×
01.09.2018
218.016.81af

Лазерный спектрометр магнитного резонанса

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Использование: для спектроскопии магнитного резонанса. Сущность изобретения заключается в том, что лазерный спектрометр магнитного резонанса для исследования свойств веществ, не возмущенных процедурой измерения, содержит лазерный источник света, входной поляризационный элемент, через который свет от лазерного источника проходит на образец, размещенный в магните, поляризационный элемент регистрации, через который вторичное излучение от образца проходит на оптический детектор, устройство регистрации спектра и тракт высокой частоты, при этом тракт высокой частоты расположен между оптическим детектором и устройством регистрации спектра. Технический результат: обеспечение возможности исследования магнитных свойств веществ, не возмущенных процедурой измерения. 2 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области спектроскопии магнитного резонанса и может быть использовано для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач физики твердого тела, фотоники, микроэлектроники, технологии чистых материалов и пр.

Спектроскопия магнитного резонанса представляет собой одно из важнейших направлений современной физики и технологии. Все известные спектрометры магнитного резонанса основаны на использовании высокочастотного электромагнитного поля, индуцирующего резонанс, и поэтому неизбежно содержат тракт высокой частоты в канале возбуждения. Резонанс наблюдается при совпадении частоты приложенного высокочастотного поля с частотой перехода между магнитными подуровнями системы. Проявлением резонанса могут служить как изменения характеристик высокочастотного поля (как в классических спектрометрах ЭПР и ЯМР), так и изменения свойств исследуемой среды (как, например, при оптическом детектировании магнитного резонанса).

Известны реализующие традиционный метод спектроскопии магнитного резонанса (с каналом высокочастотного возбуждения) на базе лазерно-поляриметрической техники регистрации сигнала способ оптического детектирования магнитного резонанса и устройство для его осуществления [2], которое является наиболее близким по решаемой задаче и принятое в качестве прототипа.

Общим у известного устройства и заявляемого изобретения является то, что они состоят из блоков, включающих лазерный источник света, поляризационные элементы, тракт высокой частоты, магнит с исследуемым образцом, оптический детектор и устройство регистрации спектра. В обоих случаях используется поляриметрический принцип спектроскопической регистрации сигнала, возникающего в результате взаимодействия пучка лазерного излучения с образцом, что, в отличие от традиционных неоптических методов регистрации ЭПР, позволяет реализовать высокое пространственное разрешение.

Недостатком известного устройства является обязательное возбуждение исследуемых веществ через тракт высокой частоты, что делает процедуру измерения с помощью известного устройства и всех аналогичных спектрометров, построенных на основе традиционных методов спектроскопии магнитного резонанса, принципиально возмущающей свойства исследуемых веществ. В ряде случаев этот неустранимый недостаток традиционных спектрометров магнитного резонанса существенно ограничивает область и возможности его практического применения.

Техническим результатом заявленного изобретения является возможность исследования магнитных свойств веществ, не возмущенных процедурой измерения.

Указанный технический результат заявленного изобретения достигается перенесением тракта высокой частоты спектрометра в канал регистрации. В этом случае резонанс обнаруживается по поведению спектра спонтанных шумов намагниченности равновесной спиновой системы. Идея предлагаемого спектрометра базируется на эффекте магнитного резонанса в спектре шумов фарадеевского вращения, который был впервые продемонстрирован экспериментально Е.Б. Александровым и В.С. Запасским в 1981 году [1]. Указанный эффект проявляется в виде особенностей спектра мощности шумов вращения плоскости поляризации светового пучка прошедшего через образец (или отраженного от образца) на частоте магнитного резонанса. Эти особенности и представляют собой спектр спонтанного (то есть, ничем не возмущенного) магнитного резонанса исследуемой системы.

Сущность заявляемого изобретения иллюстрируется Фиг. 1, 2.

На Фиг. 1 представлена блочная схема традиционного лазерного спектрометра магнитного резонанса, который содержит лазерный источник света 1, входной поляризационный элемент 2, через который свет 3 от лазерного источника проходит на образец исследуемого вещества 4, размещенный в магните 5, тракт высокой частоты 6, через который осуществляется высокочастотное возбуждение исследуемого образца, поляризационный элемент регистрации 7, через который вторичное излучение 8 от образца проходит на оптический детектор 9, и устройство регистрации спектра 10.

