| Abstract | Nuclear magnetic resonance (NMR) is a physical phenomenon used to study materials by recording the interaction of radiofrequency (RF) electromagnetic radiations with the nuclei placed in a strong magnetic field. The spectroscopic technique, used to observe local magnetic fields around atomic nuclei, is called NMR spectroscopy. Modern NMR spectroscopy measurements, especially in condensed matter physics, have a trend of continuous decrease of magnitude of receiving signals, which is a problem because, as response signal levels decrease, the background noise of the used NMR spectroscopy systems gradually becomes a bigger problem. Indeed, the assurance of high measuring sensitivity is one of the most challenging issues for any NMR spectroscopy system today. In this thesis, an accurate noise model of the entire probe-to-spectrometer receiving chain for condensed matter physics is proposed. It is based on the concept of noise figure. The model predicts both the signal and noise levels in every component of the NMR spectroscopy receiving chain. Furthermore, it enables identification of the "weakest" component and, therefore, the optimization of the whole system. The most important property of the proposed model is the possibility to find system parameters that reduce the measurement time by an a priori calculation, rather than an a posteriori approach. The model was tested experimentally by NMR measurements on several different samples. It was found that the measurement time can still be significantly shortened, down to at least one half of the measurement time, starting from optimized conditions with commercially available components. Thus, the proposed model can be used as a tool for both quantitative analysis of the noise properties and a sensitivity prediction of practical NMR systems in physics and material science. A Python-written program, which calculates noise figure and predicts input and output signal-to-noise ratios (SNRs) of the NMR receiving chain, based on the described noise model of the receiving chain, has been created and made available online. Additionally, an electromagnetic model of the NMR probe, which predicts SNR level at its output, has been developed and presented in this thesis. This model has been compared to the proposed noise model of the receiving chain, and the comparison results showed to be satisfactory. Finally, two possible upgrades of NMR preamplifiers: one in terms of power gain level enhancement with the addition of a second stage amplifier, and the other in terms of a new proposed scheme, PCB layout and proper electronic components selection for the NMR preamplifier, have been proposed in order to further improve noise properties of the NMR spectroscopy system receiving chain. |
| Abstract (english) | Ovaj doktorski rad opisuje rezultate istraživanja u području niskošumnih radiofrekvencijskih (RF) prijemnika za primjenu u sustavima kriogene spektroskopije nuklearne magnetske rezonancije (NMR spektroskopije). Najveći problem u konstrukciji RF prijemnika sustava kriogene NMR spektroskopije jest mali odnos signal-šum koji ograničava osjetljivost sustava. Taj se problem u komercijalnim NMR sustavima u fizici kondenzirane tvari obično rješava korištenjem kriogeničke antene-sonde i usrednjavanjem rezultata mjerenja. Iako je usrednjavanje signala efikasno, ono uzrokuje vrlo dugo vrijeme mjerenja, koje ponekad prelazi i 10 sati. U ovoj disertaciji predlaže se metoda skraćenja vremena mjerenja zasnovana na optimizaciji šumnih svojstava sklopovlja cjelokupnog prijemnog lanca kriogene NMR spektroskopije. Postignuti teorijski i eksperimentalni rezultati pokazuju da je optimizacijom komponenti i njihovog položaja u mjernom lancu moguće skratiti ukupno vrijeme mjerenja na manje od 50% početne vrijednosti. U ovome radu primjenjuje se znanje mikrovalne i RF elektronike na sustavima NMR spektroskopije