窄带微波光谱仪的信号采样技术研究

发布时间：2020-06-04 20:34

【摘要】：傅里叶变换微波光谱仪是测量分子转动跃迁的主要工具,是研究分子转动光谱学的重要仪器。以量子力学为基础的转动光谱学对物质分子的结构分析以及破解射电望远镜所捕获的深空分子信号至关重要,这使得微波光谱仪在相关领域能发挥不可或缺的作用。目前,世界各国都在致力于研制和改进微波光谱仪以提高仪器的分辨率、灵敏度、以及应用范围。美国航空航天局还设立基金用于实验室研究潜在星际分子的光谱。我国在该领域发展较晚,当前正在仪器研制上进行积极的探索,期望为科学的发展做出应有的贡献。本文利用实验室刚研制的窄带傅里叶变换微波光谱仪,从微波光谱仪的信号采样技术入手,提出多种方法用于解决微波光谱仪的灵敏度问题。首先将零差式检测模式与外差式检测模式分别运用到微波光谱仪的搭建当中,通过对比实验讨论了两种方法对分子转动光谱信号的影响。接着重点提出多脉冲自由感应衰减技术,并通过实验验证了该技术能够提高窄带微波光谱仪所捕获光谱的信噪比。最后,以2-氟苯甲腈为样品,在窄带微波光谱仪的零差式检测模式下采用多脉冲自由感应衰减技术采集到该分子的转动光谱数据,并使用SPFIT/SPCAT软件对其光谱进行归属和拟合分析,从而进一步验证了多脉冲自由感应衰减技术对提高仪器灵敏度的积极作用。
【图文】：

方向图,微波吸收,傅里叶变换,光谱仪

后来通过Ｅｋｋｅｒｓ和Ｆｌｙｇａｒｅ［１７］的研究，微波脉冲傅里叶变换技术逐渐被人所接受，逡逑相比于以前的方法，该方法确实提高了微波光谱仪的灵敏度和分辨率，也因此被渐渐应逡逑用于微波光谱仪的研制当中。原理图如图１．３ｂ所示。１９７９年，Ｂａｌｌｅ和Ｆｌｙｇａｒｅ开发的脉冲逡逑超声喷射傅里叶变换微波波谱仪［１８］，将脉冲喷嘴设置在真空室的顶部，使微波脉冲与样逡逑品气体充分反应。如图１．３ｃ所示。通过这种微波光谱仪观测到了邋Ａｒ－ＨＣｌ弱相互作用体系逡逑的强转动跃迁光谱。由于该仪器的分辨率和灵敏度非常高，被认为是对于研究弱相互作逡逑用体系（如氢键、范德华力等）有效的测量工具。逡逑ａ邋微波源逦＞邋吸收池邋逦＞邋示波器逡逑ｂ邋微波源吸收池逦——＞逦示波器逦ＦＴ逡逑傅里叶变换逡逑ｃ邋微波源－＞［邋示波器逦ＦＴ邋｜逡逑法－布腔傅里叶变换逡逑图１．３微波光谱仪的基本原理图（ａ．波导微波吸收光谱仪；ｂ．脉冲傅里叶变换微波吸收光谱仪；ｃ．脉逡逑冲超声喷射傅里叶变换微波光谱仪，分子束脉冲方向与微波传播方向垂直）逡逑十年后，，Ｓｕｅｎｒａｍ等［１９］简化了ＰＮＦＴＭＷ的仪器装置，他将单边带堥合器（ＳＳＢＭ）替代逡逑了ＰＮＦＴＭＷ仪器中的辅助微波振荡器，使得微波光谱仪只需要一个微波源，对比曾经的逡逑超外差法的两个微波源更加简化的实验步骤。后来Ｇｒａｂｏｗ和Ｓｔａｈｌ［２Ｇ］进一步改进了装置，逡逑将脉冲喷嘴的位置从真空腔体的顶部移到了与法布里－珀罗腔同轴的位置上，这被人命逡逑名为同轴分子束共振排列（ＣＯＢＲＡ）。改进后的仪器可以使微波射入的方向与分子脉冲逡逑的方向保持一致

窄带,腔体,分子束

在电路设计方面工序繁多且复杂。而到了本世纪初，新型的微波光谱仪随着微波电子技逡逑术的迅速发展大都采用零差式检测模式在确保信噪比的前提下简化设计。逡逑窄带微波光谱仪的简略图如图２．１所示。主要有六个部分组成。（１）邋４－４０ＧＨＺ的微逡逑波发生器：它不仅能够提供一种非常短（大约ｌ－３ｐ）的强电磁辐射脉冲用于激发分子，还逡逑能为混合器提供一个参考信号；（２）法布里－珀罗腔：腔体内是呈共轴近共焦相向排列逡逑的两个完全相同的反光聚焦球面铝镜。根据微波的工作频率，可以使用马达来精确的调逡逑控法布里－珀罗腔的间距，能够在工作频率段形成带宽不到１ＭＨｚ的共振驻波，从而起逡逑到临时储存微波能量有效激发样品分子的作用。（３）分子束源：通过电磁阀的控制可以逡逑向真空腔喷入５００＃的样品气体；（４）低噪声放大器：可以检测出腔体内脉冲分子微弱逡逑的发射信号；（５）混频器：使来自微波发生器的参考信号与分子发射信号进行混频，从逡逑而产生低频信号用于模拟数字转换；（６）抽真空泵：用于维持真空腔体内的高真空度。逡逑分子束源逡逑逦邋／逦逡逑□法－布腔逡逑／邋Ｉ逦ｚ４逦＼逦低噪声发逡逑／邋ａ逦＇大器逡逑＾逦＾邋N逦１—邋￣Ｃ＞—逡逑ｂ逦…’Ｈ逡逑图２．１窄带微波光谱仪简略图逡逑１１逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH744.1

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