Мощность поступающего на образец высокочастотного поля обычно модулируется, и поляриметрический сигнал балансного фотодетектора регистрируется на частоте этой модуляции в условиях сканирования приложенного к образцу магнитного поля. При этом магнитный резонанс наблюдается как особенность полевой зависимости регистрируемого поляриметрического сигнала.

На Фиг. 2 представлена блочная схема лазерного спектрометра спонтанного магнитного резонанса. Заявленное изобретение содержит лазерный источник света 1, входной поляризационный элемент 2, через который свет 3 от лазерного источника проходит на образец 4, размещенный в магните 5, поляризационный элемент регистрации 6, через который вторичное излучение 7 от образца проходит на оптический детектор 8, тракт высокой частоты 9 и устройство регистрации спектра 10.

Основное конструктивное отличие предлагаемого изобретения - лазерного спектрометра спонтанного магнитного резонанса - от описанного выше традиционного лазерного магнитного спектрометра состоит в том, что тракт высокой частоты располагается на выходе оптического детектора и служит для передачи высокочастотного сигнала в блок его обработки. При этом регистрируемый высокочастотный сигнал формируется спонтанными шумами термодинамически равновесной системы. В традиционных спектрометрах магнитного резонанса тракт высокой частоты располагается на выходе генератора высокочастотного поля и служит для доставки высокочастотной энергии на образец.

Работа заявляемого изобретения осуществляется следующим образом (Фиг. 2).

Линейно-поляризованный лазерный пучок, прошедший через исследуемый образец, помещенный во внешнее (как правило, поперечное) магнитное поле, проходит через поляризационный элемент регистрации и попадает на оптический детектор, расщепляется поляризационным светоделителем на две ортогонально поляризованные компоненты и поступает на вход балансного детектора, подавляющего избыточные световые шумы, скоррелированные в двух каналах, и удваивающего поляризационные шумы, антикоррелированные в двух каналах.

Лазерный луч фокусируется на образце для увеличения шумового сигнала, возрастающего с уменьшением числа частиц в световом пучке. Выходной сигнал балансного оптического детектора обычно поступает на вход широкополосного спектроанализатора, с помощью которого он оцифровывается, подвергается быстрому преобразованию Фурье, и получаемый в результате спектр копится в реальном времени. Такая схема позволяет существенно повысить чувствительность широкополосных поляриметрических измерений.

Физика магнитного резонанса в спектре шумов фарадеевского вращения состоит в следующем. Магнитные моменты любого парамагнетика находятся в постоянном движении, а намагниченность любого конечного объема парамагнетика, в силу конечного числа содержащихся в нем элементарных моментов (спинов) неизбежно флуктуирует. Эти флуктуации можно наблюдать путем детектирования флуктуации угла вращения плоскости поляризации света («фарадеевского вращения»), прошедшего через этот парамагнетик (или отразившегося от него). Корреляционные характеристики этих флуктуаций (шумов) отражаются в спектре и содержат информацию о спиновой динамике системы. Наиболее интересную информацию о динамике спиновой системы может дать спектр шумов вращения плоскости поляризации света, распространяющегося в среде, помещенной в поперечное магнитное поле. В этом случае любая флуктуационная компонента намагниченности, направленная вдоль волнового вектора светового пучка, прецессируя вокруг приложенного магнитного поля на ларморовой частоте, будет создавать знакопеременную проекцию шумовой намагниченности на направление светового луча и приводить к возникновению осциллирующего сигнала вращения плоскости поляризации на частоте ларморовой прецессии. В результате, спектр шумов фарадеевского вращения обнаружит пик на частоте ларморовой прецессии, ширина которого будет определяться поперечной (фазовой) релаксацией спиновой системы. Иначе говоря, спектр шумов фарадеевского вращения, в этих условиях, обнаружит спектр магнитного резонанса исследуемой системы.

