Аппараты электронного парамагнитного резонанса

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт нефти и Газа

Кафедра «Биомедицинской Электронной Техники»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Медицинские приборы, аппараты и комплексы»

На тему: «Аппараты электронного парамагнитного резонанса»

Выполнил: студент группы БМС-05-1

Бухардинова Л.М.

Проверил: преподаватель каф. БЭТ

Глушков В.С.

Тюмень 2009

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Физика явления

1.2 Основные параметры спектров ЭПР

2. Техническая часть

2.1 Описание работы прибора

2.2 Принципы построения спектромеров ЭПР

2.3 Программно-аппаратный комплекс для исследования спектров ЭПР

2.3.1 Состав и назначение комплекса

2.3.2 Аппаратная часть комплекса

2.3.3 Состав программного комплекса

Заключение

Список литературы

Введение

Явление электронного парамагнитного резонанса было открыто в 1944 г. Евгением Константиновичем Завойским, который обнаружил, что монокристалл CuCl2, помещенный в постоянное магнитное поле 4 мТл, поглощает микроволновое излучение с частотой около 133 МГц.

Поглощение электромагнитного излучения имело избирательный (резонансный) характер, т. е. наблюдалось лишь при определенном соотношении между напряженностью постоянного магнитного поля и частотой переменного электромагнитного поля. Поэтому открытое явление получило название электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Метод ЭПР даёт уникальную информацию о парамагнитных центрах. Он однозначно различает примесные ионы, изоморфно входящие в решётку от микровключений. При этом получается полная информация о данном ионе в кристалле: валентность, координация, локальная симметрия, гибридизация электронов, в сколько и какие структурные положения он входит, ориентирование осей кристаллического поля в месте расположения этого иона, полная характеристика кристаллического поля и детальные сведения о химической связи. И, что очень важно, метод позволяет определить концентрацию парамагнитных центров в областях кристалла с разной структурой.

Но спектр ЭПР это не только характеристика иона в кристалле, но и самого кристалла, особенностей распределения электронной плотности, кристаллического поля, ионности-ковалентности в кристалле и наконец просто диагностическая характеристика минерала, так как каждый ион в каждом минерале имеет свои уникальные параметры. В этом случае парамагнитный центр является своеобразным зондом, дающий спектроскопические и структурные характеристики своего микроокружения.

Примерами парамагнитных частиц в биологических системах служат свободные радикалы, возникающие как в результате повреждающего действия радиации на биологические структуры, так и при фотохимическом окислении хлорофилла.

Ионы парамагнитных металлов Fe, Co, Ni, Сu, Мn являются распространенными в биологических системах парамагнитными частицами, входящими в состав энзимов. Парамагнетизм этих ионов обусловлен особенностями заполнения электронных оболочек, в результате чего энергетически выгодным оказывается наличие неспаренных электронов на некоторых внутренних орбиталях. Метод ЭПР позволяет наблюдать окислительно-восстановительные превращения этих металлов и судить, таким образом, об их функционировании.

Прибором, с помощью которого можно выявить парамагнетизм частиц, является спектрометр ЭПР. Целью данной работы является изучить устройство и принцип работы аппарата.

1. Теоретическая часть

1.1 Физика явления

В отсутствие постоянного магнитного поля Н магнитные моменты неспаренных электронов направлены произвольно, состояние системы таких 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 между возникшими 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 вместо Н следует использовать магнитную индукцию где - магнитная проницаемость свободного пространства, равная 1,257 x 10^-6 Гн/м. Распределение электронов по подуровням подчиняется закону Больцмана, согласно которому отношение заселенностей подуровней определяется выражением где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Если на образец подействовать переменным магнитным полем с частотой v, такой, что (h - постоянная Планка), и направленным перпендикулярно H, то индуцируются переходы между соседними подуровнями, причем переходы с поглощением и испусканием кванта hv равновероятны. Так как на нижнем уровне число электронов больше в соответствии с распределением Больцмана, то преимущественно будет происходить резонансное поглощение энергии переменного магнитного поля (его магнитной составляющей).



