RU2711345C1 - High-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer - Google Patents
High-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2711345C1 RU2711345C1 RU2019118133A RU2019118133A RU2711345C1 RU 2711345 C1 RU2711345 C1 RU 2711345C1 RU 2019118133 A RU2019118133 A RU 2019118133A RU 2019118133 A RU2019118133 A RU 2019118133A RU 2711345 C1 RU2711345 C1 RU 2711345C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- microwave
- sample
- superconducting electromagnet
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
- G01N24/10—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using electron paramagnetic resonance
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может найти применение при исследованиях конденсированных материалов и наноструктур в физике, химии, биологии, геологии и других областях. Основным направлением в современных ЭПР исследованиях является повышение чувствительности и спектрального разрешения спектрометров путем увеличения рабочей частоты.The invention relates to techniques for spectroscopy of electron paramagnetic resonance (EPR) and may find application in studies of condensed materials and nanostructures in physics, chemistry, biology, geology and other fields. The main focus in modern EPR studies is to increase the sensitivity and spectral resolution of spectrometers by increasing the operating frequency.
Увеличение рабочей частоты приводит к значительному увеличению чувствительности, минимально регистрируемой концентрации спинов (для образцов малых размеров):An increase in the operating frequency leads to a significant increase in the sensitivity, the minimum recorded concentration of spins (for small samples):
где f - частота спектрометра ЭПР, Гц;where f is the frequency of the EPR spectrometer, Hz;
Nmin - число спинов в образце, шт. N min - the number of spins in the sample, pcs.
Рабочая частота связана с магнитным полем для простейшей системы со спином S=1/2 соотношением:The operating frequency is related to the magnetic field for the simplest system with a spin S = 1/2 ratio:
где: S - безразмерная величина, равная спину рассматриваемой парамагнитной системы; В - постоянное магнитное поле, Тл; ge - безразмерная величина, называемая g-фактором и характеризующая гиромагнитное отношение для электронного магнитного момента используемой спиновой системы; в простейшем случае для неспаренного электрона qe=2,00; βе=9,2740⋅10-24 - магнетон Бора, Дж/Тл;where: S is a dimensionless quantity equal to the back of the paramagnetic system under consideration; B - constant magnetic field, T; ge is a dimensionless quantity called the g-factor and characterizes the gyromagnetic ratio for the electronic magnetic moment of the used spin system; in the simplest case, for an unpaired electron qe = 2.00; βе = 9.2740⋅10 -24 - Bohr magneton, J / T;
h=6,62606896⋅10-34- постоянная Планка, Джс.h = 6.62606896⋅10 -34 - Planck constant, Js.
Спектральное разрешение определяется возможностью регистрировать малые изменения g-фактора Δg, которые могут быть записаны в виде:The spectral resolution is determined by the ability to record small changes in the g-factor Δg, which can be written as:
где ΔB - изменение положения линии ЭПР в магнитном поле (сдвиг линии ЭПР) при изменении g-фактора Δg, и, как следует из формулы (3), это изменение пропорционально величине магнитного поля В, которое, как следует из формулы (2), пропорционально частоте:where ΔB is the change in the position of the EPR line in the magnetic field (shift of the EPR line) with a change in the g factor Δg, and, as follows from formula (3), this change is proportional to the magnitude of the magnetic field B, which, as follows from formula (2), in proportion to frequency:
Таким образом, увеличение рабочей частоты спектрометра от традиционной частоты 9.4 ГГц до 94 ГГц приводит к увеличению разрешающей способности спектрометра в 10 раз, а последующее увеличение частоты до 130 ГГц приводит к дальнейшему увеличению разрешающей способности спектрометра еще в 1,4 раза. При этом чувствительность увеличилась в первом случае в (10)9/2≈30000 раз, а во втором еще в раза. Увеличение рабочей частоты спектрометра ЭПР также приводит к достижению более высоких больцмановских факторов, играющих определяющую роль во многих физических спин-зависимых процессах, включая динамическую поляризацию ядер. Увеличение рабочей частоты спектрометра позволяет исследовать спиновые системы с большими начальными расщеплениями, которые не доступны для измерений в стандартном 3 см диапазоне ЭПР.Thus, an increase in the operating frequency of the spectrometer from the traditional frequency of 9.4 GHz to 94 GHz leads to an increase in the resolution of the spectrometer by a factor of 10, and a subsequent increase in frequency to 130 GHz leads to a further increase in the resolution of the spectrometer by another 1.4 times. In this case, the sensitivity in the first case increased by (10) 9/2 ≈30000 times, and in the second times. An increase in the operating frequency of the EPR spectrometer also leads to higher Boltzmann factors, which play a decisive role in many physical spin-dependent processes, including dynamic polarization of nuclei. An increase in the operating frequency of the spectrometer makes it possible to study spin systems with large initial splitting, which are not available for measurements in the standard 3 cm EPR range.
