Диссертация (1150548)
Текст из файла
федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования«Санкт-Петербургский государственный университет»на правах рукописиКуприянов Павел АлексеевичРазвитие методов ядерного магнитного резонансав магнитном поле ЗемлиСпециальность 01.04.11 — физика магнитных явленийДиссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:д-р ф.-м. н.
Чижик Владимир ИвановичСанкт-Петербург, 20172ОглавлениеВведение.................................................................................................................4Глава 1. ЯМР в земном поле..............................................................................141.2 Предполяризация ядер с помощью дополнительного магнитного поля....161.3 Факторы, затрудняющие наблюдение ЯМР в магнитном поле Земли........191.4 Блок-схема прибора для регистрации ЯМР в магнитном поле Земли.......221.5 Спектроскопия ЯМР высокого разрешения в магнитном поле Земли.......231.6 Магнитно-резонансная томография в магнитном поле Земли....................311.7 Особенности ЯМР-релаксации в низких магнитных полях........................331.8 Выводы по главе 1...........................................................................................37Глава 2.
Поляризация ядер переменным магнитным полем низкойчастоты [35], [78]..........................................................................................................382.1 Другие варианты реализации переменного поляризующего поля.............412.2 Эксперименты по предварительной поляризации образца переменнымполем...............................................................................................................................422.3 Переходной процесс в датчике после выключения поляризующего поля. 452.4 Выводы по главе 2...........................................................................................46Глава 3. Нейтрализация влияния флуктуации магнитного поля Земли..473.1 Формирование возбуждающих импульсов из сигнала свободной индукцииот вспомогательного датчика........................................................................................503.2 Формирование опорного сигнала для квадратурного детектирования......513.3 Моделирование процесса накопления спектров ЯМР-сигналов на системес двумя ЯМР-датчиками................................................................................................53Глава 4.
Аппаратура для регистрации ЯМРПЗ в условиях лаборатории 554.1 Конструкция датчика сигналов ЯМР.............................................................574.2 Помехоустойчивая приёмная катушка...........................................................574.3 Система катушек для градиента и возбуждения...........................................604.4 Предварительный усилитель..........................................................................634.5 Блок коммутации поляризации......................................................................6434.6 Оптимизация режима предполяризации.......................................................694.7 Примеры измерений, полученных на ЯМР-спектрометре в земном поле.
714.8 Выводы по главе 4...........................................................................................75Глава 5. Влияние сопутствующих градиентов при исследованиях ЯМР вслабых полях................................................................................................................76Основные результаты и выводы.....................................................................85Основное содержание работы отражено в публикациях:...........................87Положения, выносимые на защиту.................................................................90Список обозначений и сокращений................................................................91Библиография.....................................................................................................924ВведениеС момента, когда Феликс Блох и Эдвард Миллс Пёрсел в 1946 г.
заявили орегистрации ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в конденсированных средах[1], метод начал очень успешно внедряться в самые различные области науки итехники. Успехи ЯМР отмечены нобелевскими премиями: в 1952 г. Блоху и Пёрселу, в 1991 г. Ричарду Эрнсту за развитие методов многомерной ЯМР-спектроскопии, в 2002 г. Курту Вюртриху за разработку методов определения трехмернойструктуры белков в растворе, в 2003 г. Питеру Мэнсфилду и Полу Кристиану Лотербуру за разработку методов магнитно-резонансной томографии (МРТ).Явление ЯМР примечательно тем, что для описания многих его проявленийподходит как квантово-механическая теория, так и классическая теория.
Теоретическое описание метода изложено во многих книгах (см. [2], [3], [4], [5], [6], [7]). Вклассическом описании, которое будет использоваться в работе, рассматривается«суммарная (макроскопическая) намагниченность» M0, означающая суммупроекций магнитных моментов μ всех всех N0 ядер в образце на направлениевнешнего статического поля B (обычно вдоль оси z координат):N0M 0=∑ μ zi .(1)i= 1Поведение суммарной намагниченности во внешнем магнитном поле хорошоописывается уравнением Блоха:MMM − M0dM=γ [M , B]−e x z −e y y −e z z,(2)dtT2T2T1где γ — гиромагнитное отношение ядер, ex, ey и ez — единичные векторы,направленные вдоль соответствующих осей, T1 и T2 — времена продольной и поперечной релаксации, соответственно. Из уравнения (2) следует, что в постоянноммагнитном поле вектор суммарной намагниченности M образца направлен вдольнаправления внешнего магнитного поля.
