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.
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 ЭПР (Техническое описание и инструкция по эксплуатации спектрометра ЭПР SE/X-2547 фирмы
«Radiopan», ПНР, Познань, 1990). Известный спектрометр содержит магнитную систему, в которой в зазоре магнита параллельно полюсным наконечникам размещены катушки высокочастотной модуляции, соединенные с выходом усилителя высокочастотной мощности, 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 ЭПР. Микроволновая мощность от генератора СВЧ-мощности через циркулятор подводится к измерительному 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 трудность его настройки, обусловленная сложностью блока СВЧ и, как следствие, трудностью согласования частот измерительного резонатора и блока СВЧ. Для их согласования требуется сложная электронная система.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью является разработка легко настраиваемого спектрометра за счет использования простого по схемному решению блока СВЧ.
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 высокочастотной мощности, рабочий резонатор, соединенный с блоком СВЧ, выход которого соединен со входом усилительно-преобразовательную системы, соединенной с блоком питания, а выход
усилительно-преобразовательной системы соединен с блоком регистрации сигнала ЭПР. Но, в отличие от известного, в предлагаемом спектрометре блок СВЧ выполнен в виде резонатора генератора с активным твердотельным элементом и механически жестко соединен с корпусом рабочего резонатора, причем выход резонатора генератора совмещен со входной щелью рабочего резонатора, и снабжен отверстием, в котором установлен регулировочный элемент связи.
При сравнении известного спектрометра и предлагаемого видно, что предложенная конструкция предусматривает непосредственную связь рабочего резонатора с резонатором генератора, которая обеспечивает жесткое согласование частот резонатора генератора и рабочего. При этом отсутствует волноводный тракт, через который передавалась мощность СВЧ от генератора СВЧ, и который делал этот процесс настройки очень сложным.
Технический результат, достигаемый полезной моделью - упрощение настройки спектрометра и упрощение его конструкции.
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 входную цепь 7 усилительно-преобразовательной системы 8 с блоком питания 9. Усилительно-преобразовательная система 8 соединена с блоком регистрации 10 сигнала ЭПР. Между рабочим и генераторным резонаторами установлен регулировочный штырь 11. 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 бив 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 11. 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 и резонатором генератора происходит изменение частоты и тока диода Гана которое регистрируется в усилительно преобразовательной системе 8 и через нее фиксируется в блоке регистрации 10 сигнала ЭПР.
Приведенные схема устройства и описание его работы доказывают достижение технического результата - упрощение процесса настройки прибора. При этом достигается конструктивное упрощение прибора, за счет упрощения волноводной системы