SU823994A1

SU823994A1 - Радиоспектрометр электронногопАРАМАгНиТНОгО РЕзОНАНСА

Info

Publication number: SU823994A1
Application number: SU792747549A
Authority: SU
Inventors: Владимир Николаевич Линев; Николай Львович Лисовский; Виктор Борисович Мочальский; Евгений Яковлевич Фурса; Валерий Петрович Яновский
Original assignee: Белорусский Ордена Трудового Красногознамени Государственный Университетим.B.И.Ленина
Priority date: 1979-04-05
Filing date: 1979-04-05
Publication date: 1981-04-23

Description

Изобретение относится к технике электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может быть использовано для проведения исследований в химии, биологии и физике.

Известен радиоспектрометр ЭПР, содержащий блок СВЧ с последовательно соединенными усилителем, синхронным детектором и фильтром нижних частот, генератор ВЧ колебаний и измеритель- ^wный резонатор, который расположен между полюсными наконечниками электромагнита, подключенного к последовательно соединенным источнику питания и генератору развертки. Радиоспектрометр ЭПР осуществляет регистрацгао первой производной сигнала ЭПР при линейной развертке магнитного поля |TJ .

Недостатком известного радиоспектро-_л метра ЭПР является сложность процесса его настройки для регистрации первой производной сигнала ЭПР с малыми искажениями и высокой чувствительностью, причем регистрация сигнала ЭПР занимает много времени.

Наиболее близким техническим реше- . нием является радиоспектрометр ЭПР, содержащий электромагнит с источником питания и генератором развертки, между полюсными наконечниками которого помещен измерительный резонатор, соединенный через делитель частоты с генератором ВЧ колебаний и со входом блока СВЧ, выход которого через ¹усилитель соединен со схемой регистрации первой производной, состоящей из последовательно соединенных первого* синхронного детектора, опорное напряжение на который подается с выхода делителя частоты, и первого фильтра нижних частот, и со схемой регистрации второй производной, -состоящей из последовательно соединенных второго синхронного детектора, опорное напряжение на который подается с выхода генератора ВЧ колебаниями второго фильтра нижних частот.

823994 4

Радиоспектрометр ЭПР осуществляет регистрацию первой или второй производной сигнала ЭПР. при линейной развертке* магнитного поля путем подключения генератора ВЧ колебаний к резо-. натору прямо или через делитель частоты .(2].

Недостатком известного радиоспектрометра ЭПР является сложность процесса его настройки для регистрации сигнала ЭПР с малыми искажениями и максимальной чувствительностью. В процессе настройки осуществляют предварительную запись спектральной линии ЭПР и оценивают ее параметры •для выбора условий регистрации (амп|литуды-и времени развертки, постоян-; ной времени и др.), что занимает много времени.

Цель изобретения - упрощение настройки радиоспектрометра и сокращение времени регистрации.

синхронным детектором 3 и вторым [фильтром 4 нижних частот, а с другой стороны - с измерительным резонатором 5, который расположен между 5 [полюсными, наконечниками электромагнита 6. Генератор 7 ВЧ колебаний че1рез делитель 8 частоты соединен с из(мерительным резонатором 5. К выходу |усилителя 2 подключены последователь-’ 10 «о соединенные первый синхронный детектор 9, первый фильтр 10 нижних частот, двухполупериодный выпрямитель 1I и схема 12 деления, причем второй вход схемы 12 деления соеди15 йен с генератором 13 порогового сигнала. Опорные входы первого и второго синхронных детекторов. 3. и 9 соединены соответственно с выходом делителя 8 частоты и генератором 7 ВЧ колебаний.

