Структурний та функціональний синтез радіоелектронних засобів імпульсної спектроскопії матеріалів з квадрупольними ядрами атомів

Abstract

Дисертацію присвячено розробленню наукового базису та апаратно-програмній реалізації принципово нових рішень для впровадження експериментальних методів імпульсної Фур’є та релаксаційної спектроскопії ядерного квадрупольного резонансу. Наукові дослідження і розробки, що представлені в дисертаційній роботі базуються на розв’язанні завдань аналізу, синтезу, оптимізації структурних та принципових схем і режимів їх роботи. Це уможливило досягнення мети дослідження – апаратно-програмної реалізації портативного радіоспектрометра ядерного квадрупольного резонансу із покращеними сигнальними та енергетичними характеристиками шляхом схемного синтезу та оптимізації режимів роботи. Розроблено імітаційну модель імпульсного методу спостереження ядерного квадрупольного резонансу на основі базової структури однокотушкового когерентного Фур’є-радіоспектрометра без перетворення несучої частоти. Проведено комп’ютерне моделювання сигнальних перетворень сигналу вільної індукції та спінової луни в радіочастотних трактах імпульсного радіоспектрометра при синусоїдальному та шумовому збудженні резонансу. Проведено розрахунок та розроблено лабораторний макет енергоефективного широкосмугового передавача, що може бути використаний при вивченні ізотопів з квадрупольними моментами 14N, 35Cl, 63Cu, 69Ga, 71Ga, 113In, 115In та інших. На основі програмного та апаратного забезпечення фірми “Altera” та систем автоматизованого проектування Quartus II і Altium Designer розроблено конфігураційні структури і принципові схеми синтезатора частот, програматора багатоімпульсних послідовностей, аналогових високочастотних модулів та системи керування радіоспектрометром. З метою дослідження якості та вивчення сенсорних властивостей проведено експериментальні спостереження ядерного квадрупольного резонансу в малих об’ємах шаруватих напівпровідникових кристалів GaSe та InSe з використанням когерентного лабораторного радіоспектрометра на основі багатофункціонального програмно-керованого цифрового обчислювального ядра. Диссертация посвящена разработке научного базиса и аппаратно-программной реализации принципиально новых решений для внедрения экспериментальных методов импульсной Фурье спектроскопии ядерного квадрупольного резонанса. Научные исследования и разработки, представленные в диссертационной работе, базируются на решении алгоритмических, схемотехнических, конфигурационно-структурных задач, что позволило достичь цели исследования – реализации аппаратно-программной комплексной радиотехнической системы регистрации сигналов ядерного квадрупольного резонанса путем усовершенствования метода импульсного возбуждения и алгоритмов информационных преобразований сигналов спада спиновой индукции для решения проблемы точности исследования полупроводниковых структур малых объемов. Разработана имитационная модель импульсного метода наблюдения ядерного квадрупольного резонанса на основе базовой структуры однокатушечного когерентного Фурье-радиоспектрометра без преобразования несущей. Проведено компьютерное моделирование сигнальных преобразований сигнала свободной индукции и спинового эха в радиочастотных трактах импульсного радиоспектрометра при синусоидальном и шумовом возбуждении резонанса. Проведен расчет энергоэффективности и разработан лабораторный макет широкополосного передатчика, который может быть использован при изучении изотопов с квадрупольными моментами 14N, 35Cl, 63Cu, 69Ga, 71Ga, 115In и прочих. На основе синтаксиса моделирования динамических режимов логических структур разработаны алгоритмы формирования многоимпульсных последовательностей Ханна, Карра-Паррселла, Мейбума-Гилла для релаксационной спектроскопии ядерного квадрупольного резонанса. Проведены экспериментальные испытания реализованного на основе многофункционального программно-управляемого цифрового вычислительного ядра когерентного лабораторного радиоспектрометра путем импульсного наблюдения ядерного квадрупольного резонанса в малых объемах слоистых полупроводниковых кристаллов GaSe и InSe с целью исследования их качества и изучения сенсорных свойств. The thesis is dedicated to development of scientific basis and hardware-software implementation of fundamentally new solutions for the experimental methods deployment of pulsed Fourier spectroscopy of nuclear quadrupole resonance (NQR). Scientific investigations and developments represented in the thesis are based on solving the algorithmic, circuit, configuration-structural problems whose solution allowed achieving the purpose of the study, namely implementation of hardware-software complex radio technical system of recording NQR signals by improving pulse excitation method and the algorithms of informational transformation of spin induction decay signals to solve the problem of accuracy of the study of semiconductor structures of small volumes. A simulation model of pulsed method for NQR observation was developed on the basis of single-coil coherent Fourier radio spectrometer without carrier frequency conversion. Computer simulation of signal transformations of the free induction signal and spin echo in radio frequency paths of pulsed radio spectrometer at sinusoidal and noise excitation of resonance was carried out. The dependences of parameters of signal energy spectra at the output of transmitter of NQR pulsed spectrometer on the duration of sine and noise excitation pulses were studied. The energy efficiency was calculated, and the laboratory model of energy-efficient broadband transmitter was developed that can be used in the study of isotopes with quadrupole moments 14N, 35Cl, 63Cu, 69Ga, 71Ga, 113In, 115In, etc. A parametric estimation of the efficiency of generation algorithms most suitable for synthesis of digital periodic signals on the basis of embedded hardware systems was performed. On the basis of modeling syntax of dynamic modes in logical structures, formation algorithms of multi-pulse Han, Carr-Purcell, and Meiboom-Gill sequences were developed for the relaxation spectroscopy of nuclear quadrupole resonance. A hardwaresoftware data collection system for pulsed NQR spectrometer was developed. Experimental testing of coherent laboratory radio spectrometer based on a multifunctional software-controlled digital computing core was performed by pulsed observation of nuclear quadrupole resonance in small volumes of layered semiconductor crystals GaSe and InSe for the purpose of studying their quality and sensor properties.