Учебная работа. Аппараты электронного парамагнитного резонанса
Расположено на
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО (то есть программное обеспечение — комплект программ для компьютеров и вычислительных устройств) ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт нефти и Газа
Кафедра «Биомедицинской электрической Техники»
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине: «Мед приборы, аппараты и комплексы»
На тему: «Аппараты электрического парамагнитного резонанса»
Выполнил: студент группы БМС-05-1
Бухардинова Л.М.
Проверил: педагог каф. БЭТ
Глушков В.С.
Тюмень 2009
Содержание
Введение
1. Теоретическая часть
1.1 Физика явления
1.2 Главные характеристики спектров ЭПР
2. Техно часть
2.1 Описание работы устройства
2.2 Принципы построения спектромеров ЭПР
2.3 Программно-аппаратный комплекс для исследования спектров ЭПР
2.3.1 Состав и предназначение комплекса
2.3.2 Аппаратная часть комплекса
2.3.3 Состав программного комплекса
Заключение
Перечень литературы
Введение
Явление электрического парамагнитного резонанса было открыто в 1944 г. Евгением Константиновичем Завойским, который нашел, что монокристалл CuCl2, помещенный в неизменное магнитное поле 4 мТл, поглощает микроволновое излучение с частотой около 133 МГц.
Поглощение электромагнитного излучения имело избирательный (резонансный) нрав, т. е. наблюдалось только при определенном соотношении меж напряженностью неизменного магнитного поля и частотой переменного электромагнитного поля. Потому открытое явление получило заглавие электрического парамагнитного резонанса (ЭПР).
способ ЭПР даёт неповторимую информацию о парамагнитных центрах. Он совершенно точно различает примесные ионы, изоморфно входящие в решётку от микровключений. При всем этом выходит полная информация о данном ионе в кристалле: валентность, регулирование, локальная симметрия, гибридизация электронов, в сколько и какие структурные положения он заходит, ориентирование осей кристаллического поля в месте расположения этого иона, полная черта кристаллического поля и детальные сведения о хим связи. И, что весьма принципиально, способ дозволяет найти концентрацию парамагнитных центров в областях кристалла с разной структурой.
Но диапазон ЭПР это не только лишь черта иона в кристалле, да и самого кристалла, особенностей распределения электрической плотности, кристаллического поля, ионности-ковалентности в кристалле и в конце концов просто диагностическая черта минерала, потому что любой ион в любом минерале имеет свои неповторимые характеристики. В этом случае парамагнитный центр является типичным зондом, дающий спектроскопические и структурные свойства собственного микроокружения.
Примерами парамагнитных частиц в био системах служат вольные радикалы, возникающие как в итоге повреждающего деяния радиации на био структуры, так и при фотохимическом окислении хлорофилла.
Ионы парамагнитных металлов Fe, Co, Ni, Сu, Мn являются всераспространенными в био системах парамагнитными частичками, входящими в состав энзимов. Парамагнетизм этих ионов обоснован чертами наполнения электрических оболочек, в итоге чего же энергетически прибыльным оказывается наличие неспаренных электронов на неких внутренних орбиталях. способ ЭПР дозволяет следить окислительно-восстановительные перевоплощения этих металлов и судить, таковым образом, о их функционировании.
Устройством, при помощи которого можно выявить парамагнетизм частиц, является спектрометр ЭПР. Целью данной работы является изучить устройство и механизм работы аппарата.
1. Теоретическая часть
1.1 Физика явления
В отсутствие неизменного магнитного поля Н магнитные моменты неспаренных электронов ориентированы произвольно, состояние системы таковых частиц вырождено по энергии. При наложении поля Н проекции магнитных моментов на направление поля принимают определенные значения и вырождение снимается (эффект Зеемана), т. е. происходит расщепление уровня энергии электронов E0. Расстояние меж появившимися подуровнями зависит от напряженности поля Н и равно (рис. 1), где g — фактор спектроскопического расщепления (см. ниже), — магнетон Бора, равный 9,274 x 10-24 Дж/Тл; в системе единиц СИ заместо Н следует применять магнитную индукцию где — магнитная проницаемость вольного места, равная 1,257 x 10-6 Гн/м. Распределение электронов по подуровням подчиняется закону Больцмана, согласно которому отношение заселенностей подуровней определяется выражением где k — неизменная Больцмана, Т — абсолютная температура. Если на эталон подействовать переменным магнитным полем с частотой v, таковой, что (h — неизменная Планка), и направленным перпендикулярно H, то индуцируются переходы меж примыкающими подуровнями, при этом переходы с поглощением и испусканием кванта hv равновероятны. Потому что на нижнем уровне число электронов больше в согласовании с распределением Больцмана, то в большей степени будет происходить резонансное поглощение энергии переменного магнитного поля (его магнитной составляющей).
