|
|
|
|
Совершенствование устройств ЯМР, разработка ЯМР-магнитометров и методов прецизионного измерения быстроизменяющихся магнитных полей
Одна из характерных особенностей метода ЯМР заключается в том, что он позволяет измерять абсолютные значения магнитного поля. Второе положительное качество этого метода – при соблюдении определенных условий он позволяет измерять абсолютные и относительные значения поля с большой точностью (10-8-10-5). И, наконец, - положение центра линии ЯМР не чувствительно к изменениям температуры. Теория, схемотехника устройств ЯМР и ЯМР-магнитометров для измерения постоянных магнитных полей к настоящему времени в основном разработаны. Иначе обстоит дело с измерением быстроизменяющихся магнитных полей и исследованием быстропротекающих процессов. Этому – две причины. Во-первых, форма линии ЯМР при прочих равных условиях зависит от скорости прохождении через область резонанса. При точных измерениях магнитных полей необходимо учитывать этот факт. Во-вторых, сигналы магнитного резонанса, как правило, слабы и ненамного превосходят шумы регистрирующей аппаратуры. Поэтому при измерении постоянных магнитных полей и исследовании стабильных веществ используют многократное прохождение условий резонанса и статистическое накопление информации, в результате которой возрастает наблюдаемое отношение сигнал/шум (с/ш). В случае измерения переменных магнитных полей и однократных процессов такой возможности нет, здесь необходимо проводить дополнительный анализ по построению и оптимизации отдельных блоков и всего устройства в целом. Нами предложена функциональная схема широкополосного тесламетра динамических полей. В этом приборе ЯМР-магнитометр дополнен следующими блоками: управления и обработки, амплитудно-временной селекции, оптимального перестраиваемого нелинейного фильтра, а также дополнительным преобразователем, передаточная характеристика которого является непрерывной функцией поля или его производной (например, индукционный преобразователь, преобразователь Холла, Гаусса и т.д.). Блок управления и обработки контролирует скорость магнитного поля, определяет поправку на динамический сдвиг сигнала ЯМР и истинное значение измеряемого поля; задает частоту ЯМР-передатчика, управляет блоком амплитудно-временной селекции и нелинейным фильторм, полоса пропускания которого регулируется в зависимости от скорости поля. В магнитометре осуществлен принцип нелинейной фильтрации, позволяющий отделять интенсивные помехи, спектр которых частично перекрывается со спектром сигнала магнитного резонанса. В приборе применен бинарный фильтр, выполненный на логических элементах. Работа фильтра основана на временной селекции входных сигналов. Устройство не чувствительно к помехам большой амплитуды и малой длительности. Фильтр отличает простота программной перестройки полосы пропускания с использованием стандартных средств цифровой техники. Это позволяет обеспечить выполнение условий оптимальной фильтрации сигнала ЯМР при различных скоростях магнитного поля. Введение дополнительного преобразователя и вышеперечисленных блоков позволяет обеспечить выполнение следующих функций:
Рабочим веществом датчиков ЯМР-магнитометров является обычно вода или органическая жидкость с добавками парамагнитных ионов. При прочих равных условиях амплитуда и форма линии сигнала магнитного резонанса определяется величиной неоднородности и скорости поля. Нами показано, что при неоднородностях поля 0,01 – 0,05 % концентрация парамагнитных веществ зависит главным образом от скорости изменения поля. Предложена методика расчета концентрации парамагнитных ионов в рабочем веществе в зависимости от параметров измеряемого поля. Исследована схема ЯМР-магнитометра. Проведена оптимизация датчика (катушки индуктивности): предложен критерий выбора диаметра провода катушки в зависимости от рабочей частоты и “эффекта близости” - расстояния между витками и принцип неравномерной намотки маловитковых и многовитковых катушек, позволяющий значительно увеличивать зону протяженности однородного радиочастотного (РЧ) поля и тем самым коэффициент заполнения катушек, а следовательно, и отношение с/ш.Рассмотрено оптимальное построение схемы “выход передатчика-колебательный контур- вход приемника” мостового устройства ЯМР. Проведено моделирование для различных частот. Разработан оригинальный выносной модуль предусилителя (ВМП) сигналов магнитного резонанса для мостовых устройств. Предлагаемый ВМП имеет ряд преимуществ перед устройствами с компенсацией шумов на ВЧ. Во-первых, в данном модуле возможна полная компенсация шумов при значительно простой схеме, поскольку компенсация происходит после прохождения напряжения высокочастотных колебаний радиочастотного моста, на выходе которого присутствует детерминированный сигнал магнитного резонанса (сигнал поглощения или дисперсии). Во-вторых, используется простейшая мостовая схема – одиночный колебательный контур, менее чувствительный к внешним воздействиям по сравнению с более сложными мостовыми схемами. Дополнительное преимущество обусловлено также тем, что в НЧ-тракте отсутствуют резонансные контуры, поэтому предусилитель имеет низкую чувствительность к действию внешних факторов ( вибрациям, колебаниям температуры и т.