Elektronika 04-2010-Magnetic Field Source for L

Źródło pola magnetycznego
do spektrometru EPR na pasmo L
dr JAN DUCHIEWICZ, dr ANDRZEJ L. DOBRUCKI, dr hab. ANDRZEJ FRANCIK,
mgr TOMASZ DUCHIEWICZ, mgr ADAM KUTYNIA, ANDRZEJ SADOWSKI,
mgr BARTOSZ IDŹKOWSKI
Politechnika Wrocławska, Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
mgr JERZY BŁASZCZYK, ASONIK, Tuczno k. Poznania
Jednym z podstawowych bloków spektrometru EPR jest źródło pola magnetycznego, składające się elektromagnesu, zasilacza elektromagnesu oraz regulatora pola magnetycznego
(najczęściej hallotronowego). Ponieważ w spektrometrze EPR
o fali ciągłej, rejestracja sygnału EPR jest najczęściej dokonywana podczas zmiany (zwykle liniowej) pola magnetycznego, więc regulator pola magnetycznego powinien zapewniać
odpowiedni zakres tzw. przemiatania pola magnetycznego
dookoła pewnej wartości środkowej [1]. Wartość pola magnetycznego i związane z nim rozmiary elektromagnesu oraz moc
niezbędna do jego zasilania zależą głównie od pasma częstotliwości, wykorzystywanego przez dany spektrometr. Uproszczona zależność wartości indukcji magnetycznej od częstotliwości pracy spektrometru EPR jest następująca [2, 3]:
B = f/(2,8⋅1010)
do modernizacji istniejących modeli spektrometrów, jak też
do zestawienia zupełnie nowych modeli spektrometrów [4-6].
Kilka egzemplarzy stabilizatorów wykonano dla odbiorców zagranicznych (w Anglii i w USA). Pierwsze egzemplarze opracowanych stabilizatorów były zdalnie sterowane poprzez łącze
IEEE-488 (GPIB), następne wyposażono je w łącze USB, będące integralną częścią każdego, nowoczesnego komputera.
W pracach tych wykorzystywano istniejące elektromagnesy
oraz zasilacze elektromagnesów (po niezbędnym ich przekonstruowaniu). W niektórych przypadkach istniejące, przestarzałe
zasilacze elektromagnesu zastąpiono nowoczesnymi, wysokosprawnymi (>95%) przetwornicami rezonansowymi, wytwarzanymi przez firmę Wyrób i Naprawa Elektronicznej Aparatury Laboratoryjnej (Jerzy Dora) z Wrocławia [6]. W zależności
od istniejącego zestawu elektromagnes-zasilacz, stabilizatory te
mogą być stosowane w spektrometrach od pasma UHF do Q.
W ramach projektu rozwojowego Narodowego Centrum
Badań i Rozwoju nr N R01 0018 04 pt. „Prototyp spektrometru
EPR do badań dozymetrycznych i identyfikacji napromieniowanej
żywności” opracowano zupełnie nową wersję źródła pola magnetycznego do spektrometru EPR na pasmo L. W ramach tych prac
znacznie przeprojektowano dotychczasowy układ hallotronowego
stabilizatora pola magnetycznego oraz opracowano (przy współpracy z firmą ASONIK z Tuczna k. Poznania, niedużych rozmiarów elektromagnes oraz zasilacz wraz z układem sterującym [7].
gdzie: B – indukcja magnetyczna w T, f – częstotliwość pracy
w Hz.
Najbardziej popularne są spektrometry na pasmo X
(9,5 GHz), wymagające indukcji magnetycznej elektromagnesu równej ok. 339 mT (wartość środkowa). Ponieważ rozdzielczość spektrometru EPR rośnie ze wzrostem częstotliwości pracy, więc spotyka się też spektrometry na pasmo Q
(35 GHz), wymagające indukcji magnetycznej ok. 1250 mT.
Ostatnio stwierdza się rozwój spektrometrów na wyższe pasma, jak np. W (60 GHz) oraz V (90 GHz). O ile w spektrometrach EPR na pasmo X czy Q stosowane są zwykłe elektro- Hallotronowy stabilizator
magnesy z rdzeniem żelaznym, to przy wyższych pasmach, pola magnetycznego
wymagających indukcji magnetycznej rzędu kilku tesli, stosuje się najczęściej magnesy nadprzewodzące.
