Способ получения сигналов кинематического спинового эха во внешнем неоднородном магнитном поле

 

ОП ИСАНИ Е

ИЗОБРЕТЕН Ия

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Соаетскмк

Соцмапмстичвскмл

Распубпмк (i1) Gl8712 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51) М, Кле

О 01 H 27/78 (22) Заявлено 08.07.74 (21) 2042930/26-25 с присоединением заявки №

Гесударствениый квмвтет

Свввта Ивлвстров СССР

IN делам взвбретенвв я вткрытий (23) Приоритет (43) Опубликовано25.06,76,Бюллетень _#_e 23 (46) Дата опубликования описания 06.07.76 (53) УДМ539.143,43; 538 69 083 2 (088,8) (72) Автор изобрегения

П. М, Бородин

Ленинградский ордена Ленина и ордена Трудового

Знамени государственный университет им. А, А. Ж (71) Заявитель цилиндрической катушки в магнитном поле

Земли. Сдвиг фазы высокочастотной ком;. поненты этого сигнала йЧ используют для измерения скорости течения жидкости в

g !соответствие с формулой и

МТ >, (1) где g - гидромагнитное отношение прецеосирующих ядер, 10 G - линейный градиент магиитйого по ля вдоль направления скорости течения жидкости, т.е. вдсаь оси катушки OX С вЂ” время, через которое включают

180-градусный восстанавливающий радио

И частотный импульс (или изменяют направ ление градиента).

Градиент 6 создают при помощи .специальной катушки с током, Предваритела ную поляризацию осуществляют по методу

QQ Паккарда-Вариана при помощи однородного ,поляризующего магнитного поля, соэдаваемо1

:ro внутри катушки датчика ЯМР.

Однако известный способ позволяет поЯ5 лучить сигналы спинового эха лишь в жид(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИГHAJIOB

КИНЕМАТИЧЕСКОГО СПИНОВОГО ЭХА

ВО ВНЕШНЕМ НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

1 2

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 аха могут Сыть„ в частности, использованы для измерения времен ядерной магнитной релаксации дви..Ужущейся жидкости, а следовательно, и для изучения ее физико-химических свойств, для измерения скорости течения(н расхода жидкости, в .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, кинематущяфцо о спинового аха, заключаю.щиеся в предварительной, поляризации жид) кости алектромагнитным полем и soapeR ствии на нее 180-градусным восстанавли.вающим радиочастотным импульсом, В известном способе (прототипе) наблю дают сигнал классического спинового аха ядер жидкости, движущейся внутри большой

518712 4

Вн и катушки .(с и у . С Х (координатная система Х У 2. свякости, которая протекает в утр у к м ЯМР начало координат ь тво or аничн эана с датчиком датчика ЯМР. Это обстоятель=тв р итси в лобовой части датчика, а ось вает возможность пр ть п именения способа для находится в л ово част име изме ря- О проходит че практических целей. Так, напр х кат ек) H - внешнее магиг фазы. Ь Р сигналов спиноI и ости внут- нитное поле, вого эха скорость течения ж дк - ут2 иведена зависимость ампли ег а б дет ото ри катушки датчика ЯМР все д у

Я сигнала ЯМР от времени, отличаться от скорост и течения жидкости в .туды Я сигнала отличие трудно, с читывае мог го с момента начала свободной свободном потоке и это отличие ру прецессии ядер контр т олируемой жидкости, сит от вязкости жидкости, скорости течения, состояния поверхности трубы и ее убы и ее эасоря- индуцируемый в катушке I (укорочен за мости и .). Кроме того, как видно из счет движения жидкости), 3 - сигнал

КСЭ индуцируемый в катушке в случае од,. (1) с шествует линейная зависимость сдв

1 . зы йМ от градиента и ква

»() су драти нородного внешнего магнитного поля, С

Ъ

re фа !

6 1сигнал свободной прецессии ядер, индуцируе ная от С м а (1) связывающая параметры мь какй в катушке Ь (укорочен за счет движе

1 а (ЬЧ и 2 ) со скоростью течения идкости и действия градиента магнитсигнала (и ного поля, В - сигнал КСЭ, индуцируемый ти v справедлива лишь| дпя лиого г адиента з вдоль направления катушке Ь в случае неоднородного магЯб нитного„поля, 180 — И вЂ” 180-градусный течения (вдоль оси катушки). — в емя чеСпедовательно, для точност ости измерения Радиочастотный импульс(исэ — р с аэа нные реэ которое появляются сигналы КСЭ, необходимо стабилизировать укаэаш и а амет ы, Это, пс видимому, исключает интервал времени между началом свободно атчика прецессии ядер и моментом подачи 180и именение способа при установке датчика примене плат ме. Я градусного импульса.

