CC BY
35
УДК 621.314.7
А.Г. ДЬЯКОВ, канд. техн. наук, ХГАТП,
А.Ф. ДАНИЛЕНКО, канд. техн. наук, НТУ “ХПИ” (г. Харьков)
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ЯМР
Запропоновано і обґрунтовано підхід для автоматизованого визначення вимірювальних параметрів сигналів установки ЯМР. Автоматизація виконується з метою підвищення точності і достовірності одержуваних відповідних імпульсів при аналізі харчових продуктів. На основі аналізу вимог по точності визначена методика проведення експериментів, яка направлена на збільшення амплітуди сигналу після збудження зразка магнітним полем з великою напруженістю поля.
Offered and grounded approach on the automated determination of measuring parameters of signals for setting ßlD. Automation is executed with the purpose of increase of exactness and authenticity of the got returns impulses at the analysis of food products. On the basis of analysis of requirements on exactness the method of conducting of experiments is certain directed on the increase of amplitude of signal after excitation of standard by the magnetic field with large tension of the field.
Постановка проблемы. В настоящее время для исследования изделий и отработки технологических процессов в пищевой промышленности широко используется метод ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Для получения необходимых параметров путем экспериментального наблюдения за исследуемыми объектами используются спектрометры ЯМР с системами управления, построенными на основе компьютерных технологий [1 - 4]. Исследуемое вещество, помещаемое в ампулу, подвергается воздействию постоянного магнитного поля Н0 и результирующий вектор намагниченности M устанавливается вдоль него.
После установления больцмановского распределения населенностей уровней спиновой системы образец облучается мощным импульсом переменного электромагнитного поля Н1, частота которого v 0 должна соответствовать ларморовской прецессии ядер (установка работает на ядрах водорода)
V 0 =^-Н о, (1)
2п
где у - гиромагнитное отношение ядер спиновой системы вещества.
Под действием частоты v0 в спиновой системе начинаются энергетические переходы между различными ядерными уровнями. После прекращения действия радиоимпульса, заполненного частотой v , спиновая
система вещества самопроизвольно начинает возвращается к исходному распределению. При этом в приемной катушке импульсного спектрометра ЯМР индуцируется электрический сигнал, пропорциональный ядерной
намагниченности. Зарегистрировав и обработав данный сигнал можно сделать заключение о структуре и свойствах исследуемого вещества.
Актуальность. Воздействие электромагнитного поля И1, направление которого перпендикулярно полю И , приводит к тому, что вектор намагниченности вещества М начинает поворачиваться на угол 9 за время tи действия поля И • Угол поворота (в радианах) определяется соотношением:
9 = 1И^и • (2)
При определенном задании значений И1 и tи угол поворота 9 будет
точно соответствовать 90о, что и составляет основное условие обеспечения точного проведения измерений на спектрометрах ЯМР. Достоверность полученного результата в большой степени зависит от точности поворота М на угол в 90о. Однако выполнению данного условия предшествует требование обеспечения достаточно высокой однородности поля И . Поэтому вопросы проверки однородности И0 и последующего определения длительности величины зондирующего импульса 1и являются актуальными при проведении исследования веществ методами ЯМР.
Цель работы. Определение и обоснование подходов по анализу условий и выбору параметров импульсов и однородности напряженности поля при проведении исследований на установке ЯМР.
Теоретическими расчетами и экспериментальными исследованиями установлено, что спад сигнала свободной индукции (ССИ) при высокой однородности поля И0 изменяется по экспоненциальному закону [5]. Это можно определить визуально в процессе анализа результатов измерений либо записав сигнал и впоследствии проанализировав его соответствующими программными средствами. Однако, если в образце из-за неточной установки образца имеется неоднородность 5И0, регистрируется сигнал, имеющий не экспоненциальный спад (ССИ). В этом случае необходимо изменить координаты установки положения образца, где неоднородность поля 5И0 будет незначительной. Практически это можно произвести следующим способом: регистрируем ССИ, анализируем характер спада сигнала, применив соответствующие математические методы, по результатам отклонения измерений даем заключение об однородности поля. Изменение спада ССИ при правильной установке образцов в магнитном поле может быть представлено в виде:
и = и0 ехр(а/). (3)
В случае нарушения однородности поля сигнал ССИ в первом приближении может быть представлен в виде:
где а, р, у — коэффициенты, вычисляемые в ходе эксперимента.
Для определения коэффициентов аппроксимирующей кривой используются стандартные методы и функции нелинейной регрессии, имеющиеся в пакете MаtchCаd. Если коэффициенты р, у можно признать незначимыми, то однородность поля считается удовлетворительной и возможно проведение дальнейшей настройки параметров эксперимента и проведение исследований. Для проведения подобного анализа целесообразно использовать стандартные методики теории планирования эксперимента [6].
