Способ получения сигналов кинематического спинового эха во внешнем неоднородном магнитном поле

О П И С А Н И Е ,151871 гИЗОБРЕТЕН ИЯ Союз СоаетскмкСоцмапмстичвскмкРеспубпмк К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 08,07.74 (21) 204293 1) М, Кл.е 0 01 О 27/78 26-25 с присоединением заявки23) Приоритет Гесудврствениыа квмвтеСввата Ивккстров СССРав делам везвбретеекк вткрытиа УДМ 539.143.43:т 538.69.083.2.07 46) Дата опубликования описани 2) Автор изобре 1 ени М, Бороди енинградский ордена Ленина и ордена Трудового Знамени государственный университет им. А, А. Ж(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИГНАЛОВ КИНЕМАТИЧЕСКОГО СПИНОВОГО ЭХАО ВНЕШНЕМ НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНО М ПОЛЕ2атушки в магнитном подезы высокочастотной ком;игнвла ЪЧ используют ддяости течения жидкости вормулой цилиндрическойЗемли. Сдвиг фвпоненты этогоизмерения скор,соответствие с Изобретение относится к радиоспектрс- скопии методом ядерного магнитного резонанса и может быть использовано для решения научных и прикладных задач. Получаемые по указанному способу сигналы кинематического спинового эха могут Сыть в частности, использованы для измерения времен ядерной магнитной релаксации двиУжущейся жидкости, а следовательно, и для изучения ее физико-химических свойств, для измерения скорости течения,н расхода жидкости Гв .естественных водоемах, каналах и трубопроводах, для определения ин,тенсивности турбулентного движения жид,кости, для определения скорости движения судов и для некоторых других целей.Известны способы получения сигналов , кинематущВЯоо спинового ахв, заключаю,щиеся в предварительной, поляризации жид)кости электромагнитным полем и воздействии на нее 180-градусным восстанавливающим радиочастотным импульсом,В известном способе (прототипе) наблю дают сигнал классического спинового эха ядер жидкости, движущейся внутри большой й,дЧ Тт т, (1)где в - гидромвгнитное отношениепрецеосирующих ядер,10 б - линейный градиент магнитного поля вдоль направления скорости течения жидкости "Х, т,е, вдоль оси катушки ОХС - время, через которое включают180-градусный восстанавливающий радио тб частотный импульс (или изменяют направление градиента).Градиент 6 создают при помощиспециальной катушки с током, Предварительную поляризацию осуществляют по методу аО Паккарда-Вариана при помощи однородного,поляризующего магнитного поля, соэдаваемого внутри катушки датчика ЯМР.Однако известный способ позволяет поЯб лучить сигналы спинового эхв лишь в жид3 818712 гкает вн и катушки осиу . СХ (координатная система ХУ Х свякости, которая протекает утр ум ЯМР начало координать тво ог вничи. зана с датчикомдатчика ЯМР. Это обстоятель:тв ри я в лобовой части датчика, а осьть п именения способа для находится в л ово частивает возможность при ер Х через середины вертикальныхиме измеря- ОХ проходит черепрактических целей, Твк, напр р,ркат ек) Н - внешнее магфазы. Ь Ч сигналов спино- Он всех катушек) Оемая по сдвигу фа ф ориентированное по Оси о Ъи ости внут- нитное поле, ового эхв скорость течения ж дк утР ег а б дет от- На фиг. 2 приведена зв. 2 висимость ампли- Яличаться от скорско ости течения жидкости в .тудысигналаот ; ы емого с момента начала свободнойсвободном потоке и это ототличие трудно,ецессии ядер контролируемой жидкости,честь н полнортью, исключить (оно завиучесть н полнорости течения 1 Э где Асигнал свободной прецессии ядер,состояния поверхности трубы и ее эасоря- индуцируемый в катушке(укорочен заемости и др.). Кроме того,,). К го как видно из счет движения нидкости), В - сигнал1 существует линейная зависиммость сдви- КСЭ индуцируемый в катушке в случае одф удратич- породного внешнего магнитного поля, Сгв фазы дМ от градиентаи ква6сигнал свободной прецессии ядер, индуцируеная от Спа амет ы мый в катушке Ь 1(укорочен за счет движеия г иента магнитсигнала (д и со скорноГО поля, В - сигнал КСЭ, индуцируемыйжи ости ч, справедлива лишь для лив катушке Ь в случае неоднородного мвгнейного градиента х вдоль направленияки,36 нитй ого поля -- р, 180 - И - 180-г адусныйтечения (вдоль оси катушки),- в емя чеСледовательно, для точи ости измерения Радиочастотный импульсу ксэ- вре р" ыКСЭ Сукаэанные реэ которое появляются сигналыч необходимо стабилизировать упв вмет ы, Это, пс видимому, исключает интервал времени между началом свободнойке втчика прецессии ядер и моментом подачи 180 применение способа при установке датчикаМ градусного импульса.