Спектрометр электронного парамагнитного резонанса

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Адашкевич Сергей Владимирович Киранов Вадим Сергеевич Лапчук Наталья Михайловна Стельмах Вячеслав Фомич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Спектрометр электронного парамагнитного резонанса, содержащий генератор излучения сверхвысоких частот, блок регистрации сигнала электронного парамагнитного резонанса, блок стабилизации и развертки магнитного поля, связанный с электромагнитом с расположенными между его полюсными наконечниками датчиком Холла, датчиком ядерного магнитного резонанса и измерительным резонатором, связанным через циркулятор с генератором излучения сверхвысоких частот и блоком регистрации сигнала электронного парамагнитного резонанса, частотомер сверхвысоких частот, соединенный с генератором излучения сверхвысоких частот, магнитометр ядерного магнитного резонанса, связанный с датчиком ядерного магнитного резонанса, причем блок стабилизации и развертки магнитного поля связан с датчиком Холла и содержит узел развертки магнитного поля на основе шагового электродвигателя с контроллером, соединенным с тактовым генератором и реохордом, отличающийся тем, что спектрометр электронного парамагнитного резонанса дополнительно содержит узел формирования 4-канального информационного массива,регистр памяти, мультиплексор, узел синхронизации, причем узел синхронизации соединен с выходом тактового генератора узла развертки магнитного поля, первый выход узла синхронизации связан со входом управления регистра памяти, второй выход узла синхронизации связан со входом управления мультиплексора, кроме того, регистр памяти с одной стороны связан через узел формирования 4-канального информационного массива соответственно с выходом частотомера сверхвысоких частот, выходом блока регистрации сигнала электронного парамагнитного резонанса, выходом магнитометра ядерного магнитного резонанса и выходом реохорда блока стабилизации и развертки магнитного поля,92632013.06.30 а с другой стороны связан со входами мультиплексора, выход которого совместно с третьим выходом узла синхронизации образует информационный и управляющий выходы для подключения к компьютеру.(56) 1. Акунец В.В., Стельмах В.Ф., Цвирко Л.В. Анализатор электронного парамагнитного резонанса Учебно-справочное пособие. - Минск УП Технопринт, 2002. - С. 18. 2./ 2543..... - , 1983. . 1-3. - . 701, 1001, 1201. Полезная модель относится к технике спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может использоваться при разработке и модификации спектрометров электронного парамагнитного резонанса, а также при проведении научных исследований и решении прикладных задач диагностики новых материалов. Известны спектрометры и анализаторы ЭПР, содержащие генератор излучения сверхвысоких частот (СВЧ), связанный с измерительным резонатором и блоком регистрации сигнала ЭПР, соединенным с двухкоординатным самопишущим потенциометром, который входит также в состав блока стабилизации и развертки тока электромагнита на основе опорного резистора и измерителя тока электромагнита 1. Спектрометр применяется при экспресс-контроле технологических процессов и рутинных исследований структуры материалов, однако не может использоваться для проведения высокоточных измерений параметров спектров ЭПР, необходимых при решении научно-исследовательских задач. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является спектрометр ЭПР, содержащий генератор излучения СВЧ, блок регистрации сигнала ЭПР,блок стабилизации и развертки магнитного поля, связанный с электромагнитом с расположенными между его полюсными наконечниками датчиком Холла, датчиком ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и измерительным резонатором, связанным через циркулятор с генератором излучения СВЧ и блоком регистрации сигнала ЭПР, частотомер СВЧ, соединенный с генератором излучения СВЧ, магнитометр ЯМР, связанный с датчиком ЯМР,причем блок стабилизации и развертки магнитного поля связан с датчиком Холла и содержит узел развертки магнитного поля на основе шагового электродвигателя с контроллером, соединенным с тактовым генератором и реохордом 2. Благодаря использованию в спектрометре блока стабилизации и развертки магнитного поля по датчику Холла и