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液体窒素冷却NMRプリアンプ
LNA-4R3取扱説明書 版2012/6/20 北川 健太郎
使用方法
電源として、トランスタイプで、12∼15Vのものを用意する。0.16Aのはずであるので、電流計が
付いている方がよい。発熱が減るので12Vの方が良い。
入力と出力ともにSBDのクロスダイオードが付いているが、出力側は100mAまでであるので、入出
力を間違えて使用しないこと。
入力は、整合がとれていれば300Wまでは安全である。それ以上、もしくは整合が外れる可能性が大
きければ、外部の保護ダイオードまたはDuplexer等が必要。クロスダイオードが破損した場合、低
温部ダイオード基板の交換が必要となる。
液体窒素容器に入れる際は、５分以上かけてゆっくり入れる。熱サイクルは好ましくないので、でき
るだけ冷やしたままでいること。
電源を入れたまま温度を上げると、溶けた水分により破損する可能性がある。
SMAコネクタが緩みやすいので、たまに締め直すこと。
TIPS
一般のDuplexerを使用した場合、0.3dB程度の損失があり、雑音指数がそれだけ悪化する。太くて
シールドの良いλ/4ラインの使用を推奨する。
入力に伝送線路的トランスを追加し、1:4のインピーダンス変換を行うと10MHz以下のNFを改善す
ることが出来る。
入力雑音（外部ノイズ＋コイル熱雑音）が大きい状態では、プリアンプの性能による差はあまりな
い。
NMR実験時の簡易動作チェック
コイルが極低温状態で、外部ノイズが十分に小さく、整合もとれているとする。
プローブに繋いだ状態でのホワイトノイズと、プリアンプ入力にターミネータを繋いだ状態でのホワ
イトノイズを比較し、後者が5dB以上大きければ受信系は概ね正常である。
ネットワークアナライザーでの動作チェック
添付資料の用に、低温時で37dB程度、常温でも35dB以上のゲインであれば正常である。
入力が-40dBm以下でないと正確に測定できないので、そのように設定するか、アッテネーターを加
えること。
トラブル時のDMMでの簡易動作チェック
電源OFFで、信号入力のSMAをダイオードレンジで測定し、0.2V程度であることを確認する。
0.15Vより小さければ、保護ダイオードが破損している。
室温の場合
調整作業は25℃付近で行う。
一番右上のコンデンサの電圧で、内部電源電圧が9.50VになるようにR17を調整する。
３番ピンが2.57 0.1Vであることを確認する。
R7を回し、４番ピンが2.82Vになるように調整する。
１番ピンが0.337 0.02Vであることを確認する。
R14を回し、５番ピンが2.08Vになるように調整する。
２番ピンが0.365 0.02Vであることを確認する。
電源電流は0.16 0.1Aのはずである。
77 Kの場合
一番右上のコンデンサの電圧で、内部電源電圧が9.50VになるようにR17を調整する。
３番ピンが2.57 0.1Vであることを確認する。
R7を回し、４番ピンが2.94Vになるように調整する。
１番ピンが0.285 0.02Vであることを確認する。
R14を回し、５番ピンが2.21Vになるように調整する。
２番ピンが0.296 0.02Vであることを確認する。
電源電流は0.16 0.1Aのはずである。
NF測定によりさらに微調整すれば言うことはない。
付録１：低温法による雑音指数（NF）の測定
雑音指数NFは、アンプ入力前後のS/Nの悪化度合い、(S/N)in / (S/N)out、で定義される。
通常は、入力雑音として290 Kの熱雑音（kBT = -173.98 dBm/Hz）を基準とする。
２種類の既知のノイズソース、異なる温度の熱雑音を用いて出力ノイズ強度を測定すれば、アンプの
NFを決定することができる。
Nout(T) = Gain x kBT + Namp
であるから、
Namp / Gain = (T2 x Nout(T1) - T1 x Nout(T2)) / (Nout(T2) - Nout(T1))
となり、以下の式よりNFが求まる。
NF = (S/N)in / (S/N)out = (S / kB x 290 K) / (Gain x S / (Gain x kB x 290 K + Namp)
= 1 + Namp / (Gain x kB x 290 K)
dB表示では、10 log10(1 + Namp / (Gain x kB x 290 K))である。
室温と液体窒素温度でのターミネータを利用し、雑音強度はスペクトラムアナライザーを用いて測定
することで求めることが出来るが、レベルが小さいので工夫が必要である。
まず、入力はセミリジッド／セミフレキ同軸のみでフルシールドする必要がある。
スペクトラムアナライザーの設定は、ゼロスパン、アッテネーターOFF、RBWを0.1MHz程度以下、
VBWを最小に、アベレージ機能、ノイズマーカーを使用する。また、スペクトラムアナライザー自
身のノイズを別途測定し差し引くか、プリアンプを追加する必要がある。
付録２： 先行試作機の液体窒素温度での特性
デッドタイムは2μs以下
リターンロスは8dB程度
ゲイン @-40dBm
Gain [dB]
40
35
30
25
20
0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Frequency [MHz]
雑音指数
2
NF290 [dB]
1.5
1
0.5
0
1
10
100
Frequency [MHz]
1000
RX
T1
150
2
BAT15−099
10pcs.−in−parallel
arranged in line
L13
27nH
non−magnetic core
Bourns CW252016
BAT15−099
20pcs.−in−parallel
equal−length wiring
150
Ceramic capacitor in low−temp. stage: Panasonic ECJ (CK,CJ,CH)
PPS capacitor in low−temp. stage: Panasonic ECHU
Register: SUSUMU RR/RG thin−film
COAX SC−358/50−SCN−CN 57cm
S
1
Wilkinson, 2 stage
50 Ohms
51
1
U16
S
U20
1
U22
S
2
U13
S
2
S
2
300 RG1005
750 RG1005
R75
C40
1
Q8
2
1
Q6
2
1
Q4
2
1
Q3
2
D20
3
3
3
D15
3
1
C36
C34
C32
C25
220pF*16
3pF*12
R76
3pF
51 RG1005
C58
150 RG1005
51
R72
1pF
C56
C54
C52
C48
C42
C39
3pF
Q14
2
1
Q13
2
1
Q11
2
1
Q9
2
0.01uF PPS*16
D10
3
3
3
3
C23 3pF
U21
75 Ohms
R68
R62
R59
R55
R48
R44
R38
D5
FHX35LG
R30
51
R25
HSM123
1000pF
U15
BAT15−099
10
1.5kR24
COAX SC−219/50−SCN−CN
50cm
T2
C3
C8
C4
TDK GLF2518 10uH
L3
240
2200pF CH
L4
C7
R9
470
2
3
1
10x5
10x3
COAX SC−219/50−SCN−CN
50cm
10
Q1
Q2
IRF7501
IRF7501
C22
C21
1000pF
C27
1uF
220pF
220pF
C41
0.0047uF PPS
C37
5
22nH
L14
5
2
1
2
1
47
3
1
TDK ACF321825−223
10
R28
1k
470
75 Ohms
10
R29
Wilkinson, 2 stage
50 Ohms
BAT15−099
2
TDK ACF321825−223
4
3
15k
COPAL SM−42X 100
0.1uF
U1
C6
COAX SC−219/50−SCN−CN
50cm
E6
0.01uF PPS
E4
2ohms RR0816Q
100
CKD510JB1E104ST
10uF
4
3
1/2 TLE2142
1ohm RR0816Q
100
5
1/2 TLE2142
1.5uH, non−magnetic core
CW252016−R82 2pcs−in−series
5
150
R37
TDK GLF2518 10uH
L5
EPCOS SIMID02−100 4.7uH
220pF
3
1
COPAL SM−42X 500
EPCOS SIMID02−100 4.7uH
10
100
1000pF CH
2200pF CH
0.01uF PPS
2
39
COPAL SM−42X 100
0.0047uF PPS
C5
TDK GLF2518 22uH
0.0047uF PPS
BAT15−099
L2
C1
R3
R5
R12
R13
0.01uF PPS
C28
70 Ohms, 3.3mm
D12
C29
85 Ohms, 1.2mm
D13
C16
C10
D17
Wilkinson hybrid, 2 stage (simplified)
50 Ohms, 4−40GHz (isolation:−10dB)
R77
R33
R39
R46
R51
R56
R60
1
2
1
2
1
S
S
S
1
2
1
R18
L7
R20
L8
R23
T4
C17
R8
R16
R6
R15
T5
R2
R4
R7
75 Ohms
C62
C2
R10
2
1.5k
3
1
TDK ACF321825−223
RD3.0FM−AZ
D9
D8
750 RG1005
1.5k RG1005
R70
BAT15−099
R61
R57
3
3
3
D19
3
D16
C47
1
2pF
Q12
2
1
Q10
2
2pF
1
Q7
2
1
Q5
2
FHX35LG
0.01uF PPS*8
750 RG1005
1.5k RG1005
R52
R47
10
R41
1.5kR34
51
R65
R53
C26 3pF
220pF*8
3pF*6
300 RG1005
R71
BAT15−099
BAT15−099
1000pF
51 RG1005
C55 3pF
2
1.5k
240
Vin
LM317
BAT15−099
TDK ACF321825−223
1000pF
E5
1
Adjust
Vout
U2
device=LM317EMP
2
10uF 25V
C11
300 RG1005
1pF
C53
C49
C46
C43
C35
C33
51
R35
C15 CKD510JB1E104ST
E1
CKD510JB1E104ST
0.1uF
COAX SC−219/50−SCN−CN
50cm
R11
HSM123
S
S
D6
R42
S
R36
R21
Z1
C9
1
2
T3
3
3
1
220pF
220pF
C18
0.01uF PPS
220pF
10nH
L12
COAX SC−219/50−SCN−CN
50cm
C24
220pF
C61
3pF
0.0033uF PPS
10
39x3
39x2
EPCOS SIMID02−100 4.7uH
L6
TDK ACF321825−223
EPCOS SIMID02−100 8.2uH
0.01uF PPS
E2
10uF 25V
COPAL SM−42X 500
CKD510JB1E104ST
10uF
10
HSM123
C13
TDK GLF2518 10uH
D14
R40
L11
R50
C50
R45
R49
LNA ver. 4R3 for 77 K operation.
G=37dB, 1.5−200MHz
NF=0.3 dB (typ.)
Kentaro Kitagawa
2
R64
R54
S
C14
U14
C60
S
R73
1
U18
R69
2
2
S
2
1
1
2
S
S
U19
2
U10
R66
C44
1
2
R78
R17
1
C12
C19
C30
D3
C20
C31
R79
D7
R43
R14
1
R74
S
C59
1
R58
U6
2
R63
U4
C38
S
D11
1
S
2
C51
1
1
U8
S
U3
2
U5
1
U17
D21
U9
2
1
C57
U7
R67
D2
D18
R19
R22
L9
R26
T6
R1
C45
L10
D4
TDK GLF2518 4.7uH
L1
470
R27 10
EPCOS SIMID02−100 4.7uH
Oxley DLT4/L/22000
BAT15−099
E3
R31
1000pF
R32
D1
U12
S
2
2
U11
470
OUTPUT
V+ (15V)