Особенности ЯМР в земном поле при макроскопическом движении жидкости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

* на правах рукописи

Вечерухин Николай Михайлович

ОСОБЕННОСТИ ЯМР В ЗЕМНОМ ПОЛЕ ПРИ МАКРОСКОПИЧЕСКОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ

Специальность: 01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена в Научно-Исследовательском Институте Физики Санкт-Петербургского Государственного Университета

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор П.М. Бородин Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.И. Жерновой доктор физико-математических наук, профессор Ю.й. Неронов

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет

Защита диссертации состоится " 7 " декабря 2000 года в 13 00 часов на заседании Диссертационного Совета Д 063.57.36 по защите диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная 7/9, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Горького Санкт-Петербургского государственного университета.

Автореферат разослан "_" ноября 2000 года

Ученый секретарь „_^

Диссертационного Совета —' _ С.Т. Рыбачек

ИЛ1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Отличительная черта ЯМР как метода изучения роения вещества заключается в той, что этот метод бесконтактный и ¡травмирующий исследуемый объект. Это свойство особенно щественно для диагностики в медицине. Также ЯМР весьма подходит 1я исследования жидкостей, требующих изолирования (экстремальные ¡мпературы, химическая реактивность, абразивность). Другим 1ецифичесютм свойством метода ЯМР является возможность сследования непрозрачных образцов, что имеет значение при изучении ;чений, включающих конденсированные твердотельные суспензии, где зердые частицы могут препятствовать прохождению луча. В отличие от тгических методов большинство методик ЯМР измеряют средние по ремени значения параметров потока жидкости. Следовательно, ЯМР аиболее подходит для исследования течений, установившихся или таких, *е средние величины изменяются сравнительно медленно.

: 90-е годы основная доля публикаций по ЯМР в движущейся жидкости вязана с биолого-медшшнскими применениями. Бурно развиваются овые методики по получению томографических, ядерно-резонансных зображений как ламинарных, так и турбулентных течений. Как правило, акие исследования проводятся в диапазоне сильных магнитных полей, •ксперименты же в слабых полях, а тем более в земном, относятся, бразно говоря, к разряду экзотических. В мире известно несколько групп, оторые систематически занимаются ЯМР в земном поле: Степиппшк Словения), Калаган (Новая Зеландия), Бене (Швейцария), Бородин Россия). В последнее время возрос интерес к низкочастотному ЯМР: юдннмаются вопросы экранирования от электромагнитных помех; нализируются процессы выключения поляризующего магнитного поля; осуждаются проблемы улучшения отношения сигнал/шум; развивается 1МР-томография в земном поле для движущейся жидкости; исследуется фоцесс диффузии в морском льду (айсберги).

Данная работа является результатом экспериментов по ЯМР в земном юле в движущейся жидкости. Она удачно дополняет имеющиеся федставления о способах создания неоднородного уширения резонансной шн!ш и расширяет теоретнческие представления в области импульсного 1МР. ~ ""

Целью диссертационной работы является развитие как жспериментальных, так и теоретических, в том числе фундаментальных, 1спектов метода ЯМР в земном поле в движущейся жидкости.

Для достижения цели диссертационной работы были поставлены следующие задачи:

з

- создание экспериментальной установки для наблюдения ЯМР земном поле при макроскопическом движении исследуемой жидкости, том числе нового типа датчика для модельных измерений течении: ЯМ1 кольца;

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

- получение экспериментальных зависимостей (амплитудных фазовых характеристик сигнала свободной индукшш ядер) для устранени неоднозначности трактования прежних результатов в случае поршнево1 перемещения исследуемой жидкости;

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

- исследования влияния профиля скоростей на параметры сигнал свободной индукции ядер;

- исследование поведения суммарной ядерной намагниченности условиях ламинарного течения, перемежаемости ламинарного турбулентного режимов, а также при развитой турбулентности. Выявлен» условий формирования сигнала спинового эха в однородном магнитно; поле.

Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые:

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

- предложен новый способ создания неоднородного уширени резонансной линии;

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

Основные положения, выносимые на защиту.

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

2. Результаты обобщения характерных закономерностей поведени параметров сигналов свободной ядерной индукции для трех типо датчиков.

