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5G技术还有如此妙用?让EPR波谱仪也能支持更高波段

2024-06-03 17:35:01 MAJEED AHMAD 阅读:
新型EPR波谱仪由两个基本构建模块组成:用于产生脉冲的任意波形发生器(AWG),以及可捕获返回信号的数字转换器...

新型“电子顺磁共振”(EPR)波谱仪由于具备更低成本、轻便且易于使用等优势,让更多科学家能使用该技术,而无需经验丰富的人员进行操作。此外,其控制软件设计直观,具有多种自动化功能,使其设置更简单明了,即使不是EPR波谱的专家也能顺利取得结果。GH1ednc

这种强大的脉冲式EPR波谱仪或电子自旋共振(ESR)波谱仪,与核磁共振(NMR)波谱仪十分相似,但它研究的是未配对电子的性质,而不是质子等原子核的性质。它通常用于化学、生物学、材料科学和物理学领域,以研究金属化合物或有机自由基的电子结构。当使用氮氧自旋标记时,该技术在Q波段频率(34GHz)下最敏感。GH1ednc

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图1:新型EPR波谱仪采用模块化设计,比传统解决方案更小、更轻、更便宜。(来源:Spectrum Instrumentation)GH1ednc

然而,EPR波谱仪通常围绕着巨大的电磁体而构建,因此其重量可能超过一吨,而且通常放置在地下室。一家总部位于美国波士顿附近的初创公司Bridge12声称已生产出一种EPR波谱仪,其成本约为现有仪器的一半,而且其尺寸和重量仅为现有仪器的十分之一,因此可以放置在建筑物的任何楼层(图1)。GH1ednc

新型EPR波谱仪由两个基本构建模块组成:一个是用于产生脉冲的任意波形发生器(AWG),另一个是用于捕获返回信号的数字转换器。这些构建模块由德国公司Spectrum Instrumentation提供的板卡实现,为终端用户提供了模块化和灵活的设计。GH1ednc

支援35GHz Q波段

由于雷达技术和移动通信技术的进步,EPR光谱技术在过去几十年来不断发展,这些技术创造了可用于制造EPR 硬件的设备,而EPR 硬件使用的微波技术需要越来越高的频率才能获得更好的分辨率。从历史上看,EPR 波谱仪的工作频率为10GHz (X波段),但由于5G技术的发展,现在有了新的商用设备,可以工作在更高的频率上,如35GHz (Q波段),才足以满足此类应用的频率需求。GH1ednc

首先,该AWG根据实验要求在200至500MHz范围内产生10至100ns的长脉冲,然后使用射频(RF) I/Q混频器将脉冲上变频至10GHz X波段范围,再上变频至Q波段范围。接着,将微波脉冲馈入一个100W的固态放大器后,再送入EPR谐振器。GH1ednc

其次,反射信号被下变频到200至500MHz范围的中频(IF)频率,然后送入数字转换器。相较于将信号下变频为直流(DC)的传统EPR光谱法,这种新方法大大地减少了噪声和伪影。GH1ednc

图2显示了在EPR实验中使用AWG产生脉冲的示例。参见WURST (宽带、均匀速率、平滑截断)脉冲,它是一种宽带微波脉冲,其激励带宽和轮廓外形远远超过简单的矩形脉冲。这些脉冲有助于在EPR光谱中进行宽带激发,同时在很大程度上依赖于AWG的性能。GH1ednc

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图2:EPR光谱实验中显示了AWG产生的WURST脉冲。(来源:Spectrum Instrumentation)GH1ednc

该EPR波谱仪采用模块化设计,将AWG和数字转换器卡集成于Netbox中,可通过以太网连接到PC。因此,一台小巧的PC就能取代一个大到足以插入板卡的系统,而且大型系统不可避免地还可能需要庞大的机架式解决方案。因此,在现场维修EPR波谱仪和更换组件就变得更容易得多了。GH1ednc

这种新型EPR波谱仪还有另一个值得注意的设计特点,即其采用了更小的超导磁铁来产生所需的磁场强度。相比之下,以前的EPR波谱仪通常使用巨大、沉重的电磁体来产生大约1到1.5特斯拉(Tesla)的强磁场。GH1ednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:EPR spectrometer and its AWG and digitizer building blocks,由Susan Hong编译)GH1ednc

责编:Ricardo
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