DE1598523A1 - Hochfrequenz-Spektrometer - Google Patents

Hochfrequenz-Spektrometer

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DE1598523A1 DE1965H0055073 DEH0055073A DE1598523A1 DE 1598523 A1 DE1598523 A1 DE 1598523A1 DE 1965H0055073 DE1965H0055073 DE 1965H0055073 DE H0055073 A DEH0055073 A DE H0055073A DE 1598523 A1 DE1598523 A1 DE 1598523A1
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • GPHYSICS
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    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/60Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using electron paramagnetic resonance

Description

  • Hochfrequenz-Spektrometer Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenz- oder Mikrowellen- Spektrometer, bei du die Mikrowellenlei@tung, die eine z.B. flüssigen oder gasförmigen Medium in einer Abeorptionea.lle zugeführt wird, und die Mikrowellenleistung, die zu eine Detektor gelangt, unabhängig einstellbar sind um eine hohe Empfindlichkeit und Vielseitigkeit zu erreichen. Die Frfindung betrifit ferner Anordnungen in Mikrowellenspektrometern, die eine Anzeige des absoluten Wertes des Absorptionskoeffizienten einer in einer Absorptionszelle befindlichen Probe liefer@.
  • Die Erfindung geht von einem Mikrowellenspektrometer aus, das zwei parallele Signalwege mit einem gemeinsamen Detektor und eine# im einen Signalweg angeordnete Absorptionszelle enthält.
  • Bin Merkmal der Erfindung besteht darin, in einem Mikrowellenspektrometer eine Anordnung zum Einspeisen eines simulierten Absorptionssignales in einen der ignaiwege vorzusehen, um den Einfluß von Eigenschaften des Detektorn auf die Genauigkeit von Absorptionsmessungen auszuschalten.
  • Durch die Erfindung soll ferner ein neurtiges Mikrowellenspektrometer angegeben werden, das eine Absolutanzeige von Abeorptionskoeffizienten einer untersuchten Probe liefert und eich auch bei Verwendung einer kurzen Abeorptionsselle durch extrem hohe Signalempfindlichkeit auszeichnet.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Mikrowell.nsignal einer bestimmten Frequenz über einen Sig naiweg einer zu untersuchenden Probe zugeführt, die sich in einer Ab.orptionsaelle, z,B. einer Stark- Effektabsorptionszelle befindet. Dasselbe Mikrowellensignal wird mit dem am Ausgang der Abeorptionzelle auftretenden Signal mit einer solchen Phasenlage vereinigt, daß praktisch das ganze Mikrowellensignal kompensiert wird und nur ein Bruchteil der gesamten Mikrowellenleistung zu einem Mikrowellendetektor gelangt. Ilierduroh kann die der in der Absorptionszelle befindlichen Probe zugeführte Mikrowellenleistung in einem weiten Bereich geändert werden während die dem Detektor zugeführte Leistung im wesentlichen unverändert bleibt. Der Detektor spricht auf die Schwankungen in der Leistung an, die ihre Ursache in Änderungen der Leistungesbsorption bei periodischen Schwankungen der Abeorptionserregung in der Absorptionezelle (z.B. eines elektrostatischen Feldes in einer Stark-Effektzelle), die zwischen bestimmten Erregungspegeln verlaufen, haben; zwischen die das Mikrowellensignal einer gewünschten Frequenz liefernde ignalquelle und den Detektor ist ein dritter Signalaweig geschaltet, der eine Änderung der Mikrowellenleistung erzeugt, die wenigstens annäherend gleich den Leistungsschwankungen ist, die durch den veränderhohen Absorptionserregungspegel verursacht werden, welcher der Probe in der Abeorptionszelle zugeführt wird.
  • Man erhält dabei eine Absolutanzeige des Abeorptionskoeffizienten der Probe in der Absorptionszelle, wenn der dritte Signalzweig so abgeglichen iet, daß der Detektor eine identische Anzeige erzeugt.
