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OBSERVATORIO NACIONAL
MINISTERIO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE POS-GRADUAÇÃO EM GEOFISICA
Estudos para o Desenvolvimento de um Magnetômetro
de Ressonância: Do Magnetômetro de Precessão
Nuclear de Prótons ao Magnetômetro Overhauser
ANDRÉ WIERMANN
Orientador:
DR. LUIZ C. C. BENYOSEF
Rio de Janeiro
Abril de 2010
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Estudos para o Desenvolvimento de um Magnetômetro
de Ressonância: Do Magnetômetro de Precessão
Nuclear de Prótons ao Magnetômetro Overhauser
ANDRÉ WIERMANN
Orientador:
DR. LUIZ C. C. BENYOSEF
Dissertação submetida ao corpo docente do
programa de pós-graduação em Geofísica do
Observatório Nacional como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do título de Doutor
em Ciências em Geofísica.
Rio de Janeiro
Abril de 2010
ii
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À minha esposa, Elisa, que esteve ao meu lado
durante todo este tempo me apoiando e
suportando com mais paciência do que às vezes
deveria as agruras e inconveniências oriundas da
convivência com um estudante de meia-idade.
iii
Agradecimentos
Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao meu orientador, Dr. Luiz Benyosef, que
sempre forneceu todo o apoio pessoal e técnico que esteve ao seu alcance. Foi um grande
prazer tê-lo como orientador em meu mestrado e tem sido igualmente gratificante ter sua
participação nesta nova etapa de minha formação profissional.
Um grande agradecimento à todo o pessoal da pós graduação do ON, pelo suporte e
incentivo durante todo este curso. Em especial ao seu coordenador, Andrés Papa que tem
lutado pelo contínuo aprimoramento de nossa instituição e que me acompanhou de perto,
sobretudo nos momentos finais deste trabalho.
À Dra. Elena Tude e a sua assistente técnica, Amanda Tosi do laboratório de química do
Grupo de Biomateriais do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) do Rio de Janeiro.
Sua assistência (e enorme boa vontade) no preparo das amostras de substâncias químicas
exóticas que utilizei foi fundamental .
Ao Dr. Guilherme Garcia do INMETRO-RJ, pelo seu generoso apoio laboratorial na
realização de alguns dos testes iniciais da plataforma de testes de meu mestrado.
Um agradecimento especial para o técnico José Roberto Lopes, do LDSM. Sua
participação construindo integralmente as sondas de ressonância foi inestimável.
Ao técnico do grupo de geomagnetismo, Ronaldo de Carvalho por suas informações
referentes ao uso prático dos instrumentos de ressonância do Observatório.
Ao Márcio Tavares do Observatório de Vassouras, por seu apoio e paciência durante a
realização dos trabalhos de campo.
iv
Resumo
As características elétricas e construtivas dos circuitos e dos materiais envolvidos na
construção do magnetômetro de ressonância pelo efeito Overhauser foram estudadas. Para
esta finalidade, foi utilizada uma plataforma de testes baseada em um magnetômetro por
precessão de prótons de circuito aberto. Um aparato instrumental foi montado, visando
capacitar o laboratório de desenvolvimento de sensores magnéticos do Observatório Nacional
(LDSM) para futuros trabalhos com magnetometria de ressonância.
Medições com magnetômetros de ressonância no território brasileiro enfrentam
limitações devido às baixas intensidades do campo geomagnético produzidas pela Anomalia
Magnética do Atlântico Sul (SAMA) e pelo Equador Magnético, ao norte do país. Dessa
forma torna-se bastante conveniente a existência de um laboratório de testes e
desenvolvimento de magnetômetros utilizando princípios de ressonância magnética, visando a
construção de instrumentos melhor adaptados às nossas necessidades, colocando o país em
uma condição inédita em todo o hemisfério sul.
De uma forma preliminar, um outro dispositivo de ressonância magnética com potencial
para o desenvolvimento de instrumentos mais eficientes foi sugerido, o que poderá abrir o
campo para futuros estudos de magnetometria por ressonância no LDSM.
v
Abstract
vi
Lista de Figuras
Figura 1.1 - Representação da precessão magnética do próton
Figura 1.2 - Diagrama em blocos da plataforma de testes desenvolvida para o estudo dos
magnetômetros PPM e Overhauser.
Figura 1.3 - Aspecto de um sinal padrão de teste.
Figura 1.4 - Após uma etapa de filtragem, o sinal ressurge amplificado e com uma relação
sinal ruído adequada a determinação de sua frequência.
Figura 1.5 - Ao final do tratamento com filtros e detetor de cruzamento por zero, o sinal se
apresenta apto a contagem digital.
Figura 1.6 - Bancada de teste com o protótipo construído no trabalho de desenvolvimento do
PPM e utilizado na investigação do Overhauser.
Figura 1.7 - Diagrama de tempos para o método da contagem relativa utilizada no protótipo
desenvolvido.
Figura 1.8 - Protótipo em teste efetuando a medição de um sinal padrão de 1,000 kHz. com
resolução de 1 x 10
-4
Hz.
Figura 1.9 - Captura de sinal com sistema de aquisição de dados em modo PPM.
Figura 1.10 - Trecho do sinal de teste após captura e digitalização para análise.
Figura 1.11 - Análise espectral do sinal do magnetômetro em 901,000 Hz (xxxx nT).
Figura 1.12 - Conjunto de sucessivas leituras obtidas em teste de laboratório com campo
induzido por uma bobina de Helmholtz. A leituras apresentam variações em torno
do valor alvo (1000 Hz).
Figura 1.13 - Após a ordenação das medidas pode-se identificar uma região central sobre o
valor alvo (presumidamente a esperança da medida) e duas regiões externas onde
residem os valores espúrios (outliers).
vii
Figura 1.14 - Conjuntos ordenados de medidas reais e simulações (50 grupos de cada) do
valor induzido de 1000 Hz, contendo espúrios e ruído aproximadamente
gaussiano com relação S/N de 20dB nos dados reais, após a filtragem.
Figura 1.15 - Histogramas para análise da convergência dos resultados obtidos com a
combinação entre média e mediana sobre 100 conjuntos de dados mistos, reais e
sintéticos.
Figura 2.1 - Sistema para determinação de ruído próprio de magnetômetros fluxgate. Teste
efetuado em cada eixo separadamente.
Figura 2.2 - Sistema para determinação da resposta em frequência de magnetômetros fluxgate.
Figura 2.3 - Fluxgate de circuito aberto. Com este arranjo, diferentes topologias de construção
de magnetômetros e diferentes materiais magnéticos podem ser estudados.
Figura 2.4 - Sistema para calibração e testes de magnetômetros fluxgate triaxiais. As medições
são correlacionadas no tempo e comparadas com um magnetômetro absoluto
(próton ou Overhauser).
Figura 2.5 - Sistema para Ensaios de Magnetometria por Ressonância Magnética Nuclear.
Figura 2.6 - Diagrama molecular do radical tempone perdeuteriado 15N e seus níveis de
energia.
Figura 2.7 - Amostras preparadas para teste, envasadas em seus frascos Eppendorf.
Figura 2.8 - Montagem preliminar para identificação da ressonância eletrônica dos radicais
tempone e carboxy-tempo.
Figura 2.9 - Arranjo de teste para verificação do efeito Overhauser.
Figura 2.10 - Arranjo ortogonal das bobinas para as sondas: Bobina detectora - em torno do
produto (vertical); Bobina de RF - Helmholtz 1D (horizontal).
Figura 2.11 - Diagrama de excitação em regime pulsado do sensor. Os diodos atuam como
chaves para a passagem da radiofrequência, combinados com a transformação de
impedância das linhas coaxiais.
viii
Figura 2.12 - circuito de radiofrequência para excitação e detecção do sinal de ressonância
utilizado para efetuar os testes preliminares dos radicais carboxy-tempo e
tempone.
Figura 2.13 - Circuito temporizador e amplificador de áudio utilizado para a operação dos
testes das amostras em modo Overhauser.
Figura 2.14 - Foto do circuito de temporizador de RF durante os testes no Observatório de
Vassouras.
Figura 2.15 - Detalhe da sonda utilizada para a medição da frequência de ressonância do
tempone perdeuteriado.
Figura 2.16 - Sondas construídas neste trabalho. À esquerda, a sonda utilizada para determinar
a ressonância do tempone perdeuteriado.
Figura 2.17 - Amostras e sonda para determinação da frequência de ressonância eletrônica.
Figura 2.18 - Amostras e sonda para efeito Overhauser.
Figura 2.19 - Quiosque onde foi montado o conjunto sensor - Observatório de Vassouras.
Figura 2.20 - Bancada de testes para os ensaios de campo.
Figura 3.1 - Captura de um sinal de precessão magnética em modo PPM (canal 3).
Figura 3.2 - Captura de um sinal de precessão magnética em modo PPM com o sensor
sintonizado para aumento no ganho (canal 2).
Figura 3.3 - Captura de um sinal de precessão magnética em modo Overhauser com 3W de
RF a 59,875MHz aplicados ao sensor contendo tempone perdeuteriado em
solução água/isopropanol.
Figura 3.4 - Duas medidas simultâneas do Overhauser sem a irradiação de RF.
Figura 3.5 - A segunda medida (em cinza) mostra um desvio do sinal devido à influência do
campo magnético local, graças ao efeito Overhauser obtido pela aplicação da
polarização por RF.
ix
Lista de Tabelas
Tabela 1.1 - Resultados comparativos dos resultados das médias para 100 grupos de medidas
com a técnica proposta.
Tabela 2.1 - Lista de equipamentos propostos para equipar o LDSM/ON.
Tabela 2.2 - Lista das amostras preparadas e suas concentrações. Todas as amostras foram
diluídas em uma mistura de 50% isopropanol e 50% água, lacradas em frascos
Eppendorf de 2ml.
Tabela 3.1 - Resultados experimentais das medidas efetuadas com o magnetômetro
Overhauser.
