Автореферат (1150547), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Куприянов являлсяосновным докладчиком на большинстве конференций, на которых впервые былипредставлены результаты данного исследованияПубликации по результатам работыМатериалы диссертации опубликованы в 18 печатных работах, в том числе в 5 статьях[A1 - A5] в рецензируемых российских и зарубежных журналах, входящих в списки ВАК и вбазы данных Scopus и Web of Science, и в 13 тезисах [T1 - T14]Структура и объём диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения с выводами.Полный объём диссертации составляет 100 страниц с 58 рисунками.
Список литературысодержит 89 наименований.Содержание диссертацииВо введении обосновывается актуальность исследуемых проблем, основныеисторические моменты развития метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в земномполе, в частности на кафедре радиофизики и квантовых магнитных явлений СПбГУ вчастности. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы, описаны научнаяновизна, практическая ценность и положения, выносимые на защиту, приводятся сведения опубликациях и апробации работы на конференциях различного уровня.В первой главе даётся описание особенностей регистрации ЯМР в земном поле,приведен обзор работ по теме за последнее десятилетие.
Дано общее описание схемыприбора для регистрации ЯМР в земном поле. Отмечены трудности при регистрации ЯМР вземном поле в условиях городской лаборатории: влияние локальной неоднородностимагнитного поля Земли и флуктуаций магнитного поля при регистрации ЯМР методомнакоплениясигнала,рассмотренывариантырешенийэтойпроблемыдругимиисследователями.Вторая глава посвящена описанию нового метода поляризации ядер переменныммагнитным полем низкой частоты.
Этот вид поляризации принципиально отличен отвозникновения поляризации при воздействии на систему спинов на частоте резонанса,который подробно рассмотрен в монографии [5].Рассмотрим поляризацию ядер переменным магнитным полем с большим периодом T,но таким, чтоТ ≪T 1 . Необходимо, чтобы поляризующее переменное поле B*8прикладывалось перпендикулярно внешнему полю B0 (рис. 1). Для реализации поляризациинеобходимо, чтобы ядерная намагниченность следовала за вектором суммарного поля BΣ, тоесть выполнялось условие адабатичности.Creator:cairo 1.14.6 (http://cairographiCreationDate:Thu Mar 9 20:44:06 2017LanguageLevel:2Рис.
1. Поведение суммарного вектора переменного магнитного поля.Условие адиабатичности рационально записать в следующем виде:dθ≪ω Σ=γ B Σ ,dt(1)где θ — угол между B0 и BΣ. Условие (1) означает, что текущее значение резонанснойчастоты ядер в поле BΣ должно быть много больше, чем угловая скорость измененияориентации суммарного поля. Условие (1) наиболее трудно выполнимо при θ ~ 0. Переходя вусловии адиабатичности к частоте поляризующего поля, получим:2γ Ḃ 0(2)2 π BВыполнено численное моделирования роста ядерной намагниченности в переменномfm≪магнитном поле низкой частоты, которое согласуется с результатами экспериментовполяризации ядер переменным магнитным полем низкой частоты (рис. 2). Показано, чтоприменение дополнительного небольшого магнитного поля параллельного земному,позволяет поднять частоту поляризующего поля до промышленной частоты 50 Гц (рис.
3).Creator:cairo 1.14.6 (http://cairographiCreationDate:Thu Mar 9 20:15:12 2017LanguageLevel:2Рис. 2. Зависимость амплитуды сигнала ЯМР в поле Земли от величины и частотыполяризующего поля.9Creator:cairo 1.14.6 (http://cairographiCreationDate:Mon Apr 3 21:16:32 2017LanguageLevel:2Рис. 3.
Зависимость амплитуды ЯМР-сигнала от поля в добавочной катушке причастоте поляризующего поля 50 Гц и действующих переменных полях 54 и 40 Гс.Установлены дополнительные преимущества, возникающие при поляризации ядерпеременным магнитным полем: 1) уменьшение переходного процесса в приёмном контурепри выключении переменного тока в определённой фазе; 2) выигрыш в энергопотреблениипри использовании переменного тока по сравнению с постоянным током.В третьей главе описывается новый подход к решению проблемы накопления ЯМРсигнала в условиях флуктуаций земного поля в городской лаборатории.
Предложен методквадратурного детектирования ЯМР-сигнала с помощью синтезированного опорного сигналапо частоте ЯМР-сигнала от дополнительного датчика с образцом, имеющим в спектре толькоодну узкую сильную линию (рис. 4).Creator:cairo 1.14.6 (http://cairographiCreationDate:Sun Apr 2 16:31:15 2017LanguageLevel:2Рис.
4. Принцип обработки сигналов двухдатчикового ЯМР-спектрометра. Каналисследуемого сигала (1), канал дополнительного датчика (2).10Дана структурная схема прибора с двумя датчиками ЯМР для реализациипредложенного метода. Объяснено преимущество предложенного метода по сравнению сиспользуемым в прототипе [6]. Предложено использование сигнала от дополнительногодатчика также для создания селективных возбуждающих импульсов. На математическоймодели, в которой реализован метод, показана эффективность накопления сигнала.
В модельзаложен сильный сигнал (основная линия в спектре) и два сигнала на два порядка слабее,имитирующих сигналы от взаимодействия протонов с ядрами изотопа13C в естественномсодержании (две слабые линии на рис. 5б)Creator:cairo 1.14.6 (http://cairographiCreationDate:Sun Mar 12 13:44:53 2017LanguageLevel:2Рис. 5. Результат накопления спектра модельного сигнала без учёта флуктуации поля(а), со стабилизацией спектра предложенным методом (б).В четвёртой главе приводится описание ЯМР-спектрометра в земном поле,описываются конструкции отдельных узлов, расчёты и принципиальные схемы блоков ЯМРспектрометра.
