新型小调场式微波频率EPR谱仪

　　电子顺磁共振(EPR)是探测未偶电子,如自由基、内电子壳层未被填满的离子及固体缺陷中的色心等物质微观结构的先进技术,现已广泛应用于物理、化学、生物医学、考古、石油、地质及煤炭等领域.

　　EPR谱仪通常工作在微波频段,传统的EPR谱仪,设备复杂,价格昂贵,不易应用.我们采用微波边振自检(微波边限振荡且自检波)的工作机制[1],即采用边限振荡状态的固体微波源,兼作检波器(自检),将源、样品、检波置于同一腔中,构成“三位一体”的独特结构腔,改变了通常EPR谱仪中源、样品、检波三者分离的传统工作机制,省去频率自动控制(AFC)电路及多种波导器件;并采用小调场调制、慢扫描磁场、锁相放大、计算机自动控制、数据采集累加和实时显示等技术,研制出一种新型小调场式微波频率EPR谱仪.该谱仪能自动锁频,保证EPR谱线为纯吸收谱线.不需要高Q腔,调试方便,性能稳定,避免了匹配耦合的困难,且具有结构紧凑、小型轻便、价格低廉、能便携、便于实施温度控制和光幅照激发等特点.可应用于EPR成像[2]、光诱导电荷转移[3]及电化学等方面的研究.

　　1　硬件系统及原理

　　谱仪由主机、电磁铁和计算机组成,其结构框图(见图1)共分为5个部分.“三位一体”微波腔与磁铁作为一个整体,即(1)微波部分; (2)调制部分; (3)扫描部分; (4)放大部分; (5)测控及接口部分.五块电路板(电源板、调制板、扫描板、放大板、测控接口板)全部装在一个机箱内.

　　微波部分的核心是微波边限振荡自检系统.它是由一端为可调短路活塞、另一端为短路块的3 cm矩形标准波导构成的变频谐振腔及安放在其中的Gunn二极管组成.直流稳压源提供+24 V的电压,通过电位器的分压后,给耿管(Gunn)提供适当的偏压,使耿管工作在负阻区产生微波振荡(如图2所示),并适当调节耿管偏压使其工作在边限振荡状态(类似NMR的边限振荡),即工作在门限Vth附近(略高于Vth).调节短路活塞,改变腔长以改变微波振荡频率,其频率由安装在腔体上的波长表测量.待测样品粘贴在短路块中心的黄铜圆柱样品杆上,它可以做0~360°的旋转,并附有刻度盘,使待测样品晶轴对磁场有不同取向,可供研究晶体的各向异性. Gunn管除作微波源外,还兼作检波器(即当EPR发生时,腔的Q值下降,微波振荡电压下降),称之自检,把检出的EPR信号送往放大部分进行处理.为了提高信噪比和稳定性, Gunn管装有良好的散热装置.

　　为了提高分辨率和灵敏度,通常采用小调场调制,相敏检波的工作方式[4].本仪器采用160 Hz小调制场采用文氏桥振荡电路,产生160 Hz正弦波,分两路送出,一路送往功率放大电路,另一路送往移相器.正弦波作为低频小调场调制信号被送往电磁铁的小调场的调制线圈.