Известен высокочастотный спектрометр электронного парамагнитного резонанса (см. патент RU 2411529, МПК G01R 33/60, G01N 24/10, опубликован 10.02.2011). Спектрометр содержит генератор сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона 90-100 ГГц, систему транспортировки микроволновой мощности на образец, резонатор, снабженный поршнем и держателем для образца, детектор микроволнового сигнала, синхронный детектор, генератор модуляции магнитного поля, модуляционные катушки, блок развертки магнитного поля, сверхпроводящий магнит, криогенную систему для поддержания температуры жидкого гелия, снабженную оптическим окном, и блок управления. Система транспортировки микроволновой мощности на образец выполнена в виде последовательно установленных первого 3 мм волновода, первой рупорной антенны, по меньшей мере одной диэлектрической линзы, второй рупорной антенны, обращенной рупором к рупору первой рупорной антенны, и второго 3 мм волновода. В криогенной системе размещены сверхпроводящий магнит, модуляционные катушки, вторая рупорная антенна, второй 3 мм волновод и резонатор. Вторая рупорная антенна установлена против оптического окна криогенной системы и через второй 3 мм волновод соединена с резонатором через отверстие связи. Первая рупорная антенна и по меньшей мере одна диэлектрическая линза установлены снаружи криогенной системы против его оптического окна.Known high-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer (see patent RU 2411529, IPC G01R 33/60, G01N 24/10, published 02/10/2011). The spectrometer contains a microwave generator 90-100 GHz, a microwave power transmission system for the sample, a resonator equipped with a piston and a sample holder, a microwave signal detector, a synchronous detector, a magnetic field modulation generator, modulation coils, a magnetic field sweep, superconducting a magnet, a cryogenic system for maintaining the temperature of liquid helium, equipped with an optical window, and a control unit. The microwave power transport system to the sample is made in the form of a first 3 mm waveguide, a first horn antenna, at least one dielectric lens, a second horn antenna facing the horn of the first horn antenna, and a second 3 mm waveguide in series. The cryogenic system contains a superconducting magnet, modulation coils, a second horn antenna, a second 3 mm waveguide and resonator. The second horn antenna is installed against the optical window of the cryogenic system and through the second 3 mm waveguide is connected to the resonator through the communication hole. The first horn antenna and at least one dielectric lens are mounted outside the cryogenic system against its optical window.
Недостатком спектрометра является большие потери микроволновой мощности за счет использования открытого канала и апертуры окон в криогенной системе.The disadvantage of the spectrometer is the large loss of microwave power due to the use of the open channel and the aperture of the windows in the cryogenic system.