₂₀ Выход.схемы 12 деления подключен к управляющему входу генератора 14 развертки, который связан с источником 15 , Указанная цель достигается тем, что в известный радиоспектрометр ЭПР, содержащий электромагнит с источником 25 питания и генератором развертки, между полюсньвш наконечниками которого помещен измерительный резонатор, соединенный через делитель частоты с генератором ВЧ колебаний и со входом зо блокд СВЧ, выход которого через усилитель соединен со схемой регистрации первой производной,’состоящей из последовательно соединенных первого синхронного детектора, опорное напря- ₃₅жение на который подается с выхода делителя частоты, и первого фильтра нижних частот, и со схемой регистрации второй производной, состоящей из последовательно соединенных второго ₄θ синхронного детектора, опорное напряжение на который подается с выхода генератора ВЧ колебаний, и второго фильтра нижних частот, в него дополнительно введены схема деления, генератор порогового сигнала и двухполупериодный выпрямитель, подключенный входом к выходу второго фильтра нижних частот, а выходом к первому входу схемы деления, выход которой соединен с управляющим входом генератора раз- ⁵⁰вертки, причем выход генератора порогового сигнала подключен ко второму входу схемы деления сигнала.

На чертеже представлена блок-схема радиоспектрометра ЭПР. ⁵⁵

Она содержит блок 1 СВЧ, соединенный с одной стороны с последовательно , включенными усилителем 2, вторым (питания, соединенным с электромагнитом 6.

Радиоспектрометр работает следующим образом. В блоке 1 СВЧ .формируется мощность СВЧ и п-одводится к исследуемому образцу, помещенному в измерительный резонатор 5, который расположен между полюсными наконечниками электромагнита 6. Электромагнит 6 создает в резонаторе 5 стабильное поляризующее магнитное поле с помощью источника 15 питания. Высокочастотная модуляция магнитного поля на образце осуществляется с помощью сигнала, сформированного генератором 7 ВЧ колебаний и делителем 8 частоты на Два. В результате развертки магнитного поля генератором 14 развертки, при прохождении резонансного значения магнитного поля на выходе блока 1 СВЧ, формируется сигнал ЭПР на частоте модуляции магнитного поля..

После усиления сигнала ЭПР на частоте модуляции магнитного поля усилителем 2 осуществляется синхронное детектирование одновременно на удвоенной частоте модуляции и на частоте модуляции соответственно первым и вторым синхронными детекторами 9 и 3. Для · улучшения отношения сигнал/шум осуществляют низкочастотную фильтрацию сигналов с выходов первого и второго синхронных детекторов 9 и 3 с помощью ·' соответственно первого и второго фильтров 10 и 4 нижних частот, на выходах которых формируются производные сигнала поглощения ЭПР - вторая <3²Y/cJH² (выход первого фильтра нижних частот), и перваяdT/dH (выход второго фильтра нижних частот). Амплитудные искажения первой производной Сигнала по-» глощения ЭПР^У^Нза счет фильтрации определяются выражением

4ан) dH ³ dH dt ¹ постоянная времени интегрирования второго фильтра нижних частот;

— скорость развертки магнитного поля.

Из полученного сигналасЗН^Ъ двухполупериодный. выпрямитель 1 Г формирует его модуль d’Y/dH⁴ . СхемаД2 деления вырабатывает сигнал где

А - сигнал, сформированный генерато13 порогового сигнала. Этот сигпоступает на управляющий вход ге823994 6 мя развертки в известном устройстве. Максимальные амплитудные искажения Аунаблюдаются вблизи резонансного значения магнитного поля, где скорость изменения сигнала д (<№ максимальная. — dH _ где .¾

V) ίο

IS

А ром нал нератора 14 развертки, при этом скорость развертки магнитного поля зада· ется равной

JV где у щ — амплитуда сигнала ^-ц·;

йНрр— ширина спектральной линии .· резонанса.

Тогда время разверткиtp магнитного поля для регистрации сигнала резонанса в известном устройстве при постоянной скорости развертки магнитного поля с учетом выражения (1) составляет dH А dt |d²Y| ’

IdH* I

Величина сигнала А для заданной

ь. постоянной времени интегрирования ь и максимальных амплитудных искажений производной сигнала поглощения ЭПР определяется из выражений (1) и (2) (П где Н р - амплитуда развертки магнитного поля, которая обычно выбирается для регистрации одиночной спектральной линии из условия ^г(2) (6) (3)

Таким образом, в предлагаемом устройстве автоматически задается максимально возможная скорость развертки магнитного поля в каждой точке магнитного поля с точки зрения регистрации сигналов ЭПР с максимальной чувствительностью и заданными искажениями.

¹ При этом упрощается процесс настройки радиоспектрометра, так как не требуется предварительная оценка параметров регистрируемых сигналов.

