Передавальний модуль мікрохвильового мосту для імпульсного когерентного спектрометра електронного парамагнітного резонансу 8-міліметрового діапазону довжини хвиль

Передавальний модуль мікрохвильового мосту для генерації надвисокочастотних (НВЧ) імпу 3 рометр ЕПР серії Е 600/680, який працює у W діапазоні частот (95 ГГц) з потужністю НВЧ імпульсів до 100 мВт. У той же час імпульсні спектрометри ЕПР у проміжному діапазоні частот, яким є 8 мм діапазон частот (Q-діапазон), досі залишаються мало розробленим, незважаючи на те, що він з точки зору чутливості та роздільної здатності у порівнянні з X та W - діапазонами частот є оптимальним, а вимірювання спектрів ЕПР у неперервному режимі у цьому діапазоні частот вже стали цілком рутинної задачею. Крім того, невисока вартість мікрохвильових компонентів Q-смуги, можливість застосування постійного магніту у спектрометрах ЕПР Q- діапазону частот робить цей діапазон частот дуже привабливим. Однак незважаючи на привабливість цього діапазону частот в світі мається лише кілька імпульсних спектрометра ЕПР, які працюють у 8 міліметровому діапазону довжин хвиль. Серед них два працюють при високій мікрохвильової потужності [див. І. Gromov, J. Shane, J. Forrer, R. Rakhmatoullin, Yu.Rozentzweig, A. Schweiger, "A Q-band Pulse EPR/RNDOR Spectrometer and the Implementation of Advanced One- and Two-Dimensional Pulse EPR Methodology", J. Magn. Reson. vol. 149, pp. 196-203, 2001; С E. Davoust, P. E. Doan, В. М. Hoffman, Q-band Pulsed Electron Spin-Echo Spectrometer and Its Application to ENDOR and ESEEM", J. Magn. Reson. A, vol. 119, pp. 38-44, 1996] та один комбінований спектрометр ELEXSYS E 580, що серійно випускається фірмою "Брукер" (Німеччина) з можливістю вимірюваній у Q - діапазоні частот з невисокою потужністю у імпульсі, яка дорівнює лише 1 Вт [див. P. Hofer, R. Heilig, D. С. Maier, I. Prisecaru D. Schmalbein D. "The super Q-FT Accessory", Bruker BioSpin GmbH, EPR Division; Реклама FT-EPR Spectrometer E 580, ELEXSYS, Bruker]. Враховуючи той факт, що головними характеристиками, що визначають рівень якості імпульсного спектрометру ЕПР є його імпульсні характеристики, та чутливість головною проблемою при створенні імпульсних спектрометрів Q- діапазону частот залишається вибір конструкції мікрохвильового мосту, зокрема конструкції передавального модулю у якому формуються НВЧ імпульси. Загальний принцип побудови передавального модулю імпульсного мікрохвильового мосту реалізується за наступною схемою: опорний генератор, амплітудний модулятор, підсилювач НВЧ потужності. Опорний генератор працює у неперервному режимі. Амплітудний модулятор формує з НВЧ коливань опорного генератору імпульси, які потім потрапляють на підсилювач НВЧ потужності. Функції модулятора та підсилювача потужності НВЧ можуть бути сполучені у одному пристрої. Таким пристроєм є, наприклад, електровакуумний підсилювач на лампі бігучої хвилі (ЛБХ). Відомі конструкції передавального модулю, у яких використовують електровакуумний підсилювач на ЛБХ [див. І. Gromov, J. Shane, J. Forrer, R. Rakhmatoullin, Yu.Rozentzweig, A. Schweiger, "A Q-band Pulse EPR/RNDOR Spectrometer and the Implementation of Advanced One- and Two-Dimensional Pulse EPR Methodology", J. Magn. Reson. vol. 149, pp. 196-203, 2001; С E. Davoust, P. E. Doan, В. М. Hoffman, Q 58891 4 band Pulsed Electron Spin-Echo Spectrometer and Its Application to ENDOR and ESEEM", J. Magn. Reson. A, vol. 119, pp. 38-44, 1996]. Недоліком використання ЛБХ у передавальному модулі мікрохвильового моста є обмежений ресурс її роботи (від 500 до 1500 часів), високий рівень шумів, необхідність юстування та настроювання підсилювача при встановленні та у процесі експлуатації, погіршення технічних характеристик підсилювача під впливом магнітних полів, велике енергоспоживання та висока ціна. Вказані недоліки вирішуються використанням твердотільного напівпровідникового підсилювача на основі кремнієвих (Si) лавино пролітних діодів (ЛПД) – [див. Л. В. Касаткин "Твердотельные импульсные генераторы на лавино-пролетных диодах миллиметрового диапазона длин волн" Электронная техника, сер. СВЧ техника № 2 (468), cc. 41-47, 1998; М. Г. Ищенко, Л. В. Касаткин, В. М. Тарасюк, А. В. Цвир, P. M. Рахматулин, Ю. К. Розенцвайг, "Импульсный когерентный полупроводниковый генератор для спектрометра электронного спинового эха миллиметрового диапазона волн" Радиоэлектроника № 8, cc. 50-55, 2000]. В цьому випадку функції модулятора та підсилювача потужності НВЧ залишаються роздільними. Для амплітудної модуляції НВЧ потужності використовуються вироби на основі PIN діодів, а підсилювання імпульсів здійснюється