Особенности ЯМР в земном поле при макроскопическом движении жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Вечерухин, Николай Михайлович

• Вечерухин, Николай Михайлович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Вечерухин, Николай Михайлович

Введение

Глава 1. Исходные позиции

1.1. Основные понятия теории ядерной релаксации

1.2. Особенности ЯМР в земном поле

1.3. ЯМР в движущейся жидкости

1.4. Исходные позиции ЯМР в земном поле в движущейся жидкости

1.5. Постановка задачи

Глава 2. Техника эксперимента

2.1. Релаксометр ЯМР в земном поле

2.2. Датчик "ЯМР-кольцо" ------ 382.3. Выводы

Глава 3. Кинематический сдвиг частоты ЯМР

3.1. Вращение образца. Эксперимент

3.2. Поступательное движение образца. Эксперимент

3.3. Принцип соответствия возбуждения и приема сигнала свободной ядерной индукции

3.4. Необходимое и достаточное условие существования кинематического сдвига

3.5. Выводы

Глава 4. Кинематическое спиновое эхо

4.1. Влияние профиля скоростей течения на параметры сигнала ЯМР

4.2. Спиновое эхо в однородном магнитном поле

4.3. Выводы 104 Заключение 106 Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности ЯМР в земном поле при макроскопическом движении жидкости»

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) занимает важное место среди физических методов исследования строения вещества. Настоящая работа посвящена развитию метода ЯМР для исследования макроскопического движения жидкости.

Актуальность темы. Отличительная черта ЯМР как метода изучения строения вещества заключается в том, что этот метод бесконтактный и нетравмирующий исследуемый объект. Это свойство особенно существенно для диагностики в медицине. Также ЯМР весьма подходит для исследования жидкостей, требующих изолирования (экстремальные температуры, химическая реактивность, абразивность). Другим специфическим свойством метода ЯМР является возможность исследования непрозрачных образцов, что существенно при изучении течений, включающих конденсированные твердотельные суспензии, где твердые частицы могут препятствовать прохождению луча. В отличие от оптических методов большинство методик ЯМР измеряют средние по времени значения параметров потока жидкости. Следовательно, ЯМР наиболее подходит для исследования течений, установившихся или таких, где средние величины изменяются сравнительно медленно.

В 90 е годы основная доля публикаций по ЯМР в движущейся жидкости связана с биолого-медицинскими применениями. Бурно развиваются новые методики по получению томографических ядерно-резонансных изображений как ламинарных, так и турбулентных течений. Как правило, такие исследования проводятся в диапазоне сильных магнитных полей. Эксперименты же в слабых полях, а тем более в земном, относятся, образно говоря, к разряду экзотических. В мире известно несколько групп, которые систематически занимаются ЯМР в земном поле: Степишник (Словения), Калаган (Новая Зеландия), Бене (Швейцария), Бородин (Россия). В последнее время возрос интерес к низкочастотному ЯМР: поднимаются вопросы экранирования от электромагнитных помех; анализируются процессы выключения поляризующего магнитного поля; обсуждаются проблемы улучшения отношения сигнал/шум; развивается ЯМР- томография в земном поле для движущейся жидкости; исследуется процесс диффузии в морском льду (айсберги). Данная работа является результатом экспериментальных исследований ЯМР в земном поле в движущейся жидкости. Она удачно дополняет имеющиеся представления о способах создания неоднородного уширения резонансной линии и расширяет теоретические представления в области импульсного ЯМР.

Целью диссертационной работы является развитие как экспериментальных так и теоретических, в том числе фундаментальных, аспектов метода ЯМР в земном поле в движущейся жидкости. В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

- создание экспериментальной установки для наблюдения ЯМР в земном поле при макроскопическом движении исследуемой жидкости, в том числе нового типа датчика для модельных измерений течений: ЯМР-кольца;

- разработка методики фазовых измерений сигнала свободной ядерной индукции для плоского датчика и ЯМР-кольца;

- получение экспериментальных зависимостей (амплитудных и фазовых характеристик сигнала свободной индукции ядер) для устранения неоднозначности трактования прежних результатов в случае поршневого перемещения исследуемой жидкости;

- интерпретация и обобщение полученных результатов экспериментов с привлечением существующих и вновь предложенных теоретических моделей, сопоставление результатов с литературными данными;

- исследования влияния профиля скоростей на параметры сигнала свободной ядерной индукции;

- исследование поведения суммарной ядерной намагниченности в условиях ламинарного течения, перемежаемости ламинарного и турбулентного режимов, а также при развитой турбулентности. Выявление условий формирования сигнала спинового эха в однородном магнитном поле.

Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые:

- проведено обобщение характерных закономерностей поведения параметров сигналов свободной ядерной индукции, полученных с использованием датчиков ЯМР различных конструкций;

- предложен новый способ создания неоднородного уширения резонансной линии;

- наблюдался новый ядерно-резонансный эффект — спиновое эхо в однородном магнитном поле.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Новый тип датчика ЯМР для модельных исследований гидродинамических режимов.

