Ямр-термометр Советский патент 1980 года по МПК G01N27/78 

1

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к технике измерения температуры с помощью устройств , основанных на явной зааи-g симости от температуры частоты ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в магнитоупорядоченнЫх твердых телах, и может быть использовано для создания простых ЯМР-теЕЯИометров, облада- ю юедих высокой чувствительностью и хорошей воспроизводимостью результатов в диапазоне температур 50-340 К.

Известны термометры, в которых используется зависимость резонансной 5 частоты ЯМР в нулевом магнитном поле от температуры. Эти термометры подраз 1еляются на два основных класса. В термометрах первого класса мерой,, температуры является частота ядерно- 20 го квадрупольного резонанса (ЯКР) 1.

Термометры этого типа имеют высокую чувствительность при температурах; сравнимых с температурой Дебая (&-Q) вещества, выбранного в качестве ак- 25 тивного элемента. Поскольку значения ©jj обычно велики и в различных кристаллах варьируются в нешироких пределах, ЯКР-термометры используются как прецизионные устройства при умеренно ЗО

низких и комнатных температурах (50400 К), а расширение пределов измерения в область низких температур связано со значительным усложнением аппаратуЕйл.

ЯКР-термометры обладают следующими существенными недостатками. Вопервых, частота ЯКР в нулевом поле сильно зависит от внутренних напряжений, обусловленных давлением, примесями и т. д. Bo-BTOptJx, внешние магнитные поля скгазывают значительное влияние как на частоту резонанса, так и ка интенсивность резонансных сигналоб. И в-третьих, наиболее существенный недостаток заключается в малой интенсивности сигналов ЯКР, что приводи к усложеннию схем спектрометров .

В термометрах второго класса используется зависимость частоты ЯМР на ядрах магнитных и немагнитных атомов в магнитоупорядоченных кристаллах от тем 1ературы 2 и 3 .

Термометры этого типа имеют наибольшую чувствительность вблизи температурл магнитного упорядочения (т. е, вблизи температуры Кюри (Т,) для ферромагнетиков и температуры

Нэеля (Тц) для антиферромагнетиков). Поскольку TC и Т, магнитных кристаллов варьируются в очень широких пределах, возможно создание чувствительных термометров дпя различных областей температур, в том числе и дпя низких температур. Важное преимущество ЯМР-термометров, активным элементом которых являются магнитоупорядоченные кристаллы, по сравнению с ЯКР-термометрами, заключается в том, что резонансные сигналы имеют гораздо большую интенсивность вследствие эффекта усиления ЯМР.

Наиболее близким по технической сущности с предложенным решением является ЯМР-термометр, содержащий в качестве активного элемента антиферромагнетик MnF 3. Это соединение, представляющее собой одноосный антиферромагнетик с температурой Нееля Т..,3 К, применяется в термометрии в интервале температур 10-40 К. Для измерения температуры используется линия резонанса на F9 , поскольку линия ЯМР на сильно уширена косвенным спин-спиновым взаимодействием ядер.

Большая чувствительность ЯМР-термометра на MnF2 обусловлена, в перву очередь, узкой линией ЯМР F .

Благодаря всем выиеперечисленным свойствам воспроизводимость при 20 К составляет + ( ) град, т. е, ЯМР-термометры на основе MnF2 используются для прецизионной термометрии и для создания вторичных эталонов температуры в диапазоне 10-40 К.

Однако, малые значения коэффициента уси/1ения ЯМРп , свойственные антиферромагнитным кристаллами, следовательно, MnF,, приводят к тому, что необходимо использовать монокристаллы большого объема схем детектирования ЯМР и применять специальные меры для увеличения чувствительности.

Частоты ЯМР MnF2 лежат в диапазоне V 160 МГц. Этот диапазон частот является весьма неудобным для работы, так как длины высокочастотных соединительных линий, например, при проведении физических исследований в сосудах Дьюара, сравнимы с длиной волны и, следовательно, датчики ЯМР становятся многочастотными.

Кроме того, верхний предел применимости термометра с MnF2 (40 К) не позволяет производить измерения в важном с точки зрения физических исследований и технических применений диапазоне умеренных температур вплот до комнатных температур.

Цель изобретения - уменьшение инерционности, а также расширение верхнего предела измерения температуры.