Известен высокочастотный спектрометр электронного парамагнитного резонанса (см. HJ.van der Meer, J.A. J.M. Disselhorst, J.Allgeier, J. Schmidt and W. Th. Wenckebach, Meas. Sci. Technol., 1, pp. 396-400 (1990), J.A.J.M. Disselhorst, H.J. van der Meer, O.G. Poluektov, and J. Schmidt, J. Magn. Reson., Ser. A 115, pp. 183-188, 1995). Спектрометр включает генератор сверхвысокой частоты микроволнового излучения 3 мм диапазона с частотой 94,9 ГГц, систему транспортировки микроволновой мощности на образец в виде комбинации волноводов 3 мм, 8 мм и 3 см диапазонов, криогенную систему с температурой жидкого гелия 2 K, сверхпроводящий магнит. В устройстве сигнал ЭПР регистрируют по сигналу электронного спинового эха в микроволновом канале с помощью приемника микроволнового излучения.Known high-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer (see HJ.van der Meer, JAJM Disselhorst, J. Allgeier, J. Schmidt and W. Th. Wenckebach, Meas. Sci. Technol., 1, pp. 396-400 (1990), JAJM Disselhorst, HJ van der Meer, OG Poluektov, and J. Schmidt, J. Magn. Reson., Ser. A 115, pp. 183-188, 1995). The spectrometer includes a microwave generator of 3 mm range with a frequency of 94.9 GHz, a system for transporting microwave power to a sample in the form of a combination of waveguides of 3 mm, 8 mm and 3 cm ranges, a cryogenic system with a liquid helium temperature of 2 K, a superconducting magnet. In the device, the EPR signal is recorded by the electronic spin echo signal in the microwave channel using a microwave radiation receiver.
Недостатком спектрометра является длинный микроволновый тракт (более двух метров), включающий волноводные системы трех диапазонов (3 см, 8 мм, 3 мм) с соответствующими переходами между волноводами, приводящий к потерям микроволновой мощности и к появлению многочисленных отражений на границах волноводных систем. Наличие волноводной системы неизбежно приводит к значительным тепловым потерям и вызывает дополнительные трудности по изготовлению теплового затвора в виде дополнительного участка волновода из материала с малой теплопроводностьюThe disadvantage of the spectrometer is a long microwave path (more than two meters), including waveguide systems of three ranges (3 cm, 8 mm, 3 mm) with corresponding transitions between waveguides, leading to microwave power losses and the appearance of numerous reflections at the boundaries of waveguide systems. The presence of a waveguide system inevitably leads to significant heat losses and causes additional difficulties in manufacturing a thermal gate in the form of an additional section of the waveguide from a material with low thermal conductivity
Известен высокочастотный спектрометр электронного парамагнитного резонанса (см. Письма в ЖТФ 43, вып.8, р. 63-7, 2017), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Спектрометр - прототип включает микроволновый блок, состоящий, например, из высокостабильного твердотельного генератора фиксированной частоты U=7.23 ГГц, супергетеродинного приемника, формирователя импульсов и циркулятора, криогенную систему, сверхпроводящий электромагнит, блок управления сверхпроводящим электромагнитом, микроволновую вставку для образца из немагнитного материала, систему регистрации и компьютер. При этом выход микроволнового блока соединен с входом системы регистрации, вход/выход микроволнового блока соединен с входом/выходом микроволновой вставки для образца через переходник, вход/выход системы регистрации соединен с первым входом/выходом компьютера, выход блока управления сверхпроводящим электромагнитом соединен со сверхпроводящим электромагнитом, вход/выход блока управления сверхпроводящим электромагнитом соединен со вторым входом/выходом компьютера, вход/выход криогенной системы соединен с третьим входом/выходом компьютера. Микроволновая вставка для образца включает микроволновый резонатор с образцом, который размещается в изолированном объеме криостата. Разработана конструкция перестраиваемых одномодовых цилиндрических резонаторов Н011, которые для разных диапазонов отличаются только размерами. Связь осуществляется по боковой стенке, а частота перестраивается перемещением верхней крышки. Для сокращения потерь транспортировка микроволной мощности от микроволнового блока к резонатору для всех рабочих диапазонов осуществляется по 8-mm волноводам с использованием переходных секций на волновод соответствующего диапазона.A high-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer is known (see Letters in ZhTF 43,
К недостаткам спектрометра-прототипа относится сложная конструкция микроволновой вставки для образца, включающей резонатор, который ограничивает размер исследуемого образца до диаметра менее 0.5 мм, что усложняет ориентацию образца в магнитном поле и требует высокой квалификации персонала для настройки. Необходимость транспортировки СВЧ мощности от микроволнового блока с использованием волноводов 8-mm диапазона и волноводных переходов между диапазонами также усложняет конструкцию спектрометра и приводит к появлению многочисленных отражений в СВЧ системе.The disadvantages of the prototype spectrometer include the complex design of the microwave insert for the sample, including a resonator, which limits the size of the test sample to a diameter of less than 0.5 mm, which complicates the orientation of the sample in a magnetic field and requires highly qualified personnel to configure. The need to transport microwave power from the microwave unit using 8-mm waveguides and waveguide transitions between the ranges also complicates the design of the spectrometer and leads to the appearance of numerous reflections in the microwave system.