Рис. 1. Расщепление энергетического уровня электрона в постоянном 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 воздействии электромагнитного излучения произойдет выравнивание заселенностей подуровней (эффект насыщения). Для поддержания больцмановского распределения заселенностей подуровней необходимы релаксационные процессы. Релаксационные переходы электронов из возбужденного состояния в основное реализуются при обмене энергией с окружающей средой (решеткой), который осуществляется при индуцированных решеткой переходах между электронными подуровнями и определяется как спин-решеточная релаксация. Избыток энергии перераспределяется и между самими электронами - происходит спин-спиновая релаксация. Времена спин-решеточной релаксации T₁ и спин-спиновой релаксации Т₂ являются количественной мерой скорости возврата спиновой системы в исходное состояние после воздействия электромагнитного излучения. Зафиксированное регистрирующим устройством поглощение электромагнитной энергии спиновой системой и представляет собой спектр ЭПР.

Для наблюдения этого явления требуется регистрация поглощаемой в образце высокочастотной мощности на частоте, удовлетворяющей соотношению (1).

В принципе возможны два способа 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 выполняться соотношение (1), возникнет резонансное поглощение. Поскольку второй метод реализовать можно с большей точностью и относительно просто технически реализовать, во всех спектрометрах ЭПР запись спектра осуществляется в координатах , где - интенсивность поглощения высокочастотной энергии. Если в уравнение (1) подставить численные значения констант, то резонансная частота высокочастотного поля будет равна , где H выражается в эрстедах.

В принципе условия резонанса справедливы для любых частот. В частности, известны магнетометры для измерения магнитного поля земли, равного примерно 0,5 Гс. Однако выбор практически используемых частот ограничен в первую очередь требованием высокой чувствительности приборов. 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 обычных условиях наблюдения ЭПР разность заселенностей уровней примерно пропорциональна H. Отсюда следует, что с увеличением магнитного поля чувствительность прибора ЭПР должна возрастать приблизительно пропорционально 2H.

Ряд чисто экспериментальных факторов ставят верхний предел применяемых магнитных полей. Один из них -это размер образцов. Обычно спектрометры ЭПР работают в СВЧ диапазоне. Образцы помещают в резонаторы - аналоги катушек, используемых в более длинноволновых диапазонах. При магнитных полях около 10 000 э (1T) размеры резонатора оказываются порядка нескольких миллиметров, и, хотя чувствительность, рассчитанная на единицу объёма, велика, малый объём образца обычно не позволяет получить общую высокую чувствительность. Применение больших магнитных полей оправдано лишь в случае исследования образцов малого размера.

Другим ограничением является необходимость изготовления оригинальных волноводов, аттенюаторов и других компонент СВЧ техники в случае выбора произвольного значения величины магнитного поля и, соответственно, частоты. Поэтому стандартным является использование лишь частот 3-сантиметрового (10 ГГц) и 8-миллиметрового диапазонов (36 ГГц), широко используемых в радиолокации и прекрасно обеспеченных микроволновой техникой. Величины магнитных полей для работы в этих диапазонах составляют примерно 3 400 и 12 000 ое.

1.2 Основные параметры спектров ЭПР

Основными параметрами спектра ЭПР являются интенсивность, форма и ширина резонансной линии, g-фактор, константы тонкой и сверхтонкой (СТС) структуры. На практике обычно регистрируется 1-я, реже 2-я производные кривой поглощения, что позволяет повысить чувствительность и разрешение получаемой информации. Интенсивность линии определяется площадью под кривой поглощения (рис. 2, a), которая пропорциональна числу парамагнитных частиц в образце. Оценку их абсолютного количества осуществляют сравнением интенсивностей спектров исследуемого образца и эталона. При регистрации 1-й производной кривой поглощения (рис. 2,б) используют процедуру двойного интегрирования. В ряде случаев интегральную интенсивность можно приближенно оценить, пользуясь выражением, где S_пл - площадь под кривой поглощения, I_макс - интенсивность линии, - ширина линии. 1-я и особенно 2-я производные (рис. 2, в) весьма чувствительны к форме линии поглощения. Форма линии в спектре ЭПР сравнивается с лоренцевой и гауссовой формами линии, которые аналитически выражаются в виде: у= a/(1 + bх²) - лоренцева линия, у = а ехр (-bx²) - гауссова линия. Лоренцевы линии обычно наблюдаются в спектрах ЭПР жидких растворов парамагнитных частиц низкой концентрации. Если линия представляет собой суперпозицию множества линий (неразрешенная СТС), то форме ее близка к гауссовой.