3. Новый ядерно-резонансный эффект - спиновое эхо в однородно! поле - в условиях ламинарного и турбулентного режимов движени жидкости.

Достоверность результатов работы обеспечивается высоки! качеством аппаратуры и корректностью используемы экспериментальных методик, а также подтверждается их сравнением результатами экспериментов и теоретическими расчетами, полученным! другими авторами, в той части, где можно провести сравнение.

Практическая значимость заключается в том, что полученные в шнон работе результаты обобщения характерных закономерностей введения параметров сигнала ЯМР позволяют разработать алгоритм для онструнрования новых датчиков, с помощью которых можно решать ундаментальные и прикладные задачи по исследованию ламинарных и фбулентных течений.

Внедрение результатов работы. Диссертационная работа ыполнялась в СПбГУ в течение 1988-2000 гт. Результаты, изложенные в ксерташш, использованы при выполнении НИР по договорам, по двум зантам РФФИ № 94-02-05841-а, Хз 00-03-32935-а, а также по двум эантам Минобразования России. Кроме того, теоретические положения и чспериментальные результаты используются в лекционном курсе и рактикуме по специальности "Квантовая радиофизика".

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы окладывалнсь на следующих конференциях: I5tb European Experimental iMR Conference, 2000, University of Leipzig,; III Всероссийском семинаре Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях", Казань, 2000; 4th European Experimental NMR Conference, Bled, Slovenia, 1998; IV «российском Семинаре по Магнитному Резонансу (Спектроскопия и омография), Ростов-на-Дону, 1998; 1 международном конгрессе "Слабые и Сверхслабые Поля и Излучения в Биологии и Медицине". Санкт-[етербург, 1997; II Всероссийском семинаре "Новые достижения ЯМР в груктурных исследованиях", Казань, 1995; XXVII Congress AMPERE, :azan, 1994.

Публикации по материалам диссертации: 18 печатных работ в журналах и сборниках материалов конференций.

Объем и структура диссертации: диссертация состоит из введения, етырех глав, заключения и списка цитированной литературы из 81 [аименования и содержит 118 страниц текста и 33 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проведенных физических [сследований, сформулированы цель и задачи работы, кратко изложены гаучная новизна, практическая значимость, приведены основные юложения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В ней приведены [сторические этапы развития и общие положения теории ядерной »елаксацин. Рассмотрены некоторые особенности наблюдения ЯМР в емном поле в движущейся жидкости. Приведены примеры

конструктивной роли турбулентности при наблюдении сигналов спинового эха в движущейся жидкости.

Во второй главе описывается аппаратура для наблюдения ЯМР в земном поле, непосредственно созданная автором. В работе для получения сигнала свободной ядерной индукции в магнитном поле Земли используется предварительное намагничивание ядер образца более сильным магнитным полем. Поскольку используемые датчики ЯМР, в основном, имеют достаточно большую индуктивность («100 мГн), то для наблюдения сигнала ЯМР в земном поле целесообразно применять адиабатическое (медленное) выключение поляризующего поля с последующим воздействием 90°-м радиочастотным импульсом. В соответствие с выше приведенным принципом получения сигнала ЯМР в земном поле на современной элементной базе был создан релаксометр. В качестве исследуемых ядер выбраны протоны, что позволяет наблюдать сигнал ЯМР в магнитном поле Земли на частоте 55 2,2 кГц. Релаксометр может функционировать в двух режимах: одноканальном (амплитудном) для наблюдения огибающей сигнала свободной индукции, двухканальном (фазометрическом) - для регистрации изменения фазы сигнала ЯМР. В одноканальном режиме релаксометр действует согласно блок-схеме, представленной на рис.1. В состав релаксометра входит программируемый контроллер, который формирует последовательность и длительности импульсов управления, осуществляет синхронизацию работы всей

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

К ИС

ЦАП

РУ

клок ФОРМИРОВАНИЯ

БК

ПРИЕМНЫЙ ТРАКТ

ацЙ]~{АД"

ПУ

ФРЧ

д

Рис. 1. Блок-схема функционирования релаксометра ЯМР в земном поле в одноканальном режиме. К - контроллер; ИС - интерфейс связи; БК - блок коммутации; ФРЧ - блок формирования радиочастотных импульсов; Д - датчик ЯМР; ПУ - предусилитель; АД - амплитудный детектор; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; РУ - регистрирующее устройство.