Figura 4.1 - Múltiplos sinais de ressonância em 790 kHz obtidos em um experimento isolado
com a amostra de carboxy-tempo em solução de 0,25N.
x
Índice
1 Do PPM ao Overhauser
1.1 Introdução..................................................................................................................1
1.2 Revisão dos princípios básicos do PPM....................................................................4
1.3 Princípios básicos do Magnetômetro Overhauser.....................................................7
1.4 PPM - A plataforma de testes...................................................................................10
1.5 Experimentos com a plataforma..............................................................................15
2 Desenvolvimento
2.1 Montagem do Laboratório: necessidades instrumentais..........................................22
2.2 Seleção dos radicais para a obtenção do efeito Overhauser....................................29
2.3 Circuitos para o Overhauser....................................................................................34
2.4 Construção das sondas de ressonância....................................................................40
2.5 Avaliação dos radicais selecionados .......................................................................43
2.6 Medições no laboratório..........................................................................................44
2.7 Medições no Observatório de Vassouras / RJ..........................................................45
3 Experimentos com o efeito Overhauser
3.1 Introdução................................................................................................................47
3.2 Resultados................................................................................................................48
4 Conclusões e considerações finais......................................................................................53
5 Bibliografia..........................................................................................................................56
6 Anexo....................................................................................................................................59
xi
Capítulo 1
Do PPM ao Overhauser
1.1 Introdução
Na geofísica aplicada, assim como em laboratórios de pesquisa e calibração, os
magnetômetros de ressonância exercem um papel de destaque. Por se basearem em grandezas
físicas fundamentais bem determinadas, são chamados de instrumentos absolutos, sendo
utilizados como referência para aferição dos demais tipos de magnetômetros. Graças à sua
alta resolução e enorme faixa dinâmica, características dos magnetômetros de ressonância,
estes instrumentos são usados nas mais diversas sondagens e em diferentes escalas.
Instrumentos para exploração de jazidas minerais com resolução de 0.01nT e sondas para
medição de ímãs supercondutores com campos de dezenas de Teslas, são apenas dois
exemplos de aplicação que retratam a versatilidade desta classe de instrumento.
O mais comum e mais antigo magnetômetro por ressonância usado no geomagnetismo é
o magnetômetro de precessão nuclear de prótons (PPM). Instrumento de construção
relativamente simples e muito robusto, foi desenvolvido em meados do século XX e ainda
hoje é bastante utilizado.
Apesar das vantagens da precisão, confiabilidade e praticidade na operação, o PPM tem
uma série de limitações que sugerem sua substituição por outro de funcionamento similar. As
principais desvantagens são o grande intervalo entre os valores de leitura, o elevado consumo
de energia, sensibilidade a ruído eletromagnético e uma grande intolerância a gradientes
magnéticos.
Operando com um principio de funcionamento semelhante, o magnetômetro Overhauser
é uma opção vantajosa em relação ao PPM, garantindo menores intervalos entre leituras,
1
menor consumo, maior imunidade a ruído e gradientes, assim como uma maior resolução. Em
termos de dimensões e facilidade de operação os dois são equivalentes. À medida em que
seu custo de fabricação tem sido reduzido, graças aos avanços da eletrônica, o magnetômetro
Overhauser vem gradualmente substituindo o PPM em quase todas as aplicações.
Apesar de estar cada vez mais presente no mercado internacional, o Overhauser é ainda
um instrumento de construção sofisticada e sensível. Pouca informação detalhada existe na
literatura especializada e nenhum trabalho construtivo ou modelo comercial foi até hoje
desenvolvido no país.
Diversos fatores motivaram o desenvolvimento deste trabalho. O fato de existirem
poucos instrumentos comerciais da classe do magnetômetro Overhauser disponíveis no
mercado foi um dos primeiros fatores. A ausência quase absoluta de qualquer referência
construtiva a nível nacional nos estimulou a iniciar os estudos, imaginando que
provavelmente os resultados obtidos seriam originais e úteis para futuras investigações.
A proximidade do equador magnético e a anomalia do atlântico sul, colocam nosso país
em uma condição na qual alguns dos valores mais baixos do campo geomagnético no planeta
podem ser encontrados. Estes valores impõem uma forte restrição ao uso dos magnetômetros
ressonantes atualmente comercializados, utilizados na grande maioria das vezes em latitudes
onde o campo é muito mais intenso.
Observamos que um dos fabricantes mais bem estabelecidos no mercado de
magnetômetros, a Gem Systems (Canadá), vem evoluindo seus PPM e Overhauser para
altíssimas resoluções (0,01nT e além), graças ao desenvolvimento de novos circuitos e
algoritmos, assim como o aperfeiçoamento do elemento sensor e ao uso de novas substâncias
químicas (proprietárias e não divulgadas). Entretanto, nos chama a atenção um fato inusitado:
o mais moderno Overhauser produzido por este fabricante - o GSM-19 - que há alguns anos
tinha como especificação de campo mínimo um valor de 15000nT, hoje é oferecido com
medição a partir de 20000nT [GEM 2010]. Campos de 19000 a 20000nT ocorrem
naturalmente em diversos pontos do país, podendo atingir valore inferiores próximo a feições
geológicas específicas [BENYOSEF 1998].
Pelo presente estado da variação secular o campo geomagnético vem sofrendo uma
redução progressiva de magnitude de até -40nT por ano em algumas regiões do Brasil
2
(chegando -120 ou mais em outras partes do mundo) [BGS 2009]. Devemos considerar então
que, para nossas necessidades, uma atenção especial deve ser dada ao quesito campo mínimo
do instrumento, além de sua resolução. Parte da investigação foi dedicada a tentar
compreender os fatores que determinam os limites de sensibilidade e resolução do
Overhauser.
Ao se observar os aspectos mais práticos do projeto de um magnetômetro de
ressonância, desde o início ficou evidente que a experiência e os recursos instrumentais
disponíveis no Laboratório de Desenvolvimento de Sensores Magnéticos do Observatório
Nacional (LDSM/ON) não seriam suficientes para dar suporte às tarefas planejadas. Parte
significativa deste trabalho também teve como meta a adequação do LDSM/ON em
instrumentos e aparatos experimentais capazes de auxiliar na investigação futura de novas
tecnologias de magnetômetros, assim com prover recursos para a calibração e teste dos
sensores em atual desenvolvimento no laboratório.
O desenvolvimento deste trabalho foi dividido nas seguintes etapas:
1 – Testes com a plataforma de estudos do PPM;
2 – Análise das características do efeito Overhauser aplicado ao projeto do
Magnetômetro;
3 – Levantamento dos equipamentos e montagem da bancada de testes;
4 – Escolha de substâncias químicas para teste de aplicabilidade;
5 – Montagem e teste de circuitos e sondas (elementos sensores) para produção do
efeito Overhauser;
6 – Medições em laboratório e campo com os circuitos construídos;
7 – Avaliação dos resultados.
3
1.2 Revisão dos princípios básicos do PPM
Em meados de 1940, Bloch desenvolveu um conjunto de equações descrevendo a
dinâmica dos spin nucleares, conhecidas como Equações de Bloch [BLOCH 1946]. Estas
equações formam a base para a moderna teoria da Ressonância Magnética Nuclear (NMR), e
também para o desenvolvimento de magnetômetros de ressonância.
Magnetômetros de ressonância são instrumentos escalares, que medem apenas a
magnitude do campo vetorial magnético, explorando propriedades básicas atômicas e
nucleares da matéria [JANKOWISKI 1996]. O primeiro dos magnetômetros de ressonância a
surgir foi o magnetômetro de precessão nuclear. Criado no final dos anos 1940 e aprimorado
na década de 1950, teve atuação imediata em trabalhos de geomagnetismo e em trabalhos de
prospecção [STERN 2002]. Conceitualmente tem principio de funcionamento bastante
simples, utilizando a precessão dos prótons (presentes nos núcleos dos átomos de hidrogênio),
disposta em uma amostra de fluido hidrocarboneto, para medir com grande precisão a
intensidade do campo magnético total.
O núcleo de hidrogênio, possui um momento magnético
m
e um momento angular
próprio
L
(spin) alinhados em uma mesma direção [BLOCH 1946]. O núcleo do oxigênio ,
assim como o carbono, tem resultante magnético nulo, não reagindo ao campo externo
[RYDBERG 2001].
Figura 1.1 - Representação da precessão magnética do próton:
ω
0
é a frequência de
precessão,
m
o momento angular magnético e
B
o campo externo.
4
Um campo magnético externo
B
exerce uma força sobre o dipolo magnético do núcleo,
causando um torque
T
que produz uma precessão com frequência radial
ω
0
, similar àquela
experimentada por um giroscópio sob a ação da gravidade (figura 1.1).
BmT
×=
(1.1)
Em equilíbrio, a relação entre torque, taxa de precessão e momento angular é dada por:
LBm
×=×
0
ω
(1.2)
Resolvendo a equação 1.2 e extraindo a magnitude da frequência de precessão:
B
L
m
⋅
=
0
ω
(1.3)
A razão entre as grandezas vetoriais
m
e
L
é uma constante escalar, chamada de razão
giromagnética
γ
.
L
m
=
γ
(1.4)
Esta constante, característica para cada núcleo atômico, tem seu valor mais alto para o
próton, consequentemente, para o núcleo de hidrogênio.
Da equação 1.5, retiramos a frequência da precessão [CORY 2001], chamada de
frequência de Larmor, igual ao produto da razão giromagnética do próton, pelo módulo do
campo influente:
B
⋅=
γω
0
(1.5)
O próton presente no núcleo do hidrogênio sofre um efeito de blindagem, ou shielding,
produzido pelos orbitais eletrônicos e átomos adjacentes ao hidrogênio na molécula do fluido
[CORY 2001].
O shielding produz um deslocamento na frequência de precessão, determinando uma
nova razão giromagnética
'
p
γ
, sendo esta utilizada em lugar de
p
γ
. O valor de
'
p
γ
foi
5
estabelecido pelo National Institute of Standards and Technology (NIST - USA), utilizando
uma amostra esférica de água pura a 25
o
C. Para o próton do átomo de hidrogênio na molécula
de água [WEICHMAN 2000], o valor mais recente obtido da razão giromagnética é:
118'
10(11) 2.67515341
−−
×=
Ts
p
γ
(1.6)
O elemento sensor do PPM é então construído a partir de uma amostra de um líquido
hidrogenado de baixa viscosidade, como a água, o álcool ou outro hidrocarboneto
[BENYOSEF 2001]. Este líquido é submetido a um forte campo magnético estático de forma
a polarizar os spins dos núcleos de hidrogênio com orientação perpendicular ao campo
geomagnético. Após um período de magnetização suficiente para polarizar parte significativa
da amostra, o campo magnetostático é removido de forma adiabática, restando apenas a
influência do campo a ser medido sobre os spins que passam a precessar ao redor deste
campo. Desta forma, a frequência da precessão, a chamada de frequência de Larmor, torna-se
uma medida direta da intensidade do campo magnético medido.
