CN106597332A - 一种电子顺磁共振谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电子顺磁共振谱仪，微波桥装置中的电子元件为高带宽的电子元件，且探头包括高带宽的共面波导，而不使用现有技术中的高品质因子谐振腔，提高了所述电子顺磁共振谱仪的工作带宽。同时，由于所述共面波导的磁场转化效率高，使得所述电子顺磁共振谱仪在保证高带宽的基础上，同时拥有很高的探测灵敏度。

Description

一种电子顺磁共振谱仪

技术领域

本发明涉及电子仪器技术领域，尤其涉及一种电子顺磁共振谱仪。

背景技术

EPR(Electron Paramagnetic Resonance，电子顺磁共振)技术是一种检测样品中未成对电子特性的谱学方法，它在化学、物理、材料、环境、生命科学和医学等领域的应用十分广阔。EPR谱仪的工作原理为通过微波发生器来产生微波信号，由探头通过该微波信号激励待测试样品中的未成对电子，从而产生EPR信号，再通过电子学读出设备进行信号采集。

传统的EPR谱仪为了保证高探测灵敏度，其探头主要是通过高品质因子谐振腔来实现的，这就导致传统EPR谱仪只能工作在单一频点，或者较窄的带宽区间内，即其探测范围窄。

但是随着现代科学技术的快速发展，需要研究的材料和其性质范围越来越广泛，对很多材料而言，单一频点的谱图，无法精确的表征被研究对象的层次结构。因此，在保持高灵敏度的基础上，提高EPR谱仪的带宽，显得尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电子顺磁共振谱仪，以解决现有技术无法同时保证高灵敏度和高带宽的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种电子顺磁共振谱仪，包括：微波桥装置、调制场装置、探头及静磁场装置；其中：

所述探头包括高带宽的共面波导；

所述微波桥装置中的电子元件为高带宽的电子元件，所述微波桥装置用于产生激励待测样品的微波信号，接收与待测样品相互作用后的激励信号，接收并从检测信号中解析得到待测样品的检测信息；

所述静磁场装置用于在待测样品上施加静磁场；

所述调制场装置用于将所述微波信号和所述激励信号加载到预设频率信号上，作为所述检测信号。

优选的，所述探头还包括：设置于所述共面波导的上表面的微流道。

优选的，所述静磁场装置包括：

设置于所述探头两侧的两块电磁铁，用于在待测样品上施加静磁场；

检测单元，用于检测两块电磁铁中间磁场的大小；

控制单元，用于根据两块电磁铁中间磁场的大小，对两块电磁铁中的电流大小进行实时修正。

优选的，所述调制场装置包括：两个调制支路，分别设置于所述探头与两块电磁铁之间；

所述调制支路包括串联的亥姆霍兹线圈与电容。

优选的，所述微波桥装置包括：微波波源、前置放大器、第一定向耦合器、第一压控衰减器、第二压控衰减器、移相器、隔离器、合路器、第二定向耦合器、检波二极管、锁相放大器及模拟数字转换器；其中：

所述微波波源、所述前置放大器、所述第一定向耦合器依次串联；

所述第一压控衰减器的输入端与所述移相器的输入端分别与所述第一定向耦合器的两个输出端相连；

所述第二压控衰减器的输入端与所述移相器的输出端相连；

所述第一压控衰减器的输出端通过所述探头与所述隔离器的输入端相连；

所述隔离器的输出端与所述第二压控衰减器的输出端分别与所述合路器的两个输入端相连；

所述合路器的输出端与所述第二定向耦合器的输入端相连；

所述第二定向耦合器的一个输出端通过所述检波二极管与所述锁相放大器相连；

所述第二定向耦合器的另一个输出端与所述模拟数字转换器相连。

优选的，所述微波桥装置包括：微波波源、定向耦合器、混频器、任意波形发生器、第一隔离器、第一前置放大器、第二隔离器、开关、高功率放大器、衰减器、第三隔离器、微波限幅器、保护开关、低噪声放大器、解调器、第四隔离器、第二前置放大器、第一视频放大器、第二视频放大器及示波器/数据采集卡；其中：

所述微波波源、所述定向耦合器、所述混频器、所述第一隔离器、所述前置放大器、所述第二隔离器、所述开关、所述高功率放大器、所述衰减器、所述第三隔离器、所述探头、所述微波限幅器、所述保护开关及所述低噪声放大器依次串联；

