T K / f i ) ■ h h Á
-
71-29
F. 1. T ó th K. T o m p a G . G r ü n e r
F R E Q U E N C Y M O D U L A T E D N M R S P E C T R O M E T E R F O R M E A S U R E M E N T O F IN TE R N A L M A G N E T I C FIELDS
ё ^ о а п ^ т а п S i c a d e m y o f ( S c ie n c e s
CENTRAL RESEARCH
INSTITUTE FOR PHYSICS
BUDAPEST
К Ж С - 7 1 - 2 9
FREQUENCY MODULATED NMR SPECTROMETER FOR MEASURE
MENT OF INTERNAL MAGNETIC FIELDS
F . I . T ó t h , К . Tompa, G. G r ü n e r
C e n t r a l R e s e a r c h I n s t i t u t e f o r P h y s i c s B u d a p e s t , H u p g a r y
S o l i d S ta te P h y s ic s Department
Subm itted t o th e 'Journal o f S c i e n t i f i c In stru m en ts
Introduction
F o r t h e i n v e s t i g a t i o n of n u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c e s i n o r d e r e d m a g n e t i c m a t e r i a l s w i t h z e r o a p p l i e d m a g n e t i c f i e l d i t i s n e c e s s a r y t o m o d u l a t e and s we e p t h e f r e q u e n c y of t h e n u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c e a b s o r p t i o n c i r c u i t . The f r e q u e n c y m o d u l a t i o n y i e l d s s p u r i o u s a m p l i t u d e m o d u l a t i o n , and w i d e f r e q u e n c y s we eps u n d e r t h e s e c i r c u m - t s t a n c e s would n o r m a l l y r e s u l t i n a b a s e l i n e s h i f t a t t h e o u t p u t o f t h e t u n e d a m p l i f i e r s t a g e . Many s p e c t r o m e t e r s a r e d e s c r i b e d i n t h e l i t e r a t u r e f o r t h e m e a s u r e m e n t s o f h y p e r f i n e f i e l d s i n m a g n e t i c m a t e r i a l s o r f o r t h e d e t e c t i o n q u a d r u p o l e r e s o n a n c e s / K u s h i d a 1 9 5 6 , V e r d i c k 1 96 1 , V i l s o n 1964/» To r e d u c e t h e e f f e c t s o f s p u r i o u s a m p l i t u d e m o d u l a t i o n t h e a m p l i f i e r and p h a s e d e t e c t o r a r e u s u a l l y t u n e d t o t h e s e c o n d h a r m o n i c of t h e m o d u l a t i o n f r e q u e n c y . .
I n t h e NMR s p e c t r o m e t e r d e s c r i b e d h e r e , a R o b i n s o n - t y p e o s c i l l a t o r / R o b i n s o n 1959/» c h o s e n f o r i t s s i m p l e c o n s t r u c t i o n a n d s e n s i t i v i t y i s u s e d . B eca use o f t h e h i g h o p e r a t i n g f r e q u e n c i e s
/ 2 5 - 1 0 0 MHz/ t h e f i r s t a m p l i f i e r s t a g e i s a t u n e d a n o d e t y p e c i r c u i t . By s y n c h r o n o u s l y t u n i n g t h e g r i d and a n o d e c a p a c i t o r t h e anode
i n d u c t o r a u t o m a t i c a l l y t u n e s t o t h e e x a c t g r i d r e s o n a n t f r e q u e n c y and t h e l e v e l o f o s c i l l a t i o n i s k e p t c o n s t a n t even d u r i n g a wide s weep.
The NMR s i g n a l of ^ F e d e t e c t e d i n f i r s t h a r m o n i c i n i r o n and i r o n - c o b a l t a l l o y s d e m o n s t r a t e s t h e p e r f o r m a n c e o f t h e e q u i p m e n t .
