Автореферат по теме магистерской работы

Разработка методики построения прибора избирательного контроля вида вещества

Введение

Принцип работы прибора основан на методе ядерного квадрупольного резонанса.

Резонансные методы приобрели в последние десятилетия широкое распространение при исследовании вещества в газообразном, жидком и твердом состоянии. Набор этих методов постоянно пополняется благодаря открытию все новых видов резонанса. Особенно многообразны виды резонанса в твердых телах.

Слово «резонанс» (от фр. rosonance, лат. resono – звучу в ответ, окликаюсь) в широком смысле означает возрастание отклика колебательной системы на периодическое внешнее воздействие при сближении частоты последнего с одной из частот собственных колебаний системы. Наиболее известен простейший вид механического резонанса: возрастание амплитуды колебаний маятника при периодическом «подталкивании» с частотой ν, когда ν приближается к частоте ν собственных колебаний маятника.

Колебательные системы, которые способны резонировать, могут иметь весьма различную природу. В веществе такими системами могут быть электроны, электронные оболочки атомов, магнитные и электрические моменты атомов, молекул, примесных центров в кристаллах и т.д. Однако во всех случаях общая картина резонанса сохраняется: вблизи резонанса возрастают амплитуда колебаний и энергия, передаваемая колебательной системе извне. Это возрастание прекращается, когда потери энергии (трение, тепловое рассеяние) компенсируют ее прирост.

Каждое вещество имеет свой характерный только для него набор частот собственных колебаний (частотный или энергетический спектр ). Собственные частоты  ν могут находиться в широком диапазоне частот (от 10^2 до 10^22 Гц). Этот набор частот является своеобразной визитной карточкой вещества, изучая которую можно распознать химический состав, структуру, симметрию и другие характеристики вещества.

Наиболее удобным и распространенным видом периодического внешнего воздействия является электромагнитное излучение. Частоты электромагнитных волн простираются от 10^2 Гц (радиоволны) до 10^9 Гц (радиоволны СВЧ), 10^13-10^14 Гц (инфракрасный свет), 10^15 Гц (видимый свет), 10^15-10^16 Гц (ультрафиолетовый свет), 10^17-10^20 Гц (рентгеновское излучение) и 10^20-10^22 Гц (γ-излучение). В зависимости от диапазона частот используют различные способы генерации (радиопередатчики, лампы накаливания, рентгеновские трубки, радиоизотопы и т.д.) и детектирования (радиоприемники, болометры, фотоэлементы, фотопленки, счетчики Гейгера и т.д.). Таким образом, появились такие разные области физики, как радиоспектроскопия, оптическая спектроскопия, рентгеновская спектроскопия и т.д. Хотя во всех этих областях изучают резонансное взаимодействие электромагнитного излучения с веществом, природа такого взаимодействия различна.

Резонансные методы, пожалуй, можно отнести к наиболее чувствительным и точным методам исследования вещества. С их помощью был получен большой объем ценнейшей информации о химическом составе, структуре, симметрии и внутренних взаимодействиях между структурными единицами вещества.

Общее описание резонанса

 Классическое описание резонанса сводится к решению задачи об одном или нескольких линейных гармонических осцилляторах. Собственные колебания такого осциллятора вызываются начальным толчком и действием возвращающей силы, пропорциональной отклонению m от положения равновесия, и могут быть описаны уравнением

,

        где m – масса колеблющейся частицы,

             ω0 – круговая частота собственных колебаний.

Решение этого уравнения описывает гармонические колебания.

.

Если осциллятор подвержен действию периодической внешней силы  и силы трения (сопротивления), пропорциональной скорости, то уравнение движения имеет вид

Решение этого дифференциального уравнения, описывающее установившиеся колебания, есть

,

где амплитуда и фаза определяются соответственно как

,

.

Зависимость  амплитуды колебаний x0 от частоты ω0  представлена на рис. 1 при разных значениях добротности . Чем больше добротность, тем острее резонансный пик зависимости. Полуширина пика связана с добротностью . Высокая добротность способствует разрешению близких резонансных пиков.

Рисунок 1 – Резонансные кривые x0(ω) для разных значений добротности Q 

Анимация: GIF Animator, 10 кадров, 5 циклов повторения, 45.3 КБ

При квантовом описании колебательная система характеризуется набором разрешенных квантовыми законами значений энергии (энергетическим спектром). Этот спектр (или его часть) для систем связанных частиц может носить дискретный характер. Переменное электромагнитное поле частоты ν можно также рассматривать как совокупность фотонов с энергиями ( h – постоянная Планка). При совпадении энергии фотона с разностью энергий каких-либо двух уровней

наступает резонанс, то есть резко возрастает число поглощаемых системой фотонов, вызывающих квантовые переходы с нижнего уровня Ei на верхний Ek.

