Спектрометры эпр
Основные узлы спектрометра электронного парамагнитного резонанса.
источник излучения с длиной волны ~ 3 см.
поглощающая ячейка, в которую помещается образец и в которой концентрируется микроволновая энергия.
большой магнит, создающий постоянное магнитное поле напряженностью~3000 эрстед, в которое помещается образец.
детектор для измерения поглощенной образцом энергии при резонансе.
системы регистрации и записи.
Расположение этих узлов в схеме простейшего спектрометра для излучения ЭПР, работающего при комнатной температуре, показана на рис. 4.
Рис. 4. Схема узлов простейшего спектрометра ЭПР
Стандартный радиолокационный клистрон, подключенный волноводной системе, служит в качестве источника излучения с длиной волны 3см. энергия излучения подводится к объемному резонатору, являющемуся поглощающей ячейкой и обладающему свойством накапливать микроволновую энергию. Исследуемый образец помещается в центр резонатора, где напряженность микроволнового поля имеет максимальное значение. Выходной волновод от резонатора соединен с кристаллическим детектором, на котором создается постоянное напряжение, пропорциональное уровню падающей на него микроволновой мощности. Системы усиления и регистрации могут иметь различные варианты. В простейшем из них основное постоянное поле модулируется переменным полем амплитуды. Выходной сигнал с кристаллического детектора усиливается широкополосным низкочастотным усилителем и подается на вертикально отклоняющие пластины осциллографа. Напряжение на пластинах горизонтальной развертки синхронизовано с модуляцией поля, и, таким образом, линия поглощения регистрируется непосредственно на экране осциллографа. Спектрометр с такой системой регистрации сигнала называется «видеоспектрометром». Он прост в изготовлении и в работе, но не обладает достаточно высоким отношением сигнала к шуму.
Основные типы спектрометров для исследования электронного резонанса
Схема простого микроволнового спектрометра приведена на рис. 4. было показано, что наличие свободных радикалов или других парамагнитных частиц определяется по поглощению энергии в резонаторе в тот момент, когда поле проходит резонансное значение. В спектрометре с проходным резонатором упомянутое поглощение энергии появляется в виде небольшого изменения уровня мощности, падающей на детектор. На рис. 5 а это показано в виде изменения уровня выходного напряжения детектора. Методы обнаружения сигнала, представляющего собой небольшое изменение высокого постоянного уровня мощности, недостаточно эффективны; значительно лучшие результаты получаются в тех случаях, когда основной уровень мощности равен нулю. Последнее требует применения своего рода нуль-метода или системы балансного моста, простой вариант которой показан на рис. 5 б.
Рис. 5. Блок-схемы спектрометров с проходным и отражательным резонатором.
а – спектрометр с проходным резонатором. Сигнал резонансного поглощения показан в виде относительно небольшого изменения уровня выходного напряжения детектора.
б – спектрометр с отражательным резонатором. Сигнал поглощения показан в виде относительно большого изменения уровня выходного напряжения детектора.
В этой системе основной частью моста является либо двойной тройник, либо гибридное кольцо. Если к плечу 1 такого элемента подвести энергию, то она разделится поровну между плечами 2 и 3, а в плечо 4 она пройдет только в случае рассогласования плечей 2 или 3. Объемный резонатор, содержащий исследуемый образец, присоединяется к плечу 2 и согласовывается с плечом 3 таким образом, чтобы в отсутствие поглощения микроволновая энергия не попадала в плечо 4. в момент, когда выполняется условие резонанса, в резонаторе поглощается энергия, появляется разбаланс моста и в плечо 4 проходит сигнал. Таким образом, если к плечу 4 присоединить детектор, то на него будет падать сигнал только при наличии резонансного поглощения.
Рассмотренные два простых типа микроволновых схем, т.е. схема с проходным резонатором и балансная схема с отражательным резонатором, лежат в основе всех спектрометров электронного резонанса. Первая является более простой и легко регулируется, вторая же применяется в более чувствительных спектрометрах и дает возможность изучать как поглощение, так и дисперсию.