The c i r c u i t
The b l o c k d i a g r a m o f t h e s p e c t r o m e t e r and t h e c i r c u i t d i a g r a m o f t h e o s c i l l a t o r a r e shown i n F i g s 1 and 2 . B o t h t h e t u n e d a m p l i f i e r and t h e l i m i t e r a r e d o u b l e t r i o d e s i n c a s c a d e c i r c u i t . Owing t o t h e l o w e r i n p u t c a p a c i t a n c e and h i g h e r i n p u t e l e c t r o n i c r e s i s t a n c e , t h e c a s c a d e c i r c u i t i s p r e f e r a b l e a t h i g h e r f r e q u e n c i e s t o t h e u s u a l p e n t o d e i n t h e R o b i n s o n c i r c u i t . I t i s n o t s u s c e p t i b l e
- 2
t o s e l f - o s c i l l a t i o n and t h e n e a r l y e q u a l c a p a c i t i e s of g r i d a n d anode a c h i e v e , a s y n c h r o n o u s r u n o f t h e two t u n i n g c i r c u i t s e ve n f o r l a r g e s w e e p a m p l i t u d e s . The f r e q u e n c y i s t u n e d by ä m o t o r - d r i v e n r o t a r y c a p a c i t o r , o r , o v e r a s m a l l f r e q u e n c y i n t e r v a l , b y a slow s w e e p ap
p l i e d t o t h e v a r i c a p . The f r e q u e n c y i s m o d u l a t e d b y means o f a s e c o n d v a r i c a p . I f t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y o f t h e a n o d e c i r c u i t i s a p p r o p r i a t e l y
c h o s e n , f o r t h e a b s o r p t i o n c i r c u i t t h e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n s i g n a l a t t h e d e m o d u l a t o r o u t p u t w i l l be m i n i m i z e d / W i l s o n 1 9 6 4 / so a s t o ke ep t h e o s c i l l a t i o n l e v e l c o n s t a n t d u r i n g t h e t u n i n g , p r o v i d e d t h e minimum c o n d i t i o n i s a u t o m a t i c a l l y r e s e t b y t h e AFC c i r c u i t . By me ans o f a s e c o n d s e l e c t i v e a m p l i f i e r and p h a s e d e t e c t o r t u n e d t o t h e m o d u l a t i o n f r e q u e n c y , t h e b i a s t o t h e p r e m a g n e t i z i n g c o i l o f t h e f e r r i t e c o r e d i n d u c t o r o f t h e anode c i r c u i t i s a l w a y s so a d j u s t e d as t o k e e p t h e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n a t a minimum d u r i n g t u n i n g . The P . I . D . c o n t r o l i n c l u d e d i n t h e a u t o m a t i c f r e q u e n c y c o n t r o l l o o p e n s u r e s a f a s t and smooth A . F . C . c o n t r o l c a r a c t e r i s t i c .. I f t h e f r e q u e n c i e s o f t h e two t u n e d c i r c u i t d o n o t d e v i a t e t o o f a r f r o m e a c h o t h e r , t h e i n d u c t a n c e of t h e an o de i s a u t o m a t i c a l l y a d j u s t e d b y t h e A . F . C . c i r c u i t t o t h e d e s i r e d f r e q u e n c y . To f a c i l i t a t e t h e s y n c h r o n i z a t i o n , t h e d . c . c i r c u i t o f t h e A . F . C . c a n b e s w i t c h e d o f f and t h e i n p u t b i a s t o t h e p r e m a g n e t i z i n g a m p l i f i e r c a n b e a d j u s t e d b y t h e p o t e n t i o m e t e r f o r t h e maximum o s c i l l a t i o n l e v e l w h i l e t h e two t u n e d c i r c u i t s a r e b e i n g s y n c h r o n i z e d . The f r e q u e n c y o f t h e anode r e s o n a n c e c i r c u i t f o r t h e minimum h a r m o n i c c o m p o n e n t w i l l b e t h e n somewhat h i g h e r / W i l s o n 1 9 6 4 / b u t i t w i l l be a u t o m a t i c a l l y s e t
i f t h e A . F . C . c i r c u i t i s s w i t c h e d o n .
The s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o i s somewhat b e t t e r w i t h t h e d . c . o u t p u t s i g n a l t a k e n f r o m t h e Ge d i o d e i n t h e a n o d e c i r c u i t t h a n t h a t w h i c h i s u s u a l l y t a k e n f r o m t h e g r i d c i r c u i t o f t h e l i m i t e r .
The r f - a m p l i t u d e i s v a r i e d by t h e D . C . b i a s o f t h e l i m i t e r a n o d e c i r c u i t .
