[发明专利]基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪

说明书

本发明公开了一种基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，该宽带微波光谱仪包括：宽带电磁波辐射源，用于产生多个啁啾脉冲信号和单频微波信号，且将两种信号进行混频并上变频至目标频段，由此产生多个微波激发脉冲并输出至样品真空室；样品真空室，用于提供一个空间，多个微波激发脉冲在该空间内对单次喷出的待测样品气体分子束进行多次微波激发，产生多个自由感应衰减信号；分子转动光谱信号检测系统，用于接收多个自由感应衰减信号与单频微波信号进行混频并下变频至基频的信号，由该信号获得待测样品气体分子束的转动光谱。本发明可大幅度提高信号采样频率，提高光谱仪捕获光谱的信噪比，同时降低样品消耗，节约仪器运行成本。

技术领域

本发明涉及分子转动光谱学以及分子检测技术领域，特别涉及一种基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪。

背景技术

转动光谱学是研究气相分子结构的一种有效技术。分子的转动光谱对微小的结构变化高度敏感，当观察到精细或超精细结构，通过分析分子超精细转动能级跃迁光谱，即能拟合出十分精准的分子几何结构与电子结构，在化学分析、制药合成领域有着重要应用。在射电天文学中，这项技术在探索星际介质的化学成分方面也起着关键的作用。

由于微波波段的分子转动光谱信息丰富，微波光谱仪成为研究转动光谱学的主要仪器，是测量分子转动跃迁的重要工具。根据光谱仪单次扫描频宽，微波光谱仪可分为Balle-Flygare类型窄带微波光谱仪和chirped-pulse类型宽带微波光谱仪。Balle-Flygare类型窄带微波光谱仪由美国伊利诺伊大学的Flygare教授在上个世纪八十年代初基于superheterodyne检测技术提出设计并完成了搭建，具有高灵敏度与高分辨率的特性，一直是欧美射电观测机构的主要实验室微波光谱测量仪器。但其微波电路设计颇为复杂，单次扫描频宽与操作效率均受到铝制法布里-珀罗腔的限制。随着高速数字电子技术的进步以及检测方法的发展，美国弗吉尼亚大学在2006年设计研发出chirped-pulse类型宽带微波光谱仪，极大地提高了获取高动态范围分子转动光谱的速度。但是目前宽带微波光谱仪检测分子转动光谱的灵敏度和分辨率并不高，且光谱扫描频率不快。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能提高信号采样频率，提高检测灵敏度和光谱信噪比，同时降低样品消耗和光谱仪运行成本的基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于多脉冲自由感应衰减技术的宽带微波光谱仪，该宽带微波光谱仪包括宽带电磁波辐射源、样品真空室以及分子转动光谱信号检测系统；

所述宽带电磁波辐射源，用于产生多个啁啾脉冲信号和单频微波信号，且将两种信号进行混频并上变频至目标频段，由此产生多个微波激发脉冲并输出至样品真空室；

所述样品真空室，用于提供一个空间，所述多个微波激发脉冲在该空间内对单次喷出的待测样品气体分子束进行多次微波激发，产生多个自由感应衰减信号；

所述分子转动光谱信号检测系统，用于接收多个自由感应衰减信号与单频微波信号进行混频并下变频至基频的信号，由该信号获得待测样品气体分子束的转动光谱。

进一步地，所述宽带电磁波辐射源包括：

任意波形发生器，用于连续产生多个啁啾脉冲信号；

信号发生器，用于产生单频微波信号；

第一混频器，用于将所述多个啁啾脉冲信号与单频微波信号进行混频并上变频至目标频段，由此产生多个微波激发脉冲。

进一步地，所述样品真空室包括真空腔、真空腔内设置的喇叭天线、电磁阀喷嘴以及球面镜；喇叭天线与球面镜同轴且相向设置；