Поставленная цель достигается в известном ЯМР-термометре, в качестве

активного элемента использовано слабоферромагнитное соединение FeBO,, .

Соединение FeBO (пространственная группа РЭс) является легкоплоскостным слабым ферромагнетиком с температурой Нееля Т.,- 348 к FeBO характеризуется чрезвычайно малым полем анизотропии в базисной плоскости. Это обстоятельство приводит к тому, что коэффициент усиления ЯМР для ядер в объеме доменов достигает

большой величины/ 10. Сигналы ЯМР Fe в монокристаллическом FeBO-j происходят как от ядер в доменах, так и от ядер в доменных границах. Сигналы ЯМР в FeBOj интенсивны и легко

детектируются даже при естественном содержании азотопа Fe () . Опытная проверка показывает, например, что визуальное наблюдение ЯМР по простейшей схеме Роллина при 77 К возможно

с соотношением-сигнал-шум 30:1 на монокристалле объемом 0,005 см. Это обстоятельство позволяет коренным образом уменьшить габариты датчика и инерционность ЯМР-термометра на

FeBO по сравнению с тем случаем, когда используются антиферромагнитные кристаллы (например, MnFg), за счет уменьшения объема активного элемента. С другой сторЬны, ввиду большой величины резонансного поглощёния существенно упрощаются схемы детектирования сигналов ЯМР и облегчаются условия для создания автоматических темпера,тур термометров. Работа с ЯМР термометром на FeBO упрощается также потому, что Т (о) - 76,5 МГц, а линия поглощения очень узкая (Л- 2 кГц при К).

Значения параметра F, характеризующие абсолютную чувствительность

термометра, при одинаковой приведенной температуре Т/Т для FeBOo, приблизительно, такие же, как и для MnF . Это означает что относительная погрешность измерения температуры термометром, использующим FeBO, должна быть приблизительно в 5 раз меньще,

Тц ТГеЬОз

поскольку . Исхддя из INVWVIF)

того, что модуляционная методика позволяет определять положение линии поглощения с точностью порядка 1% от величины Д , термометр с активным элементом FeBO пригоден для прецизионной, термометрии вшироком интервале температур - 50-340 К.

Опытная проверка показывает, что относительный динги ический сдвиг частоты, обусловленный связью электронной и ядерной подсистем, в FeBO

при 1,5 К не превышает 2 10, т. е. при температурах 15-55 К, которые могут бЬ1ть приняты в качестве нижнего предела измерений, сдвигбудет составлять (2-0,5)- 10. Малый динамический сдвиг частоты практически устраняет зависимость частоты ЯМР от амплитуды радиочастотного поля в катушке датчика и существенно снижает требования к схеме автоматической регулировки амплитуды. При этом повышается воспроизводимость результатов измерения температуры.

Малое зм чение намагниченности насыщения 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 основания порядка 0,02) приводят к тому, что частота ЯМР практически не зависит от формы образца, т. е. устраняется один из недостатков термометров, активными элементами которых являются обменные ферромагнетики со значительной намагниченностью насы1пения.

Термометр на FeBO- в меньшей степени подвержен влиянию внешнего магнитного поля на точность измерения температуры по сравнению с известными термометрами 2, t3, поскольку начиная со слабых полей порядка Юз магнитные моменты подрешеток устацавливаются перпендикулярно направг-ению магнитного поля.

Использование слабого ферромагнетика FeBO-,, в качестве активного элеMjeHTa ЯМР-термометров позволяет создавать прецизионные устройства для

измерения 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. Указанная погрешность может быть реализована при использовании модуляционной методики регистрации ЯМР, синхронного детектирования и автоподстройки частоты. В простых устройствах с визуальным наблюдением линий поглоще0ния может быть достигнута точность порядка 0,01 К в интервале температур 40-340 К.

Формула .изобретения

5

ЯМР-термометр, содержащий в ка честве активного элемента магнитное :вещество, отличающийс я тем, что, с целью уменьшения инерци0онности термометра и расширения верх, него предела измерений температуры, активный элемент термометра изготовлен из. слабого феррюмагнетика FeBO.

Источники информации,

5 принятые во внимание при экспертизе

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

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

3.Гилл и др. Приборы для научных

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