Устройство измерения изменения параметров спектров магнитного резонанса

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к,авт. свид-ву (22) Заявлено 030180 (2! ) 2862594/18 25 (51)HL Кл.

G 01 N 24/02 с присоединением заявки ¹â€”

Госуяарствеииый комитет

СССР ио делам изобретеиий и открытий (23) Приоритет (53) УДК 538.11. . 3 (088. 8) Опубликовано 15.10.81. Бюллетень М 38

Дата опубликования описания 15.1081

1 (72) Авторы изобретения

Ю.В. Богачев, В.З. Драпкин, В.В. Заяц, $.A..Èàêàðîâ, A.Ñ. Сердюк и В.A. Янгуров !

t

i

Ленинградский ордена Ленина электротех ческйй институт им. В.И. Ульянова (Ленина) (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

СПЕКТРОВ МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

Изобретение относится к области использования электронного магнитного (ЭПР) и ядерного магнитного резонатора (ЯМР) для исследования н анализа материалов, преимущественно для разработки и контроля технологических процессов в различных отраслях народного хозяйства.

При современных исследованиях и анализе материалов методами ЭПР и

ЯМР приходится решать такие задачи, как исследование изменения физикохимических свойств материала при каком-либо кинетическом воздействии на материал (облучение, изменение температуры, давления и т.п.) и выявления зависимости между величиной, воздействия и изменением параметров,, спектральных линий, измерение величины воздействия на материалы по известной зависимости путем измерения величины изменения параметров спектральных линий. Измеряемыми параметра ми спектральных линий ЭПР или ЯМР чаще всего являются интенсивность и ширина линий.

Известен метод измерения этих параметров спектров, техническая реализация которого состоит в последовательной записи спектральных кривых на графопостроителе и последующего сравнения этих кривых путем на- ложения или измерения изменяющихся величин измерительными инструментами (линейка, циркуль) (1).

Наиболее близким.к предложенному по технической сущности является устройство измерения изменения парамет10" ров спектров магнитного резонанса, содержащее систему регистрации и стабилизации резонансных условий спектрометра электронного (ЭПР) или ядерного магнитного резонанса (ЯМР), выходы которой соединены с .командным

15 блоком н первым входом схемы сравнения., второй вход которой соединен с выходом источника эталонного напряжения, первый вход которого соединен с выходом командного блока, причем

20 этот выход командного блока связан с первыми входами блока памяти и блока обработки данных, выход схемы сравнения соединен со входом измерителя временных интервалов, выход которого связан со вторым входом блока памяти, а выход блока памяти— со вторым входом блока обработки данных. Процесс измерения изменения параметров спектра ЭПР и ЯМР в этом

30 устройстве осуществляется следующим

873075

4 образом. После настройки спектрометра осуществляется регистрация первой производной сигнала ЭПР и ЯМР. Сигнал первой производной с выхода системы регистрации спектрометра подается на схему сравнения. После прохождения первого амплитудного значения сигнала первой производной с командного блока при помощи схемы запуска осуществляется запуск источника эталонного напряжения. Эталонное напряжение, величина которого меньше амплитудного значения напряжения сигнала первой производной, поступает на схему сравнения. В момент совпадения величин напряжения сигнала первой производной и эталонного напряжения происходит запуск измерителя временных интервалов. При прохождении напряжения сигнала первой производной через нулевое значение знак эталонного напряжения при помощи устройства командного блока, схемы запуска и источника эталонного напряжения меняется на противоположный, и при новом совпадении величин напряжения сигнала первой производной и эталонного напряжения происходит выключение измерителя временных интервалов. Величина длительности измеренного временного интервала, пропорциональная интенсивности и ширине спектральной линии ЭПР и ЯМР, запоминается с помощью блока памяти; после возвращения спектрометра в исходное состояние осуществляется воздействие или изменение величины воздействия на исследуемое вещество; после прекращения воздействия или изменения величины воздействия на вещество осуществляется измерение величины длительности временного интервала, пропорциональной интенсивности и ширине спектральной линии.

При помощи устройства осуществляется сравнение полученных величин длительностей временных интервалов и вычисляется величина изменения параметров спектров ЭПР или ЯМР в результате воздействия или изменения величины воздействия на исследуемое вещество (2).

