一种电子自旋共振谱仪及其探测方法

技术领域

本发明涉及微波技术领域，更具体涉及一种电子自旋共振谱仪及其探测方法。

背景技术

ESR(electron spin-resonance，电子自旋共振)是唯一能直接跟踪未配对电子的研究方法，它提供着原位和无损的电子、轨道和原子核等微观尺度的信息。在目前的市场技术上，能达到高磁场的磁体很少，ESR谱仪中关键的微波技术大部分适用于低频率低磁场下，通过检测一些材料所得到的ESR谱图所展示出的微观信息可能比较有限，灵敏度和分辨率也不高，无法清晰地显示出想要测量的微观现象，甚至某些材料在低磁场下看不见吸收峰。因此需要提供一种高频固态源使得ESR谱仪在高磁场下测量相关材料，从而更加清晰的显示微观现象以及吸收峰。

中国专利授权公告号CN208422213U，公开了一种微波电子自旋共振实验装置。包括磁铁、高斯计、线圈、交流电源、微波信号源、隔离器、环形器、晶体检波器、示波器、微波频率计、矩形谐振腔和可变短路器；微波信号源、隔离器、环形器、微波频率计、矩形谐振腔和可变短路器依次连接；晶体检波器设置于环形器的侧面端口，且同示波器连接；所述磁铁两磁极间隙的中央与矩形谐振腔内的中心重合，高斯计的探头设置于矩形谐振腔内的中心位置；线圈缠绕于磁铁上，并同交流电源连接供电，且设置线圈产生的磁场的方向与磁铁两磁极间的磁场一致。该专利申请结构简单，易于操作，实现效率高。其说明书记载了根据电子自旋共振的发生条件，实验样品处磁感应强度的大小应与微波信号源产生微波的频率有关，但是其并没有记载如何提供高频微波源，从而无法实现ESR谱仪在高磁场下测量相关材料，无法更加清晰的显示微观现象以及吸收峰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种电子自旋共振谱仪，能够在高磁场下测量相关材料，从而更加清晰的显示微观现象以及吸收峰。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种电子自旋共振谱仪，包括发射高频信号的高频微波固态源、第一平面镜、样品管、第二平面镜以及探测器，所述样品管放置于15T超导磁体中，所述高频微波固态源的一个输出端正对着第一平面镜的入射面，所述第一平面镜的发射面正对着样品管，所述样品管还正对着所述第二平面镜的入射面，第二平面镜的反射面正对着所述探测器。

本发明高频固态源发射高频的微波信号入射到第一平面镜，经第一平面镜反射传输至样品管中，样品管放置于15T超导磁体中，然后样品的回波信号入射到第二平面镜，经第二平面镜反射传送至探测器，探测器探测得到在高频高磁场下的ESR谱图，实现高频高磁场下测量相关材料，更加清晰的显示微观现象以及吸收峰。

进一步地，所述第一平面镜和第二平面镜均为45度的平面镜。

进一步地，所述探测器为QMC微波探测系统，QMC微波探测系统包括前置放大器和热电子探测器，所述前置放大器接收高频微波固态源输出的信号，对该信号放大以后输入给热电子探测器。

进一步地，所述高频微波固态源包括微波源、第一倍频器、可调衰减器、功放、第二倍频器、定向耦合器以及第三倍频器，所述微波源、第一倍频器、可调衰减器、功放、第二倍频器、定向耦合器以及第三倍频器顺次连接，第三倍频器的输出端作为高频微波固态源的输出端。

更进一步地，所述高频微波固态源还包括检波器以及AD芯片，所述检波器的输入端与定向耦合器的耦合端口连接，所述检波器的输出端与AD芯片的采样端口连接，所述AD芯片的IO控制端口与可调衰减器的控制端连接。

更进一步地，所述高频微波固态源的主信道输出功率通过定向耦合器的耦合端口耦合一部分功率到检波器，通过检波器后从检波器输出一个电平，该电平输入到AD芯片，在允许的波动范围内，AD芯片无反馈电压；当检波器检测功率变化大于允许的波动范围，输出电平电压变化幅度相应变化，AD芯片发出低电平给可调衰减器，使可调衰减器减小预设幅度的衰减值，当检波器检测功率变化小于允许的波动范围，输出电平电压变化幅度相应变化，AD芯片发出高电平给可调衰减器，使可调衰减器增大预设幅度的衰减值。