Задачей настоящего технического решения является разработка высокочастотного спектрометра электронного парамагнитного резонанса, который бы обеспечивал упрощение его конструкции при сохранении чувствительности спектрометра.The objective of this technical solution is to develop a high-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer that would simplify its design while maintaining the sensitivity of the spectrometer.
Поставленная задача решается тем, что высокочастотный спектрометр электронного парамагнитного резонанса включает микроволновый блок, криогенную систему, сверхпроводящий электромагнит, блок управления сверхпроводящим электромагнитом, микроволновую вставку для образца из немагнитного материала, систему регистрации и компьютер, при этом сверхпроводящий электромагнит и микроволновая вставка для образца расположены внутри криогенной системы, а выход микроволнового блока соединен с первым входом системы регистрации, вход/выход микроволнового блока соединен через переходник с входом/выходом микроволновой вставки для образца, вход/выход системы регистрации соединен с первым входом/выходом компьютера, выход блока управления сверхпроводящим электромагнитом соединен со сверхпроводящим электромагнитом, вход блока управления сверхпроводящим электромагнитом соединен с выходом компьютера, вход/выход криогенной системы соединен со вторым входом/выходом компьютера. Новым в настоящем техническом решении является то, что микроволновая вставка для образца выполнена с возможностью вращения вокруг продольной оси в виде волновода круглого сечения диаметром 3-5 мм, закрытого на торце поперечной сплошной перегородкой.The problem is solved in that the high-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer includes a microwave unit, a cryogenic system, a superconducting electromagnet, a superconducting electromagnet control unit, a microwave insert for a sample of non-magnetic material, a recording system and a computer, while the superconducting electromagnet and microwave insert for the sample are located inside cryogenic system, and the output of the microwave unit is connected to the first input of the registration system, input / output micro The main unit is connected through the adapter to the input / output of the microwave insert for the sample, the input / output of the registration system is connected to the first input / output of the computer, the output of the superconducting electromagnet control unit is connected to the superconducting electromagnet, the input of the superconducting electromagnet control unit is connected to the computer output, input / output the cryogenic system is connected to the second input / output of the computer. New in this technical solution is that the microwave insert for the sample is made to rotate around its longitudinal axis in the form of a circular waveguide with a diameter of 3-5 mm, closed at the end of the transverse solid partition.
Высокочастотный спектрометр электронного парамагнитного резонанса может содержать генератор низкой частоты и модуляционные катушки, при этом первый выход генератора низкой частоты подключен к модуляционным катушкам, расположенным снаружи волновода круглого сечения, а второй выход генератора низкой частоты соединен со вторым входом системы регистрации.A high-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer may include a low-frequency generator and modulation coils, while the first output of the low-frequency generator is connected to modulation coils located outside the circular waveguide, and the second output of the low-frequency generator is connected to the second input of the registration system.