Schemat blokowy opracowanej wersji hallotronowego staZe wzrostem częstotliwości pracy maleją jednak dopusz- bilizatora pola magnetycznego jest przedstawiony na rys. 1
czalne rozmiary obiektów badań metodą EPR, stąd też
do badań biologicznych, w których często występują
obiekty o stosunkowo dużych rozmiarach, stosuje się
niższe pasma częstotliwości: pasmo S (3 GHz), pasmo
L (1 GHz) oraz pasma UHF (250 i 500 MHz). Ponieważ
dla niższych pasm częstotliwości wymagana wartość
indukcji magnetycznej jest na ogół mniejsza niż 100 mT
(S – 107 mT, L – 35 mT, UHF – 18…9 mT), więc do jej
wytworzenia wystarczają elektromagnesy o stosunkowo niedużych rozmiarach, przy czym w paśmie L,
czy UHF często wystarczają cewki powietrzne.
W ITTiA Politechniki Wrocławskiej uznano, że
w pierwszej kolejności należy opracować zupełnie
nową wersję sterowanego komputerem stabilizatora
pola magnetycznego. Przyjęto przy tym, że integralną
częścią stabilizatora powinien być przetwornik A/C, zapewniający współbieżną z przemiataniem pola magneRys. 1. Schemat blokowy opracowanej wersji stabilizatora pola magnetycznego rejestrację sygnału EPR. Wykonano w sumie tycznego (część analogowa)
kilkanaście różnych egzemplarzy hallotronowych sta- Fig. 1. Block diagram of the new version of the magnetic field stabilizer
bilizatorów pola, które zostały wykorzystane zarówno (analogue part)
ELEKTRONIKA 4/2010
41
– wbudowany przetwornik A/C – 12 bitów,
czas konwersji <8 μs,
– ekran – graficzny LCD, 192x64, zintegrowany z klawiaturą
– sterowanie – klawiatura, USB,
– zasilanie – 220…240 V/50 Hz,
– rozmiary zewnętrzne – 485 x 140 x 470
mm (panel S-19).
W zależności od istniejącego zestawu elektromagnes-zasilacz elektromagnesu, opracowany stabilizator może być stosowany w spektrometrach EPR na pasma
od UHF do Q. W celu uniknięcia przesterowania systemu przez wprowadzenie indukcji magnetycznej większej od dopuszczalnej
Rys. 2. Schemat blokowy opracowanej wersji stabilizatora pola magnetycznego
wartości dla danego zestawu (maksymalna
(część cyfrowa)
wartość indukcji wynosi 1600 mT), wartość
Fig. 2. Block diagram of the new version of the magnetic field stabilizer (digital part)
ta wcześniej powinna być wpisana do pamięci EEPROM stabilizatora. Stosując bipolarny zasilacz elektromagnesu można uzyskać precyzyjne
źródło bipolarnego pola magnetycznego z tzw. płynnym przejściem przez zero.
Do opracowanego spektrometru na pasmo L wykonano
specjalną, o małej wysokości hallotronową sondę pomiarową,
umieszczoną wprost na rezonatorze pomiarowym. Wygląd
sondy hallotronowej wraz z rezonatorem typu Loop-Gap jest
Rys. 3. Wygląd zewnętrzny nowej wersji stabilizatora pola mag- przedstawiony na rys. 4. Zastosowano precyzyjny hallotron
netycznego
pomiarowy (PXE1612118A) o współczynniku temperaturoFig. 3. Front view of the new version of the magnetic field stabilizer wym TWH<20 ppm/K. Hallotron jest umieszczony w miniaturowym termostacie (z czujnikiem rezystorowym Pt100), za(część analogowa) i 2 (część cyfrowa). Wygląd płyty przedniej pewniającym temperaturę hallotronu równą 50°C ze stałością
lepszą niż 0,5°C.
stabilizatora jest przedstawiony na rys. 3.
