Устройство для измерения времени спин-спиновой релаксации

(71) Львовский политехнический институт им.Ленинского комсомола (72) В.Е.Рыцар(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИИ ВРЕМЕНИ СПИН-СПИНОВОЙ РЕЛАКСАЦИИ(5) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения времен ядерной, вчастности спин-спиновой, релаксацииимпульсными методами радиоспектроскопии ядерного магнитного и ядерного квадрупольного резонансов, и может быть использовано для остроенияимпульсных релаксометров, предназначенных для изучения физико-химических свойств различных веществ, атакже для решения прикладных задачрадиоспектросколии. Цельния - повышение точности изобрете- измерения ОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ НОМИТЕТ О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТ времени спин-спиновой релаксации прн малом отношении сигнал/шум. Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены формирователь и распределитель импульсов, постоянное запоминающее устройство, умножающий цифроаналоговый преобразователь, времякодовый преобразователь н арифметикологическое устройство, Выход программатора соединен с входом формирователя и распределителя импульсов, первый выход которого через время- кодовый преобразователь подключен к первому входу арифметико-логического устройства а второй выход - к входу постоянного запоминающего устройства и к управляющему входу двухканального блока выборки и запоминания, Второй выход блока выборки и запоминания через умножающий цифроаналоговый пре- Ъ образователь соединен с сигнальным входом компаратора, а выход компаратора подключен к второму входу ариф- МщВ метико-логического устройства, Вход фЬ арифметико-логического устройства соединен с входом постоянного запоминающего устройства и управляющим входом умножающего цифроаналогового преобразователя, а выход - с регистратором. 1 ил., 1 табл.Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения времени ядерной релаксации методами радиаспектроскопии, в частности времени спин-спиновой релаксации импульсными методами ядерного магнитного и ядерного квадрупольного резонансов, и можетбыть использовано для построения импульс ных релаксометров, предназначенных для изучения физико-химических свойств различных веществ и других задач прикладной радиоспектроскопии.Цель изобретения - повышение точ ности измерения времени спин-спиновой релаксации в широком динамическом диапазоне при малом отношении сигнал/ шумНа чертеже приведена блок-схема 20 устройства для измерения времени спин-спиновой релаксации.Устройство содержит программатор 1, приемопередающую систему ППС 2 релаксаметра, формирователь и распределитель импульсов (,ФРИ) 3, двухканальный блок 4 выборки и запоминания БВЗ) постоянное запоминающее устройства ПЗУ 5, времякодовый преоб" разаватель ВКП 6, арифметика-логическое устройство АЛУ 7, умножающий цифроаналоговый преобразователь1,УЦАП) 8, компаратор 9 и регистратор 10, причем выход программатора 1 сое динен через ППС 2 с входом двухканаль. ного БВЗ 4 и с входом ФРИ 3, первый выход которого через ВКП 6 подключен к первому входу АЛУ 7, а второй выход - к входу ПЗУ 5 и к управляющему 40 входу двухканального БВЗ 4, первый выход которого соединен с опорным.входом компаратора 9, а второй выход через УЦАП 8 - к сигнальному входу компаратора 9, при этом выход послед него подключен к входу программатора 1 и к второму входу АЛУ 7, у которого третий вход соединен с выходом ПЗУ 5 и входом УЦАП 8, а выход - с регистратором 10.50Устройство работает следующим об" разам.Программатор 1 вырабатывает много- импульсную последовательность Карра Перселла-Мейбума-Гилла, т.е. 90о л 180 - 2 -180 -2 с - ,в результате которой на выходе ППС 2 появляются эхосигналы с амплитудами поА = А ехр (- - ), п=1,2,3 (1)о огде А - начальное значение амплиотуды эхосигнала,о =2, - момент времени появленияэхосигналов.Стробирование амплитуд А в двухканальном БВЗ 4 происходит с помощью импульсов ФРИ 3 в момент времени п таким образом, что в первом канале БВЗ 4 удерживается уровень напряжения П пропорциональный первой амплитуде А эхосигнала, а во втором канале БВЗ 4, начиная с и 2 по мере поступления строб-импульсов 6 ь появляются уровни напряжений 0,11 ЦП , пропорциональные соответственно амплитудам А, А, АА.Таким образом, на опорный вход компаратора 9 поступает напряжение 1 а на опорный вход УЦАП 8 - ступенчато-спадающее по экспоненциальному закону (1) напряжение 1,(и :=2,3,4), описывающееся выражениемгС11= 11 ехр(- - ), (2)7.где П - начальное значение напряжеония Б при п=О, равное повеличине АОдновременно с вйхода ФРИ 3 строб- импульсы пГ поступают также на вход (т,ена адресную шину) ПЗУ 5, в котором хранится Б двоичных слов. Счи-. тывание информации ПЗУ 5 на вход (т.