一种脉冲氮-14核四极距共振谱仪设计的新型探头

一种脉冲氮-14核四极距共振谱仪设计的新型探头

A novel probe design for pulsed nitrogen-14nuclear

quadrupole resonance spectrometer

作者：  李鲠颖，夏小建，谢海滨

起止页码：704—706

出版日期（期刊号）：1996年3月

出版单位：波谱学杂志

本文提出了包含活跃的衰减单元的快速恢复探头电路。由于其简单性和高效性在把射频功率转换成一个振荡磁场时，所提出的的探头结构适合工作在低频（10兆赫兹以下）情况下，比如氮-14核四极矩共振，其中传统探头的振铃通常会持续很长时间。©1996美国物理学院。【S0034-6748（96）04702-8】

I.介绍

核四极矩共振频率的氮-14中含有的化合物大多数情况下是在0.5~6MHz。在氮-14光谱检测中，低核四极距共振频率可能会产生比较差的信噪比（S/N）。尽管提高信噪比可以通过使用较大的样本量或冷却样品等来实现，但在这种情况下显然有掩盖它们成为传统测量方法一些限制。

在正常条件下信噪比的增加，与填充因子()，样品体积(V )，还有依赖射频线圈的品质因数(Q )的关系为

                                                                                                                   (1)

因此信噪比也可以通过提高射频线圈的 Q 值来增加。此外，由射频线圈产生的射频场强()是取决于Q值的(即，)。因而，高Q值可以使探头具有更好的性能。但是，对于没有改进的常规的探头系统，通常来说这是不正确的。因为探头的自然振铃时间

                                                                                                                     (2)

从穿过样品线圈的射频脉冲的峰值幅度下降到最终的(相当于噪声电压等级)所需的时间，要尽可能的短。

    理想探头系统应具备以下特点：（1）在射频脉冲作用期间，探头的阻抗应与射频发射机的输出阻抗相匹配。射频功率转换成一个线圈内的振荡磁场应该是有效的。(2)探头系统的恢复时间应该尽可能的短。(3)在接收核四极矩共振信号时，发射机的输出要与探头隔离，以避免其噪声的任何影响。核四极矩共振信号的信噪比应该尽可能的高。为了满足理想探头的要求，探头电路的Q值随着时间的变化应如图1(b)所示。这种随时间变化的Q值不能轻易的完成在实践中对传统探头的设计。

     通常，样品线圈是通过与电容器在工作频率下简单的串联或并联谐振来产生的共振。图2所示是广泛应用于高频核磁共振(NMR)的典型的核四极矩共振探头电路的应用。尽管这很简单，但是该电路的性能远不能满足条件。对于一个品质因数比较高的值，探头电路的恢复时间会很长。而对于低Q值(用表示)的信噪比在接收NQR信号时将会被降低，并且在把射频功率转换成射频磁场时的效率会很差。因此，选择一个适中的Q值来保持平衡[图1(c)]。

图1  (a)发射机的输出时间，(b) –(e)中的Q值的变化是作为

                                     本文讨论不同的探头电路的的时间函数

图2 常规的NQR/NMR探头的示意图。(a)中的L1和(b)中的C1组件被

                          用来把探头电路的阻抗调整为50Ω，并且L0是探头的样品线圈

    图2所示的探头电路的性能将用一个微小的改进而提高，如图3(a)所示。此时的Q值是由高射频电压开关通过C0对二极管D1和D2起作用，如图1(d)。总的恢复时间主要是由电压从二极管的阈值（〜1V）到Vn的下降时间决定的，因为该电路只要二极管是在关断状态就会呈现出一个高Q值。很明显，直到振铃完全消失以前，可以简单地通过给二极管添加一个与射频脉冲宽度保持同步的直流电压(大于二极管的阈值电压)来缩短恢复时间。实验结果表明，在2.5 MHz下，可以通过简单的修改来获得恢复时间。然而，射频发射机的输出必须相应地增加以维持在合理的水平。

      此外，近年来在低频范围内发展了许多优秀的技术。其中Sullivian的人使用一个非常简练的方法在3MHz给了一个减少了7 µs的恢复时间^[5]。Andrew等人提出了在7MHz下可以得到10 µs的恢复时间的一个方案^[6]。但是这些技术相当复杂。

     本文介绍的方案是在图3(b)电路基础下的改进。Sullivian等人提出的方案不是非常有效的，但是在适应常规的核四极矩共振谱仪时，它就相对简单和容易。

II.电路设计

因为理想探头系统除了在恢复间隔时间外总是需要高Q值[见图1(b)]，图3(b)所示的电路中，二极管不能实现Q值的开关特性曲线。幸运的是，它可以通过双极性管或场效应管来代替二极管以满足条件，该条件是在整个集电极和晶体管的发射极的击穿电压比穿过C0的射频脉冲电压的峰 - 峰值大。如果条件不满足，则变压器会降低晶体管的击穿电压为

                                                         ,                                                          (3)

该条件可以应用到电路中，如图4所示，其中N1和N2分别为变压器初级和次级的线圈数。

[a]

[b]

             图3  图2(a)改进后的电路，tw是射频脉冲的持续时间，

                                 阻尼电阻R的范围通常在1到10 kΩ之间

        图4  探头电路与Q值。电路中主要组件的值为：R1=1kΩ，R2=2kΩ，R3=120Ω，

                          C1=0.1 µF，N1=80，N2=8.

