• Ei tuloksia

I

taustansa. Suurella modulointlampi i tud i 1 la oskillaattorin taajuus riip­

puu yaraktor ¡Jännitteestä epälineaari sesti, joten tausta ei näytä tasa­

väliseltä. Seisovaa aaltoa kaapelissa voidaan huomattavasti vähentää sovittamalla kaapeli aa 1toputkeen jonkin sovituselimen avulla.. Tällöin taustasta tulee suora, jos sovitus on kyllin laajakaistainen. EPR-lait- teissa on viime vuosiin saakka käytetty mikroaa1 toiähteenä lähes pel­

kästään klystron-putkea. Nykyiset puolijohdekomponentit tarjoavat kui­

tenkin klystronia halvemman ja luotettavamman ratkaisun. Laitteistoon kuuluva Gunn-oski11aattori tarvitsee vain tavallisen laboratoriojännite- 1 ähteen. Nimellinen käyttöjännite on -8 V ja virran tarve n. 0,5 A.

Gunn-oski11aattorÎ perustuu Gunn-diodiin, joka on valmistetu galliumar- senidista. Gal 1iumarsenidissa on johtavuusvyön lähellä satel 1iittivyö, jossa varauksenkuljettajilia on pieni liikkuvuus. Kun diodin yli kytke­

tään jännite,saavat varauksenkuljettajät sähkökentältä energiaa ja si- roayat satel 1i ittivyölle. Koska liikkuvuus on pienempi kuin johtavuus- vyöllä, varauksenkuljettajien nopeus pienenee ja diodissa esiintyy nega­

tiivisen resistanssin alue. Diodilla on useita toimintamoodeja, joita voidaan käyttää mikroaalto-oskillaattorin toteuttamiseen ja melko helpos­

ti päästään usean prosentin hyötysuhteeseen yli 10 GHz:n taajuudella /17/

5.3 Resonanss¡ontelo

Resonanssiontelon tehtävänä on vahvistaa mikroaa1tokenttä näyt­

teen kohdalla riittävän suureksi. Vahvistus on huomattava, sillä mi k- rooaltoalueella saavutetaan onteloresonaattori 1 la helposti korkea Q-ar- yo, tyypillisesti useita tuhansia. Lisäksi resonanss ¡ontelossa syntyy ns. seisova kenttä, jossa magneettikentän maksimissa on sähkökentän minimi ja päinvastoin. Jos ontelon värähtelymoodi on tiedossa, tunne­

taan myös kenttien suunnat ontelossa. Siten kide voidaan sijoittaa

kohtaan, jossa sähkökenttä on heikko. Näin yoidaan vähentää kiteen aiheuttamia dielektrisiä häviöitä, jotka alentavat Q-arvoa ja saatta­

vat lämmittää kidettä.

Ontelon muodoksi valittiin sylinteri, koska tällainen ontelo on helppo valmistaa ja tehdä viritetäväksi laajalla alueella ilman, että Q-arvo tästä huonontuu. Sopiva värähtelymoodi on TE^, jonka magneettikentän poikkileikkaus on esitetty kaavallisesti kuvassa

Ц TEqj J-mood in magneettiken­

tän poikkileikkaus sylinteri mäisessä ontelossa. Moodi on täysin sylinterisymet- r inen.

2 r

- - - £>.

Moodi on täysin sylinter¡symmetrinen ja kaikki ontelon seinämiin indu­

soituvat virrat ovat kehävirtoja. Siksi ontelon pääty voidaan tehdä kier rettäväksi, sillä virrat eivät joudu ylittämään syntyvää rakoa. Sylin­

ter imäisen ontelon resonanssitaajuudet saadaan yhtälöstä

(5.3)

missä n,m,1 ovat moodin indeksit, h on sylinterin korkeus, r on säde, X on n:nnen kertaluvun Bessel in funktion m:s nollakohta TM-moodei 11 e Anm

ja derivaatan nollakohta TE-moodei1 le /18/.

