CC BY
17
УДК 539.1.075
В. В. Брайловський, П. П. Ватаманюк, М. Г. Рождественська
1М1ТАТ0Р СИГНАЛ1В ЯДЕРН01 1НДУКЦ11 ДЛЯ 1МПУЛЬСН0Г0 ЯКР-СПЕКТР0МЕТРА
Запропоновано схему 1м1татора сигнал1в для налагод-жування гмпулъсних спектрометр1в ядерного квадруполъно-го резонансу (ЯКР). Коливання, под1бт до сигнал1в ядер-ног 1ндукцп, генеруютъся кварцовим резонатором. Удар-не збудження кварцового резонатора забезпечуетъся ра-д1о1мпулъсами накачування стновог системи досл1джува-ного зразка речовини.
ВСТУП
На сьогодш актуальною залишаеться проблема роз-робки 1 вдосконалення радютехшчних засоб1в виявлен-ня, щентифжацп та досл1дження азотом1стких речо-вин. Зокрема, тривае вдосконалення схемотехники радиоспектрометров, робота яких базуеться на явищД ядерного квадрупольного резонансу, та розвиваються методики !х застосування [1, 2].
1снують два основш типи ЯКР-спектрометр1в - 1м-пульсш та стацюнарш (неперервш). 1мпульсний метод дозволяе спостер1гати сигнали ЯКР в1д легких ядер, як1 мають квадрупольш властивост1. Це стосуеться 1 ядер 14Ы", що входять до складу таких речовин, як вибух1в-ки (гексоген, ТНТ, октоген) та наркотики [3].
Квадрупольш моменти легких ядер мал1, у зв'язку з чим електромагштш в1дгуки атомно! стново! системи на збуджуючий радю1мпульс лежать в низькочастотнш д1лянц1 спектру (ор1ентовно 0,6-6,0 МГц).
Чутлив1сть прямих 1мпульсних методов детектуван-ня сигналов ЯКР попршуеться з пониженням частоти. Величина сигналов ЯКР-в1дгуку знаходиться на р1вн1 теплового шуму робочого контура спектрометра, 1 вони, здебшьшого, не можуть бути вид1леш без специально! обробки.
Тому перший етап налагодження ЯКР-установки п1сля '' побудови чи модерн1зац1' з використанням без-посередньо дослщжувано! речовини досить складний. Робота з вибуховими речовинами на етап1 оптим1зац1' установки може бути небезпечною. Деяк1 тестов1 речовини, наприклад уротротн (^^^N04), дають в1д-носно сильний сигнал ядерно! шдукцп, проте його оч1-кувана частота точно нев1дома, оск1льки вона залежить в1д температури 1 х1м1чно!' чистоти речовини. Так, для х1-м1чно чистого уротроп1ну частота ЯКР-в1дгуку в д1апа-зош температур 273-300 К змшюеться в1д 3319,9 кГц до 3306,2 кГц.
© Брайловський В. В., Ватаманюк П. П., Рождественська М. Г., 2006
ПОСТАНОВКА ЗАВДАННЯ
Для налагодження спектрометра бажано застосувати 1м1татор ЯКР-в1дгуку з точно в1домою частотою та ре-гулюванням сили сигналу в широких межах: в1д сотень мШвольт до р1вня теплового шуму на робочому контура з досл1джуваною речовиною. Форма згасаючих радю1мпульс1в 1м1татора та !'х часов1 характеристики повинн1 наближатись до в1дпов1дних показник1в сиг-нал1в ЯКР-в1дгуку реальних речовин. Наприклад, при 1дентиф1каци гексогену збудженням квадрупольних моментов ядер його атом1в радиоимпульсами з частотою заповнення /зб = 5192 кГц, час стн-стново! ре-лаксаци при температура 300 К складае близько 1,5 мс, а стн-гратково! релаксацп - 8 мс.
МЕТОД ТА АЛГОРИТМ ВИР1ШЕННЯ
Сформульованим вище вимогам у значнш м1р1 в1д-пов1дае простий 1м1татор на кварцовому резонатора, схема якого наведена на рис. 1.
Для грубо! оценки працездатност1 спектрометра квар-цовий резонатор спочатку встановлюеться в розн1м Х1. Частота заповнення збуджуючих радМмпульав, що тд-водяться до входу робочо! камери, та частота настройки
Рисунок 1 - Схема 1м1татора та робочог камери 1мпулъсного ЯКР-спектрометра
14
1607-3274 «Радюелектрошка. 1нформатика. Управлшня» № 2, 2006
В. В. Брайловськпй, П. П. Bamaмaнюк, M. Г. Poждecmвeнcькa: IMITATOP СИГИАЛШ ЯДEPHOI IHÂÔKÔIÏ ДЛЯ IMПУЛЬCHOГO ЯKP-CПEKTPOMETPA
poбoчoгo кoнтypа Lк, Ск вcтанoвлюютьcя близькими дo чаcтoти пocлiдoвнoгo peзoнанcy кваpца.