  • Die erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, die ein Blockschaltbild eines Mikrowellenspektrometers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
  • Eine ein Mikrowellensignal liefernde Signalquelle 9 ist über einen Abechwächer 11 und eine Reihe von Richtungskopplern 13 - 17 an einen Phasenschieber 19 und einen Abschwächer 21 angeschlossen, die einen von zwei Signalwegen bilden. Vom Nebenarm des RIchtungskopplers 17 wird einer Absorptionszelle 27 ein Signal tiber einen Richtungekoppler 23 und einen Abechwächer 25 zugeführt.
  • Die Ausgangssignale der Absorptionszelle 27 und des Abschwächere 21 werden in einen Richtungskoppler 29 vereinigt und einem Mikrowellendetektor 31 zugeführt. Vom Nebenarm des Rlchtuntekopplers 13 wird ein signal über einen dritten Signalweg mit einem Abschwächer 33, einem Modulator 35, einem Abechwächer 37 und einem Phasenschieber 39 dem Nebenarm des Richtungskopplers 23 zugefUhrt.
  • Im Betrieb wird ein zu untersuchendes Medium mittels einer Vakuum- und Probenentnahmenanlage 41 in die Absorp tionezelle 27 eingeführt. Der Pegel der Mikrowellenleistung in der Zelle 27 wird durch die Abschwächer 11 und 25 bestimmt. enn das Dipolmoment von Molekülen der Probe zu bestimmen ist, wird als Absorptionszelle eine S@arkeffekt-Zelle verwendet, die eine Elektrode 43 enthält, die in der Probe ein elektrischen Feld erzeugt.
  • Zur Bestimmung des Molekularen Spins oder Drehimpulses von Molekülen der Probe wird eine Zeeman-Effekt-Zelle verwendet, die eine Spule zum Erzeugen eines Magnetfeldes in der Probe enthält. Die Erfindung läßt sich sowohl in Verbindung mit Zeeman-Effekt-- als auch mit tark-Efiekt-btodulationezellen anwenden, im folgenden wird sie der Einfachheit halber Jedoch nur am Beispiel einer Stark-Effekt-Zelle beschrieben. Die folgende Erläuterung gilt also im rrinzip auch für Zeeman-Effekt-Zellen.
  • Die Probe in der Zelle 27 seigt bei einer bestimmten Frequenz des von der Quelle 9 gelieferten Mikrowellen-Signale einen Resonanaanstieg der Leistungsabsorption.
  • Die Frequenz, bei der das Absorptionsmaximum liegt, hängt von der Stärke des elektrostatischen Feldes ab, das duroh die Modulationsspannung an der Elektrode 43 erzeugt wird. Der Detektor 31 sprioht dementsprechend auf Änderungen des Pegels der Leistungsabsorption an, die bei der Frequenz der Modulationespannung auftreten, die von einer die Stark-=Effekt-Zelle ansteuernden Verstärkerstufe 45 geliefert wird.
  • Das Ausgangssignal des Detek@ors 31 wird einem abgestimmten Voltmeter und Onzillator 47 zugeführt, die eine Anzeige dieser Änderungen der dem Detektor zugeführten Mikrowellenleistung an einem Meßgerät 49, einem schreienden Registriergerät 51, einem Oszillographen oder dergleichen liefern. Der Oozillator im abgestimmten Voltmeter 47 beetimmt die Modulationsfrequenz und die Frequenz, auf die das Voltmeter abgestimmt ist.