Сравниваем времена развертки магнитного поля, осуществляемой в известном и предлагаемом устройстве при одинаковых максимальных амплитудных искажениях первой производной сигнала поглощения ЭПР - Λ у^. Рассчитаем вре45

А Н р 10 а Н рр _ф

С учетом выражения (3) время развертки магнитного поля в предлагаемом устройстве при регистрации сигнала резонанса, например для лоренцевой формы линии производной сигнала поглощения ЭПР ^ίρ*^1ι^ΐ^3Η .! ί Н-Но \ *^ЬУпЦ4/2АНрр) dY _____________ ^dH

Н_о - резонансное значение напря женности магнитного поля;

Н - .текущее значение напряженности магнитного поля.

В результате интегрирования где ί' ^{Р 4}Чт (?)

823994 8

Сравнивая выражения (8) и (5) с уче • том условия (6), получаем

В таблице приведены для сравнения, (рассчитанные по формулам (5) и (7),, времена развертки магнитного поля в известном (число в числителе) и предлагаемом (число в знаменателе) устройствах для различных амплитуд разверток ДНр И относительных амплитудных искажений £ = 100%, составленной для случая регистрации одиночной резонансной линии шириной дНрр= 1 Гс, постоянной времени регистрирующей гигтрмы = 1 с и максимальной скорости развертки магнитного поля 2000 Гс/мин (паспортное значение для .радиоспектрометра ЭПР BR—420 )_·

	3	10	30
10	650	200	65
	130	40	13
20	1300	400	130
	130	40	13
50	3250	1000	325
	¹³¹	41	14
100	6500	2000	650
	133 ,	43	13

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет сократить время регистрации, причем выигрыш по времени значительно возрастает при регистрации спектров, состоящих из набора далеко отстоящих спектральных линий.

