3.2 Излучатель свч электромагнитного потока и детектор

Если магнитное поле необходимо для расщепления энергетического уровня неспаренного электрона на два подуровня (электронный эффект Зеемана, глава 1), то для того, чтобы происходил переход электрона с нижнего уровня на верхний нужен излучатель электромагнитного потока с подходящей частотой gH/h и детектор, который фиксирует поглощение электромагнитного потока в результате этого перехода. Излучатель, который включает в себя колебательный контур, называется клистроном. Колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L и конденсатора с изменяемой электрической ёмкостью С, можно увидеть в любом радиоприёмнике. Вращая ручку конденсатора, мы тем самым меняем собственную частоту колебательного контура и настраиваем наш радиоприёмник или передатчик на нужную частоту. Такой излучатель, работающий в диапазоне частот ⁷-10⁸гц, используемых сейчас в радиовещании, использовал Завойский в своих экспериментах. Он использовал постоянные магниты, но варьировал частоту радиоволн, испускаемыми колебательным контуром генератора. Для повышения чувствительности ЭПР спектрометров сейчас используются гораздо более частоты ¹⁰ гц (Х-диапазон) или 36х^гц (Q-диапазон) и в этом случае частоту колебательного контура клистрона можно менять только в очень узком диапазоне частот, что используется только для настройки прибора. Во время съёмки спектров ЭПР частота поддерживается постоянной, но меняется напряженность магнитного поля. Действительно, условие резонанса hgH т.е. перехода неспаренного электрона с нижнего на верхний подуровень под действием электромагнитного кванта hможно добиться двумя способами. А именно, используя постоянное магнитное поле Н, варьировать частоту излучателя (эксперименты Завойского), и, наоборот, поддерживая постоянной частоту , варьировать магнитное поле. Поскольку повышение собственной частоты колебательного контура до СВЧ диапазона предполагает значительное уменьшение как индуктивности катушки L и электрической ёмкости С конденсатора, так и их размеров, технически невозможно менять в широком диапазоне L и С и, следовательно, частоту излучателя. Поэтому в современных спектрометрах, работающих в СВЧ диапазоне частот, используется второй метод достижения резонанса. Уменьшение мощности электромагнитного потока при резонансе в результате поглощения электроном кванта энергии Е=hфиксируется детектором или СВЧ диодом. Детектор преобразует электромагнитный поток в электрический ток, который далее усиливается и подаётся на самописец и, мы наблюдаем спектр ЭПР. Важно отметить, что для расчёта g-фактора из уравнения g=hH необходимо знать величину напряжённости магнитного поля, при котором наблюдается сигнал и частоту Если напряжённость магнитного поля, как было сказано ранее, определяется ЯМР магнетометром, то частоту определяют с помощью эталонных парамагнитных веществ, которых уже определены с большой точностью g-факторы. Как правило, в качестве такого эталонного вещества для определения используется органический радикал 1,1-дифенил-2-пикрилгидразил (ДФПГ)

(рисунок 4), который в твердой фазе даёт очень узкий сигнал шириной приблизительно 2.7Э, что очень важно, т.к. его сигнал не мешает наблюдению спектра исследуемого образца.

Рисунок 4 – Органический радикал ДФПГ

Всегда съёмку спектров исследуемого образца и эталона проводят одновременно при одной и той же частоте клистрона, для этого в ампулу с образцом помещают капилляр с очень незначительным количеством эталона. Практически с помощью современного ЭПР спектрометра, работающего в Х-диапазоне можно обнаружить при комнатной температуре меньше 10^-9г ДФПГ, в результате мы зафиксируем суммарный спектр состоящий из узкого сигнала ДФПГ с g_ДФПГ=2.0036 и сигналов образца. Частота клистрона определяется по формуле:

g_ДФПГ_ДФПГ/h, (5)

где Н_ДФПГ - напряжённость магнитного поля, при котором наблюдается

сигнал эталона ДФПГ.

Далее вычисленная частота электромагнитного потока используется для расчёта g-фактора образца.