Разработка перестраиваемого спектрометра ЭПР для контроля кристаллических материалов с высокоспиновыми парамагнитными центрами и методика расшифровки спектров

• Автор: Сафаров, Ильдар Мирсаяфович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 155 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ ВЕЩЕСТВ

1.1 Электронный парамагнитный резонанс: основные принципы

и определения

1.2 Принципы построения современных спектрометров ЭПР

и их основные характеристики

1.3 Теоретическое описание спектров ЭПР в рамках формализма спинового гамильтониана
1.4 Выводы
Глава 2 КОНСТРУКЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО СПЕКТРОМЕТРА ЭПР С ВОЛНОВОДНЫМ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ТРАКТОМ
2.1 Сверхвысокочастотный блок
2.2 Перестраиваемый цилиндрический резонатор оригинальной конструкции
2.3 Тракт усиления сигнала автоматической подстройки частоты клистронов
2.4 Тракт усиления сигнала ЭПР
2.5 Блок электромагнита
2.6 Основные технические характеристики спектрометра
Глава 3 ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ВЕКТОРОВ Я0 И Йг/ В ЛОКАЛЬНЫХ
СИСТЕМАХ КООРДИНАТ
3.1 Лабораторная и локальные системы координат (определения)

3.2 Представления векторов Я0 и Ягу в лабораторной системе координат
3.3 Матрицы преобразований систем координат, необходимые для представления векторов Я0 и Я в локальных системах координат
3.3.1 Матрицы преобразования для трех ансамблей магнитнонеэквивалентных примесных центров тетрагональной симметрии
в кристаллах кубической симметрии
3.3.2 Матрицы преобразования для шести ансамблей магнитнонеэквивалентных примесных центров ромбической симметрии
в кристалле кубической симметрии
3.3.3 Тригональные центры в кубическом кристалле с главными осями, параллельными кристаллографическим осям < 111 >, < 1 То > и < 112 >
3.4 Выводы
Глава 4 МЕТОДИКА РАСШИФРОВКИ СПЕКТРОВ ВЫСОКОСПИНОВЫХ ПАРАМАГНИТНЫХ ЦЕНТРОВ, НАБЛЮДАЕМЫХ НА ПЕРЕСТРАИВАЕМОМ СПЕКТРОМЕТРЕ ЭПР
4.1 Общие положения
4.2 Расшифровка спектров ЭПР низкосимметричных парамагнитных центров с полуцелыми спиновыми моментами
4.3 Расшифровка спектров ЭПР низкосимметричных парамагнитных центров с целым эффективным спиновым моментом
4.4 Расшифровка спектров ЭПР ромбических центров Бе3+ в кристалле РЫТ (пример использования методики)
Основные результаты и выводы
Цитируемая литература
Авторская литература по теме диссертации
Приложения

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Кристаллы с высокоспиновыми парамагнитными центрами (Б > 2) являются перспективными материалами для создания приборов квантовой электроники (лазеров, мазеров, квантовых парамагнитных усилителей и др.). Одним из наиболее эффективных методов изучения и контроля подобных материалов является метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). В настоящее время промышленностью различных стран выпускаются только узкополосные спектрометры ЭПР, работающие практически на фиксированных частотах. Такие спектрометры очень удобны и эффективны при изучении и контроле материалов, содержащих парамагнитные центры со спиновым моментом 8 = 1/2. Однако в случае центров с 8 > 2 существующие узкополосные спектрометры не всегда позволяют достаточно точно и однозначно определить их физические характеристики [1]. Особенно большие затруднения в расшифровке спектров, регистрируемых узкополосными спектрометрами ЭПР, возникают в случае низкосимметричных центров с 8 > 2, образующихся при легировании кристаллов кубической группы. Большое число магнитно-неэквивалентных центров и начальные расщепления уровней их основного спинового мультиплета, сравнимые (в большинстве случаев) с квантом электромагнитного поля в резонаторе спектрометра, являются причиной появления в спектрах ЭПР большого количества перекрывающихся линий. Невозможность разрешения спектральных линий приводит к тому, что расшифровка таких спектров ЭПР не может быть осуществлена по методикам, разработанным для одночастотной спектроскопии (путем анализа угловых зависимостей положений резонансных линий спектра, зарегистрированного на одной частоте). Даже совместное использование нескольких узкополосных спектрометров, работающих в удаленных друг от друга частотных точках, далеко не всегда позволяет реализовать полную расшифровку спектров ЭПР.

Таблица
Марка спектрометра БАЮО ГА200 БАЗОО
Чувствительность 7x10У спин/0,1 мТл
Разрешение 2.35 мкТл
Макс. Поле, Тл 0,65 1,3 1
Развертка, мТл 250±0,01 500±0,01 500±0
Диаметр полюсных наконечников/межполюсное расстояние, мм 150/60 240/60 360/75
Стабильность о О К
Частота (ГГ ц) 8,750-9,650
Выходная мощность, мВт 0,0001 -200
Добротность резонатора 18000
Разрядность АЦП, бит 16
Следует подчеркнуть, что спектрометры, выпускаемые фирмой «1ео1», обладают возможностью перестройки частоты ЭПР-излучения в более широком диапазоне, по сравнению со спектрометрами других
производителей, упомянутых выше. Однако, изменения частоты даже в таких пределах, порой бывает недостаточными для проведения ряда
экспериментов.
Рассмотрим характеристики спектрометров ЭПР, выпускаемые УП «Конструкторское бюро специальной техники» БГУ. Предприятие УП "КБСТ" БГУ (г. Минск) выпускает спектрометры электронного парамагнитного резонанса "ЕБК70-03 ХО/1" (9,2-9.5 ГГц) и "ЕБ1170-03 ХП/2" (9,1-9.6 ГГц). Данные устройства представляют собой полностью автоматизированные приборы, предназначенные для физико-химических исследований в научных и производственно-технологических целях, и применяется в медицине, экологии, геологии, химии, металлургии и других отраслях. Приборы могут дополнительно комплектоваться системой
стабилизации температуры образца в резонаторе. Они снабжены
малогабаритными электромагнитами с воздушным (величина поля до 0,4 Т) или водяным (величина поля до 0.8 Т) охлаждением. Их СВЧ-тракт выполнен по гомодинной схеме с использованием балансного детектора, р-ьп