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.