2. Результаты обобщения характерных закономерностей поведения параметров сигналов свободной ядерной индукции для трех типов датчиков.

3. Новый ядерно резонансный эффект — спиновое эхо в однородном поле — в условиях ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости.

Достоверность результатов работы обеспечивается высоким качеством аппаратуры и корректностью используемых экспериментальных методик, а также их сравнением с результатами экспериментов и теоретическими расчетами, полученными другими авторами, в той части, где можно провести сравнение.

Практическая значимость заключается в том, что полученные в данной работе результаты обобщения характерных закономерностей поведения параметров сигнала ЯМР позволяют разработать алгоритм для конструирования новых датчиков, с помощью которых можно решать фундаментальные и прикладные задачи по исследованию ламинарных и турбулентных течений. d

Внедрение результатов работы.

Диссертационная работа выполнялась в СПбГУ в течение 1988 2000 гг. Результаты, изложенные в диссертации, использованы при выполнении НИР по договорам, по двум грантам РФФИ 94-02-05841-а, 00-03-32935 а, а также по двум грантам Минобразования России. Кроме того, теоретические положения и экспериментальные результаты используются в лекционном курсе и практикуме по специальности "Квантовая радиофизика".

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: 15th European Experimental NMR Conference, 2000, University of Leipzig; III Всероссийском семинаре "Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях", Казань, 2000; 14th European Experimental NMR Conference, Bled, Slovenia, 1998; IV Всероссийском Семинаре по Магнитному Резонансу (Спектроскопия и Томографйя), Ростов-на-Дону, 1998; I международном конгрессе "Слабые и Сверхслабые Поля и Излучения в Биологии и Медицине". Санкт-Петербург, 1997; II Всероссийском семинаре "Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях", Казань, 1995; XXVII Congress AMPERE, Kazan, 1994.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Вечерухин, Николай Михайлович

4.3. Выводы.

Стационарность процесса перемешивания жидкости подтверждается стабильностью поведения параметров сигнала ЯМР. Экспериментальная зависимость эффективного времени поперечной ядерной релаксации от числа Рейнольдса, показала правомочность гидродинамической модели для ситуации, изображенной на рис.25: "труба", на вход которой поступает возмущенный неподвижным стержнем поток. Согласно этой модели объясняется присутствие осцилляций на огибающей сигнала свободной ядерной индукции.

105

Впервые наблюдался сигнал спинового эха в однородном магнитном поле (!), когда процесс расфазирования, а главное сфазирова-ния был обусловлен стационарностью случайного процесса (стационарной турбулентностью). Экспериментально показано, что этот сигнал спинового эха ведет себя аналогично эху Хана: меняет положение при изменении параметра т, становится уже, но не сдвигается при создании неоднородности магнитного поля в пределах образца. Таким образом, предложен и экспериментально подтвержден альтернативный метод создания неоднородного уширения спектральной линии ЯМР в условиях однородного магнитного поля и "стационарной турбулентности"; наблюдался новый ядерно резонансный эффект - спиновое эхо в однородном поле — в условиях ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости.

В заключение приведем основные выводы и результаты диссертационной работы:

1. Предложен новый тип датчика ЯМР для исследования модельных гидродинамических режимов движения жидкости.

2. Проведено экспериментальное исследование поведения параметров сигнала свободной ядерной индукции при поршневом перемещении исследуемой жидкости вдоль катушек датчиков: плоского и ЯМР кольца. Показано, что в этом случае когерентность спинового ансамбля образца не нарушается. Также показано, что ЯМР сигнал, ранее трактовавшийся как разновидность спинового эха, по существу является результатом интерференции двух сигналов свободной ядерной индукции. Дана соответствующая интерпретация результатам.

3. Проведено обобщение характерных закономерностей поведения параметров сигналов свободной индукции для трех типов датчиков: тороид, плоский и ЯМР-кольцо. В результате впервые: предложен подход для интерпретации экспериментальных результатов, основанный на принципе взаимности; сформулированы необходимое и достаточное условие существования кинематического сдвига частоты сигнала свободной индукции и условие выполнения принципа относительности движения образца и датчика; показана угловая зависимость кинематического сдвига частоты при отклонении плоскости траектории движения жидкости; предложено единое аналитическое выражение для коэффициента пропорциональности между кинематическим сдвигом частоты сигнала свободной ядерной индукции и скоростью перемещения исследуемой жидкости для трех вышеуказанных датчиков.

4. Предложен метод создания неоднородного уширения спектральной линии ЯМР в однородном магнитном поле. Впервые показано, что такое уширение возможно получить в условиях "стационарной" турбулентности.

5. Впервые наблюдался новый ядерно резонансный эффект — спиновое эхо в однородном поле — в условиях ламинарного и турбулентного режимов движения жидкости. Исследованы условия формирования спинового эха в однородном магнитном поле.

