RU2756168C1 - Bridge of x - and q - band pulsed epr spectrometer based on digital microwave synthesizer and semiconductor power amplifier - Google Patents
Bridge of x - and q - band pulsed epr spectrometer based on digital microwave synthesizer and semiconductor power amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2756168C1 RU2756168C1 RU2020143591A RU2020143591A RU2756168C1 RU 2756168 C1 RU2756168 C1 RU 2756168C1 RU 2020143591 A RU2020143591 A RU 2020143591A RU 2020143591 A RU2020143591 A RU 2020143591A RU 2756168 C1 RU2756168 C1 RU 2756168C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microwave
- amplifier
- signal
- goes
- attenuator
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и может быть применено для регистрации сигнала электронного спинового эха. ЭПР спектрометр используется для исследования и анализа материалов методом ЭПР в физике, химии и биологии.The invention relates to the technique of spectroscopy of electron paramagnetic resonance (EPR) and can be used to register an electron spin echo signal. The EPR spectrometer is used for the study and analysis of materials by the EPR method in physics, chemistry and biology.
Известен коммерчески доступный стационарный спектрометр фирмы Adani Spinscan X с диапазоном рабочих частот 9.2-9.55 ГГц, где в качестве генератора СВЧ-излучения используется диод Ганна, установленный в резонаторе, играющий роль резонансного фильтра, выделяющего узкую полосу излучения.Known commercially available stationary spectrometer firm Adani Spinscan X with an operating frequency range of 9.2-9.55 GHz, where a Gunn diode installed in the resonator is used as a microwave generator, which plays the role of a resonant filter that selects a narrow radiation band.
Недостатком спектрометров Adani Spinscan X является малый диапазон рабочих частот (9.2-9.55 ГГц), позволяющий работать только со штатным резонатором соответствующим частотному диапазону прибора. Резонаторы с собственной частотой, отличной от рабочего диапазона не могут быть подключены к данному прибору. Кроме того, узкая полоса генерации источника прибора накладывает существенные ограничения на систему термостатирования образцов, помещаемых в резонатор, так как использование криостата из кварца сдвигает рабочую частоту резонатора за пределы диапазона генерации коммерческого прибора.The disadvantage of the Adani Spinscan X spectrometers is the small operating frequency range (9.2-9.55 GHz), which allows working only with a standard resonator corresponding to the frequency range of the device. Resonators with a natural frequency other than the operating range cannot be connected to this device. In addition, the narrow lasing band of the device source imposes significant restrictions on the system for thermostating samples placed in the resonator, since the use of a quartz cryostat shifts the operating frequency of the resonator beyond the lasing range of a commercial device.
Известен коммерчески доступный импульсный спектрометр фирмы Bruker ElexSys E-580 с диапазоном рабочих частот СВЧ-источника 9.1-9.9 ГГц, схема генератора СВЧ-сигнала сходна с Adani Spinscan X. В качестве усилителя мощности, как правило, используется лампа бегущей волны.Known commercially available pulse spectrometer from Bruker ElexSys E-580 with a microwave source operating frequency range of 9.1-9.9 GHz, the microwave signal generator circuit is similar to the Adani Spinscan X. A traveling wave lamp is usually used as a power amplifier.
Недостатком спектрометров Bruker ElexSys E-580 является так же узкая полоса генерации СВЧ-излучателя, которая позволяет использовать не все доступные резонаторы. Лампа бегущей волны, использованная в качестве усилителя мощности, имеет нестабильную фазу при работе с импульсными последовательностями. Кроме того, лампа бегущей волны имеет плохую стабильность выходной мощности, что негативно влияет на качество получаемых результатов, может требоваться дополнительная подстройка прибора в процессе эксперимента.The disadvantage of the Bruker ElexSys E-580 spectrometers is also the narrow generation band of the microwave emitter, which makes it possible to use not all available resonators. A traveling wave tube used as a power amplifier has an unstable phase when used with pulse trains. In addition, the traveling wave tube has poor stability of the output power, which negatively affects the quality of the results obtained; additional adjustment of the device may be required during the experiment.
Задачей настоящего технического решения является разработка импульсных ЭПР спектрометров X- и Q-диапазонов с более широким диапазоном частот, позволяющих использовать как коммерчески доступные резонаторы разных производителей, так и резонаторы специального назначения (для реализации нестандартных задач), а так же решить проблемы связанные с нестабильностью фазы. The objective of this technical solution is to develop pulsed EPR spectrometers of the X- and Q-bands with a wider frequency range, allowing the use of both commercially available resonators from different manufacturers and special-purpose resonators (for the implementation of non-standard tasks), as well as to solve problems associated with instability phase.
