Радиоспектроскопии. 
Введение в радиоэлектронику

Радиоспектроскопия — это совокупность методов исследования строения вещества, а также физических и химических процессов в нём, основанных на резонансном поглощении электромагнитных колебаний в диапазоне частот от сотен килогерц до сотен гигагерц.

Радиоспектроскопия изучает вещество в твёрдом, газообразном и жидком состояниях. Радиоспектроскопия отличается от оптической и инфракрасной спектроскопии малыми энергиями поглощаемых квантов. Это позволяет изучать тонкие взаимодействия в веществе. Кроме того, разрешающая способность аппаратуры, применяемой в радиоспектроскопии, настолько высока, что удается изучить взаимодействия, замаскированные обычно побочными явлениями.

Радиоспектроскопия исследует поглощение энергии, обусловленное либо вращательным движением молекул, либо тонкой структурой энергетических уровней. Резонансное поглощение обычно наблюдается в диапазоне частот 10−100 ГГц. Измерение частот вращательных спектров молекул позволяет с большой степенью точности определить структуру молекул и изучить природу химической связи. Вращательный спектр поглощения молекулы зависит от её конфигурации. Этот спектр может быть рассчитан, если известны моменты инерции, которые зависят от конфигурации и размеров молекулы. Сравнение теоретически рассчитанных вращательных спектров молекул с экспериментально наблюдаемыми позволяет определить конфигурацию молекулы, длины связей и углы между ними. Эти данные можно использовать для синтеза новых материалов, например лекарственных препаратов.

Для исследования вращательных спектров молекул волны от генератора СВЧ пропускают через волноводную ячейку (см. рис. 9.24), заполненную исследуемым газом, откуда они попадают на детектор, сигнал которого подаётся на регистрирующий прибор. Сигнал детектора зависит от величины мощности, поглощённой в волноводе. Плавно изменяя частоту генератора, определяют резонансную частоту и интенсивность поглощения, ширину линии поглощения.

Рис. 9.24. Волноводные поглощающие ячейки радиоепекгроскоиов:

а — волноводная ячейка (см. раздел 7.3), свернутая в спираль; б — плавный переход и вакуумное окно ячейки; в — ячейка с диэлектрическим волноводом (см. раздел 7.5).

Для повышения чувствительности радиоспектроскопов интенсивность поглощения модулируют с помощью электрического или магнитного полей. Модуляция происходит за счёт расщепления линий в электрическом (эффект Штарка) или магнитном (эффект Зеемана) полях. Радиоспсктроскопы это сложные радиоэлектронные устройства, часто сопряженные с ЭВМ.

Исследования поглощения электромагнитного поля в молекулах аммиака привело в 1954 г. к созданию советскими физиками Н. Г. Басовым^[1] и А. М. Прохоровым^[2] первого квантового генератора на молекулах аммиака — предвестника появления лазеров.

Поглощение электромагнитного поля в веществе может быть связано не только с электрическими взаимодействиями, но и с магнитными. Такое поглощение наблюдается, как правило, в присутствии постоянного магнитного поля. Оно связано с взаимодействием переменного магнитного поля с магнитным моментом атома, иона или молекулы. Поглощение носит резонансный характер и называется магнитный резонансом. В зависимости от природы магнитного момента различают:

ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — резонансное поглощение, обусловленное переходами между уровнями энергии, возникающими при взаимодействии магнитных моментов ядер с внешним магнитным полем;

электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) — резонансное поглощение, обусловлено переходами между уровнями, возникающими при взаимодействии с внешним магнитным полем магнитных моментов неспаренных электронов атомов, ионов и свободных радикалов, а также магнитных моментов носителей тока в металлах и полупроводниках;

ферримагнитный резонанс (ФР), ферримагнитный резонанс и антиферромагнитный резонанс (АФР) — резонансное поглощение радиоволн в магнитоупорядоченных средах, связанное с коллективным движением магнитных моментов электронов.

Частота ЯМР в постоянном поле порядка 1 Тл находится в интервале частот 1−50 МГц. Линии ЯМР расщепляются и смещаются по частоте (так называемый химический сдвиг) из-за взаимодействия ядер друг с другом и с электронными оболочками атомов и молекул.