установки, организует первичную обработку экспериментальных данных. Интерфейс связи обеспечивает полную гальваническую развязку контроллера с блоком формирования сигнала. Блок формирования сигнала производит медленное выключение поляризующего магнитного поля по заданному закону и создание радиочастотных импульсов. После необходимого усиления, выделения огибающей сигнала ЯМР и аналого-цифрового преобразования результаты эксперимента записываются в оперативную память контроллера, где осуществляется процесс хранения и накопления данных.

Для фазометрического режима работы релаксометра характерно получение сигналов свободной индукции одновременно с двух разных датчиков. Один из сигналов используется в качестве опорного напряжения при фазовом детектировании. Этот режим обеспечивает синхронизацию начальных фаз сигналов и устраняет необходимость компенсации вариаций геомагнитного поля во время накопления.

В работе представлен новый вариант датчика ЯМР с внешним образцом. Он состоит из рамочных катушек, которые используются как для приема сигнала свободной ядерной индукции, так и для создания поляризующего магнитного поля. Катушки располагаются равномерно вокруг цилиндрического сосуда с исследуемой жидкостью (рнс.2). Согласно условию компенсации внешней помехи датчик должен содержать, по крайней мере, четное количество рамок, каждая пара которых включена встречно по магнитному потоку. Кроме того, соседние пары включаются следующим образом: если в одной магнитный поток направлен к образцу, то в другой имеет противоположное направление. В экспериментах использован четырехкатушечный вариант датчика, позволивший существенно повысить отношение сигнал/шум по сравнению с двухкатушечным. Датчик с таким пространственным расположением рамочных катушек далее будет именоваться как «ЯМР-кольцо». Цилиндр с исследуемой жидкостью находится на лабораторном столике, который может вращаться, а катушки остаются неподвижными. Таким образом, перемещение жидкости относительно рамок датчика происходит по круговой траектории. Скорость перемещения обусловлена частотой вращения и легко регулируется мотором привода. В экспериментах обеспечивается регулировка частоты вращения с 1%-й точностью в пределах от 0 до 120 оборотов в минуту. Размеры образца: диаметр равен 140+1 мм, а высота - 180+2 мм. Для получения максимальной амплитуды сигнала ЯМР ось вращения цилиндра и плоскости катушек ориентируются параллельно направлению магнитного поля Земли. В ЯМР-кольце отсутствует вытекание поляризованной жидкости из зоны приема, что способствует повышению точности измерений. Использование вращения образца обеспечивает стабильность гидродинамических параметров жидкости и возможность создания модельных течений.

1,, - ь4

Рис.2. Устройство датчика ЯМР-кольцо. (Ь: — - катушки датчика; Б - вращающийся столик; Б - мотор с приводом; Во - направление магнитного поля Земли.

Проблему нестабильности геомагнитного поля при исследовании поведения частоты сигнала ЯМР была решена следующим образом. В зону действия приемных катушек помещался еще один неподвижный образец, в результате фазовые измерения сводились к амплитудным. В экспериментах погрешности измерений, в основном, зависели от величины сигнал/шум. При достижении значения сигнал/шум более 15 относительные погрешности измерений составляли 5-8%. Температура образца в пределах серии экспериментов колебалась в пределах (22±2)° С.

Третья глава посвящена изучению поведения параметров сигнала свободной ядерной индукции при условии перемещения жидкости с постоянной скоростью вдоль катушек датчика ЯМР. В качестве исследуемой жидкости выбрана дистиллированная вода. Рассматриваются три типа датчиков: один имеет тороидальную катушку; два других состоят

из рамочных катушек, расположенных вдоль прямой (плоский датчик) или по окружности (ЯМР-кольцо). В этих датчиках катушки используются как для приема, так и для создания поляризующего поля и возбуждения. Они имеют разные конфигурация силовых линий поляризующего магнитного поля (рис.3).

