Hungarian ‘Academy of Sciences

(1)

KFKI-1978-25

J . B Á L L Á M . E R O - G l C S A , J Ä N O S S V

GAS-FLOW MEASURING HEAD FOR ELECTRON SPIN RESONANCE SPECTROMETER

Hungarian ‘Academy o f Sciences

CENTRAL RESEARCH

INSTITUTE FOR PHYSICS

BUDAPEST

(2)

2017

(3)

GAS-FLOW MEASURING HEAD FOR ELECTRON S P IN RESONANCE SPEKTROMETER

J . B a l i a , M. E r ő - G é c s , A. J á n o s s y S o l i d S t a t e P h y s i c s D e p a r tm e n t 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 ungary

HU ISSN 0368 5 3 3 0

K F K I-1 9 7 8 -2 5

(4)

A B S T R A C T

The m ain u n i t s o f t h e s im p le g a s f lo w m e a s u r in g head a p p l i e d t o an ESR s p e c t r o m e t e r a r e th e e v a p o r a t o r c o n n e c t e d t o t h e h e liu m c o n t a i n e r , t h e m i n i a t u r e q u a r tz h e a t i s o l a t i n g t u b e , t h e sam p le h o l d e r , th e e l e c t r o n i c t e m p e r  a t u r e r e g u l a t o r an d t h e t o r o i d a l t r a n s f o r m e r w h ich i s u se d t o r e g u l a t e t h e h e a t in g c u r r e n t o f t h e e v a p o r a t o r c o i l .

The h e a t in g c o i l warms t h e c o l d g a s o b t a i n e d by e v a p o r a t i n g t h e l i q u i d h e liu m t o t h e d e s i r e d t e m p e r a t u r e . The q u a rz h e a t i s o l a t i n g tu b e i s c o n n e c t e d t o t h e m e t a l l i c vacuum s y s te m b u i l t o f s t a i n l e s s s t e e l t u b e s by p a r a -r u b b e r tu b e p i e c e s . The m e a s u r in g head i s c o n s t r u c t e d f o r r a p id c h a n g e o f t h e sa m p le s a t lo w t e m p e r a t u r e .

The m ain t e c h n i c a l d a ta a r e t h e f o l l o w i n g : sam p le te m p e r a tu r e r a n g e 1 0 -3 0 0 K, c o n su m p tio n o f l i q u i d h e liu m a t l o w e s t t e m p e r a t u r e s s 1 . 5 1 / h , t e m p e r a tu r e s t a  b i l i t y + 0 .0 5 K.

АННОТАЦИЯ

К сп ек тр о м ет р у ЭПР р а зр а б о т а н а п р о ст а я га зо п р о т о ч н а я г о л о в к а , имеющая следующие главны е ч а с т и : и сп ар и т ел ь присоединенны й к р е зе р в у а р у жидкого г е л и я , миниатюрная к в ар ц ев ая тр у б к а , находящ аяся вбли зи о б р а з ц а , дер ж а тел ь о б р а з ц а , электронны й р е г у л я т о р тем пературы и трансф орм атор т и п а тороида д л я регул ировки т о к а и сп ар и тел ьн ой катушки.

Полученный и сп ар ен и ем жидкого гел и я холодный г а з н а г р е в а е т с я д о нужной т е м п е р а  туры с помощью находящ ейся в и сп а р и т ел е н а г р е в а т ел ь н о й катушки. К варцевая т е р  моизолирующая т р у б к а паракаучуковыми звен ьям и с о е д и н е н а с бл окам и , имеющими кожух тер м ои зол я ц и он н ого в акуум а и построенными и з тонкостенны х и зготов л ен н ы х и з нержавеющей ст а л и т р у б о к .

Главные т е х н и ч е с к и е параметры: о б л а с т ь регул ир овки тем пературы о б р а зц а 10тЗОО К, р а с х о д жидкого г е л и я при минимальной т е м п ер а т у р е 1 , 5 л / ч , ст а б и л ь н о ст ь т е м п е р а  туры + 0 ,0 5 К.

K I VO NA T

Az ESR s p e k t r o m é t e r h e z k i d o l g o z o t t ig e n e g y s z e r ű g á z á r a m o s m é r ő fe j f ő e g y s é g e i a h é liu m s z á l l í t ó e d é n y h e z c s a t l a k o z ó e l p á r o l o g t a t ó , a m in t a k ö r n y e z e  t é b e n l é v ő m i n i a t ű r k v a r c h ő s z i g e t e l ő c s ő , a m i n t a t a r t ó , az e l e k t r o n i k u s h őm ér

s é k l e t s z a b á l y o z ó é s e g y t o r o i d t r a n s z f o r m á t o r a p á r o l o g t a t ó t e k e r c s f ü tő á r a m á - nak s z á b á l y o z á s á r a .

