автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Разработка методов и средств измерений для исследования параметров источников магнитных полей ЯМР-томографов

. РГ5 и«

- п АП? 1303

САЖ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ " ТЕХНИЧЕСКИМ УНИВЕРСИТЕТ

»

» На правах руке,лися

ГАДЖ5ЕВ ШАФАЯТ ХАЛИЛ оглн

УДК 681.2.681.586.7

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРИШИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ. ИСТОЧНИКОВ .МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ МР-ТШОГРАКВ

-05.11.05 - Прибора и метода измерения

электрических и магнитам величин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации яа соискание ученой' степени кандидата техгатеских наук

Сашст-П? те рсу р г - -

Гаоота • .выполнена на кафедре "Шформационно-иамеритольная техника" Санкт-Петербургского Государственного Технического. Университета. -

' Научный руководитель: кандидат технических наук, ведущий

научный сотрудник с.А. Спектор.

I - "

официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

*

А.И. Жерновой,

кандидат технических наук, с.н.с. О.Н.Нагорный.

Ведущая организация: ИПО"',ВНИШ" им. Д.И. Менделеева. ■

Защита состоится "¿9" ОУУЪк&ЛлР 1993 г. в__часов на

заседании специализированного совета

при Санкт-Петербургском. Государственном Техническом Университете по адресу: 1Э5251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29, главное зданиа, ауд. _.

С диссертацией ыожно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан "РС" , 1Э9*Гг.

Учйиый секретарь специализированного совета В.Д.'Мазкн.

времени <РБ);

г - определение оптимальных параметров импульсов возбуждения в зависимости от ЯМР-характеристик спиновой системы образца;

- экспериментальное исследование топогрэфт магнитного поля в рабочем объема модели ШЛ ЯМР-ашографов;

- исследование влияний флуктуация магнитного поля на сигнала свободной индукции (ОСИ):

- экспериментальное исследование и определение метрологических характеристик импульсного тесламетра-градиентометра ЯМР.

Метода исследования. В работа использовались элементы доййреждазльиого и интегрального исчислений. Экспериментальные исследования проводились по методикам, разработанными автором.

Научная новизна. Научная новизна полученных результатов заключается о том, что:

- впервые предложено для исследования параметров ИМП использовать, импульсный метод ЯМР IB, который ранее для этих целей не применялся;

- предложен, теоретически обосновал и разработан импульсный тесламвтр-градаентоштр ЯМР на основе метода РВ, ооеслечиваявдй более васокую точность измерения , разрешающую способоность я чувствительность по сравнению со СИ, основанными на стационарных ЯМР методах измерений;

- предложено аналитическое описание фэрми сигнала ЯМР импульсного тесламогра-прздленгометра и теоретически обоснованы критерии выбора оптимальных параметров рекима ого работы;

- на оснований теоретических исследований влияния флуктуация исследуемого магнитного поля на ОСИ дайн рекомендации па уменьшений,влияния этих флуктуация; •

- экспериментально исследовано влияние концентрации рэоочих вешеств. дпттаков ЯМР на ашштуду ССИ;

- предложен импульсный метод измерения градиента модуля магнитной индукции с одновременным использованием двух датчиков ЯМР;-

- разработана методика проведения исследований топографии магнитного шля в рабочем объема ИШ ЯМР-томографов и выработаны ракомапдагош по измерению параметров этих источников с наиболее высокой точностью.

Практической значение работа заключается в том, что:

1. Результаты проведенных исследований положены в основу создания импульсных тесламетров-градиентометров &МР, используемых в ШИШ "БЕГА" и в СП6ВД0 "Электроавтоматика" для измерения параметров ШП ШР-томогра$ов.

2. Создан . и внедрен в4 практику магнитных измерений импульсный тесламетр-градиентометр ЯМР на основе метода РВ, которий позволяет проводить измерения магнитной индукции в диапазоне (0,01 - 1,0) Тл с погрешностью не хуже 5-10~ь (при. неоднородности исследуемого магнитного поля в объема образца нэ хука 5'КГ3 %/сы) и градиента магиитиой индукции.в диапазоне (.10"4 - Ю"3) 1/см с погрешностью (5 - 10)%.

