积木式多用磁共振仪

汪柏年, 郭枳汛(沈阳大学 师范学院, 辽宁 沈阳 110044)



积木式多用磁共振仪

汪柏年, 郭枳汛
(沈阳大学 师范学院, 辽宁 沈阳 110044)

研制了一种用于教学的小型多用磁共振仪,仪器包括射频和微波两个子系统,能够在射频段和微波段完成五个磁共振实验,进行核磁共振NMR、电子顺磁共振EPR和铁磁共振FMR信号的观测.

磁共振; 小型化; 射频; 微波

目前,磁共振技术已在多领域获得广泛应用,也在近代物理实验中占据了重要地位.但是磁共振仪器一般昂贵、笨重,普及较难.本文设计了一种小型化、低成本的磁共振教学实验装置----积木式多用磁共振仪,能够在射频段和微波段完成五个磁共振实验.本装置分为射频系统和微波系统,由于这两个子系统的部分仪器、元件可以互联互换互串,体现了积木式的概念.相较于大型传统仪器,这套简单便携的磁共振仪,具有小型结构、易于操作、造价低廉和便于普及的特点;灵活多变的仪器结构更利于培养学生的综合能力,使设计性和开放式实验成为主要的课型.

1 仪器结构

磁共振包括核磁共振和电子顺磁共振;尽管两者名称不一,但实验的基本原理和方法有很多共同点或相似处,这为多用磁共振仪的设计提供了依据和可行性.现对射频系统和微波系统分别予以介绍.

1.1 射频段系统

该子系统的核心装置有磁共振仪主机和两套磁场元件.

磁共振仪主机原理如图1示.各模块关联组成一台整机,结构紧凑.

图1 主机原理图Fig.1 The operating principle of the main device

其共振探头采用电容反馈式LC振荡电路,共振频率在11～18 MHz,居于射频段.射频场由连有振荡线圈的这个共振探头产生,绕于样品管外的振荡线圈既是发射线圈又是接收线圈.共振信号的观测采用低频大调场方式;用连续波吸收法检测共振信号[1].

小型多用综合式磁铁主体由永久磁铁和直流扫场线圈构成,结构如图2所示.使用时转动调场旋柄即可使磁极柱左右移动,从而改变磁极的间距,进而改变气隙处的场强.磁极柱靠磁力与NdFeB稀土永磁体吸连.扫场线圈由铜导线在中空的圆柱型绝缘导线框上绕制而成,并将其套在磁极柱上.

本装置既用来提供稳定的静磁场,又通过线圈通电实现在较大范围内的扫场,磁铁磁感应强度可调范围为0.28～0.41T,均匀度约为3×10-4[2];

图2 磁铁结构图
Fig.2 The structure of magnet
1—调场旋柄; 2—磁轭; 3—磁极柱(铁芯);4—直流扫场线圈; 5—永磁体; 6—极靴.

由于采用了改变磁极气隙大小和加线圈用电调节相配合的综合调场方法,既保留了永磁体体积小、磁场稳定的优点,又利用了电磁铁电调场的方便,也省去了电磁铁需配备的稳流稳压及冷却系统,是整套仪器小型化的关键之一.

磁共振仪主机输出的共振频率范围为11～18 MHz,为在此频段观测EPR信号,依据磁共振条件ω=γB0,估算对应的共振磁场的B约0.5 mT,这样的弱场,通常采用螺线管线圈产生.

用Φ=0.60 mm的漆包铜导线,在长0.3 mm、直径52 mm的有机玻璃圆管上,绕制440匝制成螺线管线圈,理论上的n=1 667匝/m,应用霍尔效应法通电检测I=0.25～0.30 A时,B=0.50～0.57 mT,满足实验要求.

为扫场需要,在稳恒磁场螺线管外又绕了一层Φ=0.60 mm的漆包铜导线,作为扫场线圈,由于探头探杆长10 cm,样品无法到达稳恒磁场螺线管最中心,且扫描磁场对均匀性要求不高,绕制的扫场线圈长为178 mm,约300匝[3].

综上,应用主机配合小型多用综合式磁铁,辅之以数字频率计和示波器,可以完成NMR实验;用同一主机配合螺线管线圈和供电电源,可以在同一频段完成EPR实验.图3为射频系统实物图.

图3 射频系统实物图Fig.3 The picture of the radio frequency system

1.2 微波段系统

微波段EPR实验仪的基本构造包括四个部分:提供高频磁场的微波信号源;用来劈裂电子能级的磁铁;安置样品的谐振腔;观察及记录谱线的检测系统.实验线路原理如图4所示[4].

图4 微波线路原理图Fig.4 Schematic diagram of the microwave circuit

在具体实施中,为减少元件数量,微波系统采用了反射式桥路;图4中从微波信号源到可变衰减器这一部分用一台DH1121C型微波信号源取代;利用扭波导实现宽窄面正交转换.

为与综合式磁铁匹配,采用TE108型矩形谐振腔(腔的内截面a=2.286 cm,b=1.016 cm,3 cm频段标准尺寸),无载Q值为3 200;对应共振频率9 200 MHz,B值约为0.33 T,此时磁极间距140 mm.

经检波后的信号既可直接用示波器显示,也可用x-y记录仪自动记录信号曲线.图5为微波段EPR系统的实物图.

