Циліндричний резонатор, що перестроюється по частоті та добротності спектрометра електронного парамагнітного резонансу

Циліндричний резонатор, що перестроюється по частоті та добротності для спектрометрів електронного парамагнітного резонансу неперервного та імпульсного надвисокочастотного збудження, що складається з відрізку циліндричного хвилеводу, який виконано з матеріалу, що має високий питомий опір, та внутрішнім покриттям з матеріалу з низьким питомим опором, в одному кінці якого 3 двох витків, в який подається струм із частотою 100 кГц для збудження модулюючого магнітного поля. На короткозамкненій стінці укріплено направляючу трубку, верхній кінець якої знаходиться вище рівня азоту. По цій трубці до відрізку каліброваного циліндричного хвилеводу вводиться досліджуваний зразок (див. Техническое описание и инструкция по эксплуатации радиоспектрометра РЭ1308 1Г2.747.211 ТО. Академия наук СССР. Научно-техническое объединение экспериментальный завод научного приборостроения, 1979г.). Суттєвими недоліками описаного вище об'ємного циліндричного резонатору є: 1) відсутність механізму перестроювання частоти резонатору на робочу частоту генератору; 2) неможливість використання даного резонатору у низькотемпературному кріостаті спектрометру ЕПР внаслідок великого габаритного розміру конструкції. Відома конструкція циліндричного резонатору з високою добротністю, що перестроюється по частоті для спектрометра ЕПР (див. а.с. СРСР №154303, 01.08.1962р., Н01Р7/06). Цей резонатор містить мідну трубку, до нижньої частини якої вгвинчено короткозамкнену стінку, а у верхній частині розміщений короткозамкненій поршень. Резонатор настроюється за рахунок переміщення короткозамкненого поршня, поступовий рух якому передається від ходового гвинта за допомогою хвилеводної системи. Такий циліндричний резонатор спектрометру ЕПР здатний працювати у широкому діапазоні температур. Але істотними недоліками даного резонатора є: 1) відсутність контуру високочастотної модуляції; що призводить до відносно низької чутливості спектрометру ЕПР; 2) складне технічне рішення механізму переміщення короткозамкненого поршня; 3) велика маса конструкції, що призводить до великих втрат кріогенних рідин, що використовуються для охолодження резонатору. Вказані недоліки вирішуються конструкцією циліндричного резонатору з максимальною добротністю біля 7000 для спектрометру ЕПР - Прототип (див. 3. Лукін С.М., Козловський А.В. Перестроюваний циліндричний резонатор спектрометра електронного парамагнітного резонансу // Деклараційний патент на винахід №69242, 2004). Циліндричний резонатор, що перестроюється по частоті та призначений для спектрометру ЕПР, складається з відрізку циліндричного хвилеводу, в одному кінці якого розміщено нерухому короткозамкнену стінку з отвором для введення досліджуваного зразку та елементом зв'язку з мікрохвильовим трактом, а на другому кінці короткозамкнений поршень з механізмом його плавного переміщення. Циліндричний хвилевід виконано з каліброваної трубки завтовшки 0,30,5мм з матеріалу з високим питомим опором та внутрішнім покриттям завтовшки 3-5 скін-шарів на робочій частоті резонатору з матеріалу з низьким питомим опором. Ззовні циліндричного хвилеводу розташовано контур високочастотної модуляції у вигляді 2-10 витків ізольованого проводу. Механізм плавного переміщення короткозамкненого 49853 4 поршня виконано у вигляді штовхача діаметром 0,8-1,5мм, а поршень додатково підпружинено немагнітною пружиною. Такий резонатор має наступні переваги: можливість настройки резонатору на робочу частоту генератору, невеликі зовнішні геометричні розміри, присутність зовнішнього по відношенню до резонатору контуру високочастотної модуляції, що дозволяє реєструвати першу похідну сигналу