УДК 681.51

Постановка задачі

При обробці сигналу відгуку імпульсного ЯКР спектрометра існує серйозна проблема – безпосередньо після завершення зондуючого імпульсу в системі контурів спостерігаються незавершені перехідні процеси [1,2]. При амплітуді зондуючого сигналу ~ 1000 В спостерігається залишкова величина “дзвону” робочого контуру ~ 1..20 мВ. В той же час корисний сигнал (сигнал відгуку ЯКР) має рівень ~ 1..100 мкВ. Як наслідок, в період часу реєстрації сигналів приймальна частина спектрометра знаходиться під впливом перехідних процесів, що приводить до часткової втрати корисних сигналів відгуку ЯКР. Для пригнічення неінформативних сигналів застосовують електронні ключі, але навіть найкращі з них не можуть забезпечити необхідний рівень згасання ~ 120 дБ у закритому стані.

Висловлено ідею додаткової часової селекції корисних сигналів спектрометра за рахунок переривчатої роботи детектора. В даній роботі описано розроблений авторами керований детектор для виділення сигналів ЯКР – відгуку, який автоматично вмикається тільки в інформативні періоди часу в кожному циклі збудження – релаксації спінової системи досліджуваного зразка речовини.

Текст

Розробка керованого детектора проводилась для покращення характеристик лабораторного імпульсного спектрометра ЯКР. Веденням в схему спектрометра розробленого детектора покращено його приймальну частину (Рис.1) [1,2].

Високочастотний (ВЧ) збуджуючий генератор із підсилювачем потужності складають збуджуючу (накачуючу) систему імпульсного ЯКР – спектрометра. Основні робочі характеристики системи наступні: потужність радіоімпульсу збудження P=200 Вт; тривалість імпульсів збудження 10-100 мкс; частота повторювання імпульсів збудження 10-100 Гц.

Рис.1 Функціональна схема імпульсного ЯКР – спектрометра

Детектор виконано на 4-канальному комутаторі DD1 типу CD4066 [3] (рис.2). Продетектований сигнал подається на вихід пристрою через фільтр нижніх частот та підсилювальний каскад на мікросхемі DA1 (операційний підсилювач AD826). Опорні сигнали, зсунуті за фазою на 180 ^о, підводяться від схеми керування до входів F1 та F2 синхронного детектора.

Рис. 2 Схема принципова синхронного детектора з високим динамічним діапазоном

Опорні сигнали формуються за допомогою мікросхеми DD1 типу CD4011. На вхід формувача керуючих імпульсів подається сигнал від опорного генератора, а на виході отримуються 2 протифазні сигнали з частотою опорного генератора. Додаткова функція формувача – наявність керуючого входу. З допомогою нього можна зупиняти роботу формувача, а відповідно і детектора в цілому. Із схеми на рис.2 видно, що детектування буде відбуватися лише при наявності двох протифазних синхронізуючих сигналів. У противному випадку детектор буде функціонувати, як закритий ключ, блокуючи проникнення сигналів (час t₁-t₃ на рис.3).

Рис.3 Часові діаграми сигналів блоку керування детектором

Час затримки t₁-t₃ може бути встановлений із ряду 0 ÷ 500 µс з кроком 0,5 µс. Час ввімкнення t₃-t₄ детектора - 0,1 ÷ 100 мс з кроком 0,1 мс.

Схема блоку керування синхронним детектором а також задаючим високочастотним генератором установки реалізована на основі однокристальної мікроЕОМ [4]. Вона побудована на основі мікроконтролера (МК) PIC18F452 [5] фірми Microchip.

Для реалізації діалогу з оператором спектрометра застосовано пару клавіатура – дисплей. Встановлення номіналів часових затримок виконується з допомогою матричної клавіатури. Передбачено також зв'язок з ЕОМ з допомогою послідовного порту RS-232.

Розроблений синхронний детектор випробувано в складі експериментального імпульсного ЯКР - спектрометра при дослідженні зразку NaNO₂ в порошковому стані. Зроблено запис сигналів ЯКР - індукції та спектрів, отриманих за допомогою швидкого Фур’є - перетворення сигналів індукції. Температура зразків не стабілізувалась і знаходилась під час експериментів в межах 295±5 ˚К.

Для визначення ефективності розробленого детектора ті ж сигнали в незмінних умовах експерименту записувались також з використанням попередньої версії детектора. Попередня версія – це некерований діодний перемножуючий (змішувальний) детектор [2]. Його опорним сигналом служили проникаючі в паузах між збуджуючими радіоімпульсами коливання неперервно працюючого задавального генератора ЯКР - установки (рис.4.а та рис.4.б).

На рис.5.а та рис.5.б наведено результати порівняльних досліджень ЯКР - сигналів від атомів ¹⁴N в нітриті натрію при використанні розробленого керованого детектора.

Як видно з порівняння Фур’є - перетворення сигналів (рис.4.б та рис.5.б) при використанні розробленого керованого детектора значно покращилась інформативність сигналу відгуку ЯКР. Рівень розташованих нижче за частотою від основної лінії паразитних спектральних компонентів понизився приблизно на 5 дБ. Вони менше, у порівнянні з варіантом некерованого детектора, маскують та спотворюють форму спектральної лінії ЯКР - сигналу NaNO₂.

Висновок

Розроблено, виготовлено та випробувано систему детектор – схема керування, котра зменшує вплив перехідних процесів на приймальну частину імпульсного ЯКР – спектрометра. Це суттєво покращило інформативність сигналу відгуку ЯКР.

Дана робота проведена в рамках виконання держтеми №18.81 Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича.

1.                  Белый Ю.И., Гарцев Н.А, Семейкин Н.П., Шаршин Ю.А. Разработка обнаружителей взрывчатки на основе ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) // Наукоемкие технологии.- 2005.- Т6.-N2.

2.                  Синявский Н.Я., Коваленко С.Г. Синтез областей чувствительности рабочего объема систем локализации взрывчатых устройств// Радиотехника.- 2003.- N3.

3.                  http://www.fairchildsemi.com/ds/CD/CD4066BC.pdf

4.      Брайловський В.В, Чуботару М.М. Генератор керуючих імпульсів для ЯМР на основі мікро контролера. // П’ята міжнародна науково-технічна конференція “Современные информационные и электронные технологии”, м. Одеса, 2005. С. 71.

5.                  http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39564c.pdf