ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 6, с. 110-113
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 621.372 +621.373
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ПРИСТАВКА К ИМПУЛЬСНОМУ РЕНТГЕНОВСКОМУ ФЛУОРИМЕТРУ
© 2007 г. С. В. Анищик, В. И. Боровков, В. И. Иванников, Ю. Д. Черноусов, И. В. Шеболаев
Институт химической кинетики и горения СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 3 Поступила в редакцию 22.12.2006 г. После доработки 15.03.2007 г.
Разработано устройство для создания в области исследуемого образца импульсного с.в.ч.-поля на частоте 2.45 ГГц с быстрым спадом длительностью 10 нс и максимальной амплитудой вращающейся компоненты магнитной индукции 0.8 мТл. Быстрый спад формируется за счет создания режима биений в системе из двух связанных резонаторов. Длительность плоской вершины с.в.ч.-импульса регулируется в пределах 0-400 нс, максимальная частота следования импульсов равна 16 кГц. В составе наносекундного рентгеновского флуориметра устройство применено для управления спиновым состоянием спин-коррелированных ион-радикальных пар в неполярных растворах.
PACS: 76.30.Rn, 07.57.-c
В последнее время значительное внимание уделяется проблеме управления когерентным состоянием системы электронных спинов. Подобной системой являются, в частности, спин-коррелированные ион-радикальные пары (и.р.п.), возникающие при ионизирующем облучении конденсированных сред [1]. Ранее был разработан ряд методик, использующих электромагнитное поле с.в.ч.-диа-пазона для модуляции заселенностей спиновых подуровней и.р.п. во внешнем магнитном поле [2-4]. Резонансное с.в.ч.-поле вызывает нутации спинового магнитного момента и.р.п. В [5] показано, что быстрое выключение поля приводит к "замораживанию" состояния и.р.п. Для наблюдения данного эффекта необходимо выключить с.в.ч.-поле за время ~10 нс, в несколько раз меньшее характерного времени фазовой релаксации ион-радикалов.
Для создания высокой амплитуды магнитной индукции в образце используют резонаторы с добротностью ~104. Но высокая добротность значительно затрудняет быструю коммутацию с.в.ч.-поля в резонаторе и, следовательно, образце. Возможным решением задачи является быстрая диссипация энергии, запасенной в резонаторе. Для этого необходимо обеспечить в момент выключения генератора уменьшение добротности с помощью управляемых поглощающих элементов [6].
Задача также может быть решена другим путем, а именно, использованием быстрого стимулированного вывода энергии из одного резонатора в другой. Такой процесс имеет место в паре связанных резонаторов, работающих в режиме биений. В этом случае запасенная энергия выкачивается из резонатора за время, равное четверти
периода биений. Это время определяется, в основном, коэффициентом связи резонаторов и не ограничено снизу их добротностями.
В работе [7] описано устройство, в котором режим биений применен для формирования в резонаторе короткого с.в.ч.-импульса. Устройство состоит из двух резонаторов - накопительного и рабочего. Энергия от с.в.ч.-генератора запасается в накопительном резонаторе, затем она быстро перекачивается в рабочий резонатор и также быстро возвращается назад в накопительный. Такая схема формирования импульса предполагает быстрое переключение рабочего резонатора из режима антирезонанса в режим резонанса, а затем обратно. Для этого рабочий резонатор должен иметь простую, например прямоугольную, форму без дополнительных элементов, позволяющих концентрировать поле в области образца. Управляющие р-7-«-диоды, встроенные в рабочий резонатор, должны быстро отпираться, и главное, быстро запираться через время 50 нс, равное половине периода биений. В устройстве использованы р-7-«-диоды КА509.
В данной работе режим биений используется для формирования только спада с.в.ч.-импульса. Устройство работает на частоте 2450 МГц. Его конструкция приведена на рис. 1. Основой устройства являются два связанных резонатора - рабочий и поглощающий. Рабочий резонатор имеет прямоугольную форму. Внутри резонатора расположены два прямоугольных концентратора 1, каждый из которых прикреплен к стенкам резонатора на двух штангах 2. Они позволяют сосредоточить магнитное поле в рабочей области размерами 32 х 14 х 10 мм, куда помещается исследу-
Рис. 1. Конструкция устройства. 1 - концентраторы поля; 2 - штангн; 3 - исследуемый образец; 4 - световод; 5 - фотоэлектронный умножитель; 6 - ввод с.в.ч.-мощности; 7 - измерительный вывод; 8 - волновод; 9 - задняя стенка; 10 -резонансная диафрагма; 11 - настроечный штырь; 12 - р-1-п-диоды.
емый образец 3. Он устанавливается на торец кварцевого световода 4, по которому свет из облученного образца направляется в фотоэлектронный умножитель 5. Резонатор имеет петлевой ввод с.в.ч.-мощности 6 и измерительный вывод 7 для контроля формы огибающей с.в.ч.-сигнала в рабочем резонаторе.
Поглощающий резонатор, также имеющий прямоугольную форму, выполнен из отрезка прямоугольного волновода 8 сечением 90 х 10 мм2. Его полная длина равна 120 мм, что примерно равно ЗА^/4, где - длина волны в волноводе. Одним концом волновод пристыкован к рабочему резонатору, а другой его конец закрыт задней стенкой 9. На расстоянии 40 мм от задней стенки в поглощающий резонатор встроена двухщелевая резонансная диафрагма 10. На широкой стенке волновода установлен подвижный штырь 11 для точной настройки частоты резонатора.
