RU2084874C1 - Способ микроволновой спектроскопии и спектрометр для его осуществления - Google Patents
Способ микроволновой спектроскопии и спектрометр для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2084874C1 RU2084874C1 RU94030055A RU94030055A RU2084874C1 RU 2084874 C1 RU2084874 C1 RU 2084874C1 RU 94030055 A RU94030055 A RU 94030055A RU 94030055 A RU94030055 A RU 94030055A RU 2084874 C1 RU2084874 C1 RU 2084874C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- radiation
- microwave
- gas
- output
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Использование: в молекулярной вращательной спектроскопии газовых и паровых сред, например, для контроля технологических процессов непосредственно в реакторах (in situ). Изобретение направлено на создание высокочувствительного и быстродействующего микроволнового спектрометра. Способ осуществляют путем воздействия на исследуемый газ, находящийся в ячейке, микроволновым излучением на частоте молекулярного резонанса, приема и детектирования микроволнового излучения на выходе из ячейки. При воздействии на газ микроволновым излучением периодически в течение отрезка времени 
- полуширина спектральной линии поглощения газа, осуществляют модуляцию частоты излучения источника. Функцию изменения частоты F(t) выбирают из соотношения
,
где F0 - частота молекулярного резонанса. Разработанный спектрометр позволяет устанавливать и поддерживать указанный выше режим модуляции частоты излучения источника, при этом схема управления модуляцией частоты соответствует и дополняет схему стабилизации центральной частоты источника излучения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
где F0 - частота молекулярного резонанса. Разработанный спектрометр позволяет устанавливать и поддерживать указанный выше режим модуляции частоты излучения источника, при этом схема управления модуляцией частоты соответствует и дополняет схему стабилизации центральной частоты источника излучения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к исследованию и анализу газов с помощью микроволнового излучения и может быть использовано в молекулярной вращательной спектроскопии газовых и паровых сред, например, для контроля технологических процессов непосредственно в реакторах (in situ).
Изобретение направлено на создание высокочувствительного и быстродействующего микроволнового спектрометра, основанного на использовании когерентного спонтанного излучения (КСИ) молекул исследуемого газа, обусловленного распадом наведенной в газе поляризации.
Так, известен способ микроволновой спектроскопии, основанный на разделении во времени воздействующего микроволнового излучения и КСИ исследуемого газа (J. Ekkers and W.H Flygare. Pulsed microwave Fourier transform spectrometr //Rev. Sci. Instrum. 1976, 47, N 4, p. 448-454). Этот известный способ включает воздействие на исследуемый газ микроволновым излучением источника коротких импульсов и гетеродинное преобразование КСИ молекул при помощи дополнительного микроволнового генератора. После этого осуществляют синхронное детектирование исследуемого сигнала на разностной частоте и его аналого-цифровое преобразование. Для перевода исследуемого сигнала в частотную область производят его Фурье-преобразование.
Недостатками данного способа являются ограниченный частотный диапазон, обусловленный отсутствием эффективных переключающих устройств, необходимых для формирования микроволновых импульсов в диапазоне частот выше 30 ГГц, сложность и высокая стоимость, связанные с применением двух микроволновых генераторов. Кроме этого в данном способе неэффективно используется энергия источника излучения, поскольку время взаимодействия воздействующего излучения с молекулами исследуемого газа мало по сравнению с общим временем измерения, что снижает чувствительность данного способа.
Известен КСИ-спектрометр, содержащий последовательно и соосно размещенные источник микроволнового излучения, ячейку с исследуемым газом и детектор, а также систему для осуществления частотной манипуляции источника (а.с. СССР N 1231446, кл. G 01 N 22/00, 1986). Эта система служит для разделения во времени воздействующего излучения и КСИ исследуемого газа. Стабильность частоты источника воздействующего микроволнового излучения в режиме частотной манипуляции поддерживается схемой частотной автоподстройки частоты. Требуемая стабильность девиации частоты поддерживается блоком управления девиацией частоты.
Недостатком данного спектрометра является невысокая чувствительность, обусловленная разделением во времени процессов возбуждения и приема КСИ исследуемого газа, что приводит к уменьшению времени взаимодействия молекул газа с воздействующим излучением по сравнению с длительностью процесса измерения. Кроме этого, невозможность определения в данном спектрометре формы исследуемых КСИ сигналов обусловливает необходимость дополнительного сканирования частоты источника воздействующего излучения для записи формы спектральной линии, что приводит к снижению быстродействия спектрометра.