8. Разработана и внедрена в практику методика проведения исследовать! топографии магнитного поля в рабочем объеме ИМИ ШР-тсмографов и выработали рекомендации по измерению парамотров этих' источников с наиболее высокой точность».

Результата работ выполнены при непосредственном участие актера и внедрены в М1МИП "ВЕГА" (г.Москва) и ' СПбНПО "Электроавтоматика" (Санкт -Петербург).

Апробация работы. Основгаю иоложешш диссертации и отдельные' ее результаты обсуждалась на 1 Всесоюзной научно-технической конференции "Методология*измерений" Лешшгрчд, 19Э1г.; X Все-сембпой конференции по ностояшшм магнитам, Суздаль, 1991 г.; Рсессиснов научно--техни ¡чекой конференции "Автоматизация

измерений й контроль в электронной нрошилаююсти" Ленингрзд, .1991 г.

Публикации, По теме диссертации опубликована 5 печатных работ.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Обшй объем диссертации 197 стр., в том числе 133 стр. машинописного текста, 43 рис. на 34 стр., содержащий 107 наименований, приложения (акт внедрения результатов диссертационной работы и результата экспериментальных исследований параметров моделей ИШ1 ЯМР-томографов) на 20 стр.

ОСНОВНЫЕ ГШОЖШ'Д, ШНССИШЕ НА ЗАЩИТУ

1. Принципы построения СИ параметров магнитного поля и рабочем объеме ИШ ЯМР-томографа.

2. Результата исследований моделей КШ ЯМР-томогрг-фов с помощь» созданного импульсного тесламзтра-градиентометра ЯМР.

3. Методы уменьшения влияния (^пуктуаций псслэдуамог о магнитного поля на ССИ.

4. Результата исследований рабочих веществ для датчиков ЯМР.

5. Способы повышения чувствительности импульсного тэсламетра-грзда?нгом9тра ЯМР.

6. Результаты экспериментальных исследований импульсного тэслзметра-грзднентометра ЯМР.

основное соттт работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована эе цель. В соответствии со структурой дйсеортват

5

кратко изложено ее содержание, сформулирована научная новизна полученных результатов, показано их практическое значение, представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена классификации и аналитическому обзору методов и СИ для исследования параметров ИШ1; их оценки с точки зрения пригодности для изучения топографии магнитного поля в рабочем объема ШП в среднем диапазоне измерения (0,01 - 2,5) 1л, в частности, для исследования НМЛ ЯМР-томографов. -

Определение картины магнитного поля, необходимое при разработке и настройко как источника постоянного, так и градиентных полая ЯМР-томографа, а также в ряда других случаев требует измерения значений индукции в люСой точке интересующего объеме поля с погрешностью не хука Ю"5. Такая точность измерения может сыть .достигнута .лишь с применением СИ, основанных на явлении ЯМР.

Однако, существующие в настоящее время СИ промышленного выпуска нэ позволяют определять малда изменения магнитной индукции (1 - Ю) мкТл при уровне поля порядка (0,1 - 0,5)Тл. Серийные тесламэтры ЯМР и Холла, изготавливаемые в нашей стране и за рубежом (Ш-9, Ш1-1, Ш1-10 и др.) могут обеспечить определение однородности магнитного поля при "его значении не менее Ю^Тл/см, поскольку погрешность и чувствительность этих приборов находится на уровне Ю-4. В связи с указанным выше обстоятельством, возникает необходимость разработки и применения для этих целей специализированных СИ.

Основными требованиями, предъявляемыми к СИ параметров ШП ЯМР-томографов, являются:

I

1. Диапазон измерения мвгнитной индукции (0,01 - 2,5) Тл.