 Ядерный квадрупольный резонанс

Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР) является одним из чувствительных методов исследования внутримолекулярной структуры вещества, его физико-химических свойств. ЯКР широко используют при изучении природы химических связей, межмолекулярных соединений, внутренних движений, фазовых переходов, дефектов в кристаллах и т.д. Получивший начало более сорока лет назад в работах Демельта и Крюгера этот метод спектроскопии занял, благодаря расширению класса исследуемых соединений, одно из ведущих мест. Совершенствование элементной базы радиоэлектроники и включение в эксперимент компьютерной техники позволили распространить область применения метода на ряд новых научных и прикладных задач, решаемых в рамках других областей науки. К таким задачам следует отнести поиск и идентификацию наркотических и взрывчатых веществ с помощью локального ЯКР дистанционный контроль багажа и т.д.

О важности исследований по данной тематике свидетельствует присуждение 12 Нобелевских премий специалистам по радиоспектроскопии, работы которых касались этого раздела физики.

Ядерный квадрупольный резонанс, резонансное поглощение электромагнитной энергии в кристаллах, обусловленное переходами между энергетическими уровнями, образующимися в результате взаимодействия ядер, обладающих электрическим квадрупольным моментом, с электрическим кристаллическим полем. ЯКР является частным случаем ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в кристаллах. Так называемый «чистый» ЯКР наблюдается в отсутствии постоянного магнитного поля.

Сущность явления заключается в следующем. Ряд элементов таблицы Менделеева имеют несферическое распределение положительного заряда в ядре. Степень несферичности оценивается особым параметром, который называется квадрупольным моментом. Если вокруг такого ядра существует неоднородное локальное электрическое поле, созданное окружающими это ядро электрическими зарядами, то наблюдается явление ЯКР. При воздействии на вещество внешнего электромагнитного поля определенной частоты имеет место резонансное поглощение энергии. По окончании воздействия происходит излучение энергии на частоте ЯКР. Частота ЯКР зависит от формулы химического соединения, в которое входит квадрупольный элемент.

В число квадрупольных входят изотопы следующих элементов:

«азот-14», «хлор-35», «хлор-37», «бор-10», «бор-11», «иод-127», «кислород-17», «натрий-23», «медь-63», «медь-65» и многие другие. Всего таких элементов около 100.

Следует подчеркнуть, что ЯКР возможен только при наличии двух факторов: квадрупольного момента у ядра и неоднородности окружающего его электрического поля (наличие градиента). Классический пример – поваренная соль. Оба элемента, входящие в состав молекулы, являются квадрупольными. Однако NaCl не обладает ЯКР, вследствие того, что ядра в кристаллической решетке расположены пространственно симметрично и электрическое поле вокруг каждого ядра однородно (градиент отсутствует).

Вещество может обладать не одной, а несколькими частотами ЯКР. Количество частот ЯКР и интенсивность сигнала зависит от количества ядер данного квадрупольного элемента в формуле химического соединения, их химической эквивалентности, соединения с атомами других элементов. Особенностью ЯКР является следующее: в настоящее время исследовано более 10000 химических соединений, и среди них нет ни одной пары веществ, ЯКР частоты которых совпадали бы. Поэтому частота ЯКР является как бы паспортом химического соединения (вещества).

Таким образом, возбудив вещество, содержащее в своем химическом составе квадрупольный элемент, радиоимпульсом определенной частоты и получив ответный ЯКР сигнал на данной частоте, можно однозначно говорить о наличии в исследуемом объекте именно данного вещества. То есть метод ЯКР является не только обнаруживающим, но и идентифицирующим.

Обнаруживаемое вещество может быть распределено по всему объему или находиться в механической смеси с другими веществами – это не влияет на принимаемый сигнал. Примеси других веществ влияют на ширину спектральной линии и могут незначительно смещать частоту ЯКР, однако, радикального влияния на характеристики обнаружения они не оказывают. Мало того, в некоторых случаях по характеру изменения линии ЯКР спектра можно определить производителя данного образца вещества.
Сигнал ЯКР, как правило, достаточно мал, поэтому для накопления сигнала ЯКР и выделения его на фоне помех применяется ряд специальных методов, разработанных в рамках статистической радиотехники и радиолокации. Для накопления сигнала производится воздействие на исследуемый объект не одним радиоимпульсом, а специальной последовательностью радиоимпульсов. Сигнал ЯКР слабо зависит от мощности зондирующего сигнала, он прямо пропорционален числу резонирующих ядер, а следовательно, массе исследуемого образца.

