Ямр-термометр

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

«i> 741134 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 2301.78 (21) 2572920/18-25 с присоединением эаявки №вЂ” (23) Приоритет—

Опубликовано 1506.80. Бюллетень ¹ 22

Дата опубликования описания 20 -06 ° 80 (51)М. Кл.2

G N 27/78

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 620.183 (0BB.8) (72) Авторы изобретения

В. Д. Дорошев, Н. М. Ковтун и В. М. Сирюк (71) Заявитель

Донецкий физико-технический институт AH Украинской CCP (54) ЯМР-ТЕРМОМЕТР

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к технике измерения температуры с помощью устройств, основанных на явной эави- 5 симости от температуры частоты ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в магнитоупорядоченных твердых телах, и может быть использовано для создания простых ЯМР-термометров, обладающих высокой чувствительностью н хорошей воспроизводимостью результатов в диапазоне температур 50 †3 К.

Известны термометры, в которых используется зависимость резонансной 15 частоты ЯМР в нулевом магнитном поле от температуры. Эти термометры подразделяются на два основных класса.

В термометрах первого класса мерой,, температуры является частота ядерно- 2() гоаквадрупольного резонанса (ЯКР) (1).

Термометры этого типа имеют высокую чувствительность при температурах сравнимых с температурой Дебая (&В) вещества, выбранного в качестве ак- 25 тивного .элемента. Поскольку значения

Ер 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 аппаратуры.

ЯКР-термометры обладают следующими существенными недостатками, Вопервых, частота ЯКР в нулевом поле сильно зависит от внутренних напряжений, обусловленных давлением, примесями и т. д. Во-вторых, внешние магнитные ™оля сказывают значительное влияние как на частоту резонанса, так и на интенсивность резонансных сигналоВ. И в-третьих, наиболее существенный недостаток заключается в малой интенсивности сигналов якР, что приводиФ к усложеннию схем спектрометров.

В термометрах второго класса используется зависимость частоты ЯМР на ядрах магнитных и немагнитных атомов в магнитоупорядоченных кристаллах от теьиературы (2) и (3).

Термометры этого типа имеют наи.большую чувствительно"ть вблизи температуры магнитного упорядочения (т. е. вблизи температуры Кюри (Т,.) для ферромагнетиков и температуры

741134

Нзеля (Т () для антиферромагнетиков) .

Поскольку Тс и Ти, магнитных кристаллов варьируются в очень широких пределах, возможно создание чувств итель ных термометров для различных областей температур, в том числе и для низких температур. Важное преимущество ЯМР-термометров, активным элементом которых являются магнитоупорядоченные кристаллы, по сравнению с ЯКР-термометрами, заключается в том, что резонансные сигналы имеют гбраздо 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„ 67,3 К, применяется в термометрии в интервале температур 10-40 К. Для измерения температуры используется линия резонанса на F19, поскольку линия ЯМР íà Мп сильно уширена косвенным спин-спиновым взаимодействием ядер.

Большая чувствительность ЯМР-термометра на MnFZ обусловлена в первую очередь, узкой линией ЯМР F

Благодаря всем вышеперечисленным свойствам воспроизнодимость при 20 К составляет +(10 4-10 ) град, т. е.

ЯМР-термометры на основе МпРу используются для прецизионной термометрии и для создания вторичных эталонов температуры н диапазоне 10-40 К.

Однако, малые значения коэффициента усих.ения ЯМРИ, свойственные антиферромагнитным кристаллам и, следовательно, МпР, принодят к тому, что необходимо йспользовать монокристаллы большого объема схем детектиронания ЯМР и применять специальные меры для увеличения чувствительности.

Частоты ЯМР F в MnF лежат в ди19 апазоне 9 160 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 МпР2 (40 К) не позволяет производить измерения н важнЬм с точки зрения физических исследований и технических применений диапазоне умеренных температур вплоть до комнатных температур.