Создана схема СВЧ-моста импульсного ЭПР-спектрометра (Фиг. 1) Х-диапазона на базе цифрового синтезатора СВЧ-сигнала ECC15K, который имеет диапазон частот 5.0-15.0ГГц, вместо диода Ганна с более узким диапазоном генерации (Adani Spinscan X диапазон 9.2-9.55 ГГц, Bruker ElexSys E-580 диапазон 9.1-9.9 ГГц), который генерирует СВЧ-излучение, и полупроводникового усилителя мощности ЖНКЮ.468714.060 на 350Вт российского производства в передающей части моста вместо лампы бегущей волны. Усилитель мощности ЖНКЮ.468714.060 имеет высокую стабильность фазы в импульсной последовательности, что существенно улучшает качество работы прибора, а так же выдает на выход стабильную мощность по сравнению с лампой бегущей волны. A circuit of the microwave bridge of the pulsed EPR spectrometer (Fig. 1) of the X-band based on the digital synthesizer of the microwave signal ECC15K, which has a frequency range of 5.0-15.0 GHz, instead of the Gunn diode with a narrower generation range (Adani Spinscan X range 9.2- 9.55 GHz, Bruker ElexSys E-580 range 9.1-9.9 GHz), which generates microwave radiation, and a semiconductor power amplifier ZhNKYu.468714.060 for 350W of Russian production in the transmitting part of the bridge instead of a traveling wave lamp. The power amplifier ZhNKYU.468714.060 has a high phase stability in a pulse sequence, which significantly improves the quality of the device, and also outputs a stable power output in comparison with a traveling wave lamp.
Мост ЭПР-спектрометра, содержит опорный генератор 1, цифровой синтезатор частоты 2, смеситель 3, фазовращатель 4, фазовращатель 5, фазовращатель 6, аттенюатор 7, СВЧ-ключ 8, СВЧ-переключатель 9, аттенюатор 10, цифровой полупроводниковый усилитель 350 Ватт 11, аттенюатор 12, СВЧ-ответвитель 13, квадратурный детектор 14, видеоусилитель 15, циркулятор 16, СВЧ-ответвитель 17, детектирующий диод 18, видеоусилитель 19, защитный диод 20, малошумящий усилитель 21, квадратурный детектор 22, видеоусилитель 23, видеоусилитель 24, низкочастотный фильтр 25, контроллер 26, при этом опорный генератор 1 стабилизирует цифровой синтезатор частоты 2, СВЧ-излучение от которого идет на смеситель 3 и фазовращатели 4, 5, 6, излучение с фазовращателя 4 идет на аттенюатор 7, затем через СВЧ-ключ 8 на СВЧ-переключатель 9, сигнал, прошедший через смеситель 3, идет на СВЧ-переключатель 9, с СВЧ-переключателя 9 излучение идет на аттенюатор 10, излучение с аттенюатора 10 идет на полупроводниковый усилитель мощности 350 Ватт 11, с полупроводникового усилителя мощности 350 Ватт 11 сигнал идет через аттенюатор 12, затем через ответвитель 13 на циркулятор 16, из циркулятора 16 сигнал идет на внешний резонатор, из резонатора сигнал возвращается на циркулятор 16, далее сигнал идет через ответвитель 17 на защитный диод 20, из защитного диода 20 сигнал идет на малошумящий усилитель 21, с малошумящего усилителя сигнал идет на квадратурный детектор 22, с фазовращателя 6 опорный сигнал идет на квадратурный детектор 22, из квадратурного детектора 22 сигнал идет через видеоусилитель 23, далее через видеоусилитель 24 на низкочастотный фильтр 25, далее из низкочастотного фильтра 25 сигнал идет на внешний выход, с ответвителя 13 сигнал идет на квадратурный детектор 14, далее на видеоусилитель 15, далее на внешний выход, с ответвителя 17 сигнал идет на детектирующий диод 18, далее