Рис. 1. Расщепление энергетического уровня электрона в неизменном магнитном поле. Е0 — уровень в отсутствие поля, Е1 и Е2 — уровни, возникающие в присутствии поля Н
Для непрерывного наблюдения поглощения энергии условия резонанса недостаточно, т.к. при действии электромагнитного излучения произойдет сглаживание заселенностей подуровней (эффект насыщения). Для поддержания больцмановского распределения заселенностей подуровней нужны релаксационные процессы. Релаксационные переходы электронов из возбужденного состояния в основное реализуются при обмене энергией с окружающей средой (сеткой), который осуществляется при индуцированных сеткой переходах меж электрическими подуровнями и определяется как спин-решеточная системы в начальное состояние опосля действия электромагнитного излучения. Зафиксированное регистрирующим устройством поглощение электромагнитной энергии спиновой системой и представляет собой диапазон ЭПР.
Для наблюдения этого явления требуется регистрация поглощаемой в образчике частотной мощности на частоте, удовлетворяющей соотношению (1).
В принципе вероятны два метода регистрации этого поглощения:
а) изменять во времени частоту при фиксированном значении H,
б) изменять во времени напряженность магнитного поля при фиксированном значении н. В момент, когда будет производиться соотношение (1), возникнет резонансное поглощение. Так как 2-ой способ воплотить можно с большей точностью и относительно просто на техническом уровне воплотить, во всех спектрометрах ЭПР запись диапазона осуществляется в координатах , где — интенсивность поглощения частотной энергии. Если в уравнение (1) подставить численные значения констант, то резонансная частота частотного поля будет равна , где H выражается в эрстедах.
В принципе условия резонанса справедливы для всех частот. А именно, известны магнетометры для измерения магнитного поля земли, равного приблизительно 0,5 Гс. Но выбор фактически применяемых частот ограничен сначала требованием высочайшей чувствительности устройств. Величина сигнала ЭПР в первом приближении пропорциональна произведению разности заселенностей уровней и энергии поглощенных квантов. Энергия квантов прямо пропорциональна величине магнитного поля H, заселенности уровней соотносятся согласно известному выражению Максвелла-Больцмана (3). При обыденных критериях наблюдения ЭПР разность заселенностей уровней приблизительно пропорциональна H. Отсюда следует, что с повышением магнитного поля чувствительность устройства ЭПР обязана возрастать примерно пропорционально 2H.
Ряд чисто экспериментальных причин ставят верхний предел используемых магнитных полей. один из их -это размер образцов. Обычно спектрометры ЭПР работают в СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) спектре. Эталоны помещают в резонаторы — аналоги катушек, применяемых в наиболее длинноволновых спектрах. При магнитных полях около 10 000 э (1T) размеры резонатора оказываются порядка нескольких мм, и, хотя чувствительность, рассчитанная на единицу объёма, велика, малый объём эталона обычно не дозволяет получить общую высшую чувствительность. Применение огромных магнитных полей оправдано только в случае исследования образцов малого размера.
Иным ограничением является необходимость производства уникальных волноводов, аттенюаторов и остальных компонент СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) техники в случае выбора случайного значения величины магнитного поля и, соответственно, частоты. Потому обычным является внедрение только частот 3-сантиметрового (10 ГГц) и 8-миллиметрового диапазонов (36 ГГц), обширно применяемых в радиолокации и отлично обеспеченных микроволновой техникой. Величины магнитных полей для работы в этих спектрах составляют приблизительно 3 400 и 12 000 ое.
1.2 Главные характеристики спектров ЭПР
Главными параметрами диапазона ЭПР являются интенсивность, форма и ширина резонансной полосы, g-фактор, константы узкой и сверхтонкой (СТС) структуры. На практике обычно регится 1-я, пореже 2-я производные кривой поглощения, что дозволяет повысить чувствительность и разрешение получаемой инфы. Интенсивность полосы определяется площадью под кривой поглощения (рис. 2, a), которая пропорциональна числу парамагнитных частиц в образчике. Оценку их абсолютного количества производят сопоставлением интенсивностей спектров исследуемого эталона и образца. При регистрации 1-й производной кривой поглощения (рис. 2,б) употребляют функцию двойного интегрирования. В ряде всевозможных случаев интегральную интенсивность можно приближенно оценить, пользуясь выражением, где Sпл — площадь под кривой поглощения, Iмакс — интенсивность полосы, — ширина полосы. 1-я и в особенности 2-я производные (рис. 2, в) очень чувствительны к форме полосы поглощения. Форма полосы в диапазоне ЭПР сравнивается с лоренцевой и гауссовой формами полосы, которые аналитически выражаются в виде: у= a/(1 + bх2) — лоренцева линия, у = а ехр (-bx2) — гауссова линия. Лоренцевы полосы обычно наблюдаются в диапазонах ЭПР водянистых смесей парамагнитных частиц низкой концентрации. Если линия представляет собой суперпозицию огромного количества линий (неразрешенная СТС), то форме ее близка к гауссовой.
