Диссертация (1150548), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Через заданное время контакты размыкаются и накопленная катушкой энергия рассеивается на шунтирующем резисторе R в течение примерно 1-2 мс. Резистор подобран так, чтобы поляризующее поле выключалосьмедленно и намагниченность повернулась по полю. Далее на катушку возбуждения подаётся 90-градусный импульс, сформированный контроллером и усиленныйпо току соответствующим блоком. Затем переключающая группа возвращается висходное положение, включив катушку детектора в приёмный LC-контур и подавсигнал на предусилитель.
При этом контроллер подаёт компьютеру команду дляначала записи сигнала. Сигнал с предусилителя проходит дополнительную обработку в настраиваемом полосовом фильтре и поступает на АЦП, роль котороговполне может выполнять вход звуковой карты компьютера. Оцифрованный сигналзаписывается компьютером, затем обрабатывается с помощью быстрого преобразования Фурье. Готовый спектр выводится на монитор компьютера.Двухканальный ЯМР-спектрометр, структура которого описана в главе 3, состоит из эквивалентных каналов.574.1 Конструкция датчика сигналов ЯМРКак уже было замечено выше, приёмная катушка должна быть защищена отэлектромагнитных помех металлическим немагнитным экраном.
Толщина экранавыбирается исходя из следующих соображений: минимальная толщина определяется по формуле дляглубины экспоненциального убывания плотности тока:√2Δ= σ μ ω , где Δ — глубина, на которой плотность тока убывает в e раз, σ —удельная проводимость, μ — магнитная проницаемость материала, ω — круговаячастота тока. Для меди, например, толщина скин-слоя для частоты ЯМР в земномполе ν=ω=2 кГц составляет около 1мм. Чтобы ослабить помеху на этой ча2πстоте в 100 раз, толщина металла должна быть около 5 мм. Кроме того, размерыэкрана не должны быть малыми настолько, чтобы сильно испортить добротностькатушки.
В нашем случае при размерах катушки, вписываемой в куб со стороной120 мм, сторона куба экрана составляет 450 мм. Исходя из имеющихся материалов, стенки куба изготовили из меди толщиной 3 мм и алюминия 7 мм.4.2 Помехоустойчивая приёмная катушкаНеобходимое условие для уверенной регистрации сигнала — это особаягеометрия приёмной катушки. Особенность заключается в том, что катушка состоит из двух основных частей с противоположным направлением витков. Приэтом в первом приближении должно выполняться уравнение:N 1 S 1=N 2 S 2 ,(4.1)где N1, N2 — число витков и S1, S2 — поперечное сечение первой и второй катушек соответственно. Через катушки, связанные таким уравнением, проходитодинаковый магнитный поток.
Такая конструкция объясняется принципом взаимности, существующем в теории электромагнетизма. Из этого принципа следует,что если система из контуров не создаёт магнитного поля в какой-то внешнейобласти, то такая система нечувствительна к любым магнитным полям, создава-58емым любой системой в указанной части пространства. Отсюда следует, что всеэлектромагнитные помехи, приходящие на такую катушку от достаточно удалённых источников будут полностью подавлены.
Такую катушку еще называюткомпенсированной.Простейший вариант приёмной катушки, построенной на данном принципе— две соосные, противоположно намотанные с одинаковым количеством витков иодинаковым сечением катушки. Слабой сигнал от образца, помещенного в одну изполовин такой катушки будет хорошо регистрироваться, в то время как сигнал отмощного источника, расположенного в полутора-двух метров от катушки будетсильно подавлен.Рис. 4.2. Обозначения размеров для сплошной катушки и пары симметричных колец (к формулам, дающимраспределение поля вдоль оси симметрии).Еще один вариант хорошо компенсированного датчика — тороидальная катушка, но конструкция такого датчика крайне неудобна в плане замены образца.Основательно конструкцию катушки продумал Ф.
И. Скрипов в 1961 году[84]. Перед ним стояла задача создать компактный ЯМР-генератор с текущимобразцом. В таком приборе приёмная и поляризующая катушки расположеныочень близко. Влияние поляризующей катушки на однородность и сдвиг полявнутри приёмной катушки должно быть минимальным. Для катушки поляризацииважно, чтобы поляризующее поле при удалении от неё спадало как можно быстрее. Для приёмной катушки необходимо, чтобы компенсировались не толькоудалённые источники помех, но и близкие.
Оба условия по сути сводятся к одной59задаче, которая может быть решена такой геометрией катушек, при которойнесколько первых мультипольных моментов системы равны нулю. В этом случаеполе убывает во всех направлениях обратно пропорционально высокой степенирасстояния и имеет заметную величину лишь в непосредственной близости. Авторотмечает, что практически все частные случаи, представляющие интерес при создании компенсированных обмоток, могут быть сведены к комбинациям двух простейших элементов: а) одиночной катушки и б) пары симметрично расположенных коротких катушек («колец», см.
