Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   10 ,  No.   4 ,  A ugus t  2020,   pp.  3468~3 475   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v10 i 4 . pp3468 - 34 75     3468       Journ al h om e page :  http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   Des i gn o f probe f or NQR/ NMR de tection       Preeti  Hem nani 1 ,  A. K . Ra j araj an 2 ,  Gopa l Joshi 3 ,  S.   V.   G . Ra vindr anat h 4   1 Hom i  Bhabha   Nati ona l  Insti tute,   Ind ia   2 ,3,4 Bhabha   Ato m ic   Resea r ch  C e ntre ,  Indi a   1 Depa rtment of  El e ct roni cs  and   Te l ec om m unic ation  Eng ine er ing ,   S.I.E. S Gradu ate  School   of Te ch nolog y ,   Ind ia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Ma y  10 , 201 9   Re vised  Dec  16 ,   2019   Accepte d  J an   11 , 2 020     Nucle ar   Magne t i c  Resonan ce   (N MR)  is  a  RF   t echnique   th at  is  ab le   to   detec t   an y   compound  b y   sensing  the   e xci t ed  resona nce  signal s  from  at om ic   nucl e i   havi ng  non - z ero   spin.  NQ R  is  sim il ar  to  NM R  but  the   onl y   di ffe ren c e  is   NM R  nee ds  a  DC  m agne ti c  fi el d   and  due  to  th is  i ts  appl icati on  in  the   fi el d  is  li m it ed .   A  FPG A  base d  NQ R  s pec tromet er  is  designe d  usin g  a  single   FP GA   chi p  to  per form   the   digital   t asks  req uire d  for  NQ R  spec trometer.  Design  of   Probe  for  NM R/NQR  spec tromete r   is  r ese ar ched.  Para llel  tune d   and  se rie s  tune d  Probes  are   discussed  and  sim ula te d. 14 N  NQ R  fro m   NaNO 2  is  observe d  from   s pec tromet er  d esi gned  with   par al l el   tune d   probe .   Ke yw or d s :   Coil   FPGA   NMR   NQR   Pr obe   Copyright   ©   202 0 Instit ute of   Ad v ance d  Engi ne eri ng  and  Sc ie n ce .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Pr eet i   Hem nani ,    Dep a rtm ent o f El ect ro nics  and Telec omm un ic at ion  E ng i ne erin g,   S.I . E.S  Gra du a te  Schoo l  of Te chnolo gy,   Nerul,  Na vi Mum bai, I ndia .   Em a il :  pr eet ia he m nan i@ gm ail.co m       1.   INTROD U CTION   Nu cl ea r  Qu a dr upole  Re s onan ce  ( NQ R )  is  s pectr os co py  of  nucl ear  ene rgy   le vels  res ult ing   from     the  interact ion  o f  nucl ear q ua dru po le   m o m e nt  with  the  el ect ric  fiel d  gr a di ent  in  cryst al lin e  (no n - c ubic )  so li ds .   The  nucl ear  e ne rg y  le vels  pe r ta ining   to  this  intera ct ion   a bsor b  an d  em it  e le ct ro m agn et ic   rad ia ti on   i n  th e  RF  range.  I n  the pulsed  NQ R sp e ct ro m et er,  the sam ple  is exp ose d  to intense  RF rad ia ti on   of r eso nan ce  fr e quency   from   wh ic h  th e  nucl ei   ab sor b  powe r.   Whe n  th e  RF   ra diati on   is  switc he d  off  t he  a bsor bed  e ne r gy  is  r adiat ed   from   the  nu cl ei   in  a  t ypic al  tim e  con sta nt   (T 2 *)   of   fe w   te nth s  of   m i cro sec onds  to   a  few   m illi se conds .    The  res on a nce   fr eq ue ncy  de pends  on  both   the  qu ad r upol e  m o m ent  and   the  e le ct ric  fi el d  gr a dient  he nce  is   a  pro per ty   of   no t  only   the  nucl eus   but  al s o  of   t he  m at erial .  Fo r   m os t  of   t he  orga nic  cryst al s  the  re so na nce  fr e qu e ncy  li es  belo w  10  MHz .  14 N  NQ R  f re qu e ncies  f or   organ ic   c om po unds   li ke  ur ea ,  NaNO 2,   RD X  et c  li es   in  the  range  of  1 - 5  MHz  [1 - 3 ].   T he  e xp l osi ve  detect io n  via  N QR  is  al so   base d  on  presence   of  14 N   as  al l  exp l os ives  usu al ly  co ntain  nitroge n  [ 4].   NQ R  is   relat e d  to   N uclear   m agn et ic   Re sonance   ( NMR)   [5 ] ,  w hich  is   al so   known   by   on e   of  it s   app li cat io ns ,  Ma gn et ic   Re sonance  Im aging  (MRI).   