Рис. 2, а - кривая поглощения ЭПР, б - первая производная поглощения, в - вторая производная поглощения; - ширина линии на полувысоте кривой поглощения; и I_макс - соответственно ширина и интенсивность линии между точками максимального наклона

Важным параметром является ширина линии которая связана с шириной линий на полувысоте соотношениями (лоренцева форма) и (гауссова форма). Реальные линии ЭПР, как правило, имеют промежуточную форму (в центре лоренцева, по краям - гауссова формы). Времена релаксации T₁ и Т₂ определяют ширину резонансной линии Величина T₁ характеризует время жизни электронного спина в возбужденном состоянии, в соответствии с принципом неопределенности при малых T₁ происходит уширение линии ЭПР. В парамагнитных ионах T₁имеет порядок 10^-7 - 10^-9 с и определяет основной канал релаксации, обусловливающий появление очень широких линий (вплоть до таких, которые невозможно наблюдать в обычных условиях). Использование гелиевых т-р позволяет наблюдать спектры ЭПР за счет увеличения T₁. В свободных органических радикалах T₁ достигает порядка секунд, поэтому главный вклад в ширину линии вносят релаксационные процессы, связанные со спин-спиновым взаимодействием и определяемые временем Т₂, обратно пропорциональнымгде- гиромагнитное отношение для электрона,- параметр, зависящий от формы линии, в частности= 1 для лоренцевой линии и для гауссовой линии. Физ. смысл Т₂ заключается в том, что каждый электронный спин в системе создает локальные поля в местах нахождения других электронов, модулируя резонансное значение поля H и приводя к уширению линии. g-Фактор формально определяется как фактор спектроскопического расщепления Ланде, равный

где L, S, J - квантовые числа соответственно орбитального, спинового и полного моментов количества движения. В случае чисто спинового магнетизма L= 0 (ситуация свободного электрона) g = 2,0023. Отклонение от этой 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 сильным спин-орбитальным взаимодействием, так как она весьма чувствительна к лигандному окружению иона, которое формирует кристаллическое поле (теория Кристаллического поля). Для ионов g-фактор определяется в виде где - константа спин-орбитального взаимодействия (или спин-орбитальной связи),-т. наз. расщепление в поле лигандов. Для органических свободных радикалов величина очень велика, мала и отрицательна, поэтому для этих систем g-фактор близок к таковому для свободного электрона и изменяется в пределах третьего знака после запятой. Магнитные взаимодействия в спиновых системах в общем случае анизотропны, что определяется анизотропией волновых функций (орбиталей) неспаренного электрона за исключением систем с неспаренным электроном в s-состоянии. Резонансное значение магнитного поля и величина g-фактора зависят от относительной ориентации магнитного поля и кристаллографических (или молекулярных) осей. В жидкой фазе анизотропные взаимодействия усредняются, приводя к изотропному (усредненному) значению g-фактора. В отсутствие усреднения (твердая фаза) в зависимости от структуры и химического окружения спиновой системы, реализуется цилиндрическая (осевая) или более низкая симметрия. В случае цилиндрической симметрии различают и причем - величина при поле Н, параллельном оси симметрии z,- величина при H, перпендикулярном оси z. Тонкая структура возникает в спектрах ЭПР парамагнитных ионов, содержащих более одного неспаренного электрона (S> 1/2). В частности дня иона с S= ³/₂ при наложении постоянного магнитного поля образуются 2S + 1 = 4 подуровня, расстояния между которыми для свободного иона одинаковы, и при поглощении кванта должен наблюдаться один резонансный пик. В ионных кристаллах за счет неоднородности кристаллического поля интервалы между подуровнями спиновой системы оказываются разными. В результате этого поглощение электромагнитного излучения происходит при различных значениях поля Я, что приводит к появлению в спектре трех резонансных линий. Сверхтонкая структура. Наиболее ценную информацию дает анализ СТС спектров ЭПР, обусловленной взаимодействием магнитного момента неспаренного электрона с магнитными моментами ядер. В простейшем случае атома водорода неспаренный электрон находится в поле Н и локальном поле, созданном ядерным спином протона (I=1/2); при этом имеются две возможные ориентации ядерных спинов относительно поля H: в направлении этого поля и в противоположном, что приводит к расщеплению каждого зеемановского уровня на два (рис. 3). Таким образом, вместо одной линии резонансного поглощения при фиксированной частоте возникают две линии.

