СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО И КВАДРУПОЛЬНОГО РЕЗОНАНСОВ
METHOD AND DEVICE FOR EXCITATION AND DETECTION OF NUCLEAR MAGNETIC AND QUADRUPOLE RESONANCE

Изобретение относится к области радиоспектроскопии ядерного магнитного (ЯМР) и ядерного квадрупольного (ЯКР) резонансов. Предложена система возбуждения и детектирования ЯМР и ЯКР. Возбуждение производится посредством воздействия на объект пучком коротковолнового излучения (например, миллиметрового сверхвысокочастотного (СВЧ)), модулированного радиочастотными (РЧ) импульсами с заполнением, совпадающим с частотами ЯМР или ЯКР. Приемная катушка индуктивности может быть намотана на объект или находиться вблизи объекта. Устройство спектрометра ЯМР отличается от спектрометра ЯКР только наличием системы для создания однородного постоянного магнитного поля в области объекта [1], которая не рассматривается в заявленном техническом решении.
Существует источник информации [2], согласно которому известно использование двойного электронно-ядерного резонанса (ДЭЯР) (стр. 12) и использование спектрометра электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР) (стр. 25). Причем для ДЭЯР присуще использование СВЧ-излучения миллиметрового диапазона, которое модулируют передающим каналом с частотой ЯКР, который является разновидностью ЯМР. В ДЭЯР воздействуют резонансно как на электронную, так и на ядерную системы. В указанном аналоге исследуют влияние ядерной системы на электронную и, наоборот, электронной на ядерную только при наличии парамагнетизма.
Недостатком описанного устройства является то, что воздействие производится только на резонансных частотах (ДЯЭР, ЭПР) и только при наличии парамагнетизма.
Близким по техническому решению (прототипом) является «System and method for contraband detection using nuclear quadrupole resonance including a sheet coil and RF shielding via waveguide below cutoff» US Pat. 5592083 [3]. Устройство содержит формирователь РЧ импульсов, нагруженный на колебательный контур, в состав которого входит приемо-передающая катушка индуктивности, куда помещается исследуемый объект; приемный канал, индикатор (дисплей) и микропроцессорная система, управляющая формирователем РЧ импульсов, приемным каналом и индикатором. В устройстве мощные радиочастотные импульсы оказывают огромное негативное влияние на приемный канал, вызывая переходные процессы, сильно уменьшающие чувствительность метода.
Недостатком прототипа является то, что в нем мощные радиочастотные импульсы оказывают негативное влияние на приемную катушку и приемный канал, вызывая переходные процессы, сильно уменьшающие чувствительность метода, а также то, что воздействие производится только на резонансной частоте ЯКР, совпадающей с резонансной частотой приемного контура (антенны).
Задачей заявляемого изобретения является исключение влияния мощных радиочастотных импульсов на приемную катушку и приемный канал за счет воздействия на исследуемый объект СВЧ импульсами с частотой повторения, равной частоте ядерного резонанса, а частота заполнения импульсов находится вне ядерного резонанса.
Поставленная задача решается тем, что в способе возбуждения и детектирования ядерного магнитного и квадрупольного резонансов, заключающемся в использовании методов ядерного магнитного и квадрупольного резонансов, согласно изобретению объект облучают коротковолновым излучением (например, миллиметровым СВЧ), причем СВЧ-колебания которого, не совпадающие с каким-либо резонансом, модулируются радиочастотными импульсами, сформированными передающим каналом, с частотой заполнения, совпадающей с частотой ядерного резонанса, то есть исследуемый объект облучают порциями СВЧ-колебаний с частотой повторения, совпадающей с частотой ядерного резонанса, а сигналы, излучаемые объектом и наведенные в колебательном контуре, преобразуются приемным каналом, обрабатываются в микропроцессорном контроллере и отображаются на дисплее.
Для осуществления заявляемого способа предлагается устройство (Фиг. 1), которое содержит передающий канал 1, формирующий РЧ импульсы, резонансный колебательный контур 3, в состав которого входит катушка индуктивности, куда помещается исследуемый объект, подключенный к входу приемного канала 4, микропроцессорную систему (контроллер) 5 и индикатор (дисплей) 6, где дополнительно введен генератор СВЧ-излучения 2, колебания которого модулируется радиочастотными импульсами, сформированными передающим каналом 1. Сигнал, наведенный в катушке индуктивности колебательного контура 3, усиливается и детектируется приемным каналом 4, преобразуется в микропроцессорном контроллере 5 и отображается на индикаторе (дисплее) 6.
В заявляемом изобретении на ядерную систему воздействуют порциями СВЧ-энергии, частота колебаний которой не совпадает с каким-либо резонансом, а частота повторения порций совпадает с частотой ядерного резонанса. Другими словами, СВЧ-колебания модулируются радиочастотными импульсами, частота заполнения которых совпадает с частотой ядерного резонанса. В данном случае исследуют непосредственно реакцию ядерной системы (ядерный магнитный и квадрупольный резонансы) при взаимодействие ее с импульсным электромагнитным полем, частота СВЧ-колебаний которого находится далеко от резонанса (магнитного или квадрупольного), то есть передающая система не возбуждает переходные процессы в приемном канале на частоте ядерного резонанса. Другими словами, в заявленном решении не используются импульсы возбуждающего электромагнитного поля непосредственно на частоте ядерного резонанса.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет исключить влияние мощных радиочастотных импульсов на приемную катушку и приемный канал, уменьшить переходные процессы в колебательном контуре, что, в свою очередь, приводит к увеличению чувствительности устройства. Упрощается приемо-передающая система согласования катушек, куда помещается изучаемый объект, особенно в многочастотных экспериментах [4, 5].
В устройстве, которое обеспечивает осуществление заявляемого способа, сформированные в передающем канале 1 РЧ импульсы, частота заполнения которых определяется частотой ЯМР или ЯКР, модулируют генератор 2 коротковолнового (СВЧ) излучения. На объект, помещенный в катушку колебательного контура 3, воздействуют этим модулированным коротковолновым излучением. Сигналы ядерного резонанса, наведенные в колебательном контуре 3, поступают на вход приемного канала 4. После усиления и преобразования в приемном канале 4 сигналы поступают на вход микропроцессорного контроллера 5, который управляет, в свою очередь, передающим и приемным каналами, преобразуются в нем и отображаются на индикаторе (дисплее) 6.
Использование заявляемого изобретения позволяет повысить чувствительность систем, использующих методы ЯМР и ЯКР, например магнитно-резонансной томографии.
Источники информации
1. Т. Фаррар, Э. Беккер. Спектроскопия ЯМР высокого разрешения. Пер. с англ., т. 1-2, М., 1968-69.
2. В.Н. Седалищев. Физические основы получения информации. Ч. 3. Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении. Учебное пособие. Издательство Алт. ГТУ, 2012, с. 1-30.
3. «System and method for contraband detection using nuclear quadrupole resonance including a sheet coil and RF shielding via waveguide below cutoff» Erik E. Magnuson et al., US Pat. 5592083 Jan. 7, 1997, Quantum Magnetics, Inc., San Diego, Calif.
4. Федотов В.В., Гречишкин В.С. Методика исследования слабых сигналов двухчастотного эха в ядерном квадрупольном резонансе / Журнал физической химии АН СССР, 1979, т. 43, № 1, с. 60-62.
5. Патент №2289124 РФ, МКИ G01 22/04, G01 33/46. Способ детектирования и идентификации химических соединений / Мозжухин Г.В., Бодня А.В., Федотов В.В., заявл. 27.06.2005, опубл. 10.12.2006.