Praha 12 2 2007 Vechno co jste chtli

Praha 12. 2. 2007

Všechno, co jste chtěli vědět o pražském mikrovlnném spektrometru (ale báli jste se zeptat) Patrik Kania

Experimentální uspořádání spektrometru vysílací anténa zesilovač* čočky přijímací anténa násobič** detektor bias generátor HP 83650 B osciloskop fázově-citlivý zesilovač řídící počítač

A generování mikrovlnného signálu B detekce mikrovlnného signálu C kyvetový systém D frekvenční stabilizace E řízení spektrometru F akvizice dat G modulace signálů H typy experimentálního uspořádání

Generování mikrovlnného signálu

generování mikrovlnného signálu Nový přístup ! zařízení se svazkem elektronů STANDARD polovodičové zařízení MODERNÍ PŘÍSTUP pražský MW spektrometr

generování mikrovlnného signálu Zdroj mikrovlnného záření polovodičový generátor HP 83650 B s Gunnovými diodami + následnou filtrací signálu Yi. G filtrem ?

generování mikrovlnného signálu Co je Gunnova dioda a jak pracuje ? - polovodičové zařízení využívající efektu objeveného J. Gunnem (1963) Gunnův efekt – záporný dynamický odpor v polovodiči.

generování mikrovlnného signálu Co je Gunnova dioda a jak pracuje ? Jakákoliv malá fluktuace napětí v oblasti, kde dynamický odpor je záporný r<0, vede ke vzniku oscilací, jež způsobí rozkmitání napětí aplikované na diodu.

generování mikrovlnného signálu Co je Gunnova dioda a jak pracuje ? Levinshtein

generování mikrovlnného signálu Zdroj mikrovlnného záření polovodičový generátor HP 83650 B s Gunnovými diodami + žádné vysoké napětí + bez chlazení + žádné magnetické pole + kompaktnost + frekvenční stabilizace Rozsah proladění: 10 MHz - 50 GHz s výstupním výkonem až 100 m. W

generování mikrovlnného signálu A co dále? Jak měřit nad 50 GHz? 12 C 16 O J = 1← 0 v = 115, 2712018 (5) GHz

generování mikrovlnného signálu Násobiče frekvencí Jak? využitím nelineární impedance měnící se s aplikovaným napětím Schottkyho dioda výstup k dispozici doublery tripler quadrupler sextupler 1 cm

generování mikrovlnného signálu Cimrmanova dioda Schottkyho dioda -využívá přechodu KOV – POLOVODIČ I Walter Schottky Jára H. Cimrman 0, 2 V U vodivost dána emisí elektronů z polovodiče do vodivostního pásu kovu - je rychlejší oproti p-n diodám, které jsou zatíženy rekombinacemi děr a e. KOV - zlato, platina, titan POLOVODIČ – Si, Ga. As nižší úbytek napětí v propustném směru nižší ztráty energie

generování mikrovlnného signálu Skvělé Schottkyho diody jako násobiče vstupní signál s frekvencí f Doubler D 55 násobič (f. frekvence Virginia diodes) výstupní signál s frekvencí 2 n x f ztráta vstupní energie záření

generování mikrovlnného signálu Skvělé Schottkyho diody jako násobiče vstupní signál s frekvencí f násobič frekvence výstupní signál s frekvencí n x f ztráta vstupní energie záření použití zesilovače

generování mikrovlnného signálu Jaké typy násobičů máme ? Jak fungují? využití nelineární impedance měnící se s aplikovaným napětím nelineární změna odporu VARISTOR nelineární změna kapacity + široké frekvenční pásmo - nižší účinnost - úzké frekvenční pásmo + vyšší účinnost teoreticky 100 % teoreticky WR 12 x 2 WR 2. 8 x 3 WR 6. 5 x 2 WR 4. 3 x 6 WR 6. 2 x 4 VARACTOR doubler tripler doubler sextupler quadrupler 25 % 11 % 25 % 2, 7 % 6, 2 % D 55 v 2 doubler D 60 v 4 doubler

generování mikrovlnného signálu Jaké typy násobičů máme ? nelineární změna odporu VARISTOR + široké frekvenční pásmo - nižší účinnost VARACTOR - úzké frekvenční pásmo + vyšší účinnost teoreticky 100 % teoreticky WR 12 x 2 doubler nelineární změna kapacity 25 % D 55 v 2 doubler