применению прецизионного магнитометра ЯМР, а также использованию при развертке шагового электродвигателя, управляемого стабильным тактовым генератором, в спектрометре ЭПР достигнуты достаточно высокие показатели стабилизации и развертки магнитного поля. Вместе с тем, в спектрометре сигнал ЭПР регистрируется на бумажном носителе самопишущего потенциометра, что снижает точность регистрации спектра и определения параметров спектральных линий. Кроме того, использование в блоке стабилизации и развертки магнитного поля электромеханических узлов и элементов, подвергающихся износу,относительно высокая начальная точность регистрации из-за износа в процессе эксплуатации существенно снижается. Эти недостатки дополнительно усугубляются отсутствием показаний магнитометра ЯМР в начале развертки магнитного поля и при переключении диапазонов датчика ЯМР. Спектрометр ЭПР не защищен от импульсных помех силовых приборов и помех, поступающих по цепи питающей электросети. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности компьютерной регистрации и определения параметров спектров электронного парамагнитного резонанса в диапазоне развертки магнитного поля. Задача решается тем, что спектрометр электронного парамагнитного резонанса, содержащий генератор излучения сверхвысоких частот, блок регистрации сигнала электронного парамагнитного резонанса, блок стабилизации и развертки магнитного поля,2 92632013.06.30 связанный с электромагнитом с расположенными между его полюсными наконечниками датчиком Холла, датчиком ядерного магнитного резонанса и измерительным резонатором,связанным через циркулятор с генератором излучения сверхвысоких частот и блоком регистрации сигнала электронного парамагнитного резонанса, частотомер сверхвысоких частот, соединенный с генератором излучения сверхвысоких частот, магнитометр ядерного магнитного резонанса, связанный с датчиком ядерного магнитного резонанса, причем блок стабилизации и развертки магнитного поля связан с датчиком Холла и содержит узел развертки магнитного поля на основе шагового электродвигателя с контроллером, соединенным с тактовым генератором и реохордом, спектрометр дополнительно содержит узел формирования 4-канального информационного массива, регистр памяти, мультиплексор,узел синхронизации, причем узел синхронизации соединен с выходом тактового генератора узла развертки магнитного поля, первый выход узла синхронизации связан со входом управления регистра памяти, второй выход узла синхронизации связан со входом управления мультиплексора, кроме того, регистр памяти с одной стороны связан через узел формирования 4-канального информационного массива соответственно с выходом частотомера сверхвысоких частот, выходом блока регистрации сигнала электронного парамагнитного резонанса, выходом магнитометра ядерного магнитного резонанса и выходом реохорда блока стабилизации и развертки магнитного поля, а с другой стороны связан со входами мультиплексора, выход которого совместно с третьим выходом узла синхронизации образует информационный и управляющий выходы для подключения к компьютеру. Сущность полезной модели поясняется структурной схемой спектрометра ЭПР, представленной на фигуре. Спектрометр ЭПР содержит генератор излучения СВЧ 1, блок регистрации сигнала ЭПР 2, взаимосвязанные с циркулятором 3, блок стабилизации и развертки магнитного поля 4, электромагнит 5, между полюсными наконечниками которого расположены датчик Холла 6, датчик ЯМР 7 и измерительный резонатор 8, связанный с циркулятором 3. Спектрометр ЭПР также содержит частотомер СВЧ 9, связанный с генератором излучения СВЧ 1, магнитометр ЯМР 10, связанный по линии 11 с датчиком ЯМР 7. Блок стабилизации и развертки магнитного поля 4, как и в спектрометре 2, связан по линии 12 с датчиком Холла 6 и содержит в своей структуре узел развертки магнитного поля на основе шагового электродвигателя с контроллером, соединенным с тактовым генератором и реохордом. Предлагаемый спектрометр ЭПР дополнительно содержит узел формирования 4 канального информационного массива 13, регистр памяти 14, мультиплексор 15, узел синхронизации 16. Узел формирования 4-канального информационного массива 13 преобразует поступающий на входы разнотипный информационный массив, из-за различия вариантов блоков прототипа 2 и