设变压器是理想的，则在变压器两侧的Q值是相等的。因此，探头电路的Q值是通过施加到晶体管（T1）的基极的门控信号控制的：

                                                                                                                (4)

其中是集电极和晶体管的发射极之间的有效电阻。当门控电压为高电平，且晶体管导通时，电阻相应较低。在这种情况下，探头电路具有低Q值，允许从强射频脉冲下快速恢复。当门控信号变为低电平时，晶体管处于截止状态。由于电阻的值比较高，所以探头电路显示一个高Q值。

                     图5 探头电路与门控Q值原理图。因为晶体管T1和T2是在并联于该变压

                              器的次级，所以探针电路显示出了当两个晶体管导通时相对较低的Q

                              值。该配置可以扩展到包括相同的形式的多个晶体管。

    由于L0和C0是串联谐振，则在变压器初级上的电压可以超过几百伏甚至几千伏。因此，N1/N2的比率会很高，这是由于一个有效的高频双极性晶体管的相对较低的击穿电压造成的。在这种情况下，很难使探头电路的Q值足够低，以保证根据式（4）的快速恢复时间。如果出现这样的问题，则需要两个或更多的晶体管被应用到电路中，如图5所示。

III．实验证明

    该实验是在自制的¹⁴N核四极矩共振谱仪上进行的。接收机上的光谱仪系统主要是由一个低噪声前置放大器，一个射频主放大器和音频放大器组成的。前置放大器（从MITEQ公司收购）的交流特性如下：带宽：1~100 MHz的噪声系数小于等于1.03dB，电压增益：30 dB，输入和输出阻抗：50Ω。来自强射频脉冲的前置放大器的恢复时间是比较快的(小于10ms)。然而对于射频主放大器(工作频率：1.0~10.0MHz，增益：80 dB)来说这将需要50 ms多一点的时间来恢复到正常状态。因此，为了清楚地表明所提出的探头电路的高效率性和短的恢复时间，我们将其连接(没有插入射频线圈的任何样本)到低噪声放大器（通过匹配网络）。而射频主放大器，以下前置放大器的终端是用来显示探头电路性能的示波器。由示波器上的结果表明，在2.5 MHz时系统(包括图4中的探头和前置放大器)的恢复时间大约是25µs。因此，我们可以得出结论，图4中所述探头电路的恢复时间小于15µs。以同样的方式，根据图5的配置，我们得到了探头13μs的恢复时间。这些结果可媲美那些由Andrew等人在实验中获得的结果，10W的射频脉冲施加到探头的输入。穿过C0所得的电压比1kV越大，表明探头在把射频功率转换成射频磁场时效率越高。它也指出，尽量减少瞬态效应的门控信号必须有一个合适的脱落时间。这对应于探头电路的Q值在逐步提高，在我们的实验中，该过程在2.5MHz是大约需要10µs。

         图6 根据图4探头配置可以得到时域噪声的数据。该测量是在射频线圈的

                            内侧没有任何¹⁴N样品下进行的并得到下列参数：射频输出功率—50W；

                            射频脉冲宽度—26.0µs，扫描次数—8，数据集点的数目—64，

                            采样频率—30kHz。上面的曲线和下面的曲线分别代表有没有门控信号

                            数据得到的数据集。

         图7  由图5所示的探头电路获得的粉末状的NaNO₂ 的实验时域的¹⁴N的自

                            由感应衰减信号。该信号由如下参数得到：单脉冲激发，射频脉冲

                            持续时间—26.0µs,扫描次数—16，脉冲序列的重复时间—2.0s，数据

                            集点的数目为200(在测量中使用单通道)

    在图6中，我们比较图4所示探头电路在有无门控信号时的恢复时间。在没有门控信号时，该电路可以近似看成传统的电路[如图2(a)所示]。~170µs的恢复时间可以由图6中上方的曲线可得。显然，通过将门控信号用于电路可以大大改善电路的性能。从图6中下方的曲线，我们可以得到84µs的恢复时间。

      图7显示了所提出的探头电路(图4)获得的NaNO₂粉末的实验的¹⁴N-NQR波谱。从图7中可以看出死区时间与图6中下方的曲线大致相同。由接收机引起的恢复时间的减少，我们得到探头电路的~15µs的恢复时间。

　    到目前为止，我们已经通过实验证明了所提出的探头电路的简易性和高效性。该快速恢复探头电路适合工作在低于10MHz频率下，如¹⁴N NQR光谱，其恢复时间通常会很长。

致谢

最后对来自上海市科学技术委员会的财政支持表示感谢。