图5 微波系统实物图
Fig.5 The picture of the microwave system

为降低成本,使部件、装置使用效率最大化,仪器的设计中着眼于积木式的结构方案.射频段NMR和EPR两个实验共用实验仪主机.选用的一台TPR3005T-3C型双路稳压电源在实验中可分别为磁铁和螺线管线圈供电,且这台电源可窗口显示电流、电压值,省去了EPR实验的电流表.小型多用综合式磁铁可供NMR、EPR和FMR实验通用.微波信号源、谐振腔等微波元部件为微波段EPR和FMR共用.实验仪主机还在微波段EPR和FMR实验中作为磁强计使用.

通过示例可见,由于部件的互联互换、仪器结构灵活,便于组织教学,进行开放式或设计性实验;测量结果同时表明这套仪器的灵敏度和分辨率可以较好地满足磁共振实验的教学要求.

2 实验结果

用本装置做了NMR、射频段和微波段EPR和FMR等五个实验.实验得到的可供观测的信号如下:

(1) NMR实验(图6).共振频率11～18 MHz可调,对应磁感应强度0.3～0.4 T,检测样品分别为质子和氟核.可精确测量磁感应强度,氟核的旋磁比、g因子和核磁矩.测得的g值为5.258,μF值为1.328,测量相对误差不超过0.2%.

图6 氟化氢样品的NMR信号Fig.6 The NMR signal with HF sample

(2) EPR实验(图7、图8).共振频率15～29 MHz可调,对应磁感应强度约0.50 mT,检测样品为DPPH.可精确测量样品的g因子,地磁场垂直分量,调制磁场幅度,共振谱线宽度以及弛豫时间.测量精度见应用举例.

对应共振频率9 200 MHz,B值约为0.33 T;通过测量共振磁场B0和谐振频率f0以计算DPPH样品的g因子,测出的DPPH的g值为2.001+0.003.

图7 射频段DPPH样品的EPR信号

图8 微波段DPPH样品的EPR信号
Fig.8 The EPR signal with DPPH in microwave range

(3) FMR实验(图9): 样品:单晶铁氧体小球(YIG),x-y记录仪记录.

图9 单晶铁氧体的共振信号
Fig.9 The resonance signal with YIG

共振频率9 000～9 300 MHz可调,对应磁感应强度约0.3～0.35 T,检测样品为直径约1 mm的铁氧体小球.可测量共振磁感应强度B和共振线宽ΔB.

(4) 观测CuSO4·5H2O单晶样品的共振信号(图10).观测CuSO4·5H2O单晶样品的晶轴方向与外磁场的不同取向关系,分别测量Cu2+的g0和g90;可作为微波EPR实验后的选做实验开出,要求学生自拟实验方案,自己选择器件,自己进行组装并实验.

图10 CuSO4·5H2O单晶样品的共振信号Fig.10 The resonance signal with optical axis of crystal CuSO4·5H2O

3 结 论

上述实验结果表明:这套积木式多用磁共振仪性能上可以较好地满足磁共振实验的教学要求,利于引导学生通过对五个实验的分析对比,加深对磁共振的基本原理和实验方法的理解;丰富了磁共振实验的内容,使磁共振实验形成了系列[5].

研制完成的磁共振仪不但体积小、质量轻,且整机采用积木式结构设计,通过仪器部件的互联共享,使装置成本大大降低,真正实现了一机多能、一机多用的设计目标.

[1] 周辉,魏德祥. 小型核磁共振仪的研制与实验结果[J]. 物理实验, 1983(5):33-35. (ZHOU H,WEI D X. The design and experiment result of small-sized nuclear magnetic resonance spectrometer[J]. Physics Experiment, 1983(5):33-35.)

[2] 汪柏年,周辉,魏德祥,等. 小型多用综合式磁铁的研制与实验[J]. 物理实验, 1998(4):28-30. (WANG B N,ZHOU H,WEI D X,et al. The design and experiment of small-sized multipurpose comprehend magnet[J]. Physics Experiment, 1998(4):28-30.)

[3] 汪柏年,郭枳讯,王建华. 用于射频段电子自旋共振实验的磁场装置[J]. 沈阳大学学报(自然科学版), 2015,27(2):170-172. (WANG B N,GUO Z X,WANG J H. Magnetic field experiment device for radio frequency range electron spin resonance[J]. Journal of Shenyang University(Natural Science), 2015,27(2):170-171.)

[4] 刘春光. 近代物理实验[M]. 长春:东北师范大学出版社, 2008:151. (LIU C G. Modern physics experiment[M]. Changchun: Northeast Normal University Press, 2008:151.)

[5] 王建华. 交叉学科大学物理及实验教学改革[J]. 沈阳大学学报(社会科学版), 2013,15(4):503-504. (WANG J H. On teaching reform of physical and physical experiment in interdiscipline[J]. Journal of Shenyang University(Social Science), 2013,15(4):503-504.)

【责任编辑: 肖景魁】

Magnetic Resonance Spectrometer Constructed from Building Blocks

WangBainian,GuoZhixun

(Normal College, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

A small-sized multi-purpose magnetic resonance spectrometer was designed and constructed, which can be used in experiment teaching activities. The spectrometer is composed of two sub-systems: radio frequency and microwave. It can be used in five magnetic resonance experiments of radio frequency range and microwave range, monitoring the signals of NMR, EPR and FMR.

magnetic resonance; miniaturization; radio frequency; microwave

2017-03-20

辽宁省大学生创新创业计划训练资助项目(201411035000037).

汪柏年(1962-),男,辽宁沈阳人,沈阳大学副教授.

2095-5456(2017)03-0254-05

O 482.5

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