на видеоусилитель 19, с усилителя 19 сигнал идет на внешний выход, с фазовращателя 5 опорный сигнал идет на квадратурный детектор 14, контроллер управляет работой цифрового синтезатора частоты 2, фазовращателей 5, 6, аттенюаторов 7, 10, 12, видео усилителей 15, 19, 23, 24, полупроводниковый усилитель мощности 350 Ватт 11 синхронизован с защитным диодом 20, фазовращатель 4, аттенюатор 7, СВЧ-ключ 8, смеситель 3, СВЧ-переключатель 9, полупроводниковый усилитель мощности 350 Ватт 11 и защитный диод 20 имеют внешние входы, видео усилители 15, 19 и низкочастотный фильтр 25 имеют внешние выход.The EPR spectrometer bridge contains a
Цифровой синтезатор СВЧ-излучения российского производства ECC15K имеет диапазон излучения 5.0-15.0 ГГц, что дает большие преимущества по сравнению со штатными излучателями установленными в Bruker ElexSys E-580 (9.1-9.9 ГГц) и Adani Spinscan X (9.2-9.55 ГГц), однако, необходимо было убедиться в работоспособности модуля. Для этого был проведен ряд экспериментов, доказывающих работоспособность модели. Для этого в коммерческом спектрометре X-диапазона Bruker ElexSys E-580 штатный генератор СВЧ на базе диода Ганна заменили на синтезатор ECC15K. Импульсный спектр, записывали при помощи моста Bruker Elexsys E-580 в одинаковых условиях, с использованием ECC15K и штатного источника СВЧ. Полученные зависимости сигнала эха от величины магнитного поля (ЭПР-спектр) приведенные на Фиг. 2, не показали ухудшения соотношения сигнал/шум при использовании ЕСС-15 по сравнению со штатным генератора СВЧ-сигнала фирмы Bruker. The Russian-made ECC15K digital microwave synthesizer has a radiation range of 5.0-15.0 GHz, which gives great advantages over the standard emitters installed in the Bruker ElexSys E-580 (9.1-9.9 GHz) and Adani Spinscan X (9.2-9.55 GHz), however , it was necessary to make sure that the module was working. For this, a number of experiments were carried out to prove the performance of the model. For this purpose, in a commercial X-band spectrometer Bruker ElexSys E-580, the standard microwave generator based on the Gunn diode was replaced with an ECC15K synthesizer. The pulse spectrum was recorded using a Bruker Elexsys E-580 bridge under the same conditions, using an ECC15K and a standard microwave source. The obtained dependences of the echo signal on the magnitude of the magnetic field (EPR spectrum) are shown in Fig. 2 did not show any deterioration in the signal-to-noise ratio when using the ECC-15 as compared to the standard Bruker microwave signal generator.
Таким образом, цифровой синтезатор российского производства ECC15K имеет существенное преимущество по ширине полосы частот генерации, а по качеству сигнала не уступает СВЧ-излучателям, установленным в коммерческих приборах и, следовательно, дает лучший результат при использовании в мостах ЭПР-спектрометров.Thus, the Russian-made ECC15K digital synthesizer has a significant advantage in terms of the generation bandwidth, and in terms of signal quality it is not inferior to microwave emitters installed in commercial devices and, therefore, gives the best result when used in bridges of EPR spectrometers.
Служебное изобретение выполнено в рамках соглашения № 14.W03.31.0034 от 26.04.2018 г.The service invention was made within the framework of agreement No. 14.W03.31.0034 dated April 26, 2018.
