วันนี้ผมจะขอเสนอการทำขดลวดสำหรับใส่หลอดสารตัวอย่าง ขดลวดที่ว่านี้บางทีเขาก็นิยมเรียกว่า RF coil บ้าง หรือ Sample coil บ้าง....เอาเป็นว่าใครชอบชื่อไหนก็เรียกได้ตามใจครับ
ขดลวดนี้จะทำหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็ก B1 ซึ่งจะได้มาจากการจ่ายสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับที่มีความถี่ (f) ให้กับขดลวด (ในที่นี้ผมใช้ f=10.64 MHz ซึ่งเท่ากับความถี่ลาร์มอร์ที่สนามแม่เหล็ก B0=0.25T) และแน่นอนครับว่าเรากำลังทำงานอยู่กับสัญญาณคลื่นกระแสสลับที่มีค่าความถี่ เพื่อที่จะให้ขดลวดนี้สามารถส่งผ่านและรับสัญญาณได้ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ณ ความถี่ที่ใช้ เราจะต้องมีการปรับจูน (tuning) ขดลวดให้ตรงกับเงื่อนไขการเรโซแนนซ์ (resonance) และแมทซ์อิมพีแดนซ์ (impedance matching) ด้วย
การจูนขดลวดและแมทซ์อิมพีแดนซ์ ทำได้หลายแบบ และก็มีหลากหลายวงจรที่ซับซ้อนและถูกนำมาเสนอ ตีพิมพ์ในงานวิจัย แต่ในที่นี้ผมจะนำเสนอการจูนและแมทซ์อิมพีแดนซ์โดยใช้วงจรขั้นพื้นฐานที่สุด โดยใช้วงจร LC ที่เราได้ร่ำเรียนกันมาตั้งแต่สมัยมัธยมปลายนั่นแหละครับ
รูปที่ 1: วงจร RF coil
สมมติว่าผมมีขดลวดสำหรับใส่สารตัวอย่าง (sample coil นั่นและครับ) ซึ่งมันก็มีค่าความหนี่ยวนำ (L) ของมันค่าหนึ่ง เพื่อจะปรับจูนให้เป็นไปตามเงื่อนไข resonance ณ ความถี่ที่ใช้ ก็สามารถทำได้โดยการใช้ตัวเก็บประจุที่มีค่าความจุ (C) ค่าหนึ่ง ผมจะเรียกว่า Ct แล้วกัน (ดูรูปที่ 1) จากสมการจะเห็นว่าการ resonance ที่ความถี่ (f) ค่าหนึ่ง จะต้องใช้ค่า Ct และ L ที่สอดคล้องและเป็นไปตามสามการด้วย ซึ่งในการออกแบบขดลวดก็ต้องคำนึงถึงค่า L ที่จะได้ด้วย ตลอดจนตัวเก็บประจุที่มีอยู่ด้วย ซึ่งบางครั้งถ้าเราทำขดลวดแบบสุ่มสี่สุ่มห้าไปปรากฏว่าได้ค่า L ค่านึง แล้วพอลองไปคำนวณค่าตัวเก็บประจุที่ต้องใช้ก็ปรากฎว่าได้ Ct เยอะมาก ซึ่งหายากหรือไม่มีเลย เป็นต้น
นอกจากนั้น แมทซ์อิมพีแดนซ์ของระบบก็สำคัญ ซึ่งจะทำให้การส่งผ่านสัญญาณเป็นไปได้ด้วยดี โดยไม่มี(หรือมีแต่มีน้อย)การสะท้อนกลับของสัญญาณ นั่นหมายความว่าอิมพีแดนซ์ของแหล่งกำเนิด (source) และอิมพีแดนซ์ของตัวรับ (load) ต้องเท่ากัน....พูดอย่างนี้อาจจะ งง!
