SU1105793A1 - Способ модул ционно-фазовой регистрации спектров магнитного резонанса и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

1. Способ модул ционно-фазовой регистрации спектров магнитного резонанса , включающий воздействие высокочастотной модул ции магнитного пол  на спиновую систему, развертку магнитного пол  в области магнитного резонанса и измерение 90 - компоненты сигнала магнитного резонанса на частоте модул ции, отличающийс   тем, что, с целью повьпиени  точности и информативности за счет одновременной регистрации амплитудной и фазовой характеристик сигнала магнитного резонанса, непрерывно корректируют изменение фазы сигнала магнитного резонанса на частоте модул ции по минимуму 90 -компоненты (Л при развертке магнитного пол  и одновременно измер ют величину сигнала фазовой коррекции и амплитуду сигнала магнитного резонанса.

Description

2. Устройство дл  модул ционнофазовой регистрации спектров магнитного резонанса, содержащее электромагнит с блоком управлени , блок СВЧ с рабочим резонатором, модул тор магнитного пол  с катушками модул ции , фазовый детектор, на опорном входе которого включен 90 -фазовращатель , отличающеес  тем что в него введены синхронный детектор , электрически управл емый фазовращатель и усилитель оишбки, причем

5793

второй выход модул тора магнитного пол  через электрически управл емьп фазовращатель соединен с опорными входами синхронного и фазового детекторов , сигнальные входы которых подключены к выходу блока СВЧ, выход фазового детектора через усилитель ошибки соединен с управл ющим входом электрически управл емого фазовращател , а выходы усилител  ошибки и синхронного детектора  вл ютс  выходами устройства.

1

Изобретение относитс  к технической физике и может быть использовано при разработке модул ционно-фазовых (МФ) спектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЗПР),  дерного магнитного резонанса (ЯМР) и двойного электронно- дерного резонанса (ДЭЯР), которые предназначены дл  исследовани  характеристик различных веществ, обладающих парамагнитными свойствами.

Известен способ измерени  спектров магнитного резонанса, В1 ючающий воздействие на исследуемое вещество импульсами высокой частоты и измерение параметров восстановлени  спектральной линии магнитного резонанса после окончани  воздействи  импульсо

1.

Устройства, реализующие данный

способ, содержат электромагнит с блоком управлени , источник импульсов высокой частоты дл  модул ции магнитного пол , датчик с исследуемым веществом и регистрирующую аппаратуРУ 1.

Недостатками известных способа

и устройства  вл ютс  низка  чувствительность , плоха  разрешающа  способность (особенно при регистрации сложных спектральных линий) и, как следствие, низка  информативность.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  способ модул ционно-фазовой регистрации спектров магнитного резонанса, включающий воздействие высокочастотной модул ции магнитного пол  на спиновую систему, развертку

магнитного пол  в области магнитного резонанса и измерение 90 -компоненты сигнала магнитного резонанса на частоте модул ции, и устройство дл  модул ционно-фазовой регистрации спектров магнитного резонанса, содержащее электромагнит с блоком управлени , блок СВЧ с рабочим резонатором , модул тор магнитного пол  с катушками модул ции, фазовый детектор , на опорном входе которого включен 90 -фазовращатель 21 .

При регистрации сигнала магнитного резонанса по указанному способу на частоте модул ции возникает фазова  задержка uCf, обусловленна  релаксационными процессами в исследуемом- веществе, величину которой можно определить из 90 -компоненты сигнала магнитного резонанса

o-V-4

где ., slC coSiCf- 0°-компоненты сигнала магнитного резонанса; Л Т Y - сигнал поглощени 

магнитного резонанса; Т врем  релаксации;

И -частота модул ции

сигнала.

В сложном спектре, представл ющем набор спектральных линий с различным временами релаксации Т , соответствующа  фазова  задержка ЛС{, мен етс  сложным образом по спектру, при этом 90 -компонента описываетс  уравнением:

o° pio-i Aq), ,

где Tgo сумма 0°-компонент сигнала

магнитного резонанса, i . 0,1,2,... ,

Недостатками известного способа и устройства  вл ютс  низка  точност измерени  релаксационных параметров. При фазовой задержке iCp 2,5° погрешность в определении релаксационных параметров превьппает 50%, низка  чувствительность измерени , так как максимальна  чувствительность достигаетс  за счет увеличени  фазового сдвига (до 45), т.е. за счет снижени  точности измерени , низка  информативность измерени , поскольку регистрируема  90 -компонента  вл етс  сложной функцией амплитудной Ч и фазовой uCf характеристик сигнала магнитного резонанса. В этих характеристиках заключена информаци  о поглощаемой мощности СВЧ (в сигнале поглощени ) и о временах релаксации. Информацию о релаксационных параметрах исследуемого вещества получают косвенно путем сравнени  зарегистрированной 90 -компоненты сигнала магнитного резонанса с рассчитанной на ЭВМ конкретной моделью спектра.