Известен способ микроволновой спектроскопии, позволяющий более полно использовать энергию воздействующего излучения за счет увеличения времени взаимодействия воздействующего излучения с молекулами исследуемого газа до 0,5 от общего времени измерения (J. C. Mc. Gurk, R.T. Hofmann and W.H. Flygare. Transment absorbtion and emission and the measurement of T1 and T2 in the J O __→ 1 rotational transition in OSC //The Journal of Chemical Physics, vol. 60, N 7, April 1974). В этом способе воздействуют на исследуемый газ микроволновым излучением на частоте молекулярного резонанса, принимают и детектируют прошедшее через газ излучение, после чего осуществляют аналого-цифровое преобразование продетектированного сигнала. Для возбуждения в газе исследуемых сигналов переходного поглощения, возникающего в процессе установления поляризации молекул газа после включения воздействующего излучения, и переходного излучения, являющегося КСИ молекул исследуемого газа, используют Штарковскую модуляцию (переключение) частоты молекулярного резонанса посредством воздействия на газ постоянным электрическим полем.
Недостатком этого известного способа микроволновой спектроскопии является невысокая чувствительность, обусловленная разделением во времени процессов переходного поглощения и переходного излучения молекул газа.
Наиболее близким по своей технической сущности является способ микроволновой спектроскопии (The Measurement of Rotational Relaxation Time T2 for CH3C15N Self and Foreign Gas Collisions. Reprint requests to Dr. H. Mader. Abt. Chemishe Physik in Institut fur Physikalische Chemieder Universitat, Kiel, 1979), позволяющий получить максимальную величину КСИ молекул газа, а тем самым и максимальную величину КСИ сигнала. Способ-прототип заключается в том, что на исследуемый газ, находящийся в ячейке, воздействуют микроволновым излучением, принимают и детектируют микроволновое излучение на выходе ячейки, после чего осуществляют аналого-цифровое преобразование продетектированного сигнала. Для возбуждения сигналов переходного поглощения и переходного излучения молекул исследуемого газа производят дополнительное импульсное воздействие на газ электрическим полем, т.е. осуществляют Штарковскую модуляцию частоты молекулярного резонанса молекул газа. При этом частоту воздействующего микроволнового излучения выбирают так, чтобы в отсутствие действия электрического поля она отличалась от частоты молекулярного резонанса на величину Δω ≫ Δωл, где Δωл полуширина спектральной линии, а величину электрического поля в импульсе подбирают таким образом, чтобы в течение действия импульса частота молекулярного резонанса совпадала с частотой воздействующего излучения. В этом случае в течение длительности импульса происходит поляризация молекул газа под действием микроволнового излучения, а после прекращения действия импульса частота молекулярного резонанса возвращается к исходной величине и, следовательно, взаимодействие микроволнового излучения с молекулами газа прекращается и происходит процесс релаксации КСИ молекул. При этом амплитуда излучения на выходе ячейки представляет собой экспоненциально затухающее высокочастотное колебание с частотой Δω. В способе-прототипе для осуществления Штарковской модуляции частоты молекулярного резонанса используют импульсное электрическое поле с длительностью импульсов, удовлетворяющей соотношению
,
где d матричный элемент дипольного момента молекулы,
E напряженность поля воздействующего излучения (так называемые
-импульсы).
где d матричный элемент дипольного момента молекулы,
E напряженность поля воздействующего излучения (так называемые
Вследствие применения таких 
-импульсов происходит выравнивание населенностей на квантовых уровнях молекулярного перехода и величина мощности КСИ имеет максимальное значение.
Недостатком способа-прототипа является то, что для формирования 
-импульсов необходимо контролировать величину КСИ молекул газа в реальном времени, чтобы, варьируя амплитуду излучения или длительность импульса, добиться максимального значения КСИ сигнала. Однако при измерении слабых линий такая настройка становится невозможной, т.к. для выделения полезных сигналов на фоне шумов необходимо длительное накопление результат. Следовательно, чувствительность способа-прототипа ограничена измерением сравнительно сильных спектральных линий. Кроме того, так как длительность 
-импульсов должна быть много меньше 1/Δωл, где Δωл полуширина спектральной линии, мощность источника излучения, требуемая для формирования 
-импульсов, должна многократно превышать значения, необходимые для работы других известных спектрометров, в которых длительность процесса возбуждения КСИ примерно равна 1/Δωл. Лампы обратной волны (ЛОВ), являющиеся основными источниками излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах для волн и имеющие мощность порядка нескольких милливатт, не способны в полной мере обеспечить необходимые для 
-импульсов значения напряженности поля.