Использование микроволновой вставки для образца, выполненной в виде волновода круглого сечения диаметром 3-5 мм, закрытого на торце поперечной сплошной перегородкой позволяет использовать моды СВЧ, аналогичные распределению магнитных и электрических полей СВЧ в цилиндрическом резонаторе 3 мм и 2 мм диапазонов без необходимости применения одномодового резонатора. Последнее исключает операцию по настройке резонатора, что позволяет решить сразу несколько проблем, которые возникают при применении одномодового резонатора. Размер образца ограничивается только диаметром круглого волновода, то есть, нет необходимости уменьшать размер образца примерно на порядок для работы с резонатором. Нет необходимости использования кварцевых трубочек для образца, что позволяет исключить паразитные сигналы ЭПР. Упрощается конструкция микроволновой вставки для образца и за счет того, что убирается система настройки резонатора и его согласования с волноводной системой. В большой степени за счет того, что уменьшается количество соединений в волноводной системе, приводящее к нежелательным отраженным сигналам и из-за увеличения размера образца, сохраняется чувствительность спектрометра ЭПР, относящегося к данному техническому решению. Такой спектрометр не восприимчив к вибрациям, создаваемым, при эксплуатации криостата с замкнутым циклом, например, входящего в состав криогенной системы. Круглая форма волновода упрощает вращение микроволновой вставки для образца вокруг продольной оси, что дает возможность выставлять ориентацию образца в магнитном поле.The use of a microwave insert for a sample made in the form of a circular cross-sectional waveguide with a diameter of 3-5 mm, closed at the end of a transverse solid partition, allows using microwave modes similar to the distribution of microwave magnetic and electric fields in a cylindrical cavity of 3 mm and 2 mm ranges without the need for a single-mode resonator . The latter excludes the operation for tuning the resonator, which allows us to solve several problems that arise when using a single-mode resonator. The size of the sample is limited only by the diameter of the circular waveguide, that is, there is no need to reduce the size of the sample by about an order of magnitude for working with the resonator. There is no need to use quartz tubes for the sample, which eliminates spurious EPR signals. The design of the microwave insert for the sample is simplified due to the fact that the resonator tuning system and its matching with the waveguide system are removed. To a large extent, due to the fact that the number of compounds in the waveguide system is reduced, leading to undesirable reflected signals and due to the increase in sample size, the sensitivity of the EPR spectrometer related to this technical solution is preserved. Such a spectrometer is not susceptible to vibrations generated during operation of a closed-cycle cryostat, for example, which is part of a cryogenic system. The circular waveguide shape simplifies the rotation of the microwave insert for the sample around the longitudinal axis, which makes it possible to set the orientation of the sample in a magnetic field.
Настоящий спектрометр ЭПР поясняется чертежами, гдеThis EPR spectrometer is illustrated by drawings, where
на фиг. 1 приведена блок-схема настоящего высокочастотного спектрометра электронного парамагнитного резонанса, работающего в импульсном режиме;in FIG. 1 shows a block diagram of a real high-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer operating in a pulsed mode;
На фиг. 2 приведена блок-схема настоящего высокочастотного спектрометра электронного парамагнитного резонанса, работающего в непрерывном режиме;In FIG. 2 shows a block diagram of a real high-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer operating in a continuous mode;
на фиг. 3 приведен спектр ЭПР, снятый на спектрометре-прототипе;in FIG. 3 shows the EPR spectrum recorded on a prototype spectrometer;
на фиг. 4 приведен спектр ЭПР, снятый на спектрометре, описанном в данном техническом решении.in FIG. 4 shows the EPR spectrum recorded on the spectrometer described in this technical solution.