NMR  i s  a  sp ect rosco pic  te chn i qu e  wh ic h  is  us e d  t o  detect   the  com po un ds  by  obser vi ng   t he  res onance  sig nal  f ro m   at o m ic   nu cl ei   with  non - zer o  s pin   inside    the  com po un d.  As  f or   NMR  la rg e  m agn et ic   fiel d  is  require d,   it s  fiel d  ap pl ic at ion   bec om e s  lim it ed  and   he nce   the   NMR - ba se d  ex plo sive  detect ion  syst e m s  are d evel oped fo r  lugga ge  scr eenin g   [6 ] . Ho wev e r,  unli ke NMR ,    the  j ob  of  pro du ci ng   the  s pe ct ro sc op ic   ene rg y  le vels  in  NQ R  is  carrie d  out  by  the  cryst al li ne  el ectr ic   fiel d  gr a dient a nd  he nce, N QR  do e s not re quire a   st at ic   m agn et ic  f ie ld.   Or i gin al ly   conceptuali zed  a nd  obse rv e d  by   I.   I.   Ra bi  [ 7 ] ,  te chnolo gy   of   NMR  de velo ped   i n  instru m entat ion   an d  theo ry  al ong  with  the  dev el op m ent  of   RF  te chn ol ogy  durin g  the  world  wa r  an d  la te r  com m ercial   in strum ents  fo r  obser vatio n  of  NM R  and   Ma gnet ic   Re so na nc e  Im aging   (MRI)  we re  avail able  for   var i ou s  c om pan ie s.  NQ R  howev e r  rem ai ned   as  a  s pecial iz ed  fiel d  an d  the  de velo pm e nt  in  this  fiel d  wa s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec   &  C om p  En g   IS S N: 20 88 - 8708       Desig n of  pr ob e for N QR/NM R d et ect io n   ( Pr eet i   Hemnani )   3469   lim it ed  to  sp eci al iz ed  app li cat ion s  li ke  m i ne  an d  dru g  de te ct ion .    The  theo reti cal   devel op m ent  in   NMR  is  ver y a dvance d t o  the e xte nt th at  N MR  d e vice s ar e  bein g de ve lop e d for  qu a ntu m  co m pu ti ng   pur po ses  [ 8 ].   The  N QR  w orkin g  pri nciples   are  si m il ar  to  tho se  of   NMR.   NQ R  dif fers  with  NMR  only   in  the  way   nu cl ea r  m agn e ti c  m o m ent  and  the   exter na l  m agn et ic   fie l d  interact s ,  w her e   unli ke  N MR ,  N QR  e xploit s    the  interact io n  betwee n  the  el ect ric  qu a drupole  m o m ent   of   nucl e us   an d  EF G  that  surr ounds  the  nucl eus.  Ther e f or e,  NQR   do es  not  re qu i re  an  exter nal  m agn et ic   fiel d.   Atom ic   n uclei   with  sp i n  I> 1/ 2 ,  s uch   as  14 N     (I = 1) ,  17O  (I = 5/2), 35 Cl   ( I= 3/ 2),  63Cu (I = 3/2)  possess  a  non  sphe rical   ch arg e  distrib ution   (s hap e )  a nd   hen c e   a  quad r upole  m o m ent.  I n  N QR,  t he  el ect r ic   qu a dru pole   m o m ent  (d e no te d  by   Q )  int eracts  wi t h  E FG   of   the  no n - c ubic   cryst al   sit e  whic h,   m uch   li ke  the  Zeem an  ef fect  of  NMR,  r esults  in  t he  e ne rg y  of  the  nu cl eus,  dep e nd  on  it s  or ie ntati on   with  resp ect   to  E FG .   FP G A  bas ed  pu lse d  N Q R  syst e m   is  de sign e d  us in g  pa rall el  tun e d  pro be   [ 9 ] .  Two   ty pe  of  prob e  ci rc uit s   are  avail able.  Re search  was  done  on   wh ic h  ty pe  of   pr ob e  to  be  us e d.  T his  pa pe r descri bes  a bout t he  tw o  ty pe s of  pro bes  a nd  wh ic h  to  b e   us e d based  on t he  st ud y.       2.   FPGA  BA SED P ULSED  NQR  SYST EM  DESIG N   An   N QR /NM R   syst e m [10,  11] ,  in  ge ne ral,  is  com po sed  of  fo u r  sect io ns,  transm itter,  prob e ,  recei ver   and   c om pu te r  con t ro l   as  sho wn   in  Fi gure  1.   The  tra ns m i tt er  sect ion   is  desi gne d  to  ex ci te   the  nu cl ei   us in g   a  high   pow er  RF  pulse ;  he nc e  it   is  com pr ise s  of  a n  R F  s ource,   a  pu lse   pro gr am m er  and  a  powe r  a m pl ifie r.  The  r ecei ve r  s ect ion   is  desig ned   to  re cei ve  weak   sig nal  f ol lowing  the  str ong   excit at io n  and   it   com pr ise s  of   a  pream plifie r,   detect ors,   fil te rs.   T he  c ompu te r  c on tr ol  cou l d  pro du ce   the  require d  pu lse   seq ue nc e  f or  excit at ion   of  nu cl ei ;  howe ve r  it   is  designed  to  ac quire,   dig it iz e,  store   and   process   the  data.  