способ измерения времени ядерной спин-решеточной релаксации в условии магнитного насыщения линии ямр
Классы МПК: | G01N24/08 с использованием ядерного магнитного резонанса |
Автор(ы): | Мавлоназаров Имом Останкулович, Микушев Владимир Михайлович, Чарная Елена Владимировна |
Патентообладатель(и): | Мавлоназаров Имом Останкулович, Микушев Владимир Михайлович, Чарная Елена Владимировна |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-05-22 публикация патента:
15.12.1994 |
Использование: при анализе структуры и контроле качества изучаемых образцов. Сущность изобретения: наблюдают процесс восстановления ядерной намагниченности к равновесному значению после воздействия инвертирующего 180-градусного импульса в присутствии насышающего стационарного переменного магнитного поля ларморовской частоты и по ходу наблюдаемого восстановления определяют решеточный и примесный вклады в спин-решеточную релаксацию ядер. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЯДЕРНОЙ СПИН-РЕШЕТОЧНОЙ РЕЛАКСАЦИИ В УСЛОВИИ МАГНИТНОГО НАСЫЩЕНИЯ ЛИНИИ ЯМР, заключающийся в инвертировании ядерной намагниченности вещества посредством внешнего воздействия 180-градусным радиоимпульсом и определении постоянной времени восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности к равновесному значению и по ней времени ядерной спинрешеточной релаксации Т1, отличающийся тем, что дополнительно производят внешнее воздействие на систему ядерных спинов стационарным переменным магнитным полем с частотой ларморовской прецессии ядер вещества, измеряют постоянные времени 1 и 2 восстановления продольной составляющей намагниченности М ядер при значениях М < 0 и М > 0 соответственно, изменяют величину внешнего воздействия до получения максимальной величины отношения 2max / 1max и определяют решеточную компоненту времени спин- решеточной релаксации ядер T1l по формулеT1l = (2max / 1max)T1 ,
а примесную компоненту T1i по формуле
T1i = 2max / (2max-1max)T1.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к радиоспектроскопическим методам измерения характеристик вещества и может быть применено при анализе свойств твердых тел. Известен способ прямого измерения путем разделения решеточного Т1lи примесного Т1i вкладов в ядерную спин-решеточную релаксацию (1), основанный на применении варианта двойных ядерных резонансов - квадрупольного насыщения линии ЯМР электрическим или акустическим полем. При реализации этого способа используется эффект подавления примесного вклада в суммарное время T1 , характеризующее спин-решеточную релаксацию квадрупольных ядер в целом. Наряду с высокой трудоемкостью задачи создания электрического или акустического поля в объеме изучаемого образца недостатком способа (1) является ограниченность объектов исследования, а это только спиновые системы ядер с достаточно б большими величинами квадрупольных моментов для эффективного акустического или электрического насыщения лини ЯМР. Известен способ импульсного измерения времени ядерной спин-решеточной релаксации (2), наиболее близкий по технической сущности, основанный на инвертировании ядерной намагниченности в образце и сравнении сигналов прецессии ядерных спинов, следующих после поворачивающих суммарную намагниченность на 90о импульсов, разделенных заданным регулируемым интервалом времени. Инвертирование суммарной ядерной намагниченности производится так называемым 180-градусным радиоимпульсом, частота заполнения которого есть резонансная частота наблюдаемого сигнала ЯМР. Недостатком известного способа (2) импульсного измерения времени спин-решеточной релаксации (прототипa) является малая информативность, обусловленная тем, что в результате его применения получают T1, характеризующее процесс спин-решеточной релаксации в целом, который может осуществляться в твердых телах за счет различных механизмов. Целью предлагаемого изобретения является повышение информативности измерений времени спин-решеточной релаксации ядер анализируемых твердых тел за счет разделения решеточного и примесного вкладов в процессе ядерной спин-решеточной релаксации. Поставленная цель достигается тем, что, в известном способе измерения времени ядерной спин-решеточной релаксации методом ЯМР, заключающимся в инвертировании ядерной намагниченности вещества посредством внешнего воздействия 180-градусным радиоимпульсом и определении постоянной времени восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности к равновесному значению, и по ней времени ядерной спин-решеточной релаксации T1, в соответствии с изобретением дополнительно производят внешнее воздействие на систему ядерных спинов стационарным переменным магнитным полем с частотой ларморовской прецессии ядер вещества, в результате этого воздействия устанавливают состояние динамического насыщения, в условии которого измеряют постоянные времени 1 и 2 восстановления продольной составляющей намагниченности ядер М при значениях М<0 и М>0, соответственно, насыщение ядерной спин-системы усиливают до получения максимальной величины отношения (2max/ 1max) и определяют решеточную компоненту времени спин-решеточной релаксации ядер Т1l по формуле: Т1l=(2max/1max) T1, а примесную компоненту T1i по формуле: T1i= (2max/2max- 1max) T1 . Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено на фиг. 1 - восстановление продольной составляющей М к равновесному значению Мо в координатах М/Mo= f(t); на фиг. 2 и фиг. 3 - восстановление продольной составляющей М к равновесному значению Мо в координатах t=f[-ln{1/2(1-M/Mo)}, где t - время. Способ осуществляется следующим образом. Исследуемый образец помещается в измерительную головку приемника импульсного спектрометра ядерного магнитного резонанса, который позволяет создавать последовательности электромагнитных импульсов с заданными промежутками времени между ними и регулируемой длительностью. Спектрометр позволяет фиксировать после считывающего 90о - импульса амплитуду сигнала прецессии ядер изучаемого вещества, пропорциональную величине продольной составляющей ядерной намагниченности. Описанный выше процесс измерения постоянной времени восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности М образца к своему равновесному значению Мо иллюстрируется на фиг. 1. Как показано в (2), постоянная времени восстановления определяется по формуле: = , где f(M)=-ln{1/2 (1-M/Mo)}. В отсутствии стационарного магнитного насыщения спиновой системы ядер T1 = . Процесс восстановления М удобно изображать в виде графика, где по оси ординат отложено время t, а по оси абсцисс f(М) как это показано на фиг. 2. В этом случае экспоненциальный ход зависимости М(t) изображается в виде прямой, тангенс угла наклона которой к оси абсцисс равен постоянной времени. Насыщающее магнитное поле создается с помощью дополнительной катушки, в которую помещен исследуемый образец. Величина вектора магнитной индукции переменного магнитного поля регулируется величиной силы тока, регулируемой от внешнего генератора. В присутствии дополнительного стационарного насыщающего магнитного поля в ядерной спин-системе устанавливается состояние динамического равновесия с новым равновесным значением величины ядерной намагниченности Мst. Постоянная времени тогда будет равна: =T1 Mst/Мо, а в случае чисто решеточной релаксации =Т1l Mst/Мо. Если дополнительное насыщающее магнитное поле достаточно велико для подавления примесного механизма релаксации, то при значениях М<0 ядерная намагниченность будет восстанавливаться со временем 1=T1Mst/Мо, тогда, как при значениях М>0 со временем 2 = Т1l Mst/Мо. Отсюда, очевидно, что решеточную компоненту времени спин-решеточной релаксации ядер можно найти как: Т1l=(2/1) T1, а примесную компоненту в виде Т1i=(2/(2-1)) T1. Критерием полного подавления примесного механизма и осуществления чисто решеточной релаксации является достижение посредством магнитного насыщения максимальной величины отношения (2max/1max), которая в случае дальнейшего усиления насыщения остается неизменной в соответствии с величиной времени решеточной релаксации Т1l. Конкретное применение способа измерения времени ядерной спин-решеточной релаксации в условии магнитного насыщения линии ЯМР было проведено на ядерной спин-системе 23Na в монокристалле NaJ при температуре Т=77К. Результаты измерений показаны на фиг. 3, где по оси ординат отложено время t, в течение которого восстанавливалась М после инвертирования, а по оси абсцисс f(М)= -ln{ 1/2 (1-М/Mst)}. Кристаллографическое направление образца [100] было ориентировано в зазоре магнита спектрометра по направлению внешнего постоянного магнитного поля Но. Темные кружки на фиг. 3 соответствуют значениям M<0, светлые -М>0. Линия 1 построена для случая Mst/Мо=1, т.е. в отсутствии магнитного насыщения сигнала ЯМР. В этом случае получается прямая, тангенс угла наклона которой к оси абсцисс равен 1= 2 = T1. Линия 2 получена для Mst= =0,81 Мо (при величине амплитуды вектора магнитной индукции насыщающего поля ~ (0,310-4) Т. Она также является прямой с 1= 2, что говорит о прежней эффективности примесного механизма релаксации. Суммарное время ядерной спин-решеточной релаксации имеет то же значение T1 = Mst/Mo = (1192) с. При увеличении насыщения до Mst=0,49 Mo (~ (0,410-4) Т), что соответствует линии 3 на фиг. 3, в точке f(М)= ln2 появляется излом и постоянная времени 12. Это происходит вследствие начавшегося торможения примесной релаксации при М>0 и уменьшения вклада Т1i в T1. Для Mst = 0,3 Мо (~ (0,510-4)Т) происходит полное подавление примесной релаксации (линия 4 на фиг. 3) и достижение максимальной величины отношения (2max/1max)= 1,7, которое не меняется при дальнейшем уменьшении Мst. Таким образом, для ядер 23Na в монокристалле NaJ получаем величину Т1l= (2max/1max)T1 = (20010) с и Т1i= (2max/ (2max- 1max))T1 = (30030) с. Полученные результаты в пределах погрешности измерений полностью согласуются с измерениями, проведенными в данном образце по методике (1), где в качестве дополнительного насыщающего возмущения применено акустическое поле двойной ларморовской частоты ядер 23Na.Класс G01N24/08 с использованием ядерного магнитного резонанса