Nuclear magnetic resonance (NMR) im Erdmagnetfeld

[Christoph E. (stoppi)]

Hallo!
Da ich wohl noch einige Fragen zu diesem Projekt haben werde, packe ich 
es nicht in meinen Physikprojekte-Beitrag, sondern eröffne einen 
eigenen.

Mir fehlt ja noch ein Experiment zur NMR. Elektronenspinresonanz (ESR) 
habe ich bereits erfolgreich umsetzen können 
(https://stoppi-homemade-physics.de/elektronenspinresonanz-esr/).

Auf der Suche nach einer möglichst einfachen Umsetzung bin ich auf das 
NMR im Erdmagnetfeld gestoßen. Dieses ist im Grund nichts anderes als 
ein Protonen-Präzessions-Magnetometer. Nur werte ich nicht die 
Lamorfrequenz f_Lamor zur Bestimmung der Flussdichte des Erdmagnetfelds 
aus. Mir reicht es, wenn ich das ca. 2 kHz Signal detektieren kann. Vom 
Prinzip her sind aber simple NMR und Protonen-Magnetometer ident...

Hier gibt es einen schönen Artikel dazu: 
https://www.researchgate.net/publication/238742630_Construction_of_a_Proton_Magnetometer
Link zu einem Youtube-Video: https://www.youtube.com/watch?v=zSnJietN4OM

Für dieses abgespeckte NMR benötigt man nur eine einzelne Spule zur 
Polarisation der magnetischen Kernmomente. Gleichzeitig ist diese Spule 
auch die Detektionsspule für die mit f_Lamor kreisenden magnetischen 
Kernmomente.

Die Spule habe ich bereits gewickelt. Sie besitzt eine Induktivität von 
11.28 mH und einen ohmschen Widerstand von 6.4 Ohm.
Mit dieser erziele ich eine Flussdichte von rund 2.2 mT/V. Betreibe ich 
die Spule mit 4 Stück 18650 Akkus, so erziele ich damit rund 35 mT. Bei 
Thomas Rapp (https://www.rapp-instruments.de/Magnetics/ppm/ppm.htm) 
steht etwas von 10 mT zur Polarisation. Von daher müsste also meine 
Flussdichte ausreichen.

Bei einer magnetischen Flussdichte in Graz von ca. 46.2 µT komme ich auf 
eine Lamorfrequenz von 1964 Hz. Damit dies der Resonanzfrequenz der 
Spule entspricht, muss ich einen Kondensator mit 582 nF 
parallelschalten. So weit so gut...

Jetzt geht es um die Verstärkerschaltung. Im Moment habe ich einen 
2-stufigen nicht invertierenden Verstärker mit 2 x LT1115 aufgebaut. Die 
OPV habe ich aus China und es besteht naturlich die Gefahr, dass es sich 
nicht um Originale handelt. Mal schauen, was die ersten Versuche so 
bringen. Ansonsten kaufe ich, wenn diese Type für mein Vorhaben 
überhaupt geeignet ist, originale zum Stückpreis von ca. 10 Euro. Ihr 
Rauschverhalten ist aber sehr gut/gering, nur 1 nV/SQRT(Hz) bei 1000 Hz. 
Vielleicht kann sich ja einer der Profis diesbezüglich äußern, ob meine 
Auswahl passend war.

Am Eingang der ersten Stufe habe ich noch 2 HF4007-Dioden antiparallel 
gegen GND geschaltet, damit ich die zerstörerischen Spannungsspitzen los 
bin. Die NMR Signale liegen ja nur im µV-Bereich, also extrem viel 
geringer als die zu erwartenden Spannungsspitzen, wenn ich die Spule 
abrupt von der Spannungsversorgung (4 x 18650 in Serie, also rund 16 V) 
trenne.

Meine Frage: Passt das so mit den beiden Dioden am Eingang?

Jetzt arbeiten die meisten NMR- bzw. Protonen-Magnetometer-Schaltungen 
mit einem Bandpassfilter. Diesen kann ich invertierend oder 
nicht-invertierend ausführen. Irgendwie ist mir nicht invertierend 
lieber, da ich dann den +Eingang des OPV über einen Widerstand mit GND 
verbinden kann und ich kein fliegendes Potential bekomme.
Ich habe mich ein wenig um die Dimensionierung der 
Kondensatoren/Widerstände gekümmert. Die zu erwartende Frequenz liegt ja 
wie bereits erwähnt bei 1964 Hz. Macht es Sinn, einen Bandpassfilter mit 
f_low = 1800 Hz und f_high = 2120 Hz zu konstruieren. Dann würde ich bei 
Verwendung von 1 kOhm Widerständen konkret Kondensatoren mit 88 nF 
(Hochpass am Eingang) bzw. 75 nF (Tiefpass am Ausgang) benötigen.

Meine Fragen: Passt dies so bzw. ist die Auslegung des Bandpassfilters 
so sinnvoll? Wäre der invertierende Bandpassfilter geeigneter? Ist mein 
Bandpassintervall [1800 Hz, 2120 Hz] zu eng gesetzt?

Danke im voraus für eure Bemühungen ;-)

[Jester (Gast)]

vgl. NMR_Erdmagnetfeld_81.jpg

Zur erinnerung: Widerstands-Rauschdichte (noise density) Ur* = 
sqrt(4kTR) [V/sqrt(Hz)]

Will sagen: Ein 10kOhm Widerstand rauscht bei Raumtemperatur mit 
12.7nV/sqrt(Hz) entspr. -158 dBV/sqrt(Hz).

Da macht ein LT1115 mit 1nV/sqrt(Hz) wenig Sinn, erst recht nicht für 
den nachgeschaltete "Endverstärker"

just my 2ct

[Andrew T. (marsufant)]

Oder vereinfacht gesagt: Mach bitte deine Rückkopplung Widerstände um 
mind. Eine Größenordnung kleiner, besonders in der ersten Stufe.

[Jester (Gast)]

Andrew T. schrieb:
> Oder vereinfacht gesagt: Mach bitte deine Rückkopplung Widerstände um
> mind. Eine Größenordnung kleiner, besonders in der ersten Stufe.

Diskret mit low-noise JFET wäre eine weitere Maßname (z.B. IF3501 mit 
0.35nV/sqrt(Hz)), aber besonders auch das Einschränken der Bandbreite.

[Christoph E. (stoppi)]

Vielen Dank einmal für eure Kommentare.
@Jester: Einschränken der Bandbreite mittels Filter oder was meinst du 
genau?

[Jester (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> @Jester: Einschränken der Bandbreite mittels Filter oder was meinst du
> genau?

Einschränken der Bandbreite generell, z.B. dedizierte Filter, 
schmalbandige Verstärker, digitale Verfahren (z.B. FFT). Willst du nur 
eine Frequenz von z.B. 1964 Hz nachweisen, macht es keinen Sinn, die 
Bereiche 'weit' unter- oder oberhalb zu betrachten.

Mitunter recht störend bei Halbleiterbauteilen (OPA, Transistor) wirkt 
sich das 1/f-Rauschen aus (Siehe Anlage, Auszug aus LT-Datenblatt 
LT1007). Also weg damit,

Speziell beim LT1115 kannst Du dir ein Problem mit dem Stromrauschen 
einhandeln. Siehe hierzu das Kapitel "Voltage Noise vs Current Noise" im
Datenblatt.

Sicher wirst Du dir auch Störungen von außen einfangen. Magnetometer zum 
Nachweis parallel mitlaufen lassen, intelligente Anordnung der Spule(n).


Kuck dir hierzu auch mal an:
- PMI AN-14, Minimization of Noise in Operational Amplifier Applications
- A very low-noise FET input amplifier, S. R. Jefferts, F. L. Walls, 
beide NIST, Boulder, CO
- Design of ultra low noise amplifiers, Vojtěch Janásek, 
www.janascard.cz

Die Ente sollte das finden. Sonst kopiere ich Dir das auch gerne raus.

[Hp M. (nachtmix)]

Nimm lieber einen richtigen Kopfhörer anstelle des Piezoquietschers!
Mit einer so niederohmigen Last kommt der alte LM386 gut zurecht.


Und anstelle des ICL7660 würde ich zwei 9V-Batterien verwenden. Die 
kosten auch nicht die Welt und erzeugen jedenfalls keine Störspannung.

Später, wenn alles läuft, kannst du den Aufbau ja beliebig 
verschlechtern.

[Christoph E. (stoppi)]

@nachtmix: Ich habe mir einmal so einen simplen Monokopfhörer bestellt, 
danke für den Tipp.

So, ich habe heute die Kondensatoren für den Hoch- und Tiefpass meiner 
Verstärkerschaltung gelötet und vor lauter Neugierde einmal einen 
Testlauf gestartet. Die Spule habe ich in West-Ost-Richtung, allerdings 
in meinem Wohnzimmer ausgerichtet.

Als ich dann eine wunderschöne gedämpfte Schwingung mit rund 1984 Hz 
erhielt, stockte mir zunächst der Atem. So ein wunderbares Signal wäre 
doch zu schön um wahr zu sein. Deshalb habe ich dann die Wasserflasche 
aus der Spule getan und ich erhalte noch immer die schön gedämpfte 
Schwingung. Also ein NMR-Signal war es leider noch nicht :-(

Was ich aber prinzipiell nicht verstehe ist folgendes: Ich erwarte ein 
NMR-Signal um die 1960 Hz und erzeuge über den Kondensator parallel zur 
Spule einen Schwingkreis mit (ziemlich) der gleichen Frequenz. Es ist ja 
dann logisch, dass ich genau diese Schwingkreisfrequenz aufzeichne. 
Warum mache ich das überhaupt? So kommen mir ja NMR-Signal und 
Schwingkeis total in die Quere?

Hat vielleicht einer von euch eine Idee, was ich als nächstes probieren 
könnte?

Das NMR-Signal sollte im Bereich von 0.5 µV liegen. Bei einer 
Verstärkung von 10^4 bin ich da bei 5 mV, also weit unterhalb der am 
Oszi zu sehenden Schwingkreis-Schwingung. Kommt das NMR-Signal erst im 
Anschluss an die Schwingkreisschwingung als zweite gedämpfte Schwingung? 
Wenn ja, müsste ich irgendwie die erste, viel stärkere Schwingung, 
ausblenden bzw. erst später in die Aufzeichnung einsteigen...

Ich werde einmal sicher noch den Verstärker alleine testen, ob er 
überhaupt ordentlich verstärkt und filtert. Habe da einen simplen 
Funktionsgenerator auf Basis des XR2206...

