Устройство для определения концентрации парамагнитных частиц

ОЛ ИСА,.й., И E

ИЗОБРЕТЕНИЯ (11) 4323//

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 10.03.?1 (21) 1633072/26-25 с присоединением заявки № (32) Приоритет

Опубликовано 15 06.74. Бюллетень № 22

Дата опубликования описания 4.11.74 (51) М. Кл. С O l n 27 78

Гасударственный комите

Совета Министров СССР оо делам изооретеннй и открытии (53) УДК 539.142(088.8) (72) Авторы изобретения

Э. К. Мейстер, И. М. Десятник, И, E. Погуляевский и А. И. Кашлинский (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ

ПАРАМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к приборам, предназначенным для автоматического непрерывного анализа состава веществ, а именно, к устройствам для определения концентрации парамагнитных частиц в веществах методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Известны устройства для определения концентрации парамагнитных частиц в веществах, содержащие поляризующий магнит, тракт сверхвысокой частоты (СВЧ), усилитель напряжения переменного тока, синхронный детектор, усилитель сигнала ошибки, модулятор поляризующего магнитного поля с регулируемым и нерегулируемым выходными каскадами, подключенными соответственно к петлям модуляции поляризующего магнитного поля в сравнительном,и измеряемом образцах, расположенных в рабочем сверхвысокзчастотном резонаторе, помещенном в поляризующее магнитное поле. Амплитуда модуляции поляризующего магнитного поля в каждом образце много меньше ширины соответствующей линии спектра ЭПР, поэтому сигнал

ЭПР от каждого образца пропорционален произведению амплитуды модуляции и концентрации парамагнитных частиц.

В известных устройствах используется нулевой метод измерения и сигнал с выхода тракта СВЧ, являющийся разностью сигналов

ЭПР от образцов, поступает на вход цепи отрицательной обратной связи: усилитель напряжения переменного тока, синхронный детектор, усилитель сигнала ошибки, регулируемый выходной каскад модулятора, петля модуляции поля в сравнительном образце. Эта система автоматического регулирования поддерживает равенство сигналов ЗПР от образцов. В результате амплитуда модуляции поля

1О в сравнительном образце изменяется в точном соответствии с изменением сигнала ЭПР от измеряемого образца. По величине амплитуды модуляции в сравнительном образце и судят о концентрации парамагнитных частиц в,измеряемом образце, предполагая, что в нем амплитуда модуляции постоянна.

Однако результаты измерений с помощью известных устройств недостаточно стабильны, так как амплитуда модуляции измеряемого

20 образца изменяется в процессе работы, например, вследствие нестабильности напряжений питания модулятора, влияния внешних условий (температуры, влажности и т. д.), старения аппаратуры, изменения сопрогивле25 ния петли модуляции. А так как эти устройства непосредственно измеряют не концентрацию парамагпитных частиц в измеряемом образце, а сигнал ЗПР от этого образца, тэ они не могут различить изменение концентрации

30 парамагнитных частиц и амплитуды модуля432377 ции поля и поэтому p0агируют па любые изменения амплитуды модуляции измеряемого ооразца, как на изменение измеряемой концентрации.

С целью увеличения ci абильности результатов измерений концентрации парамагнитных частиц в анализируемом веществе в уcTройство введены две измерительные rrerли, индуктивно связанные соответственно с петлями модуляции сравнительного и измерясмого образцов и подключенные к измеритело отношения напряжений переменного тока, выход которого является измерительным выходом устройства и который выполнен, например, в виде двух амплитудных детекторов. подсоединенных к измерителю отношения напряжений постоянного тока.

На чертеже показана блок-схема устройства.

В поляризующем поле магнита 1 расположен рабочии СВЧ резонатор 2 с измеряс:,|ым образцом 3 и сравнительным образцом -i.

Тракт СВЧ устройства мо>кет быль выполнен по проходной схеме радиоспектрометра прямого усиления и иметь СВЧ генератор 5, рабочий СВЧ резонатор 2 и СВЧ детектор 6.

В качестве резонатора 2 может быть использован многополуволновый прямоугольный проходной резонатор. В резонаторе 2 в пучкостях магнитного поля СВЧ помещаются измеряемый 3 и сравнительный 4 образцы.

Для модуляции поляризу|ощего магнит . ого поля в образцах "- и 4 в устройстве предус ioTptIIrr петля модуляции 7 измеряе лого образна 3 и петля >. одуляцип 8 сравнительного образца 4. Петля модуляции 7 подключена к выходу нерегулируемого выходного каскада

9 модулятора поляризующего магнитного поля 12, а петля::одуляции 8 — к выходу регулируемого выходного каскада 10. Модулятор

2 содержит также задающий генератор 11.

СВЧ детектор 6 подключен ко входу усилителя напряжения переменного тока 13, нагрузкой которого является синхронный детектор 14. К, выходу синхронного детектора 14 подключен усилитель сигнала ошибки 15, связанный с цепью управления регулируемого выходного каскада 10.