Приведены результаты измерений времён релаксации и ЯМР-спектры,полученные на приборе (пример на рис. 6).Рис. 6. ЯМР-сигнал триметилфосфата (a) и его спектр (b), полученные в одиночномэксперименте в лабораторных условиях.Для оптимизации времени предполяризации введем функцию S, характеризующуюотношениеэнергопотребленияE01длясозданияB01*втечениевремениtк11энергопотреблению E0 для создания B* в течение времени T = k0T1, где k0 — любое число,большее 4 (при этом ядерная намагниченность устанавливается с точностью лучше, чем98.2%). Запишем эту функцию, предполагая получение равной намагниченности образца вобоих случаях, т.
е. однократное наблюдениенамагниченности производится приодинаковом отношении сигнала к шуму:2E01(1 − e− k ) tS==E 0 ( 1− e− t /T )2 k T0(3)101Функция S, представленная графически на рис. 7 имеет минимум в t = 1.25T1 для любых k0 созначениемS min =1.33 ⋅2(1 − e− k )0k0. Например, Smin ≈ 0.59, если k0 = 4. Минимумы функции Sдостаточно растянутые, поэтому можно использовать время поляризации в пределах1.0 ÷ 1.5T1. Из этих соображений следует, что поляризация в течение времени topt позволяетнам значительно сократить время одного эксперимента, что может быть использовано принакоплении сигнала.Creator:cairo 1.14.6 (http://cairographiCreationDate:Sat Feb 25 15:25:25 2017LanguageLevel:2Рис.
7. Зависимость функции S от нормированного времени k = t/T1 при k0 = 4 и 6.В рамках этой работы мы сумели получить сигнал от образца, помещенного взакрытыйметаллическийдиамагнитныйконтейнер.Оболочкаконтейнераобразуеткороткозамкнутый виток, сильно снижающий добротность приемного контура. Скин-слой начастоте ЯМР в земном поле (~ 2кГц) порядка 2 мм. Пример сигнала от жидкости,12находящейся в алюминиевой банке, приведён на Рис. 8. Это может быть использовано всистемах досмотра для идентификации запрещённых веществ.Creator:cairo 1.14.6 (http://cairographiCreationDate:Mon Apr 3 22:00:17 2017LanguageLevel:3Рис.
8. Пример сигнала от жидкости, находящейся в алюминиевой банке: полностьюпомещённой в катушку (пунктирная линия), наполовину вынутой из катушки (сплошнаялиния). На фото образец наполовину вынут из датчика.В пятой главе показано, что для создания постоянного градиента магнитного поля врабочей области ЯМР-спектрометра, работающего в слабых полях (порядка земного),требуется оптимизации расстояния между градиентными катушками, которое в общем случаезначительно отличается от условия Максвелла.
Приведены численные выкладки и даныконкретные рекомендации для расчёта оптимального расстояния между катушками.Основные результаты и выводы1. Впервые теоретически предсказано и экспериментально подтверждено, что прирегистрации ЯМР в магнитном поле Земли предварительную предполяризацию ядерможно производить с помощью переменного магнитного поля с периодом T≪Т1 (Т1 –время продольной релаксации ядер). Сформулировано условие адиабатичностиизменения поляризующего поля, которое необходимо выполнить, чтобы достичьэффекта. Введённые модернизации позволили увеличить частоту поляризующего полядо промышленной (50 Гц).2. Показано, что применение переменного поля имеет добавочные преимущества: 1)потребляемая мощность на 17 % меньше, чем при постоянном токе; 2) сокращаетсяпереходной процесс при выключении тока поляризации в определённой фазе.3.
Проведён анализ оптимальных условий времени поляризации и потребляемой приэтом энергии. Предполяризация, проведенная в соответствием с определённым13протоколом в течение времени topt = 1.0 ÷ 1.5T1, позволяет значительно сократить времяодного эксперимента. Это может быть использовано при накоплении сигналов,причём прирост в отношении сигнала к шуму может составлять не менее 1.5.4.
Предложен метод накопления ЯМР-спектра в условиях флуктуации внешнегомагнитного поля, основанный на применении дополнительного (опорного) датчика вкотором находится образец, имеющий в спектре одиночную интенсивную узкуюлинию.Дляповышениянадёжностиформированияопорнойчастотыдляквадратурного детектирования исследуемого ЯМР-сигнала необходимо оба сигналасохранить, точно измерить частоту сигнала от опорного датчика, затем синтезироватьопорный сигнал с полученной частотой.
Сигнал от опорного датчика также можноиспользовать для возбуждения ядер в исследуемом образце (для создания селективныхимпульсов).5. Разработан и изготовлен макет прибора ЯМР-спектрометра, с помощью которогопроведена проверка теоретически предсказанных моделей.6. Показано, для создания постоянного градиента магнитного поля в рабочей областиЯМР-спектрометратребуетсяоптимизациирасстояниямеждуградиентнымикатушками, которое в общем случае значительно отличается от условия Максвелла.7. Доказана возможность уверенной регистрации ЯМР от образцов в закрытыхметаллических диамагнитных контейнерах с толщиной стенки до 0.5 мм, что можетбыть использовано для идентификации жидкостей в системах досмотра.Публикации по теме диссертацииA1.Куприянов П., Чижик В., Вечерухин Н.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