A f o l y é k o n y h é liu m p á r o l o g t a t á s á v a l n y e r t h id e g g á z t a z e l p á r o l o g t a t ó b a n l é v ő f ü t ő t e k e r c s a k í v á n t m é r é s i h ő m é r s é k le t r e m e l e g í t i . A k v a r c h ő s z i g e t e l ő c s ő p aragu m i c s o d a r a b o k k a l c s a t l a k o z i k a v é k o n y f a l ú r o z s d a m e n t e s a c é l c s ö v e k b ő l Ö s s z e á l l í t o t t vákuum köpenyü fém e g y s é g h e z . A m i n t a t a r t ó e g y s é g a g y o r s m i n t a  c s e r é t é s a h é liu m g á z e l v e z e t é s é t b i z t o s í t j a .

Főbb m ű sza k i j e l l e m z ő k : a m i n t a h ő m é r s é k le t s z a b á l y o z á s i ta r to m á n y a 1 0 . . . 3 0 0 K, h ű tő k ö z e g f o g y a s z t á s a l e g k i s e b b h ő m é r s é k le t n é l 1 . 5 1 / h , h ő m é r s é k l e t s t a b i l i t á s + 0 . 0 5 K.

(5)

The m a in u n i t s o f t h e s im p le g a s - f l o w m e a s u r in g h ead a p p l i e d t o an e l e c t r o n s p i n r e s o n a n c e s p e c t r o m e t e r a r e t h e e v a p o r a t o r c o n n e c t e d t o t h e h e liu m c o n t a i n e r , t h e m in i a t u r e quarz h e a t i s o l a t i n g t u b e , th e sa m p le h o l d e r , t h e e l e c t r o n i c te m p e r a t u r e r e g u l a t o r and t h e t o r o i d t r a n s f o r m e r w h ic h r e g u l a t e s t h e h e a t i n g c u r r e n t o f t h e e v a p o r a t o r c o i l .

An SZTG-lO t y p e /made in t h e USSR/ h e liu m c o n t a i n e r i s u s e d f o r t h e a p p a r a t u s . The th r e a d e d s t u b 1 a t t h e en d o f t h e l o n g e r v e r t i c a l s e c t i o n o f th e

s t a i n l e s s s t e e l e v a p o r a t o r i s a fe w c e n t i m e t e r s a b o v e th e l e v e l o f t h e l i q u i d . A c o p p e r t u b e 2 c l o s e d o n th e b o tto m and h a v in g h o l e s on t h e p a r t a b o v e t h e h e liu m l e v e l i s s c r e w e d o n t o th e t h r e a d e d s t u b .

The h o ld e r o f t h e t e x t ! l b a k e l i t e - e v a p o r a t o r c o i l 3 i s f i x e d on t h eI th r e a d e d s h a f t on t h e lo w e r p a r t o f t h e c o p p e r t u b e . The s e c t i o n o f th e e v a p  o r a t o r tu b e w h ic h i s n o t h e a t i s o l a t e d 4 g o e s i n t o t h e c l o s e d c o p p e r t u b e . The e l e c t r o n i c r e s i s t a n c e o f t h e e v a p o r a t o r c o i l i s 2 5 0 Ohm, i t i s made o f

(У.

15 mm d ia m e te r k a n t h a l w i r e . The o p e n in g o f t h e o u t e r e x c e n t r i c t u b e 5 w as f i l l e d

' f f

w i t h p a r a f i n e a t t h e o u t l e t o f t h e e v a p o r a t o r c o i l , a t t h e o u t ^ r s u r f a c e o f

C 1

t h e e x c e n t r i c tu b e t h e g a s k e t o f t h e h e liu m c o n t a i n e r i s u s e d . At t h e f i r s t p a r t o f t h e h o r i z o n t a l s e c t i o n o f t h e e v a p o r a t o r t h e in n e r t u b e h a s a l a r g e r d ia m e te r an d i t c o n t a i n s t h e g a s h e a t i n g c o i l . The h e a t e r i s made o f THERMOCOAX h e a t in g w i r e c o i l e d i n a s p i r a l fo r m , i t s e l e c t r i c r e s i s t a n c e i s 1 5 0 Ohm. The g o ld - c h r o m e l t h e r m o c o n t a c t 10 i s p l a c e d a t t h e end o f th e g a s h e a t e r c o i l . The

h e r m e tic , p a s s i n g 11 o f t h e th e r m o p a ir and t h e l e a d s o f t h e g a s h e a t e r i s a s s u r e d by g l u e i n g , t h e d e m o u n tin g o f t h e w h o le u n i t i s made e a s y b y a th r e a d e d c o n n e c  t i o n 1 2 . The h e a t i s o l a t i n g s p a c e o f t h e e v a p o r a t o r i s p u t u n d e r vacuum and c l o s e d h e r m e t i c a l l y a t t h e o p e n in g a t t h e o t h e r end o f t h e h o r i z o n t a l s e c t i o n