Claims

I . ,: Изобретение относитс к технике электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может быть использовано дл проведени исследований в химии, биологии и физике. Известен радиоспектрометр ЭПР, содержащий блок СВЧ с последовательно соединенными усилителем, синхронным детектором и фильтром нижних частот, генератор ВЧ колебаний и измерительный резонатор, который расположен между полюсными наконечниками электро магнита, подключенного к последовательно соединенным источнику питани и генератору развертки. Радиоспектрометр ЭПР осуществл ет регистрацшо пер вой производной сигнала ЭПР при линейной развертке магнитного пол . Недостатком известного радиоспект|рометра ЭПР вл етс сложность процесса его настройки дл регистрации первой производной сигнала ЭПР с малыми иска жени ми и высокой чувствительностью. причем регистраци сигнала ЭПР занимает много времени.. Наиболее близким техническим реше- . нием вл етс радиоспектрометр ЭПР, содержащий электромагнит с источником питани и генератором развертки, между полюсными наконечниками которого помещен измерительный резонатор, соединенный через делитель частоты с генератором ВЧ колебаний и со входом блока СВЧ, выход которого через усилитель соединен со схемой регистрации первой производной, состо щей из последовательно соединенных первого синхронного детектора, опорное напр жение на который подаетс с выхода делител частоты, и первого фильтра нижних частот, и со схемой регистрации второй производной, состо щей из последовательно соединенных второго синхронного детектора, опорное напр жение на который подаетс с выхода генератора ВЧ колебаний и второго фильтра нижних частот. Радиоспектрометр ЭПР осуществл ет регистрацию первой или второй производной сигнала ЭПР. при линейной развертке магнитного пол путем подключени генератора ВЧ колебашй к резо натору пр мо или через делитель частоты . . Недостатком известного радиоспект рометра ЭПР вл етс сложность процесса его настройки дп регистрации сигнала ЭПР с мальофн искажени ми и максимальной чувствительностью. В процессе настройки осуществл ют предварительную запись спектральной лишш ЭПР и оценивают ее параметры дл выбора условий, регистрации амп|литуды-и времени развертки, посто нной времени и др.), что занимает мно го времени. Цель изобретени - упрощение настройки радиоспектрометра и сокращен времени регистрации. , Указанна цель достигаетс тем, -что в известный радиоспектрометр ЭПР содержащий электромагнит с источнико питани и генератором развертки, меж ду палюсньвш наконечниками которого помещен.измерительный резонатор, с6едннен ый через- делитель частоты с генератором ВЧ колебаний и со входом блок;1 СВЧ, которого через усилитель соединен со схемой регистраци первой производной,состо щей из последовательно соединенных первого синхронного детектора, опорное напр женна на который подаетс с выхода делител частоты, и первого фильтра щаатх частот, и со схемой регистрац второй производной, состо щей из последовательно соединенных второго синхронного детектора, опорное напр жение на который подаетс с выхода генератора ВЧ колебаний, и второго фильтра нижних частот, в него дополнительно введе1 ы схема делени , гене ратор порогового сигнала и двухполупериодный выпр митель, подключенный входом к выходу второго фильтра нижних частот, а выходом к первому вход схемы делени , выход которой соедине с управл ющим входом генератора раз вертки, причем выход генератора поро гового сигнала подключен ко второму входу схемы делени сигнала. На чертеже представлена блок-схема радиоспектрометра ЭПР. Она содержит блок 1 СВЧ, соединен ный с одной стороны с последовательн включенными усилителем 2, вторым 944 синхронным детектором 3 и вторым 1фильтром 4 нижних частот, а с дру|гой стороны - с измерительным резонаJTOpoM 5, который расположен между полюсными, наконечниками электромаг|нита 6. Генератор 7 ВЧ колебаний че1рез делитель 8 частоты соединен с измерительным резонатором 5. К выходу усилител 2 подключены последователь- iHO соединенные первый синхронный дё;тектор 9, первый фильтр 10 нижних частот, двухполупериодный выпр митель и схема I2 делени , причем второй вход 12 делени соединен с генератором 13 порогового сигнала . Опорные входы первого и второго синхронных детекторов. 3. и 9 соединены соответственно с выходом делител 8 частоты и генератором 7 ВЧ колебаний. Выход.схемы 12 делени подключен к управл ющему входу генератора 14 развертки , который св зан с источником 15 .питани , соединенным с электромагнитом 6. Радиоспектрометр работает следующим образом. В блоке 1 СВЧ формируетс мощность СВЧ и подводитс к исследуемому образцу, помещенному в измерительный резонатор 5 который расположен между полюсшлми наконечниками электромагнита 6. Электромагнит 6 создает в резонаторе 5 стабильное пол ризующее магнитное поле с помощью источника 15 питани . Высокочастотна модул ци магнитного пол на образце осзществл етс с помощью сигнала, сформированного генератором 7 ВЧ колебаний и делителем 8 частоты на Два. В результате развертки магнитного пол генератором 14 развертки, при прохождении резонансного значени магнитного пол на выходе блока 1 СВЧ, формируетс сигнал ЭПР на частоте модул ции магнитного пол .. После усилени сигнала ЭПР на частоте модул ции магнитного пол усилителем 2 осуществл етс синхронное