[發(fā)明專利]一種從樣本獲得發(fā)射的方法及其系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201280023629.7
• 申請日: 2012-03-16
• 公開（公告）號: CN103583003B
• 公開（公告）日: 2016-11-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 布魯克斯·H·佩特;賈斯廷·L·尼爾
• 申請（專利權(quán)）人: 弗吉尼亞大學(xué)專利基金會
• 主分類號: H03M1/66
• 分類號: H03M1/66
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 趙偉

優(yōu)先權(quán)要求

此處要求于2011年3月18日提交的序號61／454,223，題為“SEGMENTED?CHIRPED-PULSE?FOURIER?TRANSFORM?SPECTROSCOPY?AT?MILLIMETER-AND?SUBMILLIMETER-WAVE?FREQUENCIE?S?AND?RELATED?METHOD?THEREOF”的美國臨時專利申請(申請人案號PATE-SEGMENT(01829-01))的優(yōu)先權(quán)，其以全文引用的方式并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

使用在國家科學(xué)基金(NSF)授予的許可No.CHE-0847919下的政府資助作出了本發(fā)明。政府具有本發(fā)明中的特定權(quán)利。

背景技術(shù)

光譜學(xué)(例如，轉(zhuǎn)動光譜學(xué))是物理化學(xué)中有力的結(jié)構(gòu)工具。例如，分子結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)動躍遷頻率之間的關(guān)系可以用于氣相樣本的結(jié)構(gòu)確定。分子的轉(zhuǎn)動運動中的其他效果(例如，離心畸變、來自四極核(quadrupolar?nuclei)的超精細頻譜結(jié)構(gòu)、或由隧道運動引起的頻移)可以用于提供對分子結(jié)構(gòu)和低頻振動運動的進一步表征。

毫米(mm)波或太赫茲(terahertz，THz)頻率區(qū)域?qū)τ诨瘜W(xué)檢測和表征是特別有用的區(qū)域。對于室溫樣本，這是純轉(zhuǎn)動頻譜最劇烈的區(qū)域。具有永久偶極距的所有分子具有純轉(zhuǎn)動頻譜。這種頻譜包括可以作為分子標識的“指紋”的大量尖銳躍遷。例如，在低壓氣體單元中，在約300千兆赫茲(GHz)處，這種躍遷在寬度上可以約為1兆赫茲(MHz)。在一個方案中，可以將躍遷頻率反向相關(guān)到分子標識，例如，通過與分子哈密頓函數(shù)(Molecular?Hamiltonian)擬合，其可以在可計算物理參數(shù)的意義上解釋測量到的躍遷頻率和相對強度。根據(jù)通過毫米和亞毫米波光譜學(xué)觀察到的躍遷的強度，可以在高準確性和選擇性的情況下導(dǎo)出絕對分子濃度。

發(fā)明內(nèi)容

在一個方案中，用于毫米波光譜學(xué)的技術(shù)涉及：在微波頻率區(qū)域中使用與一個或多個倍頻器耦合的合成器來作為放射源，以基于分子躍遷對放射的吸收，來測量分子躍遷。然而，這種合成器的緩慢掃描和切換速度排除了對大帶寬的快速檢測。例如，使用這些技術(shù)以期望的視頻刷新速率來監(jiān)視復(fù)雜化學(xué)混合物是不可能的。

本發(fā)明人已認識到：高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)(例如，高速任意波形發(fā)生器(AWG))可以提供包括微波頻率在內(nèi)的能量的頻率捷變源，且在被光譜學(xué)系統(tǒng)(而不是一般可用的合成器，或除了一般可用的合成器之外)包括時，還可以為毫米波頻譜的快速檢測提供新的機會。

在示例中，DAC可以創(chuàng)建高帶寬線性頻率掃描(例如，啁啾脈沖)，其可以被放大以在該脈沖的帶寬內(nèi)的躍遷頻率上感生分子樣本的極化。然后樣本繼續(xù)以躍遷頻率來發(fā)射放射線，且可以對這種自由感應(yīng)衰減(FID)發(fā)射信號進行數(shù)字化和傅立葉變換，以得到分子頻譜。這種啁啾脈沖傅立葉變換(CP-FT)技術(shù)一般在對寬帶分子頻譜的檢測方面提供高的靈敏度、動態(tài)范圍、以及頻率準確性。由于較快的獲取速度，可以使用CP-FT技術(shù)對樣品單元中生成的短時存在的核素(species)(例如，離子和原子團)進行表征。然而，一般可用的數(shù)字轉(zhuǎn)換器帶寬是有限的。因此，本發(fā)明人也已認識到：為了收集高帶寬頻譜(例如，其總帶寬比可用數(shù)字轉(zhuǎn)換器帶寬更寬的頻譜)，需要用于降低所需數(shù)字轉(zhuǎn)換器帶寬的技術(shù)。

本發(fā)明人已認識到：可以使用“分段”CP-FT技術(shù)，例如使用DAC來生成啁啾脈沖波形，并使用DAC來生成一個或多個本地振蕩器(LO)頻率。這種分段CP-FT方法可以通過“分治(divide?and?conquer)”方案來降低數(shù)字轉(zhuǎn)換器所需要的帶寬，該“分治”方案將總測量帶寬分為一系列段。例如，可以至少部分地基于可用數(shù)字轉(zhuǎn)換器帶寬來指定倍頻啁啾脈沖波形的帶寬，且每個段可以包括被指定來通過下述方式來激勵樣本的啁啾脈沖：可以在可用數(shù)字轉(zhuǎn)換器帶寬中捕捉所產(chǎn)生的發(fā)射。要測量的關(guān)注總帶寬可以比數(shù)字轉(zhuǎn)換器帶寬要寬，且其可以通過以下方式獲得：生成與每個段相對應(yīng)的一系列相應(yīng)啁啾脈沖和LO頻率，獲得每一段的發(fā)射，然后組裝與每一段相對應(yīng)的各個估計頻譜全體，以提供對關(guān)注的總帶寬的覆蓋。

使用基于DAC的源，可以快速連續(xù)地測量這些段，以覆蓋大的頻率范圍。例如，可以使用外差檢測技術(shù)對接收到的發(fā)射進行下變頻。這種外差檢測一般使用高捷變、相位可再現(xiàn)的本地振蕩器(LO)源，且該源也可以是基于DAC的，且從而是非常快速可調(diào)的。