Резонансная диафрагма тоже прямоугольной формы с двумя узкими пазами шириной 52 и высотой 0.5 мм имеет размеры 62 х 10 х 5 мм. Вместе с широкими стенками волновода пазы образуют две резонансные щели. По центру диафрагмы сделан полукруглый паз для установки р-/-п-дио-дов. Два последовательно соединенных (навстре-
чу друг другу) р-/-п-диода 12 (КА507В) включены непосредственно между широкими стенками волновода и не имеют конструктивной связи с диафрагмой. Сигнал от блока управления подается в точку соединения диодов по прямому жесткому проводнику, проходящему через отверстие в узкой стенке волновода. Расположение резонансной диафрагмы в волноводе показано на рис. 2.
Рабочий и поглощающий резонаторы связаны через прямоугольное отверстие. Измеренная разность резонансных частот системы равна 90 МГц, что соответствует коэффициенту связи 0.036. Такая связь обеспечивает необходимую скорость вывода энергии из рабочего резонатора.
52
У/////////^
2 1 Рис. 2. Резонансная диафрагма 1 в волноводе 2.
112
АНИЩИК и др.
Рис. 3. Форма огибающей с.в.ч.-импульса в рабочем резонаторе. Развертка 200 нс/деление.
Устройство работает следующим образом. На р-г-п-диоды подается постоянное запирающее напряжение 190 В. В рабочий резонатор подается с.в.ч.-мощность от импульсного генератора. При запертых р-г-п-диодах резонансная диафрагма пропускает волны, распространяющиеся в волноводе, образующем поглощающий резонатор. При этом его эффективная длина равна 3^/4. Колебания в поглощающем резонаторе имеют минимальную амплитуду (явление антирезонанса), и он практически не влияет на рабочий резонатор. После установления постоянной амплитуды колебаний в рабочем резонаторе (через 300 нс) образец облучается коротким (2 нс) рентгеновским импульсом. В образце образуются ион-радикальные пары, и начинается их эволюция.
Спад с.в.ч.-поля в рабочем резонаторе формируется после импульса облучения через регулируемое время задержки 0-400 нс. Для этого обрывается импульс с.в.ч.-генератора и одновременно на р-г-п-диоды подается импульс прямого тока. Диоды отпираются, и резонансная диафрагма начинает отражать волны, распространяющиеся в волноводе. Эффективная длина поглощающего резонатора уменьшается до А^/2. В нем возникают условия для возбуждения резонансной моды Н101. Начинается быстрая перекачка запасенной энергии из рабочего резонатора в поглощающий. Из-за низкой добротности последнего преобладающая доля энергии поглощается, не успевая вернуться в рабочий резонатор.
Импульс прямого тока, подаваемый на р-г-п-диоды, формируется при разряде накопительного конденсатора 0.47 нФ, заряженного до напряжения 600 В. В качестве ключа используется транзистор 2№551, работающий в лавинном режиме. Это обеспечивает переключение р-г-п-диодов из запертого состояния в открытое за ~5 нс.
Введение в конструкцию рабочего резонатора концентраторов поля, прикрепленных к стенкам резонатора на штангах, увеличило число зазоров вокруг рабочей области до четырех. Распределение вихревого электрического поля по четырем зазорам уменьшило его проникновение в образец. В сравнении с двухзазорным резонатором [8] сдвиг частоты при внесении образца, зависящий от проникновения электрического поля, уменьшился в 3 раза. Кроме того, исчезли с.в.ч.-пробои внутри образца, имевшие место в двухзазорном резонаторе.
В данной конструкции, как и в [7], максимальный уровень поля в образце ограничен амплитудой с.в.ч.-напряжения на р-г-п-диодах, которая не должна превышать постоянного напряжения смещения. Размещение управляющих р-г-п-диодов в поглощающем резонаторе позволило выбрать более выгодную форму рабочего резонатора и поднять поле в образце при заданной запасенной энергии. В данной схеме быстрое переключение р-7-п-диодов происходит только в одну сторону -из запертого состояния в открытое, поэтому использованы более мощные, но "медленные" диоды КА507В. Это дало возможность повысить запирающее напряжение на р-г-п-диодах и одновременно увеличить коэффициент связи между резонаторами (увеличение коэффициента связи ведет к уменьшению времени перекачки, но увеличению с.в.ч.-напряжения на р-7-п-диодах). Применение нового рабочего резонатора и повышение напряжения смещения позволило увеличить в 2.5 раза поле в образце (в сравнении с [7]) при одновременном уменьшении времени перекачки с 25 до 10 нс.
На рис. 3 приведена форма огибающей с.в.ч.-импульса в рабочем резонаторе. Длительность импульса от с.в.ч.-генератора равна 700 нс. Длительность фронта нарастания определяется добротностью рабочего резонатора и составляет 300 нс. Длительность спада, как видно из рис. 3, намного короче и составляет 10 нс. Выбросы, следующие за спадом, обусловлены тем, что в системе продолжаются затухающие биения, но они имеют малую
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.