Экспериментальное исследование эффектов воздействия ультразвука на ЯМР в жидкостях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

5 С Л

I » « « « гч , ,

■ I I., ! !.

На правах рукописи

ЗВЕРЕВ СЕРГЕЙ БОРИСОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ

ВОЗДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА НА ЯМР В ЖИДКОСТЯХ.

01.04 Об - акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток - 1997

Работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор | Копвиллем У.Х|,

доктор физико-математических наук, профессор Алексеев A.B.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Каневский И.Н. кандидат физико-математических наук доцент Мельниченко H.A.

Ведущая организация: Институт физики и информационных технологий при ДВГУ (Владивосток).

Зашита состоится « '¡О » Ни 1997 года в « » часов на

заседании диссертационного совета Д 003.34.01 в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН по адресу: 690041, Владивосток, Балтийская, 43

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТОЙ ДВО РАН

Автореферат разослан «//» t&fc^^täh1)97

года

Учёный секретарь диссертационного совета, д.ф.-м.н. СушиловН.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность темы исследования. За несколько десятилетий, прошедших с момента открытия и начала практического использования ядерного магнитного резонанса (ЯМР), обыкновенная вода и её природные и искусственные растворы чаще других веществ использовались в качестве объектов исследования жидкостей с помощью метода ЯМР. Это связано не только с большой распространенностью водных систем в природе, универсальной растворяющей способностью воды и тем, что вода - один из наиболее удобных объектов для ЯМР-исследований. Вола и ее растворы привлекает внимание исследователей ещё и как сложный физический объект, на котором можно тестировать различные теоретические подходы, развитые в области физики конденсированного состояния. Кроме того, исследование структуры молекулы воды, динамики её изменения в результате взаимодействия воды с природными объектами даёт возможность для изучения физической сути различных природных явлений (микроструктуры морской воды, динамики океанских течений, взаимодействие океана и атмосферы и др.).

Проблема исследования структуры воды, как и вообще жидкого состояния вещества, - одна из наиболее сложных в современной физике конденсированного состояния. Для её решения используются различные методы. Это, помимо уже упоминавшегося метода ЯМР, метод акустического магнитного резонанса в жидкости, суть которого состоит в способности парамагнитных ионов некоторых металлов, содержащихся в жидкостях в качестве примесей, резонансно поглощать внешнее ультразвуковое излучение. Это поглощение обусловлено непосредственным взаимодействием ультразвукового излучения с парамагнитными ионами, имеющими определённую величину

собственного магнитного момента (так называемым - спин-фононным взаимодействием).

К сожалению, прямое наблюдение акустического магнитного резонанса в жидкостях в силу ряда экспериментальных трудностей не получило такого широкого распространения, как метод ЯМР. Значительно меньше проблем возникает, если использовать ультразвуковое излучение для модуляции ЯМР в жидкости. Акустическая волна, деформируя молекулу жидкости, меняет ориентацию магнитных моментов ядер относительно внешнего магнитного поля и тем самым модулирует наблюдаемые экспериментально величины, характеризующие ЯМР - интенсивность, частоту, ширину и форму линии ЯМР. По изменению этих параметров можно судить о структуре молекулы жидкости, о концентрации участвующих во взаимодействии частиц, о механизмах спин-фононного взаимодействия в жидкости и других физических свойствах жидкости.

Помимо ультразвука, определённые изменения в характеристики ЯМР в жидкости может вносить и электромагнитное излучение на других, не радиочастотах. Например, лазерное излучение, которое, как известно, обладает очень высокой спектральной плотностью излучения. Изменяя локальные электрические поля в молекуле, лазерное излучение так же, как и акустическое, будет приводить к изменению населённости резонансных уровней, к их сдвигу и, как следствие, - к изменению интенсивности, частоты и формы линии ЯМР. Несмотря на то, что, как уже было отмечено, методы ядерного и акустического магнитного резонанса по отдельности давно применяются для исследования жидкостей, исследований по изучению влияния ультразвука (а также и лазерного излучения) на ЯМР в жидкости, насколько нам известно, ещё не велось (по крайней мере, - экспериментальных). А так как эти исследования могут дать помимо фундаментальных результатов

(сведений о струстуре молекул жидкостей, о механизмах спин-фононного взаимодействия и др.) также и практически важные результаты, то, как нам кажется, проблема учёта влияния ультразвукового и (или) лазерного излучения на ЯМР в жидкости является весьма актуальной.

