Устройство термостатирования образца в спектрометре магнитного резонанса

 

Изобретение относится к магнитно-резонансной радиоспектроскопии и предназначено для контроля и поддержания заданной температуры и температурного градиента в объеме исследуемого образца, в частности в экспериментах по измерению времен магнитной релаксации и коэффициентов самодиффузии методом ЯМР. Устройство содержит приемно-передающую катушку и катушку градиента магнитного поля в каркасе, образующие термостатируемый объем, датчик температуры, соединенный со входом блока контроля температуры, и нагревательный элемент. Для возможности активного регулирования и поддержания постоянной величины градиента температуры при заданной температуре и при ее изменении оно дополнительно содержит два датчика температуры, нагревательный элемент, блок контроля градиента температуры и блок коммутации направления потока теплоносителя. 2 ил.

Изобретение относится к магнитно-резонансной радиоспектроскопии и предназначено для контроля и поддержания заданной температуры и температурного градиента в объеме исследуемого образца, в частности в экспериментах по измерению времен магнитной релаксации и коэффициентов самодиффузии методом ЯМР.

Известна конструкция датчика ЯМР, содержащая приемно-передающую катушку, внутри которой расположен исследуемый образец, датчик температуры, представляющий собой контрольно-измерительную медь-константановую термопару, расположенную в непосредственной близости от образца. Заданная температура образца поддерживается посредством потока теплоносителя, подаваемого под давлением через нагревательный элемент в термостатируемый объем [1]. Основным недостатком устройства такого типа является наличие градиента температуры в направлении потока теплоносителя, возрастающего с увеличением температуры, что ухудшает их термостатирующие качества и искажает результаты эксперимента вследствие возникновения конвекционных потоков.

Известно устройство термостатирования с использованием проходного сосуда Дьюара, в котором приемно-передающая катушка с образцом располагается непосредственно в потоке теплоносителя [2]. Причем даже в этом случае подача потока теплоносителя в одном направлении вдоль образца не позволяет свести до минимума продольные градиенты температур в образце, особенно при работе с температурами существенно отличающимися от комнатной. К тому же такая конструкция устройства обычно используется в спектрометрах ЯМР высокого разрешения и в импульсных спектрометрах ЯМР без использования градиента магнитного поля.

В настоящее время интенсивно развиваются методы ЯМР с применением импульсного градиента магнитного поля (ИГМП). Использование этого метода в исследовании трансляционной динамики вязких молекулярных систем (полимерных и др. ) требует создания больших величин градиента магнитного поля. Эта цель достигается расположением в непосредственной близости от образца катушек градиента магнитного поля, через которые пропускают ток мощностью до сотен киловатт в импульсе. При этом вынужденно приходится из термостатирующей системы датчика исключать сосуд Дьюара [3]. Возникающие в связи с этим проблемы термостатирования образца требуют совершенно новых подходов и были частично разрешены в [4].

Суть его в следующем. В датчиках ЯМР применяют обычно медь-константановую термопару, а передающая катушка выполнена из меди. Авторы совместили их, приварив константановый проводник к среднему витку медной катушки. При таком совмещении увеличивается как эффективная масса термопарного слоя, так и его площадь. Измеряемая температура будет характеризовать среднюю температуру всего объема образца, поскольку при высокой теплопроводности материала приемно-передающей катушки температура ее среднего витка наиболее близка к средней температуре образца. Еще более приблизить измеряемую температуру к реальной можно, изолировав приемно-передающую катушку от прямого потока теплоносителя.

Такой вариант системы термостатирования дает удовлетворительные результаты при работе с небольшими градиентами магнитного поля, т.к. в этом случае каркас катушки градиента магнитного поля можно сделать из хорошего теплоизоляционного материала, который хорошо изолирует термостатируемый объем от внешней среды.

Однако при исследовании объектов с малыми коэффициентами самодиффузии приходится увеличивать градиент магнитного поля до максимально возможной величины, что приводит к необходимости использования металлического каркаса катушки градиента магнитного поля и минимизации расстояния между стенками этой и приемно-передающей катушками, внутри которой расположен образец [5]. Введение металлического каркаса градиентной катушки сильно ухудшает термостатирующие качества датчика, т. к. металл, являясь хорошим проводником тепла, приводит к интенсивному теплообмену с окружающей средой. К тому же большой ток, протекающий через витки катушки градиента магнитного поля, выделяет большое количество тепла, что сказывается на температурном режиме в термостатируемом объеме. Все это приводит к наличию достаточно большого и неконтролируемого градиента температур вдоль образца.