Важным достоинством рассматриваемого изобретения - лазерного спектрометра магнитного резонанса, наряду с невозмущающим характером измерительной процедуры, является возможность детектирования магнитного резонанса в отсутствие магнитной поляризации среды, когда населенности магнитных подуровней оказываются равными или почти равными. В этом случае, стандартный метод оптического детектирования ЭПР (как, впрочем, и все методы традиционной ЭПР спектроскопии) оказывается неприменимым, тогда как спектроскопия спонтанного магнитного резонанса позволяет с тем же успехом проводить измерения в предельно низких магнитных полях или при предельно высоких температурах (пока ширина линии резонанса не становится сопоставимой с резонансной частотой).

Интересно, что диапазон частот магнитного резонанса, доступных лазерной спектроскопии спиновых шумов, никак не ограничивается полосой частот фотодетектора и, при использовании в качестве источника пробного излучения лазера в режиме синхронизации мод, генерирующего импульсы субпикосекундной длительности, может достигать области терагерц [3, 4].

Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.

В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: спектры магнитного резонанса легированных полупроводниковых структур были зарегистрированы в условиях их оптического зондирования в области прозрачности, т.е. в условиях когда зондирующий световой поток не вызывает в среде реальных оптических переходов и, тем самым, измерительная процедура является невозмущающей.

Как показали результаты апробации, которые представлены примером, заявленное изобретение позволяет эффективно проводить измерения спектров электронного парамагнитного резонанса полупроводниковых структур в широком диапазоне магнитных полей и частот резонанса. Невозмущающий характер измерительной процедуры был подтвержден отсутствием зависимости результатов измерений от интенсивности пробного лазерного пучка.

Пример. Изобретение было опробовано на объемном образце арсенида галлия, легированного кремнием, с концентрацией носителей заряда 2⋅1016 см-3. Образец имел толщину 300 мкм. Спектры магнитного резонанса были зарегистрированы в диапазоне частот от 30 МГц до 18 ГГц в магнитных полях до 3 Тл с использованием титан-сапфирового лазера в режиме свободной генерации и в режиме синхронизации мод.

Технико-экономическое обоснование эффективности заявляемого изобретения состоит в реализации принципиально невозмущающего метода спектроскопии магнитного резонанса, представляющего особый интерес при диагностике свойств полупроводниковых наноструктур современной электроники и фотоники. Уникальность предлагаемого изобретения также определяется недоступной для всех стандартных спектрометров возможностью регистрации магнитного резонанса при отсутствии магнитной поляризации среды. Кроме того, важными достоинствами предлагаемого изобретения являются простота и связанное с ней удешевление конструкции спектрометра, не содержащего источника высокочастотного возбуждения образца, а также возможность значительного расширения рабочего диапазона частот путем использования лазерных источников в режиме синхронизации мод.

Источники информации

1. Е.Б. Александров и В.С. Запасский, // «Магнитный резонанс в спектре шумов фарадеевского вращения», // ЖЭТФ, том 81, вып. 1(7), с. 132-138, 1981.

2. Р.А. Бабунц, А.А. Солтамова, А.Г. Бадалян, Н.Г. Романов, П.Г. Баранов, // "СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ" // Патент RU 2483316 (заявка №2011147908/28, от 24.11.2011) // (Прототип).

3. S. Starosielec and D. Hogele, // "Ultrafast spin noise spectroscopy," // Appl. Phys. Lett. 93, 051116 (2008).

4. G. Muller, D. Schuh, J. Hubner, and M. Oestreich, // "Electron-spin relaxation in bulk GaAs for doping densities close to the metal-to-insulator transition," // Phys. Rev. В 81, 075216(2010).