Известно, что при движении жидкости через тороид происходит сдвиг

и

В

в

КЕ

□НЗ

О

Е5П

и

Рис.3. Конфигурация силовых линий поляризующего магнитного поля ЯМР-кольца (а); тороида (б); плоского датчика (в). Ь, (Ц-Ц) - катушки датчика; Ь - расстояние между центрами соседних катушек; К - средний радиус тора; и - вектор скорости движения жидкости. Пунктирными линиями обозначены траектории движения жидкости. Вид сверху.

частоты сигнала свободной индукции, но не нарушается когерентность спинового ансамбля образца, т.е. время поперечной релаксации не меняется. Этот факт объясняется дополнительным (помимо прецессии) равномерным изменением угла поворота вектора ядерной намагниченности в фиксированной точке пространства от протяженности траектории движения, причем одинаковым для всех элементарных объемов образца. Если следовать этому принципу, то при перемещении жидкости вдоль катушек плоского датчика и ЯМР-кольца должно наблюдаться периодическое расфазирование и сфазирование спинового ансамбля образца.

Однако эксперименты с датчиком типа ЯМР-кольцо показали, что форма сигнала свободной ядерной индукции осталась такой же, как и в случае неподвижного образца. Никакого дополнительного затухания сигнала свободной ивдукцин не было зарегистрировано независимо от величины скорости перемещения жидкости относительно катушек датчика. Более того, при увеличении частоты вращения образца было отмечено даже незначительное возрастание времени поперечной релаксации, очевидно, связанное с усреднением некомпенсированной части неоднородности геомагнитного поля. При этом отмечался сдвиг частоты сигнала свободной ядерной индукции, равный угловой скорости вращения образца: при совпадении направлений вращения и прецессии происходило увеличение частоты, при противоположных направлениях — уменьшение. Картина поведения огибающей сигнала свободной индукции при обтекании плоского датчика жидкостью с обеих сторон была известна и ранее (рис.4а), объяснялась она вышеуказанной периодичностью сфазирования и расфазирования спиновой системы. Эксперимент показал, что движение жидкости только вдоль одной стороны датчика (с другой жидкость отсутствует) вызывает качественно другой характер изменения амплитуды (рис.40), сигнал ЯМР сохраняет естественную форму огибающей, определяемую временем ядерной релаксации. Объясняется этот факт поведением фазы сигнала (рис.4г) для вариантов перемещения жидкости раздельно вдоль каждой из сторон плоского датчика. Поскольку Ф = (рис.4г), то при обтекании датчика с одной стороны происходит увеличение частоты сигнала ЯМР, а с другой - уменьшение на ту же величину. Экспериментально показано, что величина сдвига а>и частоты с 5%-й точностью соответствует соотношению а>и=тюЬ, где Ъ -параметр, отражающий геометрию датчика (рис.Зе). Особенности поведения амплитуды и фазы сигнала ЯМР при обтекании катушек с обеих сторон(экстремум амплитуды и резкий скачок фазы на к- рис.За и рис.Зв) обусловлены суперпозицией двух сигналов, наблюдаемых при движении жидкости соответственно вдоль одной и другой сторон датчика. Момент времени Гф, в который происходит скачок фазы, связан со скоростью течения и жидкости соотношением 1ф=Ьи 2.

Рис.4. Поведение огибающей А(1) и фазы а (У сигналов свободной индукции ядер при движении исследуемой жидкости с постоянной скоростью вдоль катушек плоского датчика: с двух сторон (а, в); с одной стороны (б, г (кривая 1)); с другой стороны (г, кривая 1).

Из результатов экспериментов следует, что независимо с одной или двух сторон плоского датчика движется жидкость, по изменении) фазы сигнала можно определять величину скорости течения этой жидкости. Только при одностороннем обтекании датчика регистрируется непосредственно изменение фазы сигнала ЯМР, которое прямо пропорционально скорости течения жидкости, а при двухстороннем - промежуток времени, который имеет обратно пропорциональную зависимость от величины скорости и определяет момент скачкообразного изменения фазы сигнала свободной индукции на л;

Таким образом, какой бы датчик не использовался для наблюдения: тороид, плоский или ЯМР-кольцо - во всех случаях движение жидкости приводит лишь к изменению частоты сигнала свободной индукции ядер, и не вызывает уширения резонансной линии. И что очень существенно, все это характерно для поршневого перемещения жидкости, т.е. когда поток жидкости имеет плоский фронт скоростей.