所述低噪声放大器的输出端与所述解调器的一个输入端相连；

所述定向耦合器的另一个输出端依次通过所述第四隔离器及所述第二前置放大器与所述解调器的另一个输入端相连；

所述解调器的两个输出端分别通过所述第一视频放大器和所述第二视频放大器与所述示波器/数据采集卡相连；

所述任意波形发生器与所述混频器相连。

由上述方案可知，本发明提供了一种电子顺磁共振谱仪，微波桥装置中的电子元件为高带宽的电子元件，且探头包括高带宽的共面波导，而不使用现有技术中的高品质因子谐振腔，提高了所述电子顺磁共振谱仪的工作带宽。同时，由于所述共面波导的磁场转化效率高，使得所述电子顺磁共振谱仪在保证高带宽的基础上，同时拥有很高的探测灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电子顺磁共振谱仪的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的探头的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的微波桥装置的电路图；

图4为本发明实施例提供的微波桥装置的另一电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种电子顺磁共振谱仪，以解决现有技术无法同时保证高灵敏度和高带宽的问题。

具体的，所述电子顺磁共振谱仪，参见图1，包括：微波桥装置100、调制场装置200、探头300及静磁场装置400；其中：

探头300包括高带宽的共面波导；

微波桥装置100中的电子元件为高带宽的电子元件。

具体的工作原理为：

调制场装置200用于将所述微波信号和所述激励信号加载到预设频率信号上，作为所述检测信号。

电子自旋磁共振探头是谱仪重要的组成部分，本实施例中的探头300使用高带宽高微波到磁场转化效率的共面波导来实现；待测样品被放置于探头300中。

微波桥装置100采用高带宽的微波元器件，其中前半部分的微波波源产生频率可调的微波信号，被输送至探头300内，与待测样品相互作用之后，生成的激励信号输出至微波桥装置100后半部分，进行采集和储存。也即微波桥装置100用于产生激励待测样品的微波信号，接收与待测样品相互作用后的激励信号，接收并从检测信号中解析得到待测样品的检测信息；

在电子顺磁共振谱仪中，需要静磁场装置400在顺磁性待测样品上施加静磁场，使电子的自旋体系发生能级劈裂，从而在施加微波时产生电子顺磁共振信号。

调制场装置200用于将所述微波信号和所述激励信号加载到预设频率信号(一般为10kHz至100kHz)上，作为所述检测信号；这样做是为了便于观测信号，降低噪声，提高信噪比。在具体的实际应用中，可以由微波桥装置100后半部分的锁相放大器将加载在该预设频率信号下的检测信息检测出来，这样可以有效降低信号中混杂的1/f噪声。

本实施例提供的所述电子顺磁共振谱仪，微波桥装置100中的电子元件为高带宽的电子元件，且探头300包括高带宽的共面波导，而不使用现有技术中的高品质因子谐振腔，提高了所述电子顺磁共振谱仪的工作带宽。同时，由于所述共面波导的磁场转化效率高，可达15Gauss/√W使得所述电子顺磁共振谱仪在保证高带宽的基础上，同时拥有很高的探测灵敏度。

优选的，在上述实施例及图1的基础之上，参见图2，探头300包括：共面波导301及设置于共面波导301的上表面的微流道302。

共面波导301的作用之一是作为传输线来传输微波，作用之二是提高转化效率，高转化效率的区域位于共面波导301上表面的中心位置。

对于固体粉末待测样品的检测，探头300仅采用共面波导301的结构，将待测样品加载在共面波导301的中心区域即可。

而对于液体待测样品的检测，探头300则需要使用到包括微流道302的结构；将微流道302安装在共面波导301的上表面，并且液体样品通道经过有效区域，从而使交变磁场充分作用于液体待测样品。

本发明另一实施例还提供了一种具体的电子顺磁共振谱仪，在上述实施例、图1和图2的基础之上，静磁场装置400包括：

设置于探头300两侧的两块电磁铁，用于在待测样品上施加静磁场；

检测单元，用于检测两块电磁铁中间磁场的大小；

控制单元，用于根据两块电磁铁中间磁场的大小，对两块电磁铁中的电流大小进行实时修正。

本实施例中，使用两块电磁铁产生相应的静磁场。同时，由于所述电子顺磁共振谱仪的需要，静磁场装置400还应该具有线性扫场的功能，因此需要加热反馈控制环节；具体的，通过检测单元，比如霍尔片，实时检测两块电磁铁中间磁场的大小，再根据测得的结果对两块电磁铁中的电流大小进行实时修正，保证了磁场大小的稳定性。

同时，优选的，调制场装置200包括：两个调制支路，分别设置于探头300与两块电磁铁之间；

所述调制支路包括串联的亥姆霍兹线圈与电容。

具体的，调制场装置200可以由一对亥姆霍兹线圈来实现，将亥姆霍兹线圈等效成一个电感串联一个电阻；而使用不同的电容与之串联，形成振荡电路，能够实现不同频率的调制场。