I n  highly   so phist ic at ed  c omm ercial  syste m s the co m pute r  co ntr ol m od ule  r un s  the e ntire  process.   FPGA  base d  pulse d  14 N  N Q R  sp ect r om et e r  wh ic h  is  de ve lop e d  as   a  pa rt  of  th e  work  is  ex plained   in [ 12 - 1 4 ] . F P GA  c hip   co ntai ns  larg e  num ber  o f pro gr am m able log ic  g at e s in  wh ic h  any o f  the  dig it al  circuits  can  be  desig ne d  us i ng   hard war e  descr i ption   la ngua ges  li ke  V HD L  a nd  Ve rilog.  T he   dig it al   ta sk s   of   this   sp ect r om et er  li ke  pu lse   pro gr am m er  (P P) ,  Direct  Digital   Synth esi zer   (DDS )   [ 1 5 ,   1 6 ],   dig it al   dem od ulato r   [ 17 ] ,  lo w  pa ss  Finit e  Im pu lse   Re sp onse  filt er   (FIR)   [18 ]   are  desi gn e d  usi ng     sin gle  c hip   of  FPGA.  T he  a na log   per i ph e ral s  su c h  as  cr os s   diodes,  pr e - a m pifier,   qu a rter  wa ve  tra ns f orm er  and   pr obe  wer e   al so   desig ne d  as  par t  of   th is  research.  T his  pa per   ex pl ai ns   the  desi gn   a nd   dev el op m ent  of   pr ob e  for   the N MR /N QR  sp e ct r om et er.           Fig ure   1. Bl oc k  diag ram  o f  pulse d  N QR  pec trom et er       3.   NMR/N QR P ROBE   The  job  of  a n  N QR  prob e   i s  tw ofold.  It  i s  re qu i red  to  pro du ce   the  R F  m agn et ic   fiel d  that  i s   su f fici ently   str ong  t o  e xcite   the  nu cl ei   a nd  require d  to   be   sensiti ve  e no ugh  t o  detect   the  weak  sig na l  after    the  excit at io n  is  com plete .  The  m os t  su it ab le   pro be  ci rc ui t  for  this   pur pose  is  t he  tu ne d  LCR   ta nk  ci rcu it .     The  Fig ure   2  sh ows   series   a nd  pa rall el   ta nk  ci rc uits  that  can  be  us e d  f or  this  pur po s e.  Since   in   the   tune d  conditi on,  t he  ta nk   ci rcu it s  ha ve  e xtrem e  i m ped ances  ( ze ro  or  in finity   theo reti cal ly ),   the  tra nsfer  of  powe r   into  th e  c oil  as  well   as   tran sfer  of  si gn al   from   the  coil  require  ad diti onal   com pone nts  that  c ou l d  m at ch     the  im ped ance  of  these  ci rcu it   to  the   outp ut/i nput   im ped anc es  of  the   am pli fiers.   This   is  ty pical ly   achieve d  by       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t  2020 :   3468  -   3475   3470   m aking   us e  of   sta nd a rd   im ped ance  c onfi gur at ion   f or   t he  com po ne nts  in  the  ci rcu it   an d  m at ching   the  pro be  i m ped ance   to   that  value.  T he  auth or  ha s  us e d  50  Oh m   com pone nts  wh e re  as  75   O hm   stan da r d  config urat ions   are also  av ai la ble co m m ercia ll y.             Fig ure   2. The   par al le l an d ser ie s LC probe       The  Q  fact or   of   the  ta nk  ci r cuit  play s  an  im po rtant  ro le   in  a m plifyi n g  the  excit ing   si gn al   f ur t her.  Howe ver   this  is  bo t h  a  boon  and   a  ba ne  as  the  vo lt a ges  in   the  coil  cou ld   easi ly   go   beyond  the  brea kdow n  vo lt age s  of  t he vari ou s  co m ponen ts  of the  cir cuit an d  r esult  in brea kdown or   sp a rk i ng etc .   S o  th e pr ob e   needs  to  hav e   a  good  i ns ulati on  a nd  nee d  to   us e  com po ne nts  w it h  hi gh  volt ag e  rati ngs  w herever   re quired .  A  c oil   al ways  has  a  r esi sta nce  ass oc ia te d  with  it   an d  the  sa m e  ser ves  as  a  dam pin g  t o  the  Q  of   the  ci rcu it .  O ne   m a y  add  ad diti on al   resist ances  t o  the  ci rc uit  in  order  to  furthe r  dam pen   t he  Q  or  for  the   pur poses  of   m at ching    the  i m ped ance   of   the  pr ob e   with  rest  of  th e  el ect ro nics.  The  hi gh   Q  is  al so   associat ed  with  a  lo ng   recove r  tim e  (r ing i ng)   of  the   probe.   A dd it io nal  ci rcu it ry  ca n  be   us e d  i n  s uc h  case  t o  s witc h  t he  Q  to   da m pen     the r i ng i ng [ 1 9 ].   