Наиболее близким к заявляемому прототипом является техническое решение, рассмотренное в работе [6].

Данное устройство состоит из приемно-передающей катушки; катушки градиента магнитного поля в каркасе; нагревательного элемента, расположенного в нижней части устройства; перегородки для разделения потоков теплоносителя в прямом и обратном направлениях; контрольно-измерительной медь-константановой термопары, расположенной вблизи образца. В качестве газообразного теплоносителя используются воздух при работе с температурами выше комнатной и пары азота при работе с низкими температурами.

Данное устройство работает следующим образом. Поток газообразного теплоносителя проходит через нагревательный элемент в направлении снизу вверх (прямой поток) по специальному каналу, организованному между внутренними стенками каркаса катушки градиента магнитного поля и каркасом приемно-передающей катушки. Образец располагается внутри каркаса приемно-передающей катушки, что обеспечивает изоляцию его от прямого воздействия теплоносителя. Температура образца регистрируется мед-константановой термопарой. Сигнал этой же термопары поступает на блок управления нагревательным элементом, который корректирует мощность, передаваемую нагревательным элементом потоку теплоносителя, обеспечивая, тем самым, необходимую температуру этого потока. Далее этот же поток теплоносителя подается в обратном направлении, т.е. сверху вниз по каналу, также организованному в пространстве между каркасами катушки градиента магнитного поля и приемно-передающей катушки, причем каналы для потоков теплоносителя различных направлений организованы таким образом, что обратный поток проходит у стенок катушки градиента магнитного поля, а прямой - у стенок приемно-передающей катушки. Таким образом, обратный поток является как бы теплоизолятором для прямого потока.

Однако такая система термостатирования является пассивной, так как улучшение термостатирующих качеств устройства достигается в результате пассивной компенсации тепла за счет особой конфигурации каналов для потока теплоносителя (устанавливается перегородка для разделения потоков теплоносителя с различными направлениями движения). В условиях сильного теплообмена с окружающей средой это приводит к наличию устойчивого градиента температуры вдоль образца, который не только не регулируется, но и практически не контролируется. К тому же поток теплоносителя подается в пространство между каркасом катушки градиента магнитного поля и приемно-передающей катушки. Введение дополнительных каналов усложняет конструкцию устройства и требует увеличения термостатируемого объема. Такая система не позволяет минимизировать внутренние размеры катушки градиента магнитного поля, что снижает ее эффективность особенно в экспериментах с импульсным градиентом магнитного поля большой величины. Более того, ни одно из известных устройств термостатирования (в том числе и прототип) не позволяет контролировать и поддерживать заданную величину градиента температуры вдоль образца при заданной температуре.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании устройства термостатирования образца, позволяющего активно регулировать и поддерживать постоянным величину и направление температурного градиента при заданной температуре, что включает в себя возможность практически полного исключения температурного градиента вдоль образца, при этом обладающего большей конструктивной простотой по сравнению с известными техническими решениями и позволяющего повысить абсолютное значение градиента магнитного поля за счет уменьшения расстояния между внутренними стенками катушки градиента магнитного поля и приемно-передающей катушки.

Для решения поставленной задачи в известное устройство термостатирования образца в спектрометре магнитного резонанса, содержащее приемно-передающую катушку и катушку градиента магнитного поля в каркасе, образующие термостатируемый объем, датчик температуры, соединенный со входом блока контроля температуры, и нагревательный элемент, дополнительно введены два датчика температуры, нагревательный элемент, блок контроля градиента температуры и блок коммутации направления потока теплоносителя, причем дополнительные датчики температуры расположены по разные стороны приемно-передающей катушки вдоль потока теплоносителя и соединены с первым и вторым входами блока контроля градиента температуры, третий вход которого соединен с выходом блока контроля температуры, а выход - с нагревательными элементами, расположенными по разные стороны термостатируемого объема, соединенные с блоком коммутации направления потока теплоносителя, обеспечивающим попеременную подачу теплоносителя через нагревательные элементы.