Para o campo magnético em nossas latitudes, a frequência de precessão obtida encontra-
se entre 700 e 2000 Hz. Esta faixa de frequências impõe diversas restrições para sua
utilização em instrumentos de alta performance, como se caracterizam os magnetômetros de
ressonância.
6
1.3 Princípios básicos do Magnetômetro Overhauser
O efeito Overhauser, que dá o nome a este instrumento, foi previsto teoricamente por
Albert Overhauser em 1953, e mais tarde demonstrado por C. P. Slichter e T. R. Carver,
consistindo na transferência da polarização de spins de uma população de spins para outra.
Mais frequentemente observado entre partículas nucleares, e neste caso denominado NOE
(Nuclear Overhauser Effect), para o Magnetômetro Overhauser, o fenômeno de interesse
ocorre entre os spins dos orbitais eletrônicos e dos prótons dos núcleos de hidrogênio. A
interação do campo magnético com os prótons excitados produz nestes um movimento de
precessão, com frequência proporcional a intensidade do campo - a frequência de Larmor.
Como no PPM, os prótons em precessão produzem um campo magnético variável que
pode ser detectado por uma bobina montada em torno do líquido hidrogenado. Entretanto, no
Overhauser a precessão é mantida continuamente ativa pela transferência repetida de energia
dos spins eletrônicos para os nucleares, a partir da excitação produzida por uma onda
eletromagnética de radiofrequência aplicada ao sistema. Esta radiofrequência pode substituir
parcialmente ou completamente a polarização magnetostática pulsada utilizada no PPM.
Com este fim, uma antena polarizada é associada ao sensor, de forma a direcionar
apropriadamente o sinal de radiofrequência. Embora seu principio de funcionamento seja algo
semelhante ao do magnetômetro de prótons (PPM), graças ao líquido especial utilizado no
elemento sensor e ao auxílio da excitação eletromagnética, seu intervalo de leitura é muito
menor do que aquele fornecido pelo PPM convencional. Dessa maneira o Overhauser torna-se
praticamente um instrumento que fornece valores contínuos de medidas, sendo capaz de
produzir algumas dezenas de leituras por segundo.
Em substituição ao campo magnetostático de alta intensidade do PPM, o Overhauser faz
uso do acoplamento de spins elétron-próton para a polarização do sensor, por um processo
também conhecido como polarização dinâmica nuclear (DNP). Substâncias com radicais
livres devidamente selecionadas são acrescentadas ao líquido hidrogenado, de forma que os
7
elétrons não ligados destes radicais possam ser estimulados pela radiofrequência a um
determinado nível de transição.
Ao invés de liberar a energia recebida através emissão de radiação, os elétrons livres
transferem sua energia para os prótons em sua vizinhança. O contínuo bombardeio sofrido
pelos prótons sustenta a precessão nuclear indefinidamente, com as populações de spins
obedecendo a seguinte relação:
Tk
h
N
N
is
⋅
−⋅
+=
−
+
)(
1
ωω
(1.7)
onde h é a constante de Planck, k a constante de Boltzmann, T a temperatura absoluta,
ω
ι
é a frequência angular do spin do próton, e
ω
s
a frequência angular do spin eletrônico.
O valor de
ω
ι
é função do campo medido, enquanto
ω
s
depende fundamentalmente da
estrutura molecular da substância utilizada. N
+
e N
-
correspondem aos spins com orientação
positiva e negativa que diferem em função da substância e da temperatura.
Quanto maior a diferença entre as populações (N
+
e N
-
), maior a polarização líquida e,
consequentemente, maior a intensidade do sinal produzido.
Os spins S livres presentes nos radicais produzem um acoplamento bipolar que induz a
transições cruzadas entre os dois sistemas. A saturação das transições no sistema eletrônico
aumenta a diferença entre as populações (N
+
e N
-
) dos prótons, intensificando a polarização
nuclear, como descrito pela equação 1.8:
{ }
00
0
/
2
1
ISSf
I
I
DNP
z
z
−⋅⋅−==
(1.8)
onde,
DNP
polarização nuclear líquida
z
I
polarização nuclear
0
I
polarização nuclear em equilíbrio termodinâmico
z
S
polarização eletrônica
0
S
polarização eletrônica em equilíbrio termodinâmico
f
fator de eficiência (também chamado de fator de fuga)
8
Como a razão giromagnética dos elétrons é muito maior que a dos prótons, a frequência
de ressonância eletrônica situa-se muito distante daquela produzida pelos núcleos, permitindo
que o sistema seja excitado ao mesmo tempo em que é lido o seu sinal. A partir da equação
(1.5), podemos calcular as frequências de Larmor produzidas pelo campo geomagnético. Para
os prótons, o sinal situa-se entre 0,6 e 3 kHz enquanto para o elétron, a faixa é de 0,6 a 2,1
MHz.
Entretanto, pode-se perceber que a utilização direta do elétron para a dinamização do
próton apresenta um problema imediato: assim como o próton, sua frequência também
depende do campo a ser medido. Sendo assim, torna-se inviável determinar de antemão seu
valor a fim de utilizá-lo no processo que deveria medir o próprio campo.
A solução está no uso de substâncias especialmente preparadas, usualmente radicais
orgânicos contendo isótopos selecionados de tal forma que um núcleo com momento
magnético não nulo exista nas proximidades do elétron livre. O campo produzido por este
núcleo sendo muito maior que o campo terrestre, predomina sobre o elétron livre, fixando sua
frequência de ressonância em um valor pré-determinado, independente do campo a ser
medido.
9
1.4 PPM - A plataforma de testes
Para o estudo do desenvolvimento de um magnetômetro Overhauser, optou-se por
utilizar a plataforma eletrônica desenvolvida em meu trabalho de mestrado para a construção
de um magnetômetro de prótons [WIERMANN 2003]. Esta decisão se baseou na grande
similaridade entre os dois instrumentos, permitindo assim uma economia de tempo ao fazer
uso de vários dos recursos já implementados. O circuito do PPM já havia sido concebido de
forma a prover uma plataforma aberta para estudos e desenvolvimentos, visando o
aperfeiçoamento do instrumento, incluindo a possibilidade da migração para um Overhauser.
Um trabalho semelhante é realizado comercialmente por Sapunov [ref: SAPUNOV] no
Quantum Magnetometry Laboratory da Ural State Technical University. Neste laboratório, um
kit contendo suplementos eletrônicos e químicos é adicionado ao magnetômetro de prótons do
cliente, transformando-o em um Overhauser, com algumas vantagens do ponto de vista da
estabilidade e resolução obtidas.
Figura 1.2 - Diagrama em blocos da plataforma de testes desenvolvida para o estudo
dos magnetômetros PPM e Overhauser.
10
O circuito desenvolvido possui um sistema de filtros que restringem a banda de sinal
para a faixa de interesse (aprox. 500 - 2000 Hz), minimizando interferências externas, tais
como as provenientes de transmissões de rádio, rede elétrica (60 Hz e harmônicos), motores,
etc.
Figura 1.3 - Aspecto de um sinal padrão de teste. O sinal apresenta menos de 2mV de
pico, com a presença de forte ruído de alta frequência além de alguns pulsos espúrios.
Este sinal é atenuado para a escala de microvolt antes de ser injetado no
magnetômetro, de forma a simular o sinal proveniente do sensor de ressonância
magnética.
Figura 1.4 - Após uma etapa de filtragem, o sinal ressurge amplificado e com uma
relação sinal ruído adequada a determinação de sua frequência.
11
Figura 1.5 - Ao final do tratamento com filtros e detetor de cruzamento por zero, o
sinal se apresenta apto a contagem digital.
Figura 1.6 - Bancada de teste com o protótipo construído no trabalho de
desenvolvimento do PPM e utilizado na investigação do Overhauser.
O método utilizado para a determinação da frequência do sinal do sensor é o da
contagem relativa. Teoricamente, este método permite a determinação da frequência de
interesse com a resolução desejada em apenas um ciclo do sinal (1 ms para o valor central de
1kHz), dependendo apenas do valor de uma frequência de referência e da relação sinal / ruído
do sensor.
12
Figura 1.7 - Diagrama de tempos para o método da contagem relativa utilizada no
protótipo desenvolvido. Durante a janela de amostragem, é capturado simultaneamente
a contagem dos pulsos do sinal de entrada e de referência. Ao final da janela, no N-
ésimo pulso inteiro, a contagem termina e o valor acumulado dos M pulsos de
referência contém a informação da frequência de Larmor.
Sendo f
ref
a frequência de referência, N a contagem de pulsos do sinal e M a contagem
de pulsos de referência, a frequência de Larmor f
L
medida por esta técnica é determinada pela
seguinte relação:
refL
f
M
N
f
=
(1.9)
Para se obter uma resolução igual ou melhor que 0,1 nT, compatível com as aplicações
de um Overhauser, é necessário que a frequência de Larmor seja determinada com resolução
de, no mínimo, 0,0043 Hz. Tal resolução, para um medida continua em pequenos intervalos e
sujeita a uma relação sinal / ruído normalmente desfavorável, requer o uso de um mecanismo
especial de filtragem e de um tratamento estatístico do sinal. A resolução
f
∆
produzida pelo
método da contagem relativa varia com a frequência do sinal
s
f
e é dada por:
+
=∆
r
ss
r
f
t
ff
t
11
(1.10)
sendo
r
t
o período da frequência de referência.
13
Foi adotado um sistema de contagem de sucessivas janelas com diferentes intervalos de
tempo, entre 10 e 100 ms, de forma a se produzir um fluxo contínuo de dados com resolução
constante, a partir do sinal de precessão captado no elemento sensor. A estas contagens, foi
associado o uso estimadores estatísticos para minimizar as incertezas ocasionadas por ruído
no sinal.
Figura 1.8 - Protótipo em teste efetuando a medição de um sinal padrão de 1,000 kHz.
com resolução de 1 x 10
-4
Hz.
