Диссертация (1150548), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В слабых полях регистрация ЯМР-сигнала без принятия мер сильно затруднена из-за того, что амплитуда ЯМРсигнала оказывается меньше амплитуды тепловых шумов датчика.Тем не менее, опыт экспериментов в земном поле показал, что ЯМР-сигналможно уверенно регистрировать в виде ССИ при соблюдении трёх основныхусловий:•Необходима предварительная поляризация образца. Образец передрегистрацией сигнала выдерживается в относительно сильном магнитномполе (порядка 100 Гс и выше).•Объём образца должен быть достаточно большим. Высокая однородность земного магнитного поля позволяет его увеличивать.•Катушка датчика должна иметь особую геометрию, особенность которой состоит в том, что для подавления внешних помех датчик должен состоять из секций, намотанных в противоположных направлениях, с определённым соотношением витков.1.1.1 Амплитуда ЯМР-сигнала после 90-градусного импульса.В слабых полях для регистрации ЯМР-сигнала в качестве датчика обычно используется резонансный LC-контур, состоящий из цилиндрической катушки и15конденсатора.
Амплитуда ЯМР-сигнала от такого датчика после 90-градусногоимпульса определяется формулой [33]:||dΦ−2=4πSnω 0 M 0 Qη⋅10(1.2)dtгде us0 — амплитуда (в мкВ) ЯМР-сигнала после 90° импульса, M0 — начальнаяu s0= nQядерная макроскопическая намагниченность, Φ — магнитный поток, связанный сM0, S и n — площадь поперечного сечения и число витков приемной катушки, соответственно, ω0 — резонансная частота приемного контура, Q — добротностьприемного контура, η — коэффициент заполнения приемной катушки, учитывающий уменьшение уровня сигнала из-за ограничения объема образца [33].Величину теплового шума катушки можно определить по формуле [33]:u N ≃1.2⋅10−4 √ Z 0⋅δν⋅F ,(1.3)где uN — амплитуда шума (в мкВ), Z0 — резонансное сопротивление приемногоLC-контура, δν — полоса пропускания приемника, F — коэффициент шума приемника.Таким образом, видно, что отношение сигналу к шуму можно увеличить разными способами.
Например, увеличить объём образца, увеличив, тем самым, макроскопическую намагниченность и/или уменьшить полосу пропускания приёмника δν. Большинство параметров в формулах (1.2) и (1.3) взаимозависимы и их сочетание не имеет единственной оптимальной реализации. Если увеличиватьдобротность катушки Q путем увеличения диаметра провода при неизменномвнутреннем диаметре катушки, то это скажется на уменьшении коэффициента заполнения η и т.
п. Параметры приёмной катушки подбираются, исходя из разныхсоображений, предпочтений и возможностей исследователя. В случае магнитногополя Земли отношение сигнала к шуму всегда меньше единицы. Поэтому особыетребования предъявляются и к датчику, и к предварительному усилителю. Но даже тщательного подбора радиоэлектронных компонентов и расчёта параметровприёмной катушки недостаточно для получения приемлемого ЯМР-сигнала в земном поле без предварительной поляризации образца.161.2 Предполяризация ядер с помощью дополнительного магнитного поля.Предварительная поляризация образца сильным магнитным полем, предложенная Паккардом и Варианом [12] может осуществляться различнымиспособами.
Для этого можно использовать отдельную катушку с большим количеством витков достаточно толстого провода для возможности пропускания черезнеё больших токов, внутри которой размещается ЯМР-датчик [34]. Другаяконструкция предполагает использование одной катушки и для предполяризацииобразца, и для регистрации ЯМР-сигнала. Второй вариант более компактный иэкономичный, однако предполагает дополнительную схему коммутации, необходимую, главным образом, для препятствия проникновению в канал чувствительного предварительного усилителя высоких напряжений.B0BΣB*MB* ≫ B0Рис.
1.1. Поляризация образца добавочным полем.При включении поляризующего поля B* ядерная намагниченность растетвдоль вектора суммарного поля BΣ (рис. 1.1). Рост намагниченности M описывается уравнением:(−tT1)(1.4),M (t)=M 0⋅ 1−eгде M0 — равновесная ядерная намагниченность в земном поле, Т1 — времяпродольной (спин-решёточной) релаксации. Обычно время для поляризации выбирают 3T1÷4T1. За это время намагниченность успевает вырасти до 98% от максимально возможного в этом поле значения. Однако, при накоплении сигналатакая продолжительность поляризации становится неэффективной, и дажевредной, в случае, когда в качестве поляризующей катушки используется катушкадатчика: происходит нагрев образца, и, следовательно, изменение времени релак-17сации образца, а также уменьшение добротности приёмного контура, что сказывается на отношении сигнала к шуму. В работе [35] мы показали, что с точки зренияэнергетических затрат, принятое время поляризации неэффективно и целесообразно использовать время поляризации (1.0 ÷ 1.5) T1 (см.