Однако в данном устройстве для проведения измерения необходимо время, превышающее удвоенное время регистрации спектра, так как измеряется отношение временных интервалов при двух последовательных развертках.

Этот недостаток может оказаться существенным в тех случаях, когда требуется получать величину изменения параметров спектра ЭПР или ЯМР за время меньшее, чем время регистрации спектра ЭПР или ЯМР, что часто имеет место при применении ЭПР или ЯМР для контроля технологических процессов.

Это можно проиллюстрировать следующими примерами, Для точного воспроизведения спектра линии необходимо иметь время записи t большее 10, где ь — постоянная времени начала регистрации.

Скорость развертки магнитного поля при записи равна или

bH

° 40Т. дН рр

Так, например процесс приготовления катализатора для производства синтетического каучука занимает

15 мин. Для активного контроля процесса необходимо получать информацию состояния не реже, чем каждые 30 с.

В рассматриваемом случае полуширина линии составляет д Н рр = 10 Гс и ширина всего записываемого участка спектра д Н должна быть не меньше 100 Гс.

При использовании серийных графопостроителей Ф не может быть сделана меньше 1 с. Тогда время развертки спектра равно Ьй 00

Ф вЂ” so@ = o=

AH>>

Таким образом видно, что данный способ далеко не в полной мере удовлетворяет требованиям активного контроля технологическими процессами, т.е. имеет ограниченное применение в том случае, если время, необходимое для регистрации спектра, больше интервала времени, в течение которого информация должна быть получена. Кроме того, в ЭПР экспериментах необходимо измерить параметры быстро протекающих процессов, например при работе с биологическими объектами, когда время протекания процесса измеряется секундами и долями секунд. Для этих процессов также необходимо уменьшение времени получения информации о состоянии измеряемого объекта по сравнению со временем, которое затрачивается при использовании известного устройства.

Целью изобретения является сокращение времени измерения. параметров в ЭПР или ЯМР.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве измерения изменения параметров магнитного резонанса, содержащем систему регистрации и стабилизации резонансных условий спяктрометра ЭПР или ЯМР, выходы которой соедИнены с командным блоком

25

40

50

60

65 дН

Ч„= где ЬН р — полуширина линии.

При этом максимальная скорость развертки д и

max< gЯ,;

Тогда время развертки спектра

15 Vp &dX где д Н - ширина записываемого участка;

873075 и первым входом схемы сравнения, а второй вход которой соединен с выходом источника эталонного напряжения, первый вход которого соединен с выходом командного блока, причем этот выход командного блока связан с первыми входами блока памяти и блока обработки данных, выход схемы сравнения соединен со входом измерителя временных интервалов, выход которого связан со вторым входом блока памяти, а выход блока памяти со вторым входом обработки данных,в устройство введены дополнительно компаратор,исполнительный блок и генератор линейно изменяющегося напряжения, выход которого соединен со входом системы регистра- 15 ции и стабилизации резонансных условий спектрометра ЭПР или ЯМР, а выход — с первым выходом исполнительного блока, второй выход которого соединен со вторым входом источника 20 эталонного напряжения, вход компаратора связан с выходом схемы сравнения а выход его — со входом исполнительного блока.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства измерения изменения параметров магнитного резонанса;. на фиг. 2 — процесс измерения изменения параметров спектров.

Функциональная схема устройства содержит систему регистрации и систему стабилизации резонансных условий спектрометра ЭПР или ЯМР 1, схему

2 сравнения, командный блок 3, источник 4 эталонного напряжения, измеритель 5 временных интервалов, блок б :памяти, блок 7 обработки данных, компаратор 8, исполнительный блок 9 и генератор 10 нелинейноизменяющегося напряжения (ГЛИН). Процесс измерения изменения па- 40 раметров спектров ЭПР или ЯМР в предлагаемом устройстве (фиг. 2) осуществляется следующим образом.