O sistema de contagem deste protótipo apresenta resolução bruta de 0,0001 Hz (medido
a 1 kHz), podendo ser aumentada mediante o uso de médias e de uma base de tempo com
frequência mais elevada. A base de tempo hoje utilizada é de 10 MHz, estabilizado a cristal
termicamente compensado, podendo chegar ao limite de 16 MHz com os componentes
presentes no circuito.
14
1.5 Experimentos com a Plataforma
Foram efetuadas diversas leituras de ressonância em um sensor preliminar operando em
modo PPM, com a finalidade de avaliar os circuitos de filtro e a contagem de frequência da
plataforma desenvolvida. Os sinais de polarização e de ressonância gerados no sensor foram
lidos por um sistema de aquisição de dados, montado em paralelo com o instrumento em
operação, para efeito de análise comparativa. Os sinais foram capturados com resolução
digital de 12 bits e intervalo de amostragem de 1 us. O gráfico a seguir (fig. 1.9) mostra a
captura de um ciclo completo de polarização e precessão (no modo PPM - com polarização
estática) com decimação para 50000 pontos, ou equivalente a um intervalo de amostragem de
100 ms, com tempo total de captura de 5 segundos.
período de polarização PPM
sinal de precessão
transiente (FEM) com
auto-oscilação da bobina
Figura 1.9 – Captura de sinal com sistema de aquisição de dados em modo PPM. O
início da captura para análise ocorre em t = 0. Escala vertical normalizada para a
faixa do conversor A/D (0 a 5V), com resolução de 12 bits (1/4096). Escala de tempo
em segundos.
15
Figura 1.10 – Trecho do sinal de teste após captura e digitalização para análise.
A figura 1.11 mostra a decomposição espectral do sinal capturado que possui uma
frequência de 901,000 Hz (21162 nT), onde estão evidenciados diversos elementos de ruído
com frequências próximas ao sinal desejado. Após a detecção e filtragem pela plataforma de
teste, o sinal obtido apresentou bom aspecto, produzindo um valor de 901,003 Hz, compatível
com a resolução esperada para o instrumento.
Figura 1.11– Análise espectral do sinal do magnetômetro em 901,000 Hz (21162 nT).
16
Apesar da obtenção do valor correto neste experimento de laboratório, pode se ver que
existem picos espectrais oriundos de ruídos diversos, com magnitude significativa e muito
próximos ao valor da frequência alvo. Mesmo após a filtragem, por serem estes ruídos intra-
banda, em diversas medidas reais obtidas em laboratório e no campo, foram observados dois
diferentes tipos predominantes de perturbação na contagem direta da frequência:
1 - Erros “quase gaussianos” - caracterizados por um espectro amplo mas com algumas
descontinuidades na banda e eventuais espúrios. Este erro é o resultado característico de
fontes interferentes múltiplas, presente em ambientes urbanos e industriais.
2 - Erro modal - Flutuação sistemática da frequência característica entre grupos de
valores, devido a natureza digital (truncamento) da contagem em janelas.
A necessidade da aplicação de alguma forma de suavização ou média se tornou
evidente e, após algumas tentativas iniciais, observou-se que a média aritmética simples foi
capaz de obter bons resultados, embora frequentes espúrios sugeriam que ainda haveria
espaço para algum aprimoramento. De forma a reduzir a sensibilidade a estas medidas
espúrias, e assim melhorar o desempenho do instrumento, decidiu-se por utilizar uma técnica
de média robusta nos valores obtidos.
A substituição da média aritmética simples pela mediana foi a primeira opção, mas
frequentes (e distintos) grupos modais tornaram o resultado algo inconstante. Em alguns
momentos a média simples apresentava resultados superiores, em outros a mediana se
mostrava mais adequada.
Uma investigação mais detalhada dos dados foi efetuada para se determinar uma forma
de combinar ou definir critérios para aplicar seletivamente as normas L1 e L2, em uma
tentativa de tornar os resultados mais consistentes. Observando-se sucessivos resultados da
medição da frequência com seus valores ordenados (primeiro passo para a determinação da
mediana), pudemos ver que seria possível localizar zonas de estabilidade e, sobre estas,
calcular o valor final por média simples.
O gráfico a seguir (fig 1.12), mostra um conjunto de frequências estimadas pela
contagem direta a partir de medidas reais, seguida de sua classificação para análise da
dispersão (fig. 1.13).
17
Figura 1.12 - Conjunto de sucessivas leituras obtidas em teste de laboratório com
campo induzido por uma bobina de Helmholtz. A leituras apresentam variações em
torno do valor alvo (1000 Hz).
Figura 1.13 - Após a ordenação das medidas pode-se identificar uma região central
sobre o valor alvo (presumidamente a esperança da medida) e duas regiões externas
onde residem os valores espúrios (outliers).
18
outliers outliers
zona central de
“estabilidade”
O fator limitante desta técnica é que a região central de estabilidade move-se de
conjunto para conjunto de medidas, requerendo a intervenção do observador para a
determinação da melhor região.
A solução final para o problema foi obtida pela combinação das normas L1 e L2 a partir
do inverso de suas variâncias, conforme sugerido por Josselin D. et Ladiray D. [JOSSELIN
2001]. As leituras obtidas são associadas pelo uso combinado da mediana com a média móvel,
de forma a classificar e filtrar os dados, removendo espúrios causados pela presença de ruído
no sinal captado. A estimativa final
M
é obtida pela expressão:
M =
x
V
x
M
V M
1
V
x
1
V M
=
V M
xV
x M
V
x V M
(1.11)
onde,
x
= média aritmética
M
= mediana
V
x
= variância da média
V
M
= variância da mediana
Para avaliar o resultado da técnica, foram obtidos diversos conjuntos de medidas em
laboratório, combinados com dados simulados, perfazendo um total de 100 grupos de dados
propositalmente desfavorável por apresentar resultados relativamente equilibrados com a
média simples e a mediana. Uma análise de dispersão por histograma foi então aplicada para
se determinar a funcionalidade da técnica.
19
Figura 1.14 - Conjuntos ordenados de medidas reais e simulações (50 grupos de cada)
do valor induzido de 1000 Hz, contendo espúrios e ruído aproximadamente gaussiano
com relação S/N de 20dB nos dados reais, após a filtragem.
Mesmo considerando a alta concentração de valores centrais, efeito colateral da utilização
de valores sintéticos no conjunto de medidas, pode se observar um ganho na redução da
dispersão dos resultados.
Estimador Erro
( )
xx
ˆ
−
SD
Mediana -2.699482 6.494555
Média -3.740123 6.494555
Combinação -2.682701 6,07
Tabela 1.1 - Resultados comparativos dos resultados das médias para 100 grupos de
medidas com a técnica proposta.
20
Figura 1.15 - Histogramas para análise da convergência dos resultados obtidos com a
combinação entre média e mediana sobre 100 conjuntos de dados mistos, reais e
sintéticos.
21
Capítulo 2
Desenvolvimento
2.1 Montagem do laboratório: Necessidades instrumentais
Vamos resumir as tarefas que devem ser efetuadas em um laboratório de sensores
magnéticos fluxgate: os equipamentos disponíveis devem permitir o teste, aferição, calibração
e, eventualmente, manutenção dos circuitos eletrônicos típicos de um fluxgate. Devemos
então definir a precisão e resolução que os instrumentos devem ter. Por mais óbvio que
pareça, percebi que vários grupos (o nosso não é exceção) não dedicam a atenção devida às
especificações mínimas necessárias quanto a precisão dos instrumentos do laboratório. Um
erro muito comum é especificar os medidores da grandezas elétricas fundamentais (Volt,
Ampere, Ohm) com base apenas na resolução da medida, sem observar a composição de
parâmetros que definem a precisão, ou em um termo mais adequado, acuidade do
instrumento. Para se definir as especificações desejadas, vamos tomar como base as
características típicas dos tipos de fluxgate mais usados. Na prospecção a estabilidade e a
repetibilidade de curto prazo são mais relevantes, uma vez que as medidas são, em geral,
relativas e tomadas ao longo de poucas horas seguidas [WIERMANN 2007].
O parâmetro mais importante é a variação espacial (anomalia) com base em um
instrumento remoto, usualmente uma estação ou observatório de referência. Adicionalmente,
em observatórios, os fluxgates usados como variômetros devem apresentar uma
monotonicidade elevada e um nível de ruído pequeno, pois o interesse neste caso é a variação
temporal do campo geomagnético. Fluxgates para prospecção geofísica e para uso em
observatórios geomagnéticos possuem resolução típica entre 1 e 0.1 nT. Estabilidade de curto
prazo menor que 50 nT é comum nestes instrumentos, enquanto o nível de ruído pode chegar
a valores tão baixos quanto 0.1nT/pHz. A faixa medição situa-se em torno de ±100000nT
22
(100μT). Com a resolução de 0.1nT esta escala corresponde a uma capacidade de resolver 6
medidas até ±1ppm.
Os fluxgates analógicos atualmente em uso possuem saída de tensão com escalas de
−5..+5V ou −10..+10V , levando a necessidade de voltímetros com capacidade de medição de
da ordem de 1..10μV . Para resolver uma parte em um milhão, precisa-se de voltímetros com
seis dígitos, no mínimo. Existem no mercado diversos instrumentos nesta categoria, podendo
citar a Fluke com o 8646A ou a Agilent com seu 33401A, ambos instrumentos de 6 1/2 dígitos
muito versáteis, com capacidade de medição de tensão, corrente, frequência, conexão via
interface RS232 ou GPIB, etc. Poderíamos pensar que um destes instrumentos com seus seis e
meio dígitos seria o bastante para calibrar o sinal de um fluxgate, porém, devemos atentar
para outros parâmetros.
Embora dotados de uma resolução adequada, olhando para as especificações mais
atentamente, veremos que estes possuem exatidão e estabilidade em um ano (período típico de
aferição do instrumento) entre 24 e 35 ppm, dependendo da função e escala utilizadas. Vinte e
quatro partes por milhão representam uma incerteza apenas duas vezes melhor que aquela do
fluxgate (para medidas de curto prazo). Temos então um instrumento de calibração cuja
precisão não é muito melhor que a do equipamento que se pretende calibrar. As normas
correntes de metrologia e qualidade recomendam que o instrumento de medida tenha uma
precisão cinco vezes melhor que o aparelho a ser calibrado. Como atenuante, sabemos que
dificilmente se consegue um ambiente de teste com estabilidade de campo melhor que 50 ou
100nT, dependendo do local onde o laboratório está situado e que, dado a excelente
estabilidade de curto prazo destes multímetros (< 10ppm), é possível utilizar técnicas
comparativas com outros magnetômetros (em especial o de prótons ou Overhauser),
produzindo uma aferição bastante aceitável, dentro dos limites da praticidade.