С петлями модуляции 7 и 8 индуктивно связаны измерительные петли соответственно

16 и 17. Измерительные петли 16 и 17 подключены к измерителю отношения напряжений переменного тока 18, который может состоять из двух амплитудных детекторов 19, 20 и измерителя отношения напряжений постоянного тока 21.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 5 возбуждает в резонаторе 2 электромагнитное СВЧ поле, магнитная составляющая которого имеет максимумы в ооъемах измеряемого 3 и сравнительного 4 образцов. При значениях напряженности поляризующего поля магнита 1, соответствующих линия;r спектров ЭПР, в образцах 3 и 4 возникает ЭПР поглощение СВЧ энергии. Эго

Модуляция поля в образцах 3 и 4 осущест30 вляется токами, текущими в петлях модуляции 7 и 8. 1 ок в петле модуляции 7 измеряемого образца 3 создается нерегулируемым выходным каскадом 9 модулятора поляризующего магнитного поля 12, поэтому амплиту35 да модуляциями поля в измеряемом образце 3 не регулируется в процессе работы устройства. Ток в петле модуляции 8 сравнительного образца 4 создается регулируемым выходным каскадом 10 и и амплитуда модуляции поля

40 в сравнительном образце 4 зависит от вели|ины сигнала, приходящего на управляющий вход регулируемого выходного каскада 10 с усилителя сигнала ошибки 15. Частота модуляции поляризующего поля в обоих образцах

45 одинакова,, так как сигнал на нерегулируемый

9 и регулируемый 10 выходные каскады поступает с одного задающего генератора 11.

Фазы модуляции отличаются на 180 за счет соответствующего подключения петель моду50 ляции 7 и 8 к выходным каскадам 9 и 10, Вследствие этого сигнал на выходе детектора

6 имеет частоту модуляции и равен разности сигналов ЭПР от измеряемого и сравнительного образцов 3 и 4. Этот сигнал усиливается

55 усилителем напряжения переменного тока 13 и детектируется в синхронном детекторе 14.

Сигнал ош лбки, выделенный в синхронном детекторе 14, поступает на усилитель сигнала ошибки 15. Усиленный сигнал управляет

60 регулируемым выходным каскадом 10, и амплитуда модуляции поля в сравнительном образце 4 изменяется до тех пор, пока сигналы ЭПР 5» и SÄp не станут равными и сигнал па выходе детектора 6 не уменьшится до

65 н Уля

25 приводит к уменыпснк.о добротност| резонатора 2:и изменению мощи|ости, посл па:ошей в детектор 6.

Напряженность поляризующего поля в объеме каждого образца 3 и -1 независимо модулируется по синусоидальному закону с амплитудой, много .,|еньшсй ширины соответству|ощсй линии спектра ЭПР. При этом Ird выходе детектора 6 выделяется от каждого образца сигнал ЭПР, имеющий частоту, равную соответствующей частоте модуляции, и амплитуду, пропорциональную произведению соответству|ощих концентраций парамагнитпых |истиц и амплитуд .,|одуляцип поля, т. е.:

S„— й„С„, Scp ncpCcp где S» — амплитуда сигнала ЭПР от измеряемого образца 3;

S„p — то же от сравнительного образца 4;

/|» — амli;Ièòóää модуляции поляризующего магнитного ноля в измеряемом образце 3;

hcp — то же в сравнительном образце 4;

C» - концентрация парамагнитных частиц в измеряемом образце 3;

C,ð — то же в сравнительном образце 4.

432377 э

Таким образом, рассмотренная следящая система автоматического управления, изменяя амплитуду модуляции поля в сравнительно:I образце 4, постоянно поддерживает равенство: и — ср или (1)

З.д.с., наводимые в измерительных петлях 16 и 17, соответственно пропорциональны амплитудам модуляции поля Й„и Й,р в измеряемом

3 и сравнительном 4 образцах. Эти э.д.с. поступают на измеритель отношения напряжений переменного тока 18. В измерителе отношения 18 входные сигналы с измерительных петель 16 и 17 поступают на входы двух амплитудных детекторов 19 и 20. Выпрямленные напряжения с детекторов 19 и 20 после соответствующей фильтрации подаются на измеритель отношения напряжений постоянного тока 21, выход которого и является измерительным выходом всего устройства. В соответствии с этим выходной сигнал устройства ср

А= > или, учитывая равенство (1), А =- С„, (2)

Сср т. е. выходной сигнал зависит только от концентрации парамагнитных частиц в измеряемом образце 3, так как концентрация парамагнитных частиц в сравнительном образце 4 есть величина постоянная. Любые нестабильности, вызывающие изменения амплитуд модуляции I,I, и !г". в сравнительном п измеряемом Образцах 3 и 4, не влияют на,показания устройства, ибо оно постоянно следит путем изменения величины h,р за тем, чтобы соблюдалось равенство (2).

11рсдмет изобретения

Устройство для определения концентрации парамагнитных частиц в веществах методом электронного парамагнитного резонанса, содержащее поляризующий магнит, тракт сверхвысокой частоты, усилитель напряжения переменного тока, синхронпьш детск гор, усилитель сигнала ошибки, модулятор полярцзующего магнитного, поля с регулируемым и нерегулируемым выходными каскадами, под20 ключенными соответственно к петлям модуляции поляризующего магнитного поля в сравнительном и измеряемом образцах, расположенных в рабочем сверхвысокочастогном резонаторе, помещенном в поляризующсе

25 магнитное поле, отличающееся тем, что, с целью увеличения стабильности результатов измерений, оно снабжено двумя измеригельными петлями, индуктивно связанными с петлями модуляции сравнительного и измеряемо30 го образцов и подключенными к измсритслю отношения напряжений переменного тока, выполненному, например, в виде двух амплитудных детекторов, Выходы котор ых подклю|кн ы к измерителю отношения напряжений по35 стоянного тока, 432377

Составитель П. Домнин

Техред P. Юсипова

Корректор О. Тюрина

Редактор Л. Цветкова

Типография, пр, Сапунова, 2

Заказ 2951/1! Изд. Хз 1761 Тираж 537 Подниснос

ЫНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5