После настройки спектрометра система стабилизации резонансных условий устанавливается на нуль сигнала первой производной. Через командный блок 3 к первому входу схемы 2 сравнения подключается напряжение Vg от источника эталонного напряжения 4. 5О

На второй вход схемы 2 поступает напряжение сигнала первой производной V .(см. фиг. 2 а). Так как

Vg < Vg,то на выходе схемы 2 сравнения появляется сигнал, запускающий измеритель временных интервалов (фиг. 2 д), а также он через компаратор 8 поступает на исполнительный блок 9 ° На выходе последнего появляется напряжение (фиг. 2 r) управляющее ГЛИН -10, напряжение с выхода 60 которого имеет вид, показанный на фиг. 2 б. Это напряжение вводится в схему регистрации и стабилизации резонансных условий спектрометра 1 так, что линейно во времени меняется 65 условие резонанса. При этом будет происходить увеличение напряжения сигнала Ч, пропорциональное амплитуде первоя производной, до тех, пор, пока Ч (Ч (фиг. 2 а, б) . По достижению равенства Ч = Vg схема 2 сравнения изменит свое состояние, сработают компаратор 8, исполнительный блок 9 и произойдет изменение направления работы ГЛИН-10 (фиг. 2 б).

Через исполнительный блок также произойдет переключение знака источника 4 эталонного напряжения, при этом Ч, = 1V ((фиг. 2 а).

Измеритель временных интервалов по приходу данного импульса прекращает счет, передает результат в блок

6 памяти, и начинает подсчет нового значения времени. Командный блок 3 контролирует работу блока б памяти и блока 7 обработки, данных. По достижении V нижнего порога Ч происхос дит новый цикл измерения.

Таким образом, V непрерывно кзме-. няется от Ч до V за время t„ и от .Ч до V за время t 0 (см. фиг.

2 д).

Оценим время t „ и t< . В силу с. симметричности кривой поглощения они равны. Формула t = - -„10С ф "рр справедлива для предлагаемого устройства с той лишь разницей., что теперь gН1 есть напряженность магнитного поля такой величины, при которой напряжение сигнала удовлетворяет условию

Ч» (Чс (Ч

Первая производная сигнала поглощения достаточно линейна при таком значении поля. Нелинейность составляет около 2% при сигнале V в 32> от максимального значения первой производной сигнала поглощения Чс0,, П, для гауссовой формулы линии, что составляет А Н, равное 203 h H pp. В рассмотренном выше примере Ф = 1 с и, соответственно, время регистрации равно t = В„â€” 100 = — ванна . 10=

Ь 1

При использовании известного устройства и = 100 с, что существенно больше. Предлагаемое устройство измерения может быть использовано не только для определения величины изменения параметров спектров ЭПР или

HME, но и для определения характера и величины воздействия на вещество, когда известная связь между параметрами спектра вещества и изменениями физико-химических свойств вещества, происходящимися в результате воздействия или изменения величины воздействия»

Использование предлагаемого устройства имеет IIo сравнению с существующими устройствами следующее преимущество: измерение величины изменения параметров спектров ЭПР или ЯМР непосредственно в процессе

873075

Формула изобретения

V= лиН

Vuw Фиг.1

Щиг 2

ВНИИПИ Заказ 9020/67 Тираж 910 Подписное

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная,4 регистрации спектра, что сокращает время получения информации о происходящих изменениях, в веществе и тем саввам повышает эффективность научных исследований с применением метода

ЭПР или йИР.

Устройство измерения изменения параметров спектров магнитного резонанса, содержащее систему регистрации и стабилизации резонансных . условий спектрометра, выходы которой соединены с командным блоком и первым входом схемы сравнения, второй вход которой соединен с выходом источника эталонного напряжения, первый вход которого соединен с выходом командного блока, причем этот выход .командного блока связан с первыми входами блока памяти и блока обработки данных, выход схемы сравнения соединен со входом измерителя временных интервалов, выход которого связан со вторым входом блока памяти, а выход блока памяти - со вторым. входом блока обработки данных, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения времени изменения параметров, в устройство дополнительно введены компаратор, исполнительный блок и генератор линейно изменяющегося напряжения, выход которого соединен со входом системы регистрации и стабилизации резонансных условий спектрометра, а вход - с первым выходом исполнительиого блока, второй выход которого соединен со вторым входом источника эталонного напряжения, .вход компаратора связан с выходом схеьы сравнения, 15 а выход его — co входом исполнительного блока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Вертц Д., Болтон Д. Теория

Щ и практические приложения метода

ЭПР М., Мир, 1975, с. 30-47, 409-420.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2700793, кл. G 01 N 27/78, 25 ° 12.79 (прототип).