Прототипом для спектрометра, реализующего предлагаемый способ, является микроволновый спектрометр, реализующий способ-прототип. Спектрометр-прототип содержит последовательно размещенные лампу обратной волны (ЛОВ), ответвитель, ячейку с исследуемым газом и детектор, который подключен к блоку обработки сигнала, а также формирователь коротких импульсов и блок фазовой автоподстройки частоты, включающий смеситель, опорный генератор и фильтр низкой частоты, подключенный к ЛОВ. При этом к выходу ЛОВ через ответвитель подключен первый вход смесителя, ко второму входу которого подключен опорный генератор. Ячейка с исследуемым газом содержит Штарк-электроды, к которым подключен формирователь коротких импульсов. Блок обработки сигнала содержит усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифровой усреднитель и компьютер.
Спектрометр-прототип обладает недостаточной чувствительностью, которая определяется высоким уровнем шумов в измерительном тракте прибора. Повышенный уровень шумов обусловлен необходимостью использования воздействующего излучения большой мощности для формирования так называемых 
-импульсов, используемых в этом спектрометре. Наличие паразитного амплитудного шума у источника излучения приводит в этом случае к увеличению шума на выходе детектора. Кроме того, к недостаткам прототипа следует отнести также наличие высокочастотного заполнения в измеряемом переходном сигнале (радиосигнале) на выходе детектора, так как суммирование и усреднение часто повторяющихся высокочастотных сигналов являются достаточно сложной технической проблемой. Практическое решение этой проблемы либо требует применения сложных многоканальных анализаторов, либо ведет к снижению чувствительности и быстродействия вследствие применения стробоскопической регистрации.
Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является повышение чувствительности и быстродействия микроволнового спектрометра за счет использования при взаимодействии исследуемого газа с микроволновым излучением обоих переходных процессов: переходного поглощения и переходного излучения (КСИ).
Указанная задача решается тем, что в способе микроволновой спектроскопии, включающем воздействие на исследуемый газ микроволновым излучением на частоте молекулярного резонанса, прием и детектирование микроволнового излучения, а также аналого-цифровое преобразование и регистрацию продетектированного сигнала, согласно изобретению при воздействии на газ микроволновым излучением осуществляют в течение отрезка времени 
полуширина спектральной линии поглощения, модуляцию частоты излучения источника, при этом функцию изменения частоты F(t) выбирают из соотношения
,
где F0 частота молекулярного резонанса.
где F0 частота молекулярного резонанса.
Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является повышение чувствительности микроволнового спектрометра за счет улучшения соотношения сигнал-шум, а также за счет перехода от регистрации сигнала в виде радиоимпульса к сигналу в виде видеоимпульса.
Поставленная задача решается тем, что в микроволновый спектрометр, содержащий последовательно размещенные источник излучения, например ЛОВ, ответвитель, ячейку с исследуемым газом и детектор, а также блок обработки сигнала, блок управления частотой ЛОВ, формирователь коротких импульсов, смеситель, первый вход которого подключен через ответвитель к выходу ЛОВ, опорный генератор, подключенный ко второму входу смесителя, и первый фильтр низких частот, подключенный к блоку управления частотой ЛОВ, согласно изобретению дополнительно введены частотный детектор, перемножитель, задающий генератор и второй фильтр низких частот, при этом вход частотного детектора соединен с выходом смесителя, выход частотного детектора подключен к первому фильтру низких частот и первому входу перемножителя, ко второму входу которого подключен задающий генератор, а выход премножителя через второй фильтр низких частот соединен с первым входом формирователя коротких импульсов, второй вход которого соединен с задающим генератором, а выход формирователя коротких импульсов подключен к ЛОВ.
Сущность изобретения заключается в том, что вследствие модуляции частоты воздействующего микроволнового излучения короткими импульсами с длительностью 
и формой F(t), удовлетворяющей соотношению
,
или, что то же самое для угловой частоты ω = 2πF
происходит инверсия фазы (фазовая манипуляция) этого воздействующего излучения. Величина фазового сдвига при этом равна ± π. В этом случае при взаимодействии фазоманипулированного микроволнового излучения с молекулами исследуемого газа переходный процесс можно представить как суперпозицию двух переходных процессов процесса переходного поглощения и процесса переходного излучения (КСИ молекул газа). Фазовая манипуляция воздействующего излучения, возникающая при реализации данного способа, позволяет регистрировать сумму обоих переходных сигналов (сигнала переходного поглощения и сигнала переходного излучения). Это обстоятельство обеспечивает преимущество в чувствительности данного способа по сравнению с прототипом, где для целей регистрации используется лишь сигнал переходного излучения (КСИ молекул газа), что и является техническим результатом предлагаемого способа. Кроме того, так как в заявляемом способе время взаимодействия воздействующего излучения с молекулами газа близко к общему времени измерения, энергия воздействующего излучения используется в нем наиболее полно и, следовательно, достигается лучшее соотношение сигнал-шум.