Для обнаружения конкретного вещества нужно в первую очередь знать его ЯКР частоты. Частоты ЯКР различных химических соединений лежат в диапазоне от сотен килогерц до сотен мегагерц.

Детектирование сигналов ЯКР

Все существующие методы детектирования сигналов ЯКР можно разделить на стационарные и импульсные.

Стационарные методы наблюдения позволяют получить непосредственно частотный спектр, тогда как импульсные обычно дают временную картину. Для получения частотной зависимости в последнем случае необходимо выполнить преобразование Фурье от сигнала индукции.

Несмотря на то, что импульсные методы требуют применения более сложного оборудования, чем стационарные, преимущество первых при исследовании спин-спиновых и спин-решеточных взаимодействий в твердых телах вполне очевидно:

• импульсная аппаратура является универсальной; она не только позволяет вести уверенный поиск сигналов ЯКР, но имеет очевидные преимущества при релаксационных измерениях.

• начальная амплитуда сигналов откликов не зависит от величины неоднородного уширения при выполнении некоторых ограничений, налагаемых на длительности зондирующих образец импульсов.

• прием сигналов отклика происходит в моменты, когда не работает высокочастотный генератор, т. е. шум-фактор приемного устройства импульсного спектрометра гораздо лучше, чем шум-фактор регенеративных или суперрегенеративных схем.

• отсутствуют низкочастотные шумы, связанные с частотной или магнитной модуляцией.

В силу того, что коэффициенты поглощения радиоволн в твердых телах малы, и сигналы ядерного резонанса легко могут быть потеряны в шумах усилителей, к аппаратуре, применяемой для наблюдения явления, предъявляются высокие требования по чувствительности.

В спектроскопии ЯКР для регистрации спектров наибольшее распространение получил метод с двумя радиочастотными импульсами – метод квадрупольного спинового эха Хана . Сигнал отклика системы наблюдается после действия  импульсов («эхо–сигнал»).

Заключение

Резонансные методы исследования вещества можно отнести к числу наиболее информативных и точных. С их помощью можно изучать химический состав, симметрию, структуру, энергетический спектр вещества, электрические, спин-орбитальные, магнитные, сверхтонкие и суперсверхтонкие взаимодействия в нем. Эти методы могут удачно дополнять друг друга. Они нашли широкое применение в физике, химии, биологии и медицине.

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2009 г.

Список используемой литературы

1. В.С. Гречишкин. Ядерные квадрупольные взаимодействия в твёрдых телах. – М.: Наука, 1973. – 264 с.

2. В.С. Гречишкин. Ядерный квадрупольный резонанс. Успехи физических наук. 1959. №2, с. 189-216. / Электронный архив: http://ufn.ru/ru/articles/1959/ 10/b/

3. В.И. Черепанов. Резонансные методы исследования вещества. Соросовский образовательный журнал. 1997. №9, с.86-90. / Электронный архив: http:// www.pereplet.ru/cgi/soros/readdb.cgi?f=ST362

4. Л.В. Вилков, Ю.А. Пентин. Физические методы исследования в химии. Резонансные и электрооптические методы. – М: Высш. шк., 1989. – 288 с.

5. Ю.И. Белый, О.А. Поцепня, Г.К. Семин. Аппаратура для борьбы с терроризмом на основе эффекта ЯКР. Специальная техника. 2002. №2 /Электронный архив: http://st.ess.ru/publications/2_2002/semin/semin.htm

6. Н.М. Шахмаев. Физика. – М.: Высш. шк. Ч. 2: Колебания и волны. Оптика. Строение атома. – 1977. – 303 с.

7. Э. Эндрю. Ядерный магнитный резонанс/Пер. с англ. Н.М. Померанцева и Е.Н. Скубур. – М.: 1957. –  296 с.

8. Д.Г. Кнорре, Л.Ф. Крылова, В.С. Музыкантов. Физическая химия.– М.: Высш.шк., 1990. – 416 с.

9. Электрические эффекты в радиоспектроскопии / Под ред. М.Ф. Дейгена. – М.: Наука, 1981.– 332 с.

10. В.С. Гречишкин, Н.Я. Синявский. Локальный ЯКР в твердых телах. Успехи физических наук. 1993. №10, с. 95-119.