LEGO spektrometr = + =

generování mikrovlnného signálu Frekvenční rozsah generovaného záření

generování mikrovlnného signálu Frekvenční rozsah generovaného záření

Experimentální uspořádání spektrometru vysílací anténa zesilovač* generátor HP 83650 B násobič**

Detekce mikrovlnného signálu

detekce mikrovlnného signálu Schottkyho dioda jako detektor princip - usměrňování střídavé elektrické složky mikrovlnného záření typická citlivost 500 m. V/m. W

detekce mikrovlnného signálu Schottkyho dioda jako detektor ANO !

detekce mikrovlnného signálu Schottkyho dioda jako detektor

Kyvetový systém

Antény Anténa poskytuje impedanční přizpůsobení mezi vlnovodem a volným prostředím naše antény - corrugated – lepší profil svazku (dražší, výrobně náročnější) - diagonální

Antény Vlnovodové lícování (ang. matching) vlnovod WR 19 anténa detektor výjimka u quadrupleru s WR 6 - k dispozici antény WR 8 či 5 u sextupleru s WR 4. 3 – k dispozici antény WR 5 či 3 WR 4. 3 WR 5

Antény Vlnovodové lícování (ang. matching) ztráty? 1% výjimka u quadrupleru s WR 6 - k dispozici antény WR 8 či 5 u sextupleru s WR 4. 3 – k dispozici antény WR 5 či 3 WR 4. 3 WR 5

Čočky doposud použití sférických čoček nevýhoda – aberační defekt řešení – využití hyperbolických čoček typické materiály pro výrobu: teflon, PE, PP výroba: pomocí počítačem řízeného soustruhu

Měřicí kyvety Pyrexové kyvety s teflonovými okénky vnitřní průměr D = 70 - 100 mm celková délka L = 150 – 280 cm

Tvorba vakua 2 stupňová tvorba pomocí TURBO a rotační pumpy ROTAČNÍ PUMPA TURBMOLEKULÁRNÍ PUMPA minim. dosaž. tlak <5· 10 -7 mbar nutnost předvakua <10 -2 mbar !!! minim. dosaž. tlak <4· 10 -3 mbar může čerpat proti atmosféře !

Tvorba vakua 2 stupňová tvorba pomocí difúzní a rotační pumpy DIFÚZNÍ PUMPA minim. dosaž. tlak <5· 10 -7 mbar nutnost předvakua <10 -2 mbar !!! ROTAČNÍ PUMPA minim. dosaž. tlak <4· 10 -3 mbar může čerpat proti atmosféře !

Frekvenční stabilizace

frekvenční stabilizace Frekvenční stabilizace - využití vnitřního frekvenčního standardu MW generátoru stárnutí < 5· 10 -10 Δf/f /24 hodin - možnost používání externího rubidiového standardu stárnutí < 2· 10 -12 Δf/f /24 hodin možnost další stabilizace pomocí GPS systému !

frekvenční stabilizace GPS frekvenční standard stabilizuje Rb externí frekvenční standard výstup ve formě 1 PPS (pulse per second) ( ± 9 ns) příjem signálu 1 PPS na frekvenci 1575, 42 MHz

frekvenční stabilizace GPS frekvenční standard Azimut 360° Elevace 5 - 90° detekce až 12 satelitů

Frekvenční stabilizace pomocí GPS receiver Rb standard 1 PPS signál kódovaný 1 PPS signál MW generátor GPS modulus

frekvenční stabilizace Frekvenční stabilizace Rb standardu pomocí GPS NE ANO t

frekvenční stabilizace Frekvenční stabilizace

Řízení spektrometru

řízení spektrometru Řízení spektrometru

řízení spektrometru Řízení spektrometru

řízení spektrometru Řízení spektrometru program vytvořený v programovacím jazyce Lab. VIEWTM verze 6. 1 (National Instruments)

kapacitní tlakoměr

teplotní čidlo Pt 100

Akvizice dat

Akvizice dat

Modulace signálů

Modulace signálů Modulační techniky Kdy? při měření linií s malým absorpčním koeficientem či v případě přítomnosti velkého šumu Proč? pro zvýšení poměru analytický signál vs. šum zesílení signálu zahlcení zesilovače průměrování signálu pro získání poměru S/N = 10 potřeba 100 průměrů