korištenih u fizici kondenzirane tvari s ciljem teorijskog i numeričkog opisa navedenih sustava sa stajališta šuma. Na ovaj način moguće je odrediti usko grlo sustava NMR spektroskopije i njegova ograničenja te predložiti potencijalna unapređenja uskog grla, kao i cjelokupnog sustava, s ciljem maksimalnog povećanja mjerne osjetljivosti. Ideja rada je da razvijene metode budu razumljive i fizičarima čvrstog stanja, kao i RF inženjerima. Prvi dio rada opisuje princip NMR-a, metodu NMR spektroskopije i sustave NMR spektroskopije koji se koriste u fizici kondenzirane tvari. Na taj način RF inženjeri imaju kratak uvod u vrstu sustava koji će biti analiziran i poboljšavan. S druge strane, ovdje se pripadnici fizičarske zajednice mogu ili podsjetiti, ili mogu učvrstiti svoje znanje o NMR-u. U drugome dijelu rada prelazi se sa pogleda na sustave NMR spektroskopije sa stajališta fizičara čvrstog stanja na pogled sa strane RF inženjera, gdje se navedeni sustavi analiziraju koristeći koncept faktora šuma. Nadalje, određena su uska grla sustava NMR spektroskopije, te su predložena odgovarajuća poboljšanja. Nadalje, dana je osnovna definicija šuma i njegovih glavnih svojstava, kao i konkretan opis šuma u sustavima NMR spektroskopije, s ciljem da fizičari čvrstog stanja utvrde njegove mehanizme nastajanja, njegova svojstva i ograničenja sustava koja diktira šum. Između ostaloga, ovaj dio rada služi i kako bi se RF inženjerima prikazalo korištenje njihovih alata na sustavu NMR spektroskopije. S druge strane, fizičari čvrstog stanja mogu utvrditi razloge kako i zašto implementirana poboljšanja sustava NMR spektroskopije rade, njihova ograničenja, te moguće dodatne nadogradnje koje znatno mogu povećati mjernu osjetljivost sustava. U 1. poglavlju (“Introduction” – „Uvod”) dana je motivacija koja se krije iza samog istraživanja u ovome radu. Navode se osnovna ograničenja postojeće NMR tehnologije, s posebnim naglaskom na problematiku osjetljivosti prijemnog sustava, i daje pregled tradicionalnih rješenja u sustavima kriogene NMR spektroskopije u fizici kondenzirane tvari. Ističe se nužnost interdisciplinarnog pristupa zbog potrebe za znanjima iz RF inženjerstva, elektronike i fizike. U 2. poglavlju (“Nuclear magnetic resonance” – „Nuklearna magnetska rezonancija”) daje se pregled fizikalnih osnova, počevši od kvantnih veličina nuklearnoga spina i gradijenta električnog polja, preko mjerenja izmjeničnoga odziva jezgre, pa sve do uspostavljanja njezine spektralne karakteristike. Opisani su principi NMR-a i nuklearne kvadrupolne rezonancije (NQR-a) te metoda NMR spektroskopije. Opisana su dva osnovna tipa mjerenja: tzv. free induction decay (FID) mjerenje i tzv. spin-echo mjerenje, te su dani primjeri tri osnovna mjerenja: tzv. longitudinalnog relaksacijskog vremena (T1), tzv. transverzalnog relaksacijskog vremena (T2) i frekvencijskog spektra odzivnog signala. Navode se inženjerski parametri NMR sustava i naglašava potreba optimizacije u cilju skraćenja vremena mjerenja. Daju se fizikalne informacije koje se mogu dobiti pravilnom interpretacijom NMR mjerenja. Na kraju poglavlja navedene su osnovne primjene sustava NMR spektroskopije. U 3. poglavlju (“The system of nuclear magnetic resonance spectroscopy” – „Sustav spektroskopije nuklearne magnetske rezonancije”) dan je opis općenitog načina rada sustava NMR spektroskopije koji se koriste u fizici kondenzirane tvari. Opisuje se eksperimentalni sustav kriogene NMR spektroskopije za primjenu u fizici kondenzirane tvari kao RF odašiljački lanac koji preko male magnetske antene pobuđuje mjerni uzorak, dok se elektromagnetski (EM) odziv uzorka, uzrokovan Larmorovom precesijom, obrađuje u prijemnom lancu. Također, dan je detaljan pregled najvažnijih dijelova sustava (a to su spektrometar, duplekser, sonda i predpojačalo) i njihovih funkcija – kao dio sustava, ali i kao zasebnih elemenata. Na kraju poglavlja