Измерение намагниченности магнитной жидкости методом ЯМР с использованием одной измерительной катушки

В работе предложен метод ЯМР с одной измерительной катушкой, в котором отсутствует систематическая погрешность измерений, вызванная неоднородностью внешнего магнитного поля.

В методе с двумя измерительными катушками [1] исследуемая магнитная жидкость помещается в два диэлектрических немагнитных цилиндрических контейнера, устанавливаемых параллельно друг другу во внешнем магнитном поле магнита, направленном перпендикулярно осям контейнеров и плоскости, проходящей через их оси. Вблизи боковых поверхностей контейнеров расположены две радиочастотные катушки для измерения магнитного поля методом ЯМР. У поверхности одного из цилиндров, где внешнее магнитное поле входит в контейнер, расположена измерительная катушка 1 ЯМР, а между контейнерами, где внешнее магнитное поле проходит по касательной к их поверхностям, расположена измерительная катушка 2 ЯМР. Принцип определения намагниченности магнитной жидкости основан на том, что резонансная частота f ₁ в катушке 1 пропорциональна индукции магнитного поля В в магнитной жидкости, а резонансная частота f 2 в катушке 2 пропорциональна напряженности магнитного поля Н в магнитной жидкости. По различию частот f 1 и f 2 можно определять намагниченность М = ( В / µ о – Н ) = = ( f 1 – f 2 ) / ϒ , где ϒ = 53.4 (кГц·м/А) — гиромагнитное отношение протонов, µ о = 4π·10^–7 (Гн/м) — магнитная постоянная.

ОПИСАНИЕ МЕТОДА ЯМР С ОДНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ КАТУШКОЙ

Недостаток метода ЯМР с двумя измерительными катушками в том, что намагниченность определяется по разности частот f 1 и f 2 , измеряемых в разных участках магнитного поля магнита, которая зависит не только от намагниченности, но и от разности магнитных полей магнита в местах измерения частот f ₁ и f ₂. Для того, чтобы избежать этого недостатка, нужно, чтобы частоты f 1 и f 2 измерялись в одной точке внешнего магнитного поля. Ниже описан датчик, позволяющий измерять частоты f 1 и f 2 в одной точке внешнего магнитного поля [ 2].

Измерение намагниченности М с поворотом образца

Измерение намагниченности М магнитной жидкости методом ЯМР основано на том, что если в магнетике имеется щель, расположенная нормально линиям магнитной индукции, то в ней магнитная индукция В ₁ = µ _о ( Н + М ), а если щель расположена параллельно линиям магнитной индукции, то в ней магнитная индукция В ₂ = µ _о Н . Напряженность магнитного поля в щели Н = = Н о – k · М , где k — коэффициент размагничивания образца, зависящий от его формы и ориентации, а Н _о — напряженность создаваемого магнитом внешнего магнитного поля. Для измерения В ₁ и В ₂ одним датчиком ЯМР можно использовать образец магнетика с одной щелью, расположенной в его центре. Поставив катушку датчика ЯМР

Рис. 1. Схема установки для измерения намагниченности магнитной жидкости с поворотом образца.

1 — водяной насос, 2 — кювета поляризатора, 3 — магнит поляризатора, 4 — электромагнит чувствительного элемент, 5 — контейнер образца, 6 — щель контейнера образца, 7 — измерительная катушка (катушка нутации), 8 — трубопровод, 9 — радиочастотный генератор, 10 — магнит анализатора, 11 — катушка регистрации сигнала ЯМР, 12 — прибор для регистрации сигнала ЯМР

Рис. 2. Вид на чувствительный элемент при двух угловых положениях образца.

4 — электромагнит чувствительного элемента, 5 — контейнер образца, 6 — щель контейнера образца, 7— измерительная катушка (катушка нутации).

а — щель расположена нормально индукции, б — щель расположена параллельно индукции

в точку щели, которая не сдвигается при повороте образца магнетика на 90˚ относительно направления индукции внешнего магнитного поля, можно одной катушкой измерять и В 1 , и В 2 .

Измерение намагниченности М без поворота образца

Резонансная частота ЯМР в датчике, расположенном в центре щели, при отсутствии образца с исследуемым магнетиком f o = ϒB o / µ о , где В о — индукция внешнего магнитного поля в точке расположения датчика. После установки исследуемого образца на штатное место в поле В о в зависимости от ориентации щели резонансная частота ЯМР равна f 1 = ϒ ( В о / µ о – k·М ), если щель параллельна В о , или f 2 = ϒ ( В о / µ о + М ), если щель нормальна В о . Намагниченность можно определить по формулам М = ( f 2 – f о ) / ϒ или М = ( f 1 – f о ) / k·ϒ .

УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ ЯМР С ОДНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ КАТУШКОЙ