[Helge (Gast)]

Ich vermute, mit Resonanzkreis als Sensor kommt immer eine abklingende 
Schwingung raus. die in der Induktivität gespeicherte energie will 
irgendwo hin.
Die Schaltung im paper scheint um x470 (x-10, x-47) zu verstärken, bevor 
das Signal in den Filter geht.

[Dieter P. (low_pow)]

Die Spule ist durch die Wicklungskapazität bereits ein Schwingkreis.
Als Versuch habe ich mal mit einer kleinen Luftspule mit ca 1,8 mH
und einem großen C einen Parallelschwingkreis für ca 2 kHz gemacht.
Dahinter ein NF-Vorverstärker und dann auf den Eingang einer
PC-Soundkarte.
Bei etwa 2 kHz ist die Kurve des Schwingkreises erkennbar, es sind
hier aber viele Störungen vorhanden.Es wäre ein Gedanke, so den
Schwingkreis auf die Resonanzfrequenz zu untersuchen, mit bzw ohne
Kreiskondensator die Spule alleine.
Wenn die Verstärkung der Soundkarte hoch gestellt wird, steigt
lediglich das Breitbandgrundrauschen deutlich an, das Signal wird
wie zu erwarten nicht besser.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Christoph E. schrieb:
> Hat vielleicht einer von euch eine Idee, was ich als nächstes probieren
> könnte?

Sämmtliches was rauscht regt den Resonanzkreis an. Daher gibt es immer 
bei der Resonanz einen Peak.

Wenn die Resonanz des Spins bei 1960Hz liegen sollte, würde ich 
abwechselnd mit und ohne die Probe den Schwingkreis von 1900 bis 2000 Hz 
durchstimmen und die Pegel messen. Ein Vergleich sollte einen kleinen 
Unterschied mit und ohne Probe aufweisen.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Das Prinzip bei Thomas Rapp habe ich mir angesehen. Denke da wären ein 
paar Unterschiede.

In der ersten Phase wird dort das Magnetfeld aufgebaut. Das bleibt 
einige Zeit an, bis sich alles stabilisiert haben müßte. Dann wird 
abgeschaltet. Über die Widerstände wird erreicht das in ein paar ms die 
Energie aus der Spule entladen ist. Erst nach Ablauf dieser Zeit wird 
die Spule auf den Verstärker geschaltet.

Bei Deiner Schaltung dürfte die Entladung der Spule noch nicht ganz 
abgeklungen  sein, so dass noch ein Anregungsimpuls auf den Schwingkreis 
kommt.

Bei Dir mit 16V, 12mH und 6 Ohm fließen rund 2,6A. Würde der Impuls über 
die Dioden als 1V ZD, oder eine Freilaufdiode, entladen, würde das rund 
30ms dauern. t=L*I/U

Mit einer 10V ZD wurde das nur 3ms benötigen.

Vermutlich zieht der mechanische Schalter einen Lichtbogen. Der heiße 
Kontakt haut beim Erreichen des anderen Kontaktes deshalb einen 
Diracimpuls von einigen 100µV und µA auf den Schwingkreis. Das ist 
Thermospannung, die beim Kontaktprall plus Erwärmung durch den 
Lichtbogen eingebracht wird.

[Hp M. (nachtmix)]

Christoph E. schrieb:
> Deshalb habe ich dann die Wasserflasche
> aus der Spule getan und ich erhalte noch immer die schön gedämpfte
> Schwingung. Also ein NMR-Signal war es leider noch nicht :-(

Die Zweifel, dass die Experimentatoren in Wirklichkeit die Resonanzen 
ihrer Filter gesehen haben, hatte ich immer schon, seit ich vor über 20 
Jahren die ersten Beschreibungen von Aufbauten dieser Art im Internet 
gesehen habe.
Dort hatte man aber nicht mit 20ml Probeflüssigkeit gearbeitet, sondern 
mit dem Zehn- bis Zwanzigfachen. Ein paar dB sollte das bringen.

Dieter D. schrieb:
> Wenn die Resonanz des Spins bei 1960Hz liegen sollte, würde ich
> abwechselnd mit und ohne die Probe den Schwingkreis von 1900 bis 2000 Hz
> durchstimmen und die Pegel messen.

Das entspricht der CW-NMR und hat, besonders bei so schwachen 
Magnetfeldern,  leider eine sehr schlechte Empfindlichkeit.
Gewöhnlich hat man dafür separate Spulen für Anregung und Detektion 
verwendet, deren Achsen senkrecht zueinander und zur Richtung des 
Magnetfeldes standen. Wenn man die Spulen pingelig genau justiert, kann 
man eine gute Entkopplung der Wechselfelder erreichen. Sonst sieht man 
eh nichts.

Mit der magnetischen Feldstärke steigt nicht nur Präzessionsfrequenz (= 
der Energieunterschied zwischen den parallel und antiparallel zum 
Magnetfeld ausgerichteten Kernspins), sondern auch die Polarisation 
(Anzahl der ausgerichteten Teilchen), so dass bei so geringem Feld kaum 
ein Effekt nachweisbar ist.
Der einzige Vorteil des Erdmagnetfeldes ist, dass es von Haus aus sehr 
homogen ist, sofern man es nicht durch nahe Eisenteile stört.
https://de.wikipedia.org/wiki/Kernspinresonanzspektroskopie#Empfindlichkeit_der_NMR-Spektroskopie


>Hat vielleicht einer von euch eine Idee, was ich als nächstes probieren
könnte?

Mehr Probenvolumen, viele Amperewindungen/m, kein Resonzkreis dort, und 
vermutlich ist ein gesättigter Kohlenwasserstoff (Paraffin, Polyethylen) 
besser geeignet als Wasser, bei dem die Protonen wegen der 
Wasserstoffbrücken nie genau wissen, zu welchem Molekül sie gehören.

Die Dauer des Magnetisierungsimpulses sollte einige Sekunden betragen, 
denn  die Linienbreite wird vermutlich in der Gegend von 1 Hz oder 
weniger liegen. Entsprechend lange dauert dann auch der Aufbau der 
Polarisation und ihr Zerfall.

[Christoph E. (stoppi)]

Vielen Dank für eure rege Teilnahme an dem Problem und eure Tipps und 
Hinweise.

@Dieter: Du meinst also ich soll meine beiden UF4007 Dioden gegen z.b. 
10V-Zenerdioden tauschen um die schwingzeit zu reduzieren? So habe ich 
das Faradaysche Induktionsgesetz auch noch nie umgeschrieben gesehen... 
;-)

Die Polarisation müsste bei mir eigentlich ausreichend sein, da ich bei 
16V rund 35 mT flussdichte habe. Thomas Rapp schreibt etwas von 10 mT. 
Der hat aber scheinbar ein größeres Volumen als ich. Für die 
Polarisation lasse ich rund 5-10 Sekunden den Strom durch die Spule 
fließen.

Mich wundert auch die lange relaxationszeit im erdmagnetfeld im Bereich 
von Sekunden. Dachte immer, dass wäre deutlich kürzer. Ich werde einmal 
meinen Verstärker mit dem funtionsgenerator testen, nur bin ich leider 
im Moment krank und kann/sollte nichts tun.

Habe auch schon Alexander Mumm 
(http://www.alexmumm.de/pgProtonMagnetometer_de.htm) kontaktiert.

An diesem sehr simplen NMR-Aufbau habe ich mich ursprünglich orientiert:

https://youtu.be/wT5hJshhLhI
https://youtu.be/zSnJietN4OM

Der Autor erwähnt hier leider überhaupt nichts vom großen signal des 
schwingkreises. Im Video hört man aber ohne Wasser keinen kurzen Ton. Ob 
das alles mit rechten Dingen zugeht ist fraglich.

Auch weiß ich nicht, ob das Material der Wasserflasche eine Rolle 
spielt. Ich verwende im Moment ja eine Glasflasche...

In der angehängten Abbildung (Quelle: 
https://www.researchgate.net/publication/238742630_Construction_of_a_Proton_Magnetometer/figures?lo=1) 
erkennt man aber wenigstens die Schwingung des Schwingkreises nach dem 
Abschalten bei einer etwas niedrigeren Frequenz und dann erst das 
eigentliche NMR-Signal bei einer etwas anderen Frequenz...

Danke nochmals für eure Hilfe...

[Wolfgang (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> Dann würde ich bei
> Verwendung von 1 kOhm Widerständen konkret Kondensatoren mit 88 nF
> (Hochpass am Eingang) bzw. 75 nF (Tiefpass am Ausgang) benötigen.

Vergiss diese akademischen Werte. Kaufbare Kondensatoren haben eher 
Toleranzen von einigen Prozent, falls du nicht gerade auf Exoten stehst.

Wenn du sowieso OPs in der Schaltung hast, gibt es deutlich 
ausgefeiltere Filter als passive Hoch- und Tiefpässe.
https://www.aktivfilter.de/bandpass-mit-mehrfachgegenkopplung.php
https://www.aktivfilter.de/sallen-key-tiefpass.php

[Christoph E. (stoppi)]

Danke Wolfgang, schaue ich mir an...

Was macht man, wenn man krank ist? Genau, man tüftelt weiter an seinen 
Projekten. Habe mir nun den Verstärker vorgenommen und ihn auf seine 
Funktion hin überprüft. Ausgangssignal war ein Sinus mit 150 mV 
Amplitude am 1:1000 Spannungsteiler, also mit einer Amplitude von 150 
µV. Das maximale Signal nach der ersten Verstärkerstufe besitzt eine wie 
zu erwartende Verstärkung von 100.

Nach der zweiten Verstärkerstufe passt das Signal eigentlich auch noch 
recht gut. Die Verstärkung ist dann aber wie gewünscht von der Frequenz 
abhängig.

Diese besitzt im Bereich um die 1800-1900 Hz in der Tat ihr Maximum und 
beträgt bei 448 Hz 2500x, bei 1925 Hz 4667x und bei 4257 Hz nur noch 
3000x.

Von daher scheint der Verstärker einmal das zu tun, was ich von ihm 
erwarte...

[Helge (Gast)]

Mehr Spannung durch Z-Diode halte ich auch für eine gute Idee. Mir fiel 
auch auf, daß im paper der eingang mit 3kOhm abgeschlossen ist. 
Vielleicht bekommt man die gespeicherte Energie mit so einer Kombi auch 
brauchbar raus.

[Christoph E. (stoppi)]

@Helge: Danke. Welches Paper meinst du genau?

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Christoph E. schrieb:
> @Dieter: Du meinst also ich soll meine beiden UF4007 Dioden gegen z.b.
> 10V-Zenerdioden tauschen um die schwingzeit zu reduzieren? So habe ich
> das Faradaysche Induktionsgesetz auch noch nie umgeschrieben gesehen...
> ;-)

Das ist nur mit dem Energiesatz zu verstehen.