Рис. 2, а — кривая поглощения ЭПР, б — 1-ая производная поглощения, в — 2-ая производная поглощения; — ширина полосы на полувысоте кривой поглощения; и Iмакс — соответственно ширина и интенсивность полосы меж точками наибольшего наклона
Принципиальным параметром является ширина полосы которая связана с шириной линий на полувысоте соотношениями (лоренцева форма) и (гауссова форма). Настоящие полосы ЭПР, как правило, имеют промежную форму (в центре лоренцева, по бокам — гауссова формы). Времена релаксации T1 и Т2 определяют ширину резонансной полосы Величина T1 охарактеризовывает время жизни электрического спина в возбужденном состоянии, в согласовании с принципом неопределенности при малых T1 происходит уширение полосы ЭПР. В парамагнитных ионах T1имеет порядок 10-7 — 10-9 с и описывает главный канал релаксации, обусловливающий возникновение весьма широких линий (прямо до таковых, которые нереально следить в обыденных критериях). Внедрение гелиевых т-р дозволяет следить диапазоны ЭПР за счет роста T1. В вольных органических радикалах T1 добивается порядка секунд, потому основной вклад в ширину полосы заносят релаксационные процессы, связанные со спин-спиновым взаимодействием и определяемые временем Т2, назад пропорциональнымгде- гиромагнитное отношение для электрона,- параметр, зависящий от формы полосы, а именно= 1 для лоренцевой полосы и для гауссовой полосы. Физ. смысл Т2 состоит в том, что любой электрический спин в системе делает локальные поля в местах нахождения остальных электронов, модулируя резонансное
где L, S, J — квантовые числа соответственно орбитального, спинового и полного моментов количества движения. В случае чисто спинового магнетизма L= 0 (ситуация вольного электрона) g = 2,0023. Отклонение от данной нам величины свидетельствует о примеси орбитального магнетизма (спин-орбитальное взаимодействие), приводящего к изменению величины резонансного поля. Ценную информацию величина g-фактора дает при анализе спектров ЭПР парамагнитных ионов с мощным спин-орбитальным взаимодействием, потому что она очень чувствительна к лигандному окружению иона, которое сформировывает кристаллическое поле (теория Кристаллического поля). Для ионов g-фактор определяется в виде где — константа спин-орбитального взаимодействия (либо спин-орбитальной связи),-т. наз. расщепление в поле лигандов. Для органических вольных радикалов величина весьма велика, мала и отрицательна, потому для этих систем g-фактор близок к таковому для вольного электрона и меняется в границах третьего знака опосля запятой. Магнитные взаимодействия в спиновых системах в общем случае анизотропны, что определяется анизотропией волновых функций (орбиталей) неспаренного электрона кроме систем с неспаренным электроном в s-состоянии. Резонансное системы, реализуется цилиндрическая (осевая) либо наиболее низкая симметрия. В случае цилиндрической симметрии различают и при этом — величина при поле Н, параллельном оси симметрии z,- величина при H, перпендикулярном оси z. Узкая структура возникает в диапазонах ЭПР парамагнитных ионов, содержащих наиболее 1-го неспаренного электрона (S> 1/2). А именно денька иона с S= 3/2 при наложении неизменного магнитного поля образуются 2S + 1 = 4 подуровня, расстояния меж которыми для вольного иона схожи, и при поглощении кванта должен наблюдаться один резонансный пик. В ионных кристаллах за счет неоднородности кристаллического поля интервалы меж подуровнями спиновой системы оказываются различными. В итоге этого поглощение электромагнитного излучения происходит при разных значениях поля Я, что приводит к возникновению в диапазоне 3-х резонансных линий. Сверхтонкая структура. Более ценную информацию дает анализ СТС спектров ЭПР, обусловленной взаимодействием магнитного момента неспаренного электрона с магнитными моментами ядер. В простом случае атома водорода неспаренный электрон находится в поле Н и локальном поле, сделанном ядерным спином протона (I=1/2); при всем этом имеются две вероятные ориентации ядерных спинов относительно поля H: в направлении этого поля и в обратном, что приводит к расщеплению всякого зеемановского уровня на два (рис. 3). Таковым образом, заместо одной полосы резонансного поглощения при фиксированной частоте появляются две полосы.