пристроєм на основі ЛПД. Використання твердотільного напівпровідникового підсилювача на основі кремнієвих ЛПД має наступні переваги: гарантійний ресурс, який підтверджується періодичними іспитами, становить не менш ніж 10000 часів; значно менший та стабільний на протязі всього терміну експлуатації рівень шумів; модулі НВЧ не вимагають ніякого юстування та підстроювання апаратури; стійкість до впливу магнітних полів; модулі НВЧ підключаються до одного стабілізованого джерела живлення з енергоспоживанням значно меншим ніж у ЛБВ; низка вартість. Відома конструкція передавального модулю мікрохвильового мосту, обрана нами за прототип [див. І. Tkach, A. Baldansuren, E. Kalabukhova, S. Lukin, A. Sitnikov, A. Tsvir, M. Ischenko, Yu. Rosentzweig, E. Roduner "A home-built ESEspectrometer based on a high power Q-band microwave bridge", J. Appl. Magn. Res. vol. 35, pp. 95-112, 2008], яка побудована на основі високопотужного твердотільного імпульсного підсилювача. Вона складається із опорного генератора на діоді Ганна, дискретного фазообертача з дискретністю 180°, вентилів, двох високошвидкісних амплітудних PIN модуляторів, двокаскадного імпульсного підсилювача на основі кремнієвих ЛПД, амплітудного детектору та атенюатору Така конструкція передавального модулю забезпечує потужність у імпульсі до 20 Вт при часовому розв'язанні 10-8 сек. Істотним недоліком цієї схеми є те, що вона не передбачає проведення експериментів з циклічною зміною фаз діючих імпульсів з дискретністю 90°, а отже можливості застосування для приймального модулю мікрохвильового мосту імпульсного спектрометру ЕПР двоканального (фазочутливого) 5 детектування сигналів ЕСЛ. Двоканальна схема детектування полягає в одночасній реєстрації сигналу на двох змішувачах, на входи яких подаються сигнали ЕСЛ, що мають між собою фазовий зсув на 90° (звідси термін "квадратурне" детектування). Процес фазового циклу полягає в повторенні імпульсної послідовності з ідентичними установками тривалості імпульсів и часових проміжків між ними, але із заданими змінами фаз діючих імпульсів. Важливість зміни фаз діючих імпульсів полягає в тому, що корисні сигнали ЕСЛ відслідковують фазу імпульсу і тому складаються в пам'яті комп'ютера, а паразитні сигнали не залежать від фази імпульсу і тому взаємно знищуються наприкінці фазового циклу і не проявляються в результуючому спектрі. Таким чином, можна проводити селекцію корисних сигналів ЕСЛ. Крім того, багатоімпульсні одномірні і двомірні експерименти з Фур’є перетворенням здійснюється шляхом циклічної зміни фаз діючих імпульсів. Задачею корисної моделі є створення такої конструкції передавального модулю мікрохвильового мосту, яка дозволить при збереженні надійності та невисокої вартості проводити експерименти з двох імпульсною, трьох імпульсної та багатоімпульсною послідовністю імпульсів з Фур’є перетворенням при потужності у імпульсі до 20 Вт при мінімальної тривалості імпульсів до 20 нc. Поставлена задача вирішувалась авторами за рахунок того, що на виході генератору Гана передавального модулю мікрохвильового мосту призначеного для генерації НВЧ імпульсів в імпульсних когерентних спектрометрах ЕПР 8 міліметрового діапазону довжин хвиль, який складається з опорного генератора на діоді Ганна, дискретного фазообертача з дискретністю 180°, вентилів, двох високошвидкісних амплітудних PIN модуляторів, двокаскадного імпульсного підсилювача на основі кремнієвих лавино пролітних діодів, амплітудного детектору та атенюатору, додатково встановлено другий дискретний фазообертач з дискретністю 90°. На фігурі представлено схему передавального модулю імпульсного мікрохвильового мосту. Вона складається з задаючого (опорного) генератора на діоді Ганна (1), двох дискретних фазообертачей (2, 3), зібраних на циркуляторах (4), вентилів (5), двох високошвидкісних амплітудних PIN модуляторів (6), потужного двокаскадного імпульсного підсилювача (7), амплітудного детектору (8) та атенюатору (9) для регулювання потужності на виході двокаскадного підсилювача. Двокаскадний імпульсний підсилювач зібрано на двох каскадах двопролітних Si ЛПД. Як приклад, виготовлений авторами згідно запропонованої корисної моделі передавальний модуль мікрохвильового мосту для імпульсного когерентного спектрометру електронного парамагнітного резонансу 8 міліметрового діапазону довжин хвиль має наступні технічні характеристики: 1. - Робоча частота імпульсного підсилювача 35 ГГц, 2. - Потужність в імпульсі 20 Вт, 3. - Коефіцієнт підсилення 25-27 дБ, 58891 6 4. - Тривалість імпульсів 20-200 нc, 5. - Частота повторювання пачок імпульсів 100 Гц-1 кГц, 6. - Тривалість фронту імпульсу (