Energie in der Spule: W=0,5*L*I²

Energie des Flybacks: W = Integral über U*I(t)
Vereinfacht, weil der Stromverlauf als Dreieck angenähert werden kann:
W=t*U*0,5*I_max

Daraus folgt, höhere Spannung kürzere Pulszeit.

Wegen der Anregung durch das Kontaktprellen, erscheint es auch sinnvoll 
zwei Spulen zu verwenden.

[Bernd K. (bkohl)]

Evtl. ist es sinnvoll die Spule nach Anregung im aperiodischen Grenzfall 
eine gewisse Zeit abzuschliessen?
Wie kann ich Dir Unterlagen von alten Veröffentlichungen aus den 
60-igern zum Thema schicken? (Gotthard Klose, Physik Leipzig)

[Dieter P. (low_pow)]

Zur Schaltung von Rapp-Instruments.
Bei einem C von 39 nF wären als Parallelspule ca 162 mH notwendig, um 
auf
eine Resonanz bei ca 2 kHz zu kommen, was mir bei dem gezeigten Sensor
seltsam vorkommt.Ob C wirklich so klein gewählt ist oder werden muß?
Der Abstand zweier Messungen ist grob ca 5 sec, die Zeitaufteilung
für Polarisierung, Pause und Nachweis der Resonanz ( Messung )
ist sicher eine Kunst für sich.
Im Bid ist das Spektrum der gesamten Datei Suedpark3.wav verwendet,
das Signal ändert sich innerhalb dieser Zeit allerdings mehrfach.
Es sollten daher nur einzelne Teile der Datei für die FFT verwendet
werden.Die Filterkurve sollte dem aktiven BP-Filter mit OP-Amp
entsprechen.

Die Übersicht des PPM von Hr. Mumm habe ich mir angesehen,
der Aufwand ist halt nach oben hin offen.Die Links unter
"Weiterführende Informationen" existieren zum Teil nicht mehr,
als Beispiel:

http: 
//perso.infonie.be/j.g.delannoy/BAT/IntroductiontoMagnetometerTechnology 
1-2.pdf
Ein erwähntes Excel-Worksheet zur Berechnung von Sensorspulen ist auch 
weg
( ppm.xls ).

[H. H. (Gast)]

M. E. Packard, R. Varian, Phys. Rev. A93 (1954) S. 941

[Hp M. (nachtmix)]

Christoph E. schrieb:
> Auch weiß ich nicht, ob das Material der Wasserflasche eine Rolle
> spielt. Ich verwende im Moment ja eine Glasflasche...

Glas und PTFE ist unverdächtig.
Nur sollte, wenn du den "Nulleffekt" messen willst, die Flasche und der 
Spulenkörper nicht gerade aus Wasserstoff haltigen Materialien 
(PE,PP,PVC,PET,Holz,Papier) bestehen.

[Hp M. (nachtmix)]

Dieter D. schrieb:
> Wegen der Anregung durch das Kontaktprellen, erscheint es auch sinnvoll
> zwei Spulen zu verwenden.

Wer macht denn so etwas?
Ich habe gehört, dass es mittlerweile für wenig Geld Transistoren geben 
soll, die einige Ampere schalten können und etliche hundert Volt 
aushalten.

Schau mal im Keller, ob  da noch ein Fernseher  mit BU508 oder so in der 
H-Endstufe rumsteht.
https://www.pollin.de/p/hochspannungs-leistungstransistor-bu2527aw-130440

Sonst muss Muttern eben einen der IGBT aus ihrem Induktionskochfeld 
opfern. Die sind auch einfacher anzusteuern.
https://www.pollin.de/p/international-rectifier-igbt-irgb4064dpbf-131188

[Jester (Gast)]

Die Herren W. D. S. Ruhunusiri und M. K. Jayananda hatten sich in 2008 
mit der Konstruktion eines Protonen Magnetometers beschäftigt.

Zum Sensor schreiben die Beiden:

"The heart of the proton precession magnetometer is the sensor which 
consists of a coil of copper wire wound around a container filled with a 
proton rich material such as water. From the various configurations 
available for the sensors, dual solenoid configuration was selected due 
to its property of cancellation of noise generated outside the coil."

Vielleicht der wichtigste Satz in deren Paper:

"The main difficulty that had be faced in the development of this 
instrument was the low signal to noise ratio of the precession signal. 
The approach used in overcoming this difficulty was to digitize the 
signal and employ digital signal processing techniques..."

Kuck da:
https://www.researchgate.net/profile/Suranga-Ruhunusiri/publication/238742630_Construction_of_a_Proton_Magnetometer/links/00b7d52bb1bd903443000000/Construction-of-a-Proton-Magnetometer.pdf?origin=publication_detail

[Purzel H. (hacky)]

Ohne jetzt alles gelesen zu haben.. Es gibt 2 Methoden.
1) CW. da verwendet man einen Lock-in amplifier, mit welchem man den 
passenden Rauschabstand erreichen kann.
2) Puls. Da misst man die Zerfaelle nach einem Anregungspuls.

NMR benoetigt eine extrem hohe Feldhomogenitaet. Sonst bekommt man zu 
stark verbreiterte Linien. Die Linienbreiten liegen bei Hz.

[Dieter P. (low_pow)]

Die Abkürzung für "Nuclear magnetic resonance (NMR) im Erdmagnetfeld"
wäre EFNMR .
Dazu gibt es auch ein durchaus aufwendiges Open Source Projekt.

Open source Earth's Field NMR Spectrometer

https://github.com/geekysuavo/pyppm

Von den dortigen Unterlagen erwähne ich hier einmal den Sensor,
d .h. den Aufbau der Spule, und das Gesamtschaltbild. Die Schaltung
ist in SMD-Bauweise, das Dateiformat von Schaltplan / Platine ist GEDA.
Von den Platinen gibts es auch Gerber-Dateien.
Die Dateien habe ich vom Namen her ergänzt.
ppm_v1_3_v1.pdf enthält auf Seite 2 auch den zeitlichen Messablauf als
Ansatz.

Mit der Mathematik in den bisher verlinkten Beiträgen kann ich leider
nichts anfangen, auch wenns als Grundlage notwendig ist.

[Christoph E. (stoppi)]

Vielen Dank für die rege Teilnahme und eure wertvollen 
Tipps/Hinweise/links.

Ich habe mir bei Conrad den LT1115 nochmals bestellt, da ich nicht 
sicher bin, ob meine aus China stammenden Exemplare nicht fakes sind. 
Den Verstärker habe ich auch umgearbeitet. Verwende jetzt nur in der 
ersten Stufe den LT1115, danach einen LF356 für den 
Bandpassfilter-Verstärker und am Ende zum Ansteuern des 2 kHz-Piezos 
einen LM386.

Von Alexander Mumm (http://www.alexmumm.de/pgProtonMagnetometer2_de.htm) 
habe ich auch einige wertvolle Tipps erhalten. So werde ich es mit einem 
Schalter mit Mittel-Aus-Stellung probieren. In dieser Stellung soll dann 
ganz ohne Relais die Spule über die 22 V Zenerdiode "entladen" werden, 
bevor sie an den Verstärker gekoppelt wird. Wenn dies nicht 
funktioniert, kann ich ja noch immer einen Arduino dafür verwenden.

Der ICL7660 kommt auch weg, dafür verwende ich einen zweiten 9V-Block.

Ziel: Im Grunde möchte ich nur das kurze "Ping" hören können. Da das 
menschliche Ohr sehr sensitiv ist, besteht eine hoffentlich gute Chance, 
dieses 2 kHz-Signal im Rauschen doch zu hören. Mal schauen...

Die von T. Rapp erwähnte Software SpectrumLab habe ich mir auch schon 
runtergeladen.
Link: https://www.qsl.net/dl4yhf/spectra1.html

[Andreas M. (amesser)]

Wir hatten das damals im Physikpraktikum mit einem Wasserkreislauf und 
mehreren Spulen gemacht. Die Relaxationszeit ist tatsächlich so groß, 
das man das Wasser mit einer Pumpe im Kreis zwischen den Stationen 
pumpen konnte. Der Versuch war sehr lustig, vorallem weil der 
Messrechner eine 286 mit Pascal Program war. Von da ging es mit 5 1/4" 
Diskette zu einem 486. Von dort dann mit 3 1/2" zu einem neueren Rechner 
und von dort dann auf USB :-)

Wir mussten das Ganze damals natürlich auch dokumentieren. Vielleicht 
kann man da ja irgendwelche Anregungen raus nehmen:

https://bastelmap.de/_downloads/4639abd5665ee818a1d48be0cc955727/fpa-nmr_wm.pdf

[Andreas M. (amesser)]

Achja, wäre es nicht eigentlich besser, wenn die Spule gerade nicht die 
Resonanzfrequenz hätte die man messen will? Die soll doch gerade nicht 
selber schwingen sondern man will ja das Signal messen?

Evt.l macht es Sinn die Spule mit der Resonanz leicht daneben zu legen? 
Dann sollte sich doch die Schwingung der Spule beim Abschalten durch die 
Interaktion mit dem Kernspinn von der Eigenresonanz der Spule weg 
verschieben?

[asd (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> @Dieter: Du meinst also ich soll meine beiden UF4007 Dioden gegen z.b.
> 10V-Zenerdioden tauschen um die schwingzeit zu reduzieren? So habe ich
> das Faradaysche Induktionsgesetz auch noch nie umgeschrieben gesehen...

Besser ist es sogar die Spule umzupolen, dann geht der Strom noch 
schneller gegen Null und die Energie im Magnetfeld geht nicht verloren 
weil die wieder in der Spannungsquelle landet.

[Christoph E. (stoppi)]

Gestern habe ich die "neue" Verstärkerschaltung gelötet und gleich 
getestet. Der Bandpass funktioniert super. Habe ihn am Signalgenerator 
hängend mittels 2 kOhm-Poti so eingestellt, dass die Amplitude bei rund 
1950 Hz maximal wird.

Dann habe ich die Spule angeschlossen und wohlgemerkt im Wohnzimmer 
einen ersten Testlauf unternommen. Man erkennt wieder den sehr starken 
"Schwingkreisausschlag". Entscheidend ist sind ja dann die Signale 
danach. Hier kann ich leider im Moment keinen Unterschied mit/ohne 
Wasser feststellen. Das Problem ist, dass ich ein relativ starkes 
Rauschen im Bereich um die 100 mV nach dem zweiten Verstärker bekomme. 
Dies lässt dann den LM386 dauerhaft durchsteuern und ich erhalte einen 
Dauerton. Von einem einzelnen "Ping" ist leider noch meilenweit nichts 
zu hören.

