Радиофизика. Лабораторная работа.

Фурье-спектроскопия

Цель работы: Изучение принципа действия фурье-спектрометра и спектра монохроматического излучения в 8-мм диапазоне волн; получение навыков обработки интерферограмм с помощью ПК

Приборы и принадлежности

  1. Фурье-спектрометр
  2. Компьютер с ПО
  3. Генератор Г4-156
  4. Генератор Г4-141
  5. Усилитель-преобразователь УПИ-1
  6. Генератор сигналов низкочастотный Г3-118

Схема экспериментальной установки

Излучение от генераторов поступает в вентили, после чего совмещаются в Т-образном волноводе и через систему волноводов с переменным сечением поступает в интерферометр. Затем попадает на детектор, сигнал с детектора измеряется усилителем-преобразователем и оцифровывается на ПК, Выход "Г3-118" соединен со входами опорного сигнала СВЧ генераторов и УПИ.

Порядок работы с экспериментальной установкой

Фурье-спектрометр

Рисунок 1. Панель управления синхронным двигателем зеркала Фурье-спектрометра
1 — Тумблер включения синхронного двигателя; 2 — Тумблер переключения направления движения зеркала;

Фурье-спектрометр в данной работе представляет собой интерферометр Майкельсона в одном плече которого установлено подвижное зеркало, во втором неподвижное, а в третьем детектор. Э/м излучение, делится металлической сеткой на два пучка: первый проходит в одно плечо с неподвижным зеркалом, второй во второе плечо с подвижным зеркалом. Отразившись от зеркал, пучки вновь проходят через сетку и проходят в плечо с детектором. Зеркало приводится в движение синхронным двигателем. Включение синхронного двигателя осуществляется тумблером 1, а направление движения зеркала выбирается тумблером 2. Если этот тумблер "смотрит" вниз, то и зеркало будет двигаться вниз. Оба тумблера находятся на небольшом параллелепипеде, расположенном чуть выше делительной сетки интерферометра.

Вверх

Компьютер с ПО

Компьютер и установленное на нем ПО являются важной частью установки, т.к. для вычисления спектра зависимости сигнала с детектора от времени методом преобразования Фурье требуется доволньо большое количество математических операций. После включения компьютера и загрузки ОС необходимо войти под пользователем "user" с паролем "user", если на системном блоке компьютера не указано иное. После чего запустить программу FTS, ярлык к который расположен на рабочем столе. Компьютер работает под операционной системой семейства Linux, программа FTS написана на языке программирования Python с использованием библиотеки wxWidgets. Аналого-цифровой преобразователь выполнен на LaunchPad с микроконтроллером MSP430, программа для микроконтроллера написана на языке С.

Вверх

Генератор Г4-156

Рисунок 2. Лицевая панель СВЧ генератора Г4-156
1 — выключатель "СЕТЬ ВКЛ"; 2 — клавиша "Пуск"; 3 — клавиша "Руч"; 4 — индикатор "Пуск"; 5 — индикатор "Руч"; 6 — индикатор частоты сигнала; 7 — индикатор уровня мощности сигнала; 8 — клавиша выбора внешнего источника модуляции; 9 — клавиша отключения модуляции; 10 — индикатор выбора внешнего источника модуляции; 11 — индикатор отключения модуляции; 12 — клавиша включения аттенюатора; 13 — индикатор включения аттенюатора; 14 — клавиши настройки частоты; 15 — клавиши настройки мощности;
ОБРАТИТЕ ВНИАМНИЕ: обозначения клавиш в описании не совпадают с номерами цифровых клавиш на панели управления. Чтобы включить генератор, необходимо потянуть на себя желтый выключатель 1. Затем необходимо нажать клавиши 2 и 3, включатся индикаторы 4 и 5 соотвественно, и в цифровом индикаторе 6 отобразится частота. Нажмите клавишу 8 и клавишу 12, включатся соответствующие индикаторы: 11 и 12. Частота генератора устанавливается при помощи клавиш 14, мощность генератора устанавливается при помощи клавиш 15. Нажмите любую из клавиш изменения мощности, на цифровом индикаторе 7 отобразится текущий уровень мощности. Ослабление сигнала на 20 dB осуществляется при помощи клавиши 15.

Вверх

Генератор Г4-141

Рисунок 3. Лицевая панель СВЧ генератора Г4-141
1 — тумблер "ВКЛ"; 2 — кодовый переключатель настройки частоты; 3 — положение десятичной запятой; 4 — регулятор уровня сигнала "УРОВЕНЬ ВЫХОДА"; 5 — переключатель режима работы с внешней модуляцией "П"; 6 — переключатель режима работы с непрерывной генерацией;
Г4-141 предназначен для использования в качестве источника СВЧ колебаний в диапазоне частот 37,5 — 53,57 ГГц. Включение генератора осуществляется тумблером 1. Установить необходимую частоту можно кодовым переключателем 2. Обратите внимание на положение десятичной запятой (3). Регулировка выходной мощности поворотом регулятора 4. Выбор режима работы осуществляется четырхкнопочным переключателем "Режим работы". В работе используются два режима работы: режим работы с внешней модуляцией устанавливается переключателем 5, а режим работы с непрерывной генерацией переключателем 6.