1 3 . The s t a t i c vacuum i s h e lp e d t o b e m a in t a in e d f o r a lo n g p e r i o d by t h e a c t i v e ca r b o n 14 p l a c e d a t t h e c o l d end o f t h e e v a p o r a t o r . The s h o r t e r v e r t i c a l s e c t i o n o f th e e v a p o r a t o r i s made o f t u b e s o f l e s s e r d ia m e t e r and i s u s e d t o c o n n e c t

t h e m i n ia t u r e h e a t i s o l a t i n g tu b e 1 5 .

The h e a t i s o l a t i n g dewar u n i t 15 p la c e d in t h e m ic r o w a v e f i e l d i s made o f h ig h p u r i t y q u a r tz t u b e s , th e d ia m e t e r o f t h e o u t e r t u b e i s 10 mm, w i t h 1 mm w a l l - t h i c k n e s s , t h e d ia m e t e r o f t h e in n e r t u b e i s 5 .5 mm w i t h 0 . 5 mm w a l l t h i c k  n e s s , t h e l e n g t h o f t h e h e a t i s o l a t i n g u n i t i s 1 5 0 mm. The h e a t i s o l a t i o n i s

(6)

2

a s s u r e d by pum ping on t h e s p a c e b e tw e e n t h e t u b e s . The r e m a in in g p r e s s u r e a t room te m p e r a t u r e i s l e s s th a n 1x10 ^ t o r r . The m id d le s e c t i o n o f t h e q u a r t z h e a t i s o l a t i n g dewar u n i t i s p la c e d i n t h e TE^0 2 r e c t a n 9 u l a r r e s o n a t o r o f t h e ESR s p e c t r o m e t e r . The h e r m e t ic c o n n e c t i o n o f t h e h e a t i s o l a t i n g u n i t t o t h e e v a p o r a t o r i s a s s u r e d b y t h i c k p a r a - r u b b e r t u b e p i e c e s 1 6 .

T he in n e r v e r t i c a l tu b e o f t h e d o u b le w a l l e d sam p le h o ld e r u n i t 17 h e a t i s o l a t e d by a vacuum c o a t i n g l e a d s t h e s a m p le h o l d e r , o n e end o f i t s h o r i z o n t a l s e c t i o n a s s u r e s c o n n e c t i o n t o t h e h e l i u m p i p e l i n e , t h e o t h e r t h e pum ping o f t h e h e a t i s o l a t i n g vacuum s p a c e . The s e c t i o n o f t h e sa m p le h o l d e r i n t h e m ic r o w a v e f i e l d i s a t e f l o n p r is m o f t r i a n g u l a r c r o s s s e c t i o n 1 8 , t h e lo w e r p a r t o f i t i s a 1 , 5 mm d ia m e t e r , 0 . 2 mm t h i c k s t a i n l e s s s t e e l t u b e 1 9 . The te m p e r a tu r e i s m e a su r e d a t t h e sa m p le h o ld e r b y a g o l d - c h r o m e l th e r m o p a ir 2 0 and a c a r b o n r e s i s t o r f i x e d in t h e way o f t h e g a s - f l o w o u t s i d e t h e m e g n e t ic f i e l d . The sa m p le 21 i s p la c e d in a c i r c u l a r c a v i t y a t t h e h i g h e r end o f t h e t r i a n g u l a r c r o s s e c t i o n t e f l o n p r is m , t h e sam p le i s i n th e m id d le l i n e o f t h e m a g n e t ic f i e l d . The sa m p le may be c h a n g e d in a s h o r t tim e b y o p e n in g t h e s c r e w 2 2.

