ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Общие основы метода ЭПР Принципы построения схем спектрометров ЭПР из "Применение электронного парамагнитного резонанса в химии" Как отмечалось, в настоящее время наибольшее распространение получили радиоспектрометры, работающие в сантиметровом диапазоне длин волн. В таких радиоспектрометрах исследуемый образец помещается в пучность СВЧ магнитного поля объемного резонатора. Резонатор располагается в зазоре электромагнита таким образом, чтобы СВЧ поле в месте расположения образца было направлено перпендикулярно к полю электромагнита. При медленном изменении напряженности поля электромагнита около значения, удовлетворяющего условию электронного парамагнитного резонанса (1.1), затухание резонатора изменяется вследствие поглощения образцом СВЧ энергии. Одновременно с этим происходит изменение частоты настройки резонатора. Последнее вызывается резонансным изменением величины действительной части магнитной восприимчивости X и приводит к возникновению сигнала дисперсии. [c.13] Здесь х = Хо обр — восприимчивость всего образца. [c.13] Здесь I Гр I —модуль коэффициента отражения резонатора. [c.15] Сравнивая это выражение с формулой (2.13), можно сделать вывод о полной эквивалентности схем рис. 2 и рис. 3 в отношении величины полезного сигнала на выходе СВЧ детектора при условии, что параметры детекторов в обоих случаях одинаковы, а параметры связи резонатора с волноводом для каждой схемы соответственно выбраны оптимальными. [c.16] Следует отметить, что в некоторых работах [3,4] схеме с отражательным резонатором ошибочно приписывается несколько большая величина полезного сигнала, чем в схеме с проходным резонатором. [c.16] А/ —ширина полосы усиливаемых частот. [c.17] Из этой формулы видно, что на рассматриваемом участке характеристики выходное напряжение детектора пропорционально квадрату входного. Поэтому этот участок характеристики принято называть, квадратичным. [c.17] При рацион льной конструкции усилителя, с помощью которого производится дальнейшее усиление продетектированного сигнала, чувствительность радиоспектрометра ограничивается в основном несовершенством СВЧ детектора. Идеальный детектор должен обладать коэффициентом преобразования 0 = 1. Если нагрузка, подключенная к выходу идеального детектора, согласована, т. е. кд = Рн, то эффективное напряжение шума на сопротивлении нагрузки должно определяться только тепловым шумом в сопротивлениях кц и т. е. [c.18] С точки зрения возможности подбора оптимального уровня мощности Рц схема рис. 2 неудовлетворительна, а схема обеспечивает оптимальный шум-фактор только при вполне определенной мощности СВЧ генератора. Например, для радиоспектрометра ЭПР-2 ИХФ , как отмечалось, (Рд)опт мвт. При условии, что параметры связи оптимальны, т. е. Р1 = Рз = = для этого радиоспектрометра из (2.8) можно найти (Ро)опт = 4Яд = = 2мет. Однако следует отметить, что по условиям эксперимента часто требуется менять величину мощности Рц. Например, при измерении времен релаксации методом насыщения величина Р должна меняться в очень широких пределах. Кроме того, из формулы (2.13) видно, что увеличением Р можно увеличить полезный сигнал на выходе СВЧ детектора, т. е. повысить чувствительность радиоспектрометра. Однако при увеличении Рд свыше ( о)опт в схеме рис. 2 для сохранения оптимального режима детектора необходимо уменьшать параметры связи Рх и рг по сравнению с их оптимальной величиной Рх = Ра = 2. Поэтому в этой схеме вследствие увеличения шум-фактора увеличение мощности Р не дает заметного повышения чувствительности. Иногда из-за насыщения в образце мощность Рц приходится устанавливать меньше, чем (Ро)опт- В этом случае шум-фактор радиоспектрометра также увеличивается. [c.19] Для того, чтобы иметь независимую регулировку мощностей Р и Рд, схему рис. 2 можно дополнить СВЧ шунтом, включенным параллельно резонатору (рис. 4) [3]. В шунт входят регулируемый аттенюатор и фазовращатель, что позволяет регулировать амплитуду и фазу поступающих через шунт на СВЧ детектор колебаний. [c.19] Схема рис. 3 обладает большей гибкостью по сравнению со схемой рис. 2. В этой схеме для того, чтобы иметь возможность регулировать уровень мощности Рд, в плечо Г волноводного моста вместо поглотителя включается устройство, позволяющее менять амплитуду и фазу отраженных от этого плеча колебаний. В плечо Г можно