Woher könnte dieses Rauschen kommen? Handelt es sich überhaupt um 
Rauschen?

Jetzt warte ich einmal den hoffentlich originalen LT1115 von Conrad ab 
und werde schauen, ob das Rauschen zurückgeht. Dann muss ich noch einige 
weitere Teile wie 9V-Batterieclips u.a. besorgen...

[Dieter P. (low_pow)]

>Andreas M. (amesser)
Zu dem beeindruckenden Versuch kann ich hier nichts sagen, da fehlen
die Grundlagen.Der Versuch von Stoppi ist, einen Puls auf eine
Spule zu geben, für den Empfang der Antwort wird der Spule ein
Kondensator parallel geschaltet um durch Resonanz das schwache
Nutzsignal anzuheben.Für den eigentlichen Nachweis ist kein
Resonanzkreis notwendig.Die Eigenresonanz der Spule sollte
nicht auf der Nutzfrequnz liegen.

Zum Bild NMR_Erdmagnetfeld_183.jpg, wenn die Möglichkeit besteht
würde ich versuchen das Spektrum anzusehen, irgendwelche Störungen
werden durch die Spule wohl immer aufgefangen werden.Wie das hier in 
etwa aussieht nochmal als Beispiel.Es ist auch sehr davon abhängig wie 
die Spule ausgerichtet ist, wenn ich es richtig verstanden habe wäre 
Ost-West-Richtung erforderlich.

[Bernd K. (bkohl)]

Kleiner Einwurf: Das Erdmagnetfeld muss senkrecht auf der Spulenachse 
stehen!

[Christoph E. (stoppi)]

Hier die beiden Frequenzspektren, einmal beim Laden der 
Polarisationsspule (also entkoppelt vom Verstärker) und dann noch bei an 
den Verstärker angeschlossener Spule. Da sieht man dann halt schon den 2 
kHz-peak. Genau den höre ich als quasi Dauerton und er kommt leider 
absolut einem "Ping" in die Quere...

Der Piezosummer stört auch gehörig. Halte ich ihn in die Nähe des 
Eingangs, so steigt das Rauschen massiv an. Ich habe ihn deshalb mit 
BNC-Kabel an den Verstärker angeschlossen. Dadurch bekomme ich das 
Rauschen aber auch nicht unter 100 mV.

Wie ich den wegbekomme, muss ich erst schauen. Hoffentlich ist alles 
außerhalb der Wohnung deutlich besser.

Die Spule ist natürlich Ost-West ausgerichtet, Bernd ;-)

[Herr Brotbaum (Gast)]

Man muss das doch nicht alles (schlecht) neu erfinden. Gibt's doch schon 
lange:
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/21/10/105902

Sci-Hub müsst Ihr selbst bedienen, falls Ihr keinen Zugang zum Paper 
über die Uni habt...

[Hp M. (nachtmix)]

Christoph E. schrieb:
> Woher könnte dieses Rauschen kommen? Handelt es sich überhaupt um
> Rauschen?

Ich fürchte, dass es netzsynchrone Störimpulse sind ...

[Bernd K. (bkohl)]

Ich gehe davon aus, das die Störungen magnetisch eingefangen werden.
Wie wäre es mit Kompensations-Spulen? Z.B. vor und/oder nach der 
Detektonsspule angeordnet. Die fangen das gesamte Spektrum ein. Vom 
Signal subtrahiert bringt es bestimmt einige dB Verbesserung.

Bernd

[Christoph E. (stoppi)]

Um solche externen Störungen zu kompensieren, verwenden viele zwei in 
Serie miteinander verbundene Sensorspulen mit entgegengesetztem 
Wickelsinn...

Obwohl ich dann nicht genau verstehe, warum sich eine magnetisch, also 
durch Induktion eingefangene externe Störung wegsubtrahiert. Ob das 
Signal von außen (Störung) oder innen (NMR-Signal) kommt ist doch 
eigentlich egal oder?

[Bernd K. (bkohl)]

verstehe ich auch nicht. Deswegen schrieb ich ja, "vor und/oder nach der
Detektonsspule angeordnet" die NMR-Wirkung muss in der Detektionsspule 
stärker sein, als in der Kompensationsspule.(räumliche Nähe) Wäre schön, 
wenn Du es damit hinbekommst, denn für ein Studentenexperiment muss es 
im Hörsaal funktionieren und möglichst offen sein. (keine Abschirmung).

[Christoph E. (stoppi)]

Jetzt habe ich einmal zum Spaß den Schwingkreiskondensator (576 nF) 
ausgebaut und ich erhalte nach dem Polarisieren eigenartigerweise wieder 
eine Schwingung im Bereich von 2 kHz. Was ist denn hier bitte los?

Die Spule kann doch nicht mit ihrer Eigenkapazität wieder genau eine 
Frequenz im Bereich um die 2 kHz haben? Das wäre doch ein ziemlicher 
Zufall. Was sagt ihr zu dem Verhalten? Damit ich sichergehen kann, dass 
das Wasser hier keine Rolle spielt, habe ich es mit und ohne Wasser 
probiert und ich erhalte in beiden Fällen diese 2 kHz-Schwingung. Bin 
mit meinem Latein ehrlich gesagt am Ende...

[KM (Gast)]

>und ich erhalte ... eigenartigerweise wieder eine Schwingung im Bereich von 2 
kHz.

Ich würde sagen deine Verstärker/Filterschaltung schwingt da.

Verändere testweise die Filterfreq. des 2ten OpAmps und schau ob deine
Schwingung dieser Freq. folgt.

Wenn ja, entkopple die Versorgungsspannung des 1. OpAmp besser vom Rest, 
LM386 runter vom Board und achte auf die GND Leitungsführung.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Christoph E. schrieb:
> Was ist denn hier bitte los?

Nach dem Bild steht links unten 1. Jan 09 00:22. Wiederholt das Oszi ein 
Bild aus dem Speicher statt der Messung?

Mechanische Resonanz des Spulenkörpers?

Christoph E. schrieb:
> Obwohl ich dann nicht genau verstehe, warum sich eine magnetisch, also
> durch Induktion eingefangene externe Störung wegsubtrahiert.

Die externe Störung ist sehr weit weg. Das Signal der wenige Zentimeter 
auseinanderliegenden Spulen unterscheidet sich nur gering. Der 
Pegel-Unterschied des Signals des nahen Messkörpers ist groß.

[Dieter P. (low_pow)]

Falls der Aufbau von Bild "NMR_Erdmagnetfeld_144.jpg" noch aktuell
ist, hätte ich eine Idee.Der Eingang NMR-Signal ohne Kabel
offen, damit möglichst nichts empfangen wird.Die Beschaltung des LM386
könnte ein Problem sein.Vielleicht muß am Eingang ( Pin 3 ) ein
Widerstand von 10 kOhm auf Masse gehen, es wäre aber trotzdem volle
Laustärke.Für eine Lautstärkeregelung kann ja später ein Poti verwendet 
werden.
Der Ausgang ( Pin 5 ) mit einem Elko 220 uF (angegeben sind 250uF) in
Reihe beschaltet, als ständige Last sollten auch 100 Ohm 
reichen.Parallel
dazu geht ja ein Kopfhörer oder für Messungen Oszi.
Es sollte dann ein ruhiges, möglichst geringes Rauschen geben, hoffe 
ich.

[Christoph E. (stoppi)]

@Dieter: Danke für deine Hinweise. Ich habe jetzt die Verstärkung des 
LM386 auf 20 gesetzt (Pin 1 und Pin 8 nicht verbunden). In Serie zum 
Ausgang hängt nun auch ein 220 µF Kondensator. Einen Widerstand parallel 
zum Eingang könnte ich aber noch probieren. Obwohl ich ja das Rauschen 
bereits nach dem 2ten OPV habe und nicht erst nach dem LM386. Der 
bekommt nur das 100 mV Rauschen ab...

@KM:
>Ich würde sagen deine Verstärker/Filterschaltung schwingt da.

Der Tipp war goldrichtig, vielen Dank dafür. Die Schwingungen ohne 
Kondensator kommen vom 2ten OPV, dessen Bandpass ja auf 2 kHz 
eingestellt ist. Stelle ich diesen auf z.B. 4 kHz ein, so besitzen die 
Schwingungen auch diese 4 kHz.

Irgendwie trete ich mit dieser Schaltung aber auf der Stelle. Ich habe 
zum Beispiel parallel zur Spule eine 24V Zenerdiode verbaut. Dadurch 
wurden die Schwingungen komischerweise überhaupt nicht geringer.

Und das Problem mit dem Rauschen, welches sein Maximum genau im 
Frequenzbereich des NMR-Signals hat, macht mir eine Detektion des 
Nutzsignals wohl unmöglich. Wie gesagt, ich höre im Moment nach der 
Polarisation aus dem LM386 quasi einen Dauerton um die 2 kHz.

Ich werde die ganze Schaltung einmal draußen im Hof ausprobieren und 
schauen, ob das Rauschen zumindest kleiner wird. Im Wohnzimmer das Ganze 
durchzuführen, ist ohnehin zum Scheitern verurteilt.

Wenn alle Stricke reißen und ich nicht mit dieser Schaltung weiterkomme, 
schwenke ich auf jene von Thomas Rapp um. Der verwendet eine getrennte 
Polarisations- und Sensorspule, einen Instrumentenverstärker (Ich würde 
den INA128 nehmen, den habe ich bereits zuhause) und dann noch den 
Bandpassfilter/verstärker von oben und eben Arduino. Damit schließt er 
die Sensorspule erst an den Verstärker nach 10 ms über ein Relais, wenn 
die induzierte Energie wieder draußen ist.

Links: https://www.rapp-instruments.de/Magnetics/ppm/ppm.htm
https://www.rapp-instruments.de/Magnetics/ppm/images/circuit.pdf

Eine Frage zum Schaltplan hätte ich gleich: Stimmt der pnp-Transistor so 
in der Schaltung, wohl nicht oder? Das ist doch ein Gegentaktverstärker 
oder?

Da ich dann eine neu Spule benötige, habe ich mir in den letzten Tagen 
gebraucht 0.3 mm (1.25 kg) und 0.6 mm (2.4 kg) Kupferlackdraht gekauft. 
Ich bräuchte halt eine bessere Wickelmaschine. Bisher habe ich die 
Spulen mit der viel zu schnell drehenden Bohrmaschine gewickelt. Das 
wird erstens nicht schön und zweitens habe ich keine Kontrolle bzgl. der 
Anzahl der Windungen...

