СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕШЕТОЧНОГО И ПРИМЕСНОГО ВКЛАДОВ В ЯДЕРНУЮ СПИН-РЕШЕТОЧНУЮ РЕЛАКСАЦИЮ МЕТОДОМ ЯМР Российский патент 1994 года по МПК G01N24/08 

Описание патента на изобретение RU2024855C1

Изобретение относится к радиоспектроскопическим методам измерения характеристик вещества и может быть применено при анализе свойств твердых тел.

Из уровня техники известно, что в реальных твердых телах время ядерной спин-решеточной релаксации определяется вкладами двух механизмов: решеточного, обеспечивающего релаксацию в идеальных образцах, и примесного [1]. Суммарный процесс релаксации в целом характеризуется временем
TΣ1

= {(Tр1
еш)-1+(Tп1
рим)-1}-1 , где Т1реш - решеточная компонента времени спин-решеточной релаксации ядер;
Т1прим - примесная компонента.

Известен способ измерения решеточного и примесного вкладов в ядерную спин-решеточную релаксацию [2], наиболее близкий по технической сущности, основанный на приведении системы спинов ядер вещества в состояние насыщения при внешнем воздействии и определении постоянной времени τ восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности к равновесному значению в условии дополнительного внешнего воздействия на систему ядерных спинов переменным электрическим или акустическим полем с частотой, равной удвоенной частоте ларморовской прецессии ядер вещества, в результате этого воздействия устанавливают состояние динамического насыщения, характеризуемого величиной Zст= М/Мо, где М, Мо- величины равновесного значения продольной составляющей ядерной намагниченности в присутствии дополнительного возмущающего поля и без него, соответственно, при измерениях τ измеряют степень насыщения Zст и регистрируют зависимость времени восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности вещества от величины степени насыщения спиновой системы ядер τ (Z), на немонотонной кривой зависимости τ (Zст) выделяют начальный участок, аппроксимируют его линейной зависимостью и определяют решеточную компоненту времени спин-решеточной релаксации ядер по формуле:
Т1реш= τ/Zст, а примесную компоненту Т1прим по формуле
Tп1

рим = TΣ1
Tр1
еш/ (Tр1
еш-TΣ1
),
где T1Σ - время ядерной спин-решеточной релаксации, характеризующее процесс релаксации в целом и равное постоянной времени τ, измеренной при Zст=1.

Недостатками известного способа измерения являются: малая информативность, обусловленная ограниченностью набора веществ, в которых можно производить эффективное дополнительное внешнее воздействие на спиновую систему ядер переменным электрическим или акустическим полем, индуцирующее в спин-системе квадрупольные переходы, во-вторых, трудоемкость технического исполнения задачи создания в исследуемых образцах дополнительного акустического или электрического поля для стандартных импульсных спектрометров ЯМР, а также выполнение специальных требований к подготовке образцов.

Целью изобретения является повышение информативности способа измерения решеточного и примесного вкладов в спин-решеточную релаксацию ядер анализируемых твердых тел, повышение экспрессности способа при использовании стандартных импульсных спектрометров ЯМР за счет применения в качестве дополнительного внешнего насыщающего поля электромагнитное поле с частотой ларморовской прецессии ядер.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения решеточного и примесного вкладов в ядерную спин-решеточную релаксацию, заключающемся в приведении системы спинов ядер вещества в состояние насыщения при внешнем воздействии и определении постоянной времени τ восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности к равновесному значению при дополнительном внешнем воздействии, устанавливают состояние динамического насыщения, характеризуемое величиной Zст=М/Мо, где М, Мо - величины равновесного значения продольной составляющей ядерной намагниченности в присутствии дополнительного внешнего воздействия и без него, соответственно, при измерениях τ изменяют степень насыщения Zст и регистрируют зависимость времени восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности вещества от величины степени насыщения Zст спиновой системы ядер τ (Z), на кривой зависимости τ (Zст) выбирают участок, исходящий из начала координат, аппроксимируют его линейной зависимостью и определяют решеточную компоненту времени спин-решеточной релаксации ядер Т1реш по формуле:
Т1реш= τ/Zст, а примесную компоненту Т1прим по формуле:
Tп1

рим = TΣ1
Tр1
еш/ (Tр1
еш-TΣ1
), где время T1Σ равно постоянной времени τ при Zст= 1, в соответствии с изобретением, дополнительное внешнее воздействие осуществляют стационарным переменным магнитным полем с частотой ларморовской прецессии ядер анализируемого вещества.

Способ осуществляется следующим образом.