The g a s - f l o w m e a s u r in g head i s o p e r a t e d b y c l o s i n g t h e e v a p o r a t o r s l i t o f t h e h e liu m c o n t a i n e r and s e t t i n g th e c u r r e n t o f t h e e v a p o r a t o r c o i l b y t h e t o r o i d t r a n s f o r m e r . The e v a p o r a t e d g a s f l o w s th r o u g h t h e h o l e s i n t o t h e c o p p e r tu b e an d g e t s i n t o t h e in n e r t u b e o f t h e e v a p o r a t o r . The g a s h e a t i n g c o i l warms t h e g a s t o t h e v a l u e s e t o n t h e e l e c t r o n i c t e m p e r a tu r e r e g u l a t o r . The g a s o f d e s i r e d t e m p e r a t u r e f l o w s th r o u g h t h e e v a p o r a t o r and a s s u r e s g o o d h e a t e x c h a n g e w it h th e s a m p le in t h e q u a r tz h e a t i s o l a t i n g d ew a r u n i t . F i n a l l y i t i s le a d fr o m th e sa m p le h o ld e r u n i t t o t h e h e liu m c o l l e c t i n g n e tw o r k .

The m a in t e c h n i c a l d a ta a r e t h e f o l l o w i n g s - r e g u l a t e d r a n g e o f sam p le t e m p e r a tu r e s - t e m p e r a tu r e s t a b i l i t y b e t t e r th a n : - maximum l i q u i d h e liu m c o n s u m p tio n s - c u b i c c a p a c i t y o f h e liu m c o n t a i n e r s - e v a p o r a t in g p o w e r s

- h e a t i n g p ow ers

1 0 . . . 3 0 0 К + 0 .0 5 К 1 . 5 1 / hour 10 1

О . . . 2 . 5 W О . . . 5 W

The ESR s p e c t r o m e t e r e q u ip p e d w it h t h e lo w te m p e r a tu r e m e a s u r in g h ead i s u s e d f o r t h e i n v e s t i g a t i o n o f t h e m a g n e t ic p r o p e r t i e s o f h i g h l y c o n d u c t in g o r g a n i c c h a r g e t r a s f e r s a l t s . F i g u r e 2 show s t h e te m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f t h e ESR i n t e n s i t y o f a PyTCNQ2 s i n g l e c r y s t a l . The ESR i n t e n s i t y i s p r o p o r t i o n a l t o t h e p a r a m a g n e t ic s u s c e p t i b i l i t y . In a c c o r d w it h o t h e r o b s e r v a t i o n s o f o t h e r p h y s i c a l p r o p e r t i e s t h e a b r u p t jump o f t h e s u s c e p t i b i l i t y a rou n d 75 К i n d i c a t e s a p h a s e t r a n s i t i o n . The p h a s e t r a n s i t i o n i s m o st l i k e l y r e l a t e d t o a c h a n g e o f t h e e l e c t r o n i c s t r u c t u r e a n d n o t much s t u r c t u r a l c h a n g e i s i n v o l v e d . The m e a s 

(7)

u rem en t sh ow s t h a t t h e m a g n e tic p r o p e r t i e s a r e s t r o n g l y a l t e r e d arou n d t h i s p h a se t r a n s i t i o n . A s s e e n from t h i s ex a m p le t h e a p p a r a t u s , d e s p i t e i t s s i m p l i c  i t y f u l f i l l s th e h ig h r e q u ir e m e n t s m et i n s u c h t y p e s o f m e a s u r e m e n ts . The a p  p a r a t u s may be u s e d f o r o t h e r a p p l i c a t i o n s a l s o / e . g . n u c l e a r m a g n e t ic r e s o  n an ce s p e c t r o s c o p y , o p t i c a l m e a s u r e m e n t s /.

(8)

4

FIGURE CAPTIONS

F i g . 1 Scheme o f g a s - f l o w m e a s u r in g h e a d .

F i g . 2 M a g n e tic s u s c e p t i b i l i t y / m e a su r ed b y ESR l i n e i n t e n s i t y , v e r s u s te m p e r a tu r e o f t h e q u a s i - o n e - d i m e n s i o n a l c h a r g e t r a n s f e r s a l t p y r i d i n e t e t r a c y a n o q u i n a d i m e t h a n e .

(9)

5

l í ^ l

(10)

(11)

(12)

/ 7 ü ( О с

K ia d ja a K ö z p o n t i 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 i Krén Q n il

Szakm ai l e k t o r t G rüner G yörgy N y e l v i l e k t o r : H o lc z e r K á r o ly

P é ld á n y sz á m i 55 T ö r z s s z á m i 1 9 7 8 -4 0 1 K é s z ü lt a KFKI s o k s z o r o s í t ó üzem ében B u d a p e s t, 1 9 7 8 . á p r i l i s hó