SU741134A1

SU741134A1 - Nuclear magnetic resonance thermometer

Info

Publication number: SU741134A1
Application number: SU782572920A
Authority: SU
Inventors: Валентин Давидович Дорошев; Николай Моисеевич Ковтун; Валерий Михайлович Сирюк
Original assignee: Донецкий Физико-Технический Институт Ан Украинской Сср
Priority date: 1978-01-23
Filing date: 1978-01-23
Publication date: 1980-06-15

Description

1one

Изобретение относитс к измерительной технике, в частности, к технике измерени температуры с помощью устройств , основанных на вной зааи-g симости от температуры частоты дерного магнитного резонанса (ЯМР) в магнитоупор доченнЫх твердых телах, и может быть использовано дл создани простых ЯМР-теЕЯИометров, облада- ю юедих высокой чувствительностью и хорошей воспроизводимостью результатов в диапазоне температур 50-340 К.The invention relates to a measurement technique, in particular, to a technique for measuring temperature using devices based on explicit sensibility on temperature of nuclear magnetic resonance (NMR) in magnetically ordered solids, and can be used to create simple NMR terometers. You have high sensitivity and good reproducibility of results in the temperature range of 50-340 K.

Известны термометры, в которых используетс зависимость резонансной 5 частоты ЯМР в нулевом магнитном поле от температуры. Эти термометры подраз 1ел ютс на два основных класса. В термометрах первого класса мерой,, температуры вл етс частота дерно- 20 го квадрупольного резонанса (ЯКР) 1.Thermometers are known which use the dependence of the resonant 5 NMR frequency in a zero magnetic field on temperature. These thermometers are divided into two main classes. In thermometers of the first class, the measure of the temperature is the frequency of the nucleus quadrupole resonance (NQR) 1.

Термометры этого типа имеют высокую чувствительность при температурах; сравнимых с температурой Деба (&-Q) вещества, выбранного в качестве ак- 25 тивного элемента. Поскольку значени ©jj обычно велики и в различных кристаллах варьируютс в нешироких пределах , ЯКР-термометры используютс как прецизионные устройства при умеренно ЗОThermometers of this type have high sensitivity at temperatures; comparable to the temperature of the Debat (& Q) of the substance selected as the active element. Since the values of jij are usually large and in different crystals vary within narrow limits, NQR thermometers are used as precision devices at moderately DL

низких и комнатных температурах (50400 К), а расширение пределов измерени в область низких температур св зано со значительным усложнением аппаратуЕйл.low and room temperatures (50400 K), and the extension of the measurement range to low temperatures is associated with a considerable complication of the apparatus.

ЯКР-термометры обладают следующими существенными недостатками. Вопервых , частота ЯКР в нулевом поле сильно зависит от внутренних напр жений , обусловленных давлением, примес ми и т. д. Bo-BTOptJx, внешние магнитные пол скгазывают значительное вли ние как на частоту резонанса , так и ка интенсивность резонансных сигналоб. И в-третьих, наиболее существенный недостаток заключаетс в малой интенсивности сигналов ЯКР, что приводи к усложеннию схем спектрометров .NQR thermometers have the following significant drawbacks. First, the NQR frequency in zero field strongly depends on internal stresses caused by pressure, impurities, etc. Bo-BTOptJx, external magnetic fields have a significant effect on both the resonance frequency and the intensity of the resonant signal blocks. And thirdly, the most significant drawback lies in the low intensity of the NQR signals, which leads to complication of the spectrometer circuits.

В термометрах второго класса используетс зависимость частоты ЯМР на драх магнитных и немагнитных атомов в магнитоупор доченных кристаллах от тем 1ературы 2 и 3 .Thermometers of the second class use the dependence of the NMR frequency on the nuclei of magnetic and nonmagnetic atoms in magnetically ordered crystals on topics 1 and 2 and 3.