[Dieter P. (low_pow)]

>Stimmt der pnp-Transistor so

Da ist sicher Emitter und Kollektor beim BC557 vertauscht.Der 5k Trimmer
dürfte auch vom Wert her zu groß sein, im Beispiel vom mc-forum sind 20 
Ohm, fest so genau wirds nicht sein müßen.Der IRFP450 im Rapp-Beispiel 
kann 500 V Drainspannung, eine Spannungsbegrenzung mit einer Z-Diode ist 
dort nicht eingezeichnet.

Diskreter Treiber 2b

https://www.mikrocontroller.net/wikifiles/0/05/Beispiel_LS_Treiber_1_2.png

https://www.mikrocontroller.net/articles/Treiber

[KM (Gast)]

Bei deiner Schaltung hast du wegen der hohen Gesamtverstärkung zwei 
potentielle Rückkopplungspfade:

- magnetisch
grössere Ströme (vor allem im LM386/Piepser) koppel natürlich wieder 
zurück
in die Sensorspule.

- elektrisch
Ist die Versorgungsspannung des Eingangsverstärkers nicht sehr gut
von der 2.ten Stufe entkoppelt (Stichwort PSRR, zusätzliche RC oder LC 
Siebung) werden diese Schwankungen wieder erneut verstärkt.
Das gleiche gilt auch wenn die Einkopplung über die GND Leitung erfolgt.

[Andreas M. (amesser)]

Dein Bandpass hat halt einen Gütefaktor von ca 6. Da ists wohl normal 
das der schwingt. Wenn man die Schaltung ein bischen anders zeichnet, 
dann ist dass im Prinzip ein Bridged T-Network. Das benutzt man in 
Drummachines als Tonegenerator für die Toms :-)

Ich würde statt der 100k eher 10k nehmen und R3/R1 entsprechend wählen.

[Hp M. (nachtmix)]

Christoph E. schrieb:
> Irgendwie trete ich mit dieser Schaltung aber auf der Stelle. Ich habe
> zum Beispiel parallel zur Spule eine 24V Zenerdiode verbaut. Dadurch
> wurden die Schwingungen komischerweise überhaupt nicht geringer.

Weil die Amplitude viel zu klein ist.
Selbst eine gewöhnliche Diode, parallel zu Spule braucht etwa 0,5V, 
bevor sie dämpfend wirkt. Und wenn die Amplitude der Induktionsspannug 
unter 24V gefallen ist, wirkt die ZD nur noch wie normale Diode, d.h. 
unter 1Vss hat sie keine Wirkung mehr.


Wegen der anderen Probleme, wie Schwingneigung, müsstest du mal den 
gesamten Schaltplan, also ALLES, auch mit den Angstkondensatoren, 
posten, und möglichst auch Fotos des Aufbaus.

[Christoph E. (stoppi)]

Danke für eure Mithilfe...

Hier der komplette Schaltplan inkl. Bild der Platine in hoher Auflösung.

Die Zenerdiode wurde mir ja hier vorgeschlagen, um die Energie schneller 
im Schwingkreis abzubauen. Unter 22 V leitet die Zenerdiode in 
Sperrrichtung überhaupt nicht mehr und kann dann bei dieser Polarität 
überhaupt nicht mehr zur Entladung beitragen.

Ursprünglich hatte ich ja zwei antiparallele UF4007 Dioden am Eingang 
zum Verstärker. Die entladen immerhin in beide Richtungen bis ca. 0.5V. 
Die werde ich wohl wieder einbauen.

[Christoph E. (stoppi)]

Die Schaltung nach Thomas Rapp habe ich auch schon fertig. Das 
dazugehörige Arduino-Programm ist sehr simpel:

* Warten auf Tastendruck
* 1 sek Verzögerung
* 3 sek Polarisationsspule an
* Polarisationsspule aus
* entlade 10 ms lang die Sensorspule noch über GND
* verbinde die Sensorspule mit dem Verstärker
* messe für 5 sek das NMR-Signal
* Sensorspule wieder vom Verstärker getrennt
* Warte auf Tastendruck
...

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Christoph E. schrieb:
> Die Zenerdiode wurde mir ja hier vorgeschlagen, ..

Anbei noch zwei Beispiele in ein Bild gepackt, wie diese verschaltet 
werden können, um die Entladung zu beschleunigen. Da die ZD selbst auch 
eine Rauschquelle ist, müßte diese auch über ein Relais verzögert wieder 
weggeschaltet werden.

Diese Umwege sind aber nicht mehr notwendig, wenn die Schaltung nach 
Thomas Rapp verwendet wird.

[Dieter P. (low_pow)]

Als Versuch eine Simulation des Schalters, wegen der Spannungsspitze.
Vom IRFP450 habe ich kein Modell, die Simulation sollte mit den
angegebenen Bauteilen so NICHT gebaut werden.Im wesentlichen sind die
Dioden D1, D2 und D3 eingefügt als Überlebenshilfe für den Mosfet.
Als D3  könnte die 22V / 5W 1N5358B gehen, als D2 müßte eine 1N400x
reichen.Ich würde nur sehr drumm bitten, falls die Dimensionierung
grundlegend falsch ist, sich zu äußern.Der Spruch wie bei den
Lottozahlen "ohne Gewähr" hilft verstorbenen Bauteilen nicht mehr.
Der Strom durch die Spule wird auch vom RDS(on) des Mosfets beeinflußt,
der beim IRFP450 mit < 0,38 Ohm angegeben ist.
R13 ( 10k ) beschleunigt die Simulation wesentlich.

[Christoph E. (stoppi)]

Danke für deine Bemühungen, Dieter...

Ich werde eine MUR460 noch parallel zum Mosfet einbauen. Und eine 
Freilaufdiode parallel zur Polarisationsspule wäre wohl auch eine gute 
Idee, oder?

Habe heute noch einiges an der Rapp-Schaltung geändert. Zuerst habe ich 
die Relaisausgänge vertauscht. Jetzt liegt die Sensorspule am Verstärker 
an wenn KEINE Spannung am Relais anliegt. Auf diese Weise möchte ich 
Störungen während der Messung vom Relais minimieren.

Dann habe ich einen sehr großen Offset von ca. -1V nach dem INA128 
erhalten. Jetzt arbeitet ein 100 nF Kondensator zwischen erster und 
zweiter Verstärkerstufe.

Liegen die Eingänge des Verstärkers über die beiden 220-Ohm Widerstände 
an GND, so erziele ich nun nach dem zweiten OPV ein Rauschen von nur 
noch 10 mV. Immerhin beträgt die Verstärkung bis dahin schon rund 40 
000. Liegen die beiden Eingänge an der Sensorspule, so steigt das 
Rauschen auf ca. 75 mV, wobei es primär aus einem 2 kHz-Signal besteht. 
Der Schwingkreiskondensator mit 576 nF zur Abstimmung der Spule auf 2 
kHz war dann natürlich verbaut.

Jetzt weiß ich natürlich nicht, ob dies vom Verstärker her bereits für 
eine erfolgreiche Messung ausreicht. Mal schauen...

Als nächstes werde ich mich um die beiden Spulen kümmern. Blöd ist, dass 
ich keine schöne Wickelmaschine habe, sondern alles mehr oder weniger 
freihändig mit der Bohrmaschine mache. Da ich aber die beiden 
Sensorspulen ident ausführen muss, werde ich um eine andere Lösung nicht 
herumkommen.

[Dieter P. (low_pow)]

Einen Gedanken hätte ich noch zu Bild NMR_Erdmagnetfeld_270.jpg,
im Display werden 4 ms / div ? angezeigt.Wenn möglich würde
ich einen viel größeren Zeitbereich wählen und dann FFT ausführen.
Bei einem nur kurzen Signalteil von Rapp ohne Spule dürfte das
zumindest auch ähnlich aussehen wie Bild NMR_Erdmagnetfeld_270.jpg.

Mit Spule am Eingang Bild NMR_Erdmagnetfeld_276.jpg siehts grob
ähnlich wie mein Signaltest aus, leider, mit vielen Störungen.
Zum Schalterteil mit Mosfet kann ich mich mangels Erfahrung
wie erwähnt nur wenig äußern, Simulation ist nicht Aufbau.
Statt der Freilaufdiode parallel zur Polarisationsspule wären
im Bild nmr_puls_simtest.png die Dioden D2 ( Diode ) und in Reihe dazu
D3 ( ZDiode ) am Mosfet gedacht.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Wie wäre es damit in ausreichendem Abstand von der Aperatur das 
Erdmagnetfeld zu messen und subtraktiv dem Signal nach dem ersten OP 
hinzumischen um den Einfluss zu kompensieren.

[Jester (Gast)]

Beitrag "Re: Nuclear magnetic resonance (NMR) im Erdmagnetfeld" in gekürzter Form:

"The main difficulty was the low signal to noise ratio of the precession 
signal. The approach was to employ digital signal processing techniques 
..."

Hast du schon mal das zu erwartende Signal bzw. SNR nachgerechnet, 
Gleichung (1) bzw. (3) im zitierten Ruhunusiri/Jayananda-Paper?

Beim INA128 reden wir von 8 nV/sqrt(Hz), schon ein stinknormaler OP27 
bietet, für deutlich weniger Geld, 3 nV/sqrt(Hz).

Aber ich wiederhole mich...

[Hp M. (nachtmix)]

Christoph E. schrieb:
> Unter 22 V leitet die Zenerdiode in
> Sperrrichtung überhaupt nicht mehr und kann dann bei dieser Polarität
> überhaupt nicht mehr zur Entladung beitragen.
>
> Ursprünglich hatte ich ja zwei antiparallele UF4007 Dioden am Eingang
> zum Verstärker. Die entladen immerhin in beide Richtungen bis ca. 0.5V.
> Die werde ich wohl wieder einbauen.

Ich würde parallel zur Spule eine kleinere Festkapazität legen, so dass 
sich eine Resonanzfrequenz von vllt 10kHz ergibt, und während der 
Entmagnetisierungsphase mittels eines FET einen Dämpfungswiderstand 
zuschalten, der für den Grenzfall der gedämpften Schwingung berechnet 
bzw. eingemessen ist.  Dann ist nach vllt 200µs das Signal soweit 
abgeklungen, dass man es auf dem Scope nicht mehr sieht, und nach ein 
paar ms ist wirklich weg.

[Christoph E. (stoppi)]

@Jester: Danke für deine Einwände.

Thomas Rapp verwendet in seiner Schaltung halt einen 
Instrumentenverstärker, konkret den AD524 und der hat 7 nV/sqrt(Hz). Da 
ist ja mein INA128 mit 8 nV nicht wirklich weit weg.

Dein vorgeschlagener OP27 ist aber kein Instrumentenverstärker.

