Блок импульсного градиента магнитного поля

БЛОК ИМПУЛЬСНОГО ГРАДИЕНТА МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

Савосин В.А.

Московский государственный университет приборостроения и информатики.

107996 Москва, Стромынка, 20

В докладе представлен блок импульсного градиента магнитного поля, предназначенный для исследования трансляционных движений молекул методом ЯМР

PULSED FIELD GRADIENT UNIT FOR NMR RELAXOMETER 
Savosin V.A

Moscow State University for Instrument Engineering and Informatics,

Moscow 107996, Stromynka, 20

Pulse field gradient unit to explore translational motions of molecules by NMR method is presented

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – это резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. Явление магнитного резонанса используется для исследования свойств веществ на атомно-молекулярном уровне, включая построение изображений внутреннего строения образцов. Методами ЯМР-томографии в основном исследуются объекты, содержащие неподвижные среды, для которых имеет место пропорциональность между яркостью элемента изображения и значением отображаемого параметра в соответствующем элементе объема объекта. Однако, во многих интересных случаях (живые животные и растительные организмы, природные пористые среды, технические объекты) имеют место диффузия и макроскопическое перемещение жидкости внутри объекта (гидродинамический поток, перфузия, перколяция и др.).

Целью работы является создание блока и сопутствующего ему программного обеспечения для генерации импульсов градиентного магнитного поля для изучения диффузии и коллективных движений молекул.  Блок-схема устройства представлена на рисунке 1.

Принцип работы устройства:

Оператор установки ЯМР через устройство ввода (ПК) задает на микроконтроллер «Atmel» необходимые для эксперимента длительность, задержку и амплитуду импульсов. Управляющий сигнал, синхронизируемый с программируемым ВЧ-усилителем позволяет точно задать времена формирования ВЧ импульсов и синхронизированных с ними импульсов градиента (рис 2). Опираясь на эти данные, микроконтроллер посылает импульс на токовый ключ, выполненный по схеме Таннера [1] c заменой планарных транзисторов на современные полевые.

Рис.1. Блок-схема импульсного градиента магнитного поля

Формирование импульса магнитного поля осуществляется за счет разряда блока конденсаторов (для прецизионного формирования  переднего фронта импульса) и включенного параллельно им аккумулятора. Импульс проходит в катушки, образуется градиент магнитного поля, после чего ключ закрывается, и микроконтроллер генерирует импульс на измерительное устройство для начала регистрации сигналов ЯМР. Предварительный импульс тока с упреждением t0 от первого ВЧ импульса (рис.2) необходим для исключения разницы амплитуд 2-го и 3-го импульсов градиента за счёт наведённых токов в полюсных наконечниках. Параллельно градиентным катушкам включается цепочка из диода и стабилитрона, которая предохраняет транзисторы от броска высокого напряжения, происходящего после закрытия ключа.

Далее информация выводится на монитор или самописец (устройство вывода).

Рис. 2.Схема формирования импульсов градиента магнитного поля

Блок был смонтирован в опытный образец ЯМР-релаксометра «Протон 20», производства гомельского радиозавода. Калибровку градиентных катушек осуществляли по образцу с известным коэффициентом самодиффузии. Использовали обезвоженное трансформаторное масло, для которого D = 2,65×10-9 м×с-2 при 20ОС. Измеряли амплитуду А(G) сигнала ядерного спинового эта в классической ВЧ последовательности (90О-180О-эхо) при включении двух градиентных импульсов по отношению к амплитуде A(0) без градиента. Как известно, диффузионное затухание амплитуды эха зависит от квадрата величины градиента магнитного поля  G [2]:

A(t) = A0exp{- 2D G 2d2(D-d/3)} ,                         (1)

где g -гиромагнитное отношение диффундирующих ядер, D –коэффициент самодиффузии, G –амплитуда, d -длительность импульсов градиента,  D-интервал между ними..

Рис.3.Зависимость относительной амплитуды сигнала эха

от квадрата силы тока в градиентных катушках

График зависимости отношения А(G)/A(0) от квадрата силы тока в градиентных катушках в полулогарифмической системе координат с высокой точностью описывается прямой линией (рис.4). Приравняв показатель экспоненты из (1) к наклону наилучшей прямой, проведённой через экспериментальные точки, можно вычислить величину градиента магнитного поля при заданном токе I. В нашем случае ток 25А обеспечивал получение градиента магнитного поля 2,94 Тл/м. 

1.Tanner J.E. Rev.Sci.Instr., 1965, 36, 1086;

2.Фаррар Т., Беккер Э. Импульсная и фурье-спектроскопия ЯМР, М., Мир, 1973, 164 с.