Способ наблюдения ядерного магнитного резонанса

(11)600430 Соеоз Советских Социалистических Республик(61) Дополнительное к авт, свид(22) Заявлено 250775 (2) 2152903с присоеаинением заявки РЙ(43) Опубликов (45) Дата опуб но 30 ования описания 04,04(72),Авторы изобретения Е, Мефед и В, И. Ацарки рдена Трудового Кр и электроники(5 оэлек о б где е- ядерноотношение,и эффектинвоемной катушкой ирой перпендикулянаступает при ча ное заимо дукти на кН ействует сности осьРеэонанц), близко стоили от Изобретение относится к радитронике и предназначено для исследования ядерного магнитного рез нанса(ЯМР), например, для изучения структуры кристаллов, движения и взаимодействия атомов и молекул, динамики спиновых систем, Изобретение может бытьиспользовано также в области структурной химии, например, для определенияхимических сдвигов частоты ЯМР. 10Известны способы наблюдения ЯМР,при которых на исследуемый образец воздействует постоянным магнитным полемс напряженностью Нои перпендИкулярнымк нему высокочастотным магнитным полем )8с амплитудой ХН и частотойм и регистрируют поперечную по отношению . кпостоянному магнитному полю компонен.ту ядерной намагниченности. Эта компонента вращается вокруг поля Яо сларморовской частотой, определяемойсоотношениемо ене,е гидром т25 ого Знамени институт радиотехни СССР равной к; . Для регистрации Резонанса используют как стационарный, так и импульсный способы.При стационарном способе регистрацию поперечной компоненты ядерной намагниченности ведут при непрерывном воздействии на образец слабым высокочастотным магнитным полем в условиях медленного изменения одного иэ параметров со или Нв в диапазоне, включающем выполнение условия резонанса Ш=до. При этом на выходе регистрирующего устройства наблюдается частотный спектр ЯМР 11К недостаткам стационарного спосо а следует отнести то,. что получаемый спектр ЯМР от твердого образца имеет низкое разрешение. Это объясняется большим уширением линий ЯМР в твердых телах ( 10 Гц), что вызвано магнитным диполь- дипольным взаимодействием ядер друг с другом. Иэ частотного спектра, полученного стационарным способом, невозможно извлечь многие его составляющие и получить информацию; связанную с тонкими механизмами взаимодействия ядер друг с другом и с электрокным окружением,При импульсных способах наблюдения ЯМР на исследуемый образец воздействуетНэФФ = (Н)2 гдеН - напряженность постоянного магнитного поля 1Н 1 - величина полуамплитуды высокочастотного магнитного поля;цэ - частота высокочастотного магнитного поля;Г - ядерное гиромагнитное отношение,Для максимального повышения разрешающей способности частоту высокочастотного магнитного поля выбирают в соответствии с соотношением е составляет с полем а его направНо угол При относительной простоте способанедостатками его, как и стационарного,являются низкая разрешающая способность и малая информативность. Такимспособом можно определять лишь .резонансную частоту ЯМР шо и время спинрешеточной релаксации.Цель изобретения - повышение раэрешакщей способности способа наблюденияЯМР,Для этого величину амплитуды высокочастотного магнитного поля устанавливают не менее средней величины внутреннего магнитного поля в образце,а регистрацию продольной компонентыосуществляют на частоте ядерного магнитного реэонанса в магнитном полеИ , опрепеляемом соотношением 65 но изобретению юся компоненту иченности ЬГс на к полю НэфФ,в поле Н,Фр яют с помощью которой направктора намагничено происходила При способе согласЬ,егистрируют вращающуядерной намагнкоторая перпендикулярт.е. регистрируют ЯМРРегистрацию осуществлприемной катушки, осьлена вдоль поля Но .Чтобы прецессия вености ЬГ действительн высокочастотным магнитным полем в виде сложной последовательности мощных когерентных фазопеременных импульсов, а сигнал ЯМР регистрируют в промежутках между импульсами в виде огибающей 5 сигнала свободной индукции с помощью приемной катушки индуктивности, ось которой перпендикулярна к полю Яо. Частотный спектр ЯМР получают путем фурье-преобразования снятого сигнала 10 с помощью электронно-вычислительной машины 21Существенными недостатками импульсного способа наблюдения ЯМР являются сложность и дороговизна применяемой для его осуществления апппаратуры, а также необходимость использования электронно-вычислительной машины для обработки зарегистрированного сигнала. 