Jotta vältettäisiin muiden kuin halutun moodin resonanssien sattuminen valitulle taajuusalueelle, käytetään suunnittelussa usein apuna ns. moo- dikarttaa, jollainen on esitetty kuvassa 5.5.

20*10

15*10

10* 10

(2r/h)

Kuva 5.5 Moodikartta sylinterlmäiselle ontelolle /18/.

Moodikartta saadaan kirjoittamalla yhtälö (5.3) muotoon

<2rv,>2 - <^1 * <-r )2-<-Г >2

Kuvassa 5.5 on esitetty alimmille värähtelymoodei 11 e suure (2r\>) ontelon2 2

muototekijän (2r/h) funktiona. Kuvaan on merkitty myös valittu toimin-(5.4)

tapiste. Tekemällä sylinterin korkeus säädettäväksi voidaan liikkua moodikarta 1 la vaaka-akselilla. Kuvaan 5.5 on merkitty rakennetun ontelon viritysvara, Val itsemalla TEqjj-moodin resonanssitaajudeksi 16 GHz ja toimintapisteeksi kuvaan 5.5 merkitty ontelon mitoiksi saadaan 2r = 27 mm ja h = 17,5 mm. Tekemällä h : n viritysvaraksi + 1,5 mm saadaan taajuus­

alueeksi 15,7...16,4 GHz. Todel 1isuudessa viritysvara on tätäkin suu­

rempi, joskin Q-arvo saattaa huonontua.

Kuvasta 5.5 nähdään, että TEq^ j on itse asiassa degeneroitunut moodi ja sen kanssa on aina yhtä aikaa resonans issa TMm-moodi. Käytännössä moo­

dien taajuudet hieman poikkeavat toisistaan ja4TM]n:n herääminen voi­

daan välttää tekemällä kaapelin kytkentä oikein. Tästä syystä kaapeli tuodaan onteloon sivulta päin. Lisäksi ontelon kierrettävä kansi hait­

taa TMj j j:n indusoimia virtoja..

Ontelon halki leikkaus on esitetty kuvassa 5.6. Ontelo on valmistettu messingistä pohjaa lukuunottamatta, joka on beryl 1iumia. Q-arvon paran­

tamiseksi messinkipinnat on kullattu. Viritys tapahtuu kiertämällä on­

telon kantta, jolloin korkeus h muuttuu.

Kierrettävä kansi

Sylinteri

Beryllium-pohja

Kuva 5.6 Resonanssiontel on ha 1ki1 eikkaus

Käytännössä osoittautu¡, .että resonanssi on helppo löytää ja identifioida vaikka TE^ ei ole dominoiva moodi. Ontelon resonanss i taajuus muuttuu jäähdytettäessä, mutta oskillaattorin viritysvara riittää mainiosti seu­

raamaan sitä. Sen sijaan linjan sovitus onteloon pysyy jäähdytyksessä vakiona.

Jos kammioon, jossa ontelo sijaitsee, kondensoidaan He-nestettä, re­

sonanss i taajuus muuttuu voimakkaasti ja nestemäärän muuttuessa resonans­

sin paikka siirtyilee. Tästä syystä on edullisempaa laskea kammioon vain lämmönvaihtokaasua. Käytetyillä tehotasoilla (alle 10 mW) mikroaaltojen häviöteho ei ollut ongelma. Suurilla tehotasoilla toimittaessa onte­

loon kiinnitetty lämpömittarivastus osoitti pientä lämpötilan nousua mut­

ta stabiloitui sitten uuteen arvoon. Ilmiö saattaa osin johtua mikro- aaltotehon vuotamisesta ontelosta, jolloin se voi suoraan lämmittää vas­

tusta. Mikroaal tokentäl lä ei. ollut havaittavaa vaikutusta heliumin kulu­

tukseen, joskaan asiaa ei erityisesti tutkittu.