Цель изобретени  - повьниение точности и информативности за счет одновременной регистрации амплитудной и фазовой характеристик сигнала магнитного резонанса.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу модул ционнофазовой регистрации спектров магнитного резонанса, включающему воздействие высокочастотной модул ции магнитного пол  на спиновую систему, развертку магнитного пол  в области магнитного резонанса и измерение 90 компоненты сигнала магнитного резонанса на частоте модул ции, непрерывно корректируют изменение фазы сигнала магнитного резонанса на частоте модул ции по минимуму 90 -компоненты при развертке магнитного пол  и одновременно измер ют величину сигнала фазовой коррекции и амплитуду сигнал магнитного резонанса.

Устройство дп  модул ционно-фазовой регистрации спектров магнитного резонанса, содержащее электромагнит с блоком управлени , блок СВЧ с рабочим резонатором, модул тор магнитног пол  с катушками модул ции, фазовый

детектор, на опорном входе которого включен 90°-фазовращатель, введены синхронный детектор, электрически управл емый фазовращатель и усилитель ошибки, причем второй выход модул тора магнитного пол  через электрически управл емый фазовращатель соединен с опорными входами синхронного и фазового детекторов, сигнальные входы которых подключены к выходу блока СВЧ, вых.од фазового детектора через усилитель ошибки соединен с управл ющим входом электрически управл емого фазовращател , а выходы

усилител  ошибки и синхронного детектора  вл ю.тс  вькодами устройства.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства дл  модул ционно-фазовой регистрации спектров магнитного резонанса; на фиг.2 - фазова  характеристика 4iCf сигнала ЭПР -облученного образца кварца, измеренна  по предлагаемому способу на трех частотах модул ции Q магнитного пол ; на

фиг.З - 90 -компонента д о сигнала ЭПР того же образца, измеренна  согласно известному способу на тех же частотах модул ции, что и фазова  характеристика &q ; на фиг.4 - амплитудна  характеристика Y и 0. -компонента Y о сигнала ЭПР, измеренные соответственно предложенным и известным cnoco6aNm на частоте модул ции И 500 кГц.

Устройство дл  модул ционно-фазовой регистрации спектров магнитного резонанса содержит электромагнит 1 с блоком 2 управлени , блок 3 СВЧ с рабочим резонатором 4, модул тор

5 магнитного пол  с катушками 6 модул ции , фазовый детектор 7, на опорном входе которого включен 90 -фазовращатель 8, а также синхронный детектор 9, электрически управл емый

фазовращатель 10 и усилитель 11 ошибки , причем второй выход модул тора 5 магнитного пол  через электрически управл емый фазовращатель 10 соединен с опорными входами синхронного 9 и

фазового 7 детекторов, сигнальные входы которых подключены к выходу блока 3 СВЧ, а выход фазового детектора 7 через усилитель 11 ошибки соединен с управл ющим входом электрически управл емого фазовращател  10.