20Известен также способ наблюдения ЯМР, при котором регистрируют продольную по отношению к полю йо компонен" ту ядерной намагниченности. Для этого на исследуемый образец воздействуют постоянным магнитным полем Но пендикулярным к нему высокочастотным магнитным полем, частоту которого изменяют от величины, меньшей резонансной, до величины, превышающей ее, со . скоростью, обеспечивающей адиабати" ческое быстрое прохождение линии ЯМР на,частоте и)о . При этом происходит поворот ядерной намагниченности от первоначального направления вдоль по-. ля Но к новому положению, направленно-. му противоположно Н . Результирующееизменение ядерной намагниченности регистрирует с помощью приемной катушкииндуктивности, ось которой параллельнонаправлению постоянного магнитного . 40поля Но, и присоединенного к ней чув"ствительного магнитометра. ЧастотаФна которой осуществляют регистрацию,определяется скоростью адиабатическогобыстрого прохождения и лежит в инФразвуковом диапазоне31Чтобы непосредственно получить частотный спектр ядерного магнитного ре" зонанса, на образец дополнительно воздействуют переменным магнитным полем с частотой с 4 ф, которое направлено вдоль постоянного магнитного поля, и в процессе регистрации изменяют по меньшей мере один иэ параметров Но Нщ, Я в диапазоне, включающем выполнение условия резонанса Я.фэ НэФФНа фиг. 1 схематически изображены магнитные поля, действующие на образец во вращающейся системе координат на фиг. 2 показана схема устройства для осуществления способа.В системе координат, вращающейся вокруг поля Ко с частотойшв направлении ларморовской прецессии ядерной намагниченности М (фкг.1) поле Н сокращается до величины Н -ф , ао у ф циркулярно поляризованная компонента высокочастотного магнитного поля с амплитудой становится постоянной во времени. Результирующее магнитное поле в такой системе координат равноэфир (о) + Н 1, 12) СС ж асс сссНМэффВо вращающейся системе координат процессия ядерной намагниченности М происходит вокруг поля Н Ф,а ее частота определяется соотношениемЯо= ГНэффвокруг Нфф, вег.ичина Н 1 должна быть не меньше средней величины внутреннего магнитного поля в образце, создаваемого ядерными магнитными моментами. Так как это поле по порядку величины равно 1 Э, то для реализации способа требуется высокочастотное поле, полуамплитуда которого Н больше, чем 1 Э. Таким величинам Н 1 , согласно выражениям (2) и (4), соответствуют частоты х/2 Х)1 кг 1 кГц, которые при достаточной величине (Н) 100 э ) могут достигать 500 кГц.Так как при наложении сильного высокочастотного магнитного поля происходит усреднение ядерных дипольдипольных взаимодействий, то ширина линий ЯМР, снятых в поле Н, , оказывается уже, чем ширина линий ЯМР, снятых на частоте ио известными стационар. ными способами. Эффективность такого усреднения увеличивается с ростом величины Н 1 и зависит от угла 9 . Наибольшее усреднение и соответственно разрешающая способность способа достигается при б=фо = ас сои фГЪ) где 90так называемый магический угол.для реализации этого условия параметры постоянного и высокочастотного магнитных полей устанавливают в соответствии с соотношением которе вытекает из соотношений (2) и (3) при 9=6 . В этом случае описываемый способ наблюдения сигналов ЯМР позволяет ча два-три порядка уменьшить дипольное уширение линий ЯМР в твердых телах.Наблюдение ЯМР в поле Нзфф позволяет также получить информацию, недо" ступную в стационарных методах ЯМР, касающуюся, например, сравнительно мед. ленных движений атомов и молекул со. скоростью порядка Йц .Способбможет быть реализован с помощью устройства, схематически пока занного на фиг. 2.