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May 11, 2023

Einstieg in die NMR ohne den supraleitenden Magneten

Die Erforschung der Geheimnisse der Quantenmechanik scheint sicherlich ein Unterfangen zu sein

Die Erforschung der Geheimnisse der Quantenmechanik scheint sicherlich ein Unterfangen zu sein, für dessen Bewältigung raumgroße Geräte und Racks voller Elektronik sowie große Eimer voller Fördergelder erforderlich sind. Und obwohl dies im Allgemeinen zutrifft, lässt sich mit einem wesentlich bescheideneren Budget eine ganze Menge erreichen, wie dieses denkbar einfache Kernspinresonanzspektroskop deutlich zeigt.

Das Wichtigste zuerst: Hat der „Magnetresonanz“-Teil von „NMR“ irgendeinen Zusammenhang mit der Magnetresonanztomographie? Tatsächlich ist dies der Fall, da die Technik, Kerne in einem Magnetfeld auszurichten, sie mit einem elektromagnetischen Feld zu stören und die resultierenden HF-Signale zu empfangen, während die Kerne in ihren ursprünglichen Spinzustand zurückkehren, das Herzstück beider ist. Und während MRT-Scanner und die großen NMR-Spektrometer, die in Laboren für analytische Chemie verwendet werden, beide extrem starke Magnetfelder verwenden, zeigt uns [Andy Nicol], dass sogar das Erdmagnetfeld für NMR genutzt werden kann.

[Andy]s NMR-Aufbau könnte nicht einfacher sein. Es besteht aus einer Spule aus emailliertem Kupferdraht, die auf ein 40-mm-PVC-Rohr gewickelt ist, und einem einfachen Steuerkasten mit nichts weiter als einem Schalter und ein paar Kondensatoren. Das einzig Besondere ist eine USB-Audioschnittstelle, die zur Verstärkung und Digitalisierung des 2-kHz-Signals verwendet wird, das von Wasserstoffatomen erzeugt wird, wenn sie sich im extrem schwachen Erdmagnetfeld bewegen. Ein Stativ ohne sämtliche eisenhaltigen Metallteile ist ebenfalls praktisch, da dieser Aufbau im Freien erfolgen muss, wo störende Magnetfelder minimiert werden können. Im Betrieb wird die Spule etwa 10 Sekunden lang mit einem LiPo-Akku aufgeladen, bevor sie schnell auf den Eingang des USB-Verstärkers umgeschaltet wird. Das resultierende Resonanzsignal wird mithilfe der Wasserfalldarstellung auf SDR# visualisiert.

[Andy] gibt in seinem hervorragenden Aufsatz viele hilfreiche Tipps, wie die Abstimmung der Spule mit Kondensatoren, die Minimierung von Rauschen und die Schätzung der genauen erwarteten Resonanzfrequenz basierend auf der Stärke des lokalen Magnetfelds. Es ist ein großartiges Projekt und eine gute Erklärung, wie NMR funktioniert. Und es ist bei weitem nicht so laut wie ein MRT-Scanner.