De forma a permitir o uso de comparações entre instrumentos e mesmo entre diferentes
canais de um mesmo magnetômetro (eixos x, y e z), a taxa de leitura do voltímetro também
deve ser considerada. Como o campo local é sempre variável, é fundamental que se efetue as
leituras dos eixos de simultaneamente e com velocidade tal que torne as variações
desprezíveis entre medidas consecutivas. Os voltímetros mencionados são capazes de
transmitir para um computador até 1000 leituras por segundo, velocidade suficientemente alta
23
para que as variações mais comuns, tal como a variação diurna do campo geomagnético, não
representem um erro significativo.
A excitação e a detecção do efeito fluxgate são representadas por sinais elétricos
periódicos com formas de onda senoidal ou quadrada, com relações específicas de frequência
e amplitude, cujos parâmetros ideais dependem do material constituinte do elemento sensor e
do tipo de instrumento que se deseja construir (ou testar). Ligas metálicas amorfas e nano
cristalinas são excitadas com frequências entre 1 e 100KHz, para os sensores mais usuais em
observatórios, porém, frequências de até 1 MHz podem ser usadas em sensores de dimensões
microscópicas, como aqueles produzidos por técnicas de produção de filme fino disponíveis
no CBPF, PUC e UFRJ.
Para o levantamento preciso de certas propriedades magnéticas destes materiais, tais
como permeabilidade e coercividade, o uso de um gerador de sinal com boa estabilidade em
amplitude é fundamental. Capacidade para geração de pulsos de curta duração e simulação de
ruído e harmônicos também são de grande auxílio na caracterização dos circuitos eletrônicos
envolvidos na construção do fluxgate.
Para magnetometria por ressonância, tal como a tecnologia Overhauser, são necessários
sinais com assinatura de tempo específico e frequências da ordem 60 MHz. Os modernos
geradores de sinal arbitrário reúnem todas estas características, podendo ainda ser
sincronizados por um relógio externo (ex: atômico) e produzir assinaturas específicas a partir
de sinais capturados no campo por outros instrumentos. Esta característica permite a
reprodução em laboratório de sinais reais, provenientes de assinaturas observadas nos
experimentos, servindo como uma valiosa ferramenta de estudo e avaliação dos instrumentos
de geofísica. Dotada de grande capacidade de memória e diversas opções de interface,
incluindo USB, a família de geradores AFG3000 da Tektronix é um ótimo exemplo desta
classe de equipamentos.
A maioria dos efeitos estudados em um laboratório de instrumentação física (ou no caso,
geofísica) se apresenta de forma indireta, eventualmente mascarados por ruídos de diversas
fontes e com intensidades mínimas, requerendo instrumentos sensíveis e diversas técnicas de
extração de ruído. Para atender a estes requisitos, são utilizados filtros programáveis,
analisadores de espectro e amplificadores "lock-in". Estes instrumentos são também
24
fundamentais para configurar circuitos abertos de detecção fluxgate e para a análise de ruído
próprio em sensores diversos, como temperatura (para geotermia) ou vibração (geofones)
Na tabela 2.1 abaixo, encontra-se uma lista dos instrumentos recomendados, cujo
levantamento foi feito com base em suas características, preço e disponibilidade no mercado.
Função Modelo Fabricante Quantidade
6 1/2 Digits Digital Multimeter 8845A Fluke 3
Arbitrary Function Generator FG3252 Tektronix 1
Digital Storage Oscilloscope
200MHz
TDS2024B Tektronix 1
Lock-in Amplifier SR830 Stanford Research 1
Spectrum Analyzer SR770 Stanford Research 1
4 Channel Programmable Filter 3944 Krohn-Hite 1
Power/Audio Amplifier -- TeachSpin 1
80W Triple Output Power Supply E3631A Agilent 3
Tabela 2.1 - Lista de equipamentos propostos para equipar o LDSM/ON.
Exemplos de Utilização dos Instrumentos Propostos
Em seguida apresento algumas configurações típicas de sistemas de teste para sensores
magnéticos, baseadas nas atividades previstas para o LDSM. Alguns acessórios, tais como
transformadores, casadores de impedância, cabos especiais e outros itens menores foram
intencionalmente omitidos em benefício da objetividade na representação dos experimentos.
Estes itens são de custo reduzido e muitas vezes confeccionados especificamente para cada
experimento
Podemos observar que todos as configurações sugeridas compartilham um núcleo
comum de instrumentos, sem os quais nenhum laboratório de pesquisa ou calibração
magnética pode operar. A lista proposta neste trabalho visa, no mínimo, atender a estes
experimentos.
25
Figura 2.1 - Sistema para determinação de ruído próprio de magnetômetros fluxgate. Teste
efetuado em cada eixo separadamente.
Figura 2.2 - Sistema para determinação da resposta em frequência de magnetômetros fluxgate.
26
Figura 2.3 - Fluxgate de circuito aberto. Com este arranjo, diferentes topologias de construção de
magnetômetros e diferentes materiais magnéticos podem ser estudados.
Figura 2.4 - Sistema para calibração e testes de magnetômetros fluxgate triaxiais. As medições são
correlacionadas no tempo e comparadas com um magnetômetro absoluto (próton ou Overhauser).
27
Figura 2.5 - Sistema para Ensaios de Magnetometria por Ressonância Magnética Nuclear.
28
2.2 Seleção dos radicais para obtenção do efeito Overhauser
A partir da literatura foram identificadas diversas substâncias sob a designação genérica
de TEMPO (Tetra-Methyl-Piperidino-n-Oxyl), normalmente utilizadas como marcadores ou
calibradores para ressonância magnética nuclear (RMN) médico.
Uma das substâncias com estas características, disponível no mercado e frequentemente
citada nos trabalhos de instrumentação geofísica, é o radical orgânico nitrogenado tempone
perdeuteriado
15
N [RIPKA]. Oriunda dos trabalhos em NMR na área biológica, o tempone é
um radical com um elétron livre em um átomo de oxigênio, que apresenta acoplamento
hiperfino com ressonância em torno de 60MHz devido ao núcleo do isótopo de Nitrogênio 15.
O uso do isótopo deutério ao invés do hidrogênio permite que esta substância seja usada em
ambientes biológicos onde se procura a assinatura de ressonância do solvente (água) sem a
interferência do marcador (tempone). Esta característica peculiar não tem qualquer efeito
sobre o seu uso neste trabalho.
O tempone é capaz de produzir um fator DNP de até 2000, contra apenas 330 para o
caso mais simples (teórico) do elétron livre, que estaria sujeito apenas ao campo da terra
[HARTMANN 1972].
Esta substância apresenta, além da caraterística iônica desejada, boa estabilidade
química, permitindo a construção de um sensor de grande duração. As substâncias iônicas
utilizadas nos primeiros estudos de magnetometria Overhauser apresentavam elevada
reatividade e decomposição acelerada, tornando o sensor inativo após pouco tempo de uso.
Os principais problemas de produtos como o tempone são: o elevadíssimo custo e, por
se tratar de substância patenteada, a existência de pouquíssimos fornecedores.
29
Figura 2.6 - Diagrama molecular do radical tempone perdeuteriado 15N e seus níveis
de energia. A separação "A", deve-se ao acoplamento hiperfino. O tripleto (2,3,4) é
consequência do campo magnético terrestre. As diferentes transições (1 -> 2 / 1 -> 4)
produzem diferentes níveis de aumento da população nuclear resultando em um
aumento na polarização líquida do sistema.
A primeira etapa após a busca na literatura para a escolha do radical adequado, foi a
procura pela sua disponibilidade no mercado internacional.
Devido a natureza peculiar destes produtos, que requerem como matéria-prima isótopos
raros de hidrogênio e de nitrogênio, poucos laboratórios são capazes de fornecer quantidades
comerciais destas substâncias
Embora não sejam radioativas, a utilização de isótopos seletivos em suas moléculas
insere estes produtos na lista de substâncias controladas pela Comissão Nacional de Energia
Nuclear (CNEN), requerendo um tempo extra de importação, devido a requisitos técnicos e
burocráticos que devem ser cumpridos antes de sua aquisição.
Com base no preço, aplicabilidade e disponibilidade foram identificadas, selecionadas e
encomendadas duas substâncias, através de importação, junto ao laboratório Sigma-Aldrich:
4-OXO-TEMPO-D16-15N, RADICAL LIVRE, contendo 98% de Deutério e 99% de
N15 (0,1 g);
4-CARBOXY-TEMPO, RADICAL LIVRE, contendo 97% de Deutério e Nitrogênio-14
(0,25 g).
30
Além da dificuldade de obtenção, o custo destes produtos é bastante elevado: um
quilograma do radical contendo 98% de deutério e 99% de nitrogênio 15, vale cera de
U$3,000.000.00 (três milhões de dólares - preço FOB). Por este motivo, quantidades muito
pequenas foram encomendadas (100 mg = U$326.00) fazendo com que os testes fossem
efetuados com muito cuidado e planejamento.
Sendo a segunda substância mais barata (e por isso mais abundante), esta foi escolhida
para a realização dos primeiros testes de RMN. Com base nos resultados desta amostra,
melhorias poderiam ser efetuadas no circuito, antes da utilização do produto “nobre”. Embora
mais barata, por não possuir o isótopo 15 do nitrogênio, foi utilizada apenas para os estudos
iniciais com uma sonda de ressonância, não sendo aplicável para o magnetômetro Overhauser.
Testes de solubilidade com os dois produtos foram realizados no laboratório de química
do Grupo de Biomateriais do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) do Rio de Janeiro
As duas substâncias mostraram-se pouco solúveis em água, o solvente preferencial
utilizado no protótipo do sensor do PPM. Foram necessários testes de solubilidade e
compatibilidade com solventes hidrogenados, uma vez que, sendo radicais livres, os produtos
selecionados teriam uma forte tendência a reagirem com diversas substâncias. Após alguns
poucos testes, dada a pequena disponibilidade dos produtos, foi determinado que uma mistura
de água e isopropanol em partes iguais era a melhor escolha para o solvente. Sendo ambos
líquidos hidrogenados comumente usados na fabricação de magnetômetros de prótons e
plenamente miscíveis, esta mistura foi adotada como padrão para os demais testes.
