5. Импульсный спектрометр ямр

5.1. Назначение

Импульсный когерентный спектрометр предназначен для регистрации сигналов ЯМР и измерения времён спин-решёточной и спин-спиновой релаксации. Приёмник спектрометра – прямого преобразования с квадратурным детектированием. Передатчик и приёмник – широкополосные (5…50 МГц). Перестраиваемые цепи: датчик и четвертьволновый четырёхполюсник, обеспечивающий квадратуру опорных напряжений синхронных детекторов.

5.2. Технические характеристики

Диапазон частот 5…50 МГц

Датчик

Рабочая частота 13,740 МГц

Полоса частот 330 кГц

Передатчик

Входное сопротивление по ВЧ 50 Ом

Вход видеоимпульсов ТТЛ

Выходное сопротивление 50 Ом

Выходная мощность 25 Вт

Предусилитель приёмника

Входное и выходное сопротивление 50 Ом

Шум фактор 1,5 дБ

Коэффициент усиления 40 дБ

Приёмник

Входное сопротивление 50 Ом

Коэффициент усиления 60 дБ

Полоса частот 100 кГц

5.3. Конструкция датчика

Катушка индуктивности с образцом и конденсатор колебательного контура находятся в зазоре между полюсами электромагнита(см. рис.11).

С помощью индуктивной связи сопротивление контура на рабочей частоте согласовано с волновым сопротивлением коаксиального кабеля, выходным сопротивлением передатчика и входным сопротивлением предусилителя приёмника – 50 Ом.

Конструкция датчика позволяет коммутировать колебательный контур попеременно с передатчиком и приёмником. Передатчик подключается к контуру во время ВЧ-импульсов с помощью диодных ключей, когда напряжение на выходе передатчика превышает 1В. Для защиты предусилителя приёмника во время импульсов используется пассивный четырёхполюсник, эквивалентный четвертьволновому трансформатору. Для отрезка линии длиной четверть волны ( ) справедливо соотношение , связывающее волновое сопротивление кабеля , импеданс нагрузки и входной импеданс . Четвертьволновая цепочка эквивалентна такому отрезку, если её индуктивность и электрическая ёмкость удовлетворяют соотношениям , , где – волновое сопротивление эквивалентного отрезка линии, а – рабочая частота спектрометра. Во время импульса диоды на выходе -цепочки открываются, – мало, и, следовательно, много больше 50 Ом. Выходная мощность передатчика полностью поступает на контур, а на входе предусилителя высокое напряжение отсутствует. В отсутствие импульсов передатчик отсоединён, а колебательный контур согласованно соединён с входом предусилителя.

5.4. Принцип действия

Функциональные узлы и эпюры напряжения в разных точках спектрометра представлены на блок-схеме (рис.12). Гармонические колебания на выходе синтезатора модулируются в формирователе РЧ-импульсов видеоимпульсами с выхода генератора Г4-85. Образующиеся радиочастотные импульсы усиливаются и подаются на датчик. Сигнал ЯМР усиливается выносным предварительным малошумящим усилителем, затем усилителем приёмника и подаётся на вход квадратурного детектора. Последний представляет собой два аналоговых умножителя напряжений и фильтра нижних частот (ФНЧ), у которых фазы опорных напряжений сдвинуты на  относительно друг друга, т.е. находятся в квадратуре. Квадратурный детектор транслирует спектр сигнала в низкочастотную область на величину , где – частота синтезатора частот, и позволяет различать частоты выше и ниже последней. ФНЧ устраняют комбинационные частоты порядка , которые образуются вследствие умножения. Выходные сигналы квадратурного

Рис.12.

детектора пропорциональны величинам и в ВСК, вращающейся с частотой , при соответствующем выборе фазы опорного сигнала. Два выходных сигнала квадратурного детектора можно рассматривать также как комплексный сигнал, фурье-преобразование которого даёт спектр, нулевая частота которого соответствует частоте спектрометра.

З а д а н и е

Установить режимы работы цифрового осциллографа С9-8:

запуск – внешний, ждущий, 1:1, по фронту;

время на точку – 500нс;

режим памяти – А и Б, цикл.;

пределы входных напряжений – 50В.

1. Настроить поле в резонанс, включить ЯМР-стабилизацию. Определить длительность -импульса ( амплитуда сигнала равна нулю при -импульсе).

Снять форму комплексного сигнала ЯМР по точкам в ориентациях [100], [110] и [111] (В других обозначениях, соответственно: C₄, C₂ и C₃).

2. Измерить время спин-решёточной релаксации в трёх ориентациях, изменяя период повторения импульсов.

Дополнительное задание:

Сравнить форму сигналов с обратным фурье-преобразованием стационарного сигнала ЯМР. (Лаб. работа “Стационарный ЯМР”)

Л и т е р а т у р а.

1. Абрагам, А. Ядерный магнетизм / А. Абрагам. – М.: ИЛ, 1963. – 553 с.

2. Сликтер, Ч. Основы теории магнитного резонанса. / Ч. Сликтер. – М.:Мир, 1967. – 448.

3