P e r f o r m a n c e
We h a v e u s e d t h e a b s o r p t i o n c i r c u i t t o s t u d y t h e h y p e r f i n e f i e l d o f ^ F e i n i r o n a n d i r o n - b a s e d a l l o y s . To i l l u s t r a t e t h e s e n s i - t i v i t y a nd t h e u s e o f t h e e q u i p m e n t , the NMR s i g n a l o f - " F e d e t e c t e d a t f i r s t h a r m o n i c ' i n 0 , 5 g o f w e l l a n n e a l e d n a t u r a l i r o n p ow d er o f 5 N p u r i t y / g r a i n s i z e o f p a r t i c l e s s m a l l e r t h a n 5 6 ^ u / i s s hown i n F i g . 3 - The m o d u l a t i o n f r e q u e n c y i s 70 c / s , t h e m o d u l a t i o n a m p l i t u d e 5 k c / s . The l o c k - i n t i m e c o n s t a n t f o r t h e A . F . C . c i r c u i t i s 100 s e c , t h a t f o r
- 3 -
t h e d e t e c t o r J>0 s e c , and t h e t i m e c o n s t a n t s o f D a n d I i n t h e P . I . D . c o n t r o l a r e 0 , 0 3 and 3 s e c , r e s p e c t i v e l y . The l i n e s h a p e i s
c h a r a c t e r i s t i c o f a mixed a b s o r p t i o n a n d d i s p e r s i o n c o m p o n e n t . The e n h a n c e m e n t f a c t o r can be d e t e r m i n e d b y m e a s u r i n g t h e l i n e s h a p e a t d i f f e r e n t a m p l i t u d e s . / S t r e e v e r 1 9 6 3 . / U s i n g t h e r e l a x a t i o n t i m e s a s m e a s u r e d b y s p i n - e c h o m e a s u r e m e n t s /Cowan 1 9 6 4 / , we g e t = 7 0 0 0 .
At h i g h e r m o d u l a t i o n f r e q u e n c i e s and 9 0 ° d e t e c t i o n w i t h r e s p e t t o t h e m o d u l a t i o n s i g n a l an e x c e l l e n t s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o a n d a f l a t b a s e l i n e o v e r l a r g e f r e q u e n c y r a n g e c a n be o b t a i n e d . Th ou g h a l l t h e d e t a i l s o f t h e a d i a b a t i c f a s t p a s s a g e /Cowan 1 9 6 4 /
c o u l d n ’ t be f o l l o w e d , and t h e l i n e w i d t h o f i r o n was s l i g h t l y d e p e n d e n t on t h e m o d u l a t i o n a m p l i t u d e , t h e i m p r o v e d s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o makes i t p o s s i b l e t o d e t e c t weak s a t e l l i t e s b e s i d e t h e c e n t r a l r e s o n a n c e d u e t o c e r t a i n n e i g h b o u r s o f t h e i m p u r i t i e s i n t h e i r o n m a t r i x . P i g . 4 . s ho ws t h e h y p e r f i n e f i e l d d i s t r i b u t i o n m e a s u r e d i n F e - 0 , 7 2 at % Co a l l o y a t room t e m p e r a t u r e . The s a t e l l i t e s o b s e r v e d on t h e h i g h
f r e q u e n c y s i d e o f t h e c e n t r a l r e s o n a n c e c o r r e s p o n d t o t h e s e c o n d , t h i r d and f o u r t h n e i g h b o u r s o f t h e Co i m p u r i t i e s / G r ü n e r 1 97 1 / »
The s a m p l e c o i l i s k e p t i n a p r o b e a t t e m p e r a t u r e s v a r i a b l e by g a s s t r e a m t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e r / B a l i a 1 9 6 8 / , and h a s b e e n u s e d t o m e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f t h e h y p e r f i n e f i e l d i n t h e - I 9 0 . . . + 15СГС r a n g e i n i r o n an i r o n - b a s e d a l l o y s .
A c k n o w l e d g e n t s
A u t h o r s a r e i n d e b t e d t o Mr. K. Kovács a n d Mr. J . P r e t z f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e m e a s u r i n g a p p a r a t u s and t o Mr. P. B á n k i f o r h i s p a r t i c i p a t i o n i n t h e m e a s u r e m e n t s .
- 4
REFERENCES
1 B a l i a J . , Tompa К . , and. T ó t h F . , 1 9 6 8 , C r y o g e n i c s , 8 , 47«
2 Cowan D . L . , A nd e r s o n L.W. 1 9 6 4 , P h y s , R e v , A 1046 3 G r ü n e r G. / t o be p u b l i s h e d /
4 K u s h i d a , T . , B e ne de k , G . B . , and B l o e m b e r g e n , N . , 1 9 5 6 , P h y s . Rev. (L04, 1 3 6 4 .
