Design and development of a 10khz-1mhz ac magnetic susceptomete

Abstract

Development and improvement of instruments used to characterize magnetic materials is one of the most important tasks in science, which could lead to relevant studies in material science and engineering. The AC magnetic susceptometer is an instrument which consists in a coil arrangement used to investigate magnetic properties such as magnetic susceptibility. Current AC susceptometer design present a limited frequency range, commonly up to 10kHz, preventing the study of magnetic properties dependence on magnetic field frequency, which is crucial in investigations such as specific absorption rate of nanoparticles used for hyperthermia treat- ment. For this reason, the design and development of a frequency improved AC susceptometer operating from 10 kHz to 1MHz with a constant excitation field of approximately 4.25 Oe is of interest. Some considerations such as wire selection to avoid parasitic capacitances between the turns and sensing bridge electronics were further developed in order to extend the operating frequency range. A high speed in- strumentation amplifier with a slew rate over 33V/μs was designed and constructed using voltage feedback LM7171 operational amplifiers. The AC susceptometer operation in the 10 kHz-1MHz frequency range was validated by measuring the complex magnetic susceptibility of cobalt ferrite nanoparticles suspended in different mix- tures of mineral oil and hexane. The viscosity of the solvents were obtained from the Brownian relaxation time equation and compared with the viscosities obtained from a validated instrument. Results were in good agreement with the theoretical Debye model.

El desarrollo de instrumentos para caracterizar materiales magnéticos es una de las labores mas importantes en las ciencias, el cual puede llevar a estudios relevantes en las ciencias de materiales e ingeniería. El susceptómetro magnético AC es un instrumento que consiste de un arreglo de embobinados el cual es usado para investigar las propiedades magnéticas de los materiales tal como la susceptibilidad magnética. Los susceptómetros AC que se han desarrollado actualmente presentan un rango limitado de frecuencia que llega comunmente hasta 10kHz, lo cual evita el estudio sobre la dependencia de frecuencia de las propiedades magnéticas, siendo esto crucial en estudios tales como la razón de absorción específica de la nanoparticulas que se usan para hipertermia. Por esta razón se interesa diseñar y desarrollar un susceptómetro AC con un rango de frecuencia mejorado que opere desde 10kHz hasta 1MHz con un campo de exitación constante de 4.25 Oe. Algunas consideraciones tales como la selección de cable para evitar las capacitancias parasíticas que existen entre los cables de los embobinados y el circuito de medición fueron desar rolladas con el propósito de extender el rango de operación de frecuencia. Un amplificador de instrumentación de alta velocidad con un "slew rate" mayor de 33V/us fue diseñado y construido usando el amplificador operacional de retroalimentación de voltaje LM7171. La operación del susceptómetro AC en el rango de frecuencia de 10kHz - 1MHz fue validada a través de las medidas de susceptibilidad magnética compleja de nanopartículas de ferrita de cobalto suspendidas en diferentes mezclas de aceite mineral con hexano. Las viscosidades de los solventes fueron obtenidas a través de la ecuación de relajación Browniana y comparadas con la viscosidad obtenidas de un instrumento validado. Los resultados fueron acordes con el modelo teórico de Debye.