Пiд чаc дií на poбoчoмy кoнтypi пoтyжнoгo pадioiм-пyльcа збyджeння та вiдpазy пicля fora закiнчeння на-пpyга на peзoнатopi ZQ, oбмeжeна p-i-n дioдами VD2, VD3, те пepeвищye Umax = 1 B, щр запoбiгаe pyйнy-ванню кваpцoвo'í плаcтини. Hаcтyпнe згаcання амплиу-ди кoливань дo дeякoгo piвня Umin вiдбyваeтьcя за чаc
Umax
т = —Г ln 77—,
nf0 Umin
(l)
Дe Qкв - Дoбpoтнicть кваpцoвoгo peзoнатopа, fo - йoгo peзoнанcна чаcтoта.
Якщo за Umin пpийняти напpyгy тeплoвoгo шуму на poбoчoмy кoнтypi Lк, Ск, то виpаз (1) дoзвoляe poзpа-xyвати тpивалicть згаcання pадioiмпyльcа, щo iмiтye пoтyжний cигнал ЯKP-вiдгyкy. Beличинy шyмoвoí на-пpyги на кoнтypi мoжна знайти за фopмyлoю ^й-квшта:
иш = 74kTrnА АцА.
(2)
Tyт Тш - шyмoва тeмпepатypа кoнтypа, Atпp - cмyга пpoпycкання пpиймача cпeктpoмeтpа, Zк - peзoнанc-ний oпip кoнтypа. Bиpаз (2) дoзвoляe oцiнити шyмoвy напpyгy нeoxoлoджyванoгo кoнтypа, наcтpoeнoгo на ча^ тоту to = 5 MГц, на piвнi U0 « 2 м^. Пpийнявши дoб-poтнicть кваpцoвoгo peзoнатopа Qкв = 104, з (1) oтpи-маeмo: т « 8 ма
Hа наcтyпнoмy eтапi налагoджeння peзoнатop rnpe-вcтанoвлюeтьcя в poзнiм X2. Iмiтатop зв'язаний шду-ктивнo з кoтyшкoю poбoчoгo кoнтypа. ^тушка зв'язку дiамeтpoм 1 cм cкладаeтьcя з двox виткiв мiднoгo пpo-вoдy.
Плата iмiтатopа мoжe пepeмiщyватиcь вiднocнo тетушки poбoчoгo кoнтypа. Hавeдeний в poбoчoмy тен-тypi згаcаючими кoливаннями кваpцoвoгo гeнepатopа отгнал залeжить вiд вiдcтанi мiж тетушками Lзв та Lк i íx взаeмнoí opieнтацií. Пpиcтpiй дoзвoляe змшювати piвeнь iмiтацiйниx cигналiв у шиpoкoмy дiапазoнi: вiд coтeнь мiлiвoльт дo oдиниць мiкpoвoльт, тoбтo дo piв-ня напpyги тeплoвoгo шуму на poбoчoмy кoнтypi.
Чаcтoта вiдгyкy в мeжаx дeкiлькox кiлoгepц мoжe змiнюватиcь за дoпoмoгoю ваpикапy VD1. Мтащя змiни шиpини лiнií в crn^pi ЯKP дocягаeтьcя ваpiа-щею дoбpoтнocтi кoла peзoнатopа ZQ за дoпoмoгoю peгyлювання peзиcтopoм R1 вeличини внeceнoгo актив-нoгo oпopy втpат.
Iмiтатop мoжe бути заcтocoваний татеж для наcтpo-ювання pадiocпeктpoмeтpа, шр пpацюe в peжимi cти-мулювання квадpyпoльниx пepexoдiв iмпyльcoм збу-джeння з чаcтoтoю запoвнeння, poзcтpoeнoю вiднocнo чаcтoти лiнií в cпeктpi дocлiджyванoí peчoвини. Beли-чина мoжливoгo poзcтpoювання пpи poбoтi iмiтатopа
на чаcтoтi fo = 5 MГц та peгyлюваннi peзиcтopoм R1 дoб-pomocn кваpцoвoгo peзoнатopа в мeжаx Q^ = 103-104 мoжe бути o^rnm як Af = to/Qкв = 0,5-5,0 кГц.
РЕЗУЛЬТАТИ
Poбoта oпиcанoгo пpиcтpoю iлюcтpyeтьcя ocцилo-гpамoю cигналy iмiтацií ЯKP-вiдгyкy (pиc. 2). O^Kno-гpама oдepжана за дoпoмoгoю цифpoвoгo запам'ятo-вyючoгo ocцилoгpафа типу Tektronix TDS 1012, тд'ед-нанoгo дo виxoдy iмпyльcнoгo cпeктpoмeтpа.
B дагому випадку заcтocoванo кваpцoвий peзoнатop на чаcтoтy fo = 5000 кГц. Чаcтoта запoвнeння pадioiм-пyльciв збyджeння cтанoвила = 5001,5 кГц. B пpo-цeci oптимiзацií peжимiв вcix вyзлiв cпeктpoмeтpа зв'я-зoк iмiтатopа з poбoчим кoнтypoм пocтyпoвo змeншy-вавcя. B peзyльтатi зафiкcoванo cигнал iмiтацií, cпiв-poзмipний з piвнeм шyмoвoí напpyги на ^OTypi. Bи-дiлeння кopиcнoгo cигналy здiйcнeнo пpoгpамнo-апа-
Pucyнoк 2 - ВтгЛяд crnnaëie iMimaôiïï Ha вuxoдi cneкmрoмemрa
Pucyнoк 3 - CuMaëu ЯKP-вiдгyкy ядер amoMie 14N зрaзкa mecmoeoï рeчoвuнu NaNO2
ратним методом багаторазового (64 реал!зац!!) усеред-нення зашумленого сигналу.