Методы с поворотом и без поворота образца основаны на измерении индукций магнитного поля В1 и В2 в щели внутри магнетика, когда щель ориентирована нормально (индукция поля в щели равна В1) или параллельно (индукция поля в щели равна В2) индукции внешнего магнитного поля В, в которое помещен исследуемый магнетик. Так как магнитные поля В1 и В2 могут быть неоднородными и при получении кривых намагничивания должны меняться в широком диапазоне, для их измерения применен не классический метод ЯМР с регистрацией сигнала абсорбции или индукции, а метод косвенной регистрации совпаде- ния подаваемой от генератора радиочастоты f с частотой ядерного магнитного резонанса (метод нутации). Схема установки приведена на рис. 1 и 2. Рабочая жидкость, в качестве которой использована вода, под действием помпы 1 протекает через поляризатор, представляющий собой кювету 2, расположенную между полюсами постоянного магнита 3, где приобретает протонную намагниченность J. Из поляризатора намагниченная вода поступает в первичный преобразователь (датчик), представляющий собой электромагнит 4, в межполюсном пространстве которого располагается цилиндрический образец 5 исследуемого магнетика, имеющий щель 6, в которой находится радиочастотная катушка нутации 7, через которую проходит трубка 8, траспортирующая рабочую жидкость из кюветы 2 поляризатора в магнит анализатора 10, куда рабочая жидкость поступает из катушки нутации 7 датчика. К катушке нутации 7 присоединен радиочастотный генератор 9. При совпадении его частоты с частотой ЯМР в области расположения катушки 7 в поле магнита 4, в протекающей внутри катушки 7 по трубке 8 жидкости происходит инверсия намагниченности J протонов относительно направления индукции магнитного поля магнита 4. Для регистрации инверсии намагниченности J служит анализатор, содержащий магнит 10 с однородным полем, в котором располагается радиочастотная катушка 11, присоединенная к серийному прибору 12 для регистрации сигнала ЯМР методом абсорбции. Амплитуда сигнала ЯМР на приборе 12 пропорциональна намагниченности J протонов в жидкости, вытекающей из катушки нутации 7. В результате явление ЯМР в катушке нутации 7 можно регистрировать по инверсии сигнала на выходе прибора 12. Выйдя из анализатора, рабочая жидкость через помпу 1 вновь поступает в поляризатор, где ее протонная намагниченность J восстанавливается. Для измерения одной катушкой нутации 7 индукций В1 и В2 предусмотрен поворот образца 5 на 90˚ вокруг оси катушки 7. При этом щель 6 меняет на 90˚ свою ориентацию относительно направления индукции поля электромагнита 4. Два положения образца 5, щели 6, и трубки, проходящей через катушку 7, относительно магнита 4 изображены на рис. 2 (а и б).

Измерение намагниченности магнитной жидкости методом ЯМР на установке с одной измерительной катушкой с поворотом образца

• 1.    Включается прибор 12 и на его выходе регистрируется сигнал ЯМР с амплитудой А ₁, пропорциональной протонной намагниченности J 1 в жидкости, протекающей через радиочастотную катушку 11.

• 2.    Исследуемый магнетик (магнитная жидкость

• 3.    Устанавливается требуемая магнитная индукция В о в зазоре электромагнита 4.

• 4.    Включается радиочастотный генератор 9 и подбирается его частота f 1 , при которой амплитуда сигнала ЯМР А на выходе прибора 12 уменьшается или меняет полярность. Генератор 9 выключается.

• 5.    Контейнер с образцом 5 поворачивается на 90˚ так, чтобы щель была ориентирована параллельно индукции магнитного поля электромагнита, как на рис. 2, б.

• 6.    Включается радиочастотный генератор 9 и подбирается его частота f 2 , при которой амплитуда сигнала ЯМР А на выходе прибора 12 уменьшается или меняет полярность. Генератор 7 выключается.

• 7.    Намагниченность определяется по формуле М = ( f 1 – f 2 ) / ϒ .

или порошок суперпарамагнетика) помещается в контейнер, имеющий щель 6, в которой расположена катушка нутации 7. Контейнер устанавливается в межполюсное пространство электромагнита 4 в положение, когда щель контейнера ориентирована нормально, как на рис. 1 и 2, а, индукции магнитного поля магнита 4.

Измерение намагниченности магнитной жидкости методом ЯМР на установке с одной измерительной катушкой без поворота образца

• 1.    Включается прибор 12 и на его выходе регистрируется сигнал ЯМР с амплитудой А 1 пропорциональной протонной намагниченности J 1 в жидкости, протекающей через приемную радиочастотную катушку 11.

• 2.    Устанавливается требуемая магнитная индукция В о в зазоре электромагнита 4.

• 3.    Включается радиочастотный генератор 9 и подбирается его частота f о , при которой амплитуда А сигнала ЯМР на выходе прибора 12 уменьшается или меняет полярность. Генератор 9 выключается.

• 4.    Исследуемый магнетик (магнитная жидкость или порошок суперпарамагнетика) помещается в контейнер, имеющий щель, в которой расположена катушка нутации. Контейнер устанавливается в межполюсное пространство электромагнита 4 в положение, при котором щель контейнера ориентирована параллельно индукции магнитного поля магнита.

• 5.    Включается радиочастотный генератор 9 и подбирается его частота f 1 , при которой амплитуда А сигнала ЯМР на выходе прибора 12 уменьшается или меняет полярность. Генератор 9 выключается.

• 6.    Намагниченность определяется по формуле М = ( f 0 – f 1 ) / ( k·ϒ ), где для цилиндрического контейнера k = 0.5.

ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ НАМАГНИЧЕННОСТИ

МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ ЯМР

В методе с двумя измерительными катушками основная погрешность связана с различием индукций внешнего магнитного поля в 1-й и 2-й катушках нутации. Для устранения этой систематической погрешности в формулу для намагниченности нужно подставлять не разность частот ЯМР в катушках 1 и 2, а разность изменений этих частот при заполнении контейнера магнетиком. Это затрудняет автоматизацию измерений намагниченности. В методе с одной измерительной катушкой эта погрешность, вызванная неоднородностью внешнего магнитного поля, отсутствует, поэтому основной является случайная погрешность, вызванная неточностью измерения частоты ЯМР в датчике нутации. Эта случайная погрешность пропорциональна ширине сигнала нутации и обратно пропорциональна отношению амплитуды сигнала ЯМР к шуму на выходе прибора 12. Ее можно уменьшать накоплением сигнала ЯМР.