Спектрометр электронного парамагнитного резонанса

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОННОГО ПАРАМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Адашкевич Сергей Владимирович Дорожок Евгений Константинович Киранов Вадим Сергеевич Малашкевич Александр Александрович Стельмах Вячеслав Фомич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Спектрометр электронного парамагнитного резонанса, содержащий источник постоянного магнитного поля, блок сверхвысоких частот, измерительный резонатор с петлей модуляции магнитного поля, источник тока модуляции и согласующий трансформатор,многовитковая первичная обмотка которого соединена с выходом источника тока модуляции, а вторичная одновитковая обмотка через симметричную полосковую линию соединена со входом петли модуляции, причем согласующий трансформатор выполнен на основе тороидальных сердечников, а его вторичная одновитковая обмотка образована металлическими чашками, охватывающими тороидальные сердечники, при этом чашки электрически соединены друг с другом с одной стороны, а с другой стороны изолированы слоем диэлектрика с выводами в центрах чашек, отличающийся тем, что вторичная одновитковая обмотка согласующего трансформатора соединена с симметричной полосковой линией через дополнительную коаксиальную линию связи, образованную металлическими втулками и стержнем, изолированными друг от друга тонким слоем диэлектрика. 2. Спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что согласующий трансформатор выполнен на основе двух тороидальных сердечников с охватывающими их коаксиально 101802014.06.30 двумя парами металлических чашек, содержит дополнительную коаксиальную линию связи в виде двух металлических втулок и расположенного внутри втулок стержня, изолированного от втулок тонким слоем диэлектрика, причем каждая из втулок электрически соединена в центре соответственно с внешней чашкой и одной из полос полосковой линии, а центры внутренних чашек электрически и механически связаны друг с другом металлическим стержнем, проходящим через отверстие в симметричной полосковой линии. 3. Спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что согласующий трансформатор, выполненный на основе одного тороидального сердечника и охватывающих его коаксиально двух металлических чашек, изолированных друг от друга у внутренней части тороидального сердечника, при этом трансформатор соединен с симметричной полосковой линией дополнительной коаксиальной линией связи в виде металлической втулки и изолированного тонким слоем диэлектрика стержня, причем с одной стороны втулка и стержень электрически и механически связаны с выводами вторичной обмотки согласующего трансформатора, а с другой стороны соединены с симметричной полосковой линией. 4. Спектрометр по п. 1 или 3, отличающийся тем, что дополнительная коаксиальная линия связи между вторичной обмоткой и симметричной полосковой линией, выполненная в виде металлической втулки и изолированного от нее стержня, размещена коаксиально внутри отверстия тороидального трансформатора. 5. Спектрометр по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дополнительная коаксиальная линия связи между вторичной обмоткой и симметричной полосковой линией, выполненная в виде двух металлических втулок и изолированного от них стержня, размещена внутри отверстий тороидальных частей согласующего трансформатора, причем концы втулок электрически опираются на полосы симметричной полосковой линии и механически крепятся стержнем, изолированным от втулок и полосковой линии.(56) 1. Инструкция ЭПР спектрометра/ 2543..... , 1983. Ч. 1. Раздел 00. - С. 2. 2. Акунец В.В., Стельмах В.Ф., Цвирко Л.В. Анализатор электронного парамагнитного резонанса Учебно-справочное пособие. - Минск УП Технопринт, 2002. - С. 18. 3. А.с. СССР 949443, МПК 01 24/10, 1982. Полезная модель относится к технике электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может использоваться в приборостроительной промышленности при изготовлении спектрометров ЭПР, в том числе специализированных малогабаритных анализаторов ЭПР. Известен спектрометр ЭПР с модулятором постоянного магнитного поля в месте расположения исследуемого образца, содержащий блок стабилизации и развертки магнитного поля, генератор сверхвысоких частот (СВЧ) и приемник сигнала ЭПР, измерительный резонатор с внешним элементом модуляции постоянного магнитного поля в виде катушек,расположенных снаружи корпуса измерительного резонатора между полюсами электромагнита 1. В таком спектрометре трудно получить в месте расположения исследуемого образца необходимую амплитуду высокочастотной модуляции магнитного поля из-за поглощения энергии высокой частоты корпусом резонатора и помех на частоте модуляции, что ограничивает чувствительность спектрометра. Кроме того, размеры внешних модуляционных катушек и резонатора накладывают ограничения на размеры зазора между полюсами электромагнита, что является препятствием для повышения однородности магнитного поля, экономичности и снижения габаритов электромагнита и спектрометра ЭПР в целом 1. 