МАЛОГАБАРИТНЫЙ ЯДЕРНО-МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ АНАЛИЗАТОР Российский патент 2008 года по МПК G01N24/08 

Изобретение относится к спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и может быть применено в приборостроительной промышленности для изготовления малогабаритных, в том числе автоматизированных, многоканальных ЯМР-анализаторов, используемых для количественных измерений качества многокомпонентных сред.

Известен импульсный ЯМР-спектрометр, по авторскому свидетельству №811124, Кл. G01N 24/00, публ. 07.03.81, который включает в себя программное устройство, передатчик, поляризующую магнитную систему, датчик, приемник, блок измерения массы, вычислительное устройство, блок регистрации, датчик с переменной геометрической емкостью, блок автоматической подачи и эвакуации эквивалентного вещества, блок объемного дозирования и подачи пробы, блок эвакуации пробы, блок автоматического управления, блок сравнения и установок амплитуд эхо-сигналов, блок контроля времени релаксаций.

Недостатком известного аналога является невысокая производительность анализа из-за отсутствия возможности проведения анализа более чем одной пробы исследуемого вещества за один цикл исследования.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению по технической сущности является малогабаритный релаксометр протонного магнитного резонанса, по авторскому свидетельству №1350573, Кл. G01N 24/08, который включает в себя датчик сигналов ЯМР, импульсный программатор с формирователем интервалов между импульсами, формирователь длительностей импульсов в виде счетчика периодов рабочей частоты ЯМР с триггерами-формирователями видеоимпульсов, блок автоматики, передатчик с кварцевым генератором рабочей частоты ЯМР с модулятором и усилителем мощности, постоянный магнит с датчиком в виде многослойной катушки в приемно-передающем контуре, приемник с детектором, измеритель амплитуды сигнала ЯМР, измеритель интервала между импульсами.

Сходными признаками ближайшего аналога с заявляемым техническим решением являются наличие магнитной системы, датчиков сигналов ЯМР, аналого-цифрового преобразователя (измерители) сигналов ЯМР, приемника сигналов ЯМР с детектором, генератора, регистра генератора радиоимпульсов, счетчиков периодов рабочей частоты ЯМР и усилителя мощности.

Недостатком ближайшего аналога являются увеличенные габаритные размеры и масса магнитной системы из-за применения в качестве датчика многослойной катушки, что, в свою очередь, приводит к увеличению воздушного зазора магнитной системы, в который помещается датчик. Кроме того, магнитная система имеет только один зазор, в который может быть помещен только один датчик, что приводит к снижению производительности анализа.

Технической задачей предлагаемого к патентованию технического решения является расширение технологических возможностей путем количественного измерения сигналов ЯМР одновременно от нескольких исследуемых проб и увеличение производительности анализа.