выполнен, например, на основе совокупности аналого-цифровых преобразователей и формирователей импульсов с взаимосогласованными параметрами по длительности, скважности, амплитуде и разрядности. Например, для варианта 2 линии 22 и 24 - 20-проводные, линии 23 и 25 - 12-проводные. Регистр памяти 14 выполнен, например, на основе параллельных буферных регистров из групп -триггеров с объединенными входами синхронизации и обеспечивает запоминание, хранение и передачу данных 4-канального информационного массива на выходы 26-33. Все выходные линии 26-33 8-проводные. Мультиплексор 15 выполнен, например, на основе группы электронных ключей и дешифратора, выходы которого соединены с управляющими входами электронных ключей,и обеспечивает последовательную передачу данных на объединенный 8-проводный выход электронных ключей (линия 36). Узел синхронизации 16 состоит, например, из взаимно связанных двух одновибраторов, триггера управления передачей данных, управляемого генератора импульсов синхронизации и двоичного счетчика, что обеспечивает формирование трех управляющих 3 92632013.06.30 сигналов, синхронизированных по тактовому входу (линия 21). При этом на первом выходе (линия 34) для управления регистром памяти 14 формируются импульсы с частотой тактового генератора шагового двигателя. На втором (3-проводная линия 35) и третьем (2 проводная линия 37) выходах формируются 4-кратно повторяемые сигналы. На второй выход подаются импульсы, формирующие двоичный код управления мультиплексором. На третий выход подаются синхронизирующие импульсы, формируемые управляемым генератором импульсов синхронизации и триггером управления передачей данных. Следует отметить, что узел синхронизации 16 соединен по линии 21 с выходом тактового генератора, который расположен в блоке стабилизации и развертки магнитного поля 4. На фигуре также показано, что первый выход узла синхронизации 16 (по линии 34) связан с управляющим входом регистра памяти 14, второй выход узла синхронизации 16(по линии 35) связан со входом управления мультиплексора 15. На фигуре также показано, что регистр памяти 14 с одной стороны через узел формирования 4-канального информационного массива 13 по линиям 22-25 соответственно связан с частотомером 9 (линия 17), выходом блока регистрации сигнала ЭПР 2 (линия 18),выходом магнитометра ЯМР 10 (линия 19) и выходом реохорда блока стабилизации и развертки магнитного поля 4 (линия 20). С другой стороны регистр памяти 14 связан по линиям 26-33 со входами мультиплексора 15, выход которого по линии 36 совместно с третьим выходом узла синхронизации 16 по линии 37 образуют информационный и управляющий выходы для подключения к компьютеру, например, через портили через преобразователь 38 порт . Предлагаемый спектрометр ЭПР работает следующим образом. Излучение СВЧ, контролируемое частотомером СВЧ 9 генератора 1, через циркулятор 3 поступает в измерительный резонатор 8 с контролируемым образцом, на который воздействует также поляризующее магнитное поле электромагнита 5. Отраженная от измерительного резонатора 8 часть излучения СВЧ, содержащая информацию о величине сигнала поглощения ЭПР, через циркулятор 3 поступает на вход блока регистрации сигнала ЭПР 2. Зависимость величины сигнала ЭПР от величины поляризующего магнитного поля при заданной частоте излучения СВЧ является физико-технической основой для формирования трех каналов информационного массива с целью последующей компьютерной регистрации и обработки сигнала ЭПР контролируемого образца. Четвертый информационный канал (линия 20) осуществляет передачу дополнительной информации о значении магнитного поля для получения обзорного спектра ЭПР с целью выбора оптимальных участков спектра для повышения точности их регистрации и обработки. Узел синхронизации 16 определяет время фиксации и хранения данных информационного массива регистром памяти 14 и его последовательную передачу в компьютер с помощью мультиплексора 15. Временные соотношения управляющих сигналов и частоту следования импульсов управляемого генератора узла синхронизации выбирают исходя из быстродействия -порта компьютера. В частности, на четырехкратную передачу данных одного элемента информационного массива требуется 350 мкс. Это согласуется с быстродействием -порта компьютера и