一种射频-脉冲激发式动态核极化磁场传感器*

谭超，黄悦华(三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002)

一种射频-脉冲激发式动态核极化磁场传感器*

谭超*，黄悦华
(三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002)

介绍了一种基于自由基动态核极化效应的射频-脉冲激发式质子磁场传感器。分析了电子-质子双共振现象中电子顺磁共振对质子极化度强的影响;通过对氮氧自由基动态极化分析，提出了适合于此类自由基物质的射频-脉冲激发式动态核极化效应磁场传感器与仪器组成结构，并分析了传感器工作过程中质子运行规律。文章最后通过设计射频功率信号源模块，放大器和频率测量模块完成了测试样机的研制。对比测试结果表明:设计的动态核极化磁场传感器灵敏度高;精度测试结果表明:传感器在20 000 nT～100 000 nT范围内的测量不确定度约为0.3 nT。

弱磁测量;动态核极化;动态核极化磁场传感器;自由基

作为探测物质特性和未知世界的有效手段之一［1-2］，弱磁测量在空间与地球物理、医学以及军事等领域具有广泛的应用。归结起来，现代高灵敏度弱磁测量仪器可分为四大类［3-5］:半导体类磁力仪、磁通门类磁力仪、基于塞曼效应的磁力仪(含核塞曼与电子塞曼)、超导类磁力仪(含高温超导和低温超导);对这些弱磁测量仪器而言，由于使用的物理原理不同，它们各自具优势及缺点，且应用领域也不尽相同。

相较直接激发质子而言，利用自由基的动态核极化现象可使质子的极化程度大大增加，可增加传感器输出信号的信噪比;且动态核极化是利用射频对自由基物质进行激发，比直接激发所需功率小得多。因此，利用动态核极化效用设计的磁场传感器在绝对精度、灵敏度和分辨率比普通质子磁场传感器有数量级提高，可以媲美光泵磁场传感器，但在功耗上却比普通质子磁力仪和光泵磁力仪低得多，而且利用特殊自由基物质可将测量装置设计成自激振荡式结构，实现对磁场的连续测量。因此，本文拟对基于氮氧自由基的动态核极化磁场传感器进行研究。

1 磁场测量原理

由原子物理学可知［6］:单一的质子系统和单一的电子系统由于自旋在外加磁场中会分裂成两个能级(即塞曼效应)，在热平衡条件下，两能级之间的粒子数满足波尔兹曼分布，若用相应频率的电磁波对两种系统进行照射，则会发生核磁共振和电子顺磁共振现象。对两种共振而言［7］，核磁共振对电子自旋共振来说只是一个极小的扰动，但是电子自旋共振却能对核磁共振产生极大影响，使质子两个能级上的粒子数分布远离热平衡状态，发生电子-核动态核极化效应(也称为OVERHAUSER效应)，与直接激发质子相比(即核磁共振)，动态核极化效应可大大提高质子的极化度。

自由基是含有未成对电子的原子、分子或者基团，某些自由基物质只含有一个未成对电子，这类自由基物质在外磁场中的极化与自由电子类似。将自由基物质(TEMPO)溶解于某些特定的有机溶剂中［8-9］，溶液中含有大量的自由基分子，所有自由基分子构成电子系统，而溶剂本身含有大量的质子，构成一个质子系统，即溶液中同时存在电子系统与质子系统，满足双共振条件。将该溶剂置于稳定外磁场中并用射频电磁波照射(本文自由基而言，频率为59.4 MHz)，当射频电磁波频率满足自由基未成对电子发生顺磁共振的条件时，溶液会发生双共振现象，即自由基的动态核极化现象，其过程电子-质子双共振现象类似。自由基溶液发生动态核极化之后［10］，质子的极化度被放大，放大的程度可用动态核极化因子(DNP factor)来表征，自由电子产生态核极化因子约为330，氮氧自由基产生的动态核极化因子理论值高达10 000，实际为1 500左右。综上，该自由基物质可以作为传感器的工作物质。

2 传感器

2.1传感器结构

探头结构如图1所示，包含探头谐振腔和平衡式信号感应线圈两大结构。其中谐振腔由金属谐振腔体、杜瓦瓶以及杜瓦瓶内部的自由基溶液构成，平衡式线圈由线圈骨架以及电感线圈构成。除此之外，还有用于传输射频激激发信号的射频电缆和用于产生直流脉冲以及接收拉莫尔信号的信号电缆。

图1 射频-脉冲激发式动态核极化磁场传感器结构

谐振腔的谐振频率与自由基溶液的激发频率一致，其大小为59.4 MHz;为减小传感器尺寸和调整谐振频率，谐振腔采用电容加载同轴线谐振腔，这种谐振腔的主要优势在于:由于电容的作用，可以缩短谐振腔的长度，从而达到减小腔体尺寸的目的，但是这种谐振腔的固有品质因数较低。平衡式线圈由两组电感量大小(20 mH)和机械尺寸完全一样的电感反向串联组成，两个电感绕在线圈骨架上，串联后电感量约为34 mH，反向串联的优势在于:线圈上感应的噪声相互抵消，而信号幅度是单个线圈的2倍。