Итак, шш>Л)абош можно сформулировать так:

а) Экспериментально исследовать эффекты, возникающие при ультразвуковой модуляции ЯМР в различных естественных и искусственных жидких средах (растворы с парамагнитными примесями, морская вода, биологические жидкости и др.).

б) Экспериментально исследовать эффекты, обусловленные модуляцией ЯМР в жидкостях лазерным излучением.

Следуе г отметить, что ввиду отсутствия до сих пор экспериментальных

исследований по поставленным проблемам, для выполнения намеченных целей необходимо было разработать и изготовить соответствующие экспериментальные установки.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Создан экспериментальный комплекс для исследования магнитоакустичсских эффектов в жидкостях.

2. Создан экспериментальный комплекс для наблюдения тронного опто-акусто-радиочастотного ЯМР в жидкости.

3. Экспериментально обнаруженное изменение сигналов спинового эха в растворах с парамагнитными примесями в присутствии ультразвукового излучения - уменьшение интенсивности, уширение >•, деформация формы линии, а также сдвиг резонансной частоты. Показано, что эти изменения увеличиваются с ростом концентрации парамагнитных ионов.

4. Экспериментально обнаруженное изменение времени продольной релаксации в жидкостях с магнитными ядрами в присутствии ультразвукового и лазерного возбуждения.

5. Созданный автором судовой вариант импульсного ЯМР-спектрометра, с помощью которого исследовано распределение парамагнитных примесей в различных районах Тихого океана на поверхности и в придонном слое.

Таким образом, в диссертации сформулирована и во многом решена

проблема экспериментального исследования одновременного

воздействия на жидкость электромагнитного, ультразвукового и

лазерного излучения.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- впервые исследована возможность использования модуляции сигнала ЯМР в жидкости ультразвуком и лазерным излучением для изучения естественных и искусственных жидких сред;

- впервые получено мощное (от 300 до 1200 Вт) сконцентрированное ультразвуковое (от 3 до 15 МГц) излучение в ограниченном объёме (0,5 см3) жидкости, находящейся в датчике резонатора ЯМР;

- экспериментально обнаружено влияние ультразвукового и лазерного излучения на интенсивность, форму и ширину линии сигнала спинового эха в различных жидкостях;

Научная и практическая ценность полученных результатов:

- обнаруженные эффекты влияния акустического и лазерного излучения на ЯМР в жидкостях могут служить основой для более тщательного изучения структуры молекул жидкостей, механизмов спин-фононного взаимодействия и других физических свойств жидкостей;

- созданные экспериментальные установки для изучения

б

вышеописанных эффектов и отработанные методики проведения исследований позволяют использовать их для дальнейшего изучения свойств жидкостей; ~

Апробация работы:

Основные результаты и положения диссертации докладывались на II Всесоюзном симпозиуме по акустической спектроскопии (Ташкент, 1978 г.), на Всесоюзных конференциях "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (Хабаровск, 1979 г., 1984 г., 1987 г.), на Всесоюзном семинаре-симпозиуме "Пространственно-временные структуры гидрохимичесыгх и гидрофизических характеристик морей" (Таллин, 1981 г.), на Всесоюзном симпозиуме "Методика и техника ультразвука" (Каунас, 1984 г.), на Всесоюзной конференции "Применение магнитного резонанса в народном хозяйстве" (Казань, 1988 г.), на Всесоюзном симпозиуме "Применение ультразвука в промышленности и медицине" (Каунас, 1987 г.), на школе-семинаре "Применение длиннобазовых лазерных интерферометров в геофизике" (Владивосток, ¡987 г.), на II Тихоокеанском симпозиуме по морским наукам (Находка, 1988 г.), на 15 Международном акустическом конгрессе (Тронхейм, Норвегия, 1995 г.).

Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 18 научных работах, в том числе в - статьях в научных журналах, в трудах и тезисах докладов международных, всесоюзных и региональных конференций, в рукописях, депонированных в ВИНИТИ.

Объём и структура диссертации. Диссертация объёмом 86 страниц машинописного текста состоит из Введения, 4-х глав, Заключения и списка литературы из 78 наименований. В диссертации содержится 15 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулированы выносимые на защиту положения.