включить, например, короткоза-мыкающий подвижной поршень, которым осуществляется регулировка фазы отраженных колебаний. Для регулировки амплитуды этих колебаний перед поршнем включается переменный аттенюатор (рис. 5, а) [9]. Выше предполагалось, что СВЧ детектор и генератор согласованы с соответствующими волноводами. В этом случае колебания, отраженные в плече Г, полностью поглощаются СВЧ детектором и генератором. Аналогичным образом поглощаются и колебания, отраженные в плече Б. Поэтому в схеме рис. 5, а оба плеча волноводного моста работают независимо друг от друга, и, следовательно, величина поступающей в плечо Б (и поглощаемой резонатором) энергии, а также абсолютная величина ЭПР сигнала на входе СВЧ детектора не меняется при любых изменениях коэффициента отражения в плече Г, производимых с целью установления оптимального уровня Рд. Что же касается величины уровня Рд, то теперь она будет определяться суммарным коэффициентом отражения в плечах Г и 5, т. е. [c.19] Возможен другой вариант схемы рис. 3. Этот вариант приведен на рис. 5,6. Здесь в плечо Б перед резонатором включается элемент, отражающий в сторону волноводного моста часть поступающей в это плечо энергии. Таким элементом может быть, например, подвижной штырь или трехвинтовой согла-сователь. Меняя глубину погружения штыря и его положение вдоль волновода, можно менять амплитуду и фазу отраженных от него (и поступающих на СВЧ детектор) колебаний. Однако следует заметить, что в схеме рис. 5, б при регулировке уровня мощности Рд изменяется величина энергии, поступающей в резонатор, а следовательно, изменяется и величина ЭПР сигнала на входе СВЧ детектора. Такая взаимная связь усложняет настройку радиоспектрометра при его эксплуатации и является недостатком схемы рис. 5, б, хотя, с другой стороны, с точки зрения возможности обеспечения оптимального уровня Рд, эта схема содержит больше возможностей, чем схема рис. 5, а. [c.20] Из формулы (2.30) ясно, что шум, вызванный этой причиной, будет равен нулю, если = О, что может быть достигнуто идеальной балансировкой СВЧ моста. В этом случае сигнал промежуточной частоты возникнет только при появлении ЭПР поглощения, приводящего к некоторой разба-лансировке этого моста. [c.21] Однако и в этом случае могут возникнуть шумы, так как через модулятор и подключенный к его выходу резонатор обычно проходит небольшой уровень колебаний с частотой V, модулированных шумами. Подавить полностью эти колебания не представляется возможным, так как относительное расстояние по частоте между боковыми полосами и V обычно невелико. [c.22] Основным достоинством супергетеродинного СВЧ радиоприемника является то, что величина промежуточной частоты может быть взята очень высокой (порядка 30 мгц и выше). В результате этого уровень избыточного шума может быть сделан очень низким. Например, в радиолокационных супергетеродинных приемниках шум-фактор имеет величину около 12—14 дб, т. е. чувствительность приемника хуже теоретически возможной всего лишь в 4—5 раз. [c.22] Выбирая достаточно высокое значение /пр, влиянием этого шума можно пренебречь. [c.22] Из формулы (2.33) следует, что оптимальным уровнем Рд для смесителя является уровень Рд = 0. Из формулы (2.32) следует, что с уменьшением /м коэффициент модуляции т возрастает, поэтому в возникающем по этой причине шуме преобладают низкочастотные компоненты. [c.22] Поскольку локационный сигнал представляет собой импульсы, в промежутках между которыми уровень СВЧ энергии равен нулю, то, согласно формуле (2.33), этот шум в локационном приемнике приводит лишь к незначительному искажению импульсов шумом. Принципиально в схеме рис. 3 и 4 можно так балансировать волноводный мост, что на смеситель будет попадать СВЧ энергия только в момент возникновения ЭПР поглощения и, таким образом, шум, определяемый выражением (2.33), как и в локационном приемнике, будет ничтожным. Однако, как будет видно из дальнейшего, волноводный мост обычно полностью не балансируется и поэтому ЭПР сигнал представляет собой относительно небольшое изменение довольно высокого уровня СВЧ энергии. Для того, чтобы в этом случае модуляция низкочастотным шумом не оказала заметного влияния на чувствительность радиоспектрометра, необходимо, чтобы флуктуация уровня напряжения промежуточной частоты не превышала теплового шума на выходе смесителя, т. е. [c.23] Вернуться к основной статье