2.2 传感器工作过程

传感器的工作过程分为3个阶段［11-12］，如图2所示。第1阶段:将图1所示探头置于外磁场B中，此时溶液中的质子系统将被外磁场磁化，产生沿外磁场的宏观磁矩M;给传感器的谐振腔一个射频信号，传感器样品中自由基电子系统和质子系统发生动态核极化现象，此时质子系统的宏观磁矩仍然沿着外磁场方向，但是其磁矩将大大增加，增加的倍数即为动态核极化因子。第2阶段:断开射频信号，给传感器的电感线圈上施加一个直流脉冲信号，在此脉冲作用下电感线圈产生一个较大的直流偏转磁场;此时总磁场为直流磁场与外磁场的矢量和，质子系统在新的合成磁场下，随着时间推移，其宏观磁矩将沿着合成磁场方向产生新的磁化强度M0。第3阶段:一段时间之后(小于10 ms)，拆去直流脉冲，并将电感线圈接入放大器，此时M0便在稳定磁场B的作用下绕B进动，进动的角速度为:

图2 射频-脉冲激发式动态核极化磁力仪工作过程

进动信号切割电感线圈产生呈指数衰减的感应电动势［13］，其大小为:

式中:μ0为磁导率，n为线圈匝数，A为线圈截面积，M为质子磁化强度，T2为横向弛豫时间，ω为拉莫尔角频率。将感应信号放大之后，利用频率计对其进行精度频率测量，将测出的频率代入式(1)即可得到外部待测磁场的准确值。

3 传感器测试装置设计

磁力仪系统框图如图3所示，整个系统由数控单元中的单片机控制协调工作。数控单元控制高频振荡器和直流脉冲发生器激发探头，探头激发后，由放大器放大对感应的信号进行放大，并由频率计模块对其进行精密频率测量，频率测量完成后，数控单元读取该频率值，乘以固定系数(由式(1)可算出，其大小为23.487 4 nT/Hz)得到外磁场标量值，并将该值存入存储器同时显示在LCD上;数据采集完成之后，数控单元控制通讯接口与PC机通讯，将采集到的值传入PC机中做进一步分析处理。所有模块中，高频功率信号源、放大器和频率计模块是磁力仪的关键电路部分，下面分别对每个模块详细叙述。

图3 磁力仪系统框图

3.1 高频功率信号源设计

信号源的振荡部分、功放部分和检波部分的电路如图4所示。振荡器由石英Y1、三极管Q5和电容电感组成三次泛音晶体振荡器，振荡频率为59.4 MHz;图4中的C115和C118为反馈网络，调节两者之比，可调节振荡器输出信号幅度;电容C122和电感L14构成选频网络，其谐振频率为晶体基频的三倍，使振荡器输出频率晶体基频的三倍，电容C111用于对振荡频率微调。振荡器输出频率信号通过电容耦合到射频功放电路输入端，该功放电路由高频NMOS管设计而成，输出功率约为4 W，可通过调节供电电源VCC对输出功率适当调整，图中R74、R75和R76对Q6栅极提供偏置，L10、C113和C114构成谐振选频网络，同时具有阻抗匹配作用。功放输出一路接到探头用于探头激发;另一路信号经过峰值检波器后，输出与功放输出功率成比例的直流信号，用于实时监测输出功率。峰值检波器由肖特基二极管D20、电容C115和R77组成，其检波输出信号经过R78和R79分压之后送入数字平台进行采集，以监控激发功率大小。

图4 高频功率信号源电路

3.2 放大器设计

在整个地磁场范围内传感器输出的信号频率在800 Hz～4 500 Hz之间，信号幅度为微伏级［13］，为更好的测量信号的频率，需要对此信号放大到伏特级，所以需要设计一个低噪声高增益的放大器。本文设计的放大器方案如图5所示。该放大器的前置放大器利用超低噪声JFET管设计而成，放大倍数约为50倍;其后是由低噪声运算放大器构成的两级同相选频放大器，其电路如图6所示，该电路在放大倍数为100倍，图中C53与R11构成一阶高通滤波电路，反馈电阻R13两端并联电容C54具有低通滤波作用，所以该电路能够在放大信号的同时，将信号带宽压制在800 Hz～4 500 Hz范围内。缓冲放大级用于将信号调整到2Vpp，便于频率计对其测频。