Способ получения сигналов КСЭ во внещБелью изобретения является расширениеба. нем неоднородном магнитном, поле заключавоэможностей использования спосо а.Для этого последовательно поляризуют ется в следутошем.Известно, что для получения сигналовне од ро но одным электромагнитным полем,р - 30 КСЭ используют датчики ЯМР, катушки коидентичным по " Опо своей геометрии полю при,то ых (две или более) при пропускании чеемной катушки, движушейся во внешней ,торых две илирез них электрического тока создают вообласти кат шек датчика объем жидкости,области ка уго виже- внешней области неоднородное периодическизатем в разных местах по ходу его движесным : вдио- симметричное магнитное поле.ния воздействуют 180-градусным:рЕсли например, в датчикепо ЯМР исполь-чвстотным;импульсом через время 1 С, оп- Щ 9 ив рзуются две идентичные по своим геометри-.ределяе ое ф ре еляемое по формулеческим и электрическим параметрам катуш"С 3 (2.ч) ки Ь и Ь , конфигурация магнитных полейгде Ь - расстояние между поляризуюшей которых иэоброб ажена на фиг. 1, тогда сиг 9 нвлы КСЭ получают следующим образом.и приемной катушками,При проиускании через поляризуюшуюсительно датчика , через вреЯМР ремя 2 С катушку Ь 1 постоянного тока создаетсяпосле начала свободной прецессии ядер кон- ориент р рия векто ов яде ной намвгниченобъема Ь 7 об азпатролируемой жидкости регистрируют сиг-ности М элементов объе 71 р инал кинематического спинового эха (КСЭ), 46вдоль силовых линии магнитного поля.Изобретение пояснено чертежами.На фиг, 1 приведена схема магнитных чить поляризуюшее поле Н, то вектораполей катушек датчика , гдеЯМР К - М начнут свободно прецессировать вокруг.Миоляриз юшее поле, создаваемое катушкой наиравли авления внешнего однородного магнит - магнитное поле вдоль оси, при- М ного поля Н,Н с частотой и 3:тНЙаемкой катушки Ь, создаваемое всеми чальные же ф рС 1 Рфазы и ецессийс 1. отдельньймагнитными диполями ядер и; контролиру- векторов 1 у у про ов М б д т о еделяться ориентациемой жидкости (пунктирными кривыми по- ей посл д Уе ниУ- заданной полем ГГ (поле Ги аказаны силовые линии ма.нитного поля ка- можно вь включать "медленно", в поворотМ оскость Х у можно сдетушки Ь Н - составлявшая поля, соз- Ьо векторов М в плоскостьк иисадаваемого катушкойпрг ироиусквнииЙ Ък ии лать при помощи 90-градусного импуль. через нее -ГРР180-г вдусного радиочастотного тока, поданного в катушку Ь сразу послетока 6 и 1 - расстояния меж- выключения тока поляризации), этотимпульса тока 1 и а - аи юшие компоненжу осями квтушек,т, T - скорость движения чвльный момент осциллиружидкости относительно датчикавдольЯМР Ю ты ирецессируюших векторов М 1, касатель51871 б (ХУ ъ) 4 сотя 1 45между осяные к магнитным силовым линиям катушки Ь (. М ), будут изменяться синфаэно, и создаваемый ими в катушке Ь пере менный магнитный поток будет максимвпьный. ,Перемещение эпементов объема образцаЯ, приводящее к изменению угла между касательной к силовой линии катушки Ь в точке нахождения ЬУ и плоскостью, вызывает иэмененйе фазы осцилляции1Я во времени, (д Ю -Ф- й. ).а 1 1 Этй изменения даже в случае равномерного, движения образца относительно датчика ЯМР будут происходить с разной скоростью у объемов жидкости 671, движущихся на разном удалении от оси ОХ, и вызывать разные расстройки ЫЮ частот осципляцийъюкомпонентов дВозникающая в результате. этого дисперсия расстроек 1 а будет увеличиваться при движении жидкости на участке пути 1, а 4затем на участке 1 - уменьшаться ( в случае равномерного движения образца16). Она достигнет своей минимальной величины (дЮ - 0 ), когда каждый ЬЧпереместится по траектории, параплепьной средней плоскости датчика ОХ , на расстояние 2 1. При этом в катушке Ъсуммарный магнитный поток от синфаэно осцилпируюших компонентов И ; достигнет; максимальной величины и в ней будет индуцироваться сигнал кинематического спинового эха.При дальнейшем движении Ч 1 вдоль датчика снова появится Юа и сигнвп КСЭ исчезнет (возникновению сигнала КСЭ в данном случае будет способствовать и перенос,неоднородно намагниченного по модулю М образца, хотя впияние этого фактора носит менее резонансный характер).Время возникновения сигнала. КСЭ после начала свободной прецессии в однородном внешнем магнитном поле Н при Ч:СОПМ, определяется: ,по формулеИСЭгд - расстояние Х Х,ми сатушек Ь 1 и Ь фЕсли же свободная прецессия эпементврных ядерных намагниченностей М будет происходить в неоднородном внешнем магнитном поле Н (ХУь) - Н + 8 Н(хУь), то условия возникновения сигнала КСЭ нару; шаются, а именно, сфазирование спиновых прецессий за счет движения жидкости относительно датчика ЯМР не произойдет и сигнал КСЭ не возникнет.