Сигнал магнитного резонанса регистрируетс  путем воздействи  на исследуемый парамагнитный образец посто нного пол ризующего и сверхвысокочастотного магнитньк полей. Дл  этого образец помещаетс  в рабочий резонатор А, где на него воздействует мощность СВЧ, генерируема  блоком 3 СВЧ, и пол ризующее магнитное поле, создаваемое электромагнитом 1. Величина магнитного пол  регулируетс  блоком 2 управлени . Кроме того, магнитное.поле в мест расположени  образца модулируетс  катушками 6 модул ции, подключенньши на выход модул тора 5 магнитного пол . Модул тор 5 формирует также опор ное напр жение дл  синхронного 9 и фазового 7 детектора, причем опорный сигнал на вход фазового детектора 7 подаетс  через 90 -фазовращатель, что обеспечивает регистрацию 90-комсигнала магнитного репоненты зонанса, поступающего с выхода блока 3 СВЧ. Усилитель ошибки, включенный в канал регулировани  фазы опорного напр жени , с помощью электрически управл емого фазовращател  10 коррек тирует фазу опорного напр жени  (что эквивалентно коррекции фазы сигнала магнитного резонанса при включении фазовращател  10 в канал регистрации сигнала магнитного резонанса) по минимуму 90 -компоненты сигнала. Пол на  компенсаци  90 -компоне ты (.° 0) достигаетс  при точной настройке на 90° опорного сигнала относительно сигнала магнитного резонанса. Сигнал ошибки на выходе усилител  11 ошибки, пропорциональный изменени фазы сигнала магнитного резонанса itf  вл етс  фазовой характеристикой сигнала магнитного резонанса u4)-arct(S2T,., KotopaH описывает распределение времени релаксации Т по спектру магнитного резонанса. При этом частота модул ции выбираетс  по максимуму фазовой характеристики 4 t-f . Электрически управл емый фазовращатель 10 включен также в опорный ка нал синхронного детектора 9. Благода р  этому на выходе детектора 9 регис рируетс  амплитудна  характеристика сигнала магнитного резонанса У , котора  описывает только сигнал погло щени  без фазовых искажений. Сравнение амплитудной и фазовых характеристик сложного спектра магнитного резонанса позвол ет найти соответствие между отдельными компонентами спектральной линии и описывающими их временами релаксации. Таким образом, предлагаемый модул ционно-фазовый способ регистрации спектров магнитного резонанса обеспечивает высокую точность измерени  времени релаксации, поскольку непосредственно измер етс  величина фазовой задержки ЛЧ, функционально св занна  с временем релаксации Т , высокую чувствительность, благодар  .возможности оптимизировать частоту модул ции 5 по максимуму фазовой задержки ACf. При этом частота модул ции не сказываетс  на точности измерени , высокую информативность, обусловленную не только высокой точностью измерени  и высокой чувствительностью, но и возможностью оценивать непосредственно без дополнительных расчетов на ЭВМ врем  релаксации каждой спектральной линии сложного спектра и вы вл ть наличие неразрешенных компонент спектра за счет различи  их временных параметров. На фиг.2 приведена фазова  характеристика л(р сигнала ЭПР -облученного образца кварца, измеренна  по предлагаемому способу на частотах модул ции магнитного пол  SZ 500; 200; 100 кГц (соответственно кривые 12-14). На фиг.2 обозначены стрелками также местоположение отдельных спектральньЬс линий и значени  Q-факторов, соответствующие различным .типам Е -центров в кварце (, 2 Как видно из кривых 12-14, наблюдаетс  соответствие между .положением отдельных спектральных линий Е -центров и положением максимумов на фазовой характеристике Atf, обусловленных релаксационными процессами в исследуемом парамагнитном образце. В то же врем  регистраци  90 -компоненты Y(QO сигнала ЭПР на тех же частотах модул ции (кривые 15-17 на фиг.З) известным способом не позвол ет (без дополнительньк расчетов) получить однозначную информацию о наличии плохо разрешенных спектральных линий сложного спектра ЭПР. Все кривые измерены при мощности СВЧ 0,2 МвТ, амплитуде модул ции 0,5 Э. Дл  приведенного случа  фазова  характеристика обусловлена спин-спиновой релаксацией (врем  Tj ). Времена релаксации отдельных Е -центров могут быть оценены с помощью выражени : UC| - arctg-2 9iT. При этом получены следующие значени  EI - центр - б-Ю.с; Е 10 с. Б, - центр центр - Tji 2 Т,, 3,8- 10 с. На фиг.4 приведена амплитудна  характеристика и О -компонента в сигнала ЭПР, измеренные по предлага мому и известному способам на часто модул ции П 500 кГц, когда в наибольшей степени про вл ютс  фазовые искажени . В 0°-компоненте (крива  t8) вследствие фазовых искажений наблюдаетс  уменьшение интенсивност и по вление ложных спектральных линий , не обусловленных поглощением мощности СВЧ. Такие искажени  устра н ютс  при регистрации амплитудной

А

О

О 13

Л 500 к Гц

200 кГц характеристики Y (крива  ) сигна а ЭПР. Таким образом, предлагаемый способ обладает высокой информативностью, поскольку позвол ет вы вл ть налкчй е неразрешенных (или плохо разрешенных ) компонент сложного спектра за счет различи  их временных параметров, а также оценивать времена релаксаций спектральных линий. Повьшение чувствительности модул ционно-фазовой регистра1Ц1И спектров ЭПР достигаетс  за счет повьшени  частоты модул ции магнитного пол  5} (в данном случае 100 кГц - 500 кГц), при этом acтoтa модул ции не сказьшаетс  на точности измерени . Кроме того,в предлагаемом способе существенно меньшие искажени  сигнала поглощени , обусловленные релаксационными процессами в исследуемом образце, что особенно важно при измерени х концентрации парамагнитных центров, когда определ етс  интенсивность или площадь, ограниченна  кривой поглощени .

100 кГц

гр05 2роо

IfldS

Claims (2)

1. Способ модуляционно-фазовой регистрации спектров магнитного резонанса, включающий воздействие высокочастотной модуляции магнитного поля н.а спиновую систему, развертку магнитного поля в области магнитного резонанса и измерение 90°- компоненты сигнала магнитного резонанса на частоте модуляции, отличающийс я тем, что, с целью повышения' точности и информативности за счет одновременной регистрации амплитудной и фазовой характеристик сигнала магнитного резонанса, непрерывно кор ректируют изменение фазы сигнала магнитного резонанса на частоте модуляции по минимуму 90 -компоненты при развертке магнитного поля и одновременно измеряют величину сигнала фазовой коррекции и амплитуду сигнала магнитного резонанса.

й/1/

2. Устройство для модуляционнофазовой регистрации спектров магнитного резонанса, содержащее электромагнит с блоком управления, блок СВЧ с рабочим резонатором, модулятор магнитного поля с катушками модуляции, фазовый детектор, на^ опорном входе которого включен 90 -фазовращатель, отличающееся тем, что в него введены синхронный детектор, электрически управляемый фазовращатель и усилитель ошибки, причем второй выход модулятора магнитного поля через электрически управляемый фазовращатель соединен с опорными входами синхронного и фазового детекторов, сигнальные входы которых под'ключены к выходу блока СВЧ, выход фазового детектора через усилитель ошибки соединен с управляющим входом электрически управляемого фазовращателя, а выходы усилителя ошибки и синхронного детектора являются выходами устройства.