液体窒素冷却NMRプリアンプLNA4R4取扱説明書 版2017/11/14 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： R3からR4への改造
最高周波数が200MHzから280MHz程度になる。

i) C37,C61を取り外す
ii) L13を10nH(Murata LQW2BHN10NJ03L)に変更

iii)

写真の通り

T1とダイオード基板の接続中心導体のハンダを外し、上に少し曲げる。
その間に39nH（Wueth Electric 744912139）のコイルを適当に足を曲げて接続、中心導体と外部導体の間に15pF(ラジアル部品)をつなげるv) L12を22nH(MLG1005S22NJT), C45を10pFに変更

ゲイン������ ��������������������������������� ��������

���

付録３： 先行試作機R3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]4035302520020 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Frequency [MHz]

雑音指数

2

NF290 [dB]

1.5

10.5

0110100

Frequency [MHz]1000

RXT1150

L13

BAT15−099
10pcs.−in−parallel
arranged in line

10nH
non−magnetic core

BAT15−099
20pcs.−in−parallel
equal−length wiring21Ceramic capacitor in low−temp. stage: Panasonic ECJ (CK,CJ,CH)
PPS capacitor in low−temp. stage: Panasonic ECHU
Register: SUSUMU RR/RG thin−film

15pF

L1539nH
non−magnetic core

150

COAX SC−358/50−SCN−CN 57cm

S

70 Ohms, 3.3mm

C9085 Ohms, 1.2mm

D12Wilkinson, 2 stage
50 Ohms

51

1U16SU20
1U222U132S

SS
2300 RG1005

750 RG1005

R75

C40

1Q8

21Q6

21Q423

D20333

D15

1C36C34C32C253pF*12220pF*16C58R76

HSM1233pF

51 RG1005

150 RG1005

51

R721pF
C56C54C52

C48

C42C393pF

Q1421Q1321Q1121Q920.01uF PPS*16

D103331Q32C23 3pF

U2175 Ohms

R68

R62

R59

R55

R48

R44

R38

D53

FHX35LG
R30

51

R25

C3C8
U15

BAT15−099

101.5kR24

T2

TDK GLF2518 10uH
L32402200pF CH

L4C7

R923

110x510x3

100.01uF PPS

Q1

Q2

IRF7501

IRF7501

C22C211000pF
C271uF

220pF

22nH

L140.0047uF PPS
C375521214731

TDK ACF321825−223

10R281k

470

75 Ohms

10R29Wilkinson, 2 stage
50 Ohms

BAT15−0992TDK ACF321825−2234315k

COPAL SM−42X 100

0.1uF

U1C6

COAX SC−219/50−SCN−CN
50cm

E60.01uF PPS

E42ohms RR0816Q

100

CKD510JB1E104ST10uF

4

31/2 TLE2142

1ohm RR0816Q

100

51/2 TLE2142

1.5uH, non−magnetic core
CW252016−R82 2pcs−in−series

5150
R37

TDK GLF2518 10uH
L5

COAX SC−219/50−SCN−CN
50cm

220pF

31COPAL SM−42X 500

2200pF CH

1001000pF CH

470

EPCOS SIMID02−100 4.7uH

10239

COPAL SM−42X 1000.0047uF PPSEPCOS SIMID02−100 4.7uH0.0047uF PPSBAT15−099

L2C5

TDK GLF2518 22uH

0.01uF PPS

C4C1

R12
R131000pF

1R3R5

TDK GLF2518 10uH

C28

Wilkinson hybrid, 2 stage (simplified)
50 Ohms, 4−40GHz (isolation:−10dB)

D13C29COAX SC−219/50−SCN−CN
50cm

R77

R33
R39
R46
R51
R56
R60

1212121S
S
S

C16

R8
R16

HSM123SS

D6R42S

R18L7R20

L8C17R2R4
R775 Ohms

C62
C2
R101.5k31TDK ACF321825−223

RD3.0FM−AZ

D9

D8750 RG1005

1.5k RG1005
R70

BAT15−099

R61

R57

33D193

D163C47

12pF

Q1221Q10

22pF

1Q721Q52

FHX35LG

0.01uF PPS*8750 RG1005

1.5k RG1005
R52

R47

10R41

1.5kR34

51

R65

R53

C26 3pF

220pF*83pF*6

BAT15−099

300 RG1005

BAT15−099

1000pF

51 RG1005
C55 3pF

R71

1000pFE521.5k

240

BAT15−099

TDK ACF321825−223

1VinLM317

AdjustVout

U2

device=LM317EMP

210uF 25V

C11300 RG1005

1pF
C53C49C46C43C35C3351R35C15 CKD510JB1E104ST

E1CKD510JB1E104ST

0.1uF

COAX SC−219/50−SCN−CN
50cm2R11R6R15T5C10D17R21Z1C912R36R23T4R40L11R50C50T3331220pF

C18220pF

0.01uF PPS

220pF

22nH

L12

COAX SC−219/50−SCN−CN
50cm

C2410pF

0.0033uF PPS

1039x339x2

EPCOS SIMID02−100 4.7uH
L6

TDK ACF321825−223

EPCOS SIMID02−100 8.2uH

0.01uF PPS

E210uF 25V

COPAL SM−42X 500

CKD510JB1E104ST10uF

10HSM123

C13R1

D14R45R49

LNA ver. 4R4 for 77 K operation.
G=37dB, 1.5−270MHz
NF=0.3 dB (typ.)Kentaro Kitagawa

2R64R54

SC14U14C60

S
R731U18R69S
222112SSU192U10R66

C44

12R78
R79
D7R43

C12C19C30

D3C20C31

R171R26
T6R141R74

SC59

1R58

U62R63

U4C38S

D111S

2C51

11U8S

U32U51U17
D21U921C57

U7R67

D2D18R19L9R22C45

L10D4TDK GLF2518 4.7uH
L1470

R27 10EPCOS SIMID02−100 4.7uH

Oxley DLT4/L/22000

BAT15−099

E3R311000pF

R32

D1U12S22U11470

OV+ (15V)