Modulace signálů Modulační techniky Jak? periodickou změnou parametrů nosného MW signálu IMW signálu = A cos (wt + f) Fázová modulace Amplitudová modulace Frekvenční modulace

Modulace signálů Amplitudová modulace Jak? periodickou změnou amplitudy nosného MW signálu IMW signálu = A cos (wt + f) Čím? modulační funkcí

Modulace signálů Experimentální uspořádání AM spektrometru zesilovač* násobič** detektor vzorek bias generátor HP 83650 B ? fázově-citlivý zesilovač vstup referenční funkce

Fázově-citlivý zesilovač

Fázově-citlivý zesilovač

Modulace signálů Amplitudová modulace výhoda při použití amplitudové modulace? převod původního analytického signálu na vyšší frekvence (frekvence modulace) a tím redukce šumů se závislostí n=0… výhoda použití fázově-citlivého zesilovače? použití lock-in zesilovače znamená použití úzkopásmové demodulační techniky zpracování signálu pouze s určitou frekvencí - redukce šumu celkový výsledek – zvýšení poměru signál/šum

Modulace signálů Frekvenční modulace Jak? periodickou změnou frekvence nosného MW signálu IMW signálu = A cos (wt + f) Čím? modulační funkcí MW nosný signál, např. 250400 MHz modulovaný MW signál

Modulace signálů Experimentální uspořádání FM spektrometru zesilovač* násobič** detektor vzorek bias generátor HP 83650 B ? fázově-citlivý zesilovač vstup modulační funkce

Modulace signálů Proč derivační záznamy? absorpční linie AM odezva FM mikrovlnný signál konverze FM mikrovlnného signálu na AM odezvu po průchodu absorpčním prostředím pokud frekvence MW záření n je modulována s frekvencí W a s modulační hloubkou m záření prošlé záření celou IT(n, m, W, t)=IT(n+m·sin. Wt) po rozvinutí v Taylorův polynom

Modulace signálů Frekvenční modulace výhoda při použití frekvenční modulace? stejné výhody jako při použití AM modulace + využití derivačních záznamů, tedy derivačních směrnic a tedy získání vyšší odezvy absorpce vs. frekvence, než při použití původního signálu v 0. derivaci další zvýšení poměru signál/šum

Typy experimentálního uspořádání

Typy experimentálního uspořádání

Jednoprůchodové uspořádání vysílací anténa zesilovač* čočky přijímací anténa násobič** detektor bias generátor HP 83650 B osciloskop fázově-citlivý zesilovač řídící počítač

Dvouprůchodové uspořádání vysílací anténa zesilovač* polarizační mřížka násobič** čočky generátor HP 83650 B střechové zrcadlo přijímací anténa detektor bias fázově-citlivý zesilovač řídící počítač osciloskop

CH 3 CN rotační přechod 5, 3 4, 3 – frekvenční modulace Sub-Dopplerovské měření

Pražský mikrovlnný spektrometr minimální frekvenční rozlišení 1 - 6 Hz výstupní výkon záření až 1600 m. W spektrální rozsah 0, 01 – 400 GHz stabilita frekvence generovaného záření ± 2· 10 -12 Δf/f/24 hodin l Schottkyho diody jako detektory a násobiče záření pracující při pokojové teplotě

Rotačně-hyperjemná spektroskopie? vibrační struktura spektrální rozlišení 0, 15 cm-1 rotačně-hyperjemná struktura spektrální rozlišení 0, 00001 cm-1 rotační struktura spektrální rozlišení 0, 001 cm-1

Rotačně-hyperjemná spektroskopie? spektrální rozlišení 0, 15 cm-1 infračervená oblast rotačně-hyperjemná struktura 12 500 cm-1 mikrovlnná oblast 20 cm-1 spektrální rozlišení 0, 00001 cm-1