- source ในที่นี้ผมหมายถึง อุปกรณ์ที่จะส่งสัญญาณเข้ามา (input) เช่น power amplifier
- load ในที่นี้ผมหมายถึง วงจร L-Ct นั่นแหละครับ
ในระบบ NMR ส่วนมากแล้ว อิมพีแดนซ์ของระบบหรืออุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ มักจะถูกออกแบบมาให้อยู่ที่ 50 Ω ครับ ซึ่งค่าอิมพีแดนซ์ก็จะขึ้นอยู่กับความถี่ที่ใช้ด้วย ดังนั้นเพื่อจะปรับให้ค่าอิมพีแดนซ์เป็น 50 Ω ณ ค่าความถี่ที่ใช้ เราจึงมักใช้ตัวเก็บประจุอีกตัวหนึ่ง ผมจะเรียกว่า Cm แล้วกัน (ดูรูปที่ 1) นำมาต่อดังรูปครับ
คราวนี้มาพูดถึงส่วนที่ผมกำลังจะทำ...สิ่งที่เป็นข้อจำกัดของผมคือ ผมมีหลอดทดลอง (test tube) สำหรับใส่สารตัวอย่าง ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 mm ดังนั้นขดลวดที่ผมจะทำต้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า 5 mm แน่ๆ จึงจะสามารถใส่เจ้าหลอดนี้เข้าไปได้
รูปที่ 2: หลอดทดลองขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 mm พร้อมจุกปิด
ในที่นี้ผมใช้ลวดทองแดงที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 mm พันชิดกัน 29 รอบ ซึ่งผมก็ใช้ไขควงที่ผมมีอยู่ในห้องแลปเป็นตัวช่วยในการพันให้มันสวยๆ นิดนึง หลังพันเสร็จเรียบร้อยผมก็ถอดมันออกจากไขควงแล้ววัดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของขดลวดได้ประมาณ 7 mm (perfect! หลอดทดลองสามารถถูกใส่เข้าไปได้) ตอนนั้นผมก็คิดในใจว่าเจ้าไขควงนี้ช่างเหมาะและวิเศษเหลือเกิน ราวกับว่ามันถูกออกแบบมาให้ผมใช้มันทำขดลวดที่ผมต้องการตั้งแต่แรกแล้ว ฮ่าๆๆๆ 😆
รูปที่ 3: วิธีการพัน sample coil แบบง่ายๆ
หลังจากนั้นเราก็ควรจะคำนวณค่าความเหนี่ยวนำ L ของขดลวดซะ หรือไม่ก็เอาไปวัดโดยใช้เครื่องมือวัด (ในแลปผมมีเครื่องวัดค่า L นะแต่ผมก็ไม่ได้ใช้มันอยู่ดี) เมื่อรู้ค่า L ก็นำไปคำนวณหาค่าตัวเก็บประจุ Ct ที่ต้องใช้....ตรงนี้ผมว่าเสียเวลาเปล่า..เพราะว่าการคำนวณยังไงมันก็ให้ค่าที่เป็นค่าทฤษฎีซึ่งก็ยังไม่ถูกต้องจริงๆ ซะทีเดียว
เนื่องจากที่แลปผมมีเครื่อง RF network analyzer (รุ่น HP 8712ET, 300 kHz – 1300 MHz, จาก Hewlett Packard) ผมก็ใช้มันในการหาตัว Ct และ Cm ที่เหมาะสมซะเลย
รูปที่ 4: เครื่อง RF network analyzer (HP 8712ET, 300 kHz – 1300 MHz)
