CN112666090A - 基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪 - Google Patents

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陈钱
孙铭
焦超
段圣文
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Abstract

本发明公开了一种基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，该宽带微波光谱仪包括：宽带电磁波辐射源，用于产生多个啁啾脉冲信号和单频微波信号，且将两种信号进行混频并上变频至目标频段，由此产生多个微波激发脉冲并输出至样品真空室；样品真空室，用于提供一个空间，多个微波激发脉冲在该空间内对单次喷出的待测样品气体分子束进行多次微波激发，产生多个自由感应衰减信号；分子转动光谱信号检测系统，用于接收多个自由感应衰减信号与单频微波信号进行混频并下变频至基频的信号，由该信号获得待测样品气体分子束的转动光谱。本发明可大幅度提高信号采样频率，提高光谱仪捕获光谱的信噪比，同时降低样品消耗，节约仪器运行成本。

Description

基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪
技术领域
本发明涉及分子转动光谱学以及分子检测技术领域，特别涉及一种基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪。
背景技术
转动光谱学是研究气相分子结构的一种有效技术。分子的转动光谱对微小的结构变化高度敏感，当观察到精细或超精细结构，通过分析分子超精细转动能级跃迁光谱，即能拟合出十分精准的分子几何结构与电子结构，在化学分析、制药合成领域有着重要应用。在射电天文学中，这项技术在探索星际介质的化学成分方面也起着关键的作用。
由于微波波段的分子转动光谱信息丰富，微波光谱仪成为研究转动光谱学的主要仪器，是测量分子转动跃迁的重要工具。根据光谱仪单次扫描频宽，微波光谱仪可分为Balle-Flygare类型窄带微波光谱仪和chirped-pulse类型宽带微波光谱仪。Balle-Flygare类型窄带微波光谱仪由美国伊利诺伊大学的Flygare教授在上个世纪八十年代初基于superheterodyne检测技术提出设计并完成了搭建，具有高灵敏度与高分辨率的特性，一直是欧美射电观测机构的主要实验室微波光谱测量仪器。但其微波电路设计颇为复杂，单次扫描频宽与操作效率均受到铝制法布里-珀罗腔的限制。随着高速数字电子技术的进步以及检测方法的发展，美国弗吉尼亚大学在2006年设计研发出chirped-pulse类型宽带微波光谱仪，极大地提高了获取高动态范围分子转动光谱的速度。但是目前宽带微波光谱仪检测分子转动光谱的灵敏度和分辨率并不高，且光谱扫描频率不快。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能提高信号采样频率，提高检测灵敏度和光谱信噪比，同时降低样品消耗和光谱仪运行成本的基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，该宽带微波光谱仪包括宽带电磁波辐射源、样品真空室以及分子转动光谱信号检测系统；
所述宽带电磁波辐射源，用于产生多个啁啾脉冲信号和单频微波信号，且将两种信号进行混频并上变频至目标频段，由此产生多个微波激发脉冲并输出至样品真空室；
所述样品真空室，用于提供一个空间，所述多个微波激发脉冲在该空间内对单次喷出的待测样品气体分子束进行多次微波激发，产生多个自由感应衰减信号；
所述分子转动光谱信号检测系统，用于接收多个自由感应衰减信号与单频微波信号进行混频并下变频至基频的信号，由该信号获得待测样品气体分子束的转动光谱。
进一步地，所述宽带电磁波辐射源包括：
任意波形发生器，用于连续产生多个啁啾脉冲信号；
信号发生器，用于产生单频微波信号；
第一混频器，用于将所述多个啁啾脉冲信号与单频微波信号进行混频并上变频至目标频段，由此产生多个微波激发脉冲。
进一步地，所述样品真空室包括真空腔、真空腔内设置的喇叭天线、电磁阀喷嘴以及球面镜；喇叭天线与球面镜同轴且相向设置；
喇叭天线接收宽带电磁波辐射源输出的多个微波激发脉冲并将这些微波激发脉冲输入至真空腔内，与此同时，电磁阀喷嘴单次喷出待测样品气体分子束，所述多个微波激发脉冲对待测样品气体分子束进行多次微波激发，产生多个自由感应衰减信号，这些微波激发脉冲经球面镜反射后再次激发待测样品气体分子束产生多个自由感应衰减信号，所有产生的自由感应衰减信号依次通过喇叭天线、单刀双掷开关的通道2导出样品真空室。
进一步地，所述分子光谱信号检测系统包括数字示波器和上位机；数字示波器，用于接收多个自由感应衰减信号与信号发生器产生的单频微波信号经第二混频器混频并下变频至基频的信号，并将该信号传输至上位机；上位机，用于对接收到的信号进行多次均匀裁剪和平均处理，获得信噪比更高的单个自由感应衰减信号，对该自由感应衰减信号进行分析即可获得待测样品气体分子束的转动光谱。