5 R o b i n s o n , F . N . H . , 1959» J» S e i . I n s t r u m . , 3 6 , 4 8 1 . 6 S t r e e v e r R . L . , B e n n e t t L. H. 1 9 6 3 , Phys* R e v . 20 0 0
7 V e r d i c k , J . F . , and C o r n w e l l , C . D . , 1 9 6 1 , Rev. S e i . I n s t r u m . , 2 2 , 1383-
W i l s o n . G . V . H . , 1 96 4, J . S e i .* I n s t r u m . , 4 1 , 4 3 6 . 8
g lS a - 1
NMR S p e c t r o m e t e r f o r t h e m e a s u r e m e n t o f i n t e r n a l m a g n e t i c f i e l d s w ith o p e r a t i n g f r e q u e n c i e s f r o m 25 MHz t o 100 MHz
gig.». 2
The c i r c u i t o f t h e o s c i l l a t o r f o r m a g n e tic f i e l d m e a su re m e n t
- 7 -
Pu run fm - 7 0 с/т
yt-lm * 5 к с /я
i l
&ь-2
NMR S ig n a l o f ^ F e i n n a t u r a l i r o n a t lo w r f a m p lit u d e
g i g . 4-
MffR s i g n a l o f i n F e -0 .7 2 at% Co a l l o y
ABSTRACT
A R o b i n s o n - t y p e o s c i l l a t o r w i t h an a u t o m a t i c f r e q u e n c y c o n t r o l c i r c u i t , s u i t a b l e f o r t h e m e a s u r e m e n t o f i n t e r n a l m a g n e t i c . f i e l d s , i s d e s c r i b e d . An AFC c i r c u i t e n s u r e s t h a t t h e t u n i n g o f t h e t a n k c i r c u i t i s s u c h t h a t t h e f i r s t h a r m o n i c o f t h e m o d u l a t i o n f r e q u e n c y i s k e p t a t a minimum i n t h e d e t e c t o r o u t p u t w h i l e t h e NMR s i g n a l i s d e t e c t e d a t t h e f i r s t h a r m o n i c . C a s c a d e a m p l i f i e r s t a g e s p e r m i t o p e r a t i o n a t h i g h e r f r e q u e n c i e s w i t h a b e t t e r s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o a nd l a r g e r sweep a m p l i t u d e s t h a n w i t h o t h e r t y p e s o f a m p l i f i e r s . r n The u s e o f t h e e q u i p m e n t i s d e m o n s t r a t e d b y m e a s u r i n g t h e
^ F e NMR s i g n a l i n i r o n a n d i r o n - c o b a l t a l l o y s .
РЕЗЮМЕ
В работе описывается осциллятор типа Робинсона с автоматической охемой управления частоты, разработанный для измерения внутренних магнит
ных полей. Частотная модуляция сопровождается амплитудной модуляцией, низ
кий уровень этого эффекта обеспечивается схемой a f c , причем сигнал ЯМР измеряется на первой гармонике. Ступени каскадного усилителя позволяют дей
ствие осциллятора и на более высоких частотах с лучшим отношением сигнала к шуму, а также с большими амплитудами развертки, чем другие типы осцилля
торов. В качес^не примера действия осциллятора описывается измерение си г
нала ЯМР ядер Fe в железе и сплавах ж елеза-кобальта.
KITONAT
A c ik k b e ls ő m ágneses t é r m érésére a lk a lm a s autom atik u s fr e k v e it—
c ia s z a b á ly o z á s u R o b in s o n - o s z c illá t o r t is m e r t e t . A fr e k v e n c ia m o d u lá ció kö
v e tk e z té b e n f e l l é p ő am p litú d óm od u lációs s z i n t e t AFC áramkör t a r t j a ala-*
cson y s z i n t e n , e z é r t az NMR J e lta r ta lo m e ls ő harmonikusa d e t e k t á lh a t ó . A kaszkád e r ő s it ő f o k o z a t o k k ö v e tk e z té b e n az o s z c i l l á t o r á t f o g h a tó fr e k v e n
ciatartom án ya n a g y , j e l / z a j v isz o n y a Jobb, a fr e k v e n c ia m o d u lé c ió m érték e nagyobb, m int a szo k á so s m eg o ld á so k n á l,
c7 A B erendezés t u la j d o n s á g a it v a s é s v a s -k o b a lt ö tv ö z e tb e n d e te k t á l t 5 /F e NMR J e l d e m o n str á lja .
K ia d ja a K ö zp o n ti F i z i k a i K u ta tó I n t é z e t F e l e l ő s k ia d ó : Tompa Kálm án, a KFKI
S z i l á r d t e s t f i z i k a i Tudományos T a n á c sá n a k e ln ö k e Szakm ai l e k t o r : E rő n é Gécs M ária
N y e lv i l e k t o r : T . W ilk in s o n
P é ld á n y sz á m : 2 8 0 ' T ö rzsszém : 7 1 -5 6 6 2 K é s z ü lt a KFKI s o k s z o r o s í t ó ü zem éb en , Budapest, 1971. Junius hó