W torze zadawania wartości środkowej indukcji magnetycznej Bo zastosowano hybrydowy, 20-bitowy, mnożący przetwornik C/A, składający się z 8-bitowego dzielnika indukcyjnego
MDAC1 (DIZ) oraz 12-bitowego, monolitycznego przetwornika
A/C MDAC2 (DAC8043). Dzielnik indukcyjny DIZ oraz transformator hallotronu TNH są wykonane na pierścieniowych rdzeniach magnetycznych, wykonanych z materiału magnetycznego VITROPERM 500F (firmy Vacuumschmelze), o bardzo
dużej, przenikalności początkowej (50 000…100 000). Pozostałe elementy indukcyjne w torze zadawania Bo, przemiatania ΔB, generatora oraz wzmacniacza sygnału błędu są wyko- Rys. 4. Wygląd sondy hallotronowej, umieszczonej na rezonanane na rdzeniach kubkowych typu M-26/Al.=9300. Rezystor torze Loop-Gap
odniesienia Rs jest wykonany z materiału oporowego Zeranin Fig. 4. View of the Hall Effect probe placed on the Loop-Gap reo współczynniku temperaturowym, równym TWR=0,6 ppm/K. sonator
Do stabilizatora są doprowadzane sygnały informacyjne o stanie zasilacza i elektromagnesu (włączenie zasilacza, temperaElektromagnes z zasilaczem
tura elementów mocy, stan chłodzenia itp.). W przypadku przekroczenia wartości dopuszczalnych następuje automatyczne do spektrometru EPR na pasmo L
wyłączenie zasilania systemu. Wyjście sterujące stabilizatora Elektromagnes do spektrometru EPR jest bardzo istotnym
jest izolowane od reszty układu, co umożliwia sterowanie za- elementem, od którego zależą podstawowe parametry techsilacza elektromagnesu będącego na innym potencjale napię- niczne całego spektrometru. Najważniejsze wymagania
ciowym w stosunku do potencjału napięciowego stabilizatora.
są następujące:
– długość l szczeliny powietrznej musi umożliwić umieszNajważniejsze parametry techniczne stabilizatora:
czenie rezonatora pomiarowego, którego rozmiary zależą
– pole środkowe – 0–1599,99 mT,
głównie od stosowanego pasma częstotliwości.
– rozdzielczość – 10 μT (0,1 Gs),
– zapewnienie możliwie małej niejednorodności pola magne– niestabilność – <5⋅10-6,
tycznego w obszarze roboczym wymaga, aby stosunek śred– zakres przemiatania – 0,1…1000 mT,
nicy nabiegunnika D do długości szczeliny l był większy od 2.
– rozdzielczość przemiatania – 12 bitów (4096 kroków),
Najczęściej stosowane konstrukcje elektromagnesów
– czas przemiatania – 4, 8, …, 8192, 16384 s,
– szybkie przemiatanie – 0,5 s (uruchamiane z komputera) są przedstawione na rys. 5 [2, 3].
Konstrukcja elektromagnesu typu 2E1 z rys. 5a jest zwykle
przy zakresie przemiatania maks. 10 mT.
Funkcja przydatna do wstępnego doboru optymalnych wa- stosowana do spektrometrów EPR na wyższe pasma (X i Q),
wymagających dużych wartości indukcji magnetycznej. Konrunków rejestracji sygnału EPR,
strukcja typu 2E2 z rys. 5c jest prostsza od 2E1 i nadaje się
– sygnał wejściowy EPR – ±1 V – ±10 V,
42
ELEKTRONIKA 4/2010
•
•
•
•
•
Rys. 5. Najczęściej stosowane konstrukcje elektromagnesów.
Oznaczenia: D – średnica bieguna, l – długość szczeliny powietrznej
Fig. 5. Most often used constructions of electromagnets, where
D – pole diameter, l – air gap length
do spektrometrów EPR na niższe pasma (UHF, L i S). Pozwala ona na uzyskanie stosunkowo dużego obszaru jednorodnego pola magnetycznego pomiędzy nabiegunnikami, umożliwiającego umieszczenie rezonatora pomiarowego o dużych
rozmiarach. Oprócz tego, konstrukcja typu 2E2 odznacza się
dobrą stabilnością mechaniczną w funkcji zmian temperatury
i pola magnetycznego. Dodatkową zaletą konstrukcji typu 2E2
jest możliwość zmiany pola magnetycznego (łącznie z przejściem przez „zero”) w szczelinie poprzez zmianę prądu w jednej cewce. Konstrukcja typu C z rys. 5c jest stosunkowo prosta, jednak w spektrometrii EPR rzadko stosowana. Głównym
powodem tego jest stosunkowo duża niestabilność mechaniczna konstrukcji – zmiany pola magnetycznego wywołują
zmianę długości szczeliny powietrznej, pogarszając w efekcie
jednorodność pola magnetycznego w szczelinie roboczej.
