Датчик сигналов ядерного магнитного резонанса Советский патент 1980 года по МПК G01N27/78 

Изобретение относится к радиоспе троскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и может быть использова но в составе спектрометров ЯМР высо кого разрешения в твердых телах, в частности для химико-физических исследований структуры органических соединений и полимеров. Для получения спектров ЯМР высо кого разрешения твердых тел на ядрах тяжелее водорода (в основном, углерода-13 и ряда других) требуется быстрое вращение (до 4-5 кГц) не металлического ротора с исследуемым образцом вокруг оси, наклоненной по углом 54°44(магический угол)к направлени о постоянного магнитного поля. Известны датчики, в которых вра щающийся ротор с образцом опирается на центральную ось f . В датчике с центральной осью исследуемое вещество находится в цилиндрическом роторе, который вращается на гибкой горизонтальнсэй оси. Вращение ротора осуществляется сжатым газом, постуПающим через стеклянные жиклеры на периферийные ребра поверхности ротора. Радиочастотная катушка ЯМР окружает роторную систему, В датчике Эндрю ампула с исследуемым веществом и радиочастотная катушка помещены в надстройку конического ротора. Недостатком всех известных датчиков ЯМР высокого разрешения для твердых тел является низкая чувствительность, так как образцом охвачена лишь незначительная доля от полной ширины зазора магнита. Особенно низка чувствительность датчиков с центральной осью и, кроме того, они крайне нестабильны и недолговечны (несколько часов). Датчики Эндрю чувствительнее датчиков с центральной осью, так как в них лучше используется объем радиочастотной ка-гушки ЯМР. Из известных датчиков ЯМР высокого разрешения для тверцых тел наиболее близким к предлагаемому является датчик Эндрю с коническим ротором на газовой турбинке 2J . Датчик содержит радиочастотную катушку, ротор и статор. В этом датчике ампула с исследуемым образцом и радиочастотная катушка ЯМР помещены в надстройке конического ротора, конические поверхности ротора и статора выполняют роль газового подшипника. Ротор этого датчика вращается относительно стабильно только при вертикальном положении оси вращения. Стабильность значительно уменьшается при наклоне оси вращения.

Недостатками датчика Эндрю являются весьма ограниченная стабильность вращения его ротора из-за отсутствия боковой и вертикальной стабилизации и низкая чувствительность вследствие того, что образцом охвачена лишь незначительная доли от полной ширины зазора магнита. Расположение ротора определено очень сложной аэродинамикой в турбинке, что ведет к дополнительной нестабильности вращения ввиду несовершенства газового подшипнике, с непостоянным зазором. Ротор датчика Эндрю вращается относительно стабильно только при вертикальном положении оси вращения и постоянном давлении газа, а для дости.;ения высокого разрешения необходим наклон оси вращения. Сложная конструкция этой турбинки ведет к необходимости изготовления ее из пластмассы (полиформальдегид деярин), что, в свою очередь, связано с появлением нежелательной линии в спектре ЯМР углерода-13. Кроме того, замена исследуемого образца при работе с этой турбинкой является трудоемкой процедурой .

Целью изобретения является повышение чувствительности датчика и обеспечение стабильного вращения ег ротора при легкой заменяемости иссл дуемого образца.

Это достигается , тем, что в конструкции предлагаемого датчика заполненный исследуемым веществом цилиндрический ротор целиком расположен внутри радиочастотной катушки ЯМР, а газовый подшипник состоит из ротора с поверхностью цилиндрической формы и каркаса катушки с внутренней поверхностью цилиндрической формы, между которыми размещен слой сжатого газа.

На чертеже изображен предлагаемый датчик, разрез.,

Датчик содержит радиочастотную катушку ЯМР 1, каркас 2 катушки, ротор 3 и исследуемый образец 4. Иследуемый образец 4 находится в цилиндрическом роторе 3. На обоих концах ротора (ампулы) установлены газовые турбинки, которые одновременно являются и пробками. Ротор с образцом расположен внутри каркаса 2 катушки, на каркас намотана рдиочастотная катушка ЯМР 1. В карксе катушки имеются питающие отверстия для ввода сжатого газа в газовый подшипник и газовые жиклеры для ввода сжатого газа на турбины в концах ротора.

Сжатый газ через питающие отверQTHH вводится в пространстве между

линдрическими поверхностями ротора и каркаса катушки, где образуется стабилизирующий вращение газовый подшипник с постоянным зазором. Через газовые жиклеры вводится сжатый газ на турбины ротора, чем обеспечивается быстрое вращение ротора датчика. Частота вращения ротора регулируется давлением газа, подаваемого на турбины.

Предлагаемая конструкция датчика ЯМР высокого размещения для твердых тел позволяет значительно увеличить полезный-объем образца из-за лучшего использования полной ширины зазора магнита и обьема радиочастотной катушки ЯМР. Это приводит к увеличению чувствительности и разрешающей способности спектрометра ЯМР. Постоянная ширина зазора в газовом подшипнике обеспечивает стабильное расположение и вращение ротора датчика. Ротор с образцом легко вынимается и может быть изготовлен из неорганических материалов (стекло, кварц и др.), чем обеспечивается отсутствие в спектре нежелательных линий.

Испытания датчика показали, что ротор датчика вращается стабильно на частотах до 5 кГц (воздух, комнатная температура) при любом положении оси вращения. Это позволяет использовать предлагаемый датчик в спектрометрах ЯМР с магнитами любого типа ( в том числе, со сверхпроводящими) . Выявлена высокая долговременная, стабильность вращения ротора ( iiрот 1% за 1 ч.), что открывает возможности для дальнейшего повышения чувствительности метода ЯМР твердых тел за счет длительного накопления сигнала ЯМР.

По сравнению с известным датчиком Эндрю чувствительность предлагаемого датчика повышается не менее чем в 3 раза, что приводит к уменьшению времени измерения в 10 раз.

В составе спектрометра ЯМР высокого разрешения для твердых тел предлагаемый датчик применим для изучения молекулярной структуры и микродинамических свойств твердых тел (полимеров, пластмасс и др.) как в лабораторных условиях, так и в промышленности (например, текущий анализ полимерных материалов в химическом производстве).

Формула изобретения

Датчик сигналов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения для твердых тел, содержащий радиочастотную катушку ЯМР и ротор исследуемым образцом, расположенным на газовом подшипнике, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью повышения чувствительности датчика и обеспечения стабильного вращения его ротора, цилиндрический ротор с исследуемым образцом целиком расположен внутри радиочастотной катушки ЯМР, а газовый подшипник состоит из ротора с поверхностью цилиндрической формы и каркаса катушки с внутренней поверхностью цилиндрической фор1.и, между которыми размещен слой сжатого газа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Kessemeier Н., Norberg R. в., Physical Review 155, 321 (1967).

2.Andrewin Е. в. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. Vol 8, ed by J. w. Emsley,

J. Feency. L. H. Sutcliffe Pergamon Press, p-24, 1972 (прототип).

ШЛТШЛЛШШТП

7/////11/////}

/

ZZ/