Введение к работе
. Актуальность темы исследования. За несколько десятилетий, прошедших с момента открытия и начала практического использования ядерного магнитного резонанса (ЯМР), обыкновенная вода и её природные и искусственные растворы чаще других веществ использовались в качестве объектов исследования жидкостей с помощью метода ЯМР. Это связано не только с большой распространённостью водных систем в природе, универсальной растворяющей способностью воды и тем, что вода - один из наиболее удобных объектов для ЯМР-исследований. Вода и её растворы привлекает внимание исследователей ещё и как сложный физический объект, на котором можно тестировать различные теоретические подходы, развитые в области физики конденсированного состояния. Кроме того, исследование структуры молекулы воды, динамики её изменения в результате взаимодействия воды с природными объектами даёт возможность для изучения физической сути различных природных явлений (микроструктуры морской воды, динамики океанских течений, взаимодействие океана и атмосферы и др.).
Проблема исследования структуры воды, как и вообще жидкого состояния вещества, - одна из наиболее сложных в современной физике конденсированного состояния. Для её решения используются различные методы. Это, помимо уже упоминавшегося метода ЯМР, метод акустического магнитного резонанса в жидкости, суть которого состоит в способности парамагнитных ионов некоторых металлов, содержащихся в жидкостях в качестве примесей, резонансно поглощать внешнее ультразвуковое излучение. Это поглощение обусловлено непосредственным взаимодействием ультразвукового излучения с парамагнитными ионами, имеющими определённую величину
собственного магнитного момента (так называемым - спин-фононным взаимодействием).
К сожалению, прямое наблюдение акустического магнитного резонанса в жидкостях в силу ряда экспериментальных трудностей не получило такого широкого распространения, как метод ЯМР. Значительно меньше проблем возникает, если использовать ультразвуковое излучение для модуляции ЯМР в жидкости. Акустическая волна, деформируя молекулу жидкости, меняет ориентацию магнитных моментов ядер относительно внешнего магнитного поля и тем самым модулирует наблюдаемые экспериментально величины, характеризующие ЯМР - интенсивность, частоту, ширину и форму линии ЯМР. По изменению этих параметров можно судить о структуре молекулы жидкости, о концентрации участвующих во взаимодействии частиц, о механизмах спин-фононного взаимодействия в жидкости и других физических свойствах жидкости.
Помимо ультразвука, определённые изменения в характеристики ЯМР в жидкости может вносить и электромагнитное излучение на других, не радиочастотах. Например, лазерное излучение, которое, как известно, обладает очень высокой спектральной плотностью излучения. Изменяя локальные электрические поля в молекуле, лазерное излучение так же, как и акустическое, будет приводить к изменению населённости резонансных уровней, к их сдвигу и, как следствие, - к изменению интенсивности, частоты и формы линии ЯМР. Несмотря на то, что, как уже было отмечено, методы ядерного и акустического магнитного резонанса по отдельности давно применяются для исследования жидкостей, исследований по изучению влияния ультразвука (а также и лазерного излучения) на ЯМР в жидкости, насколько нам известно, ещё не велось (по крайней мере, - экспериментальных). А так как эти исследования могут дать помимо фундаментальных результатов
(сведений о структуре молекул жидкостей, о механизмах спин-фононного взаимодействия и др.) также и практически важные результаты, то, как нам кажется, проблема учёта влияния ульїразвукового и (или) лазерного излучения на ЯМР в жидкости является весьма актуальной.
Итак, Hm>j)a6oTbjr можно сформулировать так:
а) Экспериментально исследовать эффекты, возникающие при
ультразвуковой модуляции ЯМР в различных естественных и
искусственных жидких средах (растворы с парамагнитными примесями,
морская вода, биологические жидкости и др.).
б) Экспериментально исследовать эффекты, обусловленные модуляцией
ЯМР в жидкостях лазерным излучением.
Следуе г отметить, что ввиду отсутствия до сих пор экспериментальных
исследований по поставленным проблемам, для выполнения намеченных целей необходимо было разработать и изготовить соответствующие экспериментальные установки.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Создан экспериментальный комплекс для исследования
мапштоакустіггсских эффектов в жидкостях.
-
Создан экспериментальный комплекс для наблюдения тронного опто-акусто-радиочастотного ЯМР в жидкости.
-
Экспериментально обнаруженное изменение сигналов спинового эха в
растворах с парамагнитными примесями в присутствии
ульїразвукового излучения - уменьшение интенсивности, уширение >,
деформация формы линии, а также сдвиг резонансной частоты.
Показано, что эти изменения увеличиваются с ростом концентрации
парамагнитных ионов.
-
Экспериментально обнаруженное изменение времени продольной релаксации в жидкостях с магнитными ядрами в присутствии ультразвукового и лазерного возбуждения.
-
Созданный автором судовой вариант импульсного ЯМР-спектрометра, с помощью которого исследовано распределение парамагнитных примесей в различных районах Тихого океана на поверхности и в придонном слое.
Таким образом, в диссертации сформулирована и во многом решена проблема экспериментального исследования одновременного воздействия на жидкость электромагнитного, ультразвукового и лазерного излучения.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
впервые исследована возможность использования модуляции сигнала ЯМР в жидкости ультразвуком и лазерным излучением для изучения естественных и искусственных жидких сред;
впервые получено мощное (от 300 до 1200 Вт) сконцентрированное ультразвуковое (от 3 до 15 МГц) излучение в ограниченном объёме (0,5 см3) жидкости, находящейся в датчике резонатора ЯМР;
экспериментально обнаружено влияние ультразвукового и лазерного излучения на интенсивность, форму и ширину линии сигнала спинового эха в различных жидкостях;
Научная и практическая ценность полученных результатов:
обнаруженные эффекты влияния акустического и лазерного излучения на ЯМР в жидкостях могут служить основой для более тщательного изучения структуры молекул жидкостей, механизмов спин-фононного взаимодействия и других физических свойств жидкостей;
созданные экспериментальные установки для изучения
вышеописанных эффектов и отработанные методики проведения
исследований позволяют использовать их для дальнейшего изучения
свойств жидкостей; " '"" "~ -
Апробация работы:
Основные результаты и положения диссертации докладывались на II Всесоюзном симпозиуме по акустической спектроскопии (Ташкент, 1978 г.), на Всесоюзных конференциях "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (Хабаровск, 1979 г., 1984 г., 1987 г.), на Всесоюзном семинаре-симпозиуме "Пространственно-временные структуры гидрохимических и гидрофизических характеристик морей" (Таллин, 1981 г.), на Всесоюзном симпозиуме "Методика и техника ультразвука" (Каунас, 1984 г.), на Всесоюзной конференции "Применение магнитного резонанса в народном хозяйстве" (Казань, 1988 г.), на Всесоюзном симпозиуме "Применение ультразвука в промышленности и медицине" (Каунас, 1987 г.), на школе-семинаре "Применение длпинобазовых лазерных интерферометров в геофизике" (Владивосток, 1987 г.), на II Тихоокеанском симпозиуме по морским наукам (Находка, 1988 г.), на 15 Международном акустическом конгрессе (Тронхейм, Норвегия, 1995 г.).
Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 18 научных работах, в том числе в - статьях в научных журналах, в трудах и тезисах докладов международных, всесоюзных и региональных конференций, в рукописях, депонированных в ВИНИТИ.
Объём и структура диссертации. Диссертация объёмом 86 страниц машинописного текста состоит из Введения, 4-х глав, Заключения и списка литературы из 78 наименований. В диссертации содержится 15 рисунков.