Для пор!вняння на рис. 3 приведено реальн! сигна-ли ЯКР-в!дгуку, одержан! збудженням квадрупольних момент!в ядер атом!в 14N зразка тестово! речовини NaNO2.
Тривал!сть збуджуючих радю!мпульс!в т становила 40 мкс. Для виконання умови утИ = п/2, що необ-х!дно для ефективного збудження сп!ново! системи ядер азоту в NaNO2, !мпульсна потужн!сть передавача спектрометра була встановлена на р!вн! близько 200 Вт. Тут у - г!ромагн!тне в!дношення ядра, И -напружен!сть магн!тно! компоненти поля. Робота велась в режим! розстройки частоти заповнення збуджуючих радю!мпульс!в (f^ = 4645 кГц) в!дносно частоти ЯКР-в!дгуку. Об'ем робочого контура спектрометра складав 0,1 л, а маса зразка тестово' речовини - 0,5 г. Зразок знаходився при юмнатнш температур!. На осци-лограм! видно биття сигналу ЯКР-в!дгуку !з збуджую-чими коливаннями. При цьому огинаюча згасаючих ос-циляц!й сп!впадае з кривою сп!н-гратково! релаксац!! збуджених ядер атом!в 14N в NaNO2, характерною для наведених умов експерименту.
висновки
Як видно, форма згасаючих рад!о!мпульс!в !м!та-тора та 'х ампл!тудно-часов! характеристики набли-
жаються до в!дпов!дних показник!в сигналу ЯКР-в!д-гуку ядер реально! речовини.
Дана робота проведена в рамках проектно!' угоди 2369 м!ж ЧНУ та Науково-технолог!чним центром Укра'ни.
ПЕРЕЛ1К ПОСИЛАНЬ
1. Rudakov T. N., Shevchenko S. N. A modified method for measuring the spin relaxation in nuclear quadrupole resonance// Instruments and Experimental techniques. -2003. - Vol. 46, No. 3. - P. 373-375.
2. Белый Ю. И., Гарцев H. А, Семейкин Н. П., Шаршин Ю. А. Разработка обнаружителей взрывчатки на основе ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) // Наукоемкие технологии. - 2005. - Т. 6, № 2. - С. 38-40.
3. Гречишкин В. С., Синявский Н. Я. Новые физические технологии: обнаружение взрывчатых и наркотических веществ методом ядерного квадрупольного резонанса // УФН. - 1997. - Т. 167, № 4. - С. 413-427.
Надшшла 12.04.06
Предложена схема имитатора сигналов для настройки импульсных спектрометров ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР). Колебания, схожие с сигналами ядерной индукции, генерируются кварцевым резонатором. Ударное возбуждение кварцевого резонатора обеспечивается радиоимпульсами накачки спиновой системы исследуемого образца вещества.
The circuit of signal imitator for adjusting of nulclear quadrupole resonance (NQR) pulsed spectrometer is proposed. Oscillations, which are similar to nuclear induction signals, are generated by a quartz resonator. Impact excitation of the quartz resonator is realized by pump pulses of spin system of the investigated matter sample.
УДК 539.2
В. И. Грядун
ВЛИЯНИЕ АКТИВНЫХ АТОМОВ НА ЭНЕРГИЮ ОБРАЗОВАНИЯ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ В КРЕМНИИ
Методом механико-молекулярного моделирования AMBER рассматриваются точечные дефекты и комплексы атомов с вакансиями и междоузельными атомами кремния. Рассчитаны энергии образования точечных дефектов, а также комплексов V-X и IA-X. Показано, что только атомы водорода в комплексе с вакансией снижают энергию ее образования, а для комплексов Si-X она значительно превышает энергию образования собственного межузельного атома.
ВВЕДЕНИЕ
Новые технологии СБИС заостряют проблему микродефектов полупроводниковых структур, так как отношение размера микродефекта к минимальному тех© Грядун В. И., 2006
16
нологическому размеру постоянно возрастает. Это влечет за собой необходимость более глубокого изучения физических явлений в полупроводниках, в частности, процессов генерации точечных дефектов в кристаллах кремния. Пока что нет точных теоретических расчетов энергии образования дефектов Френкеля и Шоттки в полупроводниках, поэтому является целесообразным сделать квантово-механические оценки в этом направлении, как для идеальных дефектов так и для дефектов, возмущенных полем дополнительных атомов, с помощью современных методов молекулярного моделирования. Целью настоящей работы является выяснение влияния активных атомов на энергию образования точечных дефектов в кремнии.
ISSN 1607-3274 «Радюелектрошка. 1нформатика. Управлшня» № 2, 2006