更进一步地，所述微波源的信号输出端口与第一倍频器的信号输入端口连接，所述第一倍频器的信号输出端口与可调衰减器的信号输入端口连接，所述可调衰减器的信号输出端口与功放的信号输入端口连接，所述功放的信号输出端口与第二倍频器的信号输入端口连接，所述第二倍频器的信号输出端口与定向耦合器的信号输入端口连接，所述定向耦合器的信号输出端口与第三倍频器的信号输入端口连接，所述第三倍频器的信号输出端口输出高频信号。

更进一步地，所述第一倍频器是频率范围100-113GHz的有源六倍频器，所述第二倍频器是频率范围180-228GHz的无源二倍频器，所述第三倍频器是频率范围380-480GHz的无源二倍频器。

更进一步地，所述微波源的发射频率范围为250KHz-20GHz，所述可调衰减器的电压驻波比1.2:1，所述功放的频率范围为75-110GHz，所述定向耦合器的频率范围为172-261GHz。

本发明还提供一种电子自旋共振谱仪的探测方法，所述高频微波固态源得到的微波信号入射到第一平面镜，经第一平面镜反射传输至样品管中，样品管放置于15T超导磁体中，然后样品的回波信号入射到第二平面镜，经第二平面镜反射传送至探测器，探测器探测得到在高频高磁场下的ESR谱图。

本发明的优点在于：

(1)本发明高频固态源发射高频的微波信号入射到第一平面镜，经第一平面镜反射传输至样品管中，样品管放置于15T超导磁体中，然后样品的回波信号入射到第二平面镜，经第二平面镜反射传送至探测器，探测器探测得到在高频高磁场下的ESR谱图，实现高频高磁场下测量相关材料，更加清晰的显示微观现象以及吸收峰。

(2)本发明微波源发射信号，经过第一倍频器后，频率扩大，输出功率也获得了增益，从而产生了第一次放大的微波信号传输至可调衰减器，适当调整微波信号大小，接着，微波信号传送到功放，输出功率放大，然后此信号通过第二倍频器，频率再一次扩大，然后微波信号传输至定向耦合器，进行功率分配，最后信号传送至第三倍频器，频率又一次扩大，最终输出满足要求的高频信号，使得ESR谱仪能够在高磁场下测量相关材料，从而更加清晰的显示微观现象以及吸收峰。

(3)本发明定向耦合器的耦合端口将一部分信号耦合到检波器，从检波器输出一个电平，该电平输入到AD芯片；在允许的波动范围内，AD芯片无反馈电压，当检波器检测功率变化较大，输出电平电压变化幅度相应变大，AD芯片会发出一个电平，可调衰减器接收该电平，使得衰减器增大或者减小衰减值，保证最终输出功率的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例所公开的一种电子自旋共振谱仪的原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种电子自旋共振谱仪，包括高频微波固态源，所述高频微波固态源包括微波源1、第一倍频器2、可调衰减器3、功放4、第二倍频器5、定向耦合器6以及第三倍频器7，所述微波源1、第一倍频器2、可调衰减器3、功放4、第二倍频器5、定向耦合器6以及第三倍频器7顺次连接。所述微波源1的型号为E8257D-520，发射频率范围为250KHz-20GHz。所述第一倍频器2是频率范围100-113GHz的有源六倍频器，型号为SFA-104114615-10SF-E1。所述可调衰减器3的型号为VA10R，电压驻波比1.2:1。所述功放4的型号为WR10AMP，频率范围为75-110GHz。所述第二倍频器5是频率范围180-228GHz的无源二倍频器，型号为D210。所述定向耦合器6的型号为31136，频率范围为172-261GHz。所述第三倍频器7是频率范围380-480GHz的无源二倍频器，型号为D450。