С б ения сигналов КСЭ во внещ елью изоб етения является расширение посо получения нем неоднородном магнитном, поле заключа воэможностей использования спосо а. ельно попяризуют ется в следующем.

le я этого последователь ем Известно, что дпя получения сигналов неодн р д но о ным электромагнитным полем, р — 39 КСЭ используют датчики ЯМР, катушки ко идентичным по в " р с оей геометрии полю при,то ых (две или более) при пропускании чекат ки, движущейся во внешней,торых две или и ез них электрического тока создают во и кат шек датчика объем жидкости, рез н области кату о виже- внешней области неоднородное периодически затем в разных местах по ходу его движесным: адно симметричное магнитное поле. ния воздействуют 180-градусным:р

Если, например, в датчике по, ЯМР испопь- частотным;импульсом через время1 С, оп- N зуются две идентичные по своим геометри ческим и электрическим параметрам катуш С - L (2.v) ки I и Ь, конфигурация магнитных полей где Ь - расстояние между попяризуюшей которых и обр эоб ажена на фиг. 1, тогда: сигф налы КСЭ получают следующим образом. и приемной катушками, - скорость движения жидкости отно- При пропускании через поляризуюшую сительно датчика, через вре

ЯмР емя 2 C. катушку Ь1 постоянного тока создается после начала свободной прецессии ядер кон- ориентац р т ия векто ов ядерной намагничентропируемой жидкости регистрируют сиг- ности М элемен в то объема и Ч образца нап кинематического спинового эха (КСЭ). 45 .вдоль силовых линий магнитного поля .

Изоб етение пояснено чертежами. Если затем неад ем неа иабатически быстро выклю з ре

На фиг. 1 приведена схема магнитных чить поляризуюшее поле Н11, т

К то вектора полей катушек датчика ЯМР H, где M начнут свободно прецессировать вокруг..

1 .Ю попяриз юшее поле, создаваемое катушкой направпе ения внешнего однородного магнитЬ вЂ” магнитное поле вдоль оси,: при- 46 ного поля Н, Н с частотой tN = тН ° На емкой катушки Ь, создаваемое всеми чапьные же фаэ р фазы и ецессий(. отдельньй

1 — -е». кто ов М б дут определяться ориентацимагнитными диполями ядер Ф. контролиру векторов ° у у пр

r емой жидкости (пунктирными кривыми по- ей послед иХ, д н за анной полем (поле

2l казаны силовые линии ма нитного поля ка- можно выключать "медленно, а поворот ( тушки L Н вЂ” составпяюшая поля, созз-Ьб векторов М ° в плоскость Х У можно сде

Й b пать при помощи 90-градусного импульса даваемого катушкой npv пропускании . через нее -граду . р

180-г адусного радиочастотного тока, поданного в кат к Ь сразу после иза ии . В этот на: тока 6 и с - расстояния меж- выключения тока попяризаци ). импульса . тока, и - а и юшие компоненжу осями катушек, 7 т, -- — скорость движения чальный момент осциллирую жидкости относительно датчика вдапь

ЯМР Ю ты прецессируюших векторов М1, касатель

51871

Q (X У ъ у 4 cons t,, 45 между осяные к магнитным силовым линиям катушки L< (М ° ), будут изменяться синфаэ1 но, и создаваемый ими в катушке L nep менный магнитный поток будет максимальный. ,Перемещение элементов объема образца

I . Я, приводящее к изменению угла меж ду касательной к силовой линии катушки L<

1 в точке нахождения 6V и плоскостью

, вызывает иэмененйе фазы осцилляции

Я во времени, (д (t) -4- о . ). (. а

Этй изменения даже в случае равномерного. движения образца относительно датчика ЯМР будут происходить с разной скоростью у объемов жидкости 6V<, движущихся на разном удалении от оси ОХ, и вызывать разные расстройки < . частот осцилляций ъюl компонентов

Возникающая в результате. этого дисперсия расстроек сии будет увеличиваться при движении жидкости на участке пути 6<, а затем на участке 1 - уменьшаться (в случае равномерного движения образца

1 «8). Она достигнет своей минимальной величины (д Ю 0 ), когда каждый hV переместится по траектории, параллельной

I средней плоскости датчика ОХ, на расстояние 2 6. При этом в катушке Ъ суммарный магнитный поток от синфаэно осциллируюших компонентов И :, достигнет; максимальной величины и в ней будет индуцироваться сигнал кинематического спинового эха.

При дальнейшем движении V< вдоль дат чика снова появится Юа и сигнал КСЭ исчезнет (возникновению сигнала КСЭ в данном случае будет способствовать и перенос ,неоднородно намагниченного по модулю

1М " образца, хотя влияние этого фактора носит менее резонансный характер).