Рис. 3. Энерго уровни атома водорода в неизменном магнитном поле
2. Техно часть
2.1 Описание работы устройства
Чувствительность устройства составляет приблизительно при записи на самописце, разрешающая способность — . Исследуемый эталон помещается в пучность СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) магнитного поля резонатора. СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-колебания создаются клистронным генератором и через ферритовую развязку и регулируемый аттенюатор поступают в большой резонатор, выходят из него и, следуя по волноводу, попадают дальше на СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) кристаллический сенсор. Для согласования волноводного тракта имеются два трансформатора полных сопротивлений. Любой трансформатор представляет собой железный стержень, передвигаемый вдоль волновода. Регулировка трансформаторов осуществляется 2-мя светлыми «колесиками» аттенюаторов, наполовину выступающими из панели устройства. Настройка трансформаторов делается по максимуму сигнала. Используемый способ генерации СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) основан на переходе энергии пучка ускоренных и сгруппированных электронов в энергию элетромагнитного поля резонатора. Клистронный генератор представляет трехэлектродную лампу, на сетку которой подается высочайшее напряжение и с нее же снимается СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) мощность. На анод, именуемый отражателем, подается отрицательное относительно катода напряжение. Электроны, пролетая мимо сетки, имеют скорость, подобающую неизменному потенциалу сетки, также получают доп скорость, величина которой зависит от СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-фазы в этот момент. Долетая до отражателя и ворачиваясь назад, электроны за счет данной нам доборной скорости собираются в сгустки. время просвета до точки поворота, потенциал которой равен нулю, и назад к сетке зависит от напряжения на отражателе. Изменяя это напряжение, можно отыскать момент, когда сформированные сгустки электронов приходят к сетке в противофазе с полем СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) и таковым образом отдают ему энергию. В итоге в лампе поддерживаются незатухающие колебания. Напряжение на отражателе регулируется ручкой. При неспешном вращении ручки можно следить три зоны генерации. На третьей, наибольшей, и следует работать. Незначимые отличия от значения, при котором происходит наибольшая генерация, не меняют уровень СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн), зато частота генерации меняется. На этом базирована узкая подстройка частоты клистрона. Грубая регулировка делается механическим смещением отражателя при помощи винта, находящегося на клистроне. Так как добротность резонатора велика, то уже незначимый уход частоты клистрона приводит к пропаданию детектируемого неизменного напряжения на сенсоре либо к его колебаниям. Потому на приборе имеется блок автоматической опции частоты (АПЧ), который увеличивает напряжение на сенсоре, воздействуя на отражатель. Микроамперметр указывает ток магнита. Величина магнитного поля быть может определена по градуировочному графику, имеющемуся в описании устройства. Развертка магнитного поля делается с частотой 50Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ). С данной нам же частотой разворачивается и луч осциллографа. время развертки обычно указывается на редукторе. Вращаясь, редуктор производит пилообразную развертку поля, которую можно следить на микроамперметре. Минимум поля достигается при показании редуктора +16. При всем этом положении следует подобрать такое поле, чтоб опосля включения редуктора на самописце сходу начала выписываться линия.
Поглощение прототипом СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-энергии вызывает уменьшение СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-мощности, выходящей из резонатора и попадающей на СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-детектор. Сигнал с сенсора опосля усиления употребляется как мера поглощения в образчике. Для регистрации сверхтонкой структуры линий поглощения обычно в спектрометрах ЭПР употребляется автоматическое дифференцирование кривой, описывающей зависимость поглощения от Н. Для этого делается доборная модуляция с малой амплитудой напряженности наружного магнитного поля высочайшей частоте (обычно ) и регистриация сигнала поглощения на частоте . Амплитуда частотной модуляции магнитного поля подбирается таковой, чтоб наибольшее изменение поля на образчике было много меньше ширины резонансной полосы. Сигнал имеет изменяющуюся со скоростью развертки низкочастотную составляющую и высокочастотную составляющую . тут — частота модуляции, — величина, пропорциональная производной полосы поглощения. Не считая полезного сигнала на выходе СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) сенсора находятся шумы и паразитные наводки. С целью роста дела сигнала к шуму усиление сигнала создают при помощи синхронного сенсора, который представляет собой устройство, осуществляющее умножение входного сигнала на сигнал, поступающий от генератора модуляции.
Полный сигнал, поступающий на вход синхронного сенсора, имеет вид
тут под знаком суммы стоят различные паразитные сигналы. Отметим, что и меняются с частотой развертки магнитного поля, которая много меньше частоты . На выходе синхронного сенсора выходит сигнал
Дальше этот сигнал попадает на частотный фильтр, через который отлично проходят лишь частоты, наименьшие некой, определяемой неизменной времени фильтра. Неизменная времени фильтра меньше периода развертки диапазона, но много больше периода модуляции. Потому все составляющие, кроме составляющей и части шумов, имеющих частоты, близкие к , ослаблены на выходе фильтра, это приводит к повышению дела сигнала к шуму на выходе фильтра.