или, что то же самое для угловой частоты ω = 2πF
происходит инверсия фазы (фазовая манипуляция) этого воздействующего излучения. Величина фазового сдвига при этом равна ± π. В этом случае при взаимодействии фазоманипулированного микроволнового излучения с молекулами исследуемого газа переходный процесс можно представить как суперпозицию двух переходных процессов процесса переходного поглощения и процесса переходного излучения (КСИ молекул газа). Фазовая манипуляция воздействующего излучения, возникающая при реализации данного способа, позволяет регистрировать сумму обоих переходных сигналов (сигнала переходного поглощения и сигнала переходного излучения). Это обстоятельство обеспечивает преимущество в чувствительности данного способа по сравнению с прототипом, где для целей регистрации используется лишь сигнал переходного излучения (КСИ молекул газа), что и является техническим результатом предлагаемого способа. Кроме того, так как в заявляемом способе время взаимодействия воздействующего излучения с молекулами газа близко к общему времени измерения, энергия воздействующего излучения используется в нем наиболее полно и, следовательно, достигается лучшее соотношение сигнал-шум.
Наличие указанного технического результата, обеспечиваемого предлагаемым способом, может быть подтверждено математически.
Рассмотрим прохождение фазоманипулированного излучения через ячейку с исследуемым газом, имеющим частоту молекулярного резонанса wo и полуширину спектральной линии Δωл. Предположим, что 
, т.е. изменение фазы воздействующего излучения можно полагать мгновенным. Процессы молекулярного поглощения в газах описываются уравнениями Блоха. Общее их решение слишком сложно, поэтому сделаем некоторые упрощения. Так, для простоты рассмотрения не будем сначала учитывать нелинейные эффекты молекулярного поглощения. Предположим также, что форма спектральной линии поглощения определяется столкновительным уширением, т.е. пренебрежем доплеровским уширением линии. В этом случае спектральная линия поглощения имеет вид функции Лоренца
частота молекулярного резонанса.
частота молекулярного резонанса.
Переходная характеристика ячейки с газом с линией поглощения в виде функции Лоренца представляет собой функцию вида 
(t≥0). Таким образом, учитывая удельный коэффициент γ поглощения молекул газа и длину l ячейки, получим отклик молекулярной системы на изменение напряженности поля 
воздействующего микроволнового излучения:
Процесс фазовой манипуляции можно представить как выключение первого сигнала и одновременное включение равного ему по величине второго сигнала с фазой, отличающейся на π от фазы первого сигнала. Как следует из выражения (2), отклик молекулярной системы на каждый из этих двух переходных процессов будет иметь одинаковую величину и фазу и, следовательно, суммарный переходный сигнал при фазовой манипуляции воздействующего излучения будет иметь следующий вид:
Учитывая, что частота воздествующего излучения равна ωo и что в этом случае фаза сигнала S(t) совпадает с фазой воздействующего излучения, а также то, что величина γl ≪ 1 из выражения (3) следует, что изменение амплитуды суммарного переходного сигнала на выходе ячейки имеет вид:
Как легко показать, аналогичное выражение для переходного излучения (КСИ молекул газа) в способе-прототипе имеет следующий вид:
Сравнение выражение (4) и (5) показывает, что при одинаковой амплитуде воздействующего излучения мощность переходного сигнала (4) на выходе ячейки, возникающего при фазовой манипуляции в предлагаемом способе, в восемь раз или на 9 децибел больше, чем мощность переходного сигнала (5) на выходе ячейки в способе-прототипе. Эта оценка, как было отмечено выше, соответствует линейному представлению процессов молекулярного поглощения. Теоретическое рассмотрение воздействия фазоманипулированного излучения на систему молекул в случае насыщающего излучения, т.е. в нелинейном режиме поглощения, весьма сложное, однако, как показывают экспериментальные исследования, использование предлагаемого способа даже в сильно нелинейном режиме поглощения позволяет получать величину переходного сигнала, по крайней мере не меньшую, чем КСИ-сигнал при воздействии
-импульсов в прототипе. В то же время, для определения чувствительности необходимо учитывать не только величину сигнала, но и уровень шума в измерительном тракте спектрометра. Уровень шума при значениях мощности воздействующего излучения, превышающих 100 мкВт, определяется преимущественно амплитудными шумами воздействующего излучения и, следовательно, пропорционален величине E0. Для улучшения соотношения сигнал-шум в прототипе необходимо уменьшить величину напряженности поля E0 и увеличивать длительность воздействующего импульса τ, что приводит к уменьшению величины КСИ-сигнала и приближает сравнение чувствительностей предлагаемого способа и прототипа к сделанной выше оценке для линейной спектроскопии.