In   m os t  of   the  m od ern   ci rc uits,  a  sing le   coil  is  us ed  f or  both  excit at ion   of   the  nu cl ei   and   detect ion   of  sign al s.   T his  po ses  so m e  string e nt  requirem ent  of  the  pro be s  an d  ad diti onal   ci rcu it ry  t o  i so la te   the   excit at ion   and  detect io n  ci rcu it s. I n  s ome   of  the  desig ns  [ 20 ,  21 ]   the  t ran sm it te r  and  receive r  c oils  are  di ff e ren t,   wh ic h  si m plifie s  the  el ect ro nics  a nd   al s o  m akes  it   easi er  to  op ti m iz e  the   ind e pende nt  requirem ents  of   bot h  transm itter  an d  receiver .  H ow e ve r,   m echan ic al ly ,  the  c ro ss   coil  a rr a ng em ent  is  m or e   com plica t ed  th a n    the  sin gle  c oil  syst em   becau se  a  la r ge r  volum e  is  req ui r ed  i n  the   cr osse d  c oil  ar ra ngem ent.  More ove r   i so la ti ng   the  t ran s f or m er  co up li ng  betwee n  the  e xcita ti on   c oil  an d  t h e  recei ving  coil  cou l d  be   qu ite   a chall en ge.   Seve ral  desi gns  ha ve  been  pro po se d  for  NQ R  c oil.  F or  la b  desig ne d  s pectr om et e rs,   a  sim ple   so le noid  is  of t en  em plo ye d,   wh e re  the  sam ple  unde r  st udy  is  placed  insi de  the  c oil  that   enab le s  t he  ef fecti ve   util iz at ion   of  t he  m agn et ic   fi el ds .  For  fiel d  app li cat io ns   re qu i rin g  the   detect ion   of  c hem ic al   com po unds,  a  flat   patte rn   c oil  is  of te n  us e d.  Ther e  are  al so   so m e  coil  desig ns   that   p r ov i de  m or e  robu st  inter fer e nce   rej ect io n  [ 2 2 ] .  In   or der   to  m a ke  the  receive r   con fi gurati on  si m pler,   it   is   ob ser ve d  that  the  par al le l  ta nk   ci rcu it   is m or e d esi ra bl e for  a n NQ R   pro be.     The  pro be  ci rc uit  has  a  coil  a nd   tw o  va riabl e  capaci tors.   W it h  the  ad j ustm ent  of   capaci tors   the  pro be   ci rcu it   is  co nf i gure d  so   t hat  the  tu ning  is  ac hieve d  ove r  th e  desire d  f re quency  ra ng e  with  an  i nput  im ped anc e   of   t he  pr ob e  ci rcu it   at   50.T he  f orwa rd   po wer   ge ner at e d  by  powe r  am plifi er  is  tra nsfer red   t o  the  pro be,   by  m at ching   the  i m ped an ce   of   pro be  to  50   oh m .  Also  the  sign al   ge ner at e d  by  prob e  will   be  eff ic ie ntly   trans ferred  to  de te ct ion   ci rcu it   as  the  pr obe  im ped ance  is  m at ched   to  50   ohm   wh ic h  is  the  inp ut  im ped ance  of  pre - am plifie r. The  t wo  pr ob e   ci rcu it s  ,   serie s  tu ned  ci rc uit  an d  pa rall el   tun e d   ci rcu it   a re  discusse d  he re .     Th e  pa rall el   tun ed  LC  ci rc uit  i m ped ance  m at ched   to  50  ohm s  with  a  ser ie s  capaci tor  is  sh own  in  F ig ure   3.   The  ca pacit ors   are  var ie d  in  order  to  t un e   the  ci rc uit  to  th e  res on a nce  frequ e ncy  a nd  m at ch  the  ci rc uit  to  50   oh m s  for  m axim u m   po wer   t r ansf e r  from   the  transm it te r.   Fo r   the  ci rcu it   show n  i n  Fi g ure   3.   T he  im ped a nce   betwee n A a nd C eq uals :     Z AC =   Z BC + 1 j ω C M = ( R + j ω L ) / j ω C T R + j ω L + 1 / j ω C T + 1 j ω C M   (1)     =   R ( 1 − ω 2 L C T ) 2 + ( ω C T R ) 2 + j ω L ( 1 − ω 2 L C T ) − C T R 2 ( 1 − ω 2 L C T ) 2 + ( ω C T R ) 2 + 1 j ω C M   (2)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec   &  C om p  En g   IS S N: 20 88 - 8708       Desig n of  pr ob e for N QR/NM R d et ect io n   ( Pr eet i   Hemnani )   3471       Fig ure   3.  Pro be  w it h pa rall el  tun e d  ci rc uit       R  is  the  resist ance  of  coil  at   r eso nan ce   f requ ency.  