วิธีการคือ ผมก็ต่อวงจรเหมือนรูปที่ 1 จากนั้นทำปลายด้าน input ต่อเข้ากับเครื่อง RF network analyzer จากนั้นก็วัดการสะท้อนของคลื่นในความถี่ต่างๆ (เครื่องนี้จะส่งคลื่นความถี่หลายๆ ค่า ออกมาเอง) ผมก็พยายามหาตัวเก็บประจุ Ct และ Cm มาเปลี่ยน อาจจะเอาตัวที่เก็บประจุที่เป็นค่าคงที่มาลองใส่ไว้ซักตัวนึงก่อน และค่อยๆ ปรับจนได้ เงื่อนไข resonance และ matching (50 Ω) ณ ความถี่ที่ผมจะใช้ (10.64 MHz) พอได้ตามเงื่อนไขที่ต้องการ ลักษณะของสัญญาณการสะท้อนจะเป็นเหมือนรูปที่ 5
รูปที่ 5 ด้านบน แกนตั้งเป็น dB (ก็จะบอกถึงความสามารถในการสะท้อนได้มากเท่าไร ณ ความถี่ต่างๆ) แกนนอนแสดงถึงค่าความถี่ ซึ่งในที่นี้ผมเริ่มสแกนตั้งแต่ 10 MHz ไปจนถึง 12 MHz
รูปที่ 5: ภาพบนจอของเครื่อง RF network analyzer
ตามทฤษฎีแล้ว (1) การปรับเปลี่ยนค่า Ct จะทำให้พีค(หลุมลึก) เลื่อนซ้าย-ขวา นั่นคือความถี่ที่ตรงกับเงื่อนไข resonance ณ ค่า Ct ตอนนั้นจะเป็นความถี่ ณ ตำแหน่งหลุมลึก (แกนนนอน) (2) การปรับเปลี่ยนค่า Cm จะทำให้ความลึกของหลุมสูงขึ้นและต่ำลง นั่นบอกถึงความสามารถในการสะท้อน ณ ค่าความถี่นั้นๆ อย่างไรก็ตาม มันไม่มีอะไร perfect ไปตามทฤษฎีหรอกครับ ในความเป็นจริงแล้วการปรับ Ct ก็จะส่งผมต่อ Cm ด้วยเช่นกัน เพราะฉะนั้นให้ปรับค่าตัวเก็บประจุทั้งสองให้เหมาะสมที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้แล้วกันนะครับ
รูปที่ 5 แสดงการปรับค่าความจุของ Ct และ Cm ที่ผมคิดว่าเหมาะสมที่สุดแล้ว (มั้ง) จะเห็นว่า marker 1 ชี้ ณ ตำแหน่งหลุมซึ่งตรงกับค่าความถี่ 10.644 MHz ตามที่ผมต้องการ (ช่าง perfect อะไรเช่นนี้) นอกจากนี้ ที่ตำแหน่งดังกล่าวอิมพีแดนซ์ของระบบยังมีค่าเท่ากับ 49.91 Ω (ใกล้เคียง 50 Ω เลยหล่ะ....ใช้ได้เลยทีเดียว) ดังจะเห็นได้จากในรูปที่ 5 (รูปล่าง) ซึ่งเป็นรูป Smith chart
เอาล่ะ คราวนี้ผมจะมาเฉลยให้ดูว่าตัวเก็บประจุที่ผมใส่เข้าไปในวงจรนั้นมีอะไรบ้าง ตามรูปที่ 6 เลยครับ
- ในส่วนของ Ct ผมใส่ตัวเก็บประจุค่าคงที่ (fixed capacitor)150 pF เข้าไป 1 ตัว และ ตัวเก็บประจุปรับค่าได้ (variable capacitor) 30pF อีก 1 ตัว ซึ่งตัวนี้ก็จะเป็นตัวเอาไว้ปรับ(บวกเพิ่ม ) Ct แบบละเอียดๆ หน่อย
- ในส่วนของ Cm ผมใส่ตัวเก็บประจุค่าคงที่ 30 pF = 1 ตัว และ ตัวเก็บประจุปรับค่าได้ 30pF อีก 1 ตัว ซึ่งก็จะเป็นตัวเอาไว้ปรับ (บวกเพิ่ม ) Cm แบบละเอียดๆ อีกทีนึง
รูปที่ 6: วงจร RF coil ที่ถูกออกแบบ
ผมจะบอกความลับอย่างหนึ่งให้ฟัง!!