Uma investigação na literatura mostrou que soluções com concentrações da ordem de
0,1N são comuns em ensaios e calibrações de sistemas ressonantes para uso médico e
biológico [GUIBERTEAU 1998]. Esta concentração foi adotada como mínima para o preparo
das amostras utilizadas.
31
Figura 2.7 - Amostras preparadas para teste, envasadas em seus frascos Eppendorf. O
frasco superior direito contém isopropanol e água (50-50%) para utilização como
amostra neutra durante os trabalhos de sintonia das sondas. Pode-se perceber na
amostra 2 (canto supeiror direito - Tempone a 0,25N) manchas alaranjadas de
sedimentos devido a insolubilização parcial do produto.
Após os testes iniciais compatibilidade e solubilização, foram preparadas cinco
amostras com concentrações entre 0,1 e 0,5N, com o limite superior das concentrações
determinado pela solubilidade e disponibilidade dos materiais. Após algum tempo em
repouso, percebeu-se que as concentrações mais altas, em particular para o Tempone,
decantavam, produzindo sedimentos indicativos de que havíamos excedido a solubilidade do
produto.
número da
amostra
Produto em solução Concentração
0 solvente puro Isopropanol / água 50-50 ---
1 Tempone 0,5N
2 Tempone 0,3N
3 Tempone 0,2N
4 Carboxy-tempo 0,1N
5 Carboxy-tempo 0,25N
Tabela 2.2 - Lista das amostras preparadas e suas concentrações. Todas as amostras
foram diluídas em uma mistura de 50% isopropanol e 50% água, lacradas em frascos
Eppendorf de 2ml.
32
De forma a maximizar a quantidade de sinal produzido nos testes, foram selecionadas as
amostras com maior concentração que não apresentassem sinais de decantação. As amostras .
3 e 5 foram escolhidas para os trabalhos de caracterização eletrônica e testes do efeito
Overhauser.
33
2.3 Circuitos para o Overhauser
Diversos módulos foram produzidos especificamente para atender a cada etapa dos
ensaios necessários ao projeto. Os seguintes ensaios foram realizados para a execução dos
testes finais:
1 - Determinação da frequência ótima para obtenção do efeito Overhauser;
3 - Construção de um conjunto sensor, fruto da combinação do elemento sensor do
PPM com o sistema de radiofrequência do Overhauser.
Testes preliminares foram realizados com uma bobina de Helmholtz unidimensional
preparada sobre um tubo plástico de PVC envolvendo uma proveta cercada por bobinas de RF
e de detecção, conforme visto na figura 2.8 abaixo:
Figura 2.8 - Montagem preliminar para identificação da ressonância eletrônica dos
radicais tempone e carboxy-tempo.
34
Após a determinação da frequência de ressonância característica do produto, a amostra
foi transferida para o arranjo de teste concebido para o ensaio com o radical tempone (figura
2.9). Neste arranjo, o objetivo era obter a polarização dinâmica (efeito Overhauser).
O circuito associado a estas bobinas consta de um gerador de RF, um amplificador
linear de potência, um casador de impedâncias e um sistema chaveamento para produção dos
pulsos de ressonância.
Controlando este conjunto, o circuito magnetômetro PPM de teste obteve as leituras da
frequência de Larmor para o campo local, reforçado por uma bobina de Helmholtz adicional
(HH2), modulado por um amplificador Lock-In.
Figura 2.9 - Arranjo de teste para verificação do efeito Overhauser.
O elemento sensor (S1 + L1) consiste em uma bobina solenoidal envolvendo um frasco
do tipo Eppendorf de 2 ml contendo a solução de teste.
35
O ressonador de RF foi dimensionado com base em um par de bobinas, formando um
conjunto de Helmholtz unidimensional (HH1), construído com fio esmaltado de 1,0 mm auto
sustentado e volume interno de 50 cc, conforme o diagrama da figura 2.10.
Figura 2.10 - Arranjo ortogonal das bobinas para as sondas: Bobina detectora - em
torno do produto (vertical); Bobina de RF - Helmholtz 1D (horizontal). O campo
magnetostático a ser medido (campo da terra) é aplicado no plano horizontal a 90
graus da bobina de RF.
A montagem ortogonal das bobinas tem a finalidade de reduzir a interferência cruzada,
permitindo que sejam aplicados maiores potências e ganhos nos circuitos.
Para maximizar a sensibilidade do fenômeno de ressonância, foi utilizada a técnica de
excitação pulsada ao invés de contínua. Desta forma um maior isolamento entre excitação e
detecção é possível, pois não existe potência entregue ao sistema durante a captura e
amplificação do sinal [FUKUSHIMA 1981].
O diagrama da figura 2.11, mostra a como é a forma de excitação e detecção no regime
pulsado. Diodos operando como chaves e cabos coaxiais como linhas de transmissão
transformadoras de impedância executam a comutação dos caminhos dos sinais de potência e
de detecção.
36
Figura 2.11 - Diagrama de excitação em regime pulsado do sensor. Os diodos atuam
como chaves para a passagem da radiofrequência, combinados com a transformação
de impedância das linhas coaxiais.
No circuito da figura x, podemos ver o circuito do amplificador de potência de RF e o
pré-amplificador conectados à sonda (probe).
Figura 2.12 - circuito de radiofrequência para excitação e detecção do sinal de
ressonância utilizado para efetuar os testes preliminares dos radicais carboxy-tempo e
tempone.
37
Com a finalidade de gerar os pulsos de RF para excitação das amostras, foi utilizado um
gerador duplo de RF (Agilent FG3252) combinado com um temporizador construído à base
de um microcontrolador, ligados ao circuito da sonda. Este temporizador de várias saídas
permitiu que se efetuasse diversos ajustes de tempo de pulos de RF, isolando seletivamente a
conexão do sinal de áudio.
A combinação do temporizador com a plataforma de testes PPM foi utilizada para que
se pudesse efetuar uma comparação entre os dois modos de operação do magnetômetro - PPM
e Overhauser.
Utilizando um processador RISC com relógio interno de 2,5MHz, sequências de tempo
ajustáveis entre 5 e 250 us foram criados no decorrer dos testes.
Figura 2.13 - Circuito temporizador e amplificador de áudio utilizado para a operação
dos testes das amostras em modo Overhauser.
38
Figura 2.14 - Foto do circuito de temporizador de RF durante os testes no Observatório
de Vassouras.
39
2.4 Construção das sondas de ressonância
Figura 2.15 - Detalhe da sonda utilizada para a medição da frequência de ressonância
do tempone perdeuteriado. Capacitores variáveis na câmara à esquerda permitem a
sintonia para casamento de impedância do conjunto.
40
Após a seleção das amostras e dos ensaios preliminares em proveta (figura 2.3.1), foram
construídas duas sondas. A primeira, com apenas uma bobina (vide circuitos da figuras 2.3.2
e 2.3.3), utilizada para identificar a frequência de ressonância eletrônica do tempone e a
segunda para a medição do efeito Overhauser e tentativa de teste do magnetômetro.
Figura 2.16 - Sondas construídas neste trabalho. À esquerda, a sonda utilizada para
determinar a ressonância do tempone perdeuteriado. Ao centro, a sonda para a
medição do efeito Overhauser. À direita, módulo amplificador de RF banda larga da
Mini-Circuits utilizado em alguns testes iniciais.
Devido a frequência média prevista em torno de 600 kHz para a ressonância eletrônica
do radical carboxy-tempo, seus testes foram realizados na sonda maior (para os testes do
efeito Overhauser), fazendo-se o uso de bobinas externas montadas provisoriamente sobre o
conjunto.
Nas fotos a seguir (figuras 2.17 e 2.18), vemos as amostras selecionadas junto às sondas
construídas para os testes neste trabalho.
41
Figura 2.17 - Amostras e sonda para determinação da frequência de ressonância
eletrônica.
Figura 2.18 - Amostras e sonda para efeito Overhauser.
42
2.5 Avaliação dos radicais selecionados
Embora tenham sido adquiridas duas substâncias para os testes, por sua frequência
característica de ressonância eletrônica independente do campo medido, somente o tempone
perdeuteriado pode ser aplicado para a construção do magnetômetro Overhauser.
Os testes de ressonância característica com o carboxy-tempo produziram um sinal em
torno de 790kHz, relativamente próximo da frequência de Larmor de 600kHz esperada para
um elétron livre, mas que não se mostrou reprodutível, provavelmente pelos seguinte motivos:
1 - Pouca quantidade do material que pode ser testada, devido a sua baixa solubilidade;
2 - Baixa frequência de ressonância induzindo um sinal fraco nas bobinas de teste (da
ordem de 600 KHz com o campo local de 23uT). O intuito original era se trabalhar
frequências na casa dos MHz;
3 - O hidrogênio comum no lugar do deutério e o Nitrogênio 14 apresentam momentos
magnéticos nucleares que podem interferir com o campo dos elétrons, causando um desvio de
frequência. Este valor de 790 kHz precisaria ser verificado. O sinal obtido poderia ser o
resultado de um espúrio nos circuitos;
4 – Grande dificuldade de se sintonizar a frequência obtida com os componentes
utilizados.
Devido a escassez de tempo e recursos, o carboxy-tempo foi abandonado nos testes
preliminares. Estudos posteriores com esta e outras substâncias afins deverão ser realizados
como parte dos trabalhos de investigação do LDSM para técnicas de magnetometria.
Após algumas medidas e tentativas de sintonia com os pulsos de RF, obteve-se uma
frequência de ressonância de 59,875 MHz para o radical tempone. Este valor foi utilizado
para os testes com o efeito Overhauser realizados na etapa seguinte.
43
2.6 Medições no laboratório
Utilizando-se a sonda Overhauser e os circuitos de teste integrados à plataforma PPM,
foram realizados testes preliminares no laboratório do ON (LDSM). Os testes foram
realizados utilizando-se da bobina de Helmholtz do laboratório com a finalidade de se
intensificar o campo local, em uma tentativa de produzir um sinal mais limpo e homogêneo
para reduzir as interferências locais.