Do prototypu spektrometru EPR na pasmo L, będącego
przedmiotem projektu rozwojowego, przyjęto konstrukcję
elektromagnesu typu 2E2. Wygląd zewnętrzny wykonanego elektromagnesu (wraz z umieszczonym w nim rezonatorem pomiarowym typu Loop-Gap) jest przedstawiony
na rys. 6.
maksymalny prąd zasilania (dla jednej cewki) 1 A,
szczelina powietrzna 38 mm,
średnica nabiegunników 90 mm,
rozmiary 270×120×140 mm,
masa 15 kG.
Elektromagnes wyposażono w specjalne śruby korekcyjne (na jednej ze ścian bocznych), umożliwiające korekcję
jednorodności pola magnetycznego w obszarze roboczym
szczeliny.
Ponieważ moc niezbędna do zasilania elektromagnesu
jest stosunkowo nieduża (5,4 VA), układ zasilający elektromagnes umieszczono wraz regulatorem PID w typowym panelu
S-19 o zmniejszonej wysokości (2 U). Panel zasilający dodatkowo umożliwia włączanie i wyłączanie wszystkich bloków
spektrometru, do których należą: blok mikrofalowy, odbiornik
sygnału EPR oraz stabilizator pola magnetycznego. Widok
panelu zasilającego wraz z elektromagnesem jest przedstawiony na rys. 7.
Rys. 7. Wygląd zewnętrzny panelu zasilającego wraz z elektromagnesem do spektrometru EPR na pasmo L
Fig. 7. View of the supplying panel with the electromagnet of the
L-Band EPR spectrometer
Podsumowanie
Rys. 6. Wygląd zewnętrzny elektromagnesu do spektrometru
EPR na pasmo L
Fig. 6. View of the designed electromagnet of the L-Band EPR
spectrometer
Najważniejsze parametry techniczne elektromagnesu:
• indukcji magnetyczna 0–55 mT,
• cewki zasilające 2×2,7 Ω,
ELEKTRONIKA 4/2010
Jak już wcześniej zaznaczono, przedstawiona wersja źródła pola
magnetycznego została opracowana w ramach projektu rozwojowego NCBiR Nr: N R01 0018 04. Chociaż opracowane
źródło pola magnetycznego jest przeznaczone do spektrometru EPR na pasmo L [8], to opracowany stabilizator pola magnetycznego nadaje się zarówno do budowy nowego spektrometru EPR (pracującego praktycznie w dowolnym paśmie),
jak też do modernizacji spektrometrów EPR starszego typu
na pasmo UHF, L, S, X oraz Q. Dodatkowo, opracowany stabilizator może być zastosowany wszędzie tam, gdzie jest niezbędne precyzyjnie regulowane pole magnetyczne z przemiataniem. Zakres regulowanego pola magnetycznego zależy
tylko od zestawu elektromagnes-zasilacz. Stosując bipolarne
źródło zasilające elektromagnes, można uzyskać regulację
pola magnetycznego w obu kierunkach, z tzw. płynnym przejściem przez zero pola. Stabilizator jest w pełni zdalnie sterowany poprzez łącze USB. W przypadku zastosowania stabilizatora w spektrometrze EPR, do sterowania zaleca się
specjalny program EPR System, sterujący wszystkimi, opracowanymi w ramach projektu rozwojowego blokami spektrometru (blok mikrofalowy, odbiornik sygnału EPR oraz stabilizator pola magnetycznego) [7].
43
Praca finansowana w ramach projektu rozwojowego NCBiR
Nr: N R01 0018 04
Literatura
[1] Stankowski J., Hilczer W.: Wstęp do spektroskopii rezonansów
magnetycznych. Wydawnictwo Naukowe PWN 2005.
[2] Wertz J. E., Bolton J. R.: ESR. Elementary Theory and Practical
Application. McGrew Hill Book Company. New York 1972
[3] Karasik W. R.: Fizika i Tiechnika Silnych Magnitnych Poliej. Nauka, Moskwa 1964 (ros.)