Si nce  th e  te rm s  2   an d  ( ) 2   are   very   sm a ll  an d neg li gib le , a s s how n  in  (2)   can  b e   si m plifie d  to :      =   ( 1 − 2 ) 2 +  ( 1 − 2 ) + 1    (3)     In   or der   to  sat isfy  the  m at chi ng   co ndit ion   th e  real  par t  of   ( 3)   m us t  be  set   to  char act erist i c  i m ped anc e   of  the c onnecti ng co a xial ca ble which is  50Ω  b y a dju sti ng    a t fixe d  f re qu e nc y:       ( 1 − 2 ) 2 = 50   (4)     Th us ,       =   1 − √ / 50 2   (5)     In   order   to  obta in  res on a nce  at   sa m e  f req ue ncy  i m aginar y  par t  of  ( 3)   m us t  be  zer o.   T hu s  e q uati ng   i m aginar y pa rt  of (3)   to ze ro,  we get :     =   √ / 50 2   (6)     The   prob e  ci r cuit  with   se ries  tun e d  LC  ci rcu it   im ped an ce  m at ched   to   50   ohm s  wit h  a  pa rall el   capaci tor   is  s how n  i n  Fi g ure   4.           Fig ure   4. Pro be  w it h serie s t uned  circ uit       Fo r  the  circuit  sh ow n  in  Fi g ure   4  t he  im ped a nce  betwee n A  and C e qual s :      = (   +  + 1  ) ∗ 1  (   +  + 1  ) + 1    (7)      =   2 2 2 2 2 + ( 2 − − ) 2 − 2 2 2 + ( 2 − 1 ) ( 2 − − ) 2 2 2 2 + ( 2 − − ) 2       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t  2020 :   3468  -   3475   3472   R  is  the   resist a nce  of  c oil  at   r eso nan ce   f requ ency.  Since  t he   te rm s  ( 2 − − ) 2 ver y  sm al l   and n e gligi b le ,  as s how n  in   ( 7 )   ca n be sim pli fied  t o:      =   2 2 2 − ( 2 − 1 ) ( 2 − − ) 2 2 2 2   (8)     In   or der   to  sat isfy  the  m at chi ng   c onditi on   th e  real   par t  of   ( 8)   m us t  be  set   to  char act erist i c  i m ped anc e   of the c onnecti ng co a xial  ca ble   w hich  is  50Ω  b y a dju sti ng    a t fixe d  f re qu e nc y:       2 2 2 = 50   (9)     Th us ,       =   1 √ 50     (10)     I n  order   to  obta in  res on a nce   at   sa m e  fr e qu e ncy  i m aginar y  par t  of  ( 8)   m us t  be  zer o.   T hu s  e q uati ng   i m aginar y pa rt  of  ( 8)   to ze ro,  we get :     =   1 2   (11)       4.   DESIG N OF  COI L   The  RF   coil  c om bin es  with  m at ching  ci rc uit  to  f or m   a  res onant  ci rc uit,  an d  w orks  unde r  t he  r eso na nt   sta te )   [ 23 ] .   I de al   coil  sho uld   possess  unifo rm   RF  fiel d,  go od  fill   fa c tor  a nd  high   qual it y  facto r  ( Q ) .   The  am plit ud e   of  RF  volt ag e  w hich  a ppe a rs  at   the   te rm i nal  of  t he  ta nk  ci rc uit  at   re so na nce   f requ ency  is   pro portion al   to   qu al it y  factor   of   the  c oil  thu s   it   is   adv isa ble   to  us e  coils  w it h  hig h  Q  fact or   [2 4 ] .  The  qual it y  factor i s  know n  as  Q   val ue  a nd it  r e pr ese nts  the  rati o of  i nductive  r eact a nc e an d  e qu i val ent loss  r esi sta nce.     = 2    (12)     Wh e re    is  the   fr e quency,     is  the  in du ct a nce   of  the  coil,  and  R  is  the   total   loss  re sist ance.   The    value  is  hi gh e r,   the  l os s   of   t he  ci rc uit  is  s m al le r,   the  sign al   am plific at ion   is  str onger,  the  f re qu e ncy  sel ect ivit y  is  bette r,   and   fr e quency  sta bili ty   of   res onant  ci rcu it s  is  higher .  Howe ver   the   bandw i dth   be com es  ver y  narrow  at   high    resu l ti ng   in   exces s ive  loss   of  use fu l  si gn al   s pectral  c om po nen ts  a nd  e ne rg y.   Th us   t he  key  de sign  of  c oil  is   the  sel ect ion  of    an d  t he  range  of  the   var ia ble  ca pacit or s .  Seve ral  c oils  wer e   wou nd  an d  te st ed.   The   one  t ha t  was  finall y  us e d  f or  this  w ork  was  with  l eng t h  to   diam e te r  rati o  of  tw o  [ 2 5 ] ,  is m ade o ut  of   17 AG W  c oppe r wire a nd h a s  32 tur ns   of 20   m m  d iam et er o f  le ngth  40 mm .   Sm it h  Softwa r e  is use d  t o  fin d  t he  ra ng e  o f   inducta nce  o f   c oil  with   a vaila ble  ca pacit ors    and    of  (5   pF - 125  pF) .  The   capaci t or s   us e d  a re  high  vo lt age   ( 5kV)  vac uum   var ia ble  ca pa ci tors.   