Развитие методов ЯМР в слабых магнитных полях для исследования жидких систем

Изучены особенности магнитного резонанса в магнитном поле Земли с целью выяснения некоторых недостаточно исследованных аспектов физики этого явления, а также для разработки новых приложений низкочастотного ЯМР. В 2013 г. выполнялась модернизация электронной части и программного обеспечения имеющегося в лаборатории ЯМР-спектрометра в магнитном поле Земли для расширения возможностей и реализации гибкого управления структурой экспериментов, в том числе выполнены разработка и изготовление помехоустойчивого датчика сигналов ЯМР. Усовершенствования аппаратуры произведены на современной элементной основе. Оказана помощь турецкой стороне в настройке аналогичного прибора (турецкими коллегами получены первые сигналы ЯМР в земном поле). Создана основа базы данных о спектральных и релаксационных характеристиках ЯМР в магнитном поле Земли для различных веществ по литературным данным. Выполнены теоретическое обоснование и определение условий предполяризации спиновой системы с помощью вспомогательного переменного низкочастотного магнитного поля, и произведена экспериментальная проверка идеи. Указанный методический подход является новым. Есть основания получить более высокие степени поляризации ядер с использованием разработанных в этом проекте идей. Основной задачей проекта является детальное изучение особенностей магнитного резонанса (ЯМР) в магнитном поле Земли с целью выяснения некоторых недостаточно изученных аспектов этого явления, а также разработки новых приложений низкочастотного ЯМР. Выполнено теоретическое обоснование и получено экспериментальное подтверждение возможности преполяризации спиновой системы с помощью вспомогательного низкочастотного переменного магнитного поля. При реализации адиабатичности изменения суммарного магнитного поля, действующего на образец, метод позволяет достичь большей намагниченности при уменьшении длительности переходного процесса в приемном тракте во время выключения преполяризации. Проведена модернизация электронной части и программного обеспечения имеющегося в СПбГУ ЯМР-спектрометра в магнитном поле Земли. Создан вариант прибора, работающего в условиях обычной лаборатории. Предложены новые способы нейтрализации (подавления) сильной линии в спектре ЯМР для улучшения регистрации слабых линий. Это актуально при получении спектров органических молекул в очень слабых магнитных полях (например, в поле Земли), когда интенсивность сателлитов в спектре пропорциональна естественному содержанию изотопа ¹³С (1%) и необходимо многократное накопление сигналов. Рассмотрены условия регистрации сигналов ЯМР в замкнутых диамагнитных металлических контейнерах, что важно для контроля жидкостей при досмотре, если откупоривание контейнера по каким-либо причинам нежелательно или невозможно. Рассчитано влияние металлической оболочки на структуру переменных магнитных полей в пределах образца и на добротность приёмного радиочастотного контура. Экспериментально получены сигналы от протонов воды в алюминиевых банках в магнитном поле Земли на частоте около 2 кГц (это становится принципиально невозможным при частотах более 10 - 20 кГц). Магнитное поле Земли подвержено естественным флуктуациям и вариациям из-за техногенных причин. Этот эффект приводит к «блужданиям» резонансной частоты и затрудняет (а иногда делает невозможным) получение спектров в условиях накопления сигналов. Предложенные ранее методы нейтрализации этих эффектов имеют существенные недостатки. Предложено применить способ со вспомогательным (опорным) датчиком сигналов ЯМР. Первоначально способ был предложен одним из исполнителей проекта для других целей (при ЯМР-каротаже скважин). Для реализации способа разработана и испытана специальная компьютерная программа. Создана основа базы данных о спектральных и релаксационных характеристиках ЯМР в магнитном поле Земли для различных веществ по литературным данным.