Рис. 3. Энергетические уровни атома водорода в постоянном магнитном поле

2. Техническая часть

2.1 Описание работы прибора

Чувствительность прибора составляет примерно при записи на самописце, разрешающая способность - . Исследуемый образец помещается в пучность СВЧ магнитного поля резонатора. СВЧ-колебания создаются клистронным генератором и через ферритовую развязку и регулируемый аттенюатор поступают в объемный резонатор, выходят из него и, следуя по волноводу, попадают далее на СВЧ кристаллический детектор. Для согласования волноводного тракта имеются два трансформатора полных сопротивлений. Каждый трансформатор представляет собой металлический стержень, передвигаемый вдоль волновода. Регулировка трансформаторов осуществляется двумя светлыми «колесиками» аттенюаторов, наполовину выступающими из панели прибора. Настройка трансформаторов производится по максимуму сигнала. Применяемый метод генерации СВЧ основан на переходе энергии пучка ускоренных и сгруппированных электронов в энергию элетромагнитного поля резонатора. Клистронный генератор представляет трехэлектродную лампу, на сетку которой подается высокое напряжение и с нее же снимается СВЧ мощность. На анод, называемый отражателем, подается отрицательное относительно катода напряжение. Электроны, пролетая мимо сетки, имеют скорость, соответствующую постоянному потенциалу сетки, а также приобретают дополнительную скорость, величина которой зависит от СВЧ-фазы в этот момент. Долетая до отражателя и возвращаясь обратно, электроны за счет этой дополнительной скорости собираются в сгустки. Время пролета до точки поворота, потенциал которой равен нулю, и обратно к сетке зависит от напряжения на отражателе. Изменяя это напряжение, можно найти момент, когда сформированные сгустки электронов приходят к сетке в противофазе с полем СВЧ и таким образом отдают ему энергию. В результате в лампе поддерживаются незатухающие колебания. Напряжение на отражателе регулируется ручкой. При медленном вращении ручки можно наблюдать три зоны генерации. На третьей, максимальной, и следует работать. Незначительные отклонения от значения, при котором происходит максимальная генерация, не меняют уровень СВЧ, зато частота генерации изменяется. На этом основана тонкая подстройка частоты клистрона. Грубая регулировка производится механическим смещением отражателя с помощью винта, находящегося на клистроне. Поскольку добротность резонатора велика, то уже незначительный уход частоты клистрона приводит к пропаданию детектируемого постоянного напряжения на детекторе или к его колебаниям. Поэтому на приборе имеется блок автоматической настройки частоты (АПЧ), который усиливает напряжение на детекторе, воздействуя на отражатель. Микроамперметр показывает ток магнита. Величина магнитного поля может быть определена по градуировочному графику, имеющемуся в описании прибора. Развертка магнитного поля производится с частотой 50Гц. С этой же частотой разворачивается и луч осциллографа. Время развертки обычно указывается на редукторе. Вращаясь, редуктор производит пилообразную развертку поля, которую можно наблюдать на микроамперметре. Минимум поля достигается при показании редуктора +16. При этом положении следует подобрать такое поле, чтобы после включения редуктора на самописце сразу начала выписываться линия.

Поглощение образцом СВЧ-энергии вызывает уменьшение СВЧ-мощности, выходящей из резонатора и попадающей на СВЧ-детектор. Сигнал с детектора после усиления используется как мера поглощения в образце. Для регистрации сверхтонкой структуры линий поглощения обычно в спектрометрах ЭПР используется автоматическое дифференцирование кривой, описывающей зависимость поглощения от Н. Для этого производится дополнительная модуляция с малой амплитудой напряженности внешнего магнитного поля высокой частоте (обычно ) и регистриация сигнала поглощения на частоте . Амплитуда высокочастотной модуляции магнитного поля подбирается такой, чтобы максимальное изменение поля на образце было много меньше ширины резонансной линии. Сигнал имеет изменяющуюся со скоростью развертки низкочастотную составляющую и высокочастотную составляющую . Здесь - частота модуляции, - величина, пропорциональная производной линии поглощения. Кроме полезного сигнала на выходе СВЧ детектора присутствуют шумы и паразитные наводки. С целью увеличения отношения сигнала к шуму усиление сигнала производят с помощью синхронного детектора, который представляет собой устройство, осуществляющее умножение входного сигнала на сигнал, поступающий от генератора модуляции.