2. Погрешность измерения магнитной индукции должна Сыть не б '

хуже, чем 0,001 %, при неоднородности исследуемого магнитного

'поля не более О,Olí на см в объеме образца датчика.

3. Погрешность измерения градиента должна быть не хуке, чем (б,- 10)«.

4. Порог чувствительности при уровне поля (0,01 - 2,5) Тл должен быть не хуже (I - 10) мкТл.

5. Длина измерительного кабеля должна быть не менее 3 метров.

Анализ4 известных методов измерения магнитной индукция и градиента магнитной индукции показал: задача, связанная с исследованием топографии магнитного поля в рабочем объеме ИМИ ЯМР-томографэ может быть успешно решена лишь с применением СИ, физический пришит действия которых основан на явлении ЯМР. Промышленные Сй, основанные на этом методе, обладают некоторыми существенными недостатками, которые не позволяют использовать их достоинства в полной мере. К этим недостаткам следует отнести:

- нестабильность частоты автодина прибора в процессе измерения;

- недостаточное пространственное разрешение датчика;

- ограниченная длина измерительного кабеля датчика ,5 м).

Для решения поставленной задачи наиболее целесообразно

использовать импульсный метод ЯМР РВ, который ранее для этих целей не применялся. Этот метод дает возможность одновременно проводить измерения как абсолютного значения магнитной индукции, так и градиента модуля магнитной индукции.

Теоретические исследования импульсного метода ЯМР FB показали, что на его основе можно создавать СИ, которые позволят проводить' измерения високоодаородных магнитных полей по точности на порядок выше, чем СИ, основанные на стационарных ЯМР методах.

Вторая глава посвящена вопросам теории импульсных ЯМР штсдов измерений. В магнитометрии ЯМР для измерения индукции постоянного магнитного поля используются СИ,' основанные на стационарных или импульсных методах измерений. В отличии от стационарных методов измерений в импульсных методах на образец с веществом, который помещен в постоянное магнитное поле с индукцией В , подаются кратковременные импульсу, заполненные высокой (резонансной) частотой, а наблюдение за поведением системы ядерных спинов производится после выключения ВЧ-поля. Во многих случаях импульсные метода обладают значительно более высокой эффективностью по сравнению со стационарными методами, позволяют весьма существенно сокращать время измерений, повышать отношение сигнал/шум или решать такиэ измерительные задачи, которые трудно решать с помощью стационарных методов.

В соответствии с характером поведения спиновой системы при импульсном "воздействии, определяемым соотношениями между параметрами режима возбуждения и ЯМР характеристиками образца, импульсные методы делятся на две группы. К первой группе относятся квазиимп.ульсша метода ), в которой

поведение спиновой системы близко к поведению при непрерывном возбуждении. , Основная часть импульсных методов относится ко второй группе, которая отличается от первой целенаправленным использованием переходных процессов в спиновой системе, возникающих под воздействием определенной импульсной последовательности'. Это дает возможность получить информацию (отклик от спиновой системы), недоступную при использовании стационарных методов, но требует, кок правило, привлечения компьютера для генерации сложных последоватольностей импульсов и для проведения необходимой математической обработки сигнала ЯМР.

До настоящего времени импульсные методы ЯМР применялись в

а

наиоолоа целесообразно в качества рабочих вэцеств для датчиков ЯМР использовать расттры Й604 и СгО!^ с концентрациями соответственно равными 0,1 М и 0,01 М.

На основашш результатов проведете« исследования моделей 1Ш для' ЯМР-томографов даны рекомендации по улучшению однородности в рабочих объемах этих моделей.

Вывода.

В результате проЕеденннх теоретических и эксперимент алышх .исследований в диссертационной работе решен ряд конкретных задач и обоснованы следуодие выводи и предложения:

1. Проваден аналитический обзор и'систематизация методов и СИ индукции и градиента магнитного поля, выявлены их основные достоинства и недостатки, проанализирована пригодность для использования в изучении топографии магнитного поля в рабочем объеме ИМП ЯМР-томогра-{я. Епервие для исследовании параметров Еисокооднородшх ИМП предложен импульешй метод ЯМР РВ, определены треоовшгая к техническим'и метрологическим .характеристикам вновь создаваемого СИ.