Предложенное техническое решение позволяет привести к нулю или к заданному значению ЭДС рассогласования обоих датчиков температуры, исключая тем самым градиент температуры вдоль образца или поддерживая постоянным его величину и направление при заданной температуре, а также при ее изменении. Попеременная подача потока теплоносителя в противоположных направлениях вдоль образца позволяет независимо контролировать и поддерживать температуру потока в каждом направлении, а также обеспечивает симметрию теплопередачи объекту термостатирования. Предложенное устройство не требует создания дополнительных каналов в термостатируемом объеме в отличие от известных технических решений, что упрощает его конструкцию в целом. К тому же возникает возможность уменьшить до минимума расстояние между стенками каркаса катушки градиента магнитного поля и приемно-передающей катушки, не ухудшая термостатирующих качеств датчика, что позволяет увеличить абсолютную величину градиента магнитного поля.

Заявляемое устройство изображено на фиг. 1. На фиг. 2 изображена блок-схема блока контроля градиента температуры. Устройство содержит катушку 1 градиента магнитного поля в каркасе, приемно-передающую катушку 2, изолированную от прямого потока теплоносителя, в которую помещен исследуемый образец (на фиг. не показан). Катушка 1 и 2 образуют термостатируемый объем. Первый датчик температуры 3, выполненный в виде медь-константановой термопары, константановый проводник которой приварен к среднему витку приемно-передающей катушки 2, соединен со входом блока 6 контроля температуры. Датчики температуры 4 и 5, выполненные в виде медь-константановых термопар, расположены по разные стороны приемно-передающей катушки 2 вдоль потока теплоносителя. Датчик 4 соединен с первым входом блока 7 контроля градиента температуры, датчик 5 соединен со вторым входом блока 7. Выход блока 6 контроля температуры соединен с третьим входом блока 7 контроля градиента температуры. Нагревательные элементы 8 и 9 соединены с выходами блока 7 контроля градиента температуры. Посредством двух входных транспортных каналов 11 и 12, по которым подается поток теплоносителя, нагревательные элементы 8 и 9 соединены с блоком 10 коммутации направления потока теплоносителя. Транспортные каналы 13 и 14, соединенные с блоком 10, служат для выброса теплоносителя в атмосферу. Два синхронных клапана, входящих в состав блока 10 (на фиг. не показаны), перекрывают попарно либо каналы 11 и 14, либо каналы 12 и 13. Блок 7 контроля градиента температуры содержит дифференциальный усилитель 15, входы которого соединены с датчиками температуры 4 и 5. Выход дифференциального усилителя 15 соединен с входом блока 16 сравнения. Другой вход блока 16 сравнения соединен с ЭВМ 17. Выход блока 16 сравнения соединен с одним из входов блока 18 управления нагревательным элементом 9. Выход блока 16 соединен также с входом инвертора 19, выход которого соединен с одним из входов блока 20 управления нагревательным элементом 8. Вторые входы блоков 18 и 20 соединены с выходом блока 6 контроля температуры.

Устройство работает следующим образом. Исследуемый образец (на фиг. не показан) помещают в приемно-передающую катушку 2, которая совместно с катушкой 1 градиента магнитного поля образует термостатируемый объем. Заданную температуру образца обеспечивают за счет подачи газообразного теплоносителя (воздух при работе с температурами - выше комнатных, пары азота - с температурами ниже комнатных), в термостатируемый объем. Поток теплоносителя с помощью блока 10 коммутации направления потока подается попеременно в противоположных направлениях между катушкой 1 градиента магнитного поля и приемно-передающей катушкой 2 через два независимых нагревательных элемента 8 и 9 по транспортным каналам либо 11 и 14, либо 12 и 13 соответственно. ЭДС термопары 3, константановый проводник которой приварен к среднему витку приемно-передающей катушки 2, соответствует температуре средней части образца. Блок 6 контроля температуры регистрирует эту ЭДС и контролирует среднюю мощность, передаваемую нагревательными элементами 8 и 9 потокам теплоносителя. Разница ЭДС термопар 4 и 5 показывает наличие градиента температуры в термостатируемом объеме, а знак ее - направление этого градиента. Блок 7 контроля градиента температуры регистрирует ЭДС термопар 4 и 5 и вносит коррекцию в мощность, передаваемую нагревательными элементами 8 и 9 каждому потоку теплоносителя, проходящему через данные нагревательные элементы.

