Устройство для исследования физико-химических свойств веществ на основе ядерного магнитного резонанса

ЭНСРГИИ ДЛЯ ИМПУЛЬСОВ намагничивания, ВЫХОД КОТОРОГО СОСДИНСН СО ВХОДОМ намагничиваюЩСЙ катушки, ВЫХОД КОТОРОЙ СОСДИНСН СО ВТОРЫМ ВЫХОДОМ ключа, ВЫХОДЫ ПРИСМНОЙ катушки СОСДИНСНЫ С ПСРВЫМ И ВТОРЫМ входами ключа-ограничителя, ТРСТИЙ ВХОД КОТОРОГО СОСДИНСН С ВЫХОДОМ СХСМЫ совпадений, а ВЫХОД - С ВХОДОМ фильтра, ВЫХОД КОТОРОГО СОСДИНСН С ВХОДОМ УСИЛИТСЛЯ сигналаВЫХОД КОТОРОГО СОСДИНСН С ВХОДОМ блока обработки И ВХОДОМ РСГУЛЯтора ДЛИТСЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ намагничивания, ВЫХОД КОТОРОГО СОСДИНСН С ТРСТЬИМ ВХОДОМ счетчика-формирователя ДЛИТСЛЬНОСТ И ИМПУЛЬСОВ намагничивания.Изобретение относится К области спектральных методов анализа гетерогенных систем контроля физико-химических процессов с использованием спектроскопии ядерного магнитного резонанса и может быть использовано для контроля количественного и качественного состава веществ, а также для исследования их агрегатного состояния.При производстве материалов с углеводородными составляющими одна из основных проблем связана с нестабильностью оценки качества составляющих компонентов и готового продукта. Основными физическими характеристиками веществ являются вязкость и влажность.Известными устройствами для измерения вязкости вещества являются вискозиметры,принцип действия которых основан на вибрационном методе измерения, на измерении логарифмического декремента затухания колебаний зонда, а также капиллярные, ротационные и с падающим телом.Для измерения влажности вещества известны устройства, в основу принципа действия которых положены методы высушивания, дистилляционный, экстракционный, химический.Наиболее точный контроль влажности, вязкости и однородности веществ можно проводить с использованием устройств, в основе принципа действия которых лежит явление ЯМР. Известен ЯМР-анализатор 1, позволяющий определить содержание каких-либо веществ в многокомпонентных образцах. Для этого измеряются амплитуды сигналов свободной индукции исследуемого образца и эталона постоянного состава и известной массы, определяется масса исследуемого образца, рассчитываются теоретически или измеряются два калибровочных коэффициента первый (К 1), равный отнощению начальной амплитуды сигнала свободной индукции единицы массы анализируемого вещества к начальной амплитуде сигнала свободной индукции единицы массы эталона и второй (К 2),равный отнощению начальной амплитуды сигнала свободной индукции единицы массы всех остальных компонентов, входящих в состав исследуемого образца и взятых в той же пропорции, в которой они содержатся в исследуемом образце, к начальной амплитуде сигнала свободной индукции единицы массы эталона и определяется содержание исследуемого вещества в образце по определенной формуле.ЯМР-анализатор 2 содержит генератор тактовых импульсов, счетчик периода рабочего цикла, источник напряжения, ключ, накопитель энергии для импульсов намагничивания, намагничивающую катущку, приемную катущку, ключ-ограничитель, фильтр, усилитель сигнала ЯМР и блок обработки.Наиболее близким К предлагаемому устройству является ЯМР-анализатор, описанный в 3, который содержит постоянный магнит, приемную катушку, намагничивающие катущки, блок управления, блок связи с вычислительным устройством и вычислительное устройство. Блок управления снабжен формирователем высокостабильного по амплитуде и по фазе синусоидального напряжения. Формирователь напряжения, в свою очередь, состоит из генератора тактовых импульсов, двоичного счетчика, постоянного запоминающего устройства, цифрового аналогового преобразователя (ЦАП). Калибровка чувствительности устройства в процессе измерений производится следующим образом. В момент окончания регистрации спектра выключается модуляция постоянного магнитного поля и на вход спинового детектора подается высокостабильное по амплитуде и по фазе синусоидальное напряжение с частотой, равной частоте модуляции. В результате на выходе спинового детектора появляется сигнал, подобный сигналу ЯМР. Поскольку этот сигнал сформирован известным напряжением, то происходящие изменения чувствительности ЯМР-анализатора фиксируются при помощи вычислительного устройства, после чего автоматически калибруется его чувствительность. Анализатор содержит генератор импульсов, делитель частоты, выходной усилитель, входной усилитель. В данном устройстве производится коррекция чувствительности усилителя сигнала ЯМР.