Глава 1 посвящена изложению основ теории ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и ядерной магнитной релаксации как в жидкостях, так и в твёрдых телах, а также определению основных понятий и терминов. В первом параграфе описаны возможные механизмы взаимодействия ядерных спинов с флуктуирующими локальными электрическими полями в жидкостях - механизм диполь-диполыюго взаимодействия, механизм электрического квадрупольного взаимодействия, механизм скалярного взаимодействия, спин-вращательный механизм и механизм анизотропии электронного экранирования ядра. Указанные механизмы приводят к соответствующим процессам ядерной магнитной релаксации, исследуя которую можно делать вполне определённые выводы о доминирующем в данной жидкости механизме взаимодействия ядер с внешним полем.

Во втором параграфе описаны особенности магнитных и акустических резонансов в жидкости при одновременном электромагнитном и ультразвуковом возбуждении жидкости.

В третьем параграфе описано взаимодействие акустических волн с ядерными спинами в жидкости. Показано, что акустический ЯМР в жидкости может быть детектирован только в том случае, когда звуковая накачка сравнима с тепловым возбуждением.

В четвёртом параграфе описаны перспективы использования явления ядерной магнитной релаксации для исследования физических процессов, происходящих в естественных средах на молекулярном уровне. Показано, что измерение времени продольной магнитной релаксации протонного спина в молекуле воды позволяет изучать многие вопросы,

связанные с океанологией (динамику течений, тонкую структуру морской воды, динамику взаимодействия океана и атмосферы и др.). Универсальность метода и присутствие воды во всех сферах глобальной климатической системы (литосфере, биосфере, атмосфере и др.) позволяет считать время продольной протонной релаксации одним из важнейших параметров природы.

В пятом параграфе сформулированы задачи, решению которых посвящена диссертация.

Глава 2 посвящена описанию аппаратуры, используемой для решения поставленных в диссертации задач, и методики измерений. Соответственно, первый параграф главы посвящен описанию фокусирующей системы ультразвука, используемой для исследования магнитоакустических свойств жидкостей, второй параграф - описанию измерительного комплекса на сверхпроводящем магните для исследования магнитоакустических эффектов в жидкостях. Преодолена одна из самых основных трудностей - достижение достаточно большой интенсивности акустического поля в объёме образца без изменения его агрегатного состояния. Кроме того, в этой главе описан созданный нами судовой вариант импульсного ЯМР-снектрометра, адаптированный для работы в специфических условиях морских экспедиций.

В Главе 3 описываются эффекты, возникающие при наблюдении ЯМР в жидкостях в присутствии ультразвукового поля - изменение интенсивности и деформирование формы линии сигналов спинового эха в присутствии ультразвукового поля. Эксперименты показывают, что ультразвуковое поле приводит к существенному уменьшению интенсивности сигнал эха, к уширению линии, а также к провалу в центре линии. Дано описание возможных физических механизмов, приводящих к этим эффектам.

В Главе 4 одновременно использованы три развитых метода квантовой физики - ЯМР-импульсная спектроскопия, лазерная спектроскопия и когерентная акустическая спектроскопия для исследования физических свойств жидкостей посредством стимулирования резонансных переходов.

В первом параграфе описан экспериментальный комплекс, созданный для наблюдения тройного олто-акусто-радиочастотного ЯМР в режиме ядерной спиновой индукции и эха в жидкости. Метод тройного возбуждения в совокупности с фазовой и энергетической релаксацией позволяет всесторонне использовать и анализировать информацию о динамике переменных акустических полей в жидкостях и аморфных средах. Каждая составляющая или каждая пара из трёх переменных составляющих динамического когерентного поля может быть использована для усиления или подавления остальных составляющих, что существенно повышает селективность и чувствительность метода.

Во втором параграфе приведены экспериментальные результаты -сдвиг резонансной частоты ЯМР и изменение времени продольной релаксации в условиях ультразвуковой накачки в присутствии лазерного излучения в различных жидкостях - растворах с парамагнитными ионами, в морской воде, в органических жидкостях типа крови, в различных морских организмах. Предложены физические механизмы описанных эффектов.

В Заключении кратко перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ. 1. Зверев С.Б., Копвиллем У.Х., Нажимов П.В. Механизмы квантовых и

акустических резонансов в жидкостях. Материалы II Всес.