  • Um den Detektor 31 bei einem Leintungspegel zu betreiben, der unabhängig von der Leistung in der Stark-@ffekt-Zelle 27 ein Optimum hinsichtlich des Störabstandes und der Empfindlichkeit ergibt, ist zwischen den Richtungskopplorn 17 und 29 ein weiterer Signalweg vorgesehen, der parallel zu dem die Stark-Effekt-Zelle enthaltenden Signalweg.verläuft. Der Abschwächer 21 und der Phasenschieber 19 in diesem Hilfssignalweg oder Nebenzweig werden so abgeglichen, daß dti Betrag nach praktisch die gleiche Mikrowellenleistung durchg@lassen wird wie von der Stark-Effekt-Zelle 27, Jedoch mit entgegengesetzter Phasenlage. Bei der Vereinigung der beiden Signale im Koppler 29 entsteht ein resultierendes Signal, dessen Leistungspegel fUr einen optimalen Betrieb des Detektore 31 eingestellt wird. Hierdurch kann die Leistung in der Stark-Effekt-Zelle 27 unabhängig vom Leistungepegel am Detektor 31 eingestellt werden. Wenn di. Leistungepegel in der Stark-Effekt-Zelle 27 kleiner iet als für einen optimalen Betrieb des Detektors 31 erforderlich ist, können die Leistung von der Absorptionnzelle und dem ffilfsarm bei entsprechender Einstellung des Phasenschiebers 19 addiert werden.
  • Nachdem man vom Auegang des Detektors 31 eine Anzeige der Leistungsabsorption in der S Stark-Effekt-Zelle 37 erhalten hat, wird »eit Schalter 53 umgeschaltet um das Signal vom abgestiimten Voltmeter und Oszillator 47 einem Modulationsverstärker 55 zuzuführen, der seinerseite ein Signal an den Modulator 35 liefert um die Leistung des vom Modulator Abertragenen Mikrowellensignals zu modulieren. Der dritte @ignalzweig, der zwischen die Koppler 13 und 23 geschaltet ist, und die Elemente 33 bis 39 enthält, liefert an den Detektor 31 ein Signal, das die Amplitudenmodulation der Mikrowellenleistung, die durch die Leistungsabsorption in der Zelle 27 unter der Einwirkung des periodischen Stark-Effekt-Modulations feldes bewirkt wird, simuliert oder nachbildet. Der Phasenschieber 39 wird so eingestellt, daß die Anzeige am Lleßgerät 49 oder Registriergerät 51 usw. ein Maximum iet und die Abschwächer 33, 37 werden dann so verstellt, daß die Anzeige am abgestimmten Voltmeter und Oszillator 47 wieder denselben Wegt wie bei der Stark-Effekt-Modulation in der Zelle 27 hat. Die Skaleneinstellungen der Abschwächer 33 und 37 entsprechen dann dem Absorptionekoeffizienten der Probe in der Stark-Effekt-Zelle 27, unabhängig von den Eigenschaften des Detektors, da dieser mit während beider Messungen dem gleichen Leistungspegel betrieben wurde.
  • Der dritte Signalzweig, der die Elemente 33 bie 39 enthält, kann auch gleichzeitig mit der Modulation der Stark-Effekt-Zelle betrieben werden und nicht anschliessend, wie oben beschrieben wurde. Bei dieser Betriebsart werden Amplitude und Phase des durch den dritten Signalzweig gelieferten Signals so eingestellt, daß die durch die Stark-Effekt-Zelle bewirkte Modulation kompensiert wird und der Pegel der dem Detektor 31 sugefahrten Mikrowellenleistung dementsprechend praktisch konstant gehalten wird. Die Einstellungen der Abschwächer 33 und 37 ergeben dann eine Anzeige des Absorptionskoeffidienten der in der Stark-Effekt-Zelle 27 befindlichen Probe. Der Pegel, der den parallelen weigen sugeffhrten Leistung wird durch einen Leistungemonitor 57 angezeigt, dieser seigt also praktisch das Doppelte der der Leistung der Starkeffekt-Zelle 27 zugeführten Signales an.
  • Eo kann außerdem der Phasenwinkel der durch die Probe in der Zelle 27 bewirkten 1Jeietungsab.orption Jbestint werden, indem man den Phasenschieber 19 und den Abschwächer 21 so abgleicht, daß die Leistung von der Zelle kompensiert wird. Der Phasensohieber 19 und der Abschwächer 21 werden dann so eingestellt, daß eich der optimale Leistungspegel am Detektor 31 ergibt, wenn ein neuer @eistungspegel des Signale am Ausgang des Abschwächers 21 gleich dem @eistungspegel dieses Ausganges bei 0 di@ idiert durch den Cosinus des Winkels der Phasenverschiebung ist. hierdurch ist gewährleistet, daß das Signal am Detektor 31 in der Phase um 900 bezüglich des Signales am Ausgang des Abschwächers 21 verschoben ist.
