CC BY
24ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2013 Серия: Физика Вып. 3 (25)
УДК 539.143.44
Приемник сигналов релаксометра ЯКР
А. С. Ажеганов, К. В. Кузнецова, А. В. Манцуров
Пермский государственный национальный исследовательский университет 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
Разработан и изготовлен приемник сигналов релаксометра ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) с диапазоном рабочих частот 20 - 100 МГц. Работоспособность приемника была подтверждена во время испытаний, в ходе которых были получены осциллограммы исследуемых веществ.
Ключевые слова: приемник сигналов; релаксометр;
1. Введение
Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР) - явление поглощения и излучения энергии электромагнитного поля атомными ядрами, обладающими электрическим квадрупольным моментом. ЯКР -сугубо квантовое явление. Система энергетических уровней ядра образуется при взаимодействии электрического квадрупольного момента ядра с неоднородным электрическим полем окружающих его электронов [1].
В лаборатории радиоспектроскопии университета используется релаксометр ядерного квадрупольного резонанса. Одним из основных элементов релаксометра является приемник сигналов. К приемнику сигналов ЯКР предъявляются следующие требования: широкий диапазон частот, большой коэффициент усиления и малое время восстановления после перегрузки радиоимпульсом [2].
Диапазон частот исследуемых сигналов ЯКР релаксометра, используемого в лаборатории радиоспектроскопии при проведении лабораторного практикума по «Квантовой радиофизике», ограничен диапазоном частот приемного тракта (2 - 50 МГц).
С целью расширения диапазона частот был разработан, изготовлен и настроен приемник сигналов ЯКР, имеющий следующие технические характеристики:
• диапазон рабочих частот - не менее
20... 100 МГц;
• промежуточная частота - 10 МГц;
• неравномерность АЧХ в рабочем диапа-
зоне частот - не более 6 дБ;
• коэффициент усиления - 90... 100 дБ;
ядерный квадрупольный резонанс; ЯКР
• глубина регулировки усиления - 35 дБ;
• детектирование сигнала: амплитудное и синхронное;
полоса пропускания фильтра детектора -от 1 до 30 кГц, регулируемая;
• время восстановления после перегрузки зондирующим радиоимпульсом - не более 10 мкс.
2. Приемник сигналов
2.1. Структурная схема приемника сигналов ЯКР
На рис. 1 представлена структурная схема приемника сигналов ЯКР.
В состав приемника сигналов ЯКР входят:
1) предварительный усилитель;
2) гетеродин;
3) смеситель;
4) первый каскад усилителя промежуточной частоты (УПЧ);
5) аттенюатор;
6) второй, третий и четвертый каскады УПЧ;
7) детекторы;
8) фильтр нижних частот (ФНЧ);
9) видеоусилитель.
Через предварительный усилитель на смеситель подается исследуемый сигнал ЯКР, а также сигнал с гетеродина. С выхода смесителя сигнал выделяется колебательным контуром и попадает на УПЧ. Усиленный сигнал поступает на один из детекторов (вид детектирования выбирается переключателем на передней панели корпуса приемника). Далее продетектированный сигнал выделяется ФНЧ и подается на видеоусилитель.
© Ажеганов А. С., Кузнецова К. В., Манцуров А. В., 2013
88
1 3 4 5 6 7
/ ДБ / » X
I
Рис. 1. Структурная схема приемника сигналов ЯКР
2.2. Смеситель
На рис. 2 представлена принципиальная схема смесителя. Смеситель сигналов построен по схеме балансного кольцевого модулятора, составленного из 4 диодов КД514А. Кольцевой смеситель характеризуются низким уровнем шумов и высоким коэффициентом передачи напряжения [4]. Благодаря симметричной конструкции используемых в схеме трансформаторов и диодного кольца обеспечивается внутренняя взаимная развязка входов сигнала, гетеродина и выхода смесителя.
Трансформаторы построены по типу «длинная линия» [3]. Трансформаторы Т1 и Т5 преобразуют недифференциальные входы в дифференциальные, трансформаторы Т2, Т4, Тб и Т7 - симметрирующие.
На вход смесителя поступает исследуемый сигнал через широкополосный дифференциальный усилитель УТ1-УТ2 КТ368А с коэффициентом
усиления 20дБ. Равномерность АЧХ обеспечивается цепью отрицательной обратной связи на резисторах Ш-117 и 114-118. Опорный сигнал с гетеродина проходит через усилитель-ограничитель Б1, построенный на микросхеме К500ЛП116 и представляющий собой два дифференциальных каскада
01.1, 01.2. С выхода смесителя снимается сигнал разностных частот через колебательный контур, настроенный на промежуточную частоту 10 МГц. Коэффициент передачи входного сигнала составляет 12 дБ.
2.3. Усилитель промежуточной частоты
Усилитель промежуточной частоты содержит четыре дифференциальных каскада на транзисторах КТ368А. Принципиальная схема усилителя показана на рис. 3. Нагрузкой каждого каскада является колебательный контур Ь3-Ь4-С5 с резонансной частотой /= 10 МГц и добротностью Q порядка 10.