Термометры этого типа имеют наибольшую чувствительность вблизи температурл магнитного упор дочени (т. е, вблизи температуры Кюри (Т,) дл ферромагнетиков и температурыThermometers of this type have the highest sensitivity near magnetic ordering temperatures (i.e., near the Curie temperature (T,) for ferromagnets and temperature

Нэел (Тц) дл антиферромагнетиков). Поскольку TC и Т, магнитных кристаллов варьируютс в очень широких пределах, возможно создание чувствительных термометров дп различных областей температур, в том числе и дп низких температур. Важное преимущество ЯМР-термометров, активным элементом которых вл ютс магнитоупор доченные кристаллы, по сравнению с ЯКР-термометрами, заключаетс в том, что резонансные сигналы имеют гораздо большую интенсивность вследствие эффекта усилени ЯМР.Neel (TC) for antiferromagnets). Since TC and T, magnetic crystals vary within very wide limits, it is possible to create sensitive thermometers dp of different temperature ranges, including dp of low temperatures. An important advantage of NMR thermometers, the active element of which are magnetically ordered crystals, as compared to NQR thermometers, is that resonant signals have a much higher intensity due to the effect of amplification of NMR.

Наиболее близким по технической сущности с предложенным решением вл етс ЯМР-термометр, содержащий в качестве активного элемента антиферромагнетик MnF 3. Это соединение, представл ющее собой одноосный антиферромагнетик с температурой Неел Т..,3 К, примен етс в термометрии в интервале температур 10-40 К. Дл измерени температуры используетс лини резонанса на F9 , поскольку лини ЯМР на сильно уширена косвенным спин-спиновым взаимодействием дер.The closest to the technical essence of the proposed solution is an NMR thermometer containing the antiferromagnet MnF 3 as an active element. This compound, which is a uniaxial antiferromagnet with a Neel temperature T .., 3 K, is used in thermometry in the temperature range 10- 40 K. To measure the temperature, the resonance line at F9 is used, since the NMR line is strongly broadened by the indirect spin-spin interaction of the nuclei.

Больша чувствительность ЯМР-термометра на MnF2 обусловлена, в перву очередь, узкой линией ЯМР F .The greater sensitivity of the NMR thermometer on MnF2 is due, first of all, to the narrow NMR line F.

Благодар всем выиеперечисленным свойствам воспроизводимость при 20 К составл ет + ( ) град, т. е, ЯМР-термометры на основе MnF2 используютс дл прецизионной термометрии и дл создани вторичных эталонов температуры в диапазоне 10-40 К.Due to all the properties listed above, reproducibility at 20 K is + () degrees, i.e., MnF2-based NMR thermometers are used for precision thermometry and to create secondary temperature standards in the range of 10-40 K.

Однако, малые значени коэффициента уси/1ени ЯМРп , свойственные антиферромагнитным кристаллами, следовательно , MnF,, привод т к тому, что необходимо использовать монокристаллы большого объема схем детектировани ЯМР и примен ть специальные меры дл увеличени чувствительности.However, the small values of the usi / 1 NMR coefficient characteristic of antiferromagnetic crystals, therefore, MnF ,, lead to the fact that it is necessary to use single crystals of a large amount of NMR detection schemes and to apply special measures to increase the sensitivity.

Частоты ЯМР MnF2 лежат в диапазоне V 160 МГц. Этот диапазон частот вл етс весьма неудобным дл работы, так как длины высокочастотных соединительных линий, например, при проведении физических исследований в сосудах Дьюара, сравнимы с длиной волны и, следовательно, датчики ЯМР станов тс многочастотными.The NMR frequencies of MnF2 lie in the V 160 MHz band. This frequency range is very inconvenient for operation, since the lengths of high-frequency connecting lines, for example, when conducting physical studies in Dewar vessels, are comparable to the wavelength and, therefore, the NMR sensors become multi-frequency.

Кроме того, верхний предел применимости термометра с MnF2 (40 К) не позвол ет производить измерени в важном с точки зрени физических исследований и технических применений диапазоне умеренных температур вплот до комнатных температур.In addition, the upper limit of applicability of a thermometer with MnF2 (40 K) does not allow measurements in the important range of moderate temperatures close to room temperatures in terms of physical research and technical applications.

Цель изобретени - уменьшение инерционности, а также расширение верхнего предела измерени температуры .The purpose of the invention is to reduce the inertia, as well as expanding the upper limit of temperature measurement.

Поставленна цель достигаетс в известном ЯМР-термометре, в качествеThe goal is achieved in a known NMR thermometer, as

активного элемента использовано слабоферромагнитное соединение FeBO,, .active element used weakly ferromagnetic compound FeBO ,,.