É fato bem estabelecido que os magnetômetros de ressonância apresentam grande
dificuldade de operação no interior de prédios e próximo a instalações elétricas e
equipamentos eletro-eletrônicos. Este problema se deve às interferências eletromagnéticas
presentes nestes locais, assim como o alto gradiente do campo magnetostático devido à
presença de estruturas metálicas, tais como vergalhões de vigas e lajes, gabinetes e armários
metálicos, veículos, ferramentas, etc.
Em nossos testes, foi utilizado um moderno magnetômetro PPM comercial, o GSM 19
da GEM Systems. Em todos os testes no laboratório e em suas imediações, não foi possível
se obter leituras válidas com este instrumento. O magnetômetro oscilava continuamente,
apresentando valores inconstantes e incompatíveis com o campo local, que se situava em
torno de 23 uT.
Em várias ocasiões, o instrumento não apresentou qualquer leitura (display em
“00000”), indicativo da completa ausência de sinal de ressonância magnética. Sendo assim,
não houve uma expectativa de que conseguíssemos obter leituras com o nosso sistema de teste
no laboratório.
Após a determinação da frequência de Larmor do tempone, decidimos transferir os
testes para o Observatório Geomagnético de Vassouras, filial do ON, onde existe uma estação
geomagnética permanente, com instrumentos absolutos e relativos para o estudo do campo
geomagnético.
44
O Observatório de Vassouras encontra-se situado na cidade de Vassouras, no interior do
estado do Rio de Janeiro, uma cidade relativamente pequena, onde a infraestrutura urbana
ainda não cresceu o bastante para produzir os efeitos de interferência eletromagnética
presentes em nosso laboratório e adjacências.
O local escolhido para a construção do observatório também possui poucas anomalias
magnéticas naturais e foi ocupado de forma a que as construções no entorno dos instrumentos
não produzissem pertubações artificiais [JANKOWSKI 1996].
2.7 Medições no Observatório de Vassouras / RJ
Foi montada uma bancada de testes no Observatório de Vassouras, a uma distância de
aproximadamente 15 metros dos sensores. Estes foram posicionados em um quiosque
normalmente utilizado para a comparação de instrumentos e medições do campo
geomagnético (figura 2.19).
As medidas foram efetuadas à noite, quando, devido à ausência da interferência solar, o
campo magnético natural é mais estável. O magnetômetro GSM 19 foi utilizado para se
determinar o campo local durante as medidas para efeito de comparação.
Nas primeiras observações se determinou que o campo local noturno era de
aproximadamente 23,5 uT.
45
Figura 2.19 - Quiosque onde foi montado o conjunto sensor - Observatório de
Vassouras.
Figura 2.20 - Bancada de testes para os ensaios de campo.
46
Capítulo 3
Experimentos com o efeito Overhauser
3.1 Introdução
Os testes de medição foram realizados de forma a se observar os ganhos sobre a
medição em modo PPM com o acréscimo do efeito Overhauser, identificando assim a sua
presença. Através da alternância entre o uso da polarização estática (modo PPM) e a indução
de RF em 59,875MHz, foi possível se evidenciar o efeito desejado.
Apesar do ambiente magneticamente favorável de Vassouras, foi observado que o sinal
de precessão para o modo PPM era muito tênue, dificultando a sua observação. De forma a
intensificar o sinal, foi utilizada a técnica de sintonia do sensor PPM, com o uso de
capacitores em paralelo com a bobina detectora que tornaram o aparato mais seletivo para o
campo local [KERNEVEZ 1992]. Como o campo situava-se em torno de 23,47uT, a
frequência de sintonia ajustada foi de aproximadamente 999,2 Hz.
O uso de um sensor altamente seletivo trouxe um grave inconveniente: os ruídos
próprios de chaveamento dos circuitos e quaisquer induções espúrias (de origem
indeterminada) produziam frequentes auto-oscilações no circuito de entrada. Após algumas
tentativas ineficazes de redução da auto-oscilação sem perda na sensibilidade, partimos para o
uso de uma técnica indireta que se mostrou eficaz - foi permitido que o sistema oscilasse
livremente, uma vez que um oscilador livre pode ser utilizado como um filtro altamente
seletivo [HOROWITZ 1990]. Através da comparação do desvio de centro de ressonância com
e sem a amostra no interior do sensor, pudemos comprovar a presença do sinal de ressonância
de prótons.
47
3.2 Resultados
Na primeira parte das medidas, sequências de pulsos foram produzidas com o gerador
de pulsos associado à plataforma PPM, produzindo um sinal de ressonância com apenas o
solvente (água + isopropanol), conforme podemos ver na figura abaixo:
Figura 3.1 - Captura de um sinal de precessão magnética em modo PPM (canal 3).
Nos canais 1 e 2 estão alguns dos pulsos gerados pelo circuito tempoizador utilizados
para efetuar o trigger do osciloscópio. O sinal 2 corresponde ao final da polarização
magnetostática; O sinal 3 corresponde a uma abertura de janela para o início da
captura do sinal.
Este sinal, exemplo característico das medidas obtidas, apresentou duração reduzida
devida a pequena dimensão das amostras, limitada pela disponibilidade dos produtos. A
frequência obtida foi de aproximadamente 1kHz, compatível com o valor esperado (999,2Hz).
48
Ao se recorrer aos capacitores de sintonia do sensor, obteve-se o resultado abaixo:
Figura 3.2 - Captura de um sinal de precessão magnética em modo PPM com o sensor
sintonizado para aumento no ganho (canal 2). Além de um significativo aumento na
amplitude do sinal detectado, uma auto-oscilação surge imediatamente ao final da
polarização (efeito rebote).
Percebe-se claramente que além do ganho na intensidade do sinal, oscilações espúrias
ocorrem antes do sinal principal. Em muitos eventos o sinal principal ocorria, ainda que
apresentando uma intensidade reduzida, mesmo na ausência do líquido hidrogenado,
indicando que na realidade não se tratava de um sinal de precessão, mas apenas de uma auto-
oscilação do sensor.
Utilizando-se a solução com tempone perdeuteriado (amostra 3) em lugar do solvente,
iniciamos a irradiação com o sinal de RF em 59,875MHz, aumentando gradualmente a
potência com o uso de um amplificador comercial banda larga (Mini-Circuits ZHL-5W-1), até
o surgimento de uma alteração no sinal de precessão, o que ocorreu a partir de 2,5W.
Na figura a seguir, podemos ver um exemplo do sinal de precessão aumentado pelo
efeito Overhauser.
49
Figura 3.3 - Captura de um sinal de precessão magnética em modo Overhauser com
3W de RF a 59,875MHz aplicados ao sensor contendo tempone perdeuteriado em
solução água/isopropanol.
Observa-se um aumento na duração com razoável constância na magnitude, embora a
presença de ruído seja ainda significativa.
Com o uso da comparação espectral pode-se identificar nas figuras a seguir a presença
frequência característica de Larmor para o campo local, reforçada pelo efeito Overhauser. Na
figura x, foram realizadas duas medidas espectrais, sem a aplicação da radiofrequência,
obtidas com e sem a presença da amostra no interior do núcleo (traços vermelho e cinza,
respectivamente).
Na segunda figura (figura x), contendo a amostra de tempone perdeuteriado, foram
realizadas duas medidas - a primeira (traço vermelho) sem a polarização de RF e a segunda
(cinza) com a aplicação de uma polarização de 3W a 59,875MHz.
50
Figura 3.4 - Duas medidas simultâneas do Overhauser sem a irradiação de RF.
Figura 3.5 - A segunda medida (em cinza) mostra um desvio do sinal devido à influência do campo
magnético local, graças ao efeito Overhauser obtido pela aplicação da polarização por RF.
51
Para efeito de comparação, foram acumuladas leituras a cada 10 segundos por um
período de 10 minutos para a plataforma de teste operando em modo Overhauser e para o
magnetômetro GSM 19 da GEM, perfazendo um total de 60 leituras para cada instrumento. O
tempo reduzido teve o propósito de limitar a dispersão causada pelas variações naturais do
campo geomagnético ao longo do tempo. As medidas foram obtidas no período entre 01:00 e
01:10 da manhã.
A plataforma de teste operou utilizando o cálculo de média robusta para os ciclos da
frequência de Larmor em cada medida. Cada medida assim obtida foi tomada com cerca de
15 segundos de defasagem para as leituras do GSM 19, devido a impossibilidade de se operar
os dois instrumentos simultaneamente no mesmo local devido a ocorrência de interferência
entre os sensores.
Instrumento média de 10 minutos (nT) Desvio padrão (nT)
GSM 19 23476,44 1,77
Plataforma de testes com
efeito Overhauser
23479,16 2,61
Tabela 3.1 - Resultados experimentais das medidas efetuadas com o magnetômetro
Overhauser.
A diferença de quase 3 nT entre os instrumentos pode ser decorrente de diversos fatores.
Inicialmente, devido às dispersões em cada instrumento esta diferença ainda encontra-se
dentro da faixa de erro obtida.
52
Capítulo 4
Conclusões e considerações finais
Após um longo período de preparo do laboratório para torná-lo equipado de acordo com
as necessidades deste trabalho, foi finalmente possível se iniciar os estudos de magnetometria
por ressonância no Observatório Nacional. Naturalmente, os resultados obtidos durante o
desenvolvimento deste doutorado são ainda bastante preliminares e certamente deverão ser
complementados por trabalhos futuros, mais profundos e muito mais detalhados.
Existe na literatura geofísica e na ciência da ressonância magnética em geral, uma
grande lacuna relativa ao estudo de substâncias e técnicas de ressonância em campos de baixa
intensidade. Isto se deve ao fato de que a maioria dos estudos é direcionada à investigação de
propriedades da matéria e características físico-químicas das substâncias envolvidas. Para
estes estudos, onde o interesse é a alta resolução espectral e a capacidade de se identificar
diferentes átomos e tipo de ligações a paritr do efeito Zeeman, os campos aplicados devem ser
da ordem de Teslas, milhões de vezes superiores ao campo geomagnético.
Este trabalho teve como premissa fundamental iniciar os estudos de ressonância em
campos de baixa intensidade. De forma a validar a proposta, um instrumento protótipo foi
construído e testado, mostrando ser possível sua construção com os recursos agora
disponíveis.