электрический парамагнитный резонанс мед
2.2 Принципы построения спектрометров ЭПР
Предназначением устройства является регистрация конфигурации поглощаемой в образчике мощности микроволнового спектра (СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-диапазона) при изменении напряженности магнитного поля. В серийных устройствах частота электромагнитного излучения задается неизменной, а условие резонанса достигается методом конфигурации напряженности магнитного поля. ЭПР- спектрометры постоянно должны работать при может быть наиболее больших значениях напряженности магнитного поля и микроволновой частоты в связи со последующими обстоятельствами. Интенсивность реально наблюдаемого сигнала ЭПР, определяющая рабочую чувствительность спектрометра, обуславливается различием в заселенности 2-ух энергетических уровней электрона в магнитном поле. Разница меж заселенностями верхнего (N1) и нижнего (N2) уровней будет тем больше (другими словами, величина N2/N1- тем меньше), чем больше будет h, а как следует и напряженность приложенного магнитного поля H. На практике большая часть спектрометров работают или на частоте 9000 МГц, соответственной длине волны 3,2 см (Х-диапазон), или на частоте 36 000 МГц, соответственной длине волны 8 мм (Q-диапазон). Внедрение этих волновых диапазонов имеет то преимущество, что они используются в радиолокации и соответственная микроволновая техника весьма отлично разработана. Напряженность магнитного поля, соответственная значению g-фактора для вольного электрона, на этих 2-ух частотах будет равна соответственно 3300 и 13 000 Э.
ЭПР-спектрометры должны содержать последующие главные узлы:
1. Магнит, создающий неизменное магнитное поле на образчике, нужное для расщепления энергетических уровней содержащихся в нем парамагнитных частиц.
2. генератор электромагнитного излучения СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-диапазона.
3. Волноводный тракт, подводящий это излучение к объемному резонатору, в который помещается исследуемый эталон.
4. Система, позволяющая изменять напряженность неизменного магнитного поля для подбора значения, нужного для выполнения резонансного условия (16), потому что обычно генераторы СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-диапазона источают в узеньком спектре частот.
5. Сенсор.
6. Регистрирующее устройство.
Рис. 4. Блок-схема спектрометра ЭПР. К — источник СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) излучения, В -волноводы, Р — большой резонатор, Д — сенсор СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) излучения, У — усилитель, NS — электромагнит, П — регистрирующее устройство
Электромагнитная система устройства обязана отвечать последующим, вытекающим из ранее произнесенного, требованиям: обеспечивать однородное и размеренное магнитное поле значимой напряженности, до 3 000-4 000 Э при длине волны СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) излучения 3 см, а при 8 мм — до 13 000 Э; позволять проводить линейное и плавное изменение напряженности магнитного поля с данной скоростью и в данном спектре.
Электромагнит делает поляризующее магнитное поле. Поперечник полюсных наконечников 86 мм. Зазор меж полюсными наконечниками 24 мм. Однородность магнитного поля не ужаснее 0,1 Гс в объеме1 см. ЭМ обеспечен устройством опции однородности магнитного поля.
Для передачи СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-излучения к эталону употребляется обычный волноводный тракт. Эталон помещается в большой резонатор, расположенный меж полюсными наконечниками электромагнита. Большие резонаторы, применяемые в ЭПР-спектрометрах, различаются по конструкции. Почаще всего используют цилиндрические либо прямоугольные резонаторы. В цилиндрических резонаторах употребляют тип колебаний у каких напряженность магнитной составляющей СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-волны максимальна в центре резонатора; в прямоугольных — область наибольшей напряженности магнитной составляющей представляет собой плоскость, проходящую через центр резонатора. Исследуемый эталон помещают в резонатор ЭПР-спектрометра таковым образом, чтоб он находился в области наибольшей напряженности магнитной составляющей СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-поля. По данной нам причине в цилиндрические резонаторы эталоны помещают обычно в тонких капиллярах, а в прямоугольные — в плоских кюветах.
Рабочий резонатор представляет собой резонатор с типом колебаний ТЕ 011. На стенах резонатора, параллельных полюсным наконечникам, размещены катушки модуляции (КМ), созданные для сотворения частотной модуляции магнитного поля на частоте 100 КГц. Резонатор обеспечен диэлектрическим винтом регулировки связи резонатора с волноводом. Поперечник отверстия для эталона — 11 мм.
Регистрацию резонансного поглощения СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-излучения в образчике создают при помощи регистрации поглощения в резонаторе либо конфигурации отражения СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-мощности от резонатора, зависимо от определенной схемы спектрометра. Может быть внедрение как гетеродинной схемы СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-приемника, так и схем прямого усиления в простых устройствах.
Микроволновый блок (МБ) делает энергию микроволнового поля, поступающего в резонатор и обеспечивает детектирование сигнала ЭПР. Схема микроволнового блока представлена на рисунке 5.