Настоящий высокочастотный спектрометр электронного парамагнитного резонанса (см. фиг. 1) включает микроволновый блок (МБ) 1, состоящий, например, из высокостабильного твердотельного генератора фиксированной частоты f1=7.23 ГГц, супергетеродинного приемника, формирователя импульсов и циркулятора (не показаны на чертеже), криогенную систему (КС) 2, включающую, например, криостат замкнутого цикла (не показан на чертеже), сверхпроводящий электромагнит 3, блок управления (БУМ) 4 сверхпроводящим электромагнитом 3, микроволновую вставку 5 для образца 6 из немагнитного материала, систему регистрации (CP) 7 и компьютер (К) 8. При этом выход микроволнового блока (МБ) 1 соединен с первым входом системы регистрации (CP) 7, вход/выход микроволнового блока (МБ) 1 соединен с входом/выходом микроволновой вставки 5 для образца 6 через переходник 9, вход/выход системы регистрации (CP) 7 соединен с первым входом/выходом компьютера (К) 8, выход блока управления (БУМ) 4 сверхпроводящим электромагнитом 3 соединен со сверхпроводящим электромагнитом 3, вход блока управления (БУМ) 4 сверхпроводящим электромагнитом 3 соединен с выходом компьютера (К) 8, вход/выход криогенной системы (КС) 2 соединен со вторым входом/выходом компьютера (К) 8. Сверхпроводящий электромагнит 3 и микроволновая вставка 5 для образца 6 расположены внутри криогенной системы (КС) 2. Микроволновая вставка 5 для образца 4 выполнена с возможностью вращения вокруг продольной оси в виде волновода 10 круглого сечения диаметром 3-5 мм, закрытого на торце поперечной сплошной перегородкой 11.A real high-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer (see Fig. 1) includes a microwave unit (MB) 1, consisting, for example, of a highly stable solid-state generator of a fixed frequency f 1 = 7.23 GHz, a superheterodyne receiver, a pulse shaper, and a circulator (not shown in the drawing) , a cryogenic system (CS) 2, including, for example, a closed-loop cryostat (not shown in the drawing), a
Высокочастотный спектрометр электронного парамагнитного резонанса (см. фиг. 2) может содержать генератор (ГН) 12 низкой частоты и модуляционные катушки 13, при этом первый выход генератора (ГН) 12 низкой частоты подключен к модуляционным катушкам 13, расположенным снаружи волновода 10 круглого сечения, а второй выход генератора (ГН) 12 низкой частоты соединен со вторым входом системы регистрации (CP) 7.A high-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer (see FIG. 2) may comprise a low-frequency generator (GN) 12 and
Настоящий высокочастотный спектрометр электронного парамагнитного резонанса, блок схема которого приведена на рисунке 1, работает в импульсном режиме следующим образом. Микроволновая мощность от микроволнового блока (МБ) 1 диапазона 94 ГГц или 130 ГГц через микроволновую вставку 5 для образца 6 поступает на образец 6. Вращение микроволновой вставки 5 для образца 6 вокруг продольной оси дает возможность выставлять ориентацию образца 6 в магнитном поле, создаваемом сверхпроводящим электромагнитом 3. Вращение вставки 5 возможно, например, за счет того, что она выполнена из волновода 10 круглого сечения диаметром 3-5 мм, состоящего из неподвижной части и части, выполненной с возможностью вращения и закрытой на торце поперечной сплошной перегородкой 11. Части волновода 10 в данном случае соединены через вращающееся сочленение. Криогенная система (КС) 2, включающая, например, криостат замкнутого цикла, и помещенные в рабочий объем криостата сверхпроводящий электромагнит 3 и микроволновая вставка 5 для образца 6 позволяют создавать и разворачивать магнитное поле на образце 6 для выполнения резонансных условий, а также устанавливать требуемую температуру измерений. Отраженный от образца 6 высокочастотный сигнал поступает в обратном направлении через микроволновую вставку 5 для образца 6 на вход/выход микроволнового блока (МБ) 1, где он детектируется и поступает на систему регистрации (CP) 7 и далее на компьютер (К) 8.A real high-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer, the block diagram of which is shown in Figure 1, operates in the pulsed mode as follows. The microwave power from the microwave unit (MB) 1 of the range 94 GHz or 130 GHz through the
