Введение к работе
Актуальность темы
Физико-химические свойства вещества тесно связаны с его структурой и подвижностью атомов, молекул и их фрагментов Обыкновенная вода и водные растворы минеральных и органических веществ успешно используются в качестве объектов исследования в физике конденсированного состояния Это объясняется важностью той роли, которую играет вода в жизнедеятельности растительного, животного мира и человека, и обусловлено универсальной растворяющей способностью воды, большой распространенностью водных систем в природе, а также величиной магнитного момента ядра атома водорода, имеющей наиботыыее значение среди всех известных ядер Вода и ее растворы привлекают внимание исследователей еще и как удобные физические объекты, которые молено использовать в качестве тестов на справедливость теорий, развитых в области физики жидкости Кроме того, исследование структуры воды и динамики ее изменения в природных условиях способствует уточнению физических причин природных явлений динамики морских и океанских течений, микроструктуры морской воды, взаимодействия океана с атмосферой и др
Проблема исследования структуры и физических свойств жидкого вещества, вообще, и воды, в частности, - одна из наиболее важных проблем современной физики конденсированного состояния Для ее решения, кроме метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) - мощного физического метода научного познания, используется метод акустического магнитного резонанса (AMP), физической основой которого является способность парамагнитных ионов, содержащихся в жидкости в качестве примеси, резонансно поглощать внешнее ультразвуковое излучение Это поглощение осуществляется благодаря присутствию так называемого спин-фононного взаимодействия - взаимодействия ультразвукового излучения с парамагнитными ионами, обладающими определенными значениями собственного упругого и магнитного моментов
К сожалению, в силу ряда экспериментальных трудностей прямое применение AMP для исследования жидкостей не получило такого широкого распространения, как метод ЯМР Более эффективным оказывается, использовать ультразвуковое излучение для модуляции сигнала ЯМР Акустическая волна, деформируя молекулу жидкости, меняет ориентацию механических и связанных с ними магнитных моментов ядер относительно внешнего магнитного поля и, тем самым, оказывает влияние на экспериментально наблюдаемые параметры ЯМР - форму и ширину линии, ее частоту и интенсивность в максимуме сигнала По изменению этих параметров можно получить информацию о структуре молекул и самой жидкости, о концентрации участвующих во взаимодействии частиц, о механизмах спин-фоношюго взаимодействия и других физических свойствах жидкости
Кроме ультразвука, определенные изменения в характеристики сигнала ЯМР может вносить и электромагнитное излучение, частота которого не совпадает с резонансной частотой ЯМР, например, лазерное излучение высокой спектральной плотности Посредством модуляции локальных электрических полей, лазерное излучение приводит к сдвигу резонансных уровней ЯМР в молекуле, изменению их населенности и, как следствие, интенсивности, частоты, формы и ширины линии ЯМР
Несмотря на то, что методы ядерного и акустического магнитного резонанса по отдельности давно применяются для исследования жидкостей, насколько нам известно, экспериментальные исследования по изучению влияния ультразвука и лазерного излучения на ЯМР в жидкости, еще не проводитись Поскольку такие исследования позволяют получить наряду с фундаментальными результатами (например, сведения о структуре молекул и самой жидкости, о механизмах спин-фононного взаимодействия и др) и практические результаты (например, о концентрации парамагнитных примесей в веществе), то проблема учета влияния ультразвукового и лазерного излучения на наблюдаемые параметры ЯМР в жидкости является весьма актуальной
В силу специфики наблюдения двойных и тройных резонансов в работе рассматриваются проблемы повышения чувствительности, разрешающей способности метода и стабитьности потучения выходных данных на основе решения стедующих проблем
-
научного обоснования новых и усовершенствования существующих методов измерения,
-
разработки и оптимизации методов проектирования составных частей аппаратуры с повышенными характеристиками,
-
разработки методического и информационного обеспечения приборов,
-
разработки алгоритмического и программно-технического обеспечения обработки импульсных сигналов ЯМР,
-
автоматизации процессов сбора, хранения и обработки информации
При решении этих задач созданные приборы и объекты исследования -гетерогенные вещества рассматриваются в совокупности как единая система Предмет исследования