рис. 4.2). В нашем случае мы ограничилиськомпенсацией дипольного момента и изготовили катушку, согласно изложенному в [84] алгоритму.Катушка проектировалась под объём стандартной алюминиевой упаковки длянапитков 0,33 л. Основные размеры катушки приведены на рис. 4.3. Она выточенана токарном станке из цельной пластмассовой заготовки. Для намотки использовался провод диаметром 0,9 мм. Основная катушка разделена на 4 секции по 470витков в каждой, всего в основной катушке 1880 витков.
В каждой секции компенсирующей катушки по 232 витка (всего 464 витка).Рис. 4.3. Чертёж катушки датчика. Размеры даны в мм.60После намотки катушка подверглась тщательной юстировке на стенде. Источником имитатора сигнала помехи служила катушка, подключённая к генератору и расположенная соосно с приёмной катушкой на расстоянии 1.2 м.
Коррекциявитков осуществлялась удалением/добавкой витков на секции компенсирующейкатушки. Юстировка катушки показала хорошее соответствие соотношения витков уравнению (4.1) (рис 4.4).Рис. 4.4. Зависимость амплитуды принимаемого сигнала от количества витков на секциикомпенсирующей катушки.4.3 Система катушек для градиента и возбужденияДля быстрой настройки ЯМРПЗ-спектрометра необходимо, чтобы приёмнаякатушка и катушка возбуждения были ортогональны земному полю и, кроме того,взаимно ортогональны. Опыт показывает, что для устранения локальной неоднородности магнитного поля в первом приближении достаточно шиммировать полеВ0 вдоль его направления.
Поэтому целесообразно на одном каркасе разместитьтри взаимно ортогональные системы катушек. Для настройки системы при поискеоптимальных условий регистрации ЯМР-сигнала следует последовательно поворачивать каркас с катушками вокруг трёх ортогональных осей.Из соображений равномерности поворота спинов в образце при возбуждениилогично применить в качестве возбуждающей катушки систему колец Гельмголь-61ца, а для создания линейного градиента вдоль направления внешнего поля использовать катушку Максвелла. Такая система может оказаться очень громоздкой из-затого, что область однородности в круглой катушке Гельмгольца составляет примерно одну треть от её диаметра, а в катушке Максвелла область линейного градиента — еще меньше. Однако, если учесть, что образец имеет вытянутую цилиндрическую форму, то имеет смысл рассмотреть задачу о четырех параллельных бесконечных проводниках (рис.
4.5), которые создают однородное магнитноеполе или линейный градиент в зависимости от направления токов в проводниках вбесконечно вытянутой области, заключённой в пространстве между проводниками.Рис. 4.5. К задаче о четырех проводниках. Токи в проводниках создают однородное полевдоль оси z.Рассчитаем отношениеaдля однородного поля вдоль оси z.
Результируlющее поле проводников рассчитывается следующим образом:2a2a+ 2(4.2)22a +(l− z) a +(l + z)Для устранения экстремума функции поля в центре системы необходимо найB Σ=B 1 + B2 + B 3+ B 4=2ти вторую производную:2228(l−z)8(l + z)d1122+ 2= 2− 2+ 2− 2 (4.3) 2 322222 32 22 2dz a +(l−z) a +(l+ z)(a +(l−z) ) (a +(l− z) ) (a +(l+ z) ) (a +(l+ z) )()62и приравнять её нулю.Из решения получившегося уравнения находимоптимальное l:1a(4.4)3√Справедливость решения демонстрирует графики функции (4.2) при различl=ных значениях l, в котором a = 1 (см. рис.
4.6). Плоский участок на отрезке (-2, 2)при найденном оптимальном значении l означает однородность поля в некоторойобласти (при a = 1 размер области примерно 0.4×0.4) в центре системы из четырёхпроводников.Рис. 4.6. Изменение поля вдоль оси z, создаваемое системой из четырех проводников (рис.4.5) при различных значениях l (указаны в прямоугольниках), значение a =1. Оптимальнаякривая выделена зелёным.Аналогично задача решается для градиента поля вдоль оси z, создаваемогочетырьмя проводниками но при обратном направлении токов в каждой паре проводников. В этом случае приравнивают к нулю первую производную. Проведятакие вычисления для линейного градиента поля, получимa=1 .lКатушки имеет смысл наматывать на каркас в форме вытянутого параллелепипеда, короткие грани которого имеют длину не менее, чем втрое большедиаметра образца. Отношение длинных граней к коротким не менее 2:1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