图5 微弱信号放大器方案图

图6 同相选频放大器电路

3.3 频率测量模块设计

现代频率时间测量技术非常成熟［14］，磁力仪输出待测信号为低频信号，因此本文选用多周期同步频率测量方法对被放大的信号进行测量，其测量原理与误差分析已有较多文章详细描述［15-16］，利用CPLD芯片EPM240完成测频模块设计，数控单元通过SPI接口读取CPLD中的频率计数数据，并在数控单元中完成计算。为提高磁场测量精度，本文选用50 MHz的数字补偿晶体作为标准时钟，其温飘为0.1×10-6/℃，测量时间间隔0.5 s，在不考虑噪声的情况下，根据误差公式(方法误差)可算出频率测量相对精度为0.04×10-6。就频率测量而言，若被测信号的信噪比足够高，方法误差(±1误差)、时基频率大小、时基误差是频率测量误差的主要来源，所以设计的频率测量模块相对精度为0.1×10-6，在800 Hz～4 500 Hz范围内的绝对精度为±0.000 45 Hz，根据式(1)可算出在地磁场范围内测量绝对精度为10 pT。而本论文中的被测对象是微伏级信号放大后信号，为低信噪比信号，信号中的噪声会引起比较器提前或滞后触发，所以触发误差是测量误差的主要来源，因此磁场的测量精度会低于10 pT。

4 测试结果与分析

为对样机进行评价，分别进行了输出信号波形观测实验，与同类仪器对比试验和绝对精度测试3个试验。

图7是实拍的探头输出拉莫尔频率信号被放大后的照片，是在地磁场环境下，用示波器采集放大器输出端而得。由该图可明显观察到呈指数曲线衰减趋势的信号，信号最初幅度约为2Vpp，且信号在1 s内具有较高信噪比。

图7被放大后的探头输出拉莫尔频率信号

图8 是在地磁场环境下，样机与国外同类仪器对比测试结果，图中横坐标为测量点数，纵坐标为地磁场值。测量时，为减小仪器之间干扰，将两台仪器间隔5 m，样机采样时间间隔均设置为3 s/点，同时启动两台仪器测量。从图8可以看出:①两台仪器在地磁场稳定时，其测量波动范围均在1 nT以内，而在外磁场发生变化时，能同时观测到外磁场的变化，即使地磁场变化在1 nT范围内产生微小变化，两台仪器均能较好的辨识，且测出的变化趋势一致;②由于无法保证同时启动，导致两台仪器无法实现同步测量时，故测出的变化在时间上不完全一致;③由于测量地点不一样，两台样机测量值相差约2 nT。

图8 与同类仪器地磁场对比观测试验结果

为进一步评价样机性能，利用恒弱标准对样机进行了测试。恒弱标准的主体是一个双层三维亥姆霍兹线圈，产生恒定磁场原理如下:外层三维姆霍兹线圈用于产生抵消地磁场的磁场，并用光泵磁场传感器结合可控恒流源实时跟踪抵消地磁场变化;内层姆霍兹线圈用于产生稳定的待测磁场，且通过改变线圈中的电流以改变磁场大小。测试结果如表1所示。测试时方案如下:从20 000 nT开始，到100 000 nT结束，中间值随机选取;在测量时，先连续测量10个数据(探头正向)，然后将探头水平转动180°(探头反向)，再测量10个点，然后将原始数据做平均值、单次测量标准差和平均标准差计算结果。从表中结果可以看出，探头不同朝向测出的磁场值不一样，说明设计探头本身具有一定磁性(探头剩磁)，从单次标准差和平均值标准差来看，样机的测量不确定度为0.3 nT。

表1 样机绝对精度测试结果

5 结束语

文章分析了电子-质子双共振现象和氮氧自由基的动态核极化特性，对研究与研制各种不同类型的动态核极化磁力仪具有理论指导意义。给出了射频-脉冲激发式动态核极化磁力仪结构，分析了其工作过程，完成了传感器及样机研制，从测试结果上看，样机在磁场测量绝对精度和灵敏度方面，已基本达到国外同类仪器水平，其磁场测量不确定度为0.3 nT。虽然完成了样机设计，但在传感器物质的稳定性等方面为做研究，且样机离实际应用还有较大差距，其功能与工艺需进一步完善。

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谭超(1982-)，男，讲师，工学博士，主要研究方向为电场、磁场传感器技术，微弱信号检测与处理，现代信号处理，电力电子技术等，ctgutc@ctgu.edu.cn。

A Kind of RF-Pulse Excitation DNP Magnetic Sensor*

TAN Chao*，HUANG YueHua

(College of Electrical Engineering and New Energy，China Three Gorges University，Yichang Hubei443002，China)

The paper introduces a kind of RF-pulse excitation Dynamic Nuclear Polarization(DNP)effect proton magnetometer.The electron-proton double resonance phenomenon and the dynamic nuclear polarization characteristics of nitroxide radicals were analyzed，the structure of the RF-pulse excitation DNP effect proton magnetometer based on nitroxide radicals and the working processing of magnetometer were given，and the magnetometer prototype was implemented by designing ofeach functionalmodules.The experimentresults show thatthe magnetic field ofthe magnetic sensor prototype have high sensitivity;The accuracy test results show that the measurement uncertainty is about0.3 nT from 20000 nT to 100000 nT.

weakness magnetic measurement;dynamic nuclear polarization;DNP magnetic sensor;free radical

TB971

A

1004－1699(2014)05－0605－05

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.05.007

项目来源:国家基金(面上项目)(51371105);三峡大学人才启动基金项目(KJ2012B019)

2014-02-19

2014-04-21