Управлять поведением вектора намагниченности можно переменным магнитным полем B~. Если вектор намагниченностивывести из стационарного состояния, то он начнет прецессировать вокруг вектора5внешнего магнитного поля, возвращаясь к своему первоначальному состоянию.Прецессия происходит с частотой, которая индивидуальна для каждого изотопа,обладающего спином, и пропорциональна напряженности внешнего магнитногополя:ω0=γ B 0(3)Для наблюдения ЯМР можно применить два метода: стационарный иимпульсный [6]. Стационарный метод заключается в медленном изменениивнешнего магнитного поля при постоянном облучении образца возбуждающимслабым переменным полем.
В момент, когда частота ЯМР равна частоте переменного поля, наблюдается поглощение РЧ-сигнала и фиксируется ЯМР. Стационарным методом получить приемлемый эффект ЯМР в слабом магнитном полеудалось немногим. В [8] и [9] описаны эти экзотические эксперименты.Импульсный метод основан на способности возбуждающего переменногополя выводить суммарную намагниченность из стационарного положения.
Дляэтого подается короткий импульс переменного поля на резонансной частоте, поворачивающий намагниченность (обычно на 90 градусов), после выключения которого ЯМР наблюдают в виде сигнала свободной индукции (ССИ).В импульсном методе существовала проблема ограниченной длительностиССИ из-за невысокой однородности поля между полюсами магнита. Почти случайно было совершено открытие спинового эха Эрвином Ханом в 1950 г. [10].Спиновое эхо появляется после простой импульсной последовательности импульсов, когда за 90-градусным импульсом через время τ подают 180-градусныйимпульс. Тогда спустя то же время τ появляется ЯМР-сигнал в виде зеркальносложенных сигналов ССИ. С открытием Хана стало возможным измерять времярелаксации Т2 и, кроме того, ЯМР-спектроскопия получила возможность вдвоесократить ширину спектральных линий и, тем самым, увеличить разрешениеспектров.Прямая регистрация ЯМР в земном поле затруднена из-за крайне малого отношения сигнала к шуму (см.
подробнее в разделе 1.1). В 1953 году Мартин Па-6ккард и Рассел Вариан реализовали интересную и, в то же время, простую идею[11], [12]: выдержать образец сначала в относительно сильном магнитном поле(около 100 Гс), а затем наблюдать ССИ в слабом поле. Причём, если сильное поле,перпендикулярное слабому полю, выключить быстро, то отпадает необходимостьв возбуждающем импульсе, так как суммарная намагниченность, уже повернутаяна 90 градусов к внешнему слабому полю, сразу начинает прецессировать в нём.Метод Паккарда-Вариана позволил применить ЯМР в слабых полях во многихобластях: магнитометрия, магниторазведка и мониторинг магнитного поля Земли,ЯМР-спектроскопия высокого разрешения, МРТ в слабых полях и т.д.Спектроскопия высокого разрешения при изучении веществ импульснымметодом при отсутствии электронных вычислительных средств имела невысокуюинформативность.
Первые попытки оценить константу косвенного спинспинового взаимодействия (КССВ) в земном магнитном поле можно увидеть,например, в [13], где авторы в 1957 г. оценивают КССВ протонов и фтора по частоте биений в ССИ от фторбензола. Однако, в том же 1957 г. полноценное фурье-преобразование сигнала ядерного магнитного резонанса от трибутилфосфатав земном поле (ЯМРПЗ), было осуществлено в Ленинградском государственномуниверситете на кафедре радиофизики Ф.И. Скриповым, А.В.
Мельниковым иА.А. Морозовым [14]. За рубежом об этом факте принято умалчивать и первоеприменение преобразования Фурье приписывать другим авторам и десятилетиемпозже.Стоит отметить, что годом позже Ф.И. Скрипов с той же командой физиковсоздал ядерно-резонансный генератор с текущей жидкостью, работающий вземном поле [15], [16]. Генератор позволял вести непрерывный мониторингмагнитного поля Земли и использовался для регистраций дальних ядерныхвзрывов.Ученик Ф.И. Скрипова П.М.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