На рис. 1 приведены осциллограммы ССИ в случае однородного и неоднородного поля. Применительно к приведенным сигналам были получены следующие аналитические выражения составляющих:
у^) = 100exp(-2t) и г($) = 100exp(-0,Ш - 2t2). (5)
Из анализа полученных выражений следует, что кривая 2(() отличается от необходимой экспоненциальной зависимости и координаты положения образца необходимо изменить.
Рис. 1. Сигнал ССИ после действия 90° импульса а) - однородное магнитное поле; б) - неоднородное магнитное поле
Второй параметр, который должен быть точно задан при проведении исследований - это длительность первого зондирующего импульса їи, реакция от которого должна повернуть результирующий вектор намагниченности М на угол, точно равный 90°.
В ссылке [5] предложена методика определения длительности импульса, предполагающая наличие синхронного детектора в измерительной системе спектрометра ЯМР, что не всегда имеет место, и что в ряде случаев сильно усложняет построение канала измерения. При наличии в системе спектрометра ЯМР только амплитудного детектора невозможно воспользоваться указанной методикой. Поэтому предлагается следующий
метод определения величины длительности сигнала первого зондирующего импульса Iи. После регистрации ССИ определяется величина, согласно выражения:
т
5 «я) = | / №, (6)
0
где /(/) - запись сигнала ССИ; Т - время регистрации сигнала; / - номер измерения.
Изменяя в ходе эксперимента длительность зондирующего импульса tи , находят такое его значение, при котором будет выполняться условие:
5(/*), = тах5У,), / = 1, п, (7)
I
где п - число экспериментов.
Выполнение данного условия обеспечивает поворот результирующего вектора намагниченности на угол 900 .
После нахождения наилучшего значения 1и необходимо уточнить длительность сигнала ССИ. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что для получения максимального значения эхо-сигнала в измерительной катушке второй зондирующий радиочастотный импульс должен быть расположен как можно ближе к первому с целью получения сигнала максимальной амплитуды, что обеспечивает более высокую точность измерения. Если же интервал между импульсами будет меньше Т (длительность переходного процесса спада ССИ), то результаты измерения амплитуды эхо-сигнала будут неверными. Поэтому минимальное расстояние между зондирующими импульсами должно немного превышать величину Т. Длительность второго зондирующего импульса tи должна быть в два раза больше первого [7, 8], чтобы обеспечить поворот результирующего вектора намагниченности на угол 1800, что обусловлено методикой проведения исследований.
Типовое соотношение длительностей подачи зондирующих сигналов и реакция образца, в виде временной диаграммы, представлены на рис. 2.
Рис. 2. Схема подачи зондирующих импульсов спектрометра ЯМР
Выводы. Предложена и обоснована методика по выбору параметров зондирующих импульсов и режима измерения сигнала при проведении исследований на спектрометре ЯМР. На числовом примере показано, что компьютерные технологии позволяют практически реализовать предложенные технические решения. Применение подобных решений повысит точность и достоверность получаемых результатов исследований, проводимых с применением спектрометров ЯМР.
Дальнейшая задача, которая должна быть решена с целью повышения уровня автоматизации измерений на спектрометре ЯМР - это создание программно-аппаратных средств, позволяющих в автоматическом режиме по определенному алгоритму изменять временные параметры между зондирующими импульсами, регистрировать амплитуды эхо-сигналов и вычислять необходимые параметры исследуемого продукта.
Решение подобных задач позволит впоследствии создать необходимые предпосылки по внедрению автоматизированных измерительных систем по проведению подобных экспериментов, что в значительной степени сократит как время проведения исследований, так и повысит их эффективность.
Список литературы: 1. Дьяков А.Г., Даниленко А.Ф. Информационно-измерительная система установки ЯМР // Вестник НТУ "ХПИ". - Харьков: НТУ "ХПИ", 2003. - Вып. 19. - С. 69-72. 2. ДьяковА.Г., Даниленко А.Ф. Система управления спектрометром ЯМР // Вестник НТУ "ХПИ". -Харьков: НТУ "ХПИ", 2004. - Вып. 26. - С. 119-123. 3. Дьяков А.Г., Даниленко А.Ф. Повышение точности измерений в ЯМР спектрометре // Вестник НТУ "ХПИ". - Харьков: НТУ "ХПИ", 2005. -Вып. 46. - С. 83-86. 4. Олсон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизация процесса управления. - СПб.: Невский диалект, 2002. - 254 с. 5. Вашман А.А., Прошин И.С. Ядерная магнитная релаксация и ее применение в химической физике. - М.: Наука, 1979. - 236 с. 6. Хартман К. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. - М.: Мир, 1977. -522 с. 7. Эрнст Р., Боденхаузен Дж. и др. ЯМР в одном и двух измерениях. - М.: Мир, 1990. -711 с. 8. Фаррар Т., Беккер Э. Импульсная и Фурье-спектроскопия ЯМР. - М.: Мир, 1973. - 164 с.
Поступила в редакцию 05.10.2006