Высокочастотный спектрометр электронного парамагнитного резонанса, блок-схема которого приведена на рисунке 2, может работать в непрерывном режиме следующим образом. Модуляционные катушки 13, подключенные к генератору (ГН) 12 низкой частоты создают дополнительное осциллирующее магнитное поле на низкой частоте, что дает возможность использовать синхронное детектирование для измерения сигнала ЭПР. Пример. Заявляемое устройство иллюстрируется на примере опытного образца спектрометра ЭПР, работающего на фиксированных рабочих частотах 94 ГГц и 130 ГГц. Опытный образец устройства включает микроволновый блок, криогенную систему, включающую криостат замкнутого цикла, в котором температура регулируется в диапазоне от 1.5 до 300К, сверхпроводящий электромагнит системы Гельмгольца, блок управления сверхпроводящим электромагнитом, микроволновую вставку для образца из немагнитной нержавеющей стали, систему регистрации и компьютер. Были собраны микроволновые блоки, в которых задающая частота равна 7.23 ГГц и использовалось преобразование частот с коэффициентом умножения N=13 для получения частоты 94 ГГц и N=18 для получения частоты 130 ГГц. Микроволновая вставка для образца и сверхпроводящий электромагнит расположены внутри криостата замкнутого цикла. Микроволновая вставка для образца соединена с микроволновым блоком через переходник прямоугольный волновод/круглый волновод. Вставка выполнена из волновода круглого сечения диаметром 5 мм, состоящего из неподвижной части и части, выполненной с возможностью вращения и закрытой на торце поперечной сплошной перегородкой. Части волновода соединены через вращающееся сочленение.A high-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer, the block diagram of which is shown in Figure 2, can operate in the continuous mode as follows. Modulation coils 13 connected to a low-frequency generator (GN) 12 create an additional oscillating magnetic field at a low frequency, which makes it possible to use synchronous detection to measure the EPR signal. Example. The inventive device is illustrated by the example of a prototype EPR spectrometer operating at fixed operating frequencies of 94 GHz and 130 GHz. The prototype device includes a microwave unit, a cryogenic system including a closed cycle cryostat in which the temperature is regulated in the range from 1.5 to 300K, a Helmholtz system superconducting electromagnet, a superconducting electromagnet control unit, a microwave insert for a non-magnetic stainless steel specimen, a recording system, and a computer. Microwave units were assembled in which the driving frequency was 7.23 GHz and the frequency conversion was used with a multiplication factor of N = 13 to obtain a frequency of 94 GHz and N = 18 to obtain a frequency of 130 GHz. A microwave insert for the sample and a superconducting electromagnet are located inside a closed-loop cryostat. The microwave insert for the sample is connected to the microwave unit through a rectangular waveguide / circular waveguide adapter. The insert is made of a circular waveguide with a diameter of 5 mm, consisting of a fixed part and a part made with the possibility of rotation and closed at the end by a transverse solid partition. Parts of the waveguide are connected through a rotating joint.
На рисунке 3 приведен спектр ЭПР кристалла TiO2:Fe, записанный на спектрометре прототипе на частоте 94 ГГц с использованием резонатора. Спектр был записан при температуре 20 К. На рисунке 4 приведен спектр ЭПР того же кристалла TiO2:Fe, при той же температуре, в близкой ориентации, записанный на спектрометре, заявленном в настоящем техническом решении, на частоте 94 ГГц. По соотношению сигнал/шум видно, что чувствительность спектрометра, заявленного в настоящем техническом решении, не уступает резонаторной схеме спектрометра прототипа.Figure 3 shows the EPR spectrum of a TiO 2 : Fe crystal recorded on a prototype spectrometer at a frequency of 94 GHz using a resonator. The spectrum was recorded at a temperature of 20 K. Figure 4 shows the EPR spectrum of the same TiO 2 : Fe crystal, at the same temperature, in a similar orientation, recorded on a spectrometer declared in this technical solution at a frequency of 94 GHz. The signal-to-noise ratio shows that the sensitivity of the spectrometer stated in this technical solution is not inferior to the resonator circuit of the prototype spectrometer.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019118133A RU2711345C1 (en) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | High-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019118133A RU2711345C1 (en) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | High-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2711345C1 true RU2711345C1 (en) | 2020-01-16 |
