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锁相放大电路测定电子顺磁共振一阶微分信号

2020-07-05 23:08rf射频/无线 人已围观

简介电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance 简写为EPR)是由前苏联物理学家 E K扎沃伊斯基于1944 年从顺磁性盐类发现的. 物理学家最初用EPR 技术研究某些复杂原子或分子的电子结构、偶极...

  电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance 简写为EPR)是由前苏联物理学家 E· K·扎沃伊斯基于1944 年从顺磁性盐类发现的. 物理学家最初用EPR 技术研究某些复杂原子或分子的电子结构、偶极矩等问题;根据EPR  测量结果,解析复杂的有机化合物中的化学键和电子密度分布等许多问题.   利用电子自旋共振实验装置可测量电子自旋弛豫时间、示波器观测共振信号等. 由于电子自旋相干、自旋标记、自旋捕捉、饱和转移等电子顺磁共振和顺磁成像等实验新技术和新方法的提出, EPR 技术已在物理学、有机化学、半导体、化工、医学、地质探矿、环境科学等许多领域内得到广泛的应用, 并给出EPR 在量子操控和量子计算方面的应用,以及用EPR 检测自由基、瞬态自由基的方法.
  
  利用相关实验装置对EPR 信号进行理论分析,没有给出具体电子测量技术线路.  本文将利用小磁调制技术及锁相放大电路测定EPR  信号的一阶微分(可提高EPR  信号的测量精度),同时给出具体设计方案. 很多文献都指出EPR 技术的应用前景广阔,因此研究与探索EPR 信号的检测方法具有现实及实践意义.
  

  1电子顺磁共振和锁相放大电路

  
  1.1电子顺磁共振
  
  凡具有未偶电子的物质,均可作为电子顺磁共振的研究对象,如果将它置于外加恒定磁场B0   中时,就会引起由于电子自旋体系与外磁场B0 相互作用而发生塞曼能级分裂,其附加能量为E  = ms gμB B0 ,其中μB为玻尔磁矩:μB =Eh/4πm = 9.2732×10-24安•米2,g 为波谱分裂因子(无量纲,简称 g 因子或 g 值,自由电子的 g 值 =  2.  002  32),ms  是电子自旋方向量子数 ,取 值 ms= 1/2 和 ms = - 1/2 .  次能级间的能量差为ΔE = gμB B0 ,如果再迭加一频率为υ 的电磁辐射,其磁场分量与外磁场B0 垂直,当满足(1)式时,电子自旋将吸收辐射能量从低能态跃迁到高能态,即发生塞曼能级间的共振吸收〔和辐射〕现象,这就是电子顺磁共振.
  
  hυ = gμBB0         (1)
  
  1.2锁相放大电路的工作原理
  
  锁相放大电路(Lock-in Amplifier)是一种高性能的测量电路,主要由参考信号通道、输入信号通道、相敏检波器组成;其中相敏检波器是锁相放大器的核心部件. 相敏检波器主要由乘法器、低通滤波器组成; 因为要求模拟乘法器动态范围大、线性度好是比较难的,而待测信号通常是由正弦波调制,因此在锁相放   大器中可采用开关式乘法器 相敏检波器采用互相关检测原理实现对输入信号的检测. 如图1 为相敏检波器,图中2SK49 为结型场效应管,当开关使用,电位器VR 可调整相敏检波器的增益.
  图1 相敏检波器
  图1 相敏检波器
  
  设待测信号为:
  
  Vs(t) = Es sinωt          (2)
  
  参考信号经整形为方波:
  
  公式3
  
  只有当参考信号基波频率和待测信号频率相同(相关,即ω = ωr)时,锁相放大器才有输出,此时选择合适的低通滤波参数,则锁相放大器的输出为:
  
  U0 = kEs cosφ       (4)
  
  (4)式中的φ 为参考信号与待测信号间的相位差,k 是与锁相放大电路传输系数有关的常数,而与待测信号不相关的噪声、参考信号的高次谐波等都被滤除,这就是锁相放大器的工作原理.
  
  锁相放大电路是一种高性能的测量电路,不仅能像选频放大电路那样具有频率选择性,同时还具有 信号的相位特点,即“锁定”了信号的相位,它能精确地测量被掩埋在噪声中的微弱信号.   随着技术的快速发展,在信息科学、电子学、物理学等许多领域,越来越需要测量淹埋在噪声中的微弱信号. EPR  一阶微分信号的检测就是根据这个原理设计的.
  

  2系统方案设计

  
  如图2 为系统设计方案图. 单片机采用STC15F2K60S2,其主要性能:60 KB 的Flash 程序存储器、内部时钟从5 MHz~35 MHz 可选、8 通道10 位ADC、3 路PWM(可作3 路D/A 使用)、2 个串行接口(便于与上位机通信)、6 个定时器等丰富资源.
  
  图2  中,由程控电流源加载到电磁铁上,产生大小可调的外磁场并作用于待测样品(具有未偶电子的物质),程控电流源可工作在自动方式,也可工作在手动方式;信号源产生频率为υ   的电磁辐射线且垂直于外磁场,当满足(1)式时,实现电子顺磁共振.
  
  为了利用锁相放大电路测定共振信号,图2 中由振荡器产生低频角频率为ω 的正弦信号分为两路,一路经跟随器后送移相及整形电路获得相位可调的方波作为锁相放大电路(相敏检波)的参考信号(角频率为ωr   = ω),如图1 所示;另一路经跟随器后送功率放大电路加载在电磁铁的小调场线圈,这就是所谓的低频小磁调制信号(设获得的磁场强度为Bm sinωt).
  
  磁共振时作用在样品上的总磁场为B = B0  + Bm sinωt,设共振信号为Y,只要恒磁场值是缓慢的(合理设置程控电流源的扫描速度),即对共振磁场的扫场速度低,这种情况外磁场非常接近于稳定情况,由布  洛赫方程稳定解可知,Y 为磁场B 的函数,记为Y ( B ). 共振信号Y ( B ) 在B0 点的泰勒级数展开式为:
  
  公式5-6
  图2  系统方案设计图
  图2  系统方案设计图
  
  共振信号Y ( B ) 由检波器检出送选频(设计选频的中心角频率约为ω)放大后作为锁相放大电路的待测信号,由锁相放大电路工作原理及(4)式可知,经低通滤波输出的直流电压U0 与共振信号在B0 点的一阶微分成正比(Y ( B ) 展开式中的直流分量、高次谐波及其它噪声信号均被滤除),即
  
  U0 = kY ′ ( B0 ) Bm cosφ          (7)
  
  由(7) 式 ,只要调节移相电路 ,可有效调节相位差 φ,当 φ → 0 时 ,可获得较理想的 U0  值 ,U0  由 STC15F2K60S2 单片机实现AD 采样,单片机将测量值送PC  机进行数据处理及共振信号一阶微分曲线显示等.

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