Процесс фазовой манипуляции можно представить как выключение первого сигнала и одновременное включение равного ему по величине второго сигнала с фазой, отличающейся на π от фазы первого сигнала. Как следует из выражения (2), отклик молекулярной системы на каждый из этих двух переходных процессов будет иметь одинаковую величину и фазу и, следовательно, суммарный переходный сигнал при фазовой манипуляции воздействующего излучения будет иметь следующий вид:
Учитывая, что частота воздествующего излучения равна ωo и что в этом случае фаза сигнала S(t) совпадает с фазой воздействующего излучения, а также то, что величина γl ≪ 1 из выражения (3) следует, что изменение амплитуды суммарного переходного сигнала на выходе ячейки имеет вид:
Как легко показать, аналогичное выражение для переходного излучения (КСИ молекул газа) в способе-прототипе имеет следующий вид:
Сравнение выражение (4) и (5) показывает, что при одинаковой амплитуде воздействующего излучения мощность переходного сигнала (4) на выходе ячейки, возникающего при фазовой манипуляции в предлагаемом способе, в восемь раз или на 9 децибел больше, чем мощность переходного сигнала (5) на выходе ячейки в способе-прототипе. Эта оценка, как было отмечено выше, соответствует линейному представлению процессов молекулярного поглощения. Теоретическое рассмотрение воздействия фазоманипулированного излучения на систему молекул в случае насыщающего излучения, т.е. в нелинейном режиме поглощения, весьма сложное, однако, как показывают экспериментальные исследования, использование предлагаемого способа даже в сильно нелинейном режиме поглощения позволяет получать величину переходного сигнала, по крайней мере не меньшую, чем КСИ-сигнал при воздействии
Сущность спектрометра, реализующего данный способ, заключается в построении такой конструкции прибора, которая позволяет устанавливать и поддерживать необходимый режим модуляции частоты излучения источника так, чтобы выполнялось условие фазовой манипуляции
При этом разработана такая схема управления модуляцией частоты, которая соответствует и дополняет схему стабилизации центральной частоты ω0 источника излучения.
При этом разработана такая схема управления модуляцией частоты, которая соответствует и дополняет схему стабилизации центральной частоты ω0 источника излучения.
Режим модуляции частоты, обеспечивающий необходимую фазовую манипуляцию, осуществляется в данной конструкции следующим образом. Известно, что функция изменения частоты F(t) сохраняется неизменной после гетеродинного преобразования частоты в смесителе. Следовательно, фазовой манипуляции частоты излучения источника соответствует такое же скачкообразное изменение фазы промежуточной частоты (ПЧ) на выходе смесителя. Фазоманипулированный сигнал ПЧ с выхода смесителя поступает на вход частотного детектора (ЧД). Частотную характеристику ЧД можно представить в виде функции Лоренца:
где Δω полуширина резонансного контура ЧД.
где Δω полуширина резонансного контура ЧД.
Сигнал на входе ЧД можно записать следующим образом:
где n + 0, 1, 2.
где n + 0, 1, 2.
T период повторения процессов фазовой манипуляции,
Φ величина фазового скачка при фазовой манипуляции.
Φ величина фазового скачка при фазовой манипуляции.
Выражения для сигнала на выходе резонансного контура частотного детектора с частотной характеристикой (6) при воздействии на него сигналом S(t) можно найти методом интеграла наложения, учитывая, что частотной функции K(ω) соответствует импульсная функция g(t) = Δωe-Δωteiωot.
Следовательно, фазоманипулированный сигнал на выходе резонансного контура частотного детектора определяется следующим образом:
Если
, выражение для S1(t) можно записать в виде:
Преобразуя выражение (9), получаем сигнал на выходе резонансного контура частотного детектора в виде:
Так как в реальном частотном детекторе используется умножение входного сигнала на сигнал, прошедший через частотнозависимую цепь, умножим S1(t) на S(t) и определим реальную часть сигнала. При этом сделаем упрощения, учитывающие, что
и отбросим высокочастотные составляющие сигнала. В результате получим следующий сигнал:
Если в качестве задающего генератора используется генератор меандра, частота которого в два раза меньше частоты следования коротких импульсов, то сигнал на его выходе можно представить в следующем виде:
Следовательно, сигнал S3(t) на выходе перемножителя, умножающего сигнал с выхода задающего генератора на сигнал с выхода частотного детектора, будет выглядеть следующим образом:
Для получения сигнала на выходе второго фильтра нижних частот проинтегрируем S3(t). Вследствие чего имеем:
где τ постоянная времени второго фильтра нижних частот.