Onteloon sijoitettava kide muuttaa huomattavasti sovitusta mikroaalto- linjaan. Usein käytetäänkin sopivasti sijoitettuja sovitusruuveja, joilla voidaan vaikuttaa sondin tai silmukan ja kentän väliseen kytkentään. Täs­

sä tapauksessa soittautui parhaaksi käyttää käyrää sondia kentän herät­

tämiseen ja kaikissa tapauksissa riittävä säätö saatiin aikaan taivutta­

malla sondia.

5.4 Kryostaatti

Laitteisto rakennettiin vanhaan d i 1 uut iokryostaatt i. in, josta poistettiin diluutiopää. Kryostaattia ympäröivässä heiiumvaipassa oli valmiina käyttö­

kelpoinen suprajohtava solenoidi, jota käytetään staattisen magneettiken­

tän synnyttämiseen. Kide, joka sisältää orientoitavat ytimet sijoi­

tetaan 16 GHz : n resonanssionteloon siten, että suuritaajuinen magneetti­

kenttä on voimakas halutussa suunnassa. Resonanssiontelo on asennettu kryostaattiin niin, että kide joutuu suprajohtavan solenoidin keskelle.

Mikroaaltoteho tuodaan onteloon teräsvaippaista koaksiaalikaapelia pitkin ja kytketään onteloon lyhyen sondin avulla.

Hyvän 1ampökontaktin synnyttämiseksi kiteeseen resonanssiontelo on sijoi­

tettu kaasutiiviiseen kammioon, johon voidaan laskea lämmönvaihtokaasua tai siihen voidaan kondensoida He-nestettä. Ontelo ei ole tiivis, joten 4 kaasu pääsee kontaktiin kiteen kanssa.

Ц

Jäähdytys 4,2 K:stä alaspäin tapahtuu pumppaamalla isoa Не-säiliötä alen nettuun höyrynpaineeseen, jolloin päästään n. 1,2 K:n lämpötilaan. Ku­

vassa 5.7 näkyy kryostaatin alaosan rakenne kaaviol1 i sesti. Resonanssi- ontelon päälle on käämitty suprajohtavasta langasta pieni kela. Sen avulla magneettikenttää voidaan moduloida EPR-mittauksissa.

Mössbauer-mittauksissa gammasäteilyn on pystyttävä läpäisemään ontelon

4 Cl

seinämä. Koska säteily on pienienergiaista (14,4 keV AFe:llä), sitä varten on tehty beryl 1iumikkuna.

Laitteiston rakentaminen vanhaan kryostaattiin asetti toteutukselle eräi-I tä rajoituksia. Niinpä tilan puutteen vuoksi joudutaan mikroaaltojen siirtoon käyttämään aaltoputken sijasta koaksiaalikaapelia, joka 16 GHz:n taajuudella alkaa jo olla häviöllistä. Toisaalta käytettäessä teräksistä kaapelia saavutetaan alhainen 1ämmönjohtavuus helposti.

Kuya 5.7 Kaavioi 1 inen esitys kryostaatin alaosasta

1. Koaksiaal¡johdin, 2. Pumppausputket, 3. ^He-säil iö 4, He-vaippa, 5. Kaasutiivis kammio, 6. Resonanss¡ontelo k 7. Modulointikela, 8. Suprajohtava, solenoidi, 9. Ikkuna gammasäteilyä varten.

Koska magneettikenttä synnytetään kiinteällä solenoidilla, sen suuntaa ei voi muuttaa. Solenoidin synnyttämä kenttä ei myöskään ole kovin homo­

geeninen , joten ei voida käyttää kovin suuria kiteitä ilman, että spin- resonanssi levenee. Kentän homogeenisuus on paras aivan solenoidin kes­

kellä, jonne näyte pyritään sijoittamaan. Koska magneetti on käämitty ohuesta suprajohtavasta langasta, sitä voidaan käyttää vain matalissa

lämpötiloissa eikä EPR-spektrejä siten voida ottaa huoneen- tai nesteil- man lämpötilassa.