и

Следует отметить важное обстоятельство, что кинематический сдвиг не вызывает изменения ларморовой частоты прецессии, а меняется частота наблюдения сигнала свободной индукции.

Согласно теореме взаимности независимо от конфигурации поляризующего поля В при неподвижном образце в катушках индуцируется сигнал свободной индукции:

U{tj=.£. ( J MKdV),

ct

где К=В /J; J - ток поляризации; V— объем образца. Без учета релаксации М(x,y,z, tJ=M/x,y, z) exp (icúot), где AÍ¡(x,y-)=xB' (x,y,z)\ j-магнитная восприимчивость. Вектор M/x,y,z) характеризует свойства образца и отражает распределение начальных фаз ядерных прецессий элементарных объемов. Вектор К характеризует свойства системы приемных катушек. Перемещение жидкости в зоне действия приемных катушек вызывает эволюцию Mj. Например, равномерное вращение образца с угловой скоростью овр в датчике типа ЯМР-кольцо приводит к изменению картины распределения начальных фаз. Это новое распределение связано с исходным соотношением: M¡(x,y, - t) =М/х,у,zjexpfia>ep¡). Следовательно, у вектора М появилась дополнительная зависимость от времени, что вызывает сдвиг частоты сигнала ЯМР. Показано, что этот вывод также справедлив и для тора, и для плоского датчика. Предложено ед|/ное аналитическое выражение для кинематического сдвига (как далее будет именоваться сдвиг частоты, обусловленный движением образца), сои=2яоР. Параметр Р - периодичность поля В , равная минимальному расстоянию (отличному от нуля), через которое повторяется конфигурация поля В. Из рис.3 следует, что для тора P=2t¿R (av=u R), для плоского датчика Р=2Ь (сои=!П>Ь) и для ЯМР-кольца Р=2лг (г - расстояние от центра цилиндра до элементарного концентрического слоя), сйи=авр. Также показано, что если траектория движения пересекает плоскость ху (рис.3) под углом а, то аи—(2ло Р) cosa. Эта угловая зависимость справедлива для трех датчиков при условии, что поме В не зависит от координаты однако тор имеет конструкцию, при которой cosa=±l. Показано, что необходимым и достаточным условием существования кинематического сдвига является изменение направления поля В на траектории движения жидкости, причем необязательно это изменение угла поворота вектора В должно быть равномерным относительно протяженности траектории. А линейное изменение фазы сигнала ЯМР обусловлено равномерным перемещением образца вдоль кату шек датчика.

Индивидуальность датчиков проявляется, когда образец неподвижен, а перемещаются приемные катушки, т.е. меняется вектор К. Пусть Р(К) — периодичность К, a P(hí¡) - периодичность Mj. Показано, что для тора

Р (М])<Р(К); для плоского датчика Р(М^=Р(К); для ЯМР-кольца Р(М^>Р(К). Поскольку в плоском датчике выполняется принцип относительности движения, то соотношение Р(М^=Р(К) (или равенство соответствующих кинематических сдвигов) является условием равноправности движения образца и датчика ЯМР.

В четвертой главе рассматривается влияние распределения средней скорости перемещения жидкости на ширину спектральной линии ЯМР как при ламинарном, так и лри турбулентном потоках. В предыдущей главе были рассмотрены условия, при которых (йи принимает единое значение для всех элементарных объемов образца, и в катушках индуцируется сигнал ЯМР:

11(0=11(0) ¡т(оо!~ соЛ). Показано, что создание условий, при которых кинематический сдвиг будет принимать разное значение для разных элементарных объемов, аналогично присутствию неоднородности магнитного поля в пределах образца. Поскольку кинематический сдвиг пропорционален скорости перемещения жидкости, то распределение скоростей приводит к расфазированию спинового ансамбля образца. Действительно, если с помощью плоского датчика исследовать ламинарное течение с параболическим распределением скоростей, то разброс кинематических сдвигов для разных слоев жидкости вызовет неоднородное уширение спектральной линии ЯМР.