Рис. 5. Схема микроволнового блока
Микроволновый генератор (МГ) на диодике Ганна генерирует энергию микроволнового поля в спектре частот 9,0 — 9,6 ГГц. Перестройка частоты МГ осуществляется механически при помощи специального устройства. МГ обеспечен также системой электронного управления частотой в спектре 30 МГц. Частота МГ стабилизируется по рабочему резонатору (РР) системой автоматической подстройки частоты (АПЧ). Ферритовый вентиль ФВ служит для стабилизации режима работы МГ.
Направленный ответвитель (НО) отводит часть микроволновой мощности (ММ) из основного канала в волноводный шунт. Аттенюатор (АТТ) служит для регулирования мощности микроволнового поля, поступающей в РР, и обеспечен механизмом регулирования мощности. Y-циркулятор Y обеспечивает подключение РР по отражательной схеме таковым образом, что мощность из плеча 1 поступает лишь в плечо 2, а из плеча 2 в плечо 3 поступает лишь мощность, отраженная от РР. Балансный сенсор (БД) выполнен на щелевом мосте и сенсорах Д1 и Д2. БД имеет два выхода: сигнальный С и опорный О. Волноводный шунт служит для передачи и формирования опорного сигнала, поступающего на БД и содержит в себе фазовращатель (Ф) и волноводный переключатель (ВП). Фазовращатель служит для опции БД на максимум сигнала (минимум шумов на выходе системы регистрации) и обеспечен механизмом регулирования фазы. Волноводный переключатель ВП служит для подачи, отключения опорного сигнала, поступающего на БД. Петля связи (ПС) служит для отвода мощности (1 мВт) на наружный измеритель частоты.
В МБ размещен также подготовительный усилитель, входная цепь которого выполнена в виде трансформатора, согласующего выходное напряжение балансного сенсора с входным сопротивлением усилителя. Вторичная обмотка трансформатора настроена в резонанс на частоту 100 КГц.
Усилитель мощности делает ток частотной модуляции магнитного поля в катушках модуляции. УМ размещен в экранирующем корпусе и укреплен на шасси устройства. На корпусе установлены разъемы питания, входа сигнала частотной модуляции и подключения модуляционных катушек.
Опосля детектирования сигнал усиливается на усилителе и подается на регистрирующее устройство (к примеру, осциллограф). В этих критериях регится и интегральная линия поглощения ЭПР. Для увеличения чувствительности и разрешения спектрометра ЭПР употребляют высокочастотную (ВЧ (Высокие частоты)) модуляцию (обычно 100 кГц — 1 МГц) наружного магнитного поля, осуществляемого при помощи модуляционных катушек. ВЧ (Высокие частоты) модуляция и особое фазочувствительное детектирование конвертируют сигнал ЭПР в первую производную кривой поглощения, в виде которой и происходит регистрация спектров в большинстве серийных спектрометров. В неких вариантах употребляют спектрометры, работающие в спектре длин волн 8 мм и 2 мм, что дозволяет значительно сделать лучше разрешение по g-фактору (вольные радикалы, парамагнитные ионы). чувствительность применяемых ЭПР-спектрометров добивается 109 М (1017 частиц в образчике) при хороших критериях регистрации и ширине полосы 10-4 Тл. Принципиальной чертой является временная шкала способа, определяемая частотой СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) излучения, подающегося на эталон (=10-10 с), что дозволяет изучить динамику в спиновых системах в спектре частот 106-1010 с-1. В качестве эталона при измерениях ЭПР употребляется один из более устойчивых вольных радикалов — б-дифенил-в-пикрилгидразил, у которого g=2,0036.
Выход СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-приемника в старенькых устройствах традиционно подключался к осциллографу и параллельно к самописцу. Современные схемы регистрации ЭПР-сигналов включают аналого-цифровой преобразователь и комп. Таковая схема дозволяет копить информацию в памяти ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) и проводить цифровую обработку по самым различным программкам. Принципным будет то, что при помощи цифровой обработки ЭПР-сигналов можно, применяя режим скопления, повысить чувствительность и временное разрешение пробора.
2.3 Программно-аппаратный комплекс для исследования спектров ЭПР
2.3.1 Состав и предназначение комплекса
Программно-аппаратный комплекс содержит в себе последующие составляющие:
· Спектрометр электрического парамагнитного резонанса РЭ-1306, созданный для получения ЭПР-спектров в магнитных полях до 7000 гаусс.
· Потенциостат ПИ-50-1 с программатором для проведения полярографических исследовательских работ.
· Ячейка для полярографических измерений в резонаторе ЭПР спектрометра для проведения параллельных измерений сигналов ЭПР в полярографических опытах.