Полный сигнал, поступающий на вход синхронного детектора, имеет вид

Здесь под знаком суммы стоят всевозможные паразитные сигналы. Отметим, что и изменяются с частотой развертки магнитного поля, которая много меньше частоты . На выходе синхронного детектора получается сигнал

Далее этот сигнал попадает на частотный фильтр, через который эффективно проходят только частоты, меньшие некоторой, определяемой постоянной времени фильтра. Постоянная времени фильтра меньше периода развертки спектра, но много больше периода модуляции. Поэтому все компоненты, за исключением составляющей и части шумов, имеющих частоты, близкие к , ослаблены на выходе фильтра, это приводит к увеличению отношения сигнала к шуму на выходе фильтра.

электронный парамагнитный резонанс медицинский

2.2 Принципы построения спектрометров ЭПР

Назначением прибора является регистрация изменения поглощаемой в образце мощности микроволнового диапазона (СВЧ-диапазона) при изменении напряженности магнитного поля. В серийных приборах частота электромагнитного излучения задается постоянной, а условие резонанса достигается путем изменения напряженности магнитного поля. ЭПР- спектрометры всегда должны работать при возможно более высоких значениях напряженности магнитного поля и микроволновой частоты в связи со следующими обстоятельствами. Интенсивность реально наблюдаемого сигнала ЭПР, определяющая рабочую чувствительность спектрометра, обуславливается разницей в заселенности двух энергетических уровней электрона в магнитном поле. Разница между заселенностями верхнего (N1) и нижнего (N2) уровней будет тем больше (иными словами, величина N2/N1- тем меньше), чем больше будет h, а следовательно и напряженность приложенного магнитного поля H. На практике большинство спектрометров работают либо на частоте 9000 МГц, соответствующей длине волны 3,2 см (Х-диапазон), либо на частоте 36 000 МГц, соответствующей длине волны 8 мм (Q-диапазон). Использование этих волновых диапазонов имеет то преимущество, что они применяются в радиолокации и соответствующая микроволновая техника очень хорошо разработана. Напряженность магнитного поля, соответствующая значению g-фактора для свободного электрона, на этих двух частотах будет равна соответственно 3300 и 13 000 Э.

ЭПР-спектрометры должны содержать следующие основные узлы:

1. Магнит, создающий постоянное магнитное поле на образце, необходимое для расщепления энергетических уровней содержащихся в нем парамагнитных частиц.

2. Генератор электромагнитного излучения СВЧ-диапазона.

3. Волноводный тракт, подводящий это излучение к объемному резонатору, в который помещается исследуемый образец.

4. Система, позволяющая изменять напряженность постоянного магнитного поля для подбора значения, необходимого для выполнения резонансного условия (16), так как обычно генераторы СВЧ-диапазона излучают в узком диапазоне частот.

5. Детектор.

6. Регистрирующее устройство.

Рис. 4. Блок-схема спектрометра ЭПР. К - источник СВЧ излучения, В -волноводы, Р - объемный резонатор, Д - детектор СВЧ излучения, У - усилитель, NS - электромагнит, П - регистрирующее устройство

Электромагнитная система прибора должна отвечать следующим, вытекающим из ранее сказанного, требованиям: обеспечивать однородное и стабильное магнитное поле значительной напряженности, до 3 000-4 000 Э при длине волны СВЧ излучения 3 см, а при 8 мм - до 13 000 Э; позволять проводить линейное и плавное изменение напряженности магнитного поля с заданной скоростью и в заданном диапазоне.

Электромагнит создает поляризующее магнитное поле. Диаметр полюсных наконечников 86 мм. Зазор между полюсными наконечниками 24 мм. Однородность магнитного поля не хуже 0,1 Гс в объеме1 см. ЭМ снабжен устройством настройки однородности магнитного поля.

Для передачи СВЧ-излучения к образцу используется стандартный волноводный тракт. Образец помещается в объемный резонатор, расположенный между полюсными наконечниками электромагнита. Объемные резонаторы, используемые в ЭПР-спектрометрах, различаются по конструкции. Чаще всего применяют цилиндрические или прямоугольные резонаторы. В цилиндрических резонаторах используют тип колебаний у которых напряженность магнитной составляющей СВЧ-волны максимальна в центре резонатора; в прямоугольных -- область максимальной напряженности магнитной составляющей представляет собой плоскость, проходящую через центр резонатора. Исследуемый образец помещают в резонатор ЭПР-спектрометра таким образом, чтобы он находился в области максимальной напряженности магнитной составляющей СВЧ-поля. По этой причине в цилиндрические резонаторы образцы помещают обычно в тонких капиллярах, а в прямоугольные -- в плоских кюветах.