Исследования релаксационных процессов, ширины и тонкой структуры линий ЯМР дали много сведений о структуре жидкостей и твёрдых тел. ЯМР высокого разрешения представляет собой стандартный метод определения строения органических молекул. Тесная связь формы сигналов с внутренним движением в веществе позволяет использовать ЯМР для исследования вращений в молекулах и кристаллах, механизма и кинетики химических реакций. На ЯМР основаны приборы для прецизионного измерения и стабилизации магнитного поля.

Несколько измененный магниторезонансный радиоспектроскоп нашел применения в ЯМР-томографе. Это аппарат позволяет произвести объемную реконструкцию внутренней структуры объекта с помощью ЭВМ. Методы ЯМР широко используются не только в медицинской практике, но в медицинской науке. Ядра специально введенной примеси используются для слежения за продвижением малых доз вещества (например, лекарств) в организме. Деятельность организма изменяет характеристики ЯМР. Это используется, например, при изучении деятельности головного мозга. Все эти работы не обходятся без участия радиоинженеров.

Частота ЭПР при поле порядка 1 Тл попадает в диапазон 10−100 ГГц. Линии ЭПР расширяются и расщепляются из-за взаимодействия электронов с внутренними полями в кристаллах, с электронным окружением в свободных радикалах и с электронами проводимости в металлах и полупроводниках. Дополнительное расщепление спектральной линии ЭПР может происходить из-за взаимодействия электронов с ядрами, обладающими магнитными моментами.

Для уверенного наблюдения ЭПР, как правило, требуется охлаждение до низких температур (от 77 К — жидкий азот, до 4 К — жидкий гелий). Поэтому спектроскоп ЭПР довольно громоздкое сооружение (см. рис. 9.25).

Рис. 9.25. Измерительная ячейка радиоснектроскона ЭПР и ЦР

Именно исследования ЭПР в 1956 г. привели к созданию квантового парамагнитного усилителя. Такие усилители применяются в сверхчувствительных приёмниках радиотелескопов. Принцип парамагнитного усилителя на монокристалле рубина послужил основой для создания в 1960 г. первого оптического квантового генератора — лазера.

Диапазон резонансных частот ФР обычно лежит в области 1−300 ГГц. Спектр определяется взаимодействием электронов с внешним магнитным полем и зависит от кристаллической структуры вещества. Поскольку среда является магнитоупорядоченной, ФР легко наблюдается при комнатной температуре. Изучение ФР. привело к созданию на его основе многих устройств сантиметрового и миллиметрового диапазона волн: вентилей и циркуляторов, генераторов, усилителей, параметрических преобразователей частоты и ограничителей мощности.

Ферритовые сферы из железоиттриевого граната используются для создания перестраиваемых резонаторов СВЧ диапазона. Они имеют исключительно высокую добротность (до 3000), при этом допускают перестройку по частоте в широком диапазоне за счет изменения внешнего магнитного поля. На основе таких резонаторов делают фильтры. Их также используют в генераторах СВЧ.

Несколько отдельно от описанных выше резонансных явлений находится циклотронный резонанс (ЦР), который наблюдается в металлах и полупроводниках, помещенных в постоянное магнитное поле. Это явление допускает классическое описание. Резонанс связан с движения зарядов в магнитном поле по замкнутым траекториям. Спектр ЦР в металлах определяется динамическими свойствами электронов проводимости, в полупроводниках — зонной структурой, концентрацией, подвижностью и эффективной массой электронов и дырок. Поэтому циклотронный резонанс широко применяется в физике твёрдого тела при изучении свойств носителей заряда (так называемой эффективной массы). При помощи ЦР можно определить знак заряда носителей, изучить процессы их столкновений с атомами. Возможно также применение ЦР в технике сантиметровых и миллиметровых волн для генерации, усиления и регистрации электромагнитных колебаний.

В настоящее время радиоспектроскопические исследования применяются в физике, химии, биологии, медицине. В технике радиоспектроскопические методы позволяют измерять магнитные поля, температуру, давление, проводить неразрушающий контроль материалов и изделий.

• [1] Николай Геннадиевич Басов (1922;2001) — советский физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1964). Работы Басова посвящены квантовой электронике и её применениям. Его можно считать отцом квантового генератора.
• [2] Александр Михайлович Прохоров (1916;2002) — выдающийся советский физик, один из основоположников важнейшего направления современной физикиквантовой электроники, лауреат Нобелевской премии по физике (1964), один изизобретателей лазерных технологий.