Следовательно, фазоманипулированный сигнал на выходе резонансного контура частотного детектора определяется следующим образом:
Если
Преобразуя выражение (9), получаем сигнал на выходе резонансного контура частотного детектора в виде:
Так как в реальном частотном детекторе используется умножение входного сигнала на сигнал, прошедший через частотнозависимую цепь, умножим S1(t) на S(t) и определим реальную часть сигнала. При этом сделаем упрощения, учитывающие, что
Если в качестве задающего генератора используется генератор меандра, частота которого в два раза меньше частоты следования коротких импульсов, то сигнал на его выходе можно представить в следующем виде:
Следовательно, сигнал S3(t) на выходе перемножителя, умножающего сигнал с выхода задающего генератора на сигнал с выхода частотного детектора, будет выглядеть следующим образом:
Для получения сигнала на выходе второго фильтра нижних частот проинтегрируем S3(t). Вследствие чего имеем:
где τ постоянная времени второго фильтра нижних частот.
Так как функция S(Φ) обращается в нуль при значении Φ = ±π, сигнал с выхода второго фильтра нижних частот может использоваться для управления формирователем коротких импульсов. Регулировкой либо амплитуды, либо длительности этих импульсов добиваются выполнения соотношения (1), что и обеспечивает необходимый режим работы спектрометра.
На чертеже представлена блок-схема предлагаемого спектрометра, реализующего предлагаемый способ.
Микроволновый спектрометр содержит последовательно размещенные источник микроволнового излучения 1, например лампу обратной волны (ЛОВ), ответвитель 2, ячейку 3 с исследуемым газом и детектор 4. Вход детектора 4 соединен с блоком 5 обработки сигнала. К входу источника 1 через ответвитель 2 подключен первый вход смесителя 6, к другому входу которого подключен опорный генератор 7. Выход смесителя 6 подключен ко входу частотного детектора 8, выход которого соединен с первым фильтром 9 низких частот и первым входом перемножителя 10. Второй вход перемножителя 10 соединен с задающим генератором 11, а выход перемножителя 10 через второй фильтр 12 низких частот соединен с первым входом формирователя 13 коротких импульсов, второй вход формирователя 13 соединен с задающим генератором 11, а выход формирователя 13 подключен к источнику 1. Первый фильтр низких частот подключен к блоку управления 14 частотой излучения источника, который соединен с источником 1.
В конкретном варианте выполнения предлагаемого микроволнового спектрометра в качестве источника излучения используют лампу обратной волны марки ОВ-79, работающую в диапазоне 118-178 ГГц. Ячейка 3 с исследуемым газом, например OSC, выполнена в виде кварцевой трубки диаметром 40 мм и длиной 1 м. В качестве детектора 4 используется детекторная головка двухмиллиметрового диапазона длин волн на основе диода Шоттки. Блок 5 обработки включает в себя усилитель 15, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16, цифровой усреднитель 17 и компьютер 18. Аналого-цифровой преобразователь 16 в блоке 5 выполнен на основе АЦП параллельного типа К1107 ПВ-2 с максимальной частотой преобразования 10 МГц. Цифровой усреднитель 17 осуществляет синхронное накопление поступающих на него цифровых сигналов в реальном времени. После 256 циклов накопления полученный массив данных по каналу общего пользования передается на компьютер 18 типа 386 IM PC/AT, где осуществляются дополнительное накопление и обработка сигналов. Система автоподстройки частоты источника 1 излучения включает СВЧ-смеситель 6, опорный генератор 7, частотный детектор 8 и первый фильтр 9 низких частот. В качестве опорного генератора 7 используется синтезатор частоты, работающий в диапазоне 3,6-5,3 ГГц. Стабилизация системы автоподстройки частоты производится на одной из гармоник синтезатора. Система управления модуляцией частоты излучения источника 1 включает в себя формирователь 13 коротких импульсов, задающий генератор 11, представляющий собой генератор меандра, перемножитель 10 и второй фильтр 12 низких частот. Частота следования коротких импульсов варьируется в диапазоне 100-500 кГц. Длительность импульсов примерно равна 100 нс. Для установки необходимой величины фазового скачка используется регулировка амплитуды коротких импульсов при помощи выходного делителя на полевом транзисторе, который входит в схему формирователя 13 коротких импульсов.
