新型“电子顺磁共振”(EPR)波谱仪由于具备更低成本、轻便且易于使用等优势，让更多科学家能使用该技术，而无需经验丰富的人员进行操作。此外，其控制软件设计直观，具有多种自动化功能，使其设置更简单明了，即使不是EPR波谱的专家也能顺利取得结果。
这种强大的脉冲式EPR波谱仪或电子自旋共振(ESR)波谱仪，与核磁共振(NMR)波谱仪十分相似，但它研究的是未配对电子的性质，而不是质子等原子核的性质。它通常用于化学、生物学、材料科学和物理学领域，以研究金属化合物或有机自由基的电子结构。当使用氮氧自旋标记时，该技术在Q波段频率(34GHz)下最敏感。
图1：新型EPR波谱仪采用模块化设计，比传统解决方案更小、更轻、更便宜。(来源：Spectrum Instrumentation)
然而，EPR波谱仪通常围绕着巨大的电磁体而构建，因此其重量可能超过一吨，而且通常放置在地下室。一家总部位于美国波士顿附近的初创公司Bridge12声称已生产出一种EPR波谱仪，其成本约为现有仪器的一半，而且其尺寸和重量仅为现有仪器的十分之一，因此可以放置在建筑物的任何楼层(图1)。
新型EPR波谱仪由两个基本构建模块组成：一个是用于产生脉冲的任意波形发生器(AWG)，另一个是用于捕获返回信号的数字转换器。这些构建模块由德国公司Spectrum Instrumentation提供的板卡实现，为终端用户提供了模块化和灵活的设计。
由于雷达技术和移动通信技术的进步，EPR光谱技术在过去几十年来不断发展，这些技术创造了可用于制造EPR 硬件的设备，而EPR 硬件使用的微波技术需要越来越高的频率才能获得更好的分辨率。从历史上看，EPR 波谱仪的工作频率为10GHz (X波段)，但由于5G技术的发展，现在有了新的商用设备，可以工作在更高的频率上，如35GHz (Q波段)，才足以满足此类应用的频率需求。
首先，该AWG根据实验要求在200至500MHz范围内产生10至100ns的长脉冲，然后使用射频(RF) I/Q混频器将脉冲上变频至10GHz X波段范围，再上变频至Q波段范围。接着，将微波脉冲馈入一个100W的固态放大器后，再送入EPR谐振器。
其次，反射信号被下变频到200至500MHz范围的中频(IF)频率，然后送入数字转换器。相较于将信号下变频为直流(DC)的传统EPR光谱法，这种新方法大大地减少了噪声和伪影。
图2显示了在EPR实验中使用AWG产生脉冲的示例。参见WURST (宽带、均匀速率、平滑截断)脉冲，它是一种宽带微波脉冲，其激励带宽和轮廓外形远远超过简单的矩形脉冲。这些脉冲有助于在EPR光谱中进行宽带激发，同时在很大程度上依赖于AWG的性能。
图2：EPR光谱实验中显示了AWG产生的WURST脉冲。(来源：Spectrum Instrumentation)
该EPR波谱仪采用模块化设计，将AWG和数字转换器卡集成于Netbox中，可通过以太网连接到PC。因此，一台小巧的PC就能取代一个大到足以插入板卡的系统，而且大型系统不可避免地还可能需要庞大的机架式解决方案。因此，在现场维修EPR波谱仪和更换组件就变得更容易得多了。
这种新型EPR波谱仪还有另一个值得注意的设计特点，即其采用了更小的超导磁铁来产生所需的磁场强度。相比之下，以前的EPR波谱仪通常使用巨大、沉重的电磁体来产生大约1到1.5特斯拉(Tesla)的强磁场。
(原文刊登于EDN美国版，参考链接：EPR spectrometer and its AWG and digitizer building blocks，由Susan Hong编译)
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