进一步地，在所述微波激发过程中，由脉冲延迟生成器产生多个固态放大器TTL控制信号，用于准确放大微波激发脉冲；产生多个单刀双掷开关通道1TTL控制信号，用于保证微波激发脉冲通过；产生多个单刀双掷开关通道2TTL信号，用于保证自由感应衰减信号通过并及时断开单刀双掷开关的通道1；产生数字示波器TTL控制信号，用于及时采集连续的多个自由感应衰减信号。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)在样品气体脉冲持续时间内，利用多个微波激发脉冲对单次喷出的待测样品气体分子束进行多次有效激发，大幅提高信号采样频率，且降低样品消耗，节约仪器运行成本；2)对示波器采集的原始信号进行多次均匀裁剪和平均后能获得单个完整的自由感应衰减信号，可提高光谱仪灵敏度和捕获光谱的信噪比；3)利用脉冲延迟生成器设置保护脉冲(单刀双掷开关通道2TTL信号)及时断开单刀双掷开关，以保护下游的信号接收电路，避免高功率的微波激发脉冲对下游的电子器件造成损害。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪结构示意图。
图2为本发明多脉冲自由感应衰减技术的示意图。
图3为本发明一个实施例中示波器采集的多个原始自由感应衰减信号图。
图4为本发明一个实施例中未使用多脉冲自由感应衰减技术采集的单个自由感应衰减信号图。
图5为本发明一个实施例中经均匀裁剪和平均后得到的单个自由感应衰减信号图。
图6为本发明一个实施例中未使用多脉冲自由感应衰减技术得到的转动光谱图。
图7为本发明一个实施例中基于多脉冲自由感应衰减技术得到的转动光谱图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1，本发明提出了一种基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，包括宽带电磁波辐射源、样品真空室以及分子光谱信号检测系统；
宽带电磁波辐射源，用于产生多个啁啾脉冲信号和单频微波信号，且将两种信号进行混频并上变频至目标频段，由此产生多个微波激发脉冲并输出至样品真空室；
样品真空室，用于提供一个空间，多个微波激发脉冲在该空间内对单次喷出的待测样品气体分子束进行多次微波激发，产生多个自由感应衰减信号；
分子光谱信号检测系统，用于接收多个自由感应衰减信号与单频微波信号进行混频并下变频至基频的信号，由该信号获得待测样品气体分子束的转动光谱。
由于样品室内气体脉冲持续时间远大于自由感应衰减信号，设计了如图2所示的多脉冲自由感应衰减技术。利用脉冲延迟生成器来控制微波激发脉冲，对单次喷出的样品气体进行多次有效的激发，并设置保护脉冲及时断开开关，避免高功率的微波激发脉冲对下游的电子器件造成损害。另外，控制高速数字示波器采集多个连续的自由感应衰减信号，并对信号进行均匀裁剪和平均处理，提高了光谱信噪比。
进一步地，在其中一个实施例中，宽带电磁波辐射源包括：
任意波形发生器A，用于连续产生多个啁啾脉冲信号；
信号发生器C，用于产生单频微波信号；
第一混频器B，用于将多个啁啾脉冲信号与单频微波信号进行混频并上变频至目标频段，由此产生多个微波激发脉冲。
进一步地，在其中一个实施例中，宽带电磁波辐射源输出的多个微波激发脉冲经固态放大器D、单刀双掷开关E的通道1输入至样品真空室。
进一步地，在其中一个实施例中，样品真空室包括真空腔G、真空腔G内设置的喇叭天线F、电磁阀喷嘴I以及球面镜H；喇叭天线F与球面镜H同轴且相向设置；
喇叭天线F接收宽带电磁波辐射源输出的多个微波激发脉冲并将这些微波激发脉冲输入至真空腔G内，与此同时，电磁阀喷嘴I单次喷出待测样品气体分子束，多个微波激发脉冲对待测样品气体分子束进行多次微波激发，产生多个自由感应衰减信号，这些微波激发脉冲经球面镜H反射后再次激发待测样品气体分子束产生多个自由感应衰减信号，所有产生的自由感应衰减信号依次通过喇叭天线F、单刀双掷开关E的通道2导出样品真空室。
进一步地，在其中一个实施例中，上述喇叭天线F具体采用双脊喇叭天线，球面镜H具体采用反光聚焦球面铝镜。
进一步地，在其中一个实施例中，分子光谱信号检测系统包括数字示波器K和上位机；数字示波器K，用于接收多个自由感应衰减信号与信号发生器C产生的单频微波信号经第二混频器J混频并下变频至基频的信号，并将该信号传输至上位机；上位机，用于对接收到的信号进行多次均匀裁剪和平均处理，获得信噪比更高的单个自由感应衰减信号，对该自由感应衰减信号进行分析即可获得待测样品气体分子束的转动光谱(对自由感应衰减信号进行傅里叶变换后得到频域转动光谱信息)。
进一步地，在其中一个实施例中，上述微波激发过程中，由脉冲延迟生成器产生多个固态放大器DTTL控制信号，用于准确放大微波激发脉冲；产生多个单刀双掷开关E通道1TTL控制信号，用于保证微波激发脉冲通过；产生多个单刀双掷开关E通道2TTL信号，用于保证自由感应衰减信号通过并及时断开单刀双掷开关E的通道1；产生数字示波器KTTL控制信号，用于及时采集连续的多个自由感应衰减信号。
进一步地，在其中一个实施例中，上述单刀双掷开关E通道1的TTL控制信号宽于固态放大器D的TTL控制信号。
示例性地，对本发明基于多脉冲自由感应衰减技术的有效性进行实验验证，实验使用的样品是以0.5％浓度稀释于氩气中的二苯并呋喃，所选中心频率为4.5GHz，检测到了二苯并呋喃分子在低频区域的转动光谱。
图3为本发明运用多脉冲自由感应衰减技术在示波器上采集的多个原始自由感应衰减信号图，由图可以看出本发明大大提升了光谱仪的信号采样频率，更加有效地利用气体分子束。