детектирование одновременно на удвоенной частоте модул ции и на частоте модул ции соответственно первым и вторым синхронными детекторами 9 и 3. Дп улучшени отношени сигнал/шум осуществл ют низкочастотную фильтрацию сигналов с выходов первого и второго синхронных детекторов 9 и 3 с помощью соответственно первого и второго фильтров 10 и 4 нижних частот, на выходах которых формируютс производные сигнала поглощени ЭПР - BTOpaH( 5 ( выход первого фильтра нижних частотУ и перва (37/ЗЧ (выход второго фип ра нижних частот). Амплитудны е искаж ни первой производной бигнала поглощени ЭПР( счет фильтрации . определ ютс выражением iM) dH где/B посто нна времени интегрировани второго фильтра нижних частот; скорость развертки магнитног пол . , Из полученного CHrHanadH|dt двухполу периоднь1й. выпр митель 1 Г формирует его модульdY/dH . Схема J2 делени вырабатывает сигнал где А - сигнал, сформированный генератором 13 порогового сигнала. Этот сигнал поступает на управл ющий вход ге нератора 14 развертки, при этом скорость развертки магнитного пол зада етс равной Величина сигнала A дл заданной посто нной времени интегрировани и максимальных амплитудных искажений производной сигнала поглощени ЭПР определ етс из выражений (1) и А« . IdlYl 1анг I Таким образом, в предлагаемом устройстве автоматически задаетс максимально возможна скорость развертки магнитного пол в каждой точке магнит ного пол с точки зрени регистрации сигналов ЭПР с максимальной чувствительностью и заданш 1ми искажени ми. При этом упрощаетс процесс нас ройки радиоспектрометра, так как не требуетс предварительна оценка параметров регистрируемых сигналов. Сравниваем времена развертки магнитного пол , осуществл емой в известном и предлагаемом устройстве при одинаковых максимальных амплитудных искажени х первой производной сигнала поглощени ЭПР - л Ущ. Рассчитаем вре46 м развертки в известном устройстве. Максимальные амплитудные искажени АУгт наблюдаютс вблизи резонансного значени магнитного пол , где ско (fr) рость изменени сигнала а 3 максимальна . где у - амплитуда сигнала Ч-п ... йНрр- ширина спектральной линии .резонанса . Тогда врем развертки tл магнитного пол дл регистрации сигнала резонанса -4 в известном устройстве при посто нной скорости развертки магнитного пол с учетом выражени составл ет dH &Hj dtT ДУгп-ЛИ где Н р - амплитуда развертки магнитного пол , .. котора обычно выбираетс дл регистрации одиночной спектральной линии из услови лНр ЮлНрр. С учетом выражени (3) врем развертки магнитного пол в предлагаемом устройстве при регистрации сигнала резонанса, например дл лоренцевой формы линии производной сигнала поглощени ЭПР pirl idH / H-HO W2&Hpp/ Ы L 1/2лНрр) J где HO - резонансное значение напр женности магнитного пол ; Н - .текущее значение напр женности магнитного пол .. В результате интегрировани ( 5) с учеСравнива выражени (8) и том услови (б), получаем tp 2 Р Г В таблице приведены дл сравнени |рассчитаншае по формулам (5) и (7), времена развертки магнитного пол в известном (число в числителе) и пред лагаемом (число в знаменателе) устро ствах дп различных амплитуд разверток &НрИ относифельных амплитудных искажений Е °°| 100%, составленно дп случа регистрации одщночной резанансной линии шириной дНрр 1 Гс, посто нной времени регистрируищей системы t 1 с и максимальной скорости развертки магнитного пол 2000 Гс/мин (паспортное значение дл .радиоспектрометра ЭПР BR-420L Таким образом, предлагаемое устройство позвол ет сократить врем ре гистрации, причем выигрыш по времени значительно возрастает при регистрац спектров, состо щих из набора далеко отсто щих спектральных линий. 48 Формула изобретени Радиоспектрометр электронного парамагнитного резонанса ЭПР, содержащий электромагнит с источником питани и генератором развертки, между полюсными наконечниками которого помещен измерительный резонатор, соединенный через делитель частоты с генератором высокочастотных ВЧ колебаний и со входом блока сверхвысоких частот СВЧ, причем выход блока СВЧ через усилитель соединен со схемой регистрации первой производной, состо щей из последовательно соединенных первого синхронного детектора, опорное напр жение на который подаетс с выхода делител частоты, и первого фильтра нижних частот,и со схемой регистрации второй производной, состо щей из последовательно соединенных второго синхронного детектора, опорное напр жение на который подаетс с выхода генератора ВЧ колебаний, И второго |фильтра нижних частот, о т л и ч а юг щ и и с тем, что, с целью упрощени н астройки радиоспектрометра и сокращени времени регистрации спектров ЭПР, в него дополнительно введены схема делени , генератор порогового сигнала и двухполупериодный выпр митель , подключенный входом к выходу второго фильтра нижних частот, а выходом к первому входу схемы делени , выход которого -соединен с управл ющим входом генератора развертки, причем выход генератора порогового сигнала подключен ко второму входу схемы делени . Источники информации, прин тые во внимание прИ экспертизе. 1. Горди В. и др. Радиоспектроскопи . М., Государственное издательство технически-теоретической литературы , 1955, с. 15-29.
2. Техническое описание и инструкци по эксплуатации радиоспектрометра ЭПР ER-420. Вгикер (ФРГ) (прототип ) .

ZBnpoa т Сиднею ЗПР

/-Я прдизбодно

сигнала ЭПР