Электронный Парамагнитный резонанс в биологии

Спектрометры с высокочастотной модуляцией поля

Блок-схема типичного спектрометра с высокочастотной моду­ляцией поля приведена на фиг. 21. В этом спектрометре исполь­зуется двойной Т-мост, описанный в разд. 2.3.2. Настройка согла­сующих элементов во втором плече моста дает возможность изме­нять мощность, падающую на детектор в плече 4, независимо от уровня мощности в резонаторе. Высокочастотная модуляция магнитного поля обеспечивается отдельным ВЧ-генератором, питающим усилитель мощности, выход которого соединен с моду­ляционными катушками. Так как толщина скин-слоя меди или латуни, из которых делаются резонаторы, при 100 кГц очень мала, приходится либо помещать модуляционные катушки внутрь резонатора, так, чтобы они непосредственно окружали образец, либо какой-то участок стенок резонатора делать очень тонким
И располагать прямо за ним модуляционные катушки, чтобы моду­лирующее поле, проходя через тонкую стенку, имело достаточную напряженность в месте расположения образца. В случае простого прямоугольного резонатора, работающего на моде Н102, часто применяется внутренняя катушка, представляющая собой один или несколько витков проволоки, идущих через резонатор

В направлении, параллельном силовым линиям микроволнового магнитного поля и перпендикулярном силовым линиям электри­ческого поля (фиг. 22, А). Эти витки можно намотать прямо на пробирку с образцом, и если они будут правильно расположены относительно силовых линий электрического поля, то значитель­ного уменьшения добротности резонатора не произойдет. Импе­данс такого единичного витка проволоки невелик, и поэтому усили­тель на 100 кГц должен иметь малое выходное сопротивление, чтобы подавать большой ток в модуляционную катушку при низ­ком напряжении.

Для цилиндрического резонатора применяется другой способ модуляции (фиг. 22, Б). Центральную часть стенки резонатора делают достаточно тонкой, чтобы через нее могло проходить ВЧ-поле, но вместе с тем достаточно толстой, чтобы она сохраняла механическую прочность и могла служить короткозамкнутой цепью для микроволновых частот. Практически толщина скин - слоя для меди составляет 0,2 мм при 100 кГц и 7-10 4 мм при 9000 МГц; таким образом, толщина стенки в 0,02 мм удовлетворит

Обоим этим требованиям. Сами модуляционные катушки можно выполнить в форме изогнутой гельмгольцевой пары и также подать на них мощность с усилителя с низкоомным выходом. Поместив катушку в нужное положение, резонатор можно снова укрепить, залив его аральдитом или какой-либо другой смолой того же типа; это придаст всей системе достаточную механическую прочность.

Можно также изготовить резонатор из керамики или какого-либо щ>угого непроводящего материала, намотать на него с наружной м'ороны катуыку, а внутреннюю сторону покрыть тонким слоем <'| [>ебра. Практика показала, однако, что очень трудно сделать поверхность серебра достаточно гладкой, а любые неровности приведут, естественно, к уменьшению добротности резонатора.

Каким бы методом ни осуществлялась В Ч - модуляция, ампли­туда магнитного ВЧ-поля на образце оказывается довольно малой, как правило, не более 20 Э. По этой причине, а также из-за боль­ших постоянных времени системы детектирования обычно исполь­зуются относительно небольшие амплитуды ВЧ-модуляции поля, и чаще детектируется и воспроизводится не само поглощение, а его первая производная. Как это делается, показано на фиг. 23. Величину основного магнитного поля, на которое наложено ВЧ-поле модуляции, медленно изменяют во времени. Диапазон модуляции для некоторого значения основного поля показан на фиг. 23 вертикальными линиями. Можно видеть, что в резуль­тате модуляции поля выходной микроволновый сигнал также модулируется, причем амплитуда его модуляции пропорцио­нальна производной кривой поглощения. Регистрируя амплитуду модуляции выходного микроволнового сигнала при прохождении основного поля через пик поглощения, можно получить кривую производной, показанную на фиг. 23, Б. Изменение знака детек­тируемого сигнала отражает изменение фазы, которое возникает при изменении знака наклона самой линии поглощения, и с помощью фазочувствитёльных детекторных схем переводится в изменение знака выходного сигнала (см. фиг. 21).

Сигнал первой производной, приведенный на фиг. 23, Б, Представляет собой обычную форму записи сигналов ЭПР. Сигна­лы эти автоматически записываются самописцем на выходе спек­трометра; на вход самописца через усилитель подается напряже­ние с выхода фазочувствительного детектора. Как видно из урав­нения (2.31), именно ширина полосы пропускания этого конечного участка усиления и записи является основным фактором, лимити­рующим чувствительность спектрометра. Высокой чувствитель­ности можно достичь только путем возможно большего сужения ширины полосы пропускания. Для этого система должна харак­теризоваться большой постоянной времени, и, следовательно, время прохождения магнитного поля через точку резонанса должно быть достаточно большим. Понятно, что это требует высокой стабильности как микроволновой частоты, так и магнит­ного поля в течение всего времени записи. Способы эффективного увеличения постоянной времени, а следовательно, и повышения чувствительности обсуждаются далее в разд. 3.2.