· комп типа IBM PC, имеющий интерфейс USB. Ресурсы компа должны быть достаточны для установки ОС Windows XP и пакета Office 2000, оперативная память не наименее 128 Мбайт.
· Модуль АЦП и ЦАП Е14-440 конторы L-Card, имеющий в собственном составе аналого-цифровой преобразователь с наибольшей частотой пуска до 400 кГц с входным коммутатором на 16 дифференциальных либо 32 входа с общей землей, также двухканальный цифро-аналоговый преобразователь с наибольшей частотой до 125 кГц. Не считая того, употребляется 16-разрядный цифровой интерфейс. Модуль подключается к компу средством интерфейса USB.
· Плата сопряжения и управления полем, встраиваемая в ЭПР спектрометр обеспечивает управление током магнита спектрометра от сигналов 2-ух каналов ЦАП модуля. 1-ый сигнал задает центр развертки поля, а 2-ой производит саму развертку по времени. Средством цифрового интерфейса выбираются спектры развертки поля и неизменная времени фильтра сигнала управления током магнита.
· Схемы усиления и согласования сигналов, встраиваемые в спектрометр обеспечивают согласование уровней сигналов спектрометра с аналоговыми входами модуля Е14-440.
· Программное обеспечение:
o Операционная система MS Windows 98/ME/XP.
o Пакет программ MS Office 2000/2003 (употребляется приложение MS Excel).
o Драйвер и штатная библиотека LUSBAPI.DLL, поставляемые в комплекте с модулем Е14-440.
o Динамически загружаемая библиотека функций EPLIB440.DLL делает критические по времени функции управления ЦАП модуля и получения данных от каналов АЦП с данными режимами усреднения и фильтрации.
o Рабочая книжка Excel EPRE440.XLS, включающая макросы и диалоговые формы для обслуживания тестов и получения данных через функции библиотеки.
Комплекс предназначен для проведения тестов по измерению спектров ЭПР и тестов по полярографии с параллельным наблюдением и регистрацией сигналов ЭПР.
Комплекс имеет последующие многофункциональные способности:
· Регистрация в таблице рабочей книжки Excel и отображение на графике ЭПР-спектра эталона с заданием значения поля в центре диапазона, ширины регистрируемого диапазона и скорости развертки поля, количества регистрируемых точек.
· Дозволяет выбирать режим отображения спектральной зависимости ЭПР как от магнитного поля в Гауссах, так и от величины g-фактора, для чего же вводится (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-поля.
· Может быть скопление с данным количеством циклов для увеличения точности и улучшения соотношения сигнал/шум. Скопление быть может прервано в паузе меж циклами.
· Контроль и регистрация сигналов может выполняться по хоть какому количеству каналов от 1 до 16, что дозволяет параллельно со диапазоном следить и остальные сигналы.
· Для увеличения точности скопления в критериях конфигурации наружных критерий вероятна привязка пуска регистрации диапазона к линиям регистрируемого диапазона либо остальным сигналам. Условия пуска регистрации могут содержать до 2 поочередно происходящих событий, что дозволяет запускать регистрацию при прохождении полосы диапазона.
· Условия пуска могут контролироваться по хоть какому из регистрируемых каналов, что дозволяет применять для привязки диапазона доп приборы типа измерителя магнитной индукции.
· Дозволяет задавать части диапазона, так и вне ее, в границах развертки поля.
· конфигурации установок поля производятся плавненько, для исключения повреждения системы управления током магнита спектрометра. Допустимая скорость конфигурации поля задается.
· При проведении замеров с потенциостатом в таблице рабочей книжки и на графике регистрируются зависимости приложенного напряжения и тока через ячейку от времени с заданием времени регистрации и количества точек таблицы, также полного времени развертки.
· Сброс и пуск программатора потенциостата осуществляется дистанционно от цифрового интерфейса модуля по программке.
· В этих опытах также вероятна регистрация нескольких каналов, в том числе сигнала ЭПР, и скопление по нескольким пускам.
· Вероятна привязка пуска регистрации к сигналам синхронизации программатора потенциостата, что дозволяет пропускать ненадобные части полярограммы и регистрировать лишь интересующий шаг. Может быть задание отступа начала регистрации в всякую сторону от сигнала синхронизации.
· Все характеристики опции получения спектров и тестов с потенциостатом сохранены в специальной таблице рабочей книжки. Большая часть характеристик настраивается при помощи диалоговых форм опции.
· Сохраняет все способности обработки, предоставляемые средой Excel 2000, т.е. способности цифровой обработки, редактирования спектров и полярограмм, распечатки результатов.
2.3.2 Аппаратная часть комплекса
Блок-схема аппаратной части комплекса приведена на рисунке. Функции всех частей комплекса были описаны выше, а в качестве источника сигнала привязки может употребляться, к примеру, измеритель магнитной индукции Ш1-1 либо иной.