Для решения поставленной задачи и достижения улучшенного технического результата малогабаритный ядерно-магнитный резонансный анализатор, включающий магнитную систему, датчик сигналов ЯМР, генератор, регистр генератора радиоимпульсов, счетчики периодов рабочей частоты ЯМР и усилитель мощности, снабжен многоканальным управляемым усилителем сигналов ЯМР, многоканальным управляемым стабилизатором напряжения, многоканальным цифроаналоговым преобразователем управления многоканальным управляемым стабилизатором напряжения, многоканальным управляемым стабилизатором тока шиммов, многоканальным цифроаналоговым преобразователем управления многоканальным управляемым стабилизатором тока шиммов, а также блоком настройки резонансных условий и регистрами первой и второй групп, при этом выходы многоканального управляемого усилителя сигналов ЯМР соединены с входами многоканального аналого-цифрового преобразователя сигналов ЯМР, а многоканальный управляемый стабилизатор тока шиммов, с одной стороны, соединен с выходом многоканального цифроаналогового преобразователя управления многоканальным стабилизатором тока шиммов, с другой стороны, его выходы соединены с устройством для коррекции магнитного поля, выходы многоканального управляемого стабилизатора напряжения соединены с входами многоканального управляемого усилителя мощности, входы многоканального управляемого стабилизатора напряжения соединены с многоканальным цифроаналоговым преобразователем управления многоканальным управляемым стабилизатором напряжения, входы которого соединены с входами регистра первой группы, а многоканальный цифроаналоговой преобразователь управления многоканальным управляемым стабилизатором тока шиммов соединен, с одной стороны, с многоканальным управляемым стабилизатором тока шиммов, а с другой стороны, с входами регистра второй группы, причем регистры первой и второй групп, а также многоканальный цифроаналоговый преобразователь управления многоканальным управляемым стабилизатором напряжения и многоканальный цифроаналоговый преобразователь управления многоканальным управляемым стабилизатором тока шиммов входят в блок настройки резонансных условий, причем последние соединены своими входами с выходами регистров первой и второй групп, соответственно выходы многоканального управляемого стабилизатора тока шиммов соединены с электрическими шиммами устройства для коррекции магнитного поля, выходы многоканального управляемого усилителя мощности соединены с датчиками сигналов ЯМР, цифровые входы многоканального аналого-цифрового преобразователя сигналов ЯМР связаны с входами вычислительного устройства, которое в том числе вырабатывает строб, запускающий новый цикл преобразования, кроме того, с выходов вычислительного устройства в регистры первой и второй группы блока настройки резонансных условий поступают коды управления, помимо этого, из вычислительного устройства на входы управления генератора радиоимпульсов поступают цифровые коды, которые соответствующим сигналом фиксируются в регистре генератора радиоимпульсов, при этом генератор радиоимпульсов содержит задающий генератор, регистр генератора радиоимпульсов, счетчики периодов рабочей частоты ЯМР и формирователь импульсных последовательностей, выход которого является выходом генератора радиоимпульсов, а входы подключены к выходам счетчиков периодов рабочей частоты ЯМР, входы которых объединены с выходами регистра радиоимпульсов, входы которого являются цифровыми входами управления генератора радиоимпульсов, выход задающего генератора соединен с входами синхронизации счетчиков периодов рабочей частоты ЯМР и формирователем импульсных последовательностей, выходы генератора радиоимпульсов соединены со входами многоканального управляемого усилителя мощности.

Малогабаритный ЯМР-анализатор поясняется схемой.

Устройство состоит из магнитной системы 1 с воздушными зазорами между плоскопараллельными пластинами с однородным магнитным полем заданной величины в каждом воздушном зазоре, датчиков 2 сигналов ЯМР, расположенных в камерах теплообменников (на чертеже условно не показано), по одному в каждом воздушном зазоре магнитной системы 1, генератора радиоимпульсов 3, приемника сигналов ЯМР с детектором в виде многоканального управляемого усилителя 4 сигналов ЯМР, многоканального аналогово-цифрового преобразователя 5 сигналов ЯМР, вычислительного устройства 6, причем выходы датчиков ЯМР 2 соединены со входами многоканального управляемого усилителя 4 сигналов ЯМР, а выходы многоканального управляемого усилителя сигналов ЯМР 4 соединены со входом многоканального аналого-цифрового преобразователя сигналов ЯМР 5, цифровые выходы которого связаны с входами вычислительного устройства 6, а также содержит устройство 7 для коррекции магнитного поля с электрическими шиммами, каждая из этих шиммов выполнена в виде двух, последовательно соединенных между собой плоских спиральных токопроводящих катушек, намотанных в одном направлении и расположенных на противоположных сторонах плоскопараллельных пластин (на чертеже условно не показано) в каждом воздушном зазоре магнитной системы 1, также устройство содержит блок 8 настройки резонансных условий, многоканальный управляемый усилитель 9 мощности, многоканальный управляемый стабилизатор 10 тока шиммов и многоканальный управляемый стабилизатор 11 напряжения, многоканальный цифроаналоговый преобразователь 12 для управления многоканальным управляемым стабилизатором напряжения 11, причем выходы формирователя импульсных последовательностей 19, входящего в состав генератора 3 радиоимпульсов, являются также выходами генератора радиоимпульсов (3) и соединены со входами многоканального управляемого усилителя мощности 9, входы управления которого соединены с выходами многоканального управляемого стабилизатора 11 напряжения, а выходы многоканального управляемого стабилизатора 10 тока шиммов соединены с электрическими шиммами устройства 7 для коррекции магнитного поля, выходы многоканального управляемого усилителя 9 мощности соединены с датчиками 2 сигналов ЯМР, выходы вычислительного устройства 6 соединены с входами регистров 14 первой группы и регистрами 15 второй группы, входящих в состав блока 8 настройки резонансных условий, а выходы многоканального цифроаналогового преобразователя 12 для управления многоканальным управляемым стабилизатором напряжения 11, входящего в состав блока 8 настройки резонансных условий, соединены со входами многоканального управляемого стабилизатора напряжения 11, при этом электрические шиммы, выполненные в виде токопроводящих катушек устройства 7 коррекции магнитного поля, закреплены в воздушных зазорах магнитной системы.