101802014.06.30 Известен также спектрометр ЭПР, содержащий блок стабилизации магнитного поля и поляризующий электромагнит, блок СВЧ, измерительный резонатор с петлей модуляции магнитного поля, источник тока модуляции с согласующим трансформатором, первичная многовитковая обмотка которого соединена с источником тока модуляции, а вторичная одновитковая обмотка через проводную линию связи соединена с петлей модуляции. Элемент модуляции в виде проволочной петли расположен внутри измерительного резонатора и охватывает образец 2. В спектрометре 2 переменное магнитное поле модуляции, возникающее при протекании больших токов по петле, непосредственно воздействует на исследуемый образец, и поэтому помехи на частоте модуляции экранированы корпусом резонатора. Недостатком этого спектрометра является низкая чувствительность, если диапазон частот модуляции выбран достаточно широким, что является следствием уменьшения амплитуды высокочастотной модуляция в резонаторе из-за снижения эффективности согласования источника тока модуляции с нагрузкой (петлей модуляции). На высоких частотах реактивное сопротивление проводной линии связи соизмеримо с сопротивлением нагрузки или выше его, что ограничивает ток в петле модуляции. Увеличение тока с целью получения необходимой амплитуды поля модуляции приводит к возрастанию потерь на элементах модулятора. Паразитные наводки, увеличивающиеся при этом, также ограничивают чувствительность спектрометра. В таком спектрометре невозможно обеспечить оптимальное амплитудно-фазовое согласование одновременно на высоких и низких частотах. В результате этого не может быть получена одинаковая чувствительность в широком диапазоне частот модуляции. Это ограничивает возможности исследования быстропротекающих релаксационных явлений в ЭПР. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является спектрометр ЭПР, содержащий источник постоянного магнитного поля, блок СВЧ, измерительный резонатор с петлей модуляции магнитного поля, источник тока модуляции и согласующий трансформатор, многовитковая первичная обмотка которого соединена с выходом источника тока модуляции, а вторичная одновитковая обмотка через симметричную полосковую линию соединена со входом петли модуляции, причем согласующий трансформатор выполнен на основе тороидальных сердечников, а его вторичная одновитковая обмотка образована металлическими чашками, охватывающими тороидальные сердечники, при этом чашки электрически соединены друг с другом с одной стороны, а с другой стороны изолированы слоем диэлектрика с выводами в центрах чашек 3. Предложенная в данном спектрометре ЭПР электрически единая конструкция узла в виде согласующего трансформатора тока - симметричная полосковая линия - модулирующий элемент обеспечивает получение амплитуд тока модуляции в диапазоне частот в измерительном резонаторе при минимуме паразитных излучений на частоте модуляции. Это, в свою очередь, обеспечивает увеличение чувствительности спектрометра при регистрации широких линий ЭПР. Кроме того, конструкция измерительного резонатора с внутренним элементом модуляции и полосковой линией связи, используемая в прототипе 3, позволяет реализовать особо малогабаритные единые узлы магнит-резонаторов и спектрометры ЭПР в целом. Вместе с тем конструктивное решение вторичной одновитковой обмотки на основе охватывающих тороидальный сердечник чашек, непосредственно электрически связанных с полосковой линией по периметру чашек, не обеспечивает оптимальную связь согласующего трансформатора с модуляционными стержнями измерительного резонатора. Такая конструкция связи аксиально-симметричного элемента вторичной обмотки с однонаправленным (линейным) элементом полосковой линии приводит к амплитудно-фазовым нарушениям линий токов модуляции по периметру чашек, что существенно снижает суммарный ток модуляции, протекающий в месте соединения аксиально-симметричного трансформатора с полосковой линией 3. 3 101802014.06.30 Задачей полезной модели является повышение эффективности связи между источником тока модуляции с модулирующим элементом измерительного резонатора спектрометра электронного парамагнитного резонанса в широком диапазоне частот модуляции, а также упрощение конструкции и уменьшение габаритов согласующего трансформатора и спектрометра электронного парамагнитного резонанса в целом. Задача решается тем, что в спектрометре электронного парамагнитного резонанса, содержащем источник постоянного магнитного поля, блок сверхвысоких частот, измерительный резонатор с петлей модуляции магнитного поля, источник тока модуляции и согласующий трансформатор, многовитковая первичная обмотка которого соединена с выходом источника тока