Рис.6. Блок-схема аппаратного комплекса
2.3.3 Состав программного комплекса
Программное обеспечение, входящее в состав программно-аппаратного комплекса содержит в себе 3 составных части:
1. Динамически подключаемая библиотека LUSBAPI.DLL, входящая в набор поставки модуля Е14-440 обеспечивает взаимодействие основного ПО (то есть программное обеспечение — комплект программ для компьютеров и вычислительных устройств) с аппаратной частью комплекса — АЦП, ЦАП и цифровыми линиями. Просит установки в ОС драйвера поддержки в согласовании с описанием модуля.
2. Динамически подключаемая библиотека EPLIB440.DLL обеспечивает выполнение всех главных функций управления АЦП и ЦАП модуля:
· Подключение программного интерфейса модуля, загрузка в модуль управляющей программки (LBIOS), выполнение внутреннего теста загруженной программки.
· Настройка каналов, обслуживаемых АЦП модуля.
· Настройка характеристик пуска АЦП, выделение памяти под буферы для приема данных от каналов АЦП.
· Настройка характеристик пуска ЦАП с выделением буфера под данные ЦАП.
· Пуск АЦП с заданием характеристик усреднения, фильтрации и привязки. Делает отдельный программный поток получения данных от АЦП.
· Получение данных каналов АЦП из буферов библиотеки.
· Пуск ЦАП с заданием интервала развертки. Делает массив данных для развертки поля с поддержкой интерполяции меж уровнями ЦАП способом широтно-импульсной модуляции, запускает отдельный поток вывода данных на ЦАП.
· Плавное управление сигналами каналов ЦАП. Делает массив данных для подходящего канала ЦАП с интерполяцией от текущего до данного значения ЦАП, запускает поток вывода данных.
· Получение текущего состояния ЦАП и АЦП модуля для синхронизации главный программки с потоками, запущенными функциями библиотеки.
· При работе библиотека употребляет API-функции, предоставляемые библиотекой LUSBAPI.DLL. Разработана в среде Visual C++ v.6, может работать в ОС MS Windows 98, ME, 2000, XP.
3. Основная программка управления представляет собой комплекс макросов в составе рабочей книжки MS Excel. Пуск макросов осуществляется через доп пункты меню рабочих листов книжки, настройка режимов — через элементы управления особых форм, также конкретно через рабочие листы. В книжку включены 3 рабочих листа и 2 листа графиков:
· ListADC — лист, заполняемый при регистрации спектров. 1-ый столбец — величина магнитного поля в гауссах либо величина g-фактора, зависимо от избранного режима отображения — заполняется сходу при запуске регистрации в согласовании с опциями диапазона. Последующие столбцы с заголовками заполняются данными регистрируемых каналов АЦП.
· GraphADC — лист графиков, связанный с ячейками ListADC. В нем показываются зависимости сигналов данных каналов в процессе либо опосля регистрации диапазона. Лист быть может удален выбором соответственного пт меню, при регистрации новейшего диапазона он будет сотворен вновь.
· ListMeas — лист, заполняемый в процессе выполнения замера полярограммы. 1-ый столбец — время от начала регистрации в секундах, заполняется сходу при запуске регистрации в согласовании с опциями замера.
· GraphMeas — лист графиков, связанный с ячейками ListMeas. В нем показываются временные зависимости сигналов данных каналов в процессе либо опосля регистрации. Лист быть может удален выбором соответственного пт меню, при регистрации новейшего замера он будет сотворен вновь.
· ListPar — лист характеристик опций регистрации спектров и замеров. В первом столбце имеется текстовое описание всякого параметра, сами характеристики размещаются начиная со второго столбца.
Заключение
В данной курсовой работе был рассмотрен один из способов спектроскопии — электрический парамагнитный резонанс. Были рассмотрены принцип работы ЭПР спектрометра, его устройство — многофункциональная блок-схема, аппаратная и программная части комплекса.
Перечень литературы
1. Блюменфельд Л.А., Воеводский В. В., Семенов А. Г. Применение электрического парамагнитного резонанса в химии. -Новосибирск, 1962.
2. Вертц Дж., Болтон Дж. Теория и практические приложения способа ЭПР.- М.: мир, 1975.
3. Ингрем Д. Электрический парамагнитный резонанс в биологии. -М: мир, 1972.
4. Mетодическое пособие к работе “Электрический парамагнитный резонанс” под ред. Караченцева Г.В., Танцырева Г.Д.,Маруткина А.З-М.: МФТИ, 1995.
5. Методические указания к лабораторным работам по курсу: Физические способы исследования в физико-химической биологии. «Элементы СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн)-техники». — М.: МФТИ, 1989.
]]>