Размеры датчиков 2 сигналов ЯМР заданы не превышающими размеры однородных областей магнитного поля в воздушных зазорах магнитной системы, что позволяет получать одинаковые по величине сигналы ЯМР от эквивалентного количества резонирующих ядер в любой части рабочих объемов датчиков 2 сигналов ЯМР.

В блок 8 настройки резонансных условий входят регистры 14 первой группы, регистры 15 второй группы, а также многоканальный цифроаналоговый преобразователь 12 управления многоканальным управляемым стабилизатором 11 напряжения и многоканальный цифроаналоговый преобразователь 13 управления многоканальным управляемым стабилизатором 10 тока шиммов, причем многоканальный цифроаналоговый преобразователь 12 управления многоканальным управляемым стабилизатором 11 напряжения и многоканальный цифроаналоговый преобразователь 13 управления многоканальным управляемым стабилизатором 10 тока шиммов соединены своими входами с выходами регистров 14 первой группы и регистров 15 второй группы соответственно, а входы регистров 14 первой и регистров 15 второй групп являются цифровыми входами управления блоком 8 настройки резонансных условий. Выходы многоканального цифроаналогового преобразователя 12 управления многоканальным управляемым стабилизатором 11 напряжения и выходы многоканального цифроаналогового преобразователя 13 управления многоканальным управляемым стабилизатором 10 тока шиммов являются первой и второй группой аналоговых выходов управления соответственно многоканального управляемого стабилизатора 11 напряжений и многоканального управляемого стабилизатора 10 тока шиммов.

Генератор 3 радиоимпульсов содержит задающий генератор 16, регистр 17 генератора 3 радиоимпульсов, счетчики 18 периодов рабочей частоты ЯМР и формирователь 19 импульсных последовательностей, причем входы регистра 17 генератора 3 радиоимпульсов являются цифровыми входами управления генератором радиоимпульсов 3, а выходы формирователя импульсных последовательностей 19, входящего в состав генератора 3 радиоимпульсов, являются выходом генератора 3 радиоимпульсов и соединены со входами многоканального управляемого усилителя мощности 9, а входы формирователя импульсных последовательностей 19 подключены к выходам счетчиков 18 периодов рабочей частоты ЯМР, входы счетчиков 18 периодов рабочей частоты ЯМР объединены с выходами регистра 17 генератора 3 радиоимпульсов. Генератор 16 выполнен задающим и его выход соединен с входами синхронизации счетчиков 18 периодов рабочей частоты ЯМР и формирователем 19 импульсных последовательностей.

Устройство работает следующим образом.