Исследуемый образец 1 располагает внутри двух скрещенных катушек" возбуждающей 2 и приемной 3, помещенных в поле Но магнита 4. Катушки устанавливают так, чтобы ось возбуждающей катушки была направлена перпендикулярно, а ось приемной - вдоль поля Но . На возбуждающую катушку 2 подают высокочастотное напряжение от блока генератора 5, причем амплитуду и частоту этого напряжения устанавливают такими, чтобы обеспечить выполнение условий (2) и (4). Наблюдение сигнала ЯМР осуществляют с помощью приемной катушки 3 и приемного устройства б, обеспечивающего индикацию сигнала на резонансной частоте Й , В качестве прием ного устройства можно использовать6 -метр, радиочастотный мост, автодини другие применяемые для этой целиУстройства, Регистрирует сигнал ЯМР5любыл из известных в технике ЯМР методов, например, методом индукции, стационарным методом и т,д,При использовании метода индукцииполе Но оставляют неизменным, а полеН 1 включают скачкообразно. В результате намагниченность, которая до включЕния поля Н 1 была направлена вдоль пОля Но, начинает процессировать вокругполя Н,ФФна частоте , , определяемой соотношением (4). При этом в приемной катушке 3 наводится сигнал натой же частоте, уменьшающийся стечение времени, который и регистрирует приемным устройством 6.В случае использования стационарного метоца на образец дополнительновоздействуют слабым переменным магнитным полем, направленным вдоль постоянного поля Н и имеющим амплитуду Н25и частоту Я., близкую или равную частоте Й . Это можно осуществить, напримерпутем подачи на приемную катушку 3 напряжения с частотой 2 . Сигнал ЯМР появляется вследствие эффективного взаимодействия поля Н с проекцией компоненВскты ядерной намагничивающей Мнанаправление поля Н . При этом методе в процессе регйстрации сигналаЯМР изменяют по крайней мере один изпараметров Н , о,Н, или Я в диапазо не, включающем выполнение условия резонанса Я,= Я , и на выходе приемногоустройства б получают частотный спектрЯМР в окончательном виде, не требующемобработки с помощью электронно-вы 40 числительной машины, Если в моментпрохождения резонанса выполняется условие (5), то получаемый спектр ЯИРот твердого тела имеет максимальноеразрешение,45 Несмотря на значительное понижениечастоты, на которой при описываемомспособе ведут регистрацию сигнала ЯМР,не наблюдается существенного уменьшения его чувствительности по сравнению50 с обычными стационарными способами.Это связано с тем, что ядерная намагниченность образца вдоль поля Н,ффможетбыть сравнима с его равновесной намагниченностью, достигаемой в большом пола55 Н, и с тем, что при сужении линийих интенсивность соответственно возрас.тает. Таким образом, способ наблюдениябЯМР согласно изобретению позволяет по"высить разрешение спектров ЯМР в твер.дых телах без применения сложной идорогостоящей импульсной аппаратурыи Фурье- преобразования сигнала ЯИР,5 При этом техника получения спектровЯМР сводится к традиционной, хорошо600430 формула изобретения Составитель Н. ВоронинРедактор О. Пушкин Техред Н,Бабурка Корректор Н. Ковале ираж 1112 рственног елам изоб осква, Жкаэ 1894/59 ЦИНИПИ Гос и 113035исноеета Минисытий По комитета С тений и от Ра ушек а я/5 илиал ППП Патен Ужгород, Ул. Проектна разработанной стационарной технике,отличающейся простотой, надежностьюи малой стоимостью. 1. Способ наблюдения ядерного маг нитного резонанса путем воздействия на исследуемый образец постоянным магнитным полем и перпендикулярным к нему, высокочастотным магнитным полем и регистрации компоненты ядерной намагниченности, продольной по отношению к постоянному магнитномуу полю,15 отличающийс я тем, что, с целью повышения его разрешающей способности, устанавливают величину амплитуды высокочастотного магнитного поля не менее средней величины внутреннего магнитного поля в образце, а 20 регистрацию осуществляют на частоте ядерного магнитного резонанса в магнитном поле Н фф, определяемым соот- ношением где Но - напряженность постоянногомагнитного поля;30 Н 1 - величина полуамплитуды высокочастотного магнитного поляц) - частота высокочастотногомагнитного поля;- ядерное гиромагнитное отношение.2. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что частоту высокочастотного магнитного поля устанавливают в соответствии с соотношением=ьг (ц,3. Способ по п.п. 1, 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюнепосредственного получения спектра,на образец дополнительно воздействуют,переменным магнитным полем с частотой со, направленным вдоль постоянногомагнитного поля и в процессе регистрации изменяет по меньшей мере иодин иэ параметров Но, Н,щ, х ьдиапазоне, включающем выполнение условия резонанса Я = 7 НфИсточники информации, принятыево внимание при экспертизе:1. Абрагам А. Ядерный магнетизм,ИИЛ, М., 1963.2.ее1. щР ке, А1965, 140,3. Ч, НаеЬе Ееп, ,Ь,ЪГацфъ, Рь Кем.175, 453, 1968.