 16 с шаговым двигателем 17. Шаговые двигатели 14 и 17 соединены с блоком управления и регистрации сигнала ЭПР Установленные значения частоты и мощности СВЧ индицируются на светодиодном индикаторе 18, расположенном на панели корпуса 9 блока СВЧ и соединенным с блоком управления и регистрации сигнала ЭПР 3.

Для регистрации спектра ЭПР исследуемого образца на диод Гана подают номинальное напряжение, в результате чего генератор 11 начинает вырабатывать СВЧ колебания на частоте, близкой к частоте рабочего резонатора 4, но не равной ей в точности. Для уравнивания частот необходимо изменить частоту генератора, для чего на шаговый двигатель 14 подаются импульсы от блока 3 управления и регистрации сигнала ЭПР. Каждый импульс вызывает поворот ротора двигателя на 1/64 полного оборота, что преобразуется электромеханическим приводом 13 в продольное перемещение диэлектрического штыря 12, которое, в свою очередь, вызывает изменение частоты генерации. Для установки необходимого значения передаваемой в рабочий резонатор 4 СВЧ мощности на шаговый двигатель 17 от подаются импульсы от блока 3 управления и регистрации сигнала ЭПР. Каждый импульс вызывает поворот ротора двигателя на 1/64 полного оборота, что преобразуется электромеханическим приводом 16 в продольное перемещение поглощающей пластины 15. В зависимости от положения пластины в волноводе 10 изменяется величина поглощаемой ею мощности, а, значит, изменяется и мощность, передаваемая в рабочий резонатор 4.

Затем включают внешнее магнитное поле и, плавно меняя его напряженность, добиваются выполнения резонансных условий в объеме образца. При наступлении условий ЭПР происходит изменение добротности рабочего резонатора 4 с образцом, а значит и изменяется величина отраженной от резонатора мощности СВЧ, что фиксируется блоком СВЧ и передается в блок управления и регистрации сигнала ЭПР.

Приведенные схема устройства и описание его работы доказывают достижение технического результата - повышение точности установки значений мощности и частоты СВЧ колебаний и улучшение точности и воспроизводимости результатов измерений за счет исключения человеческого фактора.

Спектрометр электронного парамагнитного резонанса, содержащий корпус, блок питания, блок СВЧ, содержащий генератор колебаний СВЧ с элементом перестройки частоты и аттенюатор и помещенный в отдельный корпус, выход которого соединен со входом блока управления и регистрации сигнала электронного парамагнитного резонатора (ЭПР), и отдельно установленный электромагнит, в зазоре которого параллельно его полюсным наконечникам размещены катушки высокочастотной модуляции, подключенные к выходу усилителя мощности высокочастотной модуляции, и рабочий резонатор, соединенный через волновод с блоком СВЧ, отличающийся тем, что в блоке СВЧ дополнительно введены электромеханические актуаторы, соединенные с шаговыми двигателями и цифровой дисплей, причем шаговые двигатели и дисплей соединены с блоком управления.