Рабочий резонатор представляет собой резонатор с типом колебаний ТЕ 011. На стенках резонатора, параллельных полюсным наконечникам, расположены катушки модуляции (КМ), предназначенные для создания высокочастотной модуляции магнитного поля на частоте 100 КГц. Резонатор снабжен диэлектрическим винтом регулировки связи резонатора с волноводом. Диаметр отверстия для образца - 11 мм.

Регистрацию резонансного поглощения СВЧ-излучения в образце производят с помощью регистрации поглощения в резонаторе или изменения отражения СВЧ-мощности от резонатора, в зависимости от конкретной схемы спектрометра. Возможно использование как гетеродинной схемы СВЧ-приемника, так и схем прямого усиления в простейших приборах.

Микроволновый блок (МБ) создает 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 диоде Ганна генерирует энергию микроволнового поля в диапазоне частот 9,0 - 9,6 ГГц. Перестройка частоты МГ осуществляется механически с помощью специального устройства. МГ снабжен также системой электрического управления частотой в диапазоне 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 снабжен механизмом регулирования мощности. Y-циркулятор Y обеспечивает подключение РР по отражательной схеме таким образом, что мощность из плеча 1 поступает только в плечо 2, а из плеча 2 в плечо 3 поступает только мощность, отраженная от РР. Балансный детектор (БД) выполнен на щелевом мосте и детекторах 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 включает в себя фазовращатель (Ф) и волноводный переключатель (ВП). Фазовращатель служит для настройки БД на максимум сигнала (минимум шумов на выходе системы регистрации) и снабжен 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 внешний измеритель частоты.

В МБ расположен также предварительный усилитель, входная цепь которого выполнена в виде трансформатора, согласующего выходное напряжение балансного детектора с входным сопротивлением усилителя. Вторичная обмотка трансформатора настроена в резонанс на частоту 100 КГц.

Усилитель мощности создает ток высокочастотной модуляции магнитного поля в катушках модуляции. УМ расположен в экранирующем корпусе и укреплен на шасси прибора. На корпусе установлены разъемы питания, входа сигнала высокочастотной модуляции и подключения модуляционных катушек.

После детектирования сигнал усиливается на усилителе и подается на регистрирующее устройство (например, осциллограф). В этих условиях регистрируется и интегральная линия поглощения ЭПР. Для повышения чувствительности и разрешения спектрометра ЭПР используют высокочастотную (ВЧ) модуляцию (обычно 100 кГц - 1 МГц) внешнего магнитного поля, осуществляемого с помощью модуляционных катушек. ВЧ модуляция и специальное фазочувствительное детектирование преобразуют сигнал ЭПР в первую производную кривой поглощения, в виде которой и происходит регистрация спектров в большинстве серийных спектрометров. В некоторых случаях используют спектрометры, работающие в диапазоне длин волн 8 мм и 2 мм, что позволяет существенно улучшить разрешение по g-фактору (свободные радикалы, парамагнитные ионы). Чувствительность используемых ЭПР-спектрометров достигает 109 М (1017 частиц в образце) при оптимальных условиях регистрации и ширине линии 10-4 Тл. Важной характеристикой является временная шкала метода, определяемая частотой СВЧ излучения, подающегося на образец (=10-10 с), что позволяет исследовать динамику в спиновых системах в диапазоне частот 106-1010 с-1. В качестве стандарта при измерениях ЭПР используется один из наиболее устойчивых свободных радикалов - б-дифенил-в-пикрилгидразил, у которого g=2,0036.

Выход СВЧ-приемника в старых приборах классически подключался к осциллографу и параллельно к самописцу. Современные схемы регистрации ЭПР-сигналов включают аналого-цифровой преобразователь и компьютер. Такая схема позволяет накапливать информацию в памяти ЭВМ и проводить цифровую обработку по самым разным программам. Принципиальным является то, что с помощью цифровой обработки ЭПР-сигналов можно, применяя режим накопления, повысить чувствительность и временное разрешение пробора.

2.3 Программно-аппаратный комплекс для исследования спектров ЭПР

2.3.1 Состав и назначение комплекса

Программно-аппаратный комплекс включает в себя следующие компоненты:

· Спектрометр электронного парамагнитного резонанса РЭ-1306, предназначенный для получения ЭПР-спектров в магнитных полях до 7000 гаусс.