В датчики 2 сигналов ЯМР помещают пробирки с пробами исследуемых веществ. На входы управления генератора радиоимпульсов 3 из вычислительного устройства 6 поступают цифровые коды, которые соответствующим сигналом фиксируются в регистре 17 генератора 3 радиоимпульсов, с выхода которого на входы счетчиков 18 периодов рабочей частоты ЯМР поступает цифровая информация о виде и параметрах формируемой цифровой последовательности, а с помощью сигналов высокой частоты с выхода задающего генератора 16, поступающих на соответствующие входы счетчиков 18 периодов рабочей частоты ЯМР и формирователя 19 импульсных последовательностей, и в результате осуществляется синхронизация работы этих блоков.

Цифровые коды счетчиков 18 периодов рабочей частоты ЯМР поступают на входы формирователя 19 импульсных последовательностей, в качестве которого могут быть использованы либо постоянные запоминающие устройства с логикой управления с записанным в них набором импульсных последовательностей, либо жесткий автомат на цифровых логических схемах, формирующий под управлением цифровых кодов, поступающих со счетчиков 18 периодов рабочей частоты ЯМР последовательности пачек импульсов задающего генератора 16.

Импульсная цифровая последовательность с выхода формирователя импульсных последовательностей 19, входящего в состав генератора 3 радиоимпульсов, поступает на вход многоканального управляемого усилителя 9 мощности, а на входы управления многоканального управляемого усилителя 9 мощности поступает стабилизированное напряжение с выходов многоканального управляемого стабилизатора 11 напряжения, которое задает максимальную величину амплитуды выходных сигналов. С каждого выхода многоканального управляемого усилителя 9 мощности каждая усиленная импульсная последовательность радиочастотных сигналов направляется на предназначенный данному каналу вход одного из датчиков 2 сигналов ЯМР и через передающей колебательный контур датчика 2 сигналов ЯМР воздействует на пробу исследуемого вещества, возбуждая сигналы ЯМР от резонирующих ядер исследуемого вещества, затем сигналы ЯМР улавливаются приемным колебательным контуром датчика 2 сигналов ЯМР, преобразуются в нем в электрический ток, периодическое напряжение которого передается на закрепленный за данным датчиком 2 сигналов ЯМР вход многоканального управляемого усилителя 4 сигналов ЯМР. Усиленные сигналы от каждого датчика 2 сигналов ЯМР с каждого выхода этого усилителя 4 поступают на вход многоканального аналого-цифрового преобразователя сигналов ЯМР 5, который преобразует амплитуды напряжения сигналов ЯМР, полученные от закрепленного за ним датчика 2 сигналов ЯМР в цифровые коды, которые фиксируются каждый в своем выходном регистре многоканального аналого-цифрового преобразователя 5 сигналов ЯМР и на выходе готовности его появляется низкий логический уровень, поступающий на вход готовности вычислительного устройства 6 и сигнализирующий о готовности данных аналого-цифрового преобразования. По приходу сигнала готовности цифровые коды с выходов многоканального аналого-цифрового преобразователя 5 считываются в вычислительное устройство 6, которое вырабатывает строб, запускающий новый цикл преобразования, и переводит сигнал готовности в высокий логический уровень. Количество пусков преобразования определяется в начале измерения при формировании импульсной последовательности, затем процесс измерения завершают или, если задано число повторов, повторяют заданное число раз.

Настройка устройства на оптимальные условия измерения сигналов ЯМР производится во время работы устройства в описанном выше режиме изменением с пульта вычислительного устройства стабилизированного напряжения, подаваемых на соответствующие каждому датчику 2 сигналов ЯМР входы многоканального управляемого усилителя мощности 9, и стабилизированного тока шиммов в соответствующих воздушных зазорах магнитной системы 1.