Acc ord ing   t o  inducta nce ,  th e  coil  diam et e r  an d  the   le ng th  of  tu rn s ,  th e  tur ns   of   t he   coil  windin g  wer e  cal c ulate d  by   inducti on   cal c ulati on   s of t wa re.  T he  coil  w as  desi gne d  an d  m ade  m echa nical   sta ble  by  po tt in g  it s  tur ns   in   resin base d  a dhesi ve  (Aral dite ®) . T he  i nduc ta nce of  t he  c oil i s 8  H.       5.   DESIG N OF  PROBE   Fo r  obser ving  14 N  NQ R  sig na l  fr om   NaN O 2   (N QR  Fr e que ncy  =4.64 M Hz )  and   L  =  8  H.   The  value   of   cap aci tors  f or   pa rall el   tun e d  ci rcu it   pro be   as  per   (5)  an d  (6)   are  C T =126 .4pF  ,  C M =  20 . 8pF  ,A ls o  sim ulate d  us in g   Sm it h  so ftwar e  a s  sho wn   i n  Fig ure  5   the  value s  of  C T   and   C M   are   126.5 pF   a nd   20.7   pF   res pec ti vely .   The  val ue  of  capaci tors  for  ser ie s  tu ne d  ci rcu it   pro be  as  per   ( 10 )   a nd  ( 11 )   are  C T =1 4 7  pF,  C M =  4.8 5  nF .   Also   sim ulated   us in g   Sm it h  softwa re  as  s how n  in   Fig ur e  6   t he  values   of  C T   a nd  C M   are  151.8 pF  an d   4.8  nF.   T he  pa rall el   tun e d  LC   ci rcu it   pro be  l ooks   fine  for  t he  w ork  a s  val ues  of   ca pac it ances  a re  m at ch ing   t o  values  of   a vaila ble  capaci to rs .  The  val ues  of   capaci tors  in  s eries  pro be  are   no t  as  pe r  the  rati ng s  of   a vaila ble  capaci ta nces  a nd   al s o  the  siz e  of   va riable  c apacit o r  of   ra nge  in  nF   is  to o  la rg e .  For  a  current  pulse d  NQ R   sp ect r om et er   par al le l  tun e d  ci rcu it   prob e   wit h  c oil  of  8  H   was  de ve lo pe d  a nd  ph oto   is   show n  i n  Fi gure   7.   The  pro be  ci rc uit  is  sh ie lded  inside  an  al um inu m   bo x  an d  is  well   gr ound ed   to  re du ce  t he  noise .  The  coil  is   m ade  m echan i cal ly   sta ble  by  bindin g  it s  tur ns   usi ng  a  resi n  bas ed  a dhesi ve  ( Ar al dite  ® ).   T he  f orwa rd  power  is  m axi m ise d  and  re flect ed  powe r  is  m ini m ise d  by  tu nin g  an d  m at chi ng   of  the  pro be.   T he  for wa rd   a nd   ref le ct ed  pow er  is  obse rv e d  by  di recti on a l  coupler  buil t  in  the  t ran s m itter.  Fig ure   8  s hows   t he   plo t   of   i m ped ance  of  pro be vers us   frequ e ncy.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec   &  C om p  En g   IS S N: 20 88 - 8708       Desig n of  pr ob e for N QR/NM R d et ect io n   ( Pr eet i   Hemnani )   3473         Fig ure   5. Sm ith  c har t a nd sc hem at ic  o f  pr obe w it h pa rall el  tun e d  ci rc uit o btained  fro m  sm it h  so ftwa re             Fig ure   6. Sm ith  c har t a nd sc hem at ic  o f  pr obe w it h pa rall el  tun e d  ci rc uit o btained  fro m  sm it h  so ftwa re             Fig ure   7. P ho t ogra ph of  par al le l t un ed  circ uit  pro be     Fig ure   8. im pe dan ce  of   prob e v s   f reque ncy.  hor iz on ta l a xis  is fr e quency i n M Hz,   ve rtic al  ax is i n   le ft is Z _pr ob e  in  oh m s,v erti cal  a x is i n rig ht is  phase i n degrees     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t  2020 :   3468  -   3475   3474   6.   RESU LT S   6.1.   14 N  N QR si gnal   FPGA  base d  NQ R   sp ect rom et er  us in g  pa rall el   tun e d  pro be  ci r c uit  w as  desi gn e d  a nd  de vel op e d.   It  was  us e d  to  ob s er ve  14 N  N QR  sign al   f rom   NaN O 2 .   Fig ure   9  s hows  th e  14 N  NQ R  sig nal .  The  obse r vatio n  fr e qu e ncy  is  4.642  MHz  wh e re   as  the  sign a l  is  of f  res on a nt  by  about  25 00   Hz  res ul ti ng   in  os ci ll at ory   NQR   sign al .   RF  e xci ta ti on   pulse   le ng t h  of  20   μs   and  po wer  of  120   W  was   use d  for  e xcita ti on.  T he  pulse   l eng t h  is   sel ect ed  su c h  t hat it  is a  / 2   puls e, to get m axim u m  a m p li tud e   of  NQ R si gn al .           Fig ure   9.  14 N NQ R  sig nal fr om  N aNO 2       7.   