К первому колебательному контуру подключен аттенюатор БЗ-04 из двух р-і-п-диодов КА507А с глубиной регулировки 40 дБ. Регулировка усиления производится потенциометром Ш1. Для уменьшения амплитуды колебаний, возникающих при перегрузке усилителя радиоимпульсом, параллельно колебательным контурам во всех каскадах подключены пары диодов 01-02. Все каскады имеют одинаковую конструкцию.
Для предотвращения возникновения генерации, в цепях питания имеются фильтры СЗ-Я8-1Ли С4-Я9-Ь2, а в базовые цепи транзисторов всех каскадов установлены резисторы 112, 114 номиналом по 50 Ом.
Рис. 2. Предварительный усилитель, усилитель сигнала гетеродина и смеситель. Схема электрическая принципиальная
90
А. С. Ажеганов, К В. Кузнецова, А. В. Манцуров
Каскад №1
Рис. 3. Усилитель промежуточной частоты. Схема электрическая принципиальная
Рис. 4. Видеоусилитель. Схема электрическая принципиальная
На выходе УПЧ установлен амплитудный детектор 07-08, сигнал с которого поступает на ФНЧ Ш4-С8 и видеоусилитель (рис. 4). Коэффициент усиления при питании ±10В, не менее 90 дБ.
2.4. Видеоусилитель
На рис. 4 представлена принципиальная схема видеоусилителя. В данной работе было решено использовать операционный усилитель на микросхеме КР544УД1А с неинвертирующим включением. Коэффициент усиления К = 10 при 113 = 1.0 кОм и 112 = 9.1 кОм. Чтобы в схеме не возникала генерация, в цепях питания имеются фильтры 114-СЗ-С4 и 116-С1-С2.
2.5. Детекторы сигналов
В данном приемнике использовано 2 вида детектора: амплитудный (АД) и синхронный (СД). АД изображен на рис. 3 в составе УПЧ.
Принципиальная схема СД приведена на рис. 5.
Этот детектор выполнен по схеме кольцевого смесителя. После смешивания сигнала опорного генератора с частотой 10 МГц и сигнала с выхода УПЧ получаются колебания с разностной и суммарной частотами. Колебание с разностной частотой выделяется ФНЧ 117-С4 и подается на видеоусилитель. Выбор вида детектирования осуществляется переключателем Ш. Постоянная времени фильтра детектора выбирается переключателем 112.
CHI — 2U СН2 — 500mU
Рис. 6. Осциллограмма сигнала ЯКР на ядрах изотопа 8Ь123 в соединении 8ЬС13 в режиме работы АД
Рис. 7. Осциллограмма сигнала ЯКР на ядрах изотопа 8Ь121 в соединении БЬС1з в режиме работы СД
3. Испытания приемника
При испытании приемника были получены осциллограммы сигналов ЯКР на ядрах сурьмы от кристаллического порошка 8ЬС13 На рис. 6 приведена осциллограмма сигнала ЯКР изотопа 8Ь123 при частоте 67.8 МГц (переход 3/2-5/2) в режиме работы АД, на рис.7 приведена осциллограмма сигнала ЯКР изотопа 8Ь121 при частоте 58.1 МГц (переход 1/2-3/2) в режиме работы СД.
На рисунках отчетливо видны зондирующие радиоимпульсы, сигналы свободной индукции и спинового эха.
4. Выводы
Нами был разработан, изготовлен и настроен приемник сигналов релаксометра ЯКР в соответствии с техническим заданием.
Приемник сигналов ЯКР был испытан в составе релаксометра и в результате испытаний показал свою работоспособность.
Список литературы
1. Ажеганов А. С., Кибрик Г. Е., Золотарев И. В. Практикум по квантовой радиофизике. Ядер-ный квадрупольный резонанс: метод, указ. к выполнению лаб. раб. // Перм. гос. ун-т. Пермь, 2008. 22 с.
2. Ажеганов А. С. Приемник сигналов импульсного спектрометра ЯКР. // Радиоспектроскопия. Пермь: Перм. гос. ун-т, 1987. С. 315-320.
3. Лондон С. Е., Томашевич С. В. Справочник по высокочастотным трансформаторным устройствам. М.: Радио и связь, 1984. 216 с.
4. Чистяков Н. И. Радиоприемные устройства. Библиотека инженера «Современная радиоэлектроника». М.: «Сов. радио», 1978. 157 с.
The signal receiver for the NQR relaxometer
A. S. Azheganov, K. V. Kuznetsova, A. V. Mantsurov
Perm State University, Bukirev St. 15, 614990, Perm
The signal receiver for the relaxometer of nuclear quadrupole resonance (NQR) with operating frequency range from 20 MHz to 100 MHz was developed and produced in this work. It’s efficiency was proved during a test in which we’ve got oscillograms of studied compounds.
Keywords: signal receiver; relaxometer; nuclear quadrupole resonance; NQR