值得说明的是，为了对应不同的实验用途需要，本发明另一实施例还提供了一种具体的电子顺磁共振谱仪，在上述实施例、图1及图2的基础之上，参见图3，连续波模式的微波桥装置100包括：

微波波源101、前置放大器102、第一定向耦合器103、第一压控衰减器104、第二压控衰减器105、移相器106、隔离器107、合路器108、第二定向耦合器109、检波二极管110、锁相放大器111及模拟数字转换器112；其中：

微波波源101、前置放大器102、第一定向耦合器103依次串联；

第一压控衰减器104的输入端与移相器106的输入端分别与第一定向耦合器103的两个输出端相连；

第二压控衰减器105的输入端与移相器106的输出端相连；

第一压控衰减器104的输出端通过探头300与隔离器107的输入端相连；

隔离器107的输出端与第二压控衰减器105的输出端分别与合路器108的两个输入端相连；

合路器108的输出端与第二定向耦合器109的输入端相连；

第二定向耦合器109的一个输出端通过检波二极管110与锁相放大器111相连；

第二定向耦合器109的另一个输出端与模拟数字转换器112相连。

其中，微波波源101采用高带宽的微波波源，在系统中负责提供频率可调的微波信号。前置放大器102的功能是将微波波源101产生的微波功率放大，使其达到更高的工作功率，可以用来激励待测样品。

第一定向耦合器103将前置放大器102输出的微波信号分成两路：主路径和参考路径；其中：

主路径由第一压控衰减器104和隔离器107构成，主路径上的微波信号用来激励加载在辐射结构(如共面波导构成的探头300)上的待测样品，然后将经过相互作用后的激励信号传输给后端电路。第一压控衰减器104的作用是用来调节主路径上的微波功率，隔离器107的作用隔离后端电路反射回的信号。

参考路径由移相器106和第二压控衰减器105构成。参考路径的作用是用来调节进入后端检波二极管110的微波功率大小。通过调节移相器106和第二压控衰减器105，可以改变参考路径上微波信号的幅度和相位，使其与主路径上的微波信号通过合路器108后相消，达到一个比较小的功率，满足检波二极管110的功率要求，这样可以提高所述电子顺磁共振谱仪的探测灵敏度。

锁相放大器111的作用是用来接收和保存通过检波二极管110输出的最终信号。

模拟数字转换器112用于实时监测进入检波二极管110的信号功率，保证检波二极管110始终工作在最优区间。

为了保证高带宽的要求，上述所有微波器件都必须选用高带宽的电子元件。

本实施例中的微波桥装置100设计有参考路径，通过相消法改变探测端检波二极管110接收的功率，提高所述电子顺磁共振谱仪的探测灵敏度。

或者，本发明另一实施例还提供了一种具体的电子顺磁共振谱仪，在上述实施例、图1及图2的基础之上，参见图4，脉冲模式的微波桥装置100包括：

微波波源501、定向耦合器502、混频器503、任意波形发生器520、第一隔离器504、第一前置放大器505、第二隔离器506、开关507、高功率放大器508、衰减器509、第三隔离器510、微波限幅器511、保护开关512、低噪声放大器513、解调器514、第四隔离器515、第二前置放大器516、第一视频放大器517、第二视频放大器518及示波器/数据采集卡519；其中：

微波波源501、定向耦合器502、混频器503、第一隔离器504、前置放大器505、第二隔离器506、开关507、高功率放大器508、衰减器509、第三隔离器510、探头300、微波限幅器511、保护开关512及低噪声放大器513依次串联；

低噪声放大器513的输出端与解调器514的一个输入端相连；

定向耦合器502的另一个输出端依次通过第四隔离器515及第二前置放大器516与解调器514的另一个输入端相连；

解调器514的两个输出端分别通过第一视频放大器517和第二视频放大器518与示波器/数据采集卡519相连；

任意波形发生器520与混频器503相连。

其中，本实施例中脉冲模式的微波波源501、定向耦合器502、第一隔离器504、第二隔离器506、第三隔离器510、第四隔离器515、前置放大器505、衰减器509等器件功能与上一实施例中连续波模式相同，此处不再一一赘述。

混频器503、任意波形发生器520共同组成变频单元，该单元的作用在于产生频率幅度相位快速精确可调的微波信号。

开关507用于对连续的微波输入进行受控的导通或截断，从而生成特定的微波脉冲。

高功率放大器508用于提高微波信号的功率，激励待测样品。

微波限幅器511的作用是用于限制微波桥装置100后半部分微波的最大功率，防止脉冲产生时的大功率微波信号到达后端损坏电子学器件。

保护开关512的作用是让微波桥装置100后半部分的输入在微波桥装置100前半部分工作的情况下处于关断状态，避免微波桥装置100前半部分发射的大功率脉冲损坏微波桥装置100后半部分。

