Сегнетоелектричний резонатор для спектрометру епр

1. Сегнетоелектричний резонатор для спектрометру ЕПР, виконаний з монокристалу, який 40178 Transactions on Microwave Theory and Techniques, MTT-13, No. 2, p . 256, 1965; A. Оkaya and L.F. Barash, Dielectric MW Resonator, Proc. IRE, 50, p. 2081, 1962). Він має форму суцільного циліндру. Розроблені для роботи у діапазоні частот від 9 до 16 ГГц, резонатори з титанату стронцію мали діаметр від 1,64 до 1,76 мм та висоту відповідно від 0,77 до 1,7 мм. При роботі їх розміщали у закороченому хвилеводі на опорі із пенопласту. Малі розміри резонаторів і, як наслідок, малі витрати матеріалу, пов'язані з високим значенням діелектричної проникності e, що при кімнатній температурі досягає 250, завдяки чому резонатори із титанату стронцію дозволили значно підвищити чутливість спектрометру ЕГТР і були використані для одержання сигналів ЕПР домішки Fe3+, якою було пролеговано монокристал під час вирощування. При цьому фактор заповнення досягав 100%. Недоліками резонаторів із титанату стронцію є: 1) обмежене підвищення чутливості спектрометру ЕПР при температурах нижче 300 К внаслідок зменшення добротності резонатору, що спричиняється значним підвищенням діелектричних втрат у цьому температурному інтервалі; 2) обмеженість функціональних можливостей, що полягає у можливості застосування певного резонатору тільки для дослідження тих парамагнітних домішок, якими його було пролеговано. Для дослідження ж інших об'єктів треба легувати кристал знову (у випадку, коли таке легування можливе) і виготовляти новий резонатор; 3) неможливість використання резонатору в області температури Тс=110 К, при якій титанат стронцію зазнає фазового переходу із кубічної модифікації в тетрагональну, що спричиняє появу локального максимуму в температурній залежності тангенса кута діелектричних втрат tgd. В основу винаходу поставлено задачу суттєвого підвищення чутливості спектрометру ЕПР при температурах нижче 300 К і підвищення точності вимірювання спектрів ЕПР, спрощення технології виготовлення резонатору та розширення його функціональних можливостей при будь-якій температурі. Поставлена задача досягається тим, що сегнетоелектричний резонатор виконаний із монокристалу, який відрізняється тим, що він виконаний з танталату калію, легованого літієм з вмістом 0,01-0,1%. Сегнетоелектричний резонатор відрізняється тим, що він виконаний у прямокутній формі. Також сегнетоелектричний резонатор відрізняється тим, що він містить всередині отвір для розміщення досліджуваного об'єкта, причому глибина отвору складає 1/2 висоти резонатору. Такий винахід може бути реалізований структурою (фіг. 1), що містить сегнетоелектричний резонатор 1, який разом із розміщеним у ньому досліджуваним об'єктом 2 приклеєний до тримача 3 і разом із тримачем поміщається у середину стандартного об'ємного циліндричного резонатору із модою ТЕ011 4 таким чином, щоб вісь отвору сегнетоелектричного резонатору співпадала з силовими лініями магнітної компоненти НВЧ поля 5. Дія сегнетоелектричного резонатору полягає у такому. Під час роботи спектрометру ЕПР в об'єм ному металічному резонаторі утворюється стояча НВЧ хвиля (1/2 довжини НВЧ хвилі, яка генерується клістроном). Магнітна пучність цієї хвилі співпадає з віссю об'ємного циліндричного резонатору (5 на фіг. 1). Якщо у цю пучність магнітного поля помістити сегнетоелектричний резонатор, відбувається концентрація НВЧ потужності у місці знаходження сегнетоелектричного резонатору, причому найбільше підвищення значення магнітного поля спостерігається на об'єкті, який розташовується в отворі сегнетоелектричного резонатора. Оскільки запропонований матеріал резонатору має високу діелектричну проникність і водночас малі діелектричні втрати при температурах нижче 300 К, ми одержуємо значне підвищення чутливості спектрометру ЕПР, особливо при низьких температурах. Суть запропонованого винаходу полягає у такому. Ефективність використання сегнетоелектричних резонаторів порівняно з об'ємними металічними для підвищення чутливості спектрометру ЕПР обумовлюється значенням діелектричної проникності. Співвідношення сигнал/шум (С/Ш), яким характеризується чутливість, пропорційно падаючій НВЧ потужності Р, добротності резонатору Q і фактору заповнення h (P. Hedvig, Acta Physica Hingaricae, 10, p. 115, 1959): C/Ш~P1/2c"Q/(NkTDf) 1/2 (1), де c" - уявна частина парамагнітної сприйнятливості зразка, Q - добротність резонатору, N – коефіцієнт шуму, kT - теплова енергія, Df - ширина смуги пропускання детектора; а фактор заповнення 2 h = HS òH 2 dV , де Hs - магнітне поле на зразку, Н - магнітна компонента НВЧ поля у середині резонатора, V - об'єм резонатору. Звичайно Hs дорівнює амплітуді магнітного НВЧ поля у резонаторі Н о. У випадку ж розміщення у резонаторі (або хвилеводі) матеріалу з високою діелектричною проникністю та низькими втратами значення Hs та Но стають різними, до того ж, як показали розрахунки, (Hs/Ho)2»e. Отож, завдяки високим значенням Q при водночас високому значенні e можна досягти значного підвищення С/Ш. До того ж, сегнетоелектричний резонатор має бути простим по конструкції і водночас функціональним, його використання має бути спрощеним і не викликати технічних ускладнень. Проаналізовані нами аналоги та прототип запропонованого винаходу не задовольняють водночас всім цим вимогам. Серед сегнетоелектричних кристалів, які є підгрупою діелектриків і відрізняються суттєво більшим значенням діелектричної проникності, є тільки один кристал, танталат калію, у якого при зниженні температури поряд зі значним зростанням діелектричної проникності, яка є ізотропною і досягає 4·103 при Т»4,2 К, спостерігається зменшення діелектричних втрат; це забезпечує високу добротність резонатору, виготовленого з цього матеріалу, навіть при дуже низьких температурах. Однак, як показали дослідження, монокристали номінально чистого танталату калію виявляють спектри ЕПР Fe3+, який міститься у кристалі у вигляді некерованої домішки. Встановлено, що іони Fe3+ займають 2 40178 положення іонів калію у кристалічній гратці танталату калію і разом з вакансією ближніх положень К+ утворюють центри ромбічної симетрії (A.P. Pechenyi et al., Phys. Rev. В 51, No. 18, p. 12165, 1995). Для ліквідації цих центрів і, як наслідок, досягнення чистоти кристалу з точки зору наявності "власних" сигналів ЕПР, нами запропоновано пролегувати танталат калію літієм з вмістом 0,0001-0,001 (або 0,01-0,1%), Розберемо вплив літію більш детально і обгрунтуємо його вміст. При легуванні іони літію заміщують іони калію, причому внаслідок значної різниці в радіусах іонів К+ та іонів Li+, іони літію займають нецентральне положення, зміщуючись в один із шести напрямків типу [100] по відношенню до центросиметричного місця іонів калію і утворюючи. Концентрація літію вирішальним чином впливає на фазовий стан змішаних кристалів (табл. 1). Ми контролювали вміст літію у кристалі за допомогою пламеної фотометрії. Як встановлено нами з експериментів по параелектричному резонансу, у інтервалі 0