daju se osnovni teorijski principi, kao i inženjerski parametri sustava s primjerima raspoloživih tehnoloških rješenja. U 4. poglavlju (“Noise in nuclear magnetic resonance spectroscopy system” – „Šum u sustavu spektroskopije nuklearne magnetske rezonancije”) predstavljen je koncept šuma. Osnovni tipovi šuma (termički šum, 1= f šum i šum sačme) koji se javljaju u svim RF prijemničkim sustavima, pa tako i u prijemničkom sustavu NMR spektroskopije, opisani su u ovome poglavlju, a najvažniji elementi sustava NMR spektroskopije raspoređeni su prema tipu šuma koji je u njima dominantan. Također, uvedena je mjera koja uspoređuje razinu željenog signala s razinom neželjenog pozadinskog šuma (tzv. odnos signal-šum), kao i mjera koja opisuje degradaciju odnosa signal-šum kroz sustav (tzv. faktor šuma). Na kraju poglavlja daje se pregled metoda analize lanca šumnih četveropola. U 5. poglavlju (“Electromagnetic model of the probe” – „Elektromagnetski model sonde”) opisan je razvijeni elektromagnetski model NMR sonde koji služi za procjenu odnosa signal-šum na izlaznim krajevima sonde. Pokazuje se da se sonda sustava NMR spektroskopije može modelirati kao mala antena-petlja (magnetski dipol) koja radi u bliskome polju. Izvedeni su aproksimativni izrazi za inducirani prijemni signal i odnos signal-šum, uzevši u obzir temperaturni gradijent okoline. U 6. poglavlju (“Noise model of the receiving chain” – „Šumni model prijemničkog lanca”) opisan je razvijeni model najosjetljivijeg dijela sustava NMR spektroskopije sa stajališta šuma–njegovog prijemnog lanca. Predloženi model omogućuje predikciju i optimizaciju osjetljivosti sustava. Izvedeni izraz koji opisuje šumna svojstva prijemnog lanca dan je u ovome poglavlju, kao i opis njegova izvoda, te zaključke koji se mogu izvući iz navedenog izraza. Predloženi model zasnovan je na faktoru šuma kaskade četveropola koji se nalaze na različitim temperaturama. Uvodi se efektivni odnos signal-šum koji uzima u obzir sklopovske i programske postavke spektrometra, uključujući i usrednjavanja signala. U 7. poglavlju (“Experimental verification of the developed models” – „Eksperimentalna verifikacija razvijenih modela”) prikazana je eksperimentalna verifikacija modela prezentiranih u prethodna dva poglavlja. Također, navedeni modeli uspoređeni su međusobno, čime je njihova točnost analizirana, testirana i verificirana. Opisana su mjerenja nekoliko različitih uzoraka s različitom sklopovskom organizacijom sustava i različitim programskim postavkama. Rezultati potvrđuju ispravnost razvijenog modela i pokazuju da je optimizacijom parametara sustava, u slučaju mjerenja uzoraka sa slabim odzivom, moguće skratiti vrijeme mjerenja na manje od 50% početne vrijednosti. Na kraju, potencijalna poboljšanja sustava NMR spektroskopije su analizirana, komentirana i predložena. U 8. poglavlju (“Design and optimization of high-gain and low-noise NMR preamplifiers” – „Projektiranje i optimizacija niskošumnih NMR predpojačala visokog pojačanja”) dan je teorijski prikaz općenitog procesa dizajna i optimizacije mikrovalnih niskošumnih pojačala. Daje se pregled standardnih metoda projektiranja jednostupanjskih i dvostupanjskih predpojačala s naglašavanjem specifičnosti dizajna za NMR sustave. Nadalje, prikazan je praktični primjer optimizacije komercijalnog kriogenog niskošumnog NMR predpojačala dodavanjem drugog stupnja pojačanja. Konačno, prikazan je praktični primjer analize, dizajniranja i konstrukcije niskošumnog NMR predpojačala visokog pojačanja. Projektirano je i konstruirano NMR predpojačalo s HEMT-ovima kao aktivnim elementima, izmjereni su njegovi parametri i uspoređeni su s komercijalnim NMR predpojačalima. U Zaključku (“Conclusion” – „Zaključak”) predstavljen je summa summarum zaključaka cijelog istraživanja. Pokazano je da je pravilnim odabirom ključnih komponenata sustava NMR spektroskopije moguće skratiti trajanje