Lämpötila mitataan resonanssionteloen kiinnitetyllä kalibroidulla hiili“

vastuksella. Alennettaessa painetta He-säi1iössä päästiin n. 1,2 K:n Ц lämpötilaan, kun kaasutiiviissä kammiossa oli 1ämmönvaihtokaasua. Kun kammioon sen sijaan kondensoiti in nestettä ja pumpattiin sekä He-säiliö- tä että kammiota, saavutettiin n. 1,1 K:n lämpötila. Kammioon kondensoi- tu neste vaikutti kuitenkin haitallisesti resonanss¡ontelon ominaisuuk­

siin, joten useimmissa mittauksissa kammioon laskettiin vain 1ämmönvaih- tokaasua.

5.5 Laitteiston käyttö EPR-spektrografina

Sallitut elektroniset trans itiöt absorboivat mikroaaltokentästä niin paljon energiaa, että ne voidaan havaita muutoksina ontelon ominaisuuk­

sissa. Paramagnettisen resonanssin synnyttämä absorptio voidaan parhai­

ten havaita moduloimalla magneettikenttää pienellä amplitudilla ja mit­

taamalla ontelosta heijastunutta mikroaa1totehoa. Koska resonanssin lä­

heisyydessä absorptio riippuu magneettikentän arvosta, mikroaaltosig- naalin voimakkuus seuraa magneettikentän modulointia. Kuvassa 5.8 on esi tetty detektorijännitteen V riippuvuus magneettikentästä resonanssi tran­

sition läheisyydessä.

A

v

Kuva 5.8 Magneettikentän muutoksen kytkeytyminen detektoriin spin- resonanssin läheisyydessä.

Kuvasta näkyy, että suurin signaal i kenttää moduloitaessa syntyy reso­

nanssin reunoilla, missä absorption riippuvuus kentästä on suurin. Lisäk­

si signaalin vaihe modulointiin nähden riippuu siitä kummalla puolella resonanssia toimitaan. Käyttämällä hyväksi vaiheherkkää vahvistinta saa­

daan näin mitatuksi resonanssin derivaatta. Kuva 5.7 esittää tyypillis­

tä EPR-spektriviivaa, joka saadaan kun magneettikentän keskikohdan anne­

taan hitaasti kulkea resonanssin ohi. Kyseinen EPR-viiva mitattiin TKK:n kemian osaston EPR-spektrometri1lä huoneenlämpötilassa tutkittaessa

MgO-2+

nappeja, joihin oli diffusoitu Co -ioneja. Viiva on peräisin jostain epäpuhtaudesta, sillä koboltti ei näy huoneenlämmössä.

i-i-j

i i :

342 / G

Kuya 5.9 Tyypillinen EPR-spekt.r i,V i iyan muoto. Pää y i, ivan molemmilla puolilla näkyy heikkoja satelliitteja.

Magneettikentän modulointia varten EPR-mittauksissa resonanssiontelon päälle käämittiin sata kierrosta suprajohtavaa lankaa. Tällä kelalla voidaan moduloida kiteeseen vaikuttavaa magneettikenttää. Koska ontelo on melko paksuseinäinen, ei moduloinnissa voida käyttää kovin korkeaa taajuutta. Toisaalta EPR-mittauksilla tutkituissa kiteissä relaksaatio- aika on 1,2 K:ssä useita millisekunteja ja,jos modulointi on liian nopeaa, spinsysteemi ei ehdi seurata sitä. Matalissa lämpötiloissa käytetään usein muutaman sadan hertsin modulointi taajuutta, kun taas huoneenläm­

pötilassa tyypillinen taajuus on 100 küz. Rakennetussa laitteistossa osoittautui n. 100 Hz parhaaksi taajuudeksi.

