Разработка и создание измерительной системы на основе импульсной ЯМР-установки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Серегин, Александр Николаевич

• Серегин, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Серегин, Александр Николаевич

Оглавление.

Обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Теоретические основы эксперимента.

1.1 Ядерный магнетизм.

1.2. Ядерная магнитная восприимчивость.

1.3. Переориентация ядер в поле и магнитный резонанс.

1.4. Блоховское описание магнитного резонанса.

1.5 Оценка величины ЯМР-сигнала.

1.6 Выводы по главе 1.

Глава 2. Схемотехнические решения.

2.1. Общие сведения.

2.1.1 Прямой цифровой синтез.

2.2. Работа приемника.

2.3. Работа передатчика.

2.4. Блок стабилизации.

2.5. Связь с персональным компьютером.

2.6 Выводы по главе 2.

Глава 3. Программные решения.

3.1 Управляющее программное обеспечение.

3.1.1 Обзор архитектурного решения.

3.1.2 Класс «Model».

3.1.3 Класс «Volume».

3.1.4 Класс «Sygnal».

3.1.5 Класс «View».

3.1.6 Класс «Controller».

3.1.7 Описание алгоритма работы приложения.

3.2 Программное обеспечение анализа результатов.

3.3 Выводы по главе 3.

Глава 4. Подготовка и содержание экспериментов.

4.1 Прецизионное определение отношения резонансных частот легчайших ядер.

4.1.1 Описание эксперимента.

4.1.2 Оценка погрешности результатов.

4.1.3 Полученные результаты.

4.2 Исследование спиновой релаксации воды и липидных соединений в живых тканях.

4.2.1 Описание эксперимента.

4.2.2 Определение времени релаксации.

4.2.3 Полученные результаты.

4.3 Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и создание измерительной системы на основе импульсной ЯМР-установки»

Важность точности любых фундаментальных констант сложно переоценить, т.к. вся теоретическая физика построена на вычислениях с участием последних. С каждым годом требования к их точности возрастает в связи с общим развитием науки и техники. Уточнения частот резонансов легчайших ядер (протона, гелия и лития) проводились в истории лишь три раза. Последний раз - в 1989 году, когда уровень технологий был заметно ниже сегодняшнего. Тогда использовался сверхпроводящий ЯМР-спектрометр с полем 6 Тл. В частности, на невысоком уровне было развитие электроники и микропроцессорной техники, благодаря использованию которых в наше время, удалось добиться высокого отношения сигнал/шум, и получить отличную точность для сравнительно небольшого магнитного поля в 2 Тл. Уточнение частот резонансов необходимо, прежде всего, для более точной настройки ЯМР-сканеров, используемых в химии, фармацевтике, биологии, промышленности и медицине. Оба этих направления получили в последние 10 лет очень широкое применение, благодаря возросшей точности и скорости работы.

Актуальность данной работы подтверждается фактом получения гранта Российского Фонда Фундаментальных Исследований (№08-02-13562).

Целью диссертационной работы является разработка ЯМР-спектрометра для решения различных исследовательских задач, в том числе, для прецизионного определения отношения резонансных частот ядер водорода, дейтерия, гелия и лития-7 в рамках исследовательской работы по гранту РФФИ.

Для поставленной цели в диссертации решались следующие основные задачи:

• Разработка малошумящего приемо-передающего устройства для работы с магнитом компании Вгикег.

• Считывание сигнала одновременно с двух ядер для последующего расчета отношения резонансных частот.

• Разработка подсистемы коррекции поля, ориентированной по третьему ядру.

• Уменьшение помех за счет, перехода от смесителей частоты к синтезаторам частоты прямого синтеза (ООБ).

• Разработка универсального приемника, способного настраиваться на частоту любого ядра. Раньше под каждое ядро создавался свой отдельный модуль.

• Разработка переносимого программного обеспечения, не привязанного к определенному персональному компьютеру и не требующее дополнительных аппаратных решений.

• Возможность изменять максимально возможное число переменных параметров системы из программного обеспечения

• Вынесение аналитической и расчетной функциональности в отдельное приложение для возможности работать с результатами исследований вне лаборатории.

В качестве объекта исследования, использованы пробирки с раствором изотопной смеси Н20+020. Для калибровки был использован раствор с узкой спектральной линией: (СНЗ)2СО+(СОЗ)2СО. Поле корректируется по ядрам лития-7, содержащимся в растворе соли 1лС1 в воде.

Разработанная установка может быть использована не только для проведения исследований про гранту РФФИ №08-02-13562, но и для получения точных спектров для исследований и экспериментов разного рода, