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.
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.