Регулировка величины фазового скачка и установка его равным p может производиться как в ручном, так и в автоматическом режиме. Для этого с помощью делителя в формирователе 13 изменяют амплитуду коротких импульсов, поступающих с формирователя 13 непосредственно на замедляющую систему ЛОВ до тех пор, пока величина сигнала с перемножителя 10, прошедшего фильтр 12, не дойдет до нулевой отметки. Такая величина сигнала с фильтра 12 означает, что скачок фазы v при воздействии одного короткого импульса составляет: v = π
В автоматическом режиме этот же результат достигается при помощи выходного делителя на полевом транзисторе, управляемого напряжением, поступающим с ФНЧ 12.
В автоматическом режиме этот же результат достигается при помощи выходного делителя на полевом транзисторе, управляемого напряжением, поступающим с ФНЧ 12.
Предлагаемый способ микроволновой спектроскопии осуществляют следующим образом.
Излучение источника 1 с центральной частотой wo с помощью задающего генератора 11, перемножителя 10, формирователя 13 коротких импульсов и фильтра 12 низких частот модулируют по частоте короткими импульсами с длительностью 
полуширина спектральной линии исследуемого газа. Амплитуду коротких импульсов устанавливают, как указано выше, с помощью формирователя 13 таким образом, чтобы выполнялось соотношение
Модулированное микроволновое излучение от источника 1 направляют посредством ответвителя 2 на ячейку 3 с исследуемым газом и частично на СВЧ-смеситель 6. С выхода ячейки 3 микроволновое излучение принимают и регистрируют детектором 4. При этом, поскольку за время действия на микроволновое излучение источника 1 одного короткого импульса с длительностью Δt фаза воздействующего излучения меняется на π, то регистрируемый детектором 4 переходный сигнал представляет собой сумму сигналов переходного излучения и переходного поглощения, в отличие от прототипа, где регистрируется лишь переходное излучение (КСИ молекул газа). Затем продетектированный сигнал с детектора 4 усиливается и преобразуется в цифровую форму в блоке регистрации 5, где для выделения сигналов на фоне шумов производится их синхронное суммирование в цифровом усреднителе 17 и дальнейшая обработка на компьютере 18, что позволяет получить высокую чувствительность и широкую спектроскопическую информацию в реальном времени.
Модулированное микроволновое излучение от источника 1 направляют посредством ответвителя 2 на ячейку 3 с исследуемым газом и частично на СВЧ-смеситель 6. С выхода ячейки 3 микроволновое излучение принимают и регистрируют детектором 4. При этом, поскольку за время действия на микроволновое излучение источника 1 одного короткого импульса с длительностью Δt фаза воздействующего излучения меняется на π, то регистрируемый детектором 4 переходный сигнал представляет собой сумму сигналов переходного излучения и переходного поглощения, в отличие от прототипа, где регистрируется лишь переходное излучение (КСИ молекул газа). Затем продетектированный сигнал с детектора 4 усиливается и преобразуется в цифровую форму в блоке регистрации 5, где для выделения сигналов на фоне шумов производится их синхронное суммирование в цифровом усреднителе 17 и дальнейшая обработка на компьютере 18, что позволяет получить высокую чувствительность и широкую спектроскопическую информацию в реальном времени.
Кроме того, в предлагаемом спектрометре применяется стабилизация центральной частоты источника 1 излучения. Для этого часть излучения от источника 1 направляют через ответвитель 2 на СВЧ-смеситель 6, на который направляют также сигнал высокостабильного опорного генератора 7. Сигнал промежуточной частоты с выхода смесителя 6 поступает на частотный детектор 8. С выхода частотного детектора 8 сигнал через фильтр 9 низких частот поступает на блок 14 управления частотой источника 1 излучения. Сигнал с выхода блока 14 замыкает кольцо частотной автоподстройки источника 1 (ЛОВ), что обеспечивает стабилизацию центральной частоты источника 1 излучения.
Минимальный измеряемый коэффициент поглощения, достигнутый в данном спектрометре, при времени измерения 1 с, мощности ЛОВ 100 мкВт и дисперсии ошибки 30% составил 1 • 10-9 см-1.
Claims (3)
1. Способ микроволновой спектроскопии, включающий воздействие на исследуемый газ микроволновым излучением на частоте молекулярного резонанса, прием и детектирование микроволнового излучения, а также аналого-цифровое преобразование и регистрацию продетектированного сигнала, отличающийся тем, что при воздействии на газ микроволновым излучением осуществляют в течение отрезка времени 
модуляцию частоты источника излучения, при этом функцию изменения частоты F(t) выбирают из соотношения
где F0 частота молекулярного резонанса;
Δωл - полуширина резонансной линии поглощения газа.
где F0 частота молекулярного резонанса;
Δωл - полуширина резонансной линии поглощения газа.