图4为未使用多脉冲自由感应衰减技术在示波器采集的单个自由感应衰减信号图，图5为本发明运用多脉冲自由感应衰减技术采集的原始信号经均匀裁剪和平均后得到的单个自由感应衰减信号图。对比图4和图5可以看出，运用多脉冲自由感应衰减技术可以得到更好的分子自由感应衰减信号。
图6为未使用多脉冲自由感应衰减技术光谱仪检测到的二苯并呋喃分子转动光谱图，图7为本发明基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波检测到的二苯并呋喃分子在4～5GHz的转动能级跃迁频率谱，光谱信噪比可达到100以上。对比图6和图7可以看出，本发明基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪具有更好的检测灵敏度且获得光谱的信噪比更高。
综上所述，本发明提出的基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，能大幅度提高信号采样频率，提高光谱仪检测灵敏度和光谱信噪比，同时降低样品消耗，节约仪器运行成本。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，其特征在于，该宽带微波光谱仪包括宽带电磁波辐射源、样品真空室以及分子转动光谱信号检测系统；
所述宽带电磁波辐射源，用于产生多个啁啾脉冲信号和单频微波信号，且将两种信号进行混频并上变频至目标频段，由此产生多个微波激发脉冲并输出至样品真空室；
所述样品真空室，用于提供一个空间，所述多个微波激发脉冲在该空间内对单次喷出的待测样品气体分子束进行多次微波激发，产生多个自由感应衰减信号；
所述分子转动光谱信号检测系统，用于接收多个自由感应衰减信号与单频微波信号进行混频并下变频至基频的信号，由该信号获得待测样品气体分子束的转动光谱。
2.根据权利要求1所述的基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，其特征在于，所述宽带电磁波辐射源包括：
任意波形发生器(A)，用于连续产生多个啁啾脉冲信号；
信号发生器(C)，用于产生单频微波信号；
第一混频器(B)，用于将所述多个啁啾脉冲信号与单频微波信号进行混频并上变频至目标频段，由此产生多个微波激发脉冲。
3.根据权利要求1所述的基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，其特征在于，所述宽带电磁波辐射源输出的多个微波激发脉冲经固态放大器(D)、单刀双掷开关(E)的通道1输入至样品真空室。
4.根据权利要求1所述的基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，其特征在于，所述样品真空室包括真空腔(G)、真空腔(G)内设置的喇叭天线(F)、电磁阀喷嘴(I)以及球面镜(H)；喇叭天线(F)与球面镜(H)同轴且相向设置；
喇叭天线(F)接收宽带电磁波辐射源输出的多个微波激发脉冲并将这些微波激发脉冲输入至真空腔(G)内，与此同时，电磁阀喷嘴(I)单次喷出待测样品气体分子束，所述多个微波激发脉冲对待测样品气体分子束进行多次微波激发，产生多个自由感应衰减信号，这些微波激发脉冲经球面镜(H)反射后再次激发待测样品气体分子束产生多个自由感应衰减信号，所有产生的自由感应衰减信号依次通过喇叭天线(F)、单刀双掷开关(E)的通道2导出样品真空室。
5.根据权利要求4所述的基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，其特征在于，所述喇叭天线(F)具体采用双脊喇叭天线，球面镜(H)具体采用反光聚焦球面铝镜。
6.根据权利要求4所述的基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，其特征在于，所述分子光谱信号检测系统包括数字示波器(K)和上位机；数字示波器(K)，用于接收多个自由感应衰减信号与信号发生器(C)产生的单频微波信号经第二混频器(J)混频并下变频至基频的信号，并将该信号传输至上位机；上位机，用于对接收到的信号进行多次均匀裁剪和平均处理，获得信噪比更高的单个自由感应衰减信号，对该自由感应衰减信号进行分析即可获得待测样品气体分子束的转动光谱。
7.根据权利要求1、3或6所述的基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，其特征在于，在所述微波激发过程中，由脉冲延迟生成器产生多个固态放大器(D)TTL控制信号，用于准确放大微波激发脉冲；产生多个单刀双掷开关(E)通道1TTL控制信号，用于保证微波激发脉冲通过；产生多个单刀双掷开关(E)通道2TTL信号，用于保证自由感应衰减信号通过并及时断开单刀双掷开关(E)的通道1；产生数字示波器(K)TTL控制信号，用于及时采集连续的多个自由感应衰减信号。
8.根据权利要求7所述的基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，其特征在于，所述单刀双掷开关(E)通道1的TTL控制信号宽于固态放大器(D)的TTL控制信号。
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