!

Gunn-oskil-laattori

16 GHz

Näyte

Solenoidin

Piirturi virtalähde

Kuva 5.10 Laitteiston kytkentä EPR-spektrografiksi

Kuvassa 5-Ю on eritetty laitteiston kytkentä EPR-soektrografiksi. Vai­

helukitusta vahvistimesta saadaan vaiheeltaan ja taajuudeltaan tun­

nettu signaali, jolla ohjataan modulointikelan virtaa. Detektor i signaa1is- ta haetaan komponenttia, joka seuraa referenssiä ja näin voidaan löytää hyvin heikkokin signaali kohinasta. Kun pääsolenoidin virtaa hitaasti muutetaan, saadaan mitatuksi EPR-spektri. Koottu laitteisto ei ole kovin

herkkä, mutta sen tarkoituksena onkin vain löytää "^o:n sa 11itut transitiot joiden perusteella magneettikenttä voidaan säätää halutuksi ja tähän

herkkyys on riittävä /19/,/20/.

Щ:

Sf

6, Mittaukset

6.1 Alustavat Mössbauei—mittaukset

Nyt rakennetulla laitteistolla on tarkoitus orientoida 57Co-ytimiä dia- magneetti sessa kiteessä niin, että se voidaan havaita Mössbauer-spektris- sä. Sopivalta kiteeltä vaaditaan, että siitä valmistettu ^7Co-1ähde an-n taa magneettisesti hajonneen spektrin ydÎnpolarisaation aikana vallitse­

vissa olosuhteissa. Suoritetuilla Mössbauer-mittauksi 1 la yritettiin sel­

vittää LMN: n ja MgO:n sopivuutta tältä kannalta. Sen sijaan Mössbauer- - mittauksia yd i ñorientaation havaitsemiseksi ei vielä tehty.

Lantaan imagnes i umni traatt ia La^g^ (N0^), 2-24^0 eli LMN:ää on käytetty useissa yd inorientaatiokokeissa, ja ^Co:tä on orientoitu LMN:ssä dy­

naamisesti mikroaaltojen avulla sekä muita isotooppeja muilla keinoin /3/,/7/,/14/. Lisäksi LMN: n ominaisuudet ovat hyvin tunnetut /21/,/22/.

Koska Mössbauer-spektriä, jossa lähteenä olisi käytetty 57Co:ää LMN:ssä, ei ilmeisesti ole julkaistu, valmistettiin tällainen lähde kasvattamalla ison yksikiteen pintaan aktiivinen kerros. Mitattaessa lähteen spektri osoittautui, että LMN on aiottuun tarkoitukseen soveltumaton, sillä

spektri muodostui yhdestä hyvin leveästä vi ivarykelmästä eikä se hajonnut erillisiksi viivoiksi vielä 4,2 K: n lämpötilassa ja 0,1 T: n magneettiken­

tässä. Tosin kiteen laatu ei ollut kovin hyvä.

Seuraavaksi näytteeksi valittiin MgO, koska se tunnetaan hyvin EPR-mit- - tauksista /11/ ja ^7Co Mg0:ssa -lähteen Mössbauer-spektrÎ on mitattu

matalissa lämpötiloissa ja erilaisissa magneettikentissä /15/. Näissä mittauksissa lähde oli valmistettu diffusoimalla 57Co kiteeseen. Lähteen ominaisuudet riippuvat voimakkaasti diffuusio-olosuhteista. Eräät 1

äh-neettikentässä lämpötilan ollessa 4,2 K. Spektreissä esiintyi vaihte-1eyin intensiteetein Fe' + , fe^+ ja Fe^+-ionien viivoja. Mikäli kaikki

2+

yaraustilat syntyvät Co :sta, tästä ei ole kovin paljon haittaa, jos viivat vain voidaan erottaa toisistaan. Sen sijaan mikäli osa

Co-ioneis-1+ 3+

ta menee kiteeseen Co tai Co varaustiloihin, niiden ytimet eivät 2+

orientoidu Co :aa pumpattaessa.