В качестве примера рассмотрим работу устройства в режиме исключения градиента температуры. Сигнал с термопары 3 поступает в блок 6 контроля температуры, который задает среднюю мощность, передаваемую нагревательными элементами 8 и 9 потоку теплоносителя. Допустим, вдоль образца появился градиент температуры направлением снизу вверх. На выходе дифференциального усилителя 15 в этом случае возникает сигнал рассогласования в виде потенциала, величина и знак которого зависят от величины и знака ЭДС, образованной термопарами 8 и 9. Этот аналоговый сигнал преобразуется в импульсы рассогласования в блоке 16 сравнения, длительность которых пропорциональна величине и знаку входного аналогового сигнала. Этот же блок 16 сравнения с помощью ЭВМ 17 формирует импульсы эталонной длительности и сравнивает их с импульсами рассогласования. В результате сравнения выделяются импульсы, соответствующие разнице длительности эталонных импульсов и импульсов рассогласования, допустим, положительной полярности. Эти импульсы поступают на вход блока 18 управления нагревательным элементом 9, который корректирует мощность, передаваемую нагревательным элементом 9 потоку теплоносителя. Эти же импульсы инвертор 19 преобразует в импульсы отрицательной полярности, которые поступают на вход блока 20 управления нагревательным элементом 8 и не меняют режима его работы, соответственно не меняется режим работы нагревательного элемента 8. Коррекция мощности нагревательного элемента 9 идет до тех пор, пока ЭДС термопар 4 и 5 не станет равной нулю. В этом случае блок 16 сравнения вырабатывает импульсы нулевого потенциала, длительность которых равна длительности эталонных импульсов. При возникновении градиента температур противоположного направления импульсы положительной полярности поступают на блок 20 управления нагревательным элементом 8, корректируя мощность, передаваемую нагревательным элементом 8 потоку теплоносителя, тогда как блок 18 управления нагревательным элементом 9 работает без изменения, тем самым практически сводится к нулю градиент температур вдоль образца.

В режиме работы с заданным градиентом температуры с помощью ЭВМ 17 блок 16 сравнения формирует необходимую длительность эталонных импульсов и аналогичным образом корректирует мощность, передаваемую нагревательными элементами 8 и 9 потокам теплоносителя, создавая тем самым градиент температур необходимой величины и направления вдоль образца.

Итак, в отличие от известных технических решений в предлагаемом изобретении, во-первых, точно поддерживается заданная температура во всем объекте термостатирования, причем градиент температуры в образце не превышает 0,2 град/см в диапазоне температур от -150^oC до +150^oC (акт испытания прилагается), что повышает достоверность и точность контроля температуры образца, повышая тем самым качество эксперимента; во-вторых, возникает возможность регулировать и точно поддерживать градиент температуры в образце как по величине, так и по направлению, что существенно расширяет возможности аппаратуры, позволяя решать новые научные задачи (например, исследование конвекции, термодиффузии и др.); в-третьих, внутренние размеры катушки градиента магнитного поля можно свести к минимуму, не ухудшая термостатирующие качества устройства, увеличивая тем самым абсолютное значение величины импульсного градиента магнитного поля; в четвертых, упрощается конструкция самого устройства.

Формула изобретения

Устройство термостатирования образца в спектрометре магнитного резонанса, содержащее приемно-передающую катушку и катушку градиента магнитного поля в каркасе, образующие термостатируемый объем, датчик температуры, соединенный со входом блока контроля температуры, и нагревательный элемент, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит два датчика температуры, нагревательный элемент, блок контроля градиента температуры и блок коммутации направления потока теплоносителя, причем дополнительные датчики температуры расположены по разные стороны приемно-передающей катушки вдоль потока теплоносителя и соединены с первым и вторым входами блока контроля градиента температуры, третий вход которого соединен с выходом блока контроля температуры, а выход - с нагревательными элементами, расположенными по разные стороны термостатируемого объема, соединенные с блоком коммутации направления потока теплоносителя, обеспечивающим попеременную подачу теплоносителя через нагревательные элементы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2