低噪声放大器513的作用是放大探测端接收到信号，同时引入尽可能小的噪声。

解调器514的作用是将输入信号进行解调，将加载在高频上的信号提取出来。

第一视频放大器517和第二视频放大器518用于放大解调器514输出的信号。

数据采集卡用于采集最终信号并将模拟信号转化成数字信号，最后交由计算机进行处理。

上述两个实施例，分别给出了连续波模式和脉冲模式的电子顺磁共振谱仪，两者中的锁相放大器均可使用Zurich Instruments生产的MLFI型锁相放大器，当然，也可以使用其他型号的锁相放大器或者具有接收储存微波信号功能的示波器，此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

值得说明的是，现有技术中传统的EPR谱仪工程体制庞大、电子线路复杂、使用程序繁琐、价格昂贵，而本发明中所述的电子顺磁共振谱仪，测试方便，成本低；与传统的商用电子顺磁共振谱仪相比，图3和图4所示的微波桥装置100，其线路简洁，测试流程简单，整机设备造价相对便宜，可在教学以及化学、生物等众多科研领域广泛应用。

其他具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种电子顺磁共振谱仪，其特征在于，包括：微波桥装置、调制场装置、探头及静磁场装置；其中：

所述探头包括高带宽的共面波导；

所述微波桥装置中的电子元件为高带宽的电子元件，所述微波桥装置用于产生激励待测样品的微波信号，接收与待测样品相互作用后的激励信号，接收并从检测信号中解析得到待测样品的检测信息；

所述静磁场装置用于在待测样品上施加静磁场；

所述调制场装置用于将所述微波信号和所述激励信号加载到预设频率信号上，作为所述检测信号。

2.根据权利要求1所述的电子顺磁共振谱仪，其特征在于，所述探头还包括：设置于所述共面波导的上表面的微流道。

3.根据权利要求1或2所述的电子顺磁共振谱仪，其特征在于，所述静磁场装置包括：

设置于所述探头两侧的两块电磁铁，用于在待测样品上施加静磁场；

检测单元，用于检测两块电磁铁中间磁场的大小；

控制单元，用于根据两块电磁铁中间磁场的大小，对两块电磁铁中的电流大小进行实时修正。

4.根据权利要求3所述的电子顺磁共振谱仪，其特征在于，所述调制场装置包括：两个调制支路，分别设置于所述探头与两块电磁铁之间；

所述调制支路包括串联的亥姆霍兹线圈与电容。

5.根据权利要求1或2所述的电子顺磁共振谱仪，其特征在于，所述微波桥装置包括：微波波源、前置放大器、第一定向耦合器、第一压控衰减器、第二压控衰减器、移相器、隔离器、合路器、第二定向耦合器、检波二极管、锁相放大器及模拟数字转换器；其中：

所述微波波源、所述前置放大器、所述第一定向耦合器依次串联；

所述第一压控衰减器的输入端与所述移相器的输入端分别与所述第一定向耦合器的两个输出端相连；

所述第二压控衰减器的输入端与所述移相器的输出端相连；

所述第一压控衰减器的输出端通过所述探头与所述隔离器的输入端相连；

所述隔离器的输出端与所述第二压控衰减器的输出端分别与所述合路器的两个输入端相连；

所述合路器的输出端与所述第二定向耦合器的输入端相连；

所述第二定向耦合器的一个输出端通过所述检波二极管与所述锁相放大器相连；

所述第二定向耦合器的另一个输出端与所述模拟数字转换器相连。

6.根据权利要求1或2所述的电子顺磁共振谱仪，其特征在于，所述微波桥装置包括：微波波源、定向耦合器、混频器、任意波形发生器、第一隔离器、第一前置放大器、第二隔离器、开关、高功率放大器、衰减器、第三隔离器、微波限幅器、保护开关、低噪声放大器、解调器、第四隔离器、第二前置放大器、第一视频放大器、第二视频放大器及示波器/数据采集卡；其中：

所述微波波源、所述定向耦合器、所述混频器、所述第一隔离器、所述前置放大器、所述第二隔离器、所述开关、所述高功率放大器、所述衰减器、所述第三隔离器、所述探头、所述微波限幅器、所述保护开关及所述低噪声放大器依次串联；

所述低噪声放大器的输出端与所述解调器的一个输入端相连；

所述定向耦合器的另一个输出端依次通过所述第四隔离器及所述第二前置放大器与所述解调器的另一个输入端相连；

所述解调器的两个输出端分别通过所述第一视频放大器和所述第二视频放大器与所述示波器/数据采集卡相连；

所述任意波形发生器与所述混频器相连。