EPR-mittausten perusteella MgO on tarkasti kuutioi linen aine /11/ ja sen vuoksi yd i norientaatiokokeissa voitaisiin periaatteessa käyttää puristet­

tuja puiverinappeja, joihin koboltti diffusoidaan. Mössbauer-mit tauk­

sissa taas yks iki teen ja pulverinapin välillä on selvä ero ja tätä on yritetty selittää satunnaisjännitysten synnyttämän kvadrupolivuorovaiku-

tuksen avulla /15/.

MgO:n sopivuuden selvittämiseksi valmistettiin sekä pulverinapeista että yks iki'teestä Mös s bauer-lähte itä. Lähteet valmistettiin ruiskutta­

malla ^CoC^: ia näytteen pintaan ja antamalla sen kuivua, jonka jälkeen lähde pantiin uuniin. Pulverinappeja hehkutettiin 24 h ajan 1200 °C:een (lähde I) ja 1000°C:een (lähde H) lämpötiloissa ja yksikidettä 36 h 1000 °C:een lämpötilassa. Yks iki teen (lähde Ш) pintaan lisättiin

"^Co:n ohella myös ^Co:tä, tarkoituksena havaita ydinorientaation aiheut­

tama gammasäteilyn epä isotrop ia sen avulla. Lähteen LL spektri hajosi n, 1,6 T: n magneettikentässä, mutta hajonta ei ollut vielä täysin ke­

hittynyt 130 mT: n kentässä lämpötilassa 4,2 K. Lähteen TTT spektri ei hajonnut magneettisesti. Liitteessä I on esitetty lähteen Щ Mössbauer-spektri ЗОО K:ssä ja 80 K:ssä ilman magneettikenttää sekä 4,2 K:ssä,

2+

kun kenttä on n. 250 mT. Lämpötilassa 80 K näkyy ison Fe -viivan kyl­

jessä Fe^+-viiva, joka 4,2 K:ssä on kadonnut näkyvistä. Luultavasti

se on hajonnut magneettisesti, jolloin kunkin viivan intensiteetti on liian heikko erottuakseen taustasta.

Magnesiumoksid i 1ähteiden ominaisuuksien voimakkaan valmistusprosessi- riippuvuuden vuoksi voi olla mahdollista löytää diffuusio-olosuhteet, jotka tuottavat nykyisiä paremman lähteen. MgO:n ohella eräs mahdolli­

nen materiaali on CaO, joka muistuttaa ominaisuuksiltaan hyvin paljon MgO:a.

Parilliset yd i norientääti opa rametr it voidaan havaita myös spektrissä, jossa esiintyy pelkkä kvadrupol¡hajonta. Tällöin ai¡tilojen miehityksis­

tä saatava informaatio ei ole yhtä yksityiskohtaista kuin magneettisesti hajonneissa spektreissä. Kuitenkin lähdemateriaaleja, jotka antavat kvadrupol¡spektrin 1,5 K:n lämpötilassa on huomattavasti helpompi löytää kuin aineita, jotka antavat sopivan relaksaatiospektrin.

6.2 Dynaamiset yd i norientaatiokokeet

Radioaktiivisten yd inten parilliset orientaatioparametrit voidaan havaita syntyvän gammasäteilyn kulmajakauman perusteella. Näin voidaan suoraan mitata ydinten orientaatio ja jos säteily on epäisotrooppista tiedetään varmasti, että ytimet ovat orientoituneet. Ydinten ori entääti omittauk­

sia tehtiin sekä 6°Co:llä että 57Co:lla. Epäisotropiamittauksissa käy­

tetty mittausjärjestely on esitetty kuvassa 6.1.

Solenoidin

LIITTYVÄT TIEDOSTOT