2. предложен, теоретически обоснован и разработан импульсный теслэметр-градиентсметр ЯМР нэ основе метода Гй. Получено аналитическое описание форм» сигнала ЛМР и дат) критерии выбора

"оптималышх режиюв рвеотч прибора.

3. Проведено теоретическое исследование влияния флуктуация исследуемого магнитного ноля нэ ОСИ. Даш рекомендащш по уменьшению влияют этих «1У1укгуащл?.

4. Из оснобшпш экспериментальных Исследований влияния кск!кч!трч![и1т рабочих Ь'иистз датчиков ЯМР иа амплитуду ОСИ получмш оптимчл-ниг концентрации 0,1 М и 0,01 М дм СцЗО^ и

О '

СгС1э соответственно. . '

5. Проведен теоретический анализ отношения сигнал/шум, которого можно достичь с помощью импульсного метода ЯМР, по сравнения с методом однократного медленного прохождения. Показано преимущество импульсных методов ЯМР измерений индукции и градиента магнитного поля по сравнению со стационарными ЯМР методами измерений.

6. На основании теоретических исследований показаны пути повышения'отношения сигнал/шум импульсного тесламетра-градиэн-тометра ЯМР. '

7. На основании результатов теоретического исследования предложена и разработана конструкция датчика с однокатушечной цепью возбуждения. Показана возможность настройки такого датчика с .помощью измерительного моста.

8. Проведены впервые измерения градиента магнитной индукции с помощью импульсного метода ЯМР РВ с использованием одновременно двух датчиков ЯЫР. Показана ограничения верхнего и нижнего пределов измерений.

9. Рвзработана методика проведения исследований топографии магнитного поля в рабочем объеме Ш1 ЯМР-томографов и выработана рекомендации по измерению параметров этих источников с наиболее высокой точностью,

10. В результате выполненной работы создан импульсный тесладатр-гряднонтометр ЯМР т основе метода РВ, обеспечивэмшй более высокие: точность измерения, разрошаодув способность й чувствительность по сравнении с серийными ЯМР-тесламетраки, основанными на'стационарных ЯМР методах измерений. Прибор внедрен В практику и используется для измерения параметров ЯМР-томо1-рпфой, что подтвзрвдаотся прмэгаоиам актом внедрения..

Основное содержите диссертации- опубликовано в следуядих

работах:

1. Спектор O.A., Зайцев В.И, Гаджиев Ш.Х. Микропроцессорная информационно-измерительная система для измерения параметров Магнитки полой датчиками Холла. - В кн.: Датчики автоматических систем. - Омск. - 1985. - с.29-32.

2. Гаджиев Ш.Х. Анализ методов измерений параметров неоднородного магнитного поля. //Тез. дохл I ВсесоызноЯ конф. "Методология измерений" - JI. :1931.-с.171.

3. Спектор С.А., Гаджиев Ш.Х. Импульсный тесламетр-градиентометр на основе ядерного магнитного резонанса.-Электронная техника. Сер. Управление качоством, стандартизация, метрология, испытания,- М.:ЩШ "Электроника", 1991, вып. б (147).-с.31.

4. Спектор С.А., Гаджиев Ш.Х. Примененио постоянных магнитов в качестве источника магнитного поля томографа ЯМР и ср^дстна измерения магнитных параметров таких систем.// Тез. докл. Всесоюзная конференция по постоянным магнитом.- Суздаль: I9SI.-c.l77.

5. Гададев Ш.Х. КомплвкпкрованшЯ датчик импульсного . ЯМР-тесляметра.// Бизнес н творчество. Материалы краткосрочного семинара 20-21 октября.- 0.-11еторбург:1992.-с.61.