[发明专利]一种从样本获得发射的方法及其系统

说明书

优先权要求

此处要求于2011年3月18日提交的序号61／454,223，题为“SEGMENTED CHIRPED-PULSE FOURIER TRANSFORM SPECTROSCOPY AT MILLIMETER-AND SUBMILLIMETER-WAVE FREQUENCIE S AND RELATED METHOD THEREOF”的美国临时专利申请(申请人案号PATE-SEGMENT(01829-01))的优先权，其以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

使用在国家科学基金(NSF)授予的许可No.CHE-0847919下的政府资助作出了本发明。政府具有本发明中的特定权利。

背景技术

光谱学(例如，转动光谱学)是物理化学中有力的结构工具。例如，分子结构及其转动跃迁频率之间的关系可以用于气相样本的结构确定。分子的转动运动中的其他效果(例如，离心畸变、来自四极核(quadrupolar nuclei)的超精细频谱结构、或由隧道运动引起的频移)可以用于提供对分子结构和低频振动运动的进一步表征。

毫米(mm)波或太赫兹(terahertz，THz)频率区域对于化学检测和表征是特别有用的区域。对于室温样本，这是纯转动频谱最剧烈的区域。具有永久偶极距的所有分子具有纯转动频谱。这种频谱包括可以作为分子标识的“指纹”的大量尖锐跃迁。例如，在低压气体单元中，在约300千兆赫兹(GHz)处，这种跃迁在宽度上可以约为1兆赫兹(MHz)。在一个方案中，可以将跃迁频率反向相关到分子标识，例如，通过与分子哈密顿函数(Molecular Hamiltonian)拟合，其可以在可计算物理参数的意义上解释测量到的跃迁频率和相对强度。根据通过毫米和亚毫米波光谱学观察到的跃迁的强度，可以在高准确性和选择性的情况下导出绝对分子浓度。

发明内容

在一个方案中，用于毫米波光谱学的技术涉及：在微波频率区域中使用与一个或多个倍频器耦合的合成器来作为放射源，以基于分子跃迁对放射的吸收，来测量分子跃迁。然而，这种合成器的缓慢扫描和切换速度排除了对大带宽的快速检测。例如，使用这些技术以期望的视频刷新速率来监视复杂化学混合物是不可能的。

本发明人已认识到：高速数模转换器(DAC)(例如，高速任意波形发生器(AWG))可以提供包括微波频率在内的能量的频率捷变源，且在被光谱学系统(而不是一般可用的合成器，或除了一般可用的合成器之外)包括时，还可以为毫米波频谱的快速检测提供新的机会。

在示例中，DAC可以创建高带宽线性频率扫描(例如，啁啾脉冲)，其可以被放大以在该脉冲的带宽内的跃迁频率上感生分子样本的极化。然后样本继续以跃迁频率来发射放射线，且可以对这种自由感应衰减(FID)发射信号进行数字化和傅立叶变换，以得到分子频谱。这种啁啾脉冲傅立叶变换(CP-FT)技术一般在对宽带分子频谱的检测方面提供高的灵敏度、动态范围、以及频率准确性。由于较快的获取速度，可以使用CP-FT技术对样品单元中生成的短时存在的核素(species)(例如，离子和原子团)进行表征。然而，一般可用的数字转换器带宽是有限的。因此，本发明人也已认识到：为了收集高带宽频谱(例如，其总带宽比可用数字转换器带宽更宽的频谱)，需要用于降低所需数字转换器带宽的技术。

本发明人已认识到：可以使用“分段”CP-FT技术，例如使用DAC来生成啁啾脉冲波形，并使用DAC来生成一个或多个本地振荡器(LO)频率。这种分段CP-FT方法可以通过“分治(divide and conquer)”方案来降低数字转换器所需要的带宽，该“分治”方案将总测量带宽分为一系列段。例如，可以至少部分地基于可用数字转换器带宽来指定倍频啁啾脉冲波形的带宽，且每个段可以包括被指定来通过下述方式来激励样本的啁啾脉冲：可以在可用数字转换器带宽中捕捉所产生的发射。要测量的关注总带宽可以比数字转换器带宽要宽，且其可以通过以下方式获得：生成与每个段相对应的一系列相应啁啾脉冲和LO频率，获得每一段的发射，然后组装与每一段相对应的各个估计频谱全体，以提供对关注的总带宽的覆盖。

使用基于DAC的源，可以快速连续地测量这些段，以覆盖大的频率范围。例如，可以使用外差检测技术对接收到的发射进行下变频。这种外差检测一般使用高捷变、相位可再现的本地振荡器(LO)源，且该源也可以是基于DAC的，且从而是非常快速可调的。