Критерием настройки устройства является максимальная амплитуда сигнала ЯМР в каждом датчике 2 сигналов ЯМР. Управление настройкой на резонанс осуществляют следующим образом: с выходов вычислительного устройства 6 в регистр первой группы 14 блока 8 настройки резонансных условий поступают коды управления в виде уменьшающихся либо увеличивающихся цифровых отсчетов с информацией о величине стабилизированного напряжения для каждого канала многоканального управляемого стабилизатора напряжения 11. Затем эти коды с выходов регистров первой группы 14 поступают на многоканальный цифроаналоговый преобразователь 12 управления многоканальным управляемым стабилизатором 11 напряжения, преобразующий их в медленно уменьшающееся или медленно увеличивающееся напряжение, которое поступает на входы управления многоканальным управляемым стабилизатором 11 напряжения и определяет величину его выходного стабилизированного напряжения для каждого канала. Аналогично с выходов вычислительного устройства 6 в регистр второй группы 15 блока 8 настройки резонансных условий поступают коды управления в виде уменьшающихся либо увеличивающихся цифровых отсчетов с информацией о величине стабилизированного тока шиммов для каждого канала многоканального управляемого стабилизатора 10 тока шиммов. Затем эти коды с выходов регистров 15 второй группы поступают на многоканальный цифроаналоговый преобразователь 13 управления многоканальным управляемым стабилизатором 10 тока шиммов, который преобразует их в медленно уменьшающееся или медленно увеличивающееся напряжение, которое поступает на входы управления многоканальным управляемым стабилизатором 10 тока шиммов и определяет величину его выходного стабилизированного тока шиммов для каждого выходного канала многоканального управляемого стабилизатора 10 тока шиммов, задавая величину стабилизированного тока, поступающего на катушки электрических шиммов устройства 7 для коррекции магнитного поля. В вычислительном устройстве 6 вычисляются максимальные значения амплитуд сигналов в каждом датчике 2 сигналов ЯМР по значениям сигналов ЯМР, зарегистрированных в вычислительном устройстве 6 в процессе выполнения настройки на резонанс, и вычисляются соответствующие значения максимальных амплитуд сигнала ЯМР в каждом датчике 2 сигналов ЯМР, а в соответствующих каждому датчику 2 сигналов ЯМР регистрах 14 первой и 15 второй групп оставляют записанными цифровые коды соответствующие оптимальным значениям стабилизированных напряжения и тока шиммов. На этом настройку устройства на резонанс заканчивают.

В режиме измерения сигналов ЯМР в регистрах 14 первой и 15 второй групп, соответствующих каждому датчику 2 сигналов ЯМР, устанавливаются записанные при настройке цифровые коды, соответствующие оптимальным значениям стабилизированных напряжения и тока шиммов.

От проб анализируемых веществ, помещенных в датчики 2 сигналов ЯМР, с помощью импульсных методик, например, описанных в [1] и предназначенных для измерения времен спин-спиновой и спин-решеточной релаксации, получают сигналы ЯМР одновременно от всех проб. В том числе используют импульсную последовательность Карра-Парселла-Мейбума-Гилла, которая адаптирована для получения сигналов ЯМР и вычисления времен релаксации одновременно для нескольких проб, размещенных каждая в отдельном датчике 2 ЯМР данного устройства. Это обеспечивает реализацию технического преимущества над аналогами за счет получения количественных измерений сигналов ЯМР от нескольких исследуемых проб одновременно с увеличением производительности анализа.

Предлагаемое техническое решение «Малогабаритный ЯМР-анализатор», малогабаритное по сравнению с вышеописанными аналогами, имеет расширенные технологические возможности, позволяющие получить количественные измерения сигналов ЯМР от нескольких исследуемых проб одновременно с увеличением производительности анализа.

Литература

1. А.А.Вашман, И.С.Пронин. Ядерная магнитная релаксационная спектроскопия. - М.: Энергоиздат,1986, 232 с.