Лазерный спектрометр магнитного резонанса для исследования свойств веществ, не возмущенных процедурой измерения, который содержит лазерный источник света, входной поляризационный элемент, через который свет от лазерного источника проходит на образец, размещенный в магните, поляризационный элемент регистрации, через который вторичное излучение от образца проходит на оптический детектор, устройство регистрации спектра и тракт высокой частоты, отличающийся тем, что тракт высокой частоты расположен между оптическим детектором и устройством регистрации спектра.
Лазерный спектрометр магнитного резонанса
Лазерный спектрометр магнитного резонанса
Лазерный спектрометр магнитного резонанса
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 59.
20.04.2016
№216.015.3310

Универсальная рентгеновская трубка для энергодисперсионных рентгеновских спектрометров

Использование: для исследования элементного состава материалов. Сущность изобретения заключается в том, что универсальная рентгеновская трубка для энергодисперсионных рентгеновских спектрометров включает корпус, катод, фокусирующий электрод, анод с рабочей поверхностью, перпендикулярной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002582310
Дата охранного документа: 20.04.2016
20.05.2016
№216.015.3ef7

Способ рентгенофлуоресцентного определения содержания примесей конструкционных материалов

Использование: для рентгенофлуоресцентного определения примесей. Сущность изобретения заключается в том, что рентгенофлуоресцентное определение содержаний примесей конструкционных материалов включает измерение интенсивностей аналитических линий контролируемых примесей в группе образцов этого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002584064
Дата охранного документа: 20.05.2016
20.05.2016
№216.015.3eff

Способ градуировки партии рентгеновских спектрометров

Использование: для градуировки рентгеновских спектрометров. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют отбор из стандартных образцов состава конструкционных материалов образец с нижними значениями скоростей счета по всем определяемым элементам и второй образец с верхними...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002584065
Дата охранного документа: 20.05.2016
20.05.2016
№216.015.408b

Устройство для энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа на основе вторичных излучателей

Использование: для энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализа на основе вторичных излучателей включает рентгеновскую трубку, вторичные излучатели, устройство подачи...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002584066
Дата охранного документа: 20.05.2016
10.06.2016
№216.015.46e6

Способ интенсивной пластической деформации кручением под высоким давлением при ступенчатом нагреве заготовок

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для интенсивной пластической деформации кручением. Для измельчения микроструктуры металлов и повышения их микротвердости, прочности и пластичности способ включает сжатие и последующее кручение заготовки с получением...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002586188
Дата охранного документа: 10.06.2016
13.01.2017
№217.015.84fb

Устройство для диагностики импульсных пучков ионизирующих частиц

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано в ускорительной технике для измерения распределения ионизирующих частиц в поперечном сечении импульсных пучков. Устройство для диагностики профиля пучка ионизирующих частиц содержит систему регистрации распределения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603231
Дата охранного документа: 27.11.2016
25.08.2017
№217.015.b323

Способ определения аминов в безводных средах

Изобретение относится к области аналитической химии для определения аминов в безводных средах. Для этого анализируемую пробу, содержащую амины, растворяют в ацетонитриле с добавкой от 0,01 до 1 моль/л инертной соли, погружают электрод с предварительно нанесенным на него покрытием толщиной от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613880
Дата охранного документа: 21.03.2017
25.08.2017
№217.015.b388

Реагент для количественного спектрофотометрического определения ферроцена в бензине

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к аналитическим реагентам, которые позволяют определять содержание ферроцена в бензине. Реагент для количественного спектрофотометрического определения ферроцена в бензине содержит окислитель, воду, катализатор, в качестве которого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613899
Дата охранного документа: 21.03.2017
25.08.2017
№217.015.b4ee

Способ получения гибридных плазмонно-люминесцентных маркеров

Изобретение относится к способам синтеза гибридных наноструктурированных материалов, а именно к способу получения гибридных плазмонно-люминесцентных маркеров. Способ заключается в формировании металлических плазмонных наночастиц на поверхности неорганических люминесцентных наночастиц,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614245
Дата охранного документа: 24.03.2017
26.08.2017
№217.015.d738

Способ химической переработки полихлорированных бифенилов

Изобретение относится к способу химической переработки технических полихлорированных бифенилов (ПХБ), включающему взаимодействие ПХБ с метоксидом натрия (MeONa), неосушенным от метанола (МеОН), в среде диметилсульфоксида (ДМСО) при мольном соотношении ПХБ:MeONa, равном 1:5, при объемном...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002623216
Дата охранного документа: 23.06.2017
+ добавить свой РИД