  • Der mit optimalen Leistungspegel arbeitende Detektor 31 spricht daher in erster Linie sui Leistungsänderungen an, die ihre Ursache in Änderungen des Phasenwinkels der Leistungsabsorption in der Zelle 27 haben.

Claims (6)

  1. Patentansprüche 1. Hochfrequenz-Spektrometer mit einer
    Quelle, die mit einem Signalzweig verbunden ist, in welchem eine Absorptionszelle angeordnet ist, die an eine A@sorptionserregungs-Modulationssignal-Quelle angeschlossen ist und ein Element enthält, dan in einer in der @elle befindlichen Probe ein Adsorptions erregungsfeld zu erzeugen gestattet, mit einer Anordnung zur Änderung von Amplitude und Phase der zugeführten Signale und mit einem Detektor, der auf das Ausgangssignal der Absorptionszelle anspricht und bei einem bestimmten Leistungspegel mit optimalem utbrabntand arbeitet, g ek e n n z e i c h n e t d u r c h einen zweiten Signalzweig, der an dle Hochfrequenzquelle angeschlossen ist, und durch eine Anordnung, das Ausgangssignal der beiden Signalzweige derart zu vereinigen, daß sich am Detektor der optimal Leistungepegel ergibt.
  2. 2. Hochfrequenz-Spektrometer nach Anspruch 1, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n 5 t, daß mit den ersten oder dem zweiten Signalzweig eine Anordnung verbunden ist, die eine Zuführung eins Signale mit einer Anzahl von Leistungepegeln ermöglicht, die in Beziehung zu den Leistungspegeln des Signales stehen, das am Ausgang der Absorptionszelle durch das dem Element mit der Zelle zugeführte Absorptionserregungsmodulationssignal erzeugt wird.
  3. 3. Hochfrequenzspektrometer nach Anspruch 2, da d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Anordnung einen signalgesteuerten Abschwächer und einen Phasenschieber enthält, die zwischen den Auegang der Hochfrequenz-Signalquelle und den Hochfrequenzsignaleingang der Absorptions@lle geschaltet sind, und das dem signalgesteuerten Absohwächer ein teuersignal zuführbar ist, das in einer Beziehung zu du AbeorptionBerregungsmodulationsnignal steht.
  4. 4. Hochfrequenzspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r C h g e k e n n z e i o hn e t, daß die Absorptionszelle eine @tark-Effekt-Zelle ist und daß das Element in der Probe ein elektrisches Feld erzeugt.
  5. 5. Hochfrequenzspektrometer nach einem der @orhergehenden Ansprüche, g e k e n n s e i o h n e t d u r o h einen dritten Signalzweig, durch den das Signal, das dem Eingang der Absorptionszelle von der Hochfrequensquelle @ugeführt wird, mit einem anderen, von der @ochfrequenzquelle stammenden Signal vereinigt wird, dessen @@istungspegel sich als Funktion der Zeit mit derselben Rate ändert wie die dem Element in der Absorptionszelle zugeführte zeitlich veränderliche Span nung.
  6. 6. @ochfreuqenzspektrometer nach Anspruch 5, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die relative Differenz £br Leistungspegel des seitlich veränderlichen Hochfrequenzsignales, das durch die Absorptionszelle in Abhängigkeit von der ihrem Element zugeführten seitlich veränderlichen Spannung durchgelassen wird, praktisch gleich der relativen Differenz der Leistungspegel des zeitlich veränderlichen @ochfrequenzeignals von der Hochfrequenzquelle ist, welches vom dritten ignalcaoig durchgelassen wird.
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