модуляции, а вторичная одновитковая обмотка через симметричную полосковую линию соединена со входом петли модуляции, причем согласующий трансформатор выполнен на основе тороидальных сердечников, а его вторичная одновитковая обмотка образована металлическими чашками, охватывающими тороидальные сердечники, при этом чашки электрически соединены друг с другом с одной стороны, а с другой стороны изолированы слоем диэлектрика с выводами в центрах чашек, вторичная одновитковая обмотка согласующего трансформатора соединена с симметричной полосковой линией через дополнительную коаксиальную линию связи, образованную металлическими втулками и стержнем, изолированными друг от друга тонким слоем диэлектрика. При этом согласующий трансформатор, выполненный на основе двух тороидальных сердечников с охватывающими их коаксиально двумя парами металлических чашек, может содержать дополнительную коаксиальную линию связи в виде двух металлических втулок и расположенного внутри втулок стержня, изолированного от втулок тонким слоем диэлектрика, причем каждая из втулок электрически соединена в центре соответственно с внешней чашкой и одной из полос полосковой линии, а центры внутренних чашек электрически и механически связаны друг с другом металлическим стержнем, проходящим через отверстие в симметричной полосковой линии. В другом варианте согласующий трансформатор, выполненный на основе одного тороидального сердечника и охватывающих его коаксиально двух металлических чашек,изолированных друг от друга у внутренней части тороидального сердечника, соединен с симметричной полосковой линией дополнительной коаксиальной линией связи в виде металлической втулки и изолированного тонким слоем диэлектрика стержня, причем с одной стороны втулка и стержень электрически и механически связаны с выводами вторичной обмотки согласующего трансформатора, а с другой стороны соединены с симметричной полосковой линией. Кроме того, в ином варианте дополнительная коаксиальная линия связи между вторичной обмоткой и симметричной полосковой линией,выполненная в виде металлической втулки и изолированного от нее стержня, может быть размещена коаксиально внутри отверстия тороидального трансформатора. В другом варианте дополнительная коаксиальная линия связи между вторичной обмоткой и симметричной полосковой линией, выполненная в виде двух металлических втулок и изолированного от них стержня, может размещаться внутри отверстий тороидальных частей согласующего трансформатора, причем концы втулок электрически опираются на полосы симметричной полосковой линии и механически крепятся стержнем, изолированным от втулок и полосковой линии. На фиг. 1 представлен вариант технического решения принципиального элемента спектрометра ЭПР - согласующего трансформатора источника тока модуляции, который связан с петлей модуляции измерительного резонатора, выполнен на основе двух тороидальных сердечников и дополнен элементом связи в виде коаксиальной линии связи между осесимметричной вторичной одновитковой обмоткой и линейной симметричной полосковой линией. На фиг. 2 показана конструкция согласующего трансформатора блока модуляции спектрометра ЭПР на основе одного тороидального сердечника с дополнительным эле 4 101802014.06.30 ментом связи между осесимметричной одновитковой обмоткой и линейно-симметричной полосковой линией. На фиг. 3 изображен вариант малогабаритной конструкции согласующего трансформатора спектрометра ЭПР с одним тороидальным сердечником. На фиг. 4 иллюстрируется вариант малогабаритной конструкции дополнительного согласующего элемента связи для случая использования двух тороидальных сердечников в согласующем трансформаторе спектрометра ЭПР. На фиг. 5 показана схема соединения принципиального узла спектрометра ЭПР - согласующего трансформатора (фиг. 1) и его вариантов (фиг. 2-4) с элементами и узлами наиболее близкого технического решения спектрометра ЭПР 3. Из фиг. 1 видно, что согласующий трансформатор 26 (фиг. 5), выполненный на основе двух тороидальных сердечников 1 и 2, имеет многовитковую первичную обмотку 3 и 4 с выводами 5 и 6 для соединения с источником тока модуляции 25 (фиг. 5) спектрометра ЭПР. Каждый из тороидальных сердечников 1 и 2 охвачен изнутри и снаружи двумя металлическими чашками 7 и 8 и, соответственно, 9 и 10. Внешние и внутренние металлические чашки с одной стороны электрически соединены, а с другой стороны изолированы друг от друга тонким диэлектрическим слоем 11 и, соответственно, 12. Таким образом формируется одновитковая вторичная обмотка, выводы которой образуются в месте расположения отверстий в центрах чашек 13 и 14. На фиг. 1 также показана одномерная симметричная полосковая линия, образованная двумя металлическими полосами 15 и 16, изолированными друг от друга тонким слоем диэлектрика 17 (незаштрихован на фиг. 1). На фиг. 1 часть полосковой линии в месте ее подключения к