ЕПР, а тим самим підвищити чутливість спектрометру ЕПР, а також малу масу конструкції, що дозволяє використовувати її при низьких температурах без великих втрат кріогенних рідин на охолодження резонатору. Недоліком конструкції вказаного резонатору є те, що він не дозволяє застосовувати його при вимірюваннях сигналів ЕСЛ в імпульсних спектрометрах ЕПР, оскільки резонатор має високу добротність, яка повинна бути значно нижчою, ніж при вимірюванні сигналів ЕПР. Це пов'язано з тим, що якщо добротність резонатору буде високою, а мікрохвильова потужність у імпульсі велика, то після проходження імпульсу на виході резонатору будуть спостерігатися потужні імпульси відбиття паразитні сигнали, за рахунок яких приймач імпульсного спектрометру ЕПР буде перевантажено і він не в змозі буде сприймати корисні сигнали ЕСЛ. Цей час має назву "мертвого" часу імпульсного спектрометру ЕПР і він визначає його роздільну здатність [див. К.М. Салихов, А.Г. Семенов, Ю.Д. Цветков "Электронное спиновое эхо и его применение", Новосибирск, Изд-во "Наука", 1976, с.88]. З метою зменшення "мертвого" часу імпульсного спектрометру ЕПР необхідно мати можливість регулювання добротності резонатору та підбору її оптимальної величини для даної потужності та тривалості імпульсів. Наприклад, при потужності імпульсу 10Вт та мінімальній тривалості збуджуючих імпульсів від 10 до 100нс, оптимальна добротність резонатору повинна мати величину порядку 700, а при потужності імпульсу 5Вт оптимальна добротність резонатору може становити 1000. Відомі конструкції низькодобротних резонаторів, а саме - діелектричні резонатори [див. В.Б. Мимс "Применение методов электронного спинэхо в спектрометрии спинового резонанса" Приборы для научных исследований №10, 1965, с. 7885], спіральні [див. М. Mehdizadeh, Т.К. Ishii "Electromagnetic field analysis and calculation of the loop-gap resonance characteristics" IEEE Trans. Microwave Theory, vol. MTT-37, pp. 1113-1118, 1989], з щілинами [див. М. Mehdizadeh, Т.К. Ishii, J.S. Hyde, and W. Froncisz, "Loop-gap resonator: A lumped mode microwave resonant structure", IEEE Trans. Microwave Theory, vol. MTT-31, pp. 10591064, 1983], які використовуються у імпульсних спектрометрах ЕПР. Істотними недоліками цих резонаторів є те що регулювання добротності резонатору здійснюється лише у невеликих межах і лише за рахунок досягнення зв'язку резонатору з хвилеводним трактом вище критичного. Задачею корисної моделі є створення такої конструкції циліндричного резонатору, що пере 5 строюється по частоті, яка дозволить регулювати добротність резонатору у широкому діапазоні її величини від 5000 до 300, при збереженні простоти його конструкції та невеликої масі, та проводити вимірювання спектрів ЕПР та ЕСЛ у широкому температурному інтервалі від 300К до 4.2К в одному і тому же резонаторі, що важливо з точки зору відтворення результатів експерименту. Поставлена задача вирішується таким чином, що циліндричний резонатор, що перестроюється по частоті та добротності, для спектрометрів електронного парамагнітного резонансу неперервного та імпульсного надвисокочастотного збудження, складається з відрізку циліндричного хвилеводу, який виконано з матеріалу, що має високий питомий опір, та внутрішнім покриттям з матеріалу з низьким питомим опором, в одному кінці якого розміщено нерухому короткозамкнену стінку з двома отворами, один - для введення досліджуваного зразку, а інший - для розміщення елементу зв'язку з мікрохвильовим трактом, а на другому кінці розміщено короткозамкнений поршень з механізмом його плавного переміщення, а ззовні циліндричного хвилеводу розташовані контур високочастотної модуляції з ізольованого проводу, який відрізняється тим, що стінка хвилеводу виконана у вигляді двох коаксіальних