Точность измерений в описанных устройствах определяется намагниченностью образца перед процессом анализа, которая, в свою очередь, зависит от величины поляризующего поля, времени релаксации ядер и времени нахождения образца в поляризующем поле. Максимальная индукция достигается в импульсном поляризующем поле, длительность которого ограничена. Тогда каждому времени релаксации образца соответствует оптимальная длительность намагничивающего поля. Поскольку время релаксации может быть определено по сигналу ЯМР, то длительность поляризующего поля должна изменяться в процессе измерений. Общим недостатком описанных устройств является низкая точность и чувствительность измерений, обусловленная отсутствием регулирования длительности импульсов намагничивания в зависимости от времени релаксации образца для Широкого диапазона времен релаксации исследуемых веществ.Задачей изобретения является повыщение точности, информативности и чувствительности контроля количественного и качественного состава веществ, в частности при определении влажности и вязкости веществ.Поставленная задача достигается тем, что в устройство для исследования физикохимических свойств веществ на основе ядерного магнитного резонанса, содержащее генератор тактовых импульсов, счетчик периода рабочего цикла, источник напряжения, ключ,накопитель энергии для импульсов намагничивания, намагничивающую катушку, образец с резонирующими ядрами, приемную катушку, ключ-ограничитель, фильтр, усилитель сигнала ЯМР и блок обработки, дополнительно введены счетчик-формирователь длительности импульсов намагничивания с регулируемой длительностью импульса, схема совпадений и регулятор длительности импульсов намагничивания, причем вход регулятора длительности импульса соединен с выходом усилителя сигнала ЯМР, а выход регулятора длительности импульса - с входом управления длительностью импульсов счетчикаформирователя длительности импульсов намагничивания, выход схемы совпадений соединен с управляющим входом ключа, а ее входы соединены с выходами счетчика периода рабочего цикла и счетчика-формирователя длительности импульсов намагничивания,вход запуска счетчика-формирователя длительности импульсов намагничивания соединен с выходом счетчика периода рабочего цикла.Отличие предлагаемого устройства от известных состоит в том, что в него дополнительно введены счетчик-формирователь длительности импульсов намагничивания с регулируемой длительностью импульса, схема совпадений и регулятор длительности импульсов намагничивания, вход регулятора длительности импульса соединен с выходом усилителя сигнала ЯМР, а выход регулятора длительности импульса - с входом управлениядлительностью импульсов счетчика-формирователя длительности импульсов намагничивания, выход схемы совпадений соединен с управляющим входом ключа, а ее входы соединень 1 с выходами счетчика периода рабочего цикла и счетчика-формирователя длительности импульсов намагничивания, вход запуска счетчика-формирователя длительности импульсов намагничивания соединен с выходом счетчика периода рабочего цикла.Схема изобретения и его принцип действия поясняются на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3,фиг. 4. На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства. На фиг. 2. приведены временные диаграммы, характеризующие работу устройства. На фиг. 3 представлены графики зависимостей относительной намагниченности от длительности намагничивающего импульса при разных Т 1. На фиг. 4 представлены зависимости длительности импульса намагничивания, соответствующего максимуму намагниченности, от времени релаксации.Представленное на фиг. 1 устройство включает генератор тактовых импульсов 1 счетчик периода рабочего цикла 2 счетчик-формирователь длительности импульсов намагничивания 3 с регулируемой длительностью импульса схему совпадений 4 источник напряжения 5 ключ 6 накопитель энергии для импульсов намагничивания 7 намагничивающую катущку 8 образец с резонирующими ядрами 9 приемную катущку 10 ключограничитель 11 фильтр 12 усилитель сигнала ЯМР 13 регулятор длительности 14 и блок обработки 15.Временные диаграммы, характеризующие работу устройства, приведены на фиг. 2. Устройство функционирует следующим образом. Генератор 1 вырабатывает тактовые импульсы, которые поступают на счетчик периода рабочего цикла 2 и счетчикформирователь длительности импульсов намагничивания 3.Длительность импульсов, вырабатываемых счетчиком-формирователем 3, определяется тактовой частотой генератора 1 и выходным кодом регулятора длительности 14, запуск счетчика-формирователя 3 производится каждым фронтом импульса счетчика периода рабочего цикла 2.