д.). ВМП характеризуется также низким уровнем собственного шума: источник питания выполнен на пассивных элементах, и применены ВЧ-конденсаторы, имеющие малый уровень токов утечки. Предлагаемое устройство обладает повышенной защищенностью к действию внешних помех вследствие того, что на его входе отсекаются все частоты вплоть до рабочей частоты fo и ВЧ-конденсаторы модуля имеют небольшие собственные значения индуктивности.Теоретически и экспериментально исследованы шумы двух схем генератора слабых колебаний (автодина): с включением колебательного контура в цепь затвора и в цепь стока полевого транзистора генератора.В разработанном тесламетре в качестве дополнительного применен преобразователь Холла. По непрерывному выходу устройство обеспечивает измерение магнитной индукции в диапазоне 0,01 – 6 Тл. Погрешность измерения индукции датчиком Холла не хуже ± 0,03% при следующих параметрах магнитного поля: B = 0,9 Тл, dB / dt = 0,5 Тл / сек, градиенте магнитного поля ~0,02% см-1 и стабильности скорости поля ~1%.Относительная погрешность измерения (стабильность привязки) к сигналу ЯМР при тех же параметрах поля не превышает ± 0,005%, абсолютная погрешность измерения величины магнитной индукции не хуже 0,01%.При помощи восьми сменных протонных датчиков магнитная индукция измеряется по сигналу магнитного резонанса в диапазоне 0,04 – 2,7 Тл. При использовании ядер с меньшим значением гиромагнитного отношения (дейтерия или лития) возможно значительное увеличение верхней границы измеряемых полей.Таким образом, с помощью разработанного прибора контролируют значение магнитной индукции и скорость ее изменения в широком диапазоне быстропеременных полей, выполняют прецизионные измерения абсолютной величины индукции и относительного ее значения по точкам в этом диапазоне и оценивают величину систематической погрешности. Прибор позволяет проводить калибровку в динамическом поле преобразователей, функционирующих на основе эффектов Холла, Гаусса, феррозондовых преобразователей и т.д., может быть использован также в системах управления ускорителями заряженных частиц.
Литература
1. Лаврентьев В.И., Рыжов В.Г., Поминов О.Н. Устройство ЯМР. - А.С. N1410651. Приоритет от 08.08.86г. - Опубл. в БИ, 1990, №34, с. 282.
2. Морозова Л.И., Макаров Б.А., Поминов О.Н., Суходольский С.А., Рыжов В.Г. Бинарный фильтр, преимущественно для систем магнитного резонанса. - А.С. N 1647480, Приоритет от хх.07.88. Опубл. в БИ, 1991, № 17, с. 160.3. Макаров Б.А., Поминов О.Н., Рыжов В.Г. ЯМР-магнитометр динамических полей. - Сб. статей: Автоматизация научных исследований на электрофизических установках, Москва, МРТИ АН СССР, 1989, с.66- 73.4. Макаров Б.А., Морозова Л.И., Поминов О.Н., Рыжов В.Г., Суходольский С.А. Нелинейный низкочастотный фильтр на логических элементах в задачах обработки результатов магнитных измерений. - Сб. Статей: Автоматизация научных исследований на электрофизических установках, Москва, МРТИ АН СССР, 1989, с.74-80.
5 . Вагин А.И., Макаров Б.А., Рыжов В.Г.Нелинейный цифровой фильтр. - IV Научно-технич. конф. “Проблемы нелинейной электротехники”, г. Киев, 22-24 сентября 1992г., Тезисы докладов, 1992, с. 39-40.
6. Makarov B.A., Vaguene A.I., Ryzhov V.G. Pulse width discriminator. – The jubilee tenth internation symposium on problems of modular information computer systems and networks. ICS-NET. Abstracts of the repots. 13-18 September 1993. St. Peterburg, Tsarskoe Selo (Pushkin), 1993, p.35. 7. Вагин А.И., Макаров Б.А., Рыжов В.Г. Тесламетр динамических полей. - XV Совещание по ускорителям заряженных частиц. (Протвино, 22-24 октября 1996 г.). Протвино, 1996, т.I, с. 382 - 385. 8. Вагин А.И., Макаров Б.А., Рыжов В.Г. Анализ формы сигнала рабочего вещества магнитометров ядерного магнитного резонанса. - XV Совещание по ускорителям заряженных частиц. (Протвино, 22-24 октября 1996 г.). Протвино, 1996, т.I, с. 378 - 381. 9. Вагин А.И., Макаров Б.А., Рыжов В.Г. Применение нелинейной фильтрации в магнитометрах динамических полей. - XVI Совещание по ускорителям заряженных частиц. (Протвино, 20-22 октября 1998 г.). Протвино, 1998, т.I, с. 184 - 188. 10. Вагин А.И., Макаров Б.А., Рыжов В.Г. Особенности измерения неоднородных магнитных полей методом ЯМР. - XVI Совещание по ускорителям заряженных частиц. (Протвино, 20-22 октября 1998 г.). Протвино, 1998, т.I, с. 196 - 201.
11 . Вагин А.И., Макаров Б.А., Рыжов В.Г.Модуль предусилителя сигналов магнитного резонанса. - XVII Совещание по ускорителям заряженных частиц. (Протвино, 17-20 октября 2000 г.). Протвино, 2000, т.I, с. 310-313. 12. Вагин А.И., Макаров Б.А., Рыжов В.Г. Модифицированный датчик приборов ЯМР. - XVII Совещание по ускорителям заряженных частиц. (Протвино, 17-20 октября 2000 г.). Протвино, 2000, т.I, с.302-309.
|