Однако, если неоднородность магнитного ноля 6 Н на всем пути 3, движения жидкости является линейной то ее расфвзируюшее воздействие на М может быть обра 26щено при помощи 180-градусного радио,частотного импульса, подаваемого через время 7 после начала свободной прецессии ядер. Тогда, как известно, через время 1 С поперечная компонента 9 прецессируюшего вектора ядерной намвгнйченности М , исчезнувшая эа счет действия ЬЯ , восстановителя.В рассматриваемом случае воздействие на движущийся образец 180-градусным радиочастотным импульсом следует осушест впять при помощикатушки Ь, геометрия магнитного поля которой такая же, как у катушек 1. и 1.Если катушка 1, расположена ровно по середине между катушками Ь и Ь , тогда в случае равномерного движения:Ч СОИМ 2 дпя восстановления поперечной компо,ненты М 1 в момент возникновения сигналов КСЭ 180-градусный радиочастстный импульс тока в катушку Ь необходимо подать в момент времени,.: .(ч) . (2)формула (2) выражает условие получения сигналов КСЭ в неоднородном магнитном поле с Ййейной неоднородностью 8 Н (ипи с постоянным градиентом (Ст (Х У ьлсопзМпри У=сопМ. Оно справедливо также и дпя некоторых нелинейных неоднородностейойв области эффективного действия катушек датчика, т.е. тогда, когда в этой области Необходимо лишь, чтобы эти нелинейныеЗН обусловливали одинаковые расстройкиЬЮ при движении Б как нв участке путитвк и на 1 в каждой струе потока.1При этом 6 имогут быть и неодинаковыми, т.е. С может отличаться от СП остеййшими иэ этих неоднородностей являрются, например, такие, у которых бсопД.нв траектории движения каждого ьЧ но Ст дпя разных траекторий не(3 С1 Ходинаковы, В этом попе с простейшей непинейной неоднородностью Г С и, спе1е,:еНеоднородности магнитного попя ЗН указанных выше типов могут создаваться искусственно (например при помощи двух проводников с током) ипи использоваться естественные ЮН в месте расположения хатушек датчика ЯМР, В последнем случае онимогут быть сделаны, например, линейнымипри помощи компенсаторов неоднородностиполя.Для получения серии сигнапов КСЭ (подобно "серйисигналов спинового эха в методе Кврра-Парселла) пспопьзукт нескмько пар катушек, расположенных в один ряд,7 5187 которые служат как для поляризации, контролируемой жидкости, так и для получения сигналов КСЭ, Если это необходимо делать в неоднородном внешнем магнитном поле, то катушки восстанавливаюцшхся 1 80-градусных радиочастотныхимпульс оь должны располагаться между двумя катушками в аждой паре.Возложность получения сигналов КСЭ при установе датчика ЯМР,4 местах с боль. шими естественными неоднородностями маг. нитного поля, в которых сигиал свободной прецессии ядер быстро затухает, суцаствев но расширяет возможности испопьзовании Метода ЯМР в движуыахся относительно датчика средах. Так, вапример, можно вз мерять скорость течэащ и расход жидкостей, вблизи железобетоюих конструкций гидросооружений нли иэдалеко от стальных тру 6; измерять скорость движения судна относи/ тельно воды или исследовать интенсивность турбулентного 1 движения в водоеме при ус 1 танввке датчика вблизи борта движушегося судна и т.п. формула изобретенияФЬСпособ получения сигнапов кинематичес-кого спинового эха во внешнем неоднород нем магнитном попе, зацючаюшийса в прои варительной поляризации жидкости электро магнитным полем, поляризуюшей катушки датчика ЯМР, воздействии иа нее 180-гре4дусным восстанавливающим радиочастотным импульсол и регистрации сигнала спиновогд эха приемной катушкой датчика ЯМР, о тл к ч а в щ и й с я тем, что, с цельо расширения возможно.ти,использования способа, последовательно поляриэуют неоднородным ваектромагнитиым полем, ииен тич,ным по своей геометрии полю приемной атуциц, движущейся ио внешней области катушек датчика обьем 1 жидкости, затем,в разных местах по ходу его движения воздействуют 180-ерадусным радиочастотным импульсом через время , определяемое по формуле-1еЕМ)где- расстояние между поляризующей иприемной катушками;- скорость движения жидкости относительно. датчика ЯМР, и через время 7после начала свободной прецессии ядер контропируемой жидкости регистрируют сигналкинематического спинового эха.одписноеСовета Министротений и открытийя набд, 4/5 э 2688/285 Тираж ЦНИИПИ Госуда ССР рственного комитета по делам изобреМосква, Ж, Раушск иал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Составитель В. филипповедактор М. Аппель Техред,Н. Анндрейчук, Корректорй. Мельниченк ака 1029 П