Диссертация посвящена развитию экспериментальной и методической базы исследования методом ядерной магнитной резонансной релаксации динамики и структуры жидкости на примере воды и водных растворов органических и неорганических соединений в присутствии допотнительного ультразвукового и лазерного облучения образца В настоящее время опубтиковано большое число монографий и обзорных статей, посвященных резонансным методам спектроскопического исследования конденсированного вещества Однако в литературе практически отсутствуют сведения об использовании двойных ядерно-акустических, ядерно-оптических и, тем более, тройных ядерно-опто-акустических резонансов в научных исследованиях жидкого вещества Для набтюдения таких резонансов требуется нетрадиционная экспериментальная техника, позволяющая компенсировать влияние побочных эффектов на результаты измерений
Данная рабо і а - поисковая, и предметом ее исследования является разработка оригинальной аппаратуры и методики наблюдения двойных и тройных резонансов в модельных и жидких природных водосодержаших образцах, а также теоретическая оценка перспективы применения таких резонансов в научных и практических целях Цель и задачи диссертации
Комплексная цель данной диссертации может быть сформулирована следующим образом "Разработка ядерно-магнитных, магнитоакустических и магнитолазерных резонансных методов исследования и контроля физических свойств воды и их реализация в экспериментальных комтексах"
Решаемую проблему можно разделить на следующие задачи
-
Разработка изготовление и лабораторные испытания измеритечьно-вычислительного и отображающего комплекса
-
Экспериментальное исследование эффектов, обусловленных модуляцией импутьсных сигналов ЯМР ультразвуковым и лазерным излучениями в ряде образцов естественных и искусственных жидких сред (водные растворы с парамагнитными примесями, морская вода и др )
-
Проведение испытаний разработанных комплексов в условиях океанической среды, включая глубоководное погружение, с оценкой параметров изготовленных > становок на соответствие заданным научно-техническим параметрам
4 Выдача рекомендаций по применению измерительных комтексов
Достоверность и обоснованность результатов
Достоверность и обоснованность результатов определяется практической направленностью работы по разработке уникальных измерительных систем с соблюдением высоких метрологических требований и последующей у спешной апробацией аппаратуры, как в лабораторных условиях, так и в условиях морских и океанических испытаний Она обеспечена также комплексным характером выполненных экспериментальных исследований, их многократной повторяемостью и непротиворечивостью известным результатам Полученные результаты проанализированы на предаїет соответствия экспериментальным рез)льтатам и теоретическим моделям, опубликованным в научных статьях, обзорах и монографиях
Положительные резучьтаты натурных испытаний судового варианта аппаратуры подтверждены документально справкой, выданной Отделом флота Российской Академии наук в 2007 г и подписанной академиком Г В Смирновым Экспериментальные данные по апробации двойных и тройных резонансов в лабораторных условиях свидетельствуют о том, что научно-практические цели достигнуты, ожидаемые эффекты наблюдаются качественно и в отдельных опытах количественно Предложенная многокомпонентная измерительная методика открывает новые перспективы в исследовании жидких веществ и дальнейшего развития теоретических основ физического эксперимента Положения, выносимые на защиту
-
Экспериментально обнаруженная модуляция ультразвуковым излучением сигналов спинового эха в водных растворах парамагнитных солей, которая проявляется в виде убыли пиковой интенсивности и деформации формы линии, а также сдвига резонансной частоты
-
Экспериментально обнаруженная зависимость времени спин-решеточной релаксации протонов в жидкостях от интенсивности и частоты ультразвукового и лазерного возбуждения энергетических переходов в ядерной спиновой системе
-
Магнитоакустический метод изучения структурных и динамических свойств жидких сред и созданный экспериментальный комплекс
-
Магнитолазерный метод изучения структурных и динамических свойств жидких сред и созданный экспериментальный комплекс
-
Комплекс глубоководного исследования (до 6000 м) магниторезонансньгх свойств воды
-
Полученные с помощью судового и погружного вариантов ЯМР-спектрометра практические резутьтаты исследования распределения
а) парамагнитных примесей в различных районах Тихого океана на поверхности и
в придонном слое,
б) параметров спиновой релаксации в пограничном слое океан-атмосфера
Научная новизна и практическая значимость работы