Следует отметить, что обобщения и выводы были сделаны на основе экспериментов, проводимых в геомагнитном поле, однако они будут выполняться независимо от уровня магнитного поля.

Основное содержание работы представлено в следующих публикациях:

1. Вечерухин Н.М, Смещение частоты сигнала Я MP л движущейся жидкости. Вестник СПбГУ, вып.2 (№11), сер.физ.-хим., 1998, с.107 110.

2. Вечерухин Н.М. Об условии равноправности движения образца и датчика ЯМР. //Вестник СПбГУ, вып.З (№20), сер. физ.хим,, 2000, С. 119-127.

3. Vechenikhin N.M. Melnikov A.V., Borodin P.M. and Tchernychev Yu.S. On condition of motion relativity in NMR sample-sensor system. Contributions of 15th European Experimental NMR Conference, 12-17 June 2000, University of Leipzig, www.eeiic.uni-leipzig.de/coiitributions.litml

4. Мельников A.B., Вечерухин H.M., Бородин П.М. Альтернативный метод наблюдения спинового эха в движущейся жидкости. //Вестник СПбГУ, вып.З (№20), сер. физ.хим., 2000, С. 139 142.

5. Бородин П.М., Вечерухин Н.М. Релакеометр ЯМР в земном поле. Научное приборостроение. Т.1 2, 1998, с.51-55.

6. Бородин П.М., Вечерухин Ü.M. Мельников A.B., Морозов A.A. Сигнал свободной индукции ядер в поле Земли при круговом движении исследуемого образца //ЖТФ, 1996, т.66, №3, с.28 36.

7. Бородин П.М., Вечерухин Н.М., А.В.Мельников A.B. Ядерно-резонансное гидродинамическое кольцо //Вестник СПбУ, 1996, вып.З (№18), сер.физ., с.11-16.

8. P.M. Borodin, N.M.Vecherukhin, A.V. Mel'nikov and A.A. Morozov. Nuclear free precession signal from a sample undergoing circular motion in the geomagnetic field. Tech. Phys. 41(3), P.245-249, March 1996.

9. Матвеева Н.П., Вечерухин H.M. Исследование некоторых гидродинамических эффектов методом ЯМР в земном поле //сб. Ядерный магнитный резонанс, ЛГУ, 1988, вып.7, с.136-140.

10. Пинегин Н.А., Вечерухин Н.М., Бакланов B.C., Чижик В.И. Автоматизированный ЯМР-релаксометр на основе контроллера "Электроника МС 2702" //сб.Радиоспектроскопия, 1990, Пермь, с.152-155.

11. П.М.Бородин, Н.М.Вечерухин, А.В.Мельников. Влияние макроскопического движения жидкости на параметры сигнала ЯМР. IH Всероссийская конференция "Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях", Материалы семинара, Казань, 2000, С.905 910.

12. Veeherukhin N.M. Melnikov A.V., Borodin P.M. and Tchernychev Yu.S. On condition of motion relativity in NMR sample sensor system. Proceedings of 15th European Experimental NMR Conference, 12 17 June 2000, University of Leipzig, Abstracts Book, P. 102.

13. Melnikov A.V., Veeherukhin N.M., Borodin P.M. The new NMR phenomenon — spin -echo by turbulent flow of liquid in uniform geomagnetic field. 14th European Experimental NMR Conference, Bled, Slovenia, 1998, Abstracts Book, P. 19.

14. Melnikov A.V., Borodin P.M., Veeherukhin N.M. The Nuclear Magnetic Resonance Ring as Original Arrangement for Model Hydro dynamic Measurements in Earth's Magnetic Field. 14th European Experimental NMR Conference, Bled, Slovenia, 1998, Abstracts Book, P.23.

15. П.М.Бородин, H.M.Вечерухин, А.В.Мельников. Исследование сигнала свободной прецессии ядер в земном поле при круговом движении образца. В кн: Новости ЯМР в письмах. Материалы II Всероссийского семинара "Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях", Казань, 1995, N 1, с.67-68.

109

16. П.М.Бородин, Н.М.Вечерухин, А.В.Мельников. Влияние макроскопического движения жидкости на параметры сигнала ЯМР. Тезисы докладов III Всероссийского семинара "Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях", Казань, 2000, С.57.

17. Н.П.Матвеева, Н.М.Вечерухин. Некоторые возможности кинематического спинового эха при изучении гидродинамических эффектов. Тезисы докладов. Третья Всесоюзная школа-семинар "Методы гидрофизических исследований", ч.И, с.93, Светлогорск, 1989.

18. П.М.Бородин, Н.П.Матвеева, А.А.Рябинин, А.А.Морозов, Н.М.Вечерухин. Изучение физико химических свойств ПАВ методами ЯМР. Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции по поверхностно-активным веществам и сырью для их производства, ч.И, с.462, Щебекино, 1988.