Магнитно-резонансные исследования наноскопических свойств криогенных жидкостей

• Автор: Юдин, Алексей Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 140 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1 Обзор

1.1 Методы поляризации 3Не

1.2 Магнитная связь 3Не с субстратом

1.3 Термодинамические и магнитные свойства жидкого кислорода

1.4 Пористые среды, их влияние на свойства 3Не

1.4.1 Пористые вещества, их характеристики

1.4.2 Методы определения характеристик пористых веществ

1.4.3 Свойства 3Не в порах и адсорбированных пленках

Глава 2 Аппаратура, образцы и методика измерений

2.1 Использованная аппаратура и методика измерений
2.2 Образцы, их подготовка
Г лава 3 Кислород
3.1 Свойства кислорода и его смеси с азотом
3.2 ЭПР жидкого кислорода
3.3 Возможная кластерная структура жидкого кислорода
3.4 Намагниченность жидкого кислорода
3.5 Выводы
Глава 4 Карбонизаты в контакте с 3Не
4.1 Введение
4.2 ЭПР парамагнитных центров
4.3 Ядерная релаксация |3С в карбонизате фруктозы
4.4 Ядерная релаксация 'Н в карбонизате фруктозы
4.5 Карбонизат фруктозы в контакте с 3Не
4.6 Древесные карбонизаты Авйгопшт в контакте с 3Не
4.7 Выводы
Заключение
Основные публикации автора по теме диссертации
Список цитируемой литературы
Введение
В настоящее время благородные газы с высокой ядерной
поляризацией находят применение как в медицине, так и в самых различных областях исследований. Гиперполяризованные 3Не и 129Хе используются для ЯМР-томографии легких и других органов
человеческого тела [1, 2], а также различных пористых систем [3, 4], с помощью поляризованных благородных газов изучают поверхностные взаимодействия [5, 6], структуру химических соединений [7] и производят фундаментальные высокоточные измерения [8, 9].
На данный момент известны способы гиперполяризации благородных газов с использованием лазерной накачки [10, 11] и с использованием сверхнизких температур [12]. Первый способ отличается довольно низкой производительностью, второй способ требует сложного оборудования и большого количества хладагентов для получения сверхнизких температур (ниже 1.3 мК). Поэтому было бы более заманчивым использование способа динамической поляризации ядер. Данный способ основан на переносе поляризации от электронной подсистемы к ядерной, а так как система электронных спинов имеет при равных условиях поляризацию более чем в тысячу раз превышающую поляризацию ядерных магнитных моментов, то не требуется сложное криогенное оборудование для достижения сверхнизких температур и сильных магнитных полей. Производительность этого метода также обещает быть выше, чем в случае метода лазерной накачки.
Динамическая поляризация ядер основывается на эффекте Оверхаузера, либо на солид-эффекте. В обоих случаях эффективность метода зависит от возможности насыщения электронной спин-системы и от силы взаимодействия электронных спинов с ядерными моментами поляризуемого вещества.
Условие насыщения парамагнитных центров (ПЦ) сверхвысокочастотной (СВЧ) мощностью можно выразить следующим

соотношением между временами спин-решеточной (Т) и спин-спиновой (Т2) электронной релаксации и амплитудой переменного магнитного поля
Здесь 75 — гиромагнитное отношение для ПЦ, Ні — амплитуда высокочастотного магнитного поля в резонаторе. Ні зависит от частоты V ядерного магнитного резонанса (ЯМР), СВЧ-мощности IV, добротности О, объема V и конструкции СВЧ-резонатора [14]:
Для типичного спектрометра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) характерны значения 1¥=200 мВт и 0=104, в этом случае
В рассматриваемых нами случаях перенос намагниченности и энергии между электронной и ядерной системами осуществляется посредством относительно слабого электронно-ядерного дипольного взаимодействия. В соответствии с законами сохранения энергии переходов между электронными состояниями должны быть порядка ядерной зеемановской энергии. Поэтому однородная ширина линии ЭПР 5<и2кТ2'' должна быть сравнима по величине с ядерным расщеплением, выраженным в частотных единицах ш/. В случае наблюдения ЭПР на частоте 10 ГГц в поле 3 кЭ частота ЯМР ядер 3Не в том же магнитном поле составляет 9 МГц, соответственно ширина линии ЭПР АН=5оз$/уз не должна превышать 6 Э. Обычно в твердом теле достаточно узкие линии ЭПР наблюдаются от парамагнитных примесей, при этом однородная ширина линии определяется концентрацией примеси [13]:
где N— это объемная концентрация ПЦ, а у5— гиромагнитное отношение свободных электронов. Таким образом, сужения линии ЭПР можно добиться за счет уменьшения концентрации ПЦ. Препятствием при этом
[13]:
(у5н1)2т1т2 »1
(0.1)
(0.2)
произведение ТТ2 должно превышать 10’7 с2.

(0.3)
пористых структур были выгравированы на слоях полистирола, которые затем складывались в стопку для получения двух- или трехмерного перколяционного кластера. После этого кластер насыщался водой для получения изображения методом ЯМР-томографии. Измеренная фрактальная размерность совпала с размерностью заложенной модели.
1.4.2 Методы определения характеристик пористых веществ
В настоящее время разработано большое число аналитических методов исследования пористой структуры твердых тел. Обзор различных методов можно найти в литературе [74,75], краткий их перечень приведен в Таблица
Таблица 1.1 Характеристика основных методов порометрии.
Методы Получаемая информация Пределы применимости по радиусам пор г, м
Непосредственного наблюдения
визуально-оптические Выявление макропор >10'5
световая микроскопия Число, объем и распределение 5-10'7-И0'4
электронная микроскопия пор, удельная поверхность 10'8-5-10'7
просвечивание Выявление макропор кгЧо4
(радиографический, радиоскопический, радиометрический) Капиллярные
капиллярная дефектоскопия То же > 10’7
капиллярная проницаемость Размер нор, 10'8-1(У4
(транспирационные, распределение пор по размеру
капиллярного поднятия удельная поверхность
жидкости, вытеснения жидкости)
Ртутная порометрия Объем и распределение пор, * о 00 I* > О 1П
Адсорбционно-структурные удельная поверхность То же 3-1(Г10-5-1(Г8
Малоуглового рассеяния Выявление открытых и закрытых
излучений микронеоднородностей, размер
рассеяние рентгеновских лучей пор, удельная поверхность 5-Ю10—7-Ю'7
рассеяние нейтронов 2-Ю'9—Ю‘7
Пикнометрические Общая пористость, объем и размер 2-Ю'10—10'9
газовая пикнометрия микропор, распределение
жидкостная пикнометрия микропор
Калориметрические 5-Ю'10—Ю'9
погружение в жидкость Удельная поверхность
(смачивание) размер микропор