Схема совпадений 4 по фронту и спаду импульсов счетчика-формирователя 3 вь 1 рабатывает импульсы, управляющие ключом 6. При отсутствии импульса на выходе блока 4(напряжение 114 О) ключ соединяет накопитель энергии для импульсов намагничивания 7 с источником напряжения 5, через внутреннее сопротивление которого конденсаторы накопителя 7 заряжаются до максимального напряжения источника Пс. Минимальное время заряда конденсаторов накопителя энергии 7 определяется временем То от спада до фронта импульсов счетчика периода рабочего цикла 2, которое значительно больще, чем постоянная времени заряда конденсаторов накопителя 7 от источника напряжения 5.С появлением импульса на выходе схемы совпадений 4 ключ 6 переключает накопитель энергии для импульсов намагничивания 7 на намагничивающую катущку 8. При этом конденсаторы накопителя разряжаются на катущку 8, создавая в ней ток 10). Емкость С батареи конденсаторов накопителя 7, активное сопротивление К и индуктивность намагничивающей катущки Ь выбираются таким образом, чтобы ток 10) имел форму видеоимпульса, у которого отсутствует смена полярности на противоположную. В качестве намагничивающей использована катушка без ферромагнитного сердечника, поэтому создаваемое в объеме образца с резонирующими ядрами 9 поляризующее поле Н пропорционально току и является функцией временигде Кн - коэффициент пропорциональности, определяемый конструктивными параметрами катущки и образца.Ось намагничивающей катущки и направление поляризующего поля Н совпадают с направлением оси ОХ и ортогональны к оси приемной катущки 10, направленной по оси ОУ, и к направлению магнитного поля Земли, совпадающему с осью 02. Под воздействием поляризующего поля Н в объеме образца с резонирующими ядрами 9 с постоянной времени, равной времени продольной релаксации Т 1, возникает макроскопическая ядернаянамагниченность МХ, направленная вдоль оси ОХ, которая также является функцией времени.После окончания импульса на выходе схемы совпадений 4 ключ 6 выключает ток 1 в намагничиваюшей катушке 8, после чего переключает накопитель энергии для импульсов намагничивания 7 на источник напряжения 5. Выключение тока 10) (а значит и поля Н) осуществляется в два этапа. На первом этапе 1 уменьшается до 1 (Н до значения Нтд КНЬ 1 тдп) за время Агв, которое удовлетворяет условиюПри адиабатическом уменьшении Н при выполнении условия (2) намагниченность МХ сохраняет значение, установившееся к моменту окончания импульса на выходе схемы совпадений 4. На втором этапе выключения ток 1 и поле Н от значений 1 и Нтшуменьшаются до нуля за время Аи, которое удовлетворяет условию ун)12 тс/ш тл Ад, (3)где у - гиромагнитное отношение для резонирующих ядер (ил, Тл - частота и период ларморовой прецессии в поле Ншд. Ввиду малости Ат на фиг. 2 оно не показано. В результате такого выключения намагниченность МХ сохраняется и после второго этапа, т.к. вектор намагниченности М не успевает измениться ни по величине, ни по направлению.Рассмотрим процесс намагничивания образца более подробно. При бесконечно большом времени нахождения исследуемого образца в поляризуюЩем поле его равновесная ядерная намагниченность при условии НоН направлена по полю Н и определяется выражениемгде Хо - статическая ядерная магнитная ВОСПрИИМЧИВОСТЬ. Однако создание бОЛЬШОГО ПОЛЯ Н В течение длительного времени ограничивается потребляемой МОЩНОСТЬЮ, нагревом И механической ПрОЧНОСТЬЮ намагничиваюЩей катушки. ПОЭТОМУ поляризацию ПрОИ 3 ВОдЯТ импульсами магнитного ПОЛЯ катушки, запить 1 вая ее ОТ предварительно заряженной батареи конденсаторов. Заряд батареи ПрОИ 3 ВОдИТСЯ за время ОТСУТСТВИЯ поляризуюшего магНИТНОГО ПОЛЯ.Ток в намагничиваюЩую катушку является функцией времени и изменяется на протяжении поляризуюшего импульса поля по формулегде г - время от момента начала импульса поляризуюшего поля. Формула (5) описывает видеоимпульс тока, у которого при выполнении условия 2 К 2 О (6) 4 Ь 2 ЬСотсутствует смена полярности, что соблюдается на практике для намагничиваюших катушек в экспериментах по ЯМР.Поскольку в качестве намагничиваюших используют катушки без ферромагнитного сердечника, то создаваемое в объеме образца поляризуюшее поле Н пропорционально току и является функцией времени, описываемой ( 1). Тогда ядерная намагниченность образца после окончания намагничиваюЩего импульса поля будет определяться из уравнений Блоха, записанных в неподвижной системе координат, с учетом того, что равновесноезначение намагниченности образца Мо в соответствии с (1), (4) и (5) является функцией