· Потенциостат ПИ-50-1 с программатором для проведения полярографических исследований.

· Ячейка для полярографических измерений в резонаторе ЭПР спектрометра для проведения параллельных измерений сигналов ЭПР в полярографических экспериментах.

· Компьютер типа IBM PC, имеющий интерфейс USB. Ресурсы компьютера должны быть достаточны для установки ОС Windows XP и пакета Office 2000, оперативная память не менее 128 Мбайт.

· Модуль АЦП и ЦАП Е14-440 фирмы L-Card, имеющий в своем составе аналого-цифровой преобразователь с максимальной частотой запуска до 400 кГц с входным коммутатором на 16 дифференциальных или 32 входа с общей землей, а также двухканальный цифро-аналоговый преобразователь с максимальной частотой до 125 кГц. Кроме того, используется 16-разрядный цифровой интерфейс. Модуль подключается к компьютеру посредством интерфейса USB.

· Плата сопряжения и управления полем, встраиваемая в ЭПР спектрометр обеспечивает управление током магнита спектрометра от сигналов двух каналов ЦАП модуля. Первый сигнал задает центр развертки поля, а второй осуществляет саму развертку по времени. Посредством цифрового интерфейса выбираются диапазоны развертки поля и постоянная 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 (используется приложение MS Excel).

o Драйвер и штатная библиотека LUSBAPI.DLL, поставляемые в комплекте с модулем Е14-440.

o Динамически загружаемая библиотека функций EPLIB440.DLL выполняет критичные по времени функции управления ЦАП модуля и получения данных от каналов АЦП с заданными режимами усреднения и фильтрации.

o Рабочая книга Excel EPRE440.XLS, включающая макросы и диалоговые формы для обслуживания экспериментов и получения данных через функции библиотеки.

Комплекс предназначен для проведения экспериментов по измерению спектров ЭПР и экспериментов по полярографии с параллельным наблюдением и регистрацией сигналов ЭПР.

Комплекс имеет следующие функциональные возможности:

· Регистрация в таблице рабочей книги Excel и отображение на графике ЭПР-спектра образца с заданием значения поля в центре спектра, ширины регистрируемого спектра и скорости развертки поля, количества регистрируемых точек.

· Позволяет выбирать режим отображения спектральной зависимости ЭПР как от магнитного поля в Гауссах, так и от величины g-фактора, для чего вводится значение частоты СВЧ-поля.

· Возможно накопление с заданным количеством циклов для повышения точности и улучшения соотношения сигнал/шум. Накопление может быть прервано в паузе между циклами.

· Контроль и регистрация сигналов может производиться по любому количеству каналов от 1 до 16, что позволяет параллельно со спектром наблюдать и другие сигналы.

· Для повышения точности накопления в условиях изменения внешних условий возможна привязка запуска регистрации спектра к линиям регистрируемого спектра или другим сигналам. Условия запуска регистрации могут содержать до 2 последовательно происходящих событий, что позволяет запускать регистрацию при прохождении линии спектра.

· Условия запуска могут контролироваться по любому из регистрируемых каналов, что позволяет использовать для привязки спектра дополнительные приборы типа измерителя магнитной индукции.

· Позволяет задавать значение магнитного поля в точке привязки, т.е. в точке спектра, в которой выполняются условия запуска. Точка привязки может находиться как в пределах регистрируемой части спектра, так и вне ее, в пределах развертки поля.

· Изменения установок поля выполняются плавно, для исключения повреждения системы управления током магнита спектрометра. Допустимая скорость изменения поля задается.

· При проведении замеров с потенциостатом в таблице рабочей книги и на графике регистрируются зависимости приложенного напряжения и тока через ячейку от времени с заданием времени регистрации и количества точек таблицы, а также полного времени развертки.

· Сброс и запуск программатора потенциостата осуществляется дистанционно от цифрового интерфейса модуля по программе.

· В этих экспериментах также возможна регистрация нескольких каналов, в том числе сигнала ЭПР, и накопление по нескольким запускам.

· Возможна привязка запуска регистрации к сигналам синхронизации программатора потенциостата, что позволяет пропускать ненужные части полярограммы и регистрировать только интересующий этап. Возможно задание отступа начала регистрации в любую сторону от сигнала синхронизации.

· Все параметры настройки получения спектров и экспериментов с потенциостатом сохранены в специальной таблице рабочей книги. Большая часть параметров настраивается с помощью диалоговых форм настройки.