раздел 1.2.2).Важным моментом является характер процесса выключения поляризующегополя. При этом возможны два варианта: быстрое выключение, эффект от которогообнаружили Паккард и Вариан, и медленное (адиабатическое) выключение.Рассмотрим подробно каждый из способов.1.2.1 Быстрое выключение поляризации.Быстрое выключение (метод Паккарда-Вариана) — простой и весьма эффективный способ в случае эксперимента без накопления сигнала.
Для максимальнойамплитуды ЯМР-сигнала необходимо, чтобы ось поляризующей катушки былаперпендикулярна вектору магнитного поля. Поляризацию выключают разрывомэлектрической цепи и, если поле поляризации исчезает достаточно быстро, тоядерная намагниченность оказывается в положении, перпендикулярном внешнемумагнитному полю, и, согласно уравнению Блоха, она прецессирует вокруг векторавнешнего магнитного поля, стремясь к положению вдоль B0.
При этом компонента намагниченности M┴ наводит ЭДС в катушке датчика (рис. 1.2). Таким образомССИ можно получить без использования 90-градусного импульса.zB0MM⊥B* = 0Рис. 1.2. Поведение ядерной намагниченности при быстром выключении поля (б).Метод быстрого выключения не позволяет накапливать сигнал, если выключение поля осуществляется контактами реле и возникающая электрическая дуга18создаёт в катушке импульс шума, после которого поведение намагниченностипредсказать невозможно, поэтому начальная фаза ЯМР-сигнала от эксперимента кэксперименту меняется случайным образом. Однако, при использовании дляуправления поляризацией современных быстродействующих твердотельных реле,например, PVN012, накопление сигналов становится возможным, так как фазыЯМР-сигналов одинаковых экспериментов совпадают. Однако, при недостаточнобыстром выключении поляризации амплитуда ЯМР-сигнала может быть заметнониже, чем при тех же условиях, но при медленном выключении поляризации и последующем 90-градусном импульсе [36].1.2.2 Медленное выключение поляризации.Медленным выключением поляризации называют процесс, при котором вектор M ядерной намагниченности, успевая следовать за вектором суммарногомагнитного поля BΣ, по окончании выключения поляризации оказывается в положении по внешнему слабому магнитному полю, в нашем случае, земному.Рассмотрим идеализированный процесс выключения поляризации описанный вкниге [37].
Процесс поделён на два этапа: сначала поляризующее поле уменьшается до величины, близкой к величине внешнего поля (участок 1 на рис 1.3), затемвектор суммарного поля BΣ начинает поворачиваться в направлении внешнего поля B0 (участок 2 на рис. 1.3). В реальности в начале выключения угол α намногоменьше, поскольку B* на несколько порядков больше B0. Поэтому эта идеализированная модель выключения поляризации очень близка к реальности. Ядерная намагниченность из-за существующего времени релаксации T1 не успевает следовать за полем после его выключения.
На первом участке выключения это некритично, посколько направление вектора поля меняется чрезвычайно мало, но научастке 2 (рис. 1.3) для медленного выключения необходимо соблюсти условиеадиабатичности: ядерная намагниченность M должна успевать следовать за векторомBΣ. Для этого угловая скорость Ω вектора поля должна удовлетворять19условию: Ω≪γ B 0 или Ω≪ω0 .
Практическое осуществление процесса медленного выключения будет рассмотренно в 4.5.Рис. 1.3. Этапы выключения поляризации: участок изменения величины вектора поля (1),участок поворота вектора поля (2).1.3 Факторы, затрудняющие наблюдение ЯМР в магнитном поле Земли.1.3.1 Локальная неоднородность магнитного поля в лаборатории.Земное магнитное поле обладает рекордной однородностью, в местах значительно удалённых промышленных объектов. Это очень привлекательный факт дляЯМР-спектрометрии высокого разрешения. Но основная проблема, с которой приходится сталкиваться в лаборатории, особенно в небольших помещениях —локальная неоднородность магнитного поля.Форма локальной неоднородности магнитного поля внутри лабораторииможет сильно искажаться наличием мебели и лабораторного оборудования, вконструкции которых присутствует железо. Тем не менее, в большинстве случаевдостаточно применения дополнительного простого постоянного градиентамагнитного поля, чтобы скомпенсироватьнеоднородность в лаборатории приусловии, что в радиусе 1,5-2 м не будет массивных железосодержащих предметов.Линейный градиент обычно создаётся с помощью колец Максвелла подходящихразмеров, которые ориентируют так, чтобы вектор градиента локальной неоднородности был параллелен вносимому градиенту, но противоположен по направлению.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