Family
ID=69171729
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019118133A RU2711345C1 (en) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | High-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2711345C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU911269A2 (en) * | 1980-06-04 | 1982-03-07 | Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им.А.Н.Севченко | Electron paramagnetic resonance spectrometer |
RU2095797C1 (en) * | 1995-02-27 | 1997-11-10 | Самвел Герасимович Геворгян | Electron paramagnetic resonance spectrometer |
US6472874B1 (en) * | 2000-09-01 | 2002-10-29 | Council Of Scientific And Industrial Research | EPR imaging device using microwave bridge translator |
US20140176136A1 (en) * | 2011-07-21 | 2014-06-26 | Bruker Biospin Corporation | Cryogen-free cooling system for electron paramagnetic resonance spectrometer |
RU2634076C1 (en) * | 2016-07-28 | 2017-10-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Spectrometer of electronic paramagnetic resonance |
-
2019
- 2019-06-11 RU RU2019118133A patent/RU2711345C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU911269A2 (en) * | 1980-06-04 | 1982-03-07 | Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем им.А.Н.Севченко | Electron paramagnetic resonance spectrometer |
RU2095797C1 (en) * | 1995-02-27 | 1997-11-10 | Самвел Герасимович Геворгян | Electron paramagnetic resonance spectrometer |
US6472874B1 (en) * | 2000-09-01 | 2002-10-29 | Council Of Scientific And Industrial Research | EPR imaging device using microwave bridge translator |
US20140176136A1 (en) * | 2011-07-21 | 2014-06-26 | Bruker Biospin Corporation | Cryogen-free cooling system for electron paramagnetic resonance spectrometer |
RU2634076C1 (en) * | 2016-07-28 | 2017-10-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Spectrometer of electronic paramagnetic resonance |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Morley et al. | A multifrequency high-field pulsed electron paramagnetic resonance/electron-nuclear double resonance spectrometer | |
US7276902B1 (en) | Detection with evanescent wave probe | |
US6693426B1 (en) | Spatially resolved spin resonance detection | |
Disselhorst et al. | A pulsed EPR and ENDOR spectrometer operating at 95 GHz | |
Soohoo | A microwave magnetic microscope | |
Blok et al. | A continuous-wave and pulsed electron spin resonance spectrometer operating at 275 GHz | |
EP1330182B1 (en) | Device and method for producing a hyperpolarised nmr sample | |
WO2015015172A1 (en) | Sensitive detector | |
Bramley et al. | Electron paramagnetic resonance spectroscopy at zero magnetic field | |
US6046586A (en) | Crossed-loop resonator structure for spectroscopy | |
WO1997038331A9 (en) | Crossed-loop resonator structure for spectroscopy | |
Pagliero et al. | Time-resolved, optically detected NMR of fluids at high magnetic field | |
Rinard et al. | An L-band crossed-loop (bimodal) EPR resonator | |
Rohrer et al. | Fabry-Perot resonator for high-field multi-frequency ESR at millimetre and submillimetre wavelengths | |
RU2634076C1 (en) | Spectrometer of electronic paramagnetic resonance | |
RU2711345C1 (en) | High-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer | |
RU2654967C1 (en) | Method of measuring the characteristics of the magnetic field | |
RU2411529C1 (en) | Electron paramagnetic resonance spectrometre | |
US6946835B1 (en) | Spatially resolved spin resonance detection | |
US5030914A (en) | Electron paramagnetic resonance instrument with superconductive cavity | |
JP4266216B2 (en) | NMR / ESR antenna and analyzer using the same | |
RU2711228C1 (en) | High-frequency electron paramagnetic resonance spectrometer | |
Seck et al. | A sensitive broadband high-frequency electron spin resonance/electron nuclear double resonance spectrometer operating at 5–7.5 mm wavelength | |
Brunel | Recent developments in high frequency/high magnetic field CW EPR. Applications in chemistry and biology | |
Avdievich et al. | Modified perturbation method for transverse electromagnetic (TEM) coil tuning and evaluation |