NMR mjerenja na jednu polovinu početnog trajanja. Također, pokazano je da su potencijalne nadogradnje sustava NMR spektroskopije daleko od svojih gornjih granica, što znači da postoji i više nego dovoljno prostora za relativno lako postizanje povećanja mjerne osjetljivosti u ovakvim sustavima. Dakle, sažeti su svi postignuti rezultati istraživanja, ukratko je objašnjena njihova izvornost i dane su preporuke za buduća istraživanja. Konačno, u dodatku na kraju rada (“Appendix A. Receiving chain noise figure calculator” – „Dodatak A. Kalkulator faktora šuma prijemničkog lanca”) nalazi se programski kôd, napisan u programskom jeziku Python, a koji služi za izračun faktora šuma prijemnog lanca sustava NMR spektroskopije, kao i za procjenu odnosa signal-šum na ulazu, odnosno izlazu, navedenog lanca. Ovaj programski kôd temelji se na šumnome modelu prijemnog lanca NMR spektroskopije opisanome u 6. poglavlju. Navedeni program dostupan je online korištenjem GitHub-a ili Dropbox-a, a poveznice na program dostupne su u popisu literature ovog doktorskog rada. U rezultatima istraživanja opisanoga u ovoj disertaciji ostvareni su sljedeći izvorni znanstveni doprinosi: • Model šumnih svojstava antene-sonde i prijemnog lanca sustava kriogene NMR spektroskopije • Poboljšanje mjerne osjetljivosti prijemnog lanca sustava kriogene NMR spektroskopije s ciljem smanjenja vremena mjerenja • Optimizacija parametara radiofrekvencijskog predpojačala kriogene NMR spektroskopije s ciljem poboljšanja odnosa signal-šum i eksperimentalna verifikacija Zaključak istraživanja opisanoga u ovoj disertaciji je sljedeći: Najveći problem kod današnjih mjerenja NMR spektroskopijom, posebno u fizici kondenzirane tvari, jest kontinuirani trend smanjenja razina odzivnih signala. Kako se razine odzivnih signala smanjuju, pozadinski šum korištenih sustava NMR spektroskopije postepeno postaje sve veći problem. Usrednjavanje rezultata više mjerenja, koje se u zadnjih tridesetak godina pokazalo kao moćan alat prilikom raznih mjerenja signala niskih razina, počinje konzumirati znatne količine vremena: neka današnja NMR mjerenja mogu potrajati i preko 10 sati. Primijenjene nadogradnje, poput procesa kriogeničkog hlađenja NMR sonde i, u novije vrijeme, NMR predpojačala, pokazuju vidljiva poboljšanja sustava NMR spektroskopije, ali te su nadogradnje utvrđene empirijski, bez dubljeg razumijevanja njihovih načina rada ili njihovih gornjih granica. Znanstveno istraživanje, opisano u ovoj disertaciji, izrodilo je teorijski opis najosjetljivijeg dijela sustava NMR spektroskopije sa stajališta šuma, što je njegov prijemni lanac, a točnost ovog teorijskog opisa potvrđena je i eksperimentalno i numerički. Nadalje, izveden je elektromagnetski model sonde koji omogućuje predikciju odnosa signal-šum na njenom izlazu, a taj model uspoređen je sa razvijenim modelom prijemnog lanca sustava NMR spektroskopije. Rezultati usporedbe potvrdili su točnost oba razvijena modela. Ne samo da razvijeni teorijski opis prijemnog lanca sustava NMR spektroskopije objašnjava kako i zašto primijenjene nadogradnje sustava rade, nego su i jasno vidljiva potencijalna buduća poboljšanja sustava. Pokazano je da je pažljivim odabirom ključnih elemenata sustava NMR spektroskopije moguće skratiti vremena mjerenja na manje od polovice početne vrijednosti. Također je pokazano da su primijenjene nadogradnje sustava daleko od svojih gornjih granica, što znači da postoji dovoljno mjesta da se i već primijenjene nadogradnje znatno poboljšaju na relativno jednostavne načine. Na kraju, predložena su dva potencijalna poboljšanja NMR predpojačala: prvo je povećanje razine pojačanja dodavanjem drugog stupnja pojačanja, a drugo je nova predložena shema, dizajn tiskane pločice i pravilni odabir elektroničkih komponenti za NMR predpojačalo, oboje s ciljem dodatnog poboljšanja šumnih svojstava prijemnog lanca sustava NMR spektroskopije. |