временем самой быстрой развертки магнитного поля спектрометра 2. Следует учесть то, что в спектроскопии ЭПР предъявляются высокие требования к точности численных значений магнитного поля, частоты излучения СВЧ и стабильности регистрации амплитуды сигнала ЭПР. Это накладывает высокие технические требования к ключевым блокам генератора СВЧ 1, к блокам стабилизации и развертки магнитного поля 4, электромагниту 5, к блоку регистрации сигнала ЭПР 2, частотомеру 9 и магнитометру ЯМР 10. Кроме того, необходимо обеспечивать стабильность параметров блоков на всех последующих этапах регистрации и обработки спектров ЭПР, например, при определении значений -фактора, спектральных положений компонент, формы и ширины узких спектральных линий и др. 4 92632013.06.30 Необходимо также подчеркнуть, что при решении задач компьютерной регистрации и обработки спектров ЭПР наряду с обеспечением высокой точности работы каждого конкретного блока спектрометра ЭПР требуется обеспечить режим из взаимодействия и синхронизации по каждому каналу прохождения передаваемой информации при одновременном исключении основных источников погрешностей, например, вследствие износа электромеханических элементов реохорда, температурной нестабильности датчика Холла 6, отсутствия отсчетов в начале развертки и пропусков данных между диапазонами измерений магнитометра ЯМР 10, воздействия импульсных помех от силовых установок и по цепи питающей электросети, характерных для известных устройств 1-2. В связи с вышеизложенным, в предлагаемом спектрометре существенно то, что передача спектральной информации, формируемой в ключевых блоках, на компьютерную регистрацию и обработку осуществляется последовательно через узел формирования 4 канального массива 13, регистр памяти 14 и мультиплексор 15. При этом важно, что работа указанных узлов управляется импульсами узла синхронизации 16 синхронно с тактовыми импульсами, поступающими по линии 21 от тактового генератора, расположенного в блоке стабилизации и развертки магнитного поля 4. Это обеспечивает согласованную по времени развертку магнитного поля с помощью шагового электродвигателя. Высокая стабильность во времени и синхронность спектральной информации, передаваемой по 3 каналам на компьютерную обработку, является физико-математической основой для выполнения операций интерполяции и экстраполяции. Таким образом, положительный эффект повышения точности регистрации и определения параметров спектров ЭПР достигается за счет использования совокупности дополнительных узлов и новых связей при их последующей компьютерной обработке. Это обеспечивается введением эффективных режимов интерполяции данных развертки магнитного поля по точным значениям, измеренным магнитометром ЯМР, как в пределах интервалов отсчета датчика ЯМР, так и их экстраполяцией за пределами диапазонов измерений магнитного поля. Во-вторых, синхронизация отсчетов всех ключевых данных спектра в процессе регистрации и передачи на компьютерную обработку достигается использованием общего узла формирования тактовых импульсов в блоке стабилизации и развертки магнитного поля 4. Кроме того, благодаря 4-кратному повторению информации о каждом элементе информационного массива обеспечивается возможность устранения импульсных помех от силовых установок и по цепи питающей электросети и др. Кроме того, в предлагаемом спектрометре отпадает необходимость в использовании двухкоординатного самопишущего устройства как средства регистрации сигнала ЭПР и, соответственно, бумажного носителя, снижающего точность определения параметров, получаемых при обработке спектра ЭПР. В результате предложенной модификации спектрометра 2 при регистрации спектров ЭПР достигнуто значение относительной погрешности измерений магнитного поля и частоты генератора СВЧ не хуже 110-5. Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить точность компьютерной регистрации и определения параметров спектров электронного парамагнитного резонанса в диапазоне развертки магнитного поля за счет синхронной регистрации данных элементов информационного массива в диапазоне развертки магнитного поля при исключении влияния износа электромеханических узлов и элементов и импульсных помех от силовых приборов и электросети. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5