Der INA849 wäre aber ideal oder? Der hat nur 1 nV/sqrt(Hz).

[Jester (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> Thomas Rapp verwendet in seiner Schaltung halt einen
> Instrumentenverstärker, konkret den AD524 und der hat 7 nV/sqrt(Hz). Da
> ist ja mein INA128 mit 8 nV nicht wirklich weit weg.
>
> Dein vorgeschlagener OP27 ist aber kein Instrumentenverstärker.
>
> Der INA849 wäre aber ideal oder? Der hat nur 1 nV/sqrt(Hz).

Andersrum wird ein Schuh draus. Was bringt dir ein 
Instrumentenverstärker? Wieviel zig-€ willst du - oder besser, musst du 
- in den "Sub-nV-Verstärker" investieren?

Nochmal meine Frage: Hast du schon mal das zu erwartende Signal bzw. SNR 
nachgerechnet?

[Christoph E. (stoppi)]

>Nochmal meine Frage: Hast du schon mal das zu erwartende Signal bzw. SNR
>nachgerechnet?

Ich habe nur ungefähre Aussagen bzgl. des NMR-SIgnals entdecken können 
und da war von Signalen in der Höhe zwischen 0.5 und 2 µV die Rede. SNR 
habe ich nicht nachgerechnet, da ich ehrlich gestanden nicht weiß, wie 
ich das angehen sollte.

Ich würde das NMR-Signal versuchen, akkustisch wahrzunehmen, da unser 
Ohr sehr empfindlich ist und ein Signal noch recht gut aus dem Rauschen 
wahrnehmen kann.

Ich bin jetzt auf den INA217 gestoßen. Da würde ich 2 Stück von 
RS-Components um ca. 33 Euro inkl. Versand bekommen.

@ Jester: Würdest du mir jetzt von einem solchen low noise 
Instrumentenverstärker abraten oder sollte ich diesen kaufen?

[Jester (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> Ich habe nur ungefähre Aussagen bzgl. des NMR-SIgnals entdecken können
> und da war von Signalen in der Höhe zwischen 0.5 und 2 µV die Rede. SNR
> habe ich nicht nachgerechnet, da ich ehrlich gestanden nicht weiß, wie
> ich das angehen sollte.

Die Formeln hast Du doch, z.B. Gleichung (1) bzw. (3) im zitierten 
Ruhunusiri/Jayananda-Paper.

> @ Jester: Würdest du mir jetzt von einem solchen low noise
> Instrumentenverstärker abraten oder sollte ich diesen kaufen?

Der Vorteil eines Instrumentenverstärker liegt in den 2 HOCHOHMIGEN 
Eingängen sowie der hohen Gleichtaktunterdrückung. Beides brauchst du - 
je nach Schaltung - nicht.

Dafür hast du im Eingangsbereich ZWEI OPAmps, die beide zum Rauschen 
beitragen. Ebenso hast du beim IAmp wenig Einfluss auf den Wert der 
Widerstände R1, R2, die auch rauschen. Schon ein 62 Ohm-Widerstand 
haut mit 1nV/sqrt(Hz) rein!

Ob's drauf ankommt musst du rechnen. Wie man das rechnet und wo die 
Fallen sind, hatte ich dir in "PMI AN-14, Minimization of Noise in 
Operational Amplifier Applications" aufgezeigt.

PMI AN-14, S. R. Jefferts & F. L. Walls sowie V. Janásek hast du dir 
vermutlich noch nicht mal angeschaut - oder?

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Das ist jetzt nicht Deine Schaltung, aber als Grundlage zum Rauschen von 
Widerständen siehe:
http://www.elektronikinfo.de/strom/transistorrauschen.htm

[Bernd K. (bkohl)]

Hallo Christoph,
1. Wenn Deine beiden Teilspulen gleichermaßen mit dem NMR-Wasser in 
Kontakt sind, wirst Du garnichts detektieren. Eine sollte das Wasser 
detektieren und die andere deutlich entfernt sein. (quasi neben dem 
Wasser)
2. Die Signalstärke steigt mit der Zahl der Windungen, die Bandbreite 
sinkt aber entsprechend. Reizt Du das aus? Das könnte man ja mit einer 
kleinen Anregungsspule (anstatt Wasser) und einem Signalgenerator mal 
rausfinden.
Evtl. kann man einen alten Trafo dazu ausschlachten. (Ohne Trafoblech)

Viel Erfolg weiterhin, Bernd

[Christoph E. (stoppi)]

Damit ich vom Laptop unabhängig bin und ein wenig die Verzögerungszeiten 
abändern kann, habe ich noch ein Potentiometer auf der Lochrasterplatte 
installiert. Damit kann ich das verzögerte Zuschalten des Verstärkers 
zwischen 0 und 30 ms einstellen.

Bei RS-components habe ich zwei Stück INA217 zum wie ich finde günstigen 
Preis von rund 18 Euro inkl. Versand bestellt. Diese haben bei 1 kHz ein 
Rauschen von nur 1.3 nV/sqrt(Hz).

Link: https://at.rs-online.com/web/p/instrumentenverstarker/6604251

Die HT-Rohre mit 75 mm Durchmesser für die Spulen habe ich auch schon 
besorgt. Beim Wickeln ist mir dann aber mein Sohn behilflich. Alleine 
schaffe ich das nicht. Und einen langsam drehenden Akkuschrauber muss 
ich mir auch erst ausborgen.

Den Widerstand des 0.6mm Kupferlackdrahts habe ich zu 59 mOhm/m 
bestimmt. Wenn die Polarisationsspule 500 Windungen auf dem 80 mm Rohr 
besitzt, komme ich auf einen Widerstand von 7.4 Ohm. Das ergibt bei 
einer Spannungsversorgung mit 4 Stück 18650-Akkus eine Stromstärke von 
2.16 A. Das hört sich nicht so verkehrt an.

Die Sensorspulen werde ich aber mit 0.3mm CuL-Draht wickeln, den ich 
auch für dieses Projekt beorgt habe. Da sollen es 2 x 500 Windungen 
werden.

Für den Wasserbehälter werde ich mich in einer Apotheke umschauen oder 
ich verwende eine 0.5l-Fahrradtrinkflasche. Die würde nämlich auch genau 
passen...

[Philipp G. (geiserp)]

Respekt vor der Arbeit. Kannst Du mir in einfachen Worten erklären, was 
man jetzt dann genau macht damit?

[Christoph E. (stoppi)]

@philipp: Es geht mir nur um die hoffentlich erfolgreiche, möglichst 
einfache Umsetzung. Irgendeinen Nutzen hat das Experiment dann nicht, 
außer dass man den Protonen bei ihrer präzessionsbewegung zuhören kann. 
Denn die Frequenz dieser torkelnden ausgleichsbewegung liegt im 
Magnetfeld der Erde bei rund 2 kHz. Im Grunde erhoffe ich mir einen 
kurzen, abklingenden Ton zu hören. Also nicht gerade spektakulär aber 
für mich dennoch sehr erstrebenswert ;-)
Auf meiner Homepage findest du auch etwas zum physikalischen Hintergrund 
der NMR, möglichst nachvollziehbar beschrieben und illustriert: 
https://stoppi-homemade-physics.de/nmr-im-erdmagnetfeld/

[Dieter P. (low_pow)]

Es ist schön zu lesen, daß es Fortschritte gibt.Allerdings hätte
ich vorerst nicht weiter in Instrumentenverstärker investiert.
Mit vor Jahren erstellten Basteleien habe ich mal Versuche gemacht.
Bei einem einfachen selektiven Verstärker mit offenem Eingang
ist durch Rauschen die Kurve erkennbar.Signal-Zeitdauer ca 2 sec., FFT 
1024.
Der gleiche Verstärker mit Luftspule am Eingang.Als Signal habe ich 
einen
1850 Hz-Ton verwendet, eingekoppelt über eine 2. Luftspule.Vereinfacht 
gesagt,
als Signalquelle dient ein MP3-Player, der eine Datei abspielt.
Statt Kopfhörer sind dort Ersatzwiderstäde von 100 Ohm verwendet.Mit
einem Spannungteiler könnte man definiert abschwächen und direkt
auf die Schaltung gehen.Obs Probleme durch Störungen vom Player gibt,
oder Masseprobleme wird man probieren müssen.Die durch die Luftspule
aufgenommen Störungen sind deutlich sichtbar.
Nachdem das Thema ja schon seit mehr als 20 Jahren versucht wird, ist 
manches
davon nicht im Internet verfügbar.Was irgendwo ausdrücklich erwähnt 
wurde
war, den Eingang nicht in Resonanz zu betreiben.Sondern nur mit einem 
kleinen
Parallel-C, womit die Resonanzfrequenz höher als der Bereich des 
Bandflters liegt.

[Christoph E. (stoppi)]

@Dieter: Den instrumentenverstärker bringt eben die Schaltung von T. 
Rapp mit sich, die ja scheinbar gut funktioniert. Deshalb wollte ich da 
nicht unbedingt neue Pfade bestreiten, nachdem meine erste Schaltung 
scheinbar eh nicht funktioniert.
Wenn du den Schwingkreis auf eine höhere Frequenz abstimmt, dann wird 
wohl das NMR-Signal durch die geringere Resonanz zu wenig verstärkt. An 
sich halte ich es eh für problematisch, genau auf die Frequenz 
abzustimmen, die das zu erwartende Signal hat. Aber es wird so in den 
meisten Fällen praktiziert...

[Christoph E. (stoppi)]

So, die INA217 sind angekommen. Schließe ich den Verstärker an die 
Spule, so erkenne ich vom Rauschen her keinen Unterschied zwischen 
INA128 und INA217. Es rauscht gleich mit ca. 50 mV.

Schließe ich den Verstärker aber gegen GND, so erhalte ich ein deutlich 
reduziertes Rauschen mit dem neuen INA217. Waren es mit dem INA128 noch 
ca. 10 mV, so rauscht es mit dem INA217 nur noch 2 mV, also ca. Faktor 5 
weniger. Gemessen wurde nach dem Bandpass-Verstärker, also nach 
insgesamt rund 40 000-facher Verstärkung.

Ich habe mir gestern noch einen kleinen 3W Audioverstärker gekauft mit 
dem Chip PAM8406. Da erhalte ich logischerweise mit an den Verstärker 
angeschlossener Spule quasi einen Dauerton. Nur mit Verstärker an GND 
ist es schön still.

Jetzt werde ich einmal in der Verwandtschaft nach einem Akkuschrauber 
fragen, damit ich die Spulen mit moderater Geschwindigkeit wickeln kann. 
Mein Sohn hat sich schon bereiterklärt, mir zu helfen ;-)

[Bernd (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> Um solche externen Störungen zu kompensieren, verwenden viele zwei
> in
> Serie miteinander verbundene Sensorspulen mit entgegengesetztem
> Wickelsinn...

