Характеристики ЯМР-релаксометров с медленным и

К.М. ЖИЛИН, Е.А. ПРОТАСОВ, Д.Е. ПРОТАСОВ,
А.С. РОДИОНОВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯМР-РЕЛАКСОМЕТРОВ
С МЕДЛЕННЫМ И АДИАБАТИЧЕСКИ БЫСТРЫМ
ПРИБЛИЖЕНИЕМ К РЕЗОНАНСУ
Изучены поведения сигналов поглощения ЯМР – релаксометров, работающих
в режимах медленного и адиабатически быстрого приближения к резонансу. Установлено, что форма сигнала ЯМР существенно зависит от режима работы релаксометра. На основании проведенных исследований сделан вывод о преимуществе
релаксометров с адиабатически быстрым приближением к резонансу перед другими аналогичными устройствами.
Для анализа формы магниторезонансного сигнала обычно прибегают к
решению системы уравнений Блоха, описывающих движение вектора результирующего магнитного момента. Однако решение системы уравнений
Блоха в общем виде связано с большими вычислительными трудностями.
Для упрощения решения обычно рассматривают два случая, а именно:
случай медленного прохождения и случай быстрого (адиабатического)
прохождения (АБП) резонанса. При этом виды сигналов поглощения для
этих двух режимов значительно разнятся. Так же отличаются схемы построения устройств, методы регистрации сигналов и их математическая
обработка. Естественно, что каждый из названных режимов работы имеет
свои достоинства и недостатки.
При работе ЯМР – релаксометра в режиме медленного прохождения
резонанса времена релаксации малы по сравнению со временем прохождения через резонанс. Это прохождение настолько медленно, что в каждый отдельно взятый момент времени магнитный момент М имеет практически установившееся значение. При этом режиме выполняется следующее условие: dH0/dt « γ·(Δω)2, где Δω – полуширина линии поглощения, которая при использовании однородных магнитных полей определяется временем спин – спиновой релаксации Т2, γ-гиромагнитное отношение, dH0 /dt – скорость изменения магнитного поля. Заметим, что релаксометры, использующие этот режим, достаточно хорошо известны и часто
применяются на практике, в отличие от режима АБП. При быстром (адиабатическом) прохождении, время прохождения через резонанс меньше
времени релаксации и больше периода прецессии результирующего магнитного момента. Математически условия АБП выражаются следующим
образом: 1/T2 « (dH0/dt)/μ·Нвч « μ·γ·Нвч. = ω [1]. Условия адиабатически
быстрого прохождения выполняются, если Вz изменяется на величину
сравнимую с μ·Нвч за время значительно превышающее 1/ω. (предполагается, что Т2 < Т1, однако известно, что для жидкостей Т2 ≈ Т1), Т1 – время
спин-решеточной релаксации, Нвч – напряженность вращающего магнитного поля, создаваемое ВЧ-генератором, μ – магнитная проницаемость
исследуемого вещества
В докладе приведены результаты исследований амплитудо – частотных и релаксационных характеристик двух релаксометров, разработанных
в лаборатории [2,3], работающих в режимах медленного и быстрого
(адиабатического) приближения к резонансу.
Изменением амплитуд и частот напряжений генераторов, питающих
катушки, модулирующие магнитное поле, как показано в докладе, можно
добиться реализации различных режимов работы релаксометра, а поскольку в режиме АБП регистрируются лишь те ядра, для которых выполняется условие адиабатичности, то имеется принципиальная возможность раздельного определения различных ядер в образце.
Эксперименты проводились на магнитной системе с отличающимися
однородностями магнитного поля. Это обстоятельство дало возможность
провести измерения влияния амплитуды и частоты модуляции магнитного
поля на сигнал ЯМР в условиях различных неоднородностей магнитного
поля.
Для получения неискаженного модуляцией сигнала ЯМР требуется,
чтобы частота модуляции магнитного поля Ω должна быть меньше или
равна полуширине сигнала поглощения Δω, выраженной в единицах частоты, которая в нашем случае измерения времени релаксации жидкостей
(ширины линии для них составляют порядка 10-4 Гс), непосредственно
определяется неоднородностью магнитного поля т.е. Ω < ΔН0, а произведение амплитуды модуляции на частоту Вм· Ω ≤ 1∕ 4γ·Τ12, где Вм – амплитуда модуляции, ΔН0 - неоднородность магнитного поля.
Список литературы
1. Шумиловский Н.Н., Скрипко А.Л., Король В.С., Ковалев Г.В. Методы ядерного магнитного резонанса. М.: Энергия, 1966.
2. Протасов Е.А., Протасов Д.Е. Способ определения времени продольной ядерной
магнито-резонансной релаксации Т1. Патент на изобретение №2267291 от 14 мая 2004 г.
3. Есиков О.С., Протасов Е.А. Магниторезонансный метод измерения времени спинрешеточной релаксации по величине сигнала поглощения.// Сб. научных трудов МИФИ2003. Т. 4. С. 35.