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

Поставленная цель достигается в изэестном ЯМР-термометре, в качестве

Опытная пронерка показывает, что относительный динамический сдв иг частоты, обусловленный связью электронной и ядерной подсистем, в РеВО при 1,5 К не превышает 2 ° 10, т. е. при температурах 15-55 К, которые могут быть приняты в качестве нижнего предела измерений, сдвиг будет составлять (2-0,5) ° 10 . Малый динамический сдвиг частоты практически устактивного элемента использовано слабоферромагнитное соединение РеВО

Соединение FeBO (пространстнен3 ная группа P3c) является легкоплоскостным слабым ферромагнетиком с температурой Нееля Т = 348 К FeBO3 характеризуется черезвычайно малым полем анизотропии в базисной плоскости. Это обстоятельство приводит к тому, что коэффициент усиления ЯМР дл я ядер в объеме доменов дос тига ет большой величины -10 . Сигналы ЯМР

Fe в монокристаллическом РеВО про51 исходят как от ядер н доменах, так и от ядер в доменных границах. Сигналы ЯМР в РеВО интенсивны и легко

15 детектируются даже при естественном содержании азотопа Fe (2t) . Опытная проверка показывает, например, что визуальное наблюдение ЯМР по простейшей схеме Роллина при 77 К возможно щ 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

FeB0> по сравнению с тем случаем, когда используются антиферромагнитные кристаллы (например, MnF<), за счет уменьшения объема активйого элемента. С другой стороны, ввиду большой величины резонансного поглощения существенно упрощаются схемы детектирования сигналов ЯМР и облегчаются условия для создания автоматических температур термометров. Работа с ЯМР-термометром на РеВО упрощается также потому, что 1)(о)

76,5 мГц, а линия поглощения очень узкая (b, 9 2 кГц при Т 300 К).

Значения параметра F, характеризующие абсолютную чувствительность

Щ термометра, при одинаковой приведенной температуре Т/Т) для РеВО приблизительно такие же, как и для МпР .

Это означает, что относительная по= грешность измерения температуры термометром, использующим FeBO3, должна быть приблизительно в 5 раз меньше, тн(ЕЬО5) поскольку =5/. Исхспи иэ

TN (МиРВ того, что модуляционная методика позволяет определять положение линии поглощения с точностью порядка 1% от величины Ь ), термометр с активным элементом FeBO q пригоден для прецизионной термометрии н широком интервале температур — 50-340 К.

741134

Формула изобретения

Составитель В. Покатилов

Редактор П. Макаревич Техред И.Асталош Корректор С. Щомак

Подписное

Тираж 1019

Заказ 3323! 5

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 ра няет зависимость частоты ЯМР от амплитуды радиочастотного поля в катушке датчика и существенно снижает требования к схеме автоматической регулировки амплитуды. При этом повышается воспроиэводимость результатов измерения температуры.

Малое знечение намагниченности насыщения слабого ферромагнетика FeBO3 (при Т вЂ” 300 К, М5 — 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 насыщения.

Термометр на FeBO> в меньшей сте- 20 пени подвержен влиянию внешнего магнитного поля на точность измерения температуры по сравнению с известными термометрами (2), (3), поскольку начиная со слабых полей порядка 10э 25 магнитные моменты подрешеток устанавливаются перпендикулярно направ.ению магнитного поля.

Использование слабого ферромагнетика FeBO> в качестве активного зле- 30 мрнта ЯМР-термометров позволяет создавать прецизионные устройства для измерения температуры в дйапаэоне

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 поглощения может быть достигнута точность порядка 0 01 К в интервале температур 40-340 К.

ЯМР-термометр, содержащий в качестве активного элемента магнитное вещество, отличающийся тем, что, с целью уменьшения инерционности термометра и расширения верхнего предела измерений температуры, активный элемент термометра изготовлен иэ слабого ферромагнетика FeBO>.

Источники информации, 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 исследований, 91, 113, 1969 (прототип) .