VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – это резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. Явление магнитного резонанса используется для исследования свойств веществ на атомно-молекулярном уровне, включая построение изображений внутреннего строения образцов. Методами ЯМР-томографии в основном исследуются объекты, содержащие неподвижные среды, для которых имеет место пропорциональность между яркостью элемента изображения и значением отображаемого параметра в соответствующем элементе объема объекта. Однако, во многих интересных случаях (живые животные и растительные организмы, природные пористые среды, технические объекты) имеют место диффузия и макроскопическое перемещение жидкости внутри объекта (гидродинамический поток, перфузия, перколяция и др.).

Целью работы является создание блока и сопутствующего ему программного обеспечения для генерации импульсов градиентного магнитного поля для изучения диффузии и коллективных движений молекул. Блок-схема устройства представлена на рисунке 1.

Принцип работы устройства:

Оператор установки ЯМР через устройство ввода (ПК) задает на микроконтроллер «Atmel» необходимые для эксперимента длительность, задержку и амплитуду импульсов. Управляющий сигнал, синхронизируемый с программируемым ВЧ-усилителем позволяет точно задать времена формирования ВЧ импульсов и синхронизированных с ними импульсов градиента (рис 2). Опираясь на эти данные, микроконтроллер посылает импульс на токовый ключ, выполненный по схеме Таннера [1] c заменой планарных транзисторов на современные полевые.

Рис.1. Блок-схема импульсного градиента магнитного поля

Формирование импульса магнитного поля осуществляется за счет разряда блока конденсаторов (для прецизионного формирования переднего фронта импульса) и включенного параллельно им аккумулятора. Импульс проходит в катушки, образуется градиент магнитного поля, после чего ключ закрывается, и микроконтроллер генерирует импульс на измерительное устройство для начала регистрации сигналов ЯМР. Предварительный импульс тока с упреждением t0 от первого ВЧ импульса (рис.2) необходим для исключения разницы амплитуд 2-го и 3-го импульсов градиента за счёт наведённых токов в полюсных наконечниках. Параллельно градиентным катушкам включается цепочка из диода и стабилитрона, которая предохраняет транзисторы от броска высокого напряжения, происходящего после закрытия ключа.

Далее информация выводится на монитор или самописец (устройство вывода).

Рис. 2.Схема формирования импульсов градиента магнитного поля

Блок был смонтирован в опытный образец ЯМР-релаксометра «Протон 20», производства гомельского радиозавода. Калибровку градиентных катушек осуществляли по образцу с известным коэффициентом самодиффузии. Использовали обезвоженное трансформаторное масло, для которого D = 2,6510^-9 мс^-2 при 20^ОС. Измеряли амплитуду А(G) сигнала ядерного спинового эта в классической ВЧ последовательности (90^О-180^О-эхо) при включении двух градиентных импульсов по отношению к амплитуде A(0) без градиента. Как известно, диффузионное затухание амплитуды эха зависит от квадрата величины градиента магнитного поля G [2]:

A(t) = A₀exp{- ²DG ²²(-/3)} , (1)

где  -гиромагнитное отношение диффундирующих ядер, D –коэффициент самодиффузии, G –амплитуда,  -длительность импульсов градиента, -интервал между ними..

Рис.3.Зависимость относительной амплитуды сигнала эха

от квадрата силы тока в градиентных катушках

График зависимости отношения А(G)/A(0) от квадрата силы тока в градиентных катушках в полулогарифмической системе координат с высокой точностью описывается прямой линией (рис.4). Приравняв показатель экспоненты из (1) к наклону наилучшей прямой, проведённой через экспериментальные точки, можно вычислить величину градиента магнитного поля при заданном токе I. В нашем случае ток 25А обеспечивал получение градиента магнитного поля 2,94 Тл/м.

1.Tanner J.E. Rev.Sci.Instr., 1965, 36, 1086;

2.Фаррар Т., Беккер Э. Импульсная и фурье-спектроскопия ЯМР, М., Мир, 1973, 164 с.