Такой же результат можно получить при турбулентности, если обеспечить условия для создания стационарного случайного процесса. В середину между двух цилиндров, вращающихся с одной частотой и в одном направлении, вводится неподвижный стержень. Область между цилиндрами заполняется жидкостью, и вся конструкция помещается в датчик типа ЯМР-кольцо. Показано, что созданная таким способом возмущенность жидкости дает такой же эффект, как и наличие линейного градиента магнитного поля в пределах цилиндрического образца. Дальнейший экспериментальный шаг заключался в последующем воздействии на движущуюся жидкость импульсной последовательностью 90°-т-180°, который позволил получить сигнал спинового эха в однородном магнитном поле (!). В частности, наблюдался сигнал спинового эха в условиях стационарной турбулентности. Этот сигнал назвали турбулентным спиновым эхом, подчеркивая тем самым, что причина расфазирования, а главное сфазирования спинового ансамбля образца обусловлена перемешиванием жидкости. Сразу возникает вопрос об обратимости процесса турбулентности. Никто не утверждает, что этот процесс обратим, однако он является постоянно действующей в течение эксперимента причиной, которая способствует не только разрушению, но и восстановлению суммарной ядерной намагниченности образца. Отметим,

что при наблюдении турбулентного эха изменение параметра т, как обычно, приводит к временному сдвигу процесса восстановления. Для сравнения наблюдался сигнал классического эха (эхо Хана). Для этого вдоль оси вращения сосуда с образцом был создан градиент магнитного поля. Была выбрана такая величина градиента, чтобы спад сигнала свободной индукции был такой же, как и при использовании возмущающего стержня диаметром 4,5 мм и частоты вращения образца 116 об/мин. В этом случае амплитуда сигнала турбулентного эха составила порядка 70% от амплитуды классического эха (т=750мс). Эксперимент также показал, что воздействие на образец одновременно и неоднородностью магнитного поля (градиент направлен вдоль геомагнитного поля) дает сужение сигнала спинового эха, при этом он наблюдается в то же время. Инверсия направления градиента не меняет положения эха. Это доказывает, что существуют две независимые причины уширенпя спектральной линии ЯМР, которые обладают аддитивными свойствами.

Турбулентное спиновое эхо является разновидностью кинематического спинового эха, поскольку неоднородное уширенне в однородном магнитном поле может быть обусловлено не только перемешиванием жидкости, но и другими причинами, например распределением профиля скоростей по параболическому закону при ламинарном течении по трубопроводу- или процессом диффузии.

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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 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 ЯМР и условие равноправности движения образца и датчика; показана угловая зависимость кинематического сдвига частоты при отклонении плоскости траектории движения жидкости.

4. Предложен метод создания неоднородного упгирения 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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

РАБОТАХ:

1. Вечерухин Н.М. Смещение частоты сигнала ЯМР в 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 (№18), сер. физ.-хим., 2000, С.119-127.

3. Vecherukhin 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.

4. Vecherukhin 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, mvw.eenc.uni-leinzig.de/eontrihutions.htmI

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

6. Бородин П.М., Вечерухин Н.М., Мельников А.В., Морозов А.А. 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., Мельников А.В. Ядерно-резонансное гидродинамическое кольцо //Вестник СПбГУ, 1996, вып.З (№18), сер.физ.-хим, с. И-16.

8. P.M. Borodin, N.M.Vecherukhin, A.V. MePnikov 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. Melnikov A.V., Vecherukhin 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.

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

11. 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.

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

13. Пинегин H.A., Вечерухин Н.М., Бакланов B.C., Чижик В.И. Автоматизированный ЯМР—релаксометр на основе контроллера "Электроника MC 2702" //сб.Радиоспектроскопия, 1990, Пермь, с.152-155.

14. 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.П, с.462, Щебекино, 1988.

15. 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.П, с.93, Светлогорск, 1989.

16. П.М.Бородин, Н.М.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, №1, с.67-68.

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

18. П.М.Бородин, Н.М.Вечерухин, А.В.Мельников. Влияние макроскопического движения жидкости на параметры сигнала ЯМР. III Всероссийская конференция "Новые достижения ЯМР в структурных исследованиях", Казань, 4-7 апреля 2000, Материалы семинара, С.905-910.

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

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.

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.