A leitura final obtida pelo experimento Overhauser obteve uma diferença elevada para a
precisão esperada do instrumento. Entretanto, diversos fatores devem ser levados em
consideração. Primeiramente este foi um trabalho preliminar e a qualidade geral dos sinais
obtidos foi bastante limitada, favorecendo erros maiores na obtenção de uma leitura
predominantemente estatística.
53
Diferenças produzidas pelo deslocamento químico (chemical shift) também devem ser
levadas em conta. Diferentes solventes e geometria das sondas produzem o deslocamento pelo
efeito de blindagem magnética dos orbitais eletrônicos sobre a amostra [ABRAGAM 1961].
Para uso como um instrumento real de medida, estes efeitos devem ser compensados por
meio de uma calibração. No entanto, este procedimento foge ao escopo do trabalho proposto,
visto que um instrumento final não foi construído.
O limite de escala inferior para os magnetômetros hoje disponíveis, da ordem de 20uT é
um fator inquietante e neste trabalho nenhuma indicação de que este limite poderá ser
facilmente reduzido ocorreu. Observou-se que o fenômeno da ressonância em campos de
baixa intensidade (mT e inferiores) é muito débil e de difícil obtenção. Substâncias químicas
muito particulares e dispendiosas são necessárias para a sua fabricação, limitando o tamanho
do sensor, uma vez que se pretenda produzir equipamentos a um custo razoável.
Mesmo que se dispusesse facilmente de quantidades maiores de produtos como o
tempone perdeuteriado, o tamanho do sensor em última análise estaria limitado pelo gradiente
magnético local e pelas potências elétricas envolvidas na polarização magnetostática (PPM) e
de radiofrequência (Overhauser).
Dadas as limitações observadas nos instrumentos comerciais disponíveis e as
dificuldades na obtenção dos efeitos necessários para a construção de magnetômetros de
ressonância, nos parece que, embora sejam instrumentos práticos e fundamentais para o
geomagnetismo, poucas são as chances de um real aprimoramento de algumas de suas
características com as técnicas atuais disponíveis. Em particular a questão do campo mínimo.
Aparentemente, instrumentos mais sofisticados (e dispendiosos) que sejam capazes de
estender significativamente a faixa dinâmica que hoje existe, terão seu uso limitado a
ambientes de laboratório com a finalidade de calibração, graças ao seu caráter de instrumento
“absoluto”.
Um resultado algo inesperado obtido no decorrer deste trabalho, foi uma aparente
ressonância em 790kHz obtida com os testes do radical carboxy-tempo. Esta frequência
situa-se próxima ao valor esperado, em torno de 600 KHz para um elétron livre sob o campo
local no laboratório (~21uT). A figura a seguir mostra uma captura deste sinal.
54
Figura 4.1 - Múltiplos sinais de ressonância em 790 kHz obtidos em um experimento isolado com a
amostra de carboxy-tempo em solução de 0,25N.
Existe na literatura a sugestão de que um magnetômetro por ressonância eletrônica
direta poderia ser viável [HARTMANN 1972, KERNEVEZ 1992], embora até o presente
momento não exista notícia de qualquer instrumento geofísico desta natureza ter sido
construído. Os únicos instrumentos que hoje se utilizam da ressonância eletrônica são os
magnetômetros de bombeamento ótico. Estes instrumentos são extremamente complexos,
caros e inadequados para os trabalhos habituais de campo em geofísica.
Um instrumento de ressonância eletrônica direta (chamado de EPR - Ressonância
Paramagnética Eletrônica), poderia apresentar algumas vantagens, sobretudo devido à maior
razão giromagnética do elétron em relação ao próton que supostamente produziria um maior
sinal de indução, mesmo em campos de menor intensidade.
Abre-se aqui uma perspectiva para um trabalho futuro que deveria iniciar pela busca de
substâncias com propriedades paramagnéticas adequadas, seguido de uma investigação das
suas propriedades, visando a possibilidade da construção de um magnetômetro por
ressonância eletrônica para uso em geomagnetismo.
Novos experimentos utilizando-se sondas especialmente construídas para este fim,
adequadamente sintonizadas, poderiam então ser elaboradas para viabilizar este novo estudo.
55
Capítulo 5
Bibliografia
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WIERMANN A., "Proposta para Instrumental de Ensaio, Calibração e Manutenção de
Magnetômetros", Relatório interno - Observatório Nacional, Abril 2007.
58
Anexo
Programa Gerador de Pulsos para controle de RF
Escrito em linguagem Assembly para o microcontrolador PIC 16C57, Fabricado pela
Microchip.
; Magnetômetro por ressonância paramagnética.
; Gerador de pulsos para experimento da tese.
; André Wiermann - MCT/ON 10/01/2009.
;========================================================================
list p=16F57 ; Definição do microcontrolador a ser utilizado.
radix dec ; padrão decimal p/ valores sem identificação.
include <P16F5X.INC> ; definições do pic utilizado.
;========================================================================
; Definições de registradores chaves e pinos do PIC
w equ 0 ; Indicador de registrador temporário w.
f equ 1 ; Indicador de próprio registrador.
S0 equ 0 ; Saída do temporizador 0 (RC1).
S1 equ 1 ; saída do temporizador 1 (RC1).
;========================================================================
; Definições de memória RAM
; RAM Banco 0
Count0 equ 08H ; Define o contador de 24 bits.
Count1 equ 09H ;
Count2 equ 0AH ;
;========================================================================
; Início do Programa
Start: ; Configuração das portas e definição de padrões do PIC
bcf STATUS,PA0 ; banco 0 de registradores.
bcf STATUS,PA1 ;
clrf FSR ; limpa o ponteiro para registrador indireto.
clrf PORTA ; Inicializa as portas em zero.
clrf PORTB ;
clrf PORTC ;
movlw B'00000000' ; Todas as portas são saídas.
tris 5
tris 6
tris 7
59
;========================================================================
;Inicio dos temporizadores
Contador0:
movlw B'00000001' ; S0 = 1
movwf PORTC ;
movlw 0x01 ; Primeiro temporizador
movwf Count0 ; Count0 >> mais significativo
movlw 0x03 ; Count2 >> menos significativo
movwf Count1 ;
movlw 0x01 ; 010301h (500 uSeg)
movwf Count2 ;
Tempo0:
decfsz Count2,f ;
GOTO Tempo0 ;
decfsz Count1,f ;
GOTO Tempo0 ;
decfsz Count0,f ;
GOTO Tempo0 ;
movlw B'00000010' ; S0 = 0; S1 = 1 (pol)
movwf PORTC ; Polariza
;===================================================
Contador1:
movlw 0x89 ; Segundo temporizador
movwf Count0 ;
movlw 0x54 ;
movwf Count1 ;
movlw 0x40 ; 2DC6C0h (3 Seg)
movwf Count2 ; 895440h (9 seg)
Tempo1:
decfsz Count2,f ;
GOTO Tempo1 ;
decfsz Count1,f ;
GOTO Tempo1 ;
decfsz Count0,f ;
GOTO Tempo1 ;
movlw B'00000000' ; S1 = 0 (pol)
movwf PORTC ; Desliga Polarização
;===================================================
Contador2:
movlw 0x0A ; Terceiro temporizador
movwf Count0 ;
movlw 0x1E ; Tempo de segurança
movwf Count1 ; após a polarização
movlw 0x0A ;
movwf Count2 ; 0A1E0Ah (5 mSeg)
Tempo2:
decfsz Count0,f ;
GOTO Tempo2 ;
60
movlw B'00000100' ; S2 = 1 (sense)
movwf PORTC ;
goto $
;===================================================
Contador3:
movlw 5 ; Quarto temporizador
movwf Count0 ;
movlw 0 ;
movwf Count1 ;
movlw 0 ;
movwf Count2 ;
Tempo3:
decfsz Count0,f ;
GOTO Tempo3 ;
movlw B'00000000' ; S0 = 0
movwf PORTC ;
Contador4:
movlw 5 ; Quinto temporizador
movwf Count0 ;
movlw 0 ;
movwf Count1 ;
movlw 0 ;
movwf Count2 ;
Tempo4:
decfsz Count0,f ;
GOTO Tempo4 ;
movlw B'00000000' ; S0 = 0
movwf PORTC ;
Contador5:
movlw 5 ; Sexto temporizador
movwf Count0 ;
movlw 0 ;
movwf Count1 ;
movlw 0 ;
movwf Count2 ;
Tempo5:
decfsz Count0,f ;
GOTO Tempo5 ;
movlw B'00000000' ; S0 = 0
movwf PORTC ;
Contador6:
movlw 5 ; Sétimo temporizador
movwf Count0 ;
movlw 0 ;
movwf Count1 ;
movlw 0 ;
movwf Count2 ;
61
Tempo6:
decfsz Count0,f ;
GOTO Tempo6 ;
movlw B'00000000' ; S0 = 0
movwf PORTC ;
Contador7:
movlw 5 ; Oitavo temporizador
movwf Count0 ;
movlw 0 ;
movwf Count1 ;
movlw 0 ;
movwf Count2 ;
Tempo7:
decfsz Count0,f ;
GOTO Tempo7 ;
movlw B'00000000' ; S0 = 0
movwf PORTC ;
Contador8:
movlw 5 ; Nono temporizador
movwf Count0 ;
movlw 0 ;
movwf Count1 ;
movlw 0 ;
movwf Count2 ;
Tempo8:
decfsz Count0,f ;
GOTO Tempo8 ;
movlw B'00000000' ; S0 = 0
movwf PORTC ;
Contador9:
movlw 5 ; Décimo temporizador
movwf Count0 ;
movlw 0 ;
movwf Count1 ;
movlw 0 ;
movwf Count2 ;
Tempo9:
decfsz Count0,f ;
GOTO Tempo9 ;
movlw B'00000000' ; S0 = 0
movwf PORTC ;
Contador10:
movlw 5 ; Décimo Primeiro temporizador
movwf Count0 ;
movlw 0 ;
movwf Count1 ;
movlw 0 ;
movwf Count2 ;
62
Tempo10:
decfsz Count0,f ;
GOTO Tempo10 ;
movlw B'00000000' ; S0 = 0
movwf PORTC ;
goto $
;========================================================================
; Fim do Programa
END
FIM
63
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