Christoph E. schrieb:
> Jetzt werde ich einmal in der Verwandtschaft nach einem Akkuschrauber
> fragen, damit ich die Spulen mit moderater Geschwindigkeit wickeln kann.
Zwei wirklich identische Spulen herzustellen, dürfte trotzdem nicht ganz 
so einfach werden.
Mit welchem Drahtdurchmesser wollt ihr wickeln?

[Christoph E. (stoppi)]

Für die Sensorspulen habe ich 0.3 mm kupferlackdraht und für die 
Polarisationsspule 0.6 mm vorgesehen. Hätte jetzt beides zuhause.
Naja, wenn sie auch nicht 100% identisch sind, dann subtrahiert sich 
halt das Störsignal um zum Beispiel nur 90%...

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Christoph E. schrieb:
> An sich halte ich es eh für problematisch, genau auf die Frequenz
> abzustimmen, die das zu erwartende Signal hat.

Das wird gemacht, damit der Signal-Noise-Abstand besser wird. Durch 
höherfrequentes Rauschen, wird auch im gewünschten Frequenzfenster der 
Rauschpegel höher. Amplitudenmodulierte Radiosignale könnten über 
Gleichrichtereffekte stören. Nur können Drosseln und Tiefpassfilter 
nicht vor die erste Verstärkerstufe eingeschleift werden, da diese auch 
selbst rauschen.

Es wäre um HF-Einstrahlungen stärker zu dämpfen vielleicht sinnvoll den 
Kondensator im Schwingkreis durch Parallelschaltung von normalen und 
HF-tauglichere Kondensatoren aufzubauen (470nF+10nF+1nF).

Als Exkurs sei angemerkt, es gab früher Synthesizer, die den Ton durch 
Filterung aus dem Rauschen extrahierten. Pink Floyd verwendete auch 
solche Synthesizer.

Christoph E. schrieb:
> Für die Sensorspulen habe ich 0.3 mm kupferlackdraht und für die
> Polarisationsspule 0.6 mm vorgesehen.

Das Rauschen nimmt mit dem Widerstand zu. Das gilt übrigens auch für den 
Spulendraht. Wenn bei gleicher Windungszahl der ohmsche Widerstand 
doppelt so gross ist, dann ist auch das Widerstandsrauschen entsprechend 
größer. Der Cu-Draht mit 0,3mm Durchmesser müßte rund 0,25 Ohm/m haben.

Um Testsignale zu erzeugen, solltest Du Dir so einen Testoszillator 
aufbauen:
https://de.m.wikipedia.org/wiki/Datei:Phasenschieberoszillator.svg
Wenn Du den miniaturisiert mit einer Knopfzelle aufbaust, dann reicht 
die Streustrahlung für Testmessungen bereits aus. Wenn das Signal noch 
zu groß sein sollte. dann wird das Teil in ein Blech-Döschen gesteckt. 
Du kannst damit auch die unterschiedliche Wirkung von Nahfeld und 
Fernfeld testen mit und ohne der Kompensationsspule.
Beitrag "Re: Nuclear magnetic resonance (NMR) im Erdmagnetfeld"

Allerdings geht das schief, wenn eine Helmholtz-Spulenpaaranordnung 
dabei entstehen sollte.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Anbei ein Beispiel einer möglichen Anordnung von Mess- und 
Kompensationsspule.

Wenn beide gegenphasig angeschlossen werden, dann heben sich die 
Störungen auf.

[Mokli (Gast)]

Ich finde diesen Thread einzigartig im Aufwand, der in schlechte 
Lösungen für längst gelöste Probleme investiert wird. Es gibt seit 
Ewigkeiten klassische und bewährte Schaltungen für NMR Spulen bei allen 
möglichen Feldstärken, aber nein, wir ignorieren das alles und müssen 
das Rad neu erfinden... Irre.

[Bernd (Gast)]

Mokli schrieb:
> Es gibt seit
> Ewigkeiten klassische und bewährte Schaltungen für NMR Spulen bei allen
> möglichen Feldstärken,
Das mag sein, aber ohne nachvollziehbare Quellenverweise ist dein 
Beitrag einfach nur Gemotze.

[Christoph E. (stoppi)]

In der Zwischenzeit habe ich einen gebrauchten Akkuschrauber gekauft, 
passende Plastikdosen mit 250ml Fassungsvermögen für Salben aus der 
Apotheke besorgt und mit meinem Sohn einmal die beiden Sensorspulen (2 x 
600 Windungen, 0.3 mm Draht) gewickelt.

Der Widerstand beträgt je ca. 37 Ohm und die Induktivitäten 32.1 mH bzw. 
35.1 mH. Leider weichen sie doch um ca. 10% voneinander ab. Mal schauen, 
ob sich dies negativ bemerkbar macht...

Darüber kommt dann noch ein HT-Rohr mit 110 mm Durchmesser für die 
Polarisationsspule. Für diese werde ich 300 Windungen mit dem 0.6er 
Draht aufbringen. Dies sollte dann einen Widerstand um die 7 Ohm 
ergeben. Bei einer Spannung von 16 V fließen dann 2.3 A, das sollte 
passen.

Ich stehe aktuell mit Thomas Rapp 
(https://www.rapp-instruments.de/Magnetics/ppm/ppm.htm) und Alexander 
Mumm (http://www.alexmumm.de/pgProtonMagnetometer_de.htm) in Kontakt. 
Beide haben mir schon sehr geholfen, worüber ich sehr dankbar bin.

Einen äußerst einfachen NMR-Aufbau von Alexander Mumm werde ich mit 
Sicherheit auch noch in Angriff nehmen.

[⚡Guido⚡ (guido_hat_euch_lieb)]

Ich fände es interessant, wenn solche und viele andere Projekte, ihre 
Daten dauerhaft live ins netz streamen würden mit Langzeitaufzeichnung, 
anstatt immer selber alles nachbauen zu müssen.
So hat der Erbauer auch mehr Motivation es weiter zu perfektionieren als 
wenn es jeder nur für sich macht

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Christoph E. schrieb:
> Der Widerstand beträgt je ca. 37 Ohm und die Induktivitäten 32.1 mH bzw.
> 35.1 mH.

Eine Verbesserung gäbe es noch gegen Querfelder. Dazu wird jede der 
Spulen in sich bifolar gewickelt. D.h. so gewickelt, dass die Zahl der 
Lagen gerade ist.

Wenn Du das Meßobjekt und die Polarisierungsspule noch einbringst, dann 
solltest Du noch mal messen. Erst dann macht es Sinn etwas versuchen 
anzugleichen, um die Kompensation zu maximieren.

[Jester (Gast)]

⚡Guido⚡ schrieb:
> Ich fände es interessant, wenn solche und viele andere Projekte, ihre
> Daten dauerhaft live ins netz streamen würden mit Langzeitaufzeichnung,
> anstatt immer selber alles nachbauen zu müssen.
> So hat der Erbauer auch mehr Motivation es weiter zu perfektionieren als
> wenn es jeder nur für sich macht

Das wird in diesem Fall nicht funktionieren.

Hättest Du Alexanders Seite auch nur überflogen, wüsstest Du warum.

O-Ton auf http://www.alexmumm.de/pgProtonMagnetometer_de.htm:
"Erst in Gegenden abseits bewohnter Gebiete lässt sich nochmals eine 
Reduktion der Fluktuationen beobachten. Die Entfernung zu Gebäuden 
beträgt hier ca. 3km, die zur nächsten Strasse ca. 1.5km."

Oder auf https://www.rapp-instruments.de/Magnetics/ppm/ppm.htm:
"Auch der Betrieb des Magnetometers ist nicht ganz einfach. In der 
Bastelstube sind meist zu viele Störfelder und Feldgradienten vorhanden 
die eine Messung vollkomen unmöglich machen. Da hilft nur Eines, raus in 
die Natur."

Im Geomagnetik-Observatorium der LMU München (in FFB) habe ich mal 
gesehen, welchen Aufwand man treiben muss, um (nahezu) ungestörte 
Magnet-Daten erfassen zu können. Deren Sensoren stehen in einer 
Messhütte, komplett aus Holz gebaut, ohne einen Nagel oder eine 
Schraube, mit wirklich SEHR VIEL PLATZ drum rum. 
(https://www.geophysik.uni-muenchen.de/en/observatory/geomagnetism)

Und nein: Als Normalsterblicher kommst da nicht rein.

Ansonsten, laut http://www.alexmumm.de/pgProtonMagnetometer_de.htm, gibt 
es da schon Möglichkeiten: "Die Technische Universität Braunschweig 
betreibt ein Magnetlabor mit Observatorium und stellt auf ihren 
Internetseiten auch die aktuellen Messdaten zur Verfügung [...]".

[⚡Guido⚡ (guido_hat_euch_lieb)]

Jepp, genau deshalb würde es halt Sinn machen, wenn es einer mit guten 
Vorraussetzungen machen kann. Da es viele solcher Messungen, schlicht 
keinen Sinn machen, wenn Sie jeder bei sich zuhause macht.
Das beginnt schon bei der Temperaturmessung

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Anbei noch andere Methoden:

Kernspinresonanz, Praktikum M, I. Physikalisches Institut, Universität 
zu Köln
15. Mai 2014
https://teaching.astro.uni-koeln.de/sites/default/files/praktikum_m/NMR_de.pdf
"wird die Magnetisierung um 90° gegen das Magnetfeld B0 gekippt, indem 
man einen 90°-Puls mit der Larmorfrequenz einstrahlt,"

Resonanzverfahren:
https://qnap.e3.physik.tu-dortmund.de/suter/Vorlesung/Magnetische_Resonanz_17/7_Experiment.pdf

Das bringt mich auf die Idee, dass der Impuls der abfallenden Flanke zur 
Resonanzanregung passen müßte. D.h. im Fouriespektrum Lamda/4....Lamda/2 
mit großer Amplitude enthalten sein müsste.