Впервые исследована возможность использования модуляции ультразвуком и лазерным излучением сигнала ЯМР в жидкости для изучения естественных и искусственных жидких сред
Впервые получено не нарушающее резонансных условий мощное до 1,2 кВт ультразвуковое излучение, перестраиваемое в частотном диапазоне от 3 до 15 МГц и локализованное в ограниченном объеме жидкости (0,5 см ), находящейся в датчике резонатора ЯМР
Обнаружено экспериментально вчияние ультразвукового и лазерного излучения на интенсивность и форму линии сигнала протонного спинового эха в водосодержащих жидкостях
Обнаружены экспериментально эффекты ультразвукового излучения на параметры сигнала спинового эха в растворах с парамагнитными примесями и ультразвукового и лазерного излучения на релаксационные параметры сигнала импульсного ЯМР
Определено распределение содержания примесей в естественной водной среде по результатам экспериментов, выполненных в районе дельты реки Меконг в Южно-Китайском море, и изучены перспективы применения метода протонной томографии для установления структуры и динамики морских вод
Результаты исследования атмосферной влаги в пограничном слое раздела океан-атмосфера методом протонного спинового эха показывают, что данный метод позволяет существенно дополнить информацию о влиянии процессов фракционирования, обмена, трансформации и переноса морских солей на формирование и физико-химические свойства морского аэрозоля при различных погодных и климатических условиях
Практические результаты натурных экспериментальных исследований географического распределения времени протонной релаксации, полученные с помощью судового и погружного вариантов импульсного ЯМР спектрометра, служат основой для разработки численных моделей взаимодействия океан-атмосфера и оценки выноса речного стока в океанские воды
Созданные лабораторные экспериментальные комплексы для магнито-акустических и магнитолазерных резонансных методов и средств изучения и диагностики физических свойств жидких сред, судовой ЯМР комплекс для натурных исследований морских и океанических вод и отработанные с их помощью методики проведения исследований позволяют использовать их для дальнейшего изучения физико-химических и биологических свойств жидкостей в научно-исследовательских центрах Они служат основой для разработки новых методов анализа природных жидких сред и позволяют выработать важные конструкторские рекомендации при проектировании новых средств изучения жидкостей
Личный творческий вклад авюра
Автор принимал непосредственное участие в разработке и создании экспериментальных комплексов для лабораторных и натурных исследований, проведении экспериментов, а также в обсуждении и интерпретации полученных экспериментальных результатов по ядерно-магнитным, магнитоакустическим, магниголазерным измерениям и выработке практических рекомендаций Соавторы опубликованных работ принимали участие в постановке задачи, обсуждении и интерпретации экспериментальных результатов и написании статей В
опубликованных в соавторстве работах диссертанту принадлежат все принципиальные технические разработки и экспериментальные результаты Апробация работы
Основанные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 22 научных публикациях, в лом числе в двух статьях в научных журналах перечня ВАКа РФ, остальные - в рукописях, депонированных в ВИНИТИ, в трудах и тезисах докладов Всесоюзных, Всероссийских, региональных и международных конференций Они докладывались на Всесоюзных, Всероссийских, региональных и международных научных мероприятиях
II Всесоюзній симпозиум по акустической спектроскопии (Ташкент, 1978),
Всесоюзные конференции "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" (Хабаровск, 1979, 1984 и 1987),
Всесоюзный семинар-симпозиум "Пространственно-временные структуры гидрохимических и гидрофизических характеристик морей" (Таллин, 1981),
Всесоюзный симпозиум "Методика и техника ультразвука" (Каунас, 19S4),
Всесоюзный симпозиум "Применение ультразвука в промышленности и медицине" (Каунас, 1987),
школа-семинар "Применение длиннобазных лазерных интерферометров в геофизике" (Владивосток, 1987),
Всесоюзная конференцій "Применение магнитного резонанса в народном хозяйстве" (Казань, 1988),
II Тихоокеанский симпозиум по морским наукам (Находка, 1988),
15 Международный акустический конгресс (Тронхейм, Норвегия, 1995),
IX Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований» (Москва, 2005) и
- 49 Всероссийская межвузовская конференция (Владивосток, 2006)
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения Общий объем работы составляет 124 страницы компьютерного набора и включает 33 рисунка, 89 наименований цитированной литературы, 1 приложение