เนื่องจากอุปกรณ์ชิ้นส่วนทั้งหมดที่อยู่ในรูปที่ 6 มันจะถูกนำไปวางไว้ ณ บริเวณของสนามแม่เหล็กหลัก (B0 = 0.25 Tesla) ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้ไม่ควรจะเป็นวัสดุที่ทำมาจากวัสดุจำพวกที่เป็นสื่อแม่เหล็ก เอาภาษาชาวบ้าน คือ อย่าเป็นวัสดุที่ดูดกับแม่เหล็กได้ เพราะจะทำให้เกิดการรบกวนค่าสนามแม่เหล็ก B0 ดังกล่าว ซึ่งมีผลต่อสัญญาณ NMR อย่างมาก (ซึ่งผมได้อธิบายไว้แล้วในส่วนของทฤษฎี NMR) เพราะฉะนั้นในวงจรนี้ตัวเก็บประจุปรับค่าได้ทั้งสองตัวนั้นผมใช้เป็น non-magnet capacitor จาก Johanson manufacturing ดังรูปที่ 7 ซึ่งสั่งมาทาง online shopping ซึ่งมันมีราคาแพงมาก ตัวละเกือบ 1,000 บาท....ถ้าถามว่าผมซื้อเองมั้ย..ตอบเลยว่ายืมพี่ที่แลปมาครับ 😊 การปรับค่าความจุของมันก็ทำได้ง่ายมาก แค่หาไขควงพลาสติกหรือไม้ แบนๆ มาหมุนเกลียวนั้น
รูปที่ 7: ตัวเก็บประจุปรับค่าได้
และรูปที่ 8 ก็คือวงจรในรูปที่ 6 ที่ผมได้ประกอบเสร็จแล้ว ในที่นี้ผมใช้สาย coax (RG-58/U) ซึ่งมีค่าอิมพีแดนซ์เป็น 50 Ω (ใช้สายยาวประมาณ 1 เมตร) มาต่อเข้ากับวงจร อีกด้านหนึ่งก็ใส่หัว BNC (ดูรูปที่ 4) ไว้สำหรับต่อเข้ากับ T/R switch และนอกจากนี้จะเห็นว่าอุปกรณ์ทุกอย่างถูกรวมไว้ในกล่องทองแดง ซึ่งทำมาจากแผ่น PCB (ชนิดที่มีทองแดงสองด้าน) ที่เรามักนำมาทำแผ่นวงจรนั่นแหละครับ การทำกล่องใส่ลักษณะนี้มีข้อดีคือ มันสามารถป้องกันสัญญาณรบกวนได้ ซึ่งจะทำให้ตรวจหาสัญญาณ NMR ได้ง่ายขึ้นครับ
รูปที่ 8: วงจร RF coil ที่ประกอบเสร็จแล้ว
รูปที่ 9 คือ กล่อง RF coil ที่ปิดฝาครบทุกด้าน พร้อมที่จะนำไปวางไว้ระหว่างขั้วแม่เหล็กแล้ว
รูปที่ 9: ปิดฝากล่องเรียบร้อย
รูปที่ 10 คือ ชุดสร้างสนามแม่เหล็ก โดยมีขดลวด 2 ขด แล้วจ่ายไฟกระแสตรงให้กับขดลวด ในที่นี้ผมใช้กระแสประมาณ 4 แอมแปร์ ซึ่งจะได้ค่าสนามแม่เหล็กประมาณ 0.25 Tesla
รูปที่ 10: ขดลวดที่ใช้สร้างสนามแม่เหล็ก B0
รูปที่ 11 แสดงกล่อง RF coil ที่วางไว้ระหว่างขั้วแม่เหล็ก โดยมีสายโคแอกซ์เชื่อมต่อระหว่าง RF coil กับ T/R switch โดยคราวนี้ผมจะมาสอนทำT/R switch นะครับ
รูปที่ 11: วางกล่อง sample coil ระหว่างขั้วแม่เหล็ก
Comments
Post a Comment