[4] Duchiewicz J., Dobrucki A.: Sterowany mikroprocesorem hallotronowy stabilizator pola magnetycznego. Elektronika, nr 4/1996.
[5] Duchiewicz J., Dobrucki A., Francik A., Sadowski A., Liber A.:
Spektrometr elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR)
– kupić nowy, czy modernizować stary?. Elektronizacja, nr 9/2003.
[6] Duchiewicz J., Dobrucki A., Duchiewicz T., Sadowski A.: Modułowy Spektrometr EPR na pasmo Q. Elektronika – knstrukcje,
tchnologie, zstosowania, nr 6/2006.
[7] Duchiewicz J., Dobrucki A., Francik A., Duchiewicz T., Sadowski A.,
Idźkowski B., Błaszczyk J.: Źródło Pola Magnetycznego do Spektrometru Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego (EPR)
na pasmo L. Raporty Politechniki Wrocławskiej, I-28/10/S-009.
[8] Duchiewicz J., Dobrucki A., Francik A., Duchiewicz T., Sadowski
A., Idźkowski B., Błaszczyk J.: Spektrometr Elektronowego Rezonansu Paramagnetycznego (EPR) na pasmo L. Elektronika
– knstrukcje, tchnologie, zstosowania, nr 3/2010.
Zastosowanie środowiska LabView do weryfikacji
sygnałów impulsowych wykorzystywanych
w badaniach kompatybilności elektromagnetycznej
dr inż. ADAM MAĆKOWIAK, dr inż. KRZYSZTOF SIECZKAREK
Instytut Logistyki i Magazynowania Poznań, Laboratorium Urządzeń Elektronicznych, Poznań
Funkcjonowanie akredytowanego laboratorium wykonującego badania kompatybilności elektromagnetycznej wiąże się z koniecznością systematycznej weryfikacji aparatury pomiarowej. Ze względu na dużą ilość parametrów
podlegających weryfikacji jest to proces czasochłonny
i wymagający dobrej znajomości aparatury sprawdzającej
(np. oscyloskopu cyfrowego), zarówno w zakresie jej obsługi,
jak i zabezpieczenia oraz dopasowania torów pomiarowych
do przebiegów wysokonapięciowych. Powody te zdecydowały
o stworzeniu takiego narzędzia do automatycznej weryfikacji
aparatury probierczej, które minimalizowałoby udział personelu podczas sprawdzeń okresowych i jednocześnie znacznie
skracało czas ich trwania.
(w warunkach obwodu otwartego) oraz udar prądowy 8/20 μs
w stanie zwarcia. Parametry te określone są jako czas narastania/czas trwania impulsu. Norma [1] przyjmuje ich definicje
według normy IEC 469-1, a sposób ich wyznaczania pokazano na przykładzie udaru napięciowego na rys. 2.
Wymagania normatywne
Generator udarów piorunowych
Metody badań i pomiarów odporności na udary powodowane
przez przepięcia łączeniowe i piorunowe stany przejściowe
zawiera norma [1]. Norma ta określa również dokładne wymagania odnośnie aparatury pomiarowej oraz parametrów
sygnałów probierczych. Na rys. 1 pokazano uproszczony
schemat generatora udarów.
Wartości elementów pokazanych na rysunku 1 są dobrane tak, aby generator dostarczał udar napięciowy 1,2/50 μs
Rys. 2. Kształt przebiegu napięcia obwodu otwartego wraz
ze sposobem wyznaczania parametrów czasowych [1]
Fig. 2. Open circuit voltage waveshape and its time-domain parameters[1]
W tabeli 1. zawarto zestawienie wymagań dotyczących
parametrów sygnałów probierczych stosowanych w badaniach odporności na udary.
Tab. 1. Parametry sygnałów probierczych wymaganych w badaniach
odporności na udary
Tabl. 1. Requirements for surge generator verification
Przebieg napięciowy
Amplituda
Rys. 1. Uproszczony schemat generatora udarów [1]
Fig. 1. Simplified circuit diagram of the surge generator [1]
44
Przebieg prądowy
N ±10%*
N ±10%*
Czas narastania
1,2 μs ±30%
8 μs ±20%
Czas trwania
(na poziomie 50%)
50 μs ±20%
20 μs ±20%
*N = {0,5; 1; 2; 4} kV
ELEKTRONIKA 4/2010