циліндрів які мають співвісні отвори однакової форми на бокових поверхнях, причому один з цих циліндрів є нерухомим, а другий може обертатись відносно нерухомого циліндру на кут, достатній для повного закриття та відкриття отвору між двома циліндрами. На фігурі представлено схему розташування стінок циліндрів резонатору. Стінку резонатору виконано у вигляді двох коаксіальних циліндрів, які мають співвісні отвори (3, 4). Один з цих циліндрів є нерухомим (1) (див. Фіг.), а другий (2) (див. Фіг.) може обертатись відносно нерухомого циліндру на кут, достатній для повного закриття своєю поверхнею отвору у нерухомому циліндрі. При положенні а) (див. Фіг.) вісі отворів співпадають і площина отвору резонатору є максимальною. У положенні б) (див. Фіг.) отвір у нерухомій стінці закритий стінкою рухомого циліндру. Таким чином, при зміні площини отвору, змінюється добротність резонатору, а за допомогою переміщення нижньої стінки відбувається перебудова частоти резонатору. При цьому зв'язок резонатору з хвилеводним трактом, що підводить надвисокочастотну енергію, може залишатися незмінним. Виготовлений згідно запропонованої ідеї перестроюваний двохстінний циліндричний резонатор спектрометра ЕПР та ЕСЛ 8мм діапазону частот має наступні параметри: 1. основна робоча мода – Н011; 49853 6 2. робоча частота - 37ГГц; 3. діапазон перестроювання частоти ± 300МГц; 4. добротність від 5000 до 500; 5. внутрішній діаметр нерухомого відрізку каліброваного циліндричного хвилеводу - 10.8мм; 6. внутрішній діаметр відрізку рухомого каліброваного циліндричного хвилеводу -11.5мм; 7. діаметр бокових отворів у каліброваних трубках - 2.5мм; 8. зовнішній діаметр конструкції - 15.8мм; 9. товщина стінки каліброваної рухомої та нерухомої трубки з нержавіючої сталі - 0.3мм; 10. товщина мідного внутрішнього покриття рухомої та нерухомої трубки - 3мкм; 11. частота модуляції 100кГц. Перестроюваний по частоті двохстінний циліндричний резонатор спектрометра ЕПР працює наступним чином. При реєстрації сигналів ЕПР та ЕСЛ резонатор розташовується у зазорі електромагніту та приєднується до циркулятору хвилеводного тракту спектрометра ЕПР. З хвилеводу за допомогою елементу зв'язку, НВЧ енергія потрапляє в порожнину резонатора, де знаходиться дослідний зразок. Настроювання резонатора на робочу частоту НВЧ генератора проводиться шляхом зміни довжини робочого об'єму резонатора, яке здійснюється за допомогою переміщення нижньої стінки резонатору. При реєстрації сигналів ЕПР отвори у резонаторі повинні бути закритими. Для цього треба повернути рухомий циліндр відносно нерухомого на кут, достатній для повного закриття своєю поверхнею отвору у нерухомому циліндрі. При реєстрації сигналів ЕСЛ регулювання добротності резонатору та підбирання її оптимальної величини для даної потужності та тривалості імпульсів проводиться шляхом плавного переміщення рухомої стінки резонатору відносно нерухомої до часткового чи повного співпадіння їх отворів. Таким чином, наведена конструкція двохстінного циліндричного резонатору, що перестроюється по частоті, дозволяє регулювати добротність резонатору у широкому діапазоні її величини від 5000 до 300 та проводити вимірювання спектрів ЕПР та ЕСЛ у широкому температурному інтервалі від 300К до 4.2К в одному і тому же резонаторі, що важливо з точки зору відтворення результатів експерименту. Перевагою двохстінного циліндричного резонатору також є простота конструкції та невелика маса. Крім того, відсутність додаткових елементів у боковій поверхні резонатору дозволяє розмістити його у низькотемпературному кріостаті, що знаходиться у малому зазорі електромагніту спектрометру ЕПР. 7 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 49853 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601