Вверх

Усилитель-преобразователь УПИ-1

Рисунок 4. Лицевая панель УПИ-1
1 — тумблер "СЕТЬ"; 2 — микроамперметр синхронного детектора; 3 — кнопочный переключатель выбора уровня усиления; 4 — кнопочный переключатель выбора диапазона частот опорного сигнала; 5 — кнопочный переключатель выбора постоянной времени; 6 — кнопочный переключатель выбора фазы опорного сигнала; 7 — переключатели преобразования опорного сигнала;
Усилитель-преобразователь используется для измерения уровня сигнала на детекторе и уменьшения влияния 1/f шума. УПИ-1 может работать только с модулированными сигналами. Включение УПИ-1 осуществляется тумблером 1, измерение уровня сигнала осуществляется микроамперметром 2. Перед проведением измерений необходимо выставить режим работы следующим образом. Установить усиление 1 переключателем 3, диапазон частот опорного сигнала 1 переключателем 4, постоянную времени τ = 0,5 с. переключателем 5, фазу 2 переключателем 6, преобразование сигнала переключателями 7: нажаты f и 180°.

Вверх

Генератор сигналов низкочастотный Г3-118

Рисунок 5. Лицевая панель Г3-118
1 — тумблер "СЕТЬ"; 2 — переключатели настройки частоты; 3 — переключатель выбора множителя частоты "МНОЖИТЕЛЬ"; 4 — переключатель ослабления выходного сигнала "ОСЛАБЛЕНИЕ dB"; 5 — регулятор уровня выходного сигнала "РЕГ. ВЫХОДА";
Г3-118 используется в качестве источника опорного сигнала для СВЧ генераторов и УПИ-1. Включение генератора осуществляется тумблером 1. Настройка частоты осуществляется переключателями 2 и 3. Настройка амплитуды входного сигнала переключателем 4 и регулятором 5. Для проведения измерений необходимо настроить генератор для работы на частоте 1 кГц, амплитуду выходного сигнала следует настроить так: ослабление 0 dB, регулятор уровня выхода установить примерно на 12 ч.

Вверх

Ход работы

  1. Упражнение: Первоначальная настройка. Калибровка СВЧ генератора Г4-156 и получение его спектра

    1. Включите все приборы, указанные в списке выше в соответствии с их описанием, кроме фурье-спектрометра.
    2. Запустите программу FTS и введите "Имя бригады", желательно, чтобы это имя было уникальным, например, это может быть номер зачетки, или фамилия студентов, или любое другое произвольное слово, или словосочетание, которое вы можете легко запомнить. Нажмите "ОК". Изменить это имя можно только перезапустив программу.
    3. Уменьшите сигнал генератора Г4-141 до нуля, установите его режим непрерывной генерации
    4. Установите частоту около 35 ГГц на генераторе Г4-156, выключите аттенюатор и включите режим внешней модуляции
    5. Калибровка. Включите двигатель зеркала Фурье-спектрометра и добейтесь максимального отклонения стрелки микроамперметра УПИ от нуля в любую из сторон и выключите двигатель, при необходимости можно изменить направление движения зеркала и повторить. Если микроамперметр зашкаливает, то уменьшите мощность генератора Г4-156, при необходимости можете изменить и частоту, но в этом случае нужно будет заново найти пложение максимального отклонения с помощью зеркала. В результате этих действий необходимо добиться отклонения стрелки микроамперметра примерно наполовину.
    6. Измерение. В программе FTS введите имя файла для записи результатов измерения. Нажмите кнопку "Новое измерение", после чего введите желаемое число точек, либо оставьте значение по умолчанию. Выберите направление движения зеркала в соответствии с положением переключателя.
    7. Включите двигатель, после чего в программе FTS нажмите на кнопку "Измерение"
    8. Дождитесь окончания измерения, после чего выключите двигатель
    9. Изучите полученные интерферограмму и спектр сигнала

  2. Упражнение: Калибровка СВЧ генератора Г4-141 и получение спектра двух генераторов

    1. Включите ослабление генератора Г4-156 и режим непрерывной генерации
    2. Включите режим внешней модуляции Г4-141. Увеличьте сигнал генератора Г4-141, так, чтобы это было заметно на микроамперметре УПИ
    3. Установите частоту Г4-141 около 38 ГГц
    4. Проведите калибровку Г4-141 так же, как это было сделано в предыдущем упражнении
    5. Выключите ослабление Г4-156 и включите режим внешней модуляуии)
    6. Начните новое измерение, аналогично предыдущему упражнению, рекомендуется выбрать другое имя файла, чтобы не потерять результаты первого измерения
    7. Изучите полученные интерферограмму и спектр