Спектрометр электронного парамагнитного резонанса

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. Решена задача повышения чувствительности спектрометра за счет улучшения отношения сигнал/шум в результате применения повышающего трансформатора, состоящего из первичной обмотки 7 и вторичной обмотки 8, выполненной в виде колебательного контура, настроенного на частоту высокочастотной модуляции магнитного поля. При этом в резонаторе генератора установлен активный твердотельный элемент 6, например диод Гана. Достигаемый технический результат - улучшение отношения сигнал/шум и повышение чувствительности спектрометра.

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.

Известен спектрометр ЭПР (патент РФ 2095798), который содержит измерительный резонатор, помещенный в пространство между полюсными наконечниками, выход которого посредством волноводного тракта соединен со входом усилителя СВЧ, выход которого посредством волноводного тракта соединен со входом измерительного резонатора и входом усилительно-преобразовательной системы. Его выход соединен с блоком регистрации сигнала ЭПР. Достоинством этого спектрометра является возможность работы в режиме автогенерации. Но это приводит к значительному усложнению конструкции за счет усложнения волноводной системы.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому является спектрометр электронного парамагнитного резонанса (Патент РФ 53778). Указанный спектрометр содержит магнитную систему, в зазоре которой параллельно полюсным наконечникам размещены катушки высокочастотной модуляции, соединенные с выходом усилителя мощности высокочастотной модуляции, рабочий резонатор, соединенный с блоком СВЧ, выход которого соединен со входом усилительно-преобразовательной системы, соединенной с блоком питания, а выход усилительно-преобразовательной системы соединен с блоком регистрации сигнала электронного парамагнитного резонатора (ЭПР). Микроволновая мощность от генератора СВЧ-мощности через окно связи подводится к рабочему резонатору, в котором предварительно устанавливается исследуемый парамагнитный образец. При линейном изменении напряженности магнитного поля в момент появления резонанса часть СВЧ-мощности будет поглощаться образцом. Это приводит к изменению добротности резонатора и, следовательно, к изменению отраженной от резонатора мощности которое и регистрируется.

Недостатком известного спектрометра является низкое отношение сигнал/шум и, как следствие, низкая чувствительность прибора.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью является повышение чувствительности спектрометра за счет улучшения отношения сигнал/шум.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый спектрометр, также, как и известный, содержит магнитную систему, в которой в зазоре магнита параллельно его полюсным наконечникам размещены катушки высокочастотной модуляции, соединенные с выходом усилителя мощности высокочастотной модуляции, рабочий резонатор, соединенный с блоком СВЧ, усилительно-преобразовательная система, соединенная с блоком питания, а выход усилительно-преобразовательной системы соединен с блоком регистрации сигнала ЭПР. Но, в отличие от известного, в предлагаемом спектрометре дополнительно введен повышающий резонансный трансформатор, начало первичной обмотки которого соединено с выходом генератора, а конец с блоком питания, а вторичная обмотка выполнена в виде резонансного контура, настроенного на частоту ВЧ модуляции магнитного поля и подключена к блоку регистрации сигнала ЭПР.

При сравнении известного спектрометра и предлагаемого видно, что предложенное решение содержит во входной цепи избирательный по частоте элемент - резонансный контур, настроенный на частоту регистрации сигнала ЭПР, что позволяет усилить полезный сигнал и ослабить нежелательные шумы.

Технический результат, достигаемый полезной моделью - улучшение отношения сигнал/шум и повышение чувствительности спектрометра.

Совокупность признаков, сформулированная в пункте 2 полезной модели, характеризует спектрометр ЭПР, в котором в качестве активного твердотельного элемента использован диод Гана.

Диод Гана упрощает электронную схему по сравнению со схемой которая используется при помещении в резонатор твердотельного элемента другого типа, например, лавинно-пролетного диода.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором схематически показан пример выполнения спектрометра ЭПР.

Приведенная конструкция спектрометра содержит рабочий резонатор 1 помещенный в зазор магнитной системы 2. Также в зазоре, параллельно полюсным наконечникам размещены катушки 3 высокочастотной модуляции, соединенные с выходом усилителя 4 мощности высокочастотной модуляции. Рабочий резонатор 1 жестко соединен с резонатором генератора 5. Это соединение может быть выполнено винтами.

Соединение выполняется таким образом, чтобы входная щель рабочего резонатора лежала на одной оси с выходным отверстием резонатора генератора. Внутри последнего распложен диод 6 Гана, который соединен через первичную обмотку 7 повышающего трансформатора с блоком питания 10. Вторичная обмотка 8 повышающего транформатора, выполненная в виде колебательного контура, настроенного на частоту регистрации сигнала ЭПР, соединена с усилительно-преобразовательной системой 9, которая, в свою очередь, соединена с блоком регистрации 11 сигнала ЭПР. Между рабочим и генераторным резонаторами имеется окно связи, в котором установлен регулировочный штырь 12. При его повороте изменяется связь между резонаторами, за счет чего происходит настройка резонаторов на одну частоту, т.е. достигается так называемый «эффект затягивания» частоты генератора высокодобротной резонаторной системы.

Для регистрации спектра ЭПР исследуемого образца на диод Гана подают номинальное напряжение, в результате чего возникают СВЧ колебания в резонаторе генератора 5 и в рабочем резонаторе 1. Благодаря тому, что между резонаторами установлена такая связь, при которой собственная частота рабочего резонатора становится «ведущей», рабочая частота резонатора генератора 5 устанавливается равной частоте рабочего резонатора. Для небольшого ее изменения можно воспользоваться регулировочным штырем 12. Такая настройка производится один раз в процессе производства пуско-наладочных работ, и ее повторение требуется только при смене диода Гана или замене рабочего резонатора.

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 с образцом, и, за счет связи между рабочим резонатором и резонатором генератора происходит сдвиг частоты и изменение тока, протекающего через диод Гана. Так как питание диода Гана осуществляется через первичную обмотку 7 повышающего трансформатора, изменение протекающего через него тока индуцирует во вторичной обмотке 8 трансформатора изменение тока большее в количество раз, равное коэффициенту трансформации повышающего трансформатора. Так как вторичная обмотка выполнена в виде резонансного контура, настроенного на частоту регистрации сигнала ЭПР, наблюдается рост сигнала ЭПР. Паразитные же шумы на других частотах наоборот, ослабляются в количество раз, равное добротности контура. Сигнал ЭПР, полученный на вторичной обмотке 8 регистрируется в усилительно-преобразовательной системе 9 и через нее фиксируется в блоке регистрации 11 сигнала ЭПР.

Приведенные схема устройства и описание его работы доказывают достижение технического результата - повышение отношения сигнал/шум и, следовательно, чувствительности, за счет применения повышающего резонансного трансформатора.

1. Спектрометр электронного парамагнитного резонанса, содержащий магнитную систему, в которой в зазоре магнита параллельно его полюсным наконечникам размещены катушки высокочастотной модуляции, соединенные с выходом усилителя мощности высокочастотной модуляции, рабочий резонатор, соединенный с блоком СВЧ, усилительно-преобразовательная система, соединенная с блоком питания, а выход усилительно-преобразовательной системы соединен с блоком регистрации сигнала электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), отличающийся тем, что дополнительно введен повышающий трансформатор, начало первичной обмотки которого соединено с выходом генератора, а конец с блоком питания, а вторичная обмотка выполнена в виде резонансного контура, настроенного на частоту ВЧ модуляции магнитного поля и подключена к усилительно-преобразовательной системе.

2. Спектрометр электронного парамагнитного резонанса по п.1, отличающийся тем, что в качестве активного твердотельного элемента генератора использован диод Ганна.