Соединение FeBO (пространственна группа РЭс) вл етс легкоплоскостным слабым ферромагнетиком с температурой Неел Т.,- 348 к FeBO характеризуетс чрезвычайно малым полем анизотропии в базисной плоскости . Это обсто тельство приводит к тому, что коэффициент усилени ЯМР дл дер в объеме доменов достигаетThe FeBO compound (space group РЭС) is an easy-plane weak ferromagnet with a temperature Neel T., - 348 k FeBO is characterized by an extremely low anisotropy field in the basal plane. This circumstance leads to the fact that the gain of NMR for nuclei in the volume of domains reaches

большой величины/ 10. Сигналы ЯМР Fe в монокристаллическом FeBO-j происход т как от дер в доменах, так и от дер в доменных границах. Сигналы ЯМР в FeBOj интенсивны и легкоof large magnitude / 10. The NMR signals of Fe in monocrystalline FeBO-j originate from the nuclei in the domains and from the nuclei in the domain boundaries. The NMB signals in FeBOj are intense and easy.

детектируютс даже при естественном содержании азотопа Fe () . Опытна проверка показывает, например, что визуальное наблюдение ЯМР по простейшей схеме Роллина при 77 К возможноdetected even with the natural content of Fe (a) azotope. Experimental verification shows, for example, that visual observation of NMR by the simplest Rollin scheme at 77 K is possible

с соотношением-сигнал-шум 30:1 на монокристалле объемом 0,005 см. Это обсто тельство позвол ет коренным образом уменьшить габариты датчика и инерционность ЯМР-термометра наwith a ratio of 30: 1 signal-to-noise on a single crystal with a volume of 0.005 cm. This circumstance makes it possible to radically reduce the size of the sensor and the inertia of the NMR thermometer on

FeBO по сравнению с тем случаем, когда используютс антиферромагнитные кристаллы (например, MnFg), за счет уменьшени объема активного элемента . С другой сторЬны, ввиду большой величины резонансного поглощёни существенно упрощаютс схемы детектировани сигналов ЯМР и облегчаютс услови дл создани автоматических темпера,тур термометров. Работа с ЯМР термометром на FeBO упрощаетс также потому, что Т (о) - 76,5 МГц, а лини поглощени очень узка (Л- 2 кГц при К).FeBO compared with the case when using antiferromagnetic crystals (for example, MnFg), by reducing the volume of the active element. On the other hand, due to the large magnitude of the resonant absorption, the schemes for detecting NMR signals are greatly simplified and the conditions for creating automatic temperatur thermometers are simplified. Working with a NMR thermometer on FeBO is also simplified because T (o) is 76.5 MHz, and the absorption line is very narrow (L-2 kHz at K).

Значени параметра F, характеризующие абсолютную чувствительностьThe values of the parameter F, characterizing the absolute sensitivity

термометра, при одинаковой приведенной температуре Т/Т дл FeBOo, приблизительно , такие же, как и дл MnF . Это означает что относительна погрешность измерени температуры термометром , использующим FeBO, должна быть приблизительно в 5 раз меньще,Thermometer, with the same T / T temperature for FeBOo, is approximately the same as for MnF. This means that the relative error in temperature measurement with a thermometer using FeBO should be about 5 times less,

Тц ТГеЬОзTC TGYOZ

поскольку . Исхдд из INVWVIF) insofar as . Ishdd from INVWVIF)

того, что модул ционна методика позвол ет определ ть положение линии поглощени с точностью пор дка 1% от величины Д , термометр с активным элементом FeBO пригоден дл прецизионной , термометрии вшироком интервале температур - 50-340 К.the fact that the modulation technique allows determining the position of the absorption line with an accuracy of the order of 1% of the value of D, the thermometer with the active element FeBO is suitable for precision thermometry over a wide temperature range of 50-340 K.

Опытна проверка показывает, что относительный динги ический сдвиг частоты, обусловленный св зью электронной и дерной подсистем, в FeBOExperimental verification shows that the relative dingical frequency shift due to the coupling of the electronic and nuclear subsystems in FeBO

при 1,5 К не превышает 2 10, т. е. при температурах 15-55 К, которые могут бЬ1ть прин ты в качестве нижнего предела измерений, сдвигбудет составл ть (2-0,5)- 10. Малый динамический сдвиг частоты практически устран ет зависимость частоты ЯМР от амплитуды радиочастотного пол в катушке датчика и существенно снижает требовани к схеме автоматической регулировки амплитуды. При этом повышаетс воспроизводимость результатов измерени температуры.at 1.5 K does not exceed 2 10, i.e. at temperatures of 15-55 K, which can be taken as the lower limit of measurements, the shift will be (2-0,5) - 10. The small dynamic frequency shift is practically eliminates the dependence of the NMR frequency on the amplitude of the radio frequency field in the sensor coil and significantly reduces the requirements for the automatic amplitude control circuit. This increases the reproducibility of the temperature measurement results.

