Устройство измерения изменения параметров спектров магнитного резонанса Советский патент 1981 года по МПК G01N24/02 

1

Изобретение относится к области использования электронного магнитного (ЭПР) и ядерного магнитного резонатора (ЯМР) для исследования и анализа материалов, преимущественно для разработки и контроля технологических процессов в различных отраслях народного хозяйства.

При современных исследованиях и анализе материалов методами ЭПР и ЯМР приходится решать такие задачи, как исследование изменения физикохимических свойств материала при каком-либо кинетическом воздействии на материал (облучение, изменение температуры, давления и т.п.) и выявления зависимости между величиной; воздействия и изменением параметров, спектральных линий, измерение величины воздействия на материалы по известной зависимости путем измерения величины изменения параметров спектральных линий. Измеряемыми параметрами спектральных линий ЭПР или ЯМР чаще всегоявляются интенсивность и ширина линий.

Известен метод измерения этих параметров спектров, техническая реализация которого состоит в последовательной записи.спектральных кривых на графопостроителе и последующего сравнения этих кривых путем на- ложения или измерения изменяющихся величин измерительными инструментами (линейка, циркуль) 1.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является устройство измерения изменения параметров спектров магнитного резонанса, содержащее систему регистрации и стабилизации резонансных условий спектрометра электронного (ЭПР) или ядерного магнитного резонанса (ЯМР), выходы которой соединены с командным блоком и первым входом схекы сравнения-, второй вход которой соединен с выходом источника этгшонного напряжения, первый вход которого соединен с выходом командного блока, причем этот выход командного блока связан с первыми входами блока памяти и блока обработки данных, выход схемы сравнения соединен со входом измерителя временных интервсшов, выход которого связан со вторым входом блока памяти, а выход блока памяти со вторым входом блока обработки данных. Процесс измерения изменения параметров спектра ЭПР и ЯМР в этом устройстве осуществляется следующим

образом. После настройки спектрометра Осуществляется регистрация первой производной сигнала ЭПР и ЯМР. Сигна первой производной с выхода системы регистргщии рпектроме1ра подается на схему сравнения. После прохождения первого амплитудного значения сигнала первой производной с командного блока при помощи схемы запуска осуществляется запуск источника эталонного напряжения. Эталонное напряжзние, величина которого меньше амплитудного значения напряжения сигнала первой производной, поступает на схему сравнения. В момент совпадения величин напряжения сигнала первой производной и эталонного напряжения происходит запуск измерителя временных интервалов. При прохождении напряжения сигнала первой производной через нулевое значение знак эталонного напряжения при помощи устройства командного блока, схемы запуска и источника эталонного напряжения меняется на противоположный, и при новом совпадении величин напряжения сигнала первой производной и эталонного напряжения происходит выключение измерителя временных интервалов. Величина длительности измеренного временного интервала, пропорциональная интенсивности и ширине спектральной линии ЭШ и ЯМР, запоминается с помощью блока памяти; после возвращения спектрометра в исходное состояние осуществляется воздействие или изменение величины воздействия на исследуемое вещество; после прекращения воздействия или изменения величины воздействия на вещество осуществляется измерение величины длительности временного интервала, пропорционгшьной интенсивности и ширине спектральной линии При помсяци устройства осуществляется сравнение полученных величин длительностей временных интервалов и исчисляется величина изменения параметров спектров ЭПР или ЯМР в результате воздействия или изменения величины воздействия на исследуемое вещество 2.

Однако в данном устройстве для проведения измерения необходимо время, превьлпающее удвоенное время регистрации спектра, так как измеряется отношение временных интервалов при двух последовательных развертках Этоэ недостаток мощет оказаться сущесгвенным в тех случаяхj когда требуетсй получать величину изменения параметров спектра ЭПР или ЯМР за время меньшее, чем время регистрации спектра ЭПР или ЯМР, что часто имеет место при применении ЭПР или ЯМР для контроля технологических процессов.

Это можно проиллюстрировать следующими примерами.

Для точного воспроизведения спектра линии необходимо иметь время записи t большее lOf, где Т - постоянная времени начала регистрации.

Скорость развертки магнитного поля при записи равна

где ДНрр - полуширина линии.

При этом максимальная скорость развертки ц

тах -(0

Тогда время развертки спектра t ДН

t ;

Pvnan где дН - ширина записываемого участка;

или

ЛН

Ь

ЙОГ.

uVt рр

Так, например процесс приготовления катализатора для производства синтетического каучука занимает 15 мин. Для активного контроля процесса необходимо получать информацию состояния не реже, чем каждые 30 с. В рассматриваемом случае полуширина линии составл яет аНрр 10 Гс и ширина всего записываемого участка спектра д Н должна быть не меньше 100 Гс. При использовании серийных графопостроителей не может быть сделана меньше 1 с. Тогда время развертки спектра равно ., .д.,

. больше требуемого времени, равного 30 с.