Исследуемый образец помещается в измерительную головку приемника импульсного спектрометра ядерного магнитного резонанса, который позволяет создавать последовательности электромагнитных импульсов с заданными промежутками времени между ними и регулируемой длительностью. Спектрометр позволяет фиксировать амплитуду сигнала прецессии ядер изучаемого вещества. Первоначально на образце создается серия электромагнитных импульсов, продолжительность которой, а также амплитуда и длительность каждого импульса, выбираются из условия установления в спиновой системе ядер после воздействия серии импульсов состояния полного насыщения, т.е. М=О. Затем величина продольной составляющей ядерной намагниченности начинает восстанавливаться от нулевого до своего равновесного значения Мо по закону Z(t)= M(t)/Mo=1- e-t/τ , где в отсутствии дополнительного воздействия на спин-систему ядер постоянная времени τ=T1Σ , а Zст=1. После насыщающей последовательности на образец подается считывающий радиоимпульс, параметры которого выбираются из условия наилучшего наблюдения после его действия сигнала ядерной прецессии, величина которого пропорциональна М . Повторное наблюдение сигнала прецессии ядер через другой промежуток времени позволяет определить зависимость Z(t)=M(t)/Мо и постоянную времени τ. Дополнительное резонансное электромагнитное поле ларморовской частоты в объеме образца создается катушкой, в которую помещается на время измерения исследуемый образец. Величина этого поля регулируется изменением от внешнего генератора амплитуды переменного тока в катушке.

Дополнительное внешнее воздействие на систему ядерных спинов магнитным полем частоты ларморовской прецессии ядер вещества приводит к тому, что в ядерной спин-системе устанавливается заданное состояние динамического насыщения, характеризуемого величиной Zст< 1. Методика измерения времени восстановления ядерной намагниченности в присутствии дополнительного насыщающего поля не отличается от приведенной выше методики в его отсутствие, за исключением того, что степень насыщения изменяется от времени по закону Z(t)=Zст(1-e-t/τ). Для решеточного механизма процесса спин-решеточной релаксации в условии дополнительного насыщающего поля восстановление ядерной намагниченности происходит с постоянной времени τ =Т1Zст. Это позволяет контролировать время спин-решеточной релаксации T1Σ в образце при любой степени насыщения линии ЯМР. Если релаксация имеет не только решеточную, но и примесную компоненту, то при увеличении насыщения спиновой системы ядер наблюдается немонотонный характер зависимости τ (Zст), начальный участок которой можно аппроксимировать линейной зависимостью и определить решеточную компоненту времени спин-решеточной релаксации ядер по формуле:
Т1реш= τ/Zст, а примесную компоненту по формуле:
T1прим =T1реш T1Σ/(T1реш - T1Σ).

Конкретное применение способа измерения решеточного и примесного вкладов в ядерную спин-решеточную релаксацию методом ЯМР проведено на номинально чистом монокристалле NaJ. Монокристалл NaJ обладает кубической симметрией, а следовательно система зеемановских уровней ядерных спинов в постоянном внешнем магнитном поле эквидистанта. Образец имел форму цилиндра, ось которого совпадала с кристаллографическим направлением [100]. В постоянном поле магнита спектрометра образец устанавливается таким образом, чтобы направление [100] совпадало с внешним постоянным магнитным полем . Измерения проведены при температуре жидкого азота Т=77К на сигнале ЯМР23Na. Сигналы свободной прецессии ядер 23Na принимались на частоте νo =5,5 МГц. Внешнее воздействие на образец переменным магнитным полем производилось на той же частоте νо с величиной амплитуды вектора магнитной индукции, изменяемого в пределах // = (0 ÷ 10-4) T,, что позволяло насыщать спиновую систему ядер вещества со стационарным значением степени насыщения Zст=(1,0÷0,2).

В отсутствии насыщающего магнитного поля (т.е. Zст=1) время спин-решеточной релаксации T1Σ = (119,0±1,5)с. С увеличением насыщения сигнала ЯМР23Na происходит перекрывание примесного канала спин-решеточной релаксации. Начиная с Zст=0,48 и меньше спин-решеточная релаксация полностью определяется решеточным механизмом. Аппроксимация начального участка немонотонной кривой τ (Zст) линейной зависимостью дает значение Т1реш=(197±8)с. Примесная компонента в процессе спин-решеточной релаксации составляет: Т1прим=T1Σ Т1реш1реш-T1Σ = =(300±20)с. Проведенное для сравнения измерения решеточной и примесной компонент релаксации в присутствии акустического насыщающего поля на исследуемом образце по методике (2) дало те же значения Т1прими Т1реш. Отличие заключается в том, что примесная релаксация в случае дополнительного акустического воздействия полностью затормаживается при Zст=0,28.

Имеющийся в настоящее время способ измерения решеточного и примесного вкладов в процесс ядерной спин-решеточной релаксации методом ЯМР (2) применим только для ядер, обладающих квадрупольным моментом достаточно большим для эффективного насыщения линии ЯМР дополнительным акустическим или электрическим полем. Тогда как магнитное насыщение спин-системы эффективно для любых ядер, на которых наблюдается сигнал ЯМР и может быть легко реализовано на любом серийном импульсном спектрометре ядерного магнитного резонанса.