Малое зм чение намагниченности насыщени слабого ферромагнетика FeBO (при Т - 300 К, MS-9 Гс) и малые размагничивающие факторы кристаллов (кристаллы имеют форму тонких гексагональных призм с отношением высоты к размеру ребра основани пор дка 0,02) привод т к тому, что частота ЯМР практически не зависит от формы образца, т. е. устран етс один из недостатков термометров, активными элементами которых вл ютс обменные ферромагнетики со значительной намагниченностью насы1пени .The low visibility of the saturation magnetization of a weak FeBO ferromagnet (at T = 300 K, MS-9 G) and small demagnetizing factors of crystals (the crystals are in the form of thin hexagonal prisms with a ratio of height to base edge size of about 0.02) result in that the NMR frequency is practically independent of the sample shape, i.e., one of the drawbacks of thermometers is eliminated, the active elements of which are exchange ferromagnets with significant saturation magnetization.

Термометр на FeBO- в меньшей степени подвержен вли нию внешнего магнитного пол на точность измерени температуры по сравнению с известными термометрами 2, t3, поскольку начина со слабых полей пор дка Юз магнитные моменты подрешеток устацавливаютс перпендикул рно направг-ению магнитного пол .The FeBO-thermometer is less susceptible to the influence of an external magnetic field on the accuracy of temperature measurement as compared with the known thermometers 2, t3, since starting from weak fields, about 13 Hz, the magnetic moments of the sublattices stabilize perpendicular to the magnetic field.

Использование слабого ферромагнетика FeBO-,, в качестве активного элеMjeHTa ЯМР-термометров позвол ет создавать прецизионные устройства дл The use of a weak ferromagnet FeBO-,, as an active MjeHTa NMR thermometer allows the creation of precision devices for

измерени температуры в диапазоне 15-340 К с чувствительностью 0,01 град и в диапазоне 55-340 К с чувствительностью 0,001 град, имеющие частотный выход. Указанна погрешность может быть реализована при использовании модул ционной методики регистрации ЯМР, синхронного детектировани и автоподстройки частоты. В простых устройствах с визуальным наблюдением линий поглоще0 ни может быть достигнута точность пор дка 0,01 К в интервале температур 40-340 К.temperature measurement in the range of 15-340 K with a sensitivity of 0.01 degrees and in the range of 55-340 K with a sensitivity of 0.001 degrees, having a frequency output. This error can be realized using the modulation method of NMR registration, synchronous detection and automatic frequency control. In simple devices with visual observation of absorption lines, an accuracy of the order of 0.01 K can be achieved in the temperature range of 40-340 K.

Формула .изобретени Invention Formula

5five

ЯМР-термометр, содержащий в ка честве активного элемента магнитное :вещество, отличающийс тем, что, с целью уменьшени инерци0 онности термометра и расширени верх , него предела измерений температуры, активный элемент термометра изготовлен из. слабого феррюмагнетика FeBO.An NMR thermometer containing a magnetic element as an active element: a substance characterized in that, in order to reduce the inertia of the thermometer and expand the top, its temperature measurement limit, the active element of the thermometer is made of. weak ferrumagnet FeBO.

Источники информации, Information sources,

5 прин тые во внимание при экспертизе5 taken into account in the examination

1 Dean С. Pound R. V. J Chem Phys 20, 195 1952.1 Dean S. Pound R. V. J Chem Phys 20, 195 1952.

2.Senturia S. P. Benedeck G. Phys Rev. Zetters, 17, 475, 1966.2.Senturia S.P. Benedeck G. Phys Rev. Zetters, 17, 475, 1966.

3.Гилл и др. Приборы дл научных 3.Gill et al. Scientific instruments

0 исследований, №1 , 113, 1969 (прототип ) .0 research, № 1, 113, 1969 (prototype).

Claims

5 Formula. Inventions

An NMR thermometer containing a magnetic substance as an active element, characterized in that, in order to reduce the inertia of the thermometer and expand its upper limit of temperature measurement, the active element of the thermometer is made of a weak FeBO ^ ferromagnet.