· Сохраняет все возможности обработки, предоставляемые средой Excel 2000, т.е. возможности 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 использоваться, например, измеритель магнитной индукции Ш1-1 или другой.

Рис.6. Блок-схема аппаратного комплекса

2.3.3 Состав программного комплекса

Программное обеспечение, входящее в состав программно-аппаратного комплекса включает в себя 3 составных части:

1. Динамически подключаемая библиотека LUSBAPI.DLL, входящая в комплект поставки модуля Е14-440 обеспечивает взаимодействие основного ПО с аппаратной частью комплекса - АЦП, ЦАП и цифровыми линиями. Требует установки в ОС драйвера поддержки в соответствии с описанием модуля.

2. Динамически подключаемая библиотека EPLIB440.DLL обеспечивает выполнение всех основных функций управления АЦП и ЦАП модуля:

· Подключение программного интерфейса модуля, загрузка в модуль управляющей программы (LBIOS), выполнение внутреннего теста загруженной программы.

· Настройка каналов, обслуживаемых АЦП модуля.

· Настройка параметров запуска АЦП, выделение памяти под буферы для приема данных от каналов АЦП.

· Настройка параметров запуска ЦАП с выделением буфера под данные ЦАП.

· Запуск АЦП с заданием параметров усреднения, фильтрации и привязки. Создает отдельный программный поток получения данных от АЦП.

· Получение данных каналов АЦП из буферов библиотеки.

· Запуск ЦАП с заданием интервала развертки. Создает массив данных для развертки поля с поддержкой интерполяции между уровнями ЦАП методом широтно-импульсной модуляции, запускает отдельный поток вывода данных на ЦАП.

· Плавное управление сигналами каналов ЦАП. Создает массив данных для нужного канала ЦАП с интерполяцией от текущего до заданного значения ЦАП, запускает поток вывода данных.

· Получение текущего состояния ЦАП и АЦП модуля для синхронизации основной программы с потоками, запущенными функциями библиотеки.

· При работе библиотека использует 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 программа управления представляет собой комплекс макросов в составе рабочей книги MS Excel. Запуск макросов осуществляется через дополнительные пункты меню рабочих листов книги, настройка режимов - через элементы управления специальных форм, а также непосредственно через рабочие листы. В книгу включены 3 рабочих листа и 2 листа графиков:

· ListADC - лист, заполняемый при регистрации спектров. Первый столбец - величина магнитного поля в гауссах или величина g-фактора, в зависимости от выбранного режима отображения - заполняется сразу при запуске регистрации в соответствии с настройками спектра. Следующие столбцы с заголовками заполняются данными регистрируемых каналов АЦП.

· GraphADC - лист графиков, связанный с ячейками ListADC. В нем отображаются зависимости сигналов заданных каналов в процессе или после регистрации спектра. Лист может быть удален выбором соответствующего пункта меню, при регистрации нового спектра он будет создан вновь.

· ListMeas - лист, заполняемый в процессе выполнения замера полярограммы. Первый столбец - время от начала регистрации в секундах, заполняется сразу при запуске регистрации в соответствии с настройками замера.

· GraphMeas - лист графиков, связанный с ячейками ListMeas. В нем отображаются временные зависимости сигналов заданных каналов в процессе или после регистрации. Лист может быть удален выбором соответствующего пункта меню, при регистрации нового замера он будет создан вновь.

· ListPar - лист параметров настроек регистрации спектров и замеров. В первом столбце имеется текстовое описание каждого параметра, сами параметры располагаются начиная со второго столбца.

Заключение

В данной курсовой работе был рассмотрен один из методов спектроскопии - электронный парамагнитный резонанс. Были рассмотрены принцип работы ЭПР спектрометра, его устройство - функциональная блок-схема, аппаратная и программная части комплекса.

Список литературы

1. Блюменфельд Л.А., Воеводский В. В., Семенов А. Г. Применение электронного парамагнитного резонанса в химии. -Новосибирск, 1962.

2. Вертц Дж., Болтон Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР.- М.: Мир, 1975.

3. Ингрем Д. Электронный парамагнитный резонанс в биологии. -М: Мир, 1972.

4. Mетодическое пособие к работе “Электронный 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 методы исследования в физико-химической биологии. "Элементы СВЧ-техники». - М.: МФТИ, 1989.

Размещено на Allbest.ru