Время возникновения сигнала. КСЭ после начала свободной прецессии в однородном внешнем магнитном поле Н при V= c.onSt, определяется:,по формуле

ИСЭ

I гд — расстояние Х Х ™

Если же свободная прецессия элементар ных ядерных намагниченностей М . будет происходить в неоднородном внешнем магнитном поле Н Жу ь ) - Н + 8Н(х у ь ), то условия возникновения сигнала КС Э 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 расфазируюшее воздействие на М ° может быть обра2.

6 шено при помощи 180-градусного радио,частотного импульса, подаваемого через время 7 после начала свободной прецессии ядер. Тогда, как известно, через время 2. С поперечная компонента Я прецессируюшего вектора ядерной намагнйченности М, исчезнувшая эа счет действия ЬН, восстановителя.

В рассматриваемом случае воздействие на движущийся образец 180-градусным радиочастотным импульсом следует.осушест влять при помощи катушки I., геометрия магнитного поля которой такая же, как у катушек 1. и L

Если катушка 7, расположена ровно по середине между катушками 1 и L тогда в случае равномерного движения:VcOhSt 2 дпя восстановления поперечной компо, ненты М1 в момент возникновения сигналов КСЭ 180-градусный радиочастстный импульс тока в катушку L необходимо подать в момент времени, :, (ч) . (2)

Формула (2) выражает условие получения сигналов КСЭ в неоднородном магнитном поле с Йй ейной неоднородностью Н (или с постоянным градиентом (Ст (Х У K )

«comt) lips v«const. Оно справедливо TBKже и дпя некоторых нелинейных неоднородностейоИ в области эффективного действия катушек датчика, т.е. тогда, когда в этой области

Необходимо лишь, чтобы эти нелинейные

ЗН обусловливали одинаковые расстройки

ЬЮ. при движении b как на участке пути

i так и íà 8 в каждой струе потока. 1

При этом 6 и 3 могут быть и неодина.1 ковыми, т.е. С может отличаться от С

П Ьстеййшими иэ этих неоднородностей являр ются, например, такие, у которых б сопф.на траектории движения каждого aV но Ст для разных траекторий неДt х одинаковы, В этом поле с простейшей нелинейной неоднородностью Г С и, сле»

„,, е,=е,, Неоднородности магнитного поля SH указанных выше типов могут создаваться искусственно (например при помощи двух проводников с током) или использоваться естественные ЮН в месте расположения катушек датчика ЯМР, В последнем случае они могут быть сделаны, например, линейными при помоши компенсаторов неоднородности поля.

Для получения серии сигналов КСЭ (подобно "серйи сигналов спинового эха в методе Карра-Парселла) используют несколько lIQp катушек, расположенных в один ряд, 7 5187 которые служат как дпя поляризации кш»тролируемой жидкости, так н лпя получения сигналов КСЭ. Если это необходимо делать в неоднородном внешнем магнитном поле, то катушки восстанавпиваюцц»хся

1 80-градусных радиочастотных I импульс оь должны располагаться между двумя катушками в каждой парве

8 оэл»ожность получения cr»rr»sr»os КСЭ при установе датчика HNP,4 местах с большими естественными неоднородностями ма» нитного поля, в которых сигнал свободной прецессии ядер быстро затухает, суивствев но расширяет возможн»сти использования

Метода ЯМР в движу»цнхся относительно братчика средах, Так, например, можно из мерять скорость течения и расход жидкостей, вблизи желе зобетоюи»х конструкций гидросооружений или недалеко er стальных труб, измерять скорость движения судна относи/ тельно воды нли исследовать интенсивность ,турбулентного1 движения в водоеме при ус1тановке датчика вблизи борта двнжушегося судна и т.rr, Формула изобретения

ФЬ

Способ получения сигнапов кинематичес:кого спинового эха во внешнем неоднороа нем магнитном поле, закпючаюшийса в пред. варительной поляризации жидкости эпектро магнитным полем, поляриэуюшей катушки датчика ЯМР, воздействии на нее 180-ере

4 дусным восстанавливающим радиочастотным импульсол» и регистрации сигнала спннового эха приемной катушкой датчика ЯМР, о тл к ч а в ш и и с я тем, что, с целью расширения возможно». ти,использования способа, последовательно попяриэуют неоднородным электромагнитным полем, «ues» тич;кым по своей геометрии полю приемной катушки, движущейся1 во внешней области катушек датчика обьем1 жидкости, затем,в разных местах по ходу его движения воздействуют 180-градусным радиочастотным импупьсом через время, определяемое ю формуле

-1 ю Q 9М) р г»а Ь - расстояние между поляризую»ней и приемной катушками, - скорость движения жидкости отно сительно. датчика ЯМР, я через время P. Ñ после начала свободной прецессии ядер кон тропируемой жидкости регистрируют сигнал кинематического спинового эха.

518712

Составитель В. Филиппов

Редактор М. Аппель Техред H. Анндрейчук Корректор. й. Мельниченко

Заказ 2688/285 Тираж 1029 П одпис кое

UHHHHH Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113935, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4