继续参阅图1，所述高频微波固态源还包括检波器8以及AD芯片9，所述检波器8的输入端与定向耦合器6的耦合端口连接，所述检波器8的输出端与AD芯片9的采样端口连接，所述AD芯片9的IO控制端口与可调衰减器3的控制端连接。所述AD芯片9采用AD8367集成芯片，其性能参数：由45dB的可变衰减、固定增益放大器和平方律检波器组成，3dB带宽为500MHz，增益控制范围为-2.5dB～+42.5dB。AD芯片9所在回路的增益控制过程：当输入信号电压变化很大时，保持输出电压恒定或基本不变。其常用来稳定输出功率幅度，对抗增益波动或温度波动，保证射频系统发射功率的稳定性。主信道输出功率通过耦合器的耦合端口耦合一部分功率，通过检波器8后会从检波器8输出一个电平，该电平输入到AD8367芯片；在允许的波动范围内，AD8367芯片无反馈电压，当检波器8检测功率变化大于允许的波动范围，输出电平电压变化幅度相应变化，AD8367芯片发出低电平给可调衰减器3，使可调衰减器3减小预设幅度的衰减值，当检波器8检测功率变化小于允许的波动范围，输出电平电压变化幅度相应变化，AD8367芯片发出高电平给可调衰减器3，使可调衰减器3增大预设幅度的衰减值，保证最终输出功率的稳定性。以上各器件型号详见表1。

表1各器件型号

根据电子的旋磁比，可得出磁场强度与频率的换算关系：1T＝28.0249514242GHz，由于ESR装置是基于15T超导磁体平台，故固态源所需频率在400-420GHz。超导磁体具有更好的稳定性和均匀度，同时在高磁场高频率下，一些需要探索的材料通过ESR装置能够观察到更清晰的微观现象。

如图1所示，以固态源所需频率为400-420GHz为例，本发明的技术原理为：微波源1的发射频率范围设置在16.67-17.5GHz，经过100-113GHz有源六倍频器也即第一倍频器2后，频率扩大六倍，输出功率也获得了增益，从而产生了100-105GHz、15dBm的微波信号传输至可调衰减器3，适当调整微波信号大小，降低输出功率至13dBm，信号频率也会微微下降，以此来保护电路。接着，微波信号传送到75-110GHz功放4，由于其饱和输出功率为27dBm，因此输出功率最高放大到26dBm，然后此信号通过无源二倍频器也即第二倍频器5，频率扩大两倍为200-210GHz，输出功率为20dBm。从二倍频得到的微波信号传输至172-261GHz的定向耦合器6，进行功率分配，小部分功率用于检波器8以及AD芯片9的反馈回路，这个反馈回路主要是用来解调制、调整发射信号的稳定性。由于插损为2dB，分配给反馈回路的功率很小(可以忽略不计)，因此得到的输出功率为18dBm，频率不变。然后，此信号传送至380-480GHz的无源二倍频器也即第三倍频器7，频率扩大两倍为400-420GHz，输出功率为9dBm，经换算可得输出功率为8mW。至此，400-420GHz的固态源装置已达到目的，输出信号的频率为400-420GHz，输出功率为8mW。

继续参阅图1，本发明的电子自旋共振谱仪还包括第一平面镜10、样品管11、第二平面镜12以及探测器13，所述样品管11放置于15T超导磁体中，所述高频微波固态源的一个输出端正对着第一平面镜10的入射面，所述第一平面镜10的发射面正对着样品管11，所述样品管11还正对着所述第二平面镜12的入射面，第二平面镜12的反射面正对着所述探测器13。所述高频微波固态源得到的微波信号入射到第一平面镜10，经第一平面镜10反射传输至样品管11中，样品管11放置于15T超导磁体中，然后样品11的回波信号入射到第二平面镜12，经第二平面镜12反射传送至探测器13，探测器13探测得到在高频高磁场下的ESR谱图。本实施例中，所述第一平面镜10和第二平面镜12均为45度的平面镜，所述探测器13为QMC微波探测系统，其包括前置放大器和热电子探测器，所述前置放大器接收高频固态源输出的信号，对该信号放大以后输入给热电子探测器。热电子探测器采用InSb热电子探测器TypeQFI/X，性能参数：带宽(-3dB)：>750kHz。工作阻抗：<15kΩ频率范围：60-500GHz(最大-3dB)。前置放大器采用ULN95，用于给InSb热电子探测器提供偏置电流，使其获取电压信号，并且放大该微波信号100倍或1000倍，性能参数：电压增益(可切换):40dB/60dB，带宽:～1MHz(40dB增益)，偏置:0-10v(多匝电位器)，电源要求:+/-15V dc。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。