Авторы выражают благодарность Химическому исследовательскому центру коллективного пользования СО РАН за проведение спектральных и аналитических измерений.The authors are grateful to the Chemical Research Center for Collective Use of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences for performing spectral and analytical measurements.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020143591A RU2756168C1 (en) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | Bridge of x - and q - band pulsed epr spectrometer based on digital microwave synthesizer and semiconductor power amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020143591A RU2756168C1 (en) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | Bridge of x - and q - band pulsed epr spectrometer based on digital microwave synthesizer and semiconductor power amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2756168C1 true RU2756168C1 (en) | 2021-09-28 |
Family
ID=77999798
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020143591A RU2756168C1 (en) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | Bridge of x - and q - band pulsed epr spectrometer based on digital microwave synthesizer and semiconductor power amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2756168C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115940991A (en) * | 2023-03-01 | 2023-04-07 | 中国电子科技集团公司第十研究所 | High-isolation L-band transmitting-receiving passive annular assembly and working method thereof |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4812763A (en) * | 1987-08-06 | 1989-03-14 | Bruker Analytische Mebtechnik Gmbh Silberstreifen | Electron spin resonance spectrometer |
WO1997004331A1 (en) * | 1995-07-20 | 1997-02-06 | The Government Of The United States Of America, Represented By The Secretary Of The Department Of Health And Human Services | System and method for performing in vivo imaging and oxymetry and ft microscopy by pulsed radiofrequency electron paramagnetic resonance |
RU136578U1 (en) * | 2013-04-11 | 2014-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Coherent superheterodyne spectrometer of electron paramagnetic resonance |
RU2569485C2 (en) * | 2013-11-29 | 2015-11-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer |
RU2579766C1 (en) * | 2014-11-25 | 2016-04-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer |
RU2634075C1 (en) * | 2016-09-05 | 2017-10-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Spectrometer of electronic paramagnetic resonance |
-
2020
- 2020-12-29 RU RU2020143591A patent/RU2756168C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4812763A (en) * | 1987-08-06 | 1989-03-14 | Bruker Analytische Mebtechnik Gmbh Silberstreifen | Electron spin resonance spectrometer |
WO1997004331A1 (en) * | 1995-07-20 | 1997-02-06 | The Government Of The United States Of America, Represented By The Secretary Of The Department Of Health And Human Services | System and method for performing in vivo imaging and oxymetry and ft microscopy by pulsed radiofrequency electron paramagnetic resonance |
RU136578U1 (en) * | 2013-04-11 | 2014-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Coherent superheterodyne spectrometer of electron paramagnetic resonance |
RU2569485C2 (en) * | 2013-11-29 | 2015-11-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer |
RU2579766C1 (en) * | 2014-11-25 | 2016-04-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | Coherent superheterodyne electron paramagnetic resonance spectrometer |
RU2634075C1 (en) * | 2016-09-05 | 2017-10-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Spectrometer of electronic paramagnetic resonance |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115940991A (en) * | 2023-03-01 | 2023-04-07 | 中国电子科技集团公司第十研究所 | High-isolation L-band transmitting-receiving passive annular assembly and working method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Temkin | Development of terahertz gyrotrons for spectroscopy at MIT | |
US3559043A (en) | Bimodal cavity resonator and microwave spectrometers using same | |
CN112670824B (en) | Terahertz quantum cascade laser double-optical comb frequency stabilization system | |
Francois et al. | A low phase noise microwave frequency synthesis for a high-performance cesium vapor cell atomic clock | |
Gordy | Microwave spectroscopy | |
RU2756168C1 (en) | Bridge of x - and q - band pulsed epr spectrometer based on digital microwave synthesizer and semiconductor power amplifier | |
CN104410469B (en) | Calibration method for tracking preselector based on built-in noise source | |
US3350633A (en) | Gyromagnetic spectrometer having separate dispersion and absorption mode detectors | |
Reijerse et al. | Concepts in high-frequency EPR—Applications to bio-inorganic systems | |
Rinard et al. | Dispersion and superheterodyne EPR using a bimodal resonator | |
Shane et al. | A versatile pulsed X-band ENDOR spectrometer | |
Torrezan et al. | CW operation of a tunable 330/460 GHz gyrotron for enhanced nuclear magnetic resonance | |
JP5890129B2 (en) | Pulse ESR device | |
US6456092B1 (en) | Network vector channel analyzer | |
Mardini et al. | Frequency-swept dynamic nuclear polarization | |
RU2411530C1 (en) | Electron paramagnetic resonance spectrometre (versions) | |
Hyde et al. | Microwave frequency modulation in CW EPR at W-band using a loop-gap resonator | |
Strangeway et al. | A general purpose multiquantum electron paramagnetic resonance spectrometer | |
Dengler et al. | A compact 600 GHz electronically tunable vector measurement system for submillimeter wave imaging | |
Millen et al. | 198 GHz Microwaves: From the Gyrotron Output Window to the Unpaired Electron Spins in the DNP NMR Sample | |
Rokeakh et al. | Continuous wave desktop coherent superheterodyne X-band EPR spectrometer | |
Lesniewski et al. | Phase noise reduction of a 19 GHz veractor‐tuned Gunn oscillator for electron paramagnetic resonance spectroscopy | |
Hyde et al. | Digital detection by time-locked sampling in EPR | |
Lim et al. | Optical and Raman spectroscopies of 171Yb3+: Y2SiO5 hyperfine structure for application toward microwave-to-optical transducer | |
Zwarts et al. | A simple sensitive X-band superheterodyne spectrometer for electron spin resonance measurements |