симпозиума по акустической спектроскопии. Ташкент, ФАН, 1978, с.205-209.

2 Зверев С.Б , Нажимов Г1.В. Фокусирующая система ультразвука для изучения магнитоакустических свойств жидкостей. В сб.: Прикладные методы физических измерений. Владивосток, Изд-во ДВНЦ АН СССР, 1981, с. 10-17.

3. Зверев С.Б., Бабанов Ю.Е. Измерительный комплекс на СП-магните для исследования магнитоакустических эффектов в жидкостях. Тезисы докладов Всес. конференции по прикладной физике. Хабаровск, 1981, с. 37-38..

4. Копвиллем У.Х., Бабанов Ю.Е., Зверев С.Б., Применение метода протонного спинового эха для изучения процесса вулканического формирования примесных полей в океане. Материалы Всесоюзного симпозиума-семинара "Пространственно-временные структуры гидрохимических и гидрофизических характеристик морей". Таллин, 1981, с. 57-62.

5. Зверев С.Б. Звуковые эффекты в жидкостях с магнитными ядрами. В кн.: Когерентные методы в акустических и оптических измерениях. Владивосток, Изд-во ДВНЦ АН СССР, 1981, с. 88-90.

6. Зверев С.Б., Бабанов Ю.Е. Акустические эффекты в жидкостях с магнитными ядрами. Тезисы докладов Всесоюзной косференции по прикладной физике, Хабаровск, 19SI, ч. II, с. 45-46.

7. Бабанов Ю.Б., Зверев С.Б., Копвиллем У.Х. Изучение методом протонного спинового эха процесса вулканического формирования примесных полей в океане. Деп. ВИНИТИ, 1982, №2670-82.

8. Бабанов Ю.Е., Зверев С Б., Копвиллем У.Х Поляризационное зхо в вулканическом песке. Тез. докладов Всесоюзной конференции по магнитному резонансу в конденсированных средах. Казань, 1984, ч.Ш, с. 47-49.

9. Копвиллем У.Х., Зверев С.Б. Исследование свойств жидкостей когерентными магнито-акустическими полями. Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле". Хабаровск, 1984, с. 37-38.

10. Зверев С.Б., Копвиллем У.Х., Обжиров А.И., Пасынков А.С., Таранков C.B. Парамагнитные примеси в Западной части ЮжноКитайского моря. Океанология, 1986, t.XXVI, вып.2, с. 250.

11. Копвиллем У.Х., Зверев С.Б. Протонная продольная релаксация в естественных средах. Деп. ВИНИТИ, 1987, №624-В 87.

12. Зверев С.Б., Копвиллем У.Х. Изучение зависимости протонной продольной релаксации в морской воде от рН и пористости образцов донных осадков. Деп. ВИНИТИ, 1987, №625 -В 87.

13. Копвиллем У.Х., Зверев С.Б. О применении радиочастотно-опто-акустического ЯМР в медицине. Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума "Применение ультразвука в промышленности и медицине". Каунас, 1987, Изд-во КПИ, с. 20-21.

14. Копвиллем У.Х., Зверев С.Б. О применении радиочастотно-опто-акустического ЯМР для изучения структуры жидкостей. Тезисы докладов III Всесоюзной научно-технической конференции "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле". Хабаровск, 1987, Изд-во НПО "Дальстандарт", с. 209-210.

15. Копвиллем У.Х., Зверев С.Б. Применение протонного спинового эха для контроля гидрогеохимического состояния океана и земной коры. Тез. докладов Всесоюзной конференции "Применение магнитного резонанса в народном хозяйстве". Казань, 1988, с. 7-8.

16. Научно-технический отчёт о работах в'29-м рейсе НИС «Профессор Богоров», Владивосток, 1989, т. 1, с. 31-64.

!7. Зверев С.Б., Копвиллем У.Х. Применение многократных квантовых резонансов для изучения структуры жидкостей. Оптика атмосферы и океана. 1993, т. 6, № 7, с. 778-782 18. Zverev S.B., Sushilov N.V. On application of ultrasonics to the rf-spectroscopy of liquids. Proc. of the 15-th International Congress on Acoustics (ICA-95). Trondheim, Norway, 1995, p. 571-573.