【摘要】：傅里葉變換微波光譜儀是測量分子轉(zhuǎn)動躍遷的主要工具,是研究分子轉(zhuǎn)動光譜學(xué)的重要儀器。以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動光譜學(xué)對物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)分析以及破解射電望遠(yuǎn)鏡所捕獲的深空分子信號至關(guān)重要,這使得微波光譜儀在相關(guān)領(lǐng)域能發(fā)揮不可或缺的作用。目前,世界各國都在致力于研制和改進(jìn)微波光譜儀以提高儀器的分辨率、靈敏度、以及應(yīng)用范圍。美國航空航天局還設(shè)立基金用于實(shí)驗(yàn)室研究潛在星際分子的光譜。我國在該領(lǐng)域發(fā)展較晚,當(dāng)前正在儀器研制上進(jìn)行積極的探索,期望為科學(xué)的發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。本文利用實(shí)驗(yàn)室剛研制的窄帶傅里葉變換微波光譜儀,從微波光譜儀的信號采樣技術(shù)入手,提出多種方法用于解決微波光譜儀的靈敏度問題。首先將零差式檢測模式與外差式檢測模式分別運(yùn)用到微波光譜儀的搭建當(dāng)中,通過對比實(shí)驗(yàn)討論了兩種方法對分子轉(zhuǎn)動光譜信號的影響。接著重點(diǎn)提出多脈沖自由感應(yīng)衰減技術(shù),并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)能夠提高窄帶微波光譜儀所捕獲光譜的信噪比。最后,以2-氟苯甲腈為樣品,在窄帶微波光譜儀的零差式檢測模式下采用多脈沖自由感應(yīng)衰減技術(shù)采集到該分子的轉(zhuǎn)動光譜數(shù)據(jù),并使用SPFIT/SPCAT軟件對其光譜進(jìn)行歸屬和擬合分析,從而進(jìn)一步驗(yàn)證了多脈沖自由感應(yīng)衰減技術(shù)對提高儀器靈敏度的積極作用。
【圖文】：

后來通過Ｅｋｋｅｒｓ和Ｆｌｙｇａｒｅ［１７］的研究，微波脈沖傅里葉變換技術(shù)逐漸被人所接受，逡逑相比于以前的方法，該方法確實(shí)提高了微波光譜儀的靈敏度和分辨率，也因此被漸漸應(yīng)逡逑用于微波光譜儀的研制當(dāng)中。原理圖如圖１．３ｂ所示。１９７９年，Ｂａｌｌｅ和Ｆｌｙｇａｒｅ開發(fā)的脈沖逡逑超聲噴射傅里葉變換微波波譜儀［１８］，將脈沖噴嘴設(shè)置在真空室的頂部，使微波脈沖與樣逡逑品氣體充分反應(yīng)。如圖１．３ｃ所示。通過這種微波光譜儀觀測到了邋Ａｒ－ＨＣｌ弱相互作用體系逡逑的強(qiáng)轉(zhuǎn)動躍遷光譜。由于該儀器的分辨率和靈敏度非常高，被認(rèn)為是對于研究弱相互作逡逑用體系（如氫鍵、范德華力等）有效的測量工具。逡逑ａ邋微波源邐＞邋吸收池邋邐＞邋示波器逡逑ｂ邋微波源吸收池邐——＞邐示波器邐ＦＴ逡逑傅里葉變換逡逑ｃ邋微波源－＞［邋示波器邐ＦＴ邋｜逡逑法－布腔傅里葉變換逡逑圖１．３微波光譜儀的基本原理圖（ａ．波導(dǎo)微波吸收光譜儀；ｂ．脈沖傅里葉變換微波吸收光譜儀；ｃ．脈逡逑沖超聲噴射傅里葉變換微波光譜儀，分子束脈沖方向與微波傳播方向垂直）逡逑十年后，，Ｓｕｅｎｒａｍ等［１９］簡化了ＰＮＦＴＭＷ的儀器裝置，他將單邊帶堥合器（ＳＳＢＭ）替代逡逑了ＰＮＦＴＭＷ儀器中的輔助微波振蕩器，使得微波光譜儀只需要一個微波源，對比曾經(jīng)的逡逑超外差法的兩個微波源更加簡化的實(shí)驗(yàn)步驟。后來Ｇｒａｂｏｗ和Ｓｔａｈｌ［２Ｇ］進(jìn)一步改進(jìn)了裝置，逡逑將脈沖噴嘴的位置從真空腔體的頂部移到了與法布里－珀羅腔同軸的位置上，這被人命逡逑名為同軸分子束共振排列（ＣＯＢＲＡ）。改進(jìn)后的儀器可以使微波射入的方向與分子脈沖逡逑的方向保持一致

在電路設(shè)計方面工序繁多且復(fù)雜。而到了本世紀(jì)初，新型的微波光譜儀隨著微波電子技逡逑術(shù)的迅速發(fā)展大都采用零差式檢測模式在確保信噪比的前提下簡化設(shè)計。逡逑窄帶微波光譜儀的簡略圖如圖２．１所示。主要有六個部分組成。（１）邋４－４０ＧＨＺ的微逡逑波發(fā)生器：它不僅能夠提供一種非常短（大約ｌ－３ｐ）的強(qiáng)電磁輻射脈沖用于激發(fā)分子，還逡逑能為混合器提供一個參考信號；（２）法布里－珀羅腔：腔體內(nèi)是呈共軸近共焦相向排列逡逑的兩個完全相同的反光聚焦球面鋁鏡。根據(jù)微波的工作頻率，可以使用馬達(dá)來精確的調(diào)逡逑控法布里－珀羅腔的間距，能夠在工作頻率段形成帶寬不到１ＭＨｚ的共振駐波，從而起逡逑到臨時儲存微波能量有效激發(fā)樣品分子的作用。（３）分子束源：通過電磁閥的控制可以逡逑向真空腔噴入５００＃的樣品氣體；（４）低噪聲放大器：可以檢測出腔體內(nèi)脈沖分子微弱逡逑的發(fā)射信號；（５）混頻器：使來自微波發(fā)生器的參考信號與分子發(fā)射信號進(jìn)行混頻，從逡逑而產(chǎn)生低頻信號用于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換；（６）抽真空泵：用于維持真空腔體內(nèi)的高真空度。逡逑分子束源逡逑邐邋／邐逡逑□法－布腔逡逑／邋Ｉ邐ｚ４邐＼邐低噪聲發(fā)逡逑／邋ａ邐＇大器逡逑＾邐＾邋N邐１—邋￣Ｃ＞—逡逑ｂ邐…’Ｈ逡逑圖２．１窄帶微波光譜儀簡略圖逡逑１１逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH744.1

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本文編號：2696937