е. по шине данных) УЦАП 8 осуществляется с помощью строб-импульсов ФРИ 3, начиная с п=2. По мере поступления строб-импульсов будет изменяться двоичныи код ПЗУ 5, а значит и коэффициент К умножения УЦАП 8. Следовательно, уровень напряжения П, (начиная с п 2,3,4,), который на каждой ступени и приложен к опорному входу УЦАП 8 будет умножен на число, соответствующее заданному в ПЗУ 5 коде, Таким образом к сигнальному входу компаратора 9 будут поступать уров. ви напряжений К П , К Пз, КП КП где К - коэффициент умножения УЦАП 8, определяемый кодом ПЗУ 5.При равенстве уровня П, которое приложено к опорному входу компара" тора 9, и уровня К П на его выходе появляется перепад напряжения, который отключает работу программатора 1 и одновременно является разрешающим сигналом для выполнения операцииумножения на АЛУ 7 двух двоичных кодов - зафиксированного искомого кодаПЗУ 5 и кода ВКП 6, соответствующегоинтервалу времени т, , На выходе АЛУ 7полученный результат поступает нарегистратор 1 О. Высокая точность измерения времен ядерной релаксации спомощью предлагаемого устройства достигается за счет того, что вторая 10амплитуда А эхосигнала автоматически выбирается из условия выполненияминимума относительной среднеквадратической погрешности б измерениявремени Т. Если первая амплитуда А, 15измеряется в момент времени Г и фиксируется, а вторая А измеряется вмомент времени шГ, то время спин-спиновой релаксации Т можно определитькак 20 шГТ---- пг-.2 3 4 (3)ф. 1 п (А, /А,)При условии, что ошибки измерения амплитуд эхосигналов А случайны и независимы и подчиняются нормальному закону распределения, причем среднее значение их равно нулю, а максимальное отклонение равно от точки к точке, т.е. Ь А, = бА ==БА =АА, то относительную среднеквадратичную погреш 30 ность измерения времени спин-спиновой релаксации Т по формуле (3) можно определить так 25 1ш 2 3 4(4)35т Кн 1 п(А /А ) ф где К=А /ьА=сопз - отношение сигнал/шум.Если в выражении (4) вместо А, и А подставить соответственно А А,ехр("4) и А =Аехр(-шо), где о 640:/Т, то величина О,. относительно в 6 для различных ш=2,3,4,имеет минимум. Величины К =к, при которых б становится минимальной являются оптимальными для конкретных индексов сдви 45 га ш, а соответствующие им оптимальные отношения амплитуд (А,/А,), являющиеся коэффициентами умножения КУЦАП 8, будут равны,50 (А,/А), К вхр (и-)М,в 2,3,4(5)Таким образом, для известных о, величину искомого времени спин"спиновой релаксации Т с наиболее вероятной минимальной погрешностью можно определить по формуле.1 Т- Т, (6)фф где1=( - ) -- 1 пК .о Т а шч2Минимальные погрешности С , и соответствующие нм оптимальные параметры м и (А,(А ) К для различных индексов сдвига ш приведены в таблице.В ПЗУ 5 хранятся табличные данные оптимальных отношений (А,/А) являющиеся соответственно коэффициентами К умножения для УЦАП 8 и для АЛУ 7. Как только уровень напряжения на выходе УЦАП 8, равный К 0 , станет равным или большим уровня 11 компаратор 9 с помощью ФРИ 3 фиксирует в ПЗУ 5 оптимальное число ш, соответствующее оптимальному отношению (А,/А)е, а значит, наиболее точному для заданного Г значению времени Т, которое после выполнения в АЛУ 7 операции (6) зарегистрирует регистратор 10. Формула изобретенияУстройство для измерения времени спин-спиновой релаксации, содержащее программатор, подключенный к входу приемопередающей системы релаксометра, выход которой соединен с входом . двухканального блока выборки и запоминания, у которого первый выход подключен к опорному входу компаратора, выход которого соединен с входом программатора, и регистратор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения при малом отношении сигнал/шум, в него введены формирователь и распределительимпульсов, постоянное запоминающее устройство, умножающий цифроаналоговый преобразователь, время- кодовый преобразователь и арифметикологическое устройство, причем выход программатора соединен с входом формирователя и распределителя импульсов, первый выход которого через времякодовый преобразователь подключен к первому входу арифметико-логического устройства, а второй выход " к входу постоянного запоминающего устройства и к управляющему входу двухканального блока выборки и запоминания, второй выход которого через умножающий цифроаналоговый преобразователь соединен с сигнальным входом компаратора, прн этом выход компаратора подключен к второму входу1404912 арифметико-логического устройства,третий вход которого соединен с выходом постоянного запоминающего уст 1,0)Редактор А.Шандор Заказ 3095/46 Тираж 847 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 0,569 0,379 0,283 0,225 0,187 0,160 0,140 0,124 ройства и управляющим входом умножающего цифроаналогового преобразователя, а выход - с регистратором. 1,757 2,638 3,533 4,444 5,438