2. Микроволновый спектрометр, содержащий последовательно размещенные источник микроволнового излучения, ответвитель, ячейку с исследуемым газом и детектор, а также блок обработки сигнала, блок управления частотой источника микроволнового излучения, формирователь коротких импульсов, смеситель, первый вход которого подключен через ответвитель к выходу источника микроволнового излучения, опорный генератор, подключенный к второму входу смесителя и первый фильтр низких частот, подключенный к блоку управления частотой источника микроволнового излучения, отличающийся тем, что введены частотный детектор, перемножитель, задающий генератор и второй фильтр низких частот, при этом вход частотного детектора соединен с выходом смесителя, выход частотного детектора подключен к первому фильтру низких частот и первому входу перемножителя, к второму входу которого подключен задающий генератор, а выход перемножителя через второй фильтр низких частот соединен с первым входом формирователя коротких импульсов, второй вход которого соединен с задающим генератором, а выход формирователя коротких импульсов подключен к источнику микроволнового излучения.
3. Спектрометр по п. 2, отличающийся тем, что источник микроволнового излучения выполнен в виде лампы обратной волны.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94030055A RU2084874C1 (ru) | 1994-08-05 | 1994-08-05 | Способ микроволновой спектроскопии и спектрометр для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94030055A RU2084874C1 (ru) | 1994-08-05 | 1994-08-05 | Способ микроволновой спектроскопии и спектрометр для его осуществления |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94030055A RU94030055A (ru) | 1996-06-10 |
| RU2084874C1 true RU2084874C1 (ru) | 1997-07-20 |
Family
ID=20159637
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU94030055A RU2084874C1 (ru) | 1994-08-05 | 1994-08-05 | Способ микроволновой спектроскопии и спектрометр для его осуществления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2084874C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2650354C1 (ru) * | 2016-12-20 | 2018-04-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Способ спектроскопического анализа газовых смесей и спектрометр для его осуществления |
| RU2785915C1 (ru) * | 2021-07-28 | 2022-12-14 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Способ спектроскопического исследования тканевых метаболитов и устройство для его осуществления |
-
1994
- 1994-08-05 RU RU94030055A patent/RU2084874C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Abteilung Chemische Physic im Institut fur Physikalische Chemie der Universitat Kiel Z. Naturforsch. 1979, april 28, 34a, p. 850 - 857. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2650354C1 (ru) * | 2016-12-20 | 2018-04-11 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Способ спектроскопического анализа газовых смесей и спектрометр для его осуществления |
| RU2785915C1 (ru) * | 2021-07-28 | 2022-12-14 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Способ спектроскопического исследования тканевых метаболитов и устройство для его осуществления |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU94030055A (ru) | 1996-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6727492B1 (en) | Cavity ringdown spectroscopy system using differential heterodyne detection | |
| US4594511A (en) | Method and apparatus for double modulation spectroscopy | |
| CA2353421C (en) | Sensing device and method for measuring emission time delay during irradiation of targeted samples | |
| US5548217A (en) | Microwave spectrometers | |
| US3740151A (en) | Analyzer employing magneto-optic rotation | |
| CA1137328A (en) | Method and device for detecting a specific spectral feature | |
| US20110267625A1 (en) | Interferometer with frequency combs and synchronisation scheme | |
| EP0173955A2 (en) | A method and device for detecting a specific acoustic spectral feature | |
| Natarajan et al. | Classical squeezing of an oscillator for subthermal noise operation | |
| Ye et al. | Cavity ringdown heterodyne spectroscopy: High sensitivity with microwatt light power | |
| Brailovsky et al. | Millimeter range spectrometer with phase switching-novel method for reaching of the top sensitivity | |
| Gordy | Microwave spectroscopy | |
| US5973782A (en) | Phaseless wavelength modulation spectroscopy | |
| US6611335B1 (en) | Tone burst diode laser spectroscopy | |
| JPS6155058B2 (ru) | ||
| US4972699A (en) | Method and apparatus for analysis by means of microwaves | |
| Dixon et al. | Rydberg-atom-based electrometry using a self-heterodyne frequency-comb readout and preparation scheme | |
| RU2084874C1 (ru) | Способ микроволновой спектроскопии и спектрометр для его осуществления | |
| Vaks et al. | A nonstationary microwave spectrometer | |
| Barbieri et al. | Synthesizers’ phase noise in frequency‐domain fluorometry | |
| JPS6160374B2 (ru) | ||
| Cook et al. | Gas phase EPR of vibrationally excited O2 | |
| Hieftje et al. | Application of a Wave-length Modulation Device to Problems Concerning Spectrometer Misalignment | |
| Melnick et al. | Determination of apparent spin-spin relaxation time T2★ using a super-regenerative spectrometer | |
| RU2084875C1 (ru) | Способ микроволновой спектроскопии |