Hier wäre noch das Bild eines Abschirmzylinders:
https://www.researchgate.net/figure/Fotos-zum-Abschirmzylinder-den-beiden-Spulen-und-zur-Wasserprobe-O-Happel-2019_fig2_332105734

Aufbau eines Versuches zur gepulsten und cw-NMR Spektroskopie für das 
Fortgeschrittenen Praktikum, Bachelorarbeit
https://www.ep1.ruhr-uni-bochum.de/poltarg/ptdata/theses/WiescheDavid09BA.pdf
Hier mal die Kapitel 90° und 180° Impuls lesen.


http://schwalbe.org.chemie.uni-frankfurt.de/sites/default/files/oc1p/NMR_Vortrag.pdf
Früher: konstantes Magnetfeld; Frequenz wird verändert, bis
Resonanzbedingung erfüllt ist. (continous wave) • Ein Signal für jedes 
Proton bzw. jede Gruppierung von Protonen.
• Heute: Mit einem elektromagnetischen Impuls von sehr kurzer Dauer (ca.
10μs) werden alle Frequenzen zur gleichen Zeit angeregt.

(Um genügend Atome in den höheren Spinzustand zu versetzen)

[Helge (Gast)]

Nur aus Interesse -
Wie würde sich das Signal verändern, wenn die erste Stufe eine 
x10-Verstärkung ist, vor dem INA? Bei der Auswertung von DMS war das 
(damals) auch immer nervig mit dem Rauschen. Gegenkopplung anpassen auf 
Innenwiderstand der Spulen.

[Christoph E. (stoppi)]

Ich bin ja bzgl. dieses Projekts 3-gleisig unterwegs. Eine Schaltung 
beruht auf einem Youtube-Video, die zweite ist an jene von Thomas Rapp 
angelehnt und die dritte stammt von Alexander Mumm. Vielen, vielen Dank 
dafür. Er hat eine super simple Version des Protonenmagnetometers 
umgesetzt. Hier das Youtube-Video dazu: 
https://www.youtube.com/watch?v=d62A4Xscb5s

Damit das ganze hier etwas übersichtlicher wird nun die 3 Schaltungen 
getrennt voneinander.

1.) Den Anfang macht die Schaltung nach dem Youtube-Video. Dieser habe 
ich den "Entladungsteil" von Alexander Mumm spendiert. Darin arbeitet 
ein IRLR120N als 100V-Zenerdiode. Der mechanische Schalter besitzt eine 
Mittelstellung. Genau während sich der Schalter beim Umschalten kurze 
Zeit in dieser Mittelstellung befindet, entlädt sich die Spule. Erst 
dann wird mit etwas Fingerspitzengefühl die Spule an den Verstärker 
angeschlossen.

[Christoph E. (stoppi)]

2.) Die zweite Schaltung ist an jene von Thomas Rapp angelehnt. Sie 
arbeitet mit Relais und einem Arduino. Die beiden Sensorspulen haben in 
Kombination eine Induktivität von 52.1 mH. Daher muss der 
Schwingkreiskondensator für 1965 Hz eine Kapazität von 126 nF besitzen. 
Die Frequenz des Schwingkreises habe ich angeregt durch einen 
Funktionsgenerator überprüft. Sie passt eigentlich perfekt...

[Christoph E. (stoppi)]

3.) Schaltung nach Alexander Mumm: Für die beiden Spulen verwende ich 
75mm HT-Rohre. Die fehlenden Teile habe ich dieser Tage bei Reichelt 
bestellt. Jetzt muss ich nur noch meinen Sohn abermals dazu überreden, 
mir beim Wickeln der beiden Spulen behilflich zu sein...

[Jester (Gast)]

Christoph E. schrieb:
> 3.) Schaltung nach Alexander Mumm: Für die beiden Spulen verwende
> ich
> 75mm HT-Rohre. Die fehlenden Teile habe ich dieser Tage bei Reichelt
> bestellt. Jetzt muss ich nur noch meinen Sohn abermals dazu überreden,
> mir beim Wickeln der beiden Spulen behilflich zu sein...

Du solltest extrem darauf achten, dass die beiden Spulen exakt gleich 
werden. Das geht praktisch nur, wenn man den Draht Windung an Windung 
legt. Da brauchst du eine stabile Wickelvorrichtung und ein Fußpedal. 
Sohnemann, der auf Kommando "Gas gibt", ist nicht die Methode der Wahl. 
Und Kraut-und-Rüben-Wickeltechnik führt da sicher nicht zum Ziel!

Der Instrumentier-Verstärker hat eine extrem gute CMRR - was sich aber 
nur ausnutzen lässt, wenn die Spulen eben genau gleich ausfallen. U.U. 
fährt man hier besser, wenn man einen "CMRR-Abgleich" einfügt (ev. auch 
AC) - um kleinste Abweichungen zu kompensieren.

Elektrische Felder lassen sich relativ leicht abschirmen - so man 
will...

Leider stocherst du immer noch im Nebel, mehr oder weniger. Oder wieso 
hast du gleich 3 verschiedene (!) Schaltungen aufgebaut - und nicht das 
jeweils Erreichte stufenweise verbessert?

[Bernd K. (bkohl)]

Hallo Christoph,
ein inhomogenes Erdmagnetfeld führt zur drastisch kurzen Abklingen. 
https://www.teachspin.com/earths-field-nmr-coils
dort nutzen sie ein Gradientenfeld zum tunen, bis der Abklang möglichst 
lang ist. Will sagen, dass die Störungsreduzierung das Eine ist, ein 
Homogenes Feld das Andere, was den Erfolg verhindern kann. Ein Blackout 
würde zumindest die Störungen beseitigen :-)
Gruss, Bernd

[Christoph E. (stoppi)]

So, hier ging es inzwischen auch ein wenig weiter. Ich konnte gestern 
dank der tollen Mithilfe meiner Tochter die beiden Spulen für den 
Detektor nach A. Mumm wickeln. Es wurden insgesamt jeweils 4 Lagen mit 
0.6er Kupferlackdraht auf einem 75mm HT-Rohr auf 8 cm Länge. Die Anzahl 
der Windungen dürfte daher bei rund 500 liegen.

Obwohl wir uns beide eine große Mühe gegeben haben, sind beide Spulen 
nicht zu 100% ident. Vorallem durch die mehreren Lagen wird es nahezu 
unmöglich, eine fehlerfreie Spule zu wickeln. Die gemessenen 
Induktivitäten unterscheiden sich daher ein wenig voneinander, 11.64 mH 
zu 12.27 mH. Das gemessene Magnetfeld ist jedoch nahezu ident (siehe 
angefügte Tabelle).
Ich komme bei beiden Spulen auf 0.68 mT/V. Da die Polarisationsspulen 
eine Flussdichte von ca. 10 mT erzeugen sollen und ich beide Spulen in 
Serie betreibe, komme ich natürlich mit 16V nicht wirklich auf diesen 
Wert. Bei 16V wären es nämlich nur 16/2 * 0.68 = 5.44 mT. Deshalb werde 
ich 6 Stück Liion-Zellen in Serie schalten. Bei 24V beträgt dann die 
Flussdichte jeder einzelnen Spule immerhin 8.16 mT. Ich hoffe das 
reicht. Alexander Mumm hat bei seinem Aufbau nur eine 12V Batterie 
verwendet bei ebenfalls je 500 Windungen pro Spule.

Jetzt stehen somit erste Messungen in der Natur an in der Hoffnung, das 
kurze "Ping" hören zu können...

[Christoph E. (stoppi)]

Zur Bestimmung der Gesamtinduktivität der beiden Spulen müssen diese so 
wie später beim Experiment angeordnet werden. Ich erhalte eine 
Gesamtinduktivität von 25.8 mH.
Die Lamorfrequenz beträgt bei mir in Graz (47° nördliche Breite, B = 
46.2 µT) rund 1964 Hz.
Mit der Thomsonschen Schwingkreisformel und L = 25.8 mH ergibt sich für 
die Kondensator im Schwingkreis eine Kapazität von 255 nF. Diesen habe 
ich durch Parallelschaltung mehrerer Einzelkondensatoren erhalten.

Um dann die Resonanzfrequenz experimentell zu überprüfen, bedient man 
sich ganz einfach der Rückkopplung. Man legt den Lautsprecher in die 
Nähe des Verstärkereingangs. Dann sollte ein Ton zu hören sein. Dessen 
Frequenz bestimmt man mit einer Spektrum-Analyzer-App. Ich erhalte 1960 
Hz. Dies sollte eigentlich passen.

So, jetzt kann der erste Test in freier Natur erfolgen. Wenn ich diesen 
gemacht habe, berichte ich hier davon...

[Purzel H. (hacky)]

Als jemand vom Fach ..
Die Spule muss natuerlich in Resonanz sein, sonst bekommt man auch keine 
Verstaerkung. Die Verstaerkung kommt mit Wurzel Q
Es gibt 2 Experimente. Ein Pulsexperiment, und ein CW Experiment

Beiden gemeinsam ist :
Das statische Feld muss hinreichend homogen sein, sonst verschwindet das 
Signal zu schnell, fuer NMR in der Gegend von 10^-6, aeh ppm ueber das 
Probenvolumen.
Die Spule muss senkrecht zum Magnetfeld sein.
Fuer ein Signal der Kerne muss das Magnetfeld und die Spinfrequenz 
uebereinstimmen, das gyromagnetische Verhaeltnis ist durch das Material 
vorgegeben. Fuer Protonen, zB Wasser liegt das bei ca 42MHz pro Tesla.

Fuer ein CW Spektrum kann man nun Frequenz oder Feld drueber fahren. Da 
die Zerfallszeit der Spins 1sekunde sein kann, genuegt 1Hz Bandbreite, 
das sollte noch unter die Resonanzspule passen. Die Modulatiosnfrequenz 
... ein Stueck langsamer.

Bei CW verwendet man Modulationsspulen, welchen zusammen mit einem 
Lock-in den S/N verbessern. Das Modulationsfeld ist in der selben Achse 
wie das Hauptfeld, und sollte weniger wie 1/10 der Linienbreite sein.

Bei Puls hat die Spule eine kleinere Guete, dafuer misst man den Zerfall 
eines Pulses. Wobei der Resonator schneller zerfallen muss wie die 
Spins.
Fuer einen besseren S/N kann man auch mit Echos arbeiten, dann ist der 
Resonator aus dem signal weg. Man schaut, dass das Echo etwas nach dem 
Zerfall des Resonators kommt. Denn das Echo ist sehr viel schwaecher wie 
der Anregunsgpuls, Und der Resonator muss unter das Signal der Kerne 
abgesunken sein. Aber immer noch schneller wie die Zerfallszeit der 
Kerne

Aeh .. dann gibt es noch den Fuellfaktor, das Verhaeltnis des 
Probenvoluens zum Resonatorvolumen. Fuer ein gutes signal sollte der 
moeglichst hoch sein. Also moeglichst eng um das Sample gewickelt. Der 
Grund, das tote Volumen wird auch durchflossen und saugt so Signal ab. 
Wenn das Sample ein 4mm Roehrchen ist, hat die Spule 6mm Durchmesser.

Hoffe geholfen zu haben