Использование: для ЯМР-анализа различных объектов. Сущность: заключается в том, что малогабаритный ядерно-магнитный резонансный анализатор включает магнитную систему, датчик сигналов ЯМР, генератор, регистр генератора радиоимпульсов, счетчики периодов рабочей частоты ЯМР и усилитель мощности, при этом он снабжен многоканальным управляемым усилителем сигналов ЯМР, многоканальным управляемым стабилизатором напряжения, многоканальным цифроаналоговым преобразователем управления многоканальным управляемым стабилизатором напряжения, многоканальным управляемым стабилизатором тока шиммов, многоканальным цифроаналоговым преобразователем управления многоканальным управляемым стабилизатором тока шиммов, а также блоком настройки резонансных условий и регистрами первой и второй групп. Технический результат: расширение технологических возможностей путем количественного измерения сигналов ЯМР одновременно от нескольких исследуемых проб и увеличение производительности анализа. 1 ил.

Малогабаритный ядерно-магнитный резонансный анализатор, включающий магнитную систему, датчик сигналов ЯМР, генератор, регистр генератора радиоимпульсов, счетчики периодов рабочей частоты ЯМР и усилитель мощности, отличающийся тем, что он снабжен многоканальным управляемым усилителем сигналов ЯМР, многоканальным управляемым стабилизатором напряжения, многоканальным цифроаналоговым преобразователем управления многоканальным управляемым стабилизатором напряжения, многоканальным управляемым стабилизатором тока шиммов, многоканальным цифроаналоговым преобразователем управления многоканальным управляемым стабилизатором тока шиммов, а также блоком настройки резонансных условий и регистрами первой и второй групп, при этом выходы многоканального управляемого усилителя сигналов ЯМР соединены с входами многоканального аналого-цифрового преобразователя сигналов ЯМР, а многоканальный управляемый стабилизатор тока шиммов, с одной стороны, соединен с выходом многоканального цифроаналогового преобразователя управления многоканальным стабилизатором тока шиммов, с другой стороны, его выходы соединены с устройством для коррекции магнитного поля, выходы многоканального управляемого стабилизатора напряжения соединены с входами многоканального управляемого усилителя мощности, входы многоканального управляемого стабилизатора напряжения соединены с многоканальным цифроаналоговым преобразователем управления многоканальным управляемым стабилизатором напряжения, входы которого соединены с входами регистра первой группы, а многоканальный цифроаналоговой преобразователь управления многоканальным управляемым стабилизатором тока шиммов соединен, с одной стороны, с многоканальным управляемым стабилизатором тока шиммов, а с другой стороны, с входами регистра второй группы, причем регистры первой и второй групп, а также многоканальный цифроаналоговый преобразователь управления многоканальным управляемым стабилизатором напряжения и многоканальный цифроаналоговый преобразователь управления многоканальным управляемым стабилизатором тока шиммов входят в блок настройки резонансных условий, причем последние соединены своими входами с выходами регистров первой и второй групп, соответственно, выходы многоканального управляемого стабилизатора тока шиммов соединены с электрическими шиммами устройства для коррекции магнитного поля, выходы многоканального управляемого усилителя мощности соединены с датчиками сигналов ЯМР, цифровые выходы многоканального аналого-цифрового преобразователя связаны с входами вычислительного устройства, которое, в том числе, вырабатывает строб, запускающий новый цикл преобразования, кроме того, с выходов вычислительного устройства в регистры первой и второй группы блока настройки резонансных условий поступают коды управления, помимо этого из вычислительного устройства на входы управления генератора радиоимпульсов поступают цифровые коды, которые соответствующим сигналом фиксируются в регистре генератора радиоимпульсов, при этом генератор радиоимпульсов содержит задающий генератор, регистр генератора радиоимпульсов, счетчики периодов рабочей частоты ЯМР и формирователь импульсных последовательностей, выход которого является выходом генератора радиоимпульсов, а входы подключены к выходам счетчиков периодов рабочей частоты ЯМР, входы которых объединены с выходами регистра генератора радиоимпульсов, входы которого являются цифровыми входами управления генератора радиоимпульсов, выход задающего генератора соединен с входами синхронизации счетчиков периодов рабочей частоты ЯМР и формирователем импульсных последовательностей, выходы генератора радиоимпульсов соединены со входами многоканального управляемого усилителя мощности.