модулирующим стержням измерительного резонатора не показана. Из фиг. 1 видно, что дополнительная коаксиальная линия связи выполнена в виде двух металлических втулок 18 и 19 и расположенного внутри втулок стержня 20, изолированного от втулок тонким слоем диэлектрика 21. При этом каждая из втулок 18, 19 электрически соединена в центре соответственно с внешней чашкой и одной из полос полосковой линии, а центры внутренних чашек электрически и механически связаны друг с другом металлическим стержнем, проходящим через отверстие в симметричной полосковой линии. На фиг. 5 введены следующие обозначения 22 - источник постоянного магнитного поля, 23 - блок СВЧ, 24 - измерительный резонатор с петлей модуляции магнитного поля,25 - источник тока модуляции, 26 - согласующий трансформатор. Указанное на фиг. 1 техническое решение дополнительного элемента связи осуществляет выравнивание линий тока по их амплитудам и фазам на обоих входах дополнительной коаксиальной линии и сохранение амплитудно-фазового баланса в местах их соединения с полосковой линией. Это обеспечивает, соответственно, оптимальную, в отличие от прототипа, передачу суммарного тока модуляции на стержни петли модуляции в измерительном резонаторе 24 спектрометра ЭПР (фиг. 5). Существенно также, что при этом не теряются преимущества прототипа, связанные с низким импедансом всей совокупности элементов связи между согласующим трансформатором 26 и петлей модуляции измерительного резонатора 24. Экспериментально установлено, что в диапазоне частот модуляции от 15 до 150 кГц предложенное техническое решение обеспечивает двукратное увеличение амплитуды модуляции магнитного поля в месте расположения исследуемого образца в измерительном резонаторе 24 по сравнению с прототипом. Достигнутые результаты позволяют упростить конструкцию согласующего трансформатора 26 при сохранении параметров прототипа за счет перехода к однотороидальной конструкции (как показано на фиг. 2) и отражено в варианте п. 3 формулы полезной модели). Из фиг. 2 следует, что при использовании в согласующем трансформаторе 26 одного тороидального сердечника с первичной многовитковой обмоткой с выводами 5 и 6 и одновитковой вторичной обмоткой на основе двух металлических чашек дополнительная низкоимпедансная коаксиальная линия связи в виде металлической втулки и изолирован 5 101802014.06.30 ного тонким слоем диэлектрика стержня, причем с одной стороны втулка и стержень электрически и механически связаны с выводами вторичной обмотки согласующего трансформатора 26, а с другой стороны соединены с симметричной полосковой линией. В результате вариант по п. 3 предложенного технического решения обеспечивает решение поставленной задачи при упрощении конструкции и уменьшении габаритов согласующего трансформатора спектрометра ЭПР. На фиг. 3 в соответствии с п. 4 формулы полезной модели показано техническое решение, в котором достигнуто существенное уменьшение габаритов согласующего трансформатора в целом при сохранении электрических параметров конструкции по п. 3(фиг. 2). Это достигнуто за счет того, что дополнительная коаксиальная линия связи между вторичной обмоткой и симметричной полосковой линией, выполненная в виде металлической втулки и изолированного от нее стержня, размещена коаксиально внутри отверстия тороидального трансформатора. Как видно из фиг. 4, вариант предложенного в п. 5 формулы технического решения обеспечивает по сравнению с прототипом трехкратное увеличение амплитуды тока модуляции в петле модуляции измерительного резонатора спектрометра ЭПР в диапазоне частот 15150 кГц при сокращении габаритов согласующего трансформатора на основе двухтороидальной конструкции. Из фиг. 4 следует, что положительный эффект достигнут тем, что дополнительная коаксиальная линия связи между вторичной обмоткой и симметричной полосковой линией, выполненная в виде двух металлических втулок и изолированного от них стержня, размещена внутри отверстий тороидальных частей согласующего трансформатора, причем концы втулок электрически опираются на полосы симметричной полосковой линии и механически крепятся стержнем, изолированным от втулок и полосковой линии. Таким образом, поставленная задача повышения эффективности связи между источником тока модуляции с модулирующим элементом измерительного резонатора спектрометра ЭПР в широком диапазоне частот модуляции, а также упрощения конструкции и уменьшения габаритов согласующего трансформатора и спектрометра ЭПР в целом в предлагаемой полезной модели в соответствии с формулой по п. 1-5 достигается за счет того, что вторичная одновитковая обмотка согласующего трансформатора соединена с симметричной полосковой линией через дополнительную коаксиальную линию связи, образованную металлическими втулками и стержнем, изолированными друг от друга тонким слоем диэлектрика. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7