Похожие патенты RU2024855C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЯДЕРНОЙ СПИН-РЕШЕТОЧНОЙ РЕЛАКСАЦИИ МЕТОДОМ ЯМР 1992
  • Ефиценко Петр Юрьевич
  • Микушев Владимир Михайлович
  • Чарная Елена Владимировна
RU2024857C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЯДЕРНОЙ СПИН-РЕШЕТОЧНОЙ РЕЛАКСАЦИИ В УСЛОВИИ МАГНИТНОГО НАСЫЩЕНИЯ ЛИНИИ ЯМР 1992
  • Мавлоназаров Имом Останкулович
  • Микушев Владимир Михайлович
  • Чарная Елена Владимировна
RU2024856C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЯДЕРНОЙ СПИН-СПИНОВОЙ РЕЛАКСАЦИИ 2005
  • Белый Юрий Иванович
  • Мефед Анатолий Егорович
  • Семейкин Николай Павлович
  • Гарцев Николай Александрович
  • Шаршин Юрий Александрович
  • Помозов Валерий Владимирович
RU2277707C1
ЯМР СПЕКТРОСКОПИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВА ЯМР С ГРАДИЕНТНЫМ ПОЛЕМ 2003
  • Кришнамурти Ганесан
RU2251097C2
Способ измерения времени ядерной спин-решеточной релаксации 1982
  • Мефед Анатолий Егорович
SU1081499A1
СПОСОБ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ ДЛЯ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА МОРСКИХ НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ АКВАТОРИЙ 2012
  • Зверев Сергей Борисович
  • Жуков Юрий Николаевич
  • Аносов Виктор Сергеевич
  • Чернявец Владимир Васильевич
  • Жильцов Николай Николаевич
  • Катенин Владимир Александрович
RU2513630C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА МНОГОФАЗНОГО ФЛЮИДА ПРИ ПОМОЩИ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛА ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА (ЯМР) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2010
  • Ягудин Шамил Габдулхаевич
  • Харитонов Руслан Радикович
  • Скирда Владимир Дмитриевич
  • Тагиров Мурат Салихович
  • Шкаликов Николай Викторович
  • Попов Владимир Иванович
  • Ибрагимов Асхат Ахбабович
RU2427828C1
Способ измерения времени ядерной спин-решеточной релаксации 1984
  • Мефед Анатолий Егорович
  • Мельников Александр Константинович
  • Ярославцев Алексей Владимирович
SU1193548A1
J-СПЕКТРОСКОПИЯ В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ 2003
  • Шпайер Петер
RU2350985C2
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР МЕТОДОМ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА 1992
  • Джорджес Р.Коутс
  • Мелвин Н.Миллер
  • Джон К.Баутон
RU2115142C1

Реферат патента 1994 года СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕШЕТОЧНОГО И ПРИМЕСНОГО ВКЛАДОВ В ЯДЕРНУЮ СПИН-РЕШЕТОЧНУЮ РЕЛАКСАЦИЮ МЕТОДОМ ЯМР

Использование: при радиоспектроскопическом анализе структуры твердых тел. Сущность изобретения: приводят систему спинов ядер анализируемого вещества в состояние насыщения при внешнем воздействии и определяют примесную и решеточную компоненты ядерной спин-решеточной релаксации по ходу восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности к равновесному значению в условиях дополнительного внешнего воздействия на спин-систему переменным магнитным полем с частотой ларморовской прецессии ядер вещества.

Формула изобретения RU 2 024 855 C1

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕШЕТОЧНОГО И ПРИМЕСНОГО ВКЛАДОВ В ЯДЕРНУЮ СПИН-РЕШЕТОЧНУЮ РЕЛАКСАЦИЮ МЕТОДОМ ЯМР, заключающийся в приведении системы спинов ядер вещества в состояние насыщения при внешнем воздействии и определении постоянной времени τ восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности к равновесному значению М при дополнительном внешнем воздействии на систему ядерных спинов, измерении τ при различных значениях степени насыщения Zст = М/М0, где М0 - величина равновесного значения продольной составляющей ядерной намагниченности при отсутствии дополнительного внешнего воздействия, построении графика зависимости τ (Zст) , аппроксимации зависимости τ (Zст) на участке, исходящем из начала координат, линейной зависимостью, вычислении по линейной зависимости решеточной компоненты времени спин-решеточной релаксации ядер T1pеш = τ / Z , определении примесной компоненты T1пpим из выражения
T1пpим = T1Σ˙T1pеш / (T1pеш-T1Σ) ,
где время T1Σ равно постоянной времени τ пpи Zст = 1,
отличающийся тем, что дополнительное внешнее воздействие осуществляют стационарным переменным магнитным полем с частотой ларморовской прецессии ядер анализируемого вещества.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1994 года RU2024855C1

П.Ю.Ефиценко, В.М.Микушев, Е.В.Чарная
Прямое измерение решеточного и примесного вкладов в спин-решеточную релаксацию квадрупольных ядер - Письма в ЖЭТФ, 1991 т.54, в.10, с.583-585.

RU 2 024 855 C1

Авторы

Мавлоназаров Имом Останкулович

Микушев Владимир Михайлович

Чарная Елена Владимировна

Даты

1994-12-15Публикация

1992-05-22Подача