Таким образом видно, что данный способ далеко не в полной мере удовлетворяет требованиям активного контроля технологическими процессами, т.е. имеет ограниченное применение в том случае, если время, необходимое для регистрации спектра, больше интервала времени, в течение которого информация должна быть получена. Кроме того, в ЭПР экспериментах необходимо измерить параметры быстро протекающих процессов, например при работе с биологическими объектами, когда время протекания процесса измеряется секундами и долями секунд. Для этих процессов также необходимо уменьшение времени получения информации о состоянии измеряемого объекта по сравнению со временем, которое затрачивается при использовании известного устройства. .

Целью изобретения является сокращение времени измерения параметров в ЭПР или ЯМР.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве измерения изменения параметров магнитного резонанса, содержащем систему регистрации и стабилизации резонансных условий спдктрометра ЭПР или ЯМР, выходы которой соединены с командным блоком и первым входом схемы сравнения, а второй вход которой соединен с вы ходом источника эталонного напряжения, первый вход которого соединен с выходом командного блока, причем этот выход командного блока с,вязан первыми входами блока памяти и блок обработки данных, выход схемы сравнения соединен со входом измерителя временных интервалов, выход которог связан со вторым входом блока памяти а выход блока памяти со вторым входо обра15отки данных,в устройство введен дополнительно компаратор,исполнитель ный блок и генератор линейно изменяю щегося напряжения, выход которого соединен со входом системы регистрации и стабилизации резонансных условий спектрометра ЭПР или ЯМР, а выход - с первым выходом исполнительного блока, второй, выход которого соединен со вторым входом источника эталонного напряжения, вход компаратора с выходом схемы сравнени а выход его - со входом исполнительного блока. На . 1 изображена функциональная схема устройства измерения изменения параметров магнитного резонанса; на фиг. 2 - процесс измерения изменения параметров спектров. Функциональная схема усд-ройства содержит систему регистрации и систе му стабилизации резонансных условий спектрометра ЭПР или ЯМР 1, схем 2 сравнения, командный блок 3, источник 4 эталонного напряжения, измеритель 5 временных интервалов, блок 6 -памяти, блок 7 обработки данных, компаратор 8, исполнительный блок 9 и генератор 10 нелинейноизменяющегося напряжения (ГЛИН). Процесс измерения изменения параметров спектров ЭПР или ЯМР в прёд лагаемом устройстве (фиг. 2) осу-ществляется следующим образом. После настройки спектрометра система стабилизации резонансных уелоВИЙ устанавливается на .нуль сигнала первой производной. Через командный блок 3 к первок входу схемы 2 сравнения подключается напряжение Vt от источника эталонного напряжения 4 На второй вход схемы 2 поступает напряжение сигнала первой производной Vc j(cM. фиг. 2 а). Так как Vp Vt,To на выходе схемы 2 сравнения появляется сигнал, запускающий измеритель временных интервалов (фиг. 2 д), а также он через компаратор 8 поступает на исполнительный блок 9. На выходе последнего появляется напряжение (фиг. 2 г), управляющее ГЛИН -10, напряжение с выхода которого имеет вид, показанный на фиг. 26. Это напряжение вводится в схему регистращии и стабилизации резонансных условий спектрометра 1 так, что линейно во времени меняется условие резонанса. При этом будет происходить увеличение напряжения сигнала V, пропорциональное амплитуде первой прризводной, до тех, пор, пока Vj : V (Фиг. 2 а,б) . По достижению равенства V V-t схема 2 сравнения изменит свое состояние, сработают компаратор 8, исполнительный блок 9 и произойдет изменение направления работы ГЛИН-10 (фиг. 2 б), Через исполнительный блок также произойдет переключение знака источника 4 эталонного напряжения, при этом v (фиг. 2 а). Измеритель временных интервалов по приходу данного импульса прекращает счет, передает результат в блок 6 памяти, и начинает подсчет нового значения времени. Командный блок 3 контролирует работу блока 6 памяти и блока 7 обработки, данных . По достижении УС нижнего порога V-происходит новый цикл измерения. Таким образом, Vt непрерывно изменяется от V до V за время t , и от Vt за время t (см. фиг. 2 д) . , Оценим время t и t . В силу с симметричности кривой поглощения они равны. Формула t справедлива для предлагаемого устройства с той лишь разницей., что теперь U Щ есть напряженность магнитного поля такой величины, при которой напряжение сигнала удовлетворяет условию V Vc Vt , Первая производная сигнала поглощения достаточно линейна при таком значении поля. Нелинейность .составляет около 2% при сигнале V(. в 32% от максимального значения первой производной сигнала поглощения Vonicni. для гауссовой формулы линии, что составляет АН, равное 20% йНрр. В рассмотренном выше примере t 1 с и, соответственно, время регистрации равно t t. &-lor ММнг. . 10 2 с. При использовании известного устройства t 100 с, что существенно больше. Предлагаемое устройство измерения может быть использовано не только для определения величины изменения парс1метров спектров ЭПР или ЯМ, но и для определения характера и величины воздействия на вещество, когда известная связь между параметрами спектра вещества и изменениями физико-химических свойств вещества, происходящимися в результате воздействия или изменения величины воздействия. Использование предлагаемого устройства имеет по сравнению с существующими устройствами следующее преимущество: измерение величины изменения параметров спектров ЭПР или ЯМР непосредственно в процессе