CONCL US I O N   A n   F P G A   b a s e d   p u l s e d   N Q R   s p e c t r om e t e r   i s   e x p l a i n e d   i n   t h i s   p a p e r .  T h e   e n t i r e   d i g i t a l   t a s k   r e q u i r e d   for  s p e c t r om e t e r  s u c h  a s  P u l s e   P r o g r a m m e r ,  D D S ,  D i g i t a l   R e c e i v e r ,   a  l o w  pa s s  F I R  fi l t e r  a n d  d a t a  a c q u i s i t i o n   i s   d e v e l o p e d   i n   F P G A .   Also,  the  analo g  pe riph e ral  com ponen ts  s uch   as  pre - am plifie r,   cro ss  diodes ,   qu a rter   wav e  t ran s f orm er  and   pa rall el   tun ed   p robe   wer e  desig ne d  an d  dev el op ed .   S e ries  a nd  par al le l  ta nk  ci rcu it s   wer e  sim ulate d .  The  sim ulatio n   show s  tha t  ran ge  of   va riable   capaci tors  re quire d  for  pa rall el   tun ed  ci rc uit  are   of lo wer   ra ng e   (so easi ly  av ai la ble)  as  co m pa red to t hat r e qu ired fo r  se ries t un e d  ci rcu it s.         REFERE NCE S   [1]   Garrowwa y   A .   N,  Buess  M.  L,  Mill er   J.  B ,   Suit s  B.   H,   Hibbs  A.  D,   Barr a ll  G.  A,  Mat th ews  R.   and  Burn et t   L .   J,   “ Remote  sensing  b y   nuclea r  qu adr upole   reson a nce , ”   in  IEEE  Tr ansacti ons  on  Geosci ence  and   Re mote  Sensin g ,   vol.   39 ,   no .   6 ,   pp .   1108 - 1118 ,   Jun e  2001.   [2]   Sheng y un  Z . ,   Xing  L. ,   Zhon gche ng   L.,  Guobao  W . ,   and  W ei guo  S. ,  “ A ppli c at ion  of  Nuclear  Quadrupol e   Resonanc e  to  Detect ion  of  Explos ive s  a nd  Rese arc h  Act ivi t ie s  at   CIAE,”   Inte r nati onal  A tomic  Ene rgy  Ag enc y   ( IAE A) ,  vol. 43,  no.   18 ,   2010 .   [3]   E.   Gudm undson ,   A.  Jakobss on  and  P.  Stoic a  “ NQ R  base d  Ex plosive   detec t ion - An  Overvi ew, ”   9 th   Inte rnational   sympos ium  on  signal  Circu it s an d  systems   ( ISSCS) ,  Iasi,   Rom an i a ,   Jul y   2009.   [4]   P.  Hem nani ,   G.  Jos hi,   A.  K.  Raj ara j an  and  S.  V.  G.  Ravi ndra na th ,   “ 14 N  N QR  spec tromete r  for   exp losive   detec t ion:  A  rev ie w, ”   20 16  Inte rnationa l  Confe ren ce   o n  Aut omati c  C ontrol  and  Dy namic  Optimiza ti on  Techn ique s  ( ICACDO T ) ,   Pune,   pp .   1120 - 112 5,   2016 ,   Doi:   10. 1109/ICACDO T. 2016. 7877761 .   [5]   W .   L.  Roll wi tz,  J.   D.  King ,   and  G.  A.  Ma tz k anin,  “ Fundam ent als   of  nuclea r   m a gnet i c  reson anc e   for  th e  d et e ctio n  and  id ent if ic a ti o n  of  exp losive s, ”   Proc ee dings  of  New  Con ce p ts  Symposium  and  Workshop  o n  detec t ion  an d   Ide nti f ic a ti on  o f Ex plosi ve s ,   1978 .   [6]   Flexman  J.   H.,   Rudakov  T.   N . ,   Ha y es  P.   A.,   S h anks  N.,   Mikha l tsevi tc h   V.   T . ,   C hisholm   W .   P.,   “ The   Detect ion  of  Expl osives  in   Airport  Lugg ag e  Us ing  the  Di rec t   Nucl e ar  Q uadr upole  Reso nanc e   Method”  In:  Schube rt  H.,   Kuzne tsov  A.,   “ Dete c ti on  of  Bu lk  Expl osives  Advanc ed  T ec hn i ques  aga inst  T e rrori sm , ”   NATO  Sci ence  Serie s  ( Serie s II:  Math emati cs,   Ph ysic s   and  Chemistry) ,   vol   138 ,   Spring er,   Dordr ec ht ,   2 004.   [7]   Rabi ,   I.   I . ,   Z ac h ari as,   J.  R. ,   Mill m an,   S.,   Kus ch,   P.,   “ A  New  M et hod  of  Mea suring  Nucle ar  Ma gnet i c  Mom ent , ”   Phy sica l  R evie w   Journals  Arch ive ,   vo l. 53,  no.   4,   pp.   318 - 318 ,   Fe brua r y   1938 .   [8]   Glase   S.   J.,   “ NM R  Quantum  Com puti ng, ”   Ang ewandt e  Ch emie  Inte rnationa l  E dit ion ,   vol .   40 ,   n o.   1,   pp.   147 - 14 9,   2001.   [9]   Hem nani   P. ,   Ra ja ra ja n  A .   K. ,   J oshi  G. ,   R avi nd ran at h   S.   V.   G.,  “ FP G A  base d  Puls ed  NQ R  spec tromet er , ”  A I P   conf er en ce P roc ee dings ,   v ol .   15 91,   no .   1 ,   pp .   66 1 - 663 ,   2014 .   [10]   Kaz u y uki  J.   S. ,  “ Hu m ani ta ri an  de - m ini ng:  Det e ct ion  al gori thms   for  NQ R  signal s , ”   M.S .   The si s,  Univer sit y   of   Twe nte,  Ne the rl and ,   Janu ar y   200 4.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec   &  C om p  En g   IS S N: 20 88 - 8708       Desig n of  pr ob e for N QR/NM R d et ect io n   ( Pr eet i   Hemnani )   3475   [11]   Kaz u y uki  T . ,   “ OP ENCORE  NMR:   Open - source   cor e  m odule s  for  implementi ng  an  int egr ated  FP GA - base d  NM R   spec tromete r , ”  J ournal  of  Magn e ti c   Re sonanc e ,   v ol.   192 ,   no .   2 ,   pp .   218 - 229 ,   2008 .   [12]   Hem nani   P. ,   Rajara j an  A.   K.,   Jos hi  G. ,   Ravi ndr an at h  S.   V.   G.,   “ The   Buil ding  of  pulsed  NQ R/NM R  Spect rom et er , ”   Inte rnational   Jo urnal  o f El e ct ri c al  and  Comput er  Engi n ee ring   ( IJE CE) ,    v o l.   8,   no .   3 ,   pp .   1442 - 14 50,   June   2018.   [13]   Hem nani   P.,   Rajara j an  A.  K.,   Jos hi  G.,   Rav indra n at h  S.  V.  G. ,   “ Deve lopment  of  L ow  fre quency   pu lsed  NM R/NQR   spec tromete r , ”   Global  J ournal   of  R ese arch  in  E ngine ering ,   vol .   16,   no .   2 ,   2016 .   [14]   Hem nani   P.,   Rajara j an  A.  K.,   Jos hi  G.,   Ravi ndra nat h  S.  V.  G.,   “ FP GA  base d  RF   pulse  gene rat or   for  NQ R/N MR   spec tromete r , ”   P roce dia  Comput er  Scienc e ,   vol.  93,   pp .   161 - 168 ,   2016.   [15]   Eva   M . ,   Colm   S. ,   “ All about   Dir ec t   digital s y nth esis , ”   Ana log   Di alogue ,   v o l .   38 ,   Augus t   2004.   [16]   João  G . ,   Jorge   R .   F.,   Manu el   M .   S.,   “ A  Rec onfig ura ble   qu adr a tur e  oscillat or   base d  on  a  DD S  s y st em , ”  DCIS  2006 ,  [Online ] .   Avai lable.   ht tp: / /www . ine sc - id. p t/ fi cheir os/publi cacoe s/3 627. pdf   [17]   Fukus hima,   R. ,   “ Expe riment al Pulse  NM R:   Nuts  a nd  Bolt s  appr oa c h ,”  W estvie w  Pr ess ,   1993.   [18]   Gurpada m   S.,   Nee la m   R.   P. ,   “ FPGA  Im ple me ntation  of   Hig her   Order   FIR  Filt er , ”   In te rnat ional   Journal  o f  El e ct rica l  and   C omputerEngi ne e ring ( IJE CE) , v o l.   7 ,   n o.   4,   pp . 18 74 - 1881 ,   Augus t   2017.   [19]   Mark  S.   C. ,  “ FET  Q  sw it ch  fo r  pulsed  NM R , ”   Re v ie w  o f  Sc ientif i c  Instrum ents ,   vol.   48 ,   issue   3,   pp.   359 - 361,   Marc h  1977 ,   Do i:   10 . 1063/1 . 113 5027   [20]   Grec hishkin  V.  S.,   “ NQ R  devi ce   for  det ec t ing  pla stic   expl osiv e s,  m ine s,  and  dr ugs,”   Applied  P hysic s  A ,   vo l.   5 5,   no.   6 ,   pp .   505 - 5 07,   1992 .   [21]   Rudakov  T.  N.,  Bely akov   A.  V.   and  Mikha lts evi ch  V.  T.,  “ A  low - fre quency   instrument  fo r  remote  nuc lea r   qu adr upole re so nanc e   exp eri m en ts, ”  M easuremen t  Sc ie nc e   and   Te chnol ogy ,   vo l. 8, no. 4, pp. 444 - 4 48,   1997 .   [22]   Suits  B.   H. ,   “ Th e  noise   imm unit y   of   gra d iometer  coi ls  for  14N  NQ R  la nd  m ine  detec t i on:  pr act ic a l  l imita t ions,"  Appl ie d   Magne tic  R esonanc e ,   vo l .   25 ,   no .   3 ,   pp .   3 71 - 382,   Sept ember  2004.   [23]   Hao,   F. ,   Xu  G. ,   Huang   X. ,   “ Stud y   of   RF   Coil   in  NQ R  Expl o sive  Det ec t ion  S y stem , ”   Procedia  Engi n ee rin g ,   Vol.   43 ,   pp .   302 - 306 ,   2012 .   [24]   Alan  G.,  Tomaž   A .,  “ Aplicabi li t y   of   TNT  “ supe r - QQ   det ection”  to  m ult ipu lse  s eque nc es ,”   Jour nal  of   Magn et i c   Re sonance ,   vo l.  201,   no .   2 ,   p p .   1 31 - 136 ,  Sept ember  2009.   [25]   Minard  K.  R. ,   W ind.   R.   A.,   “ Solenoi dal   Micro  coil  Design - Part1:   Optimizi ng  RF   H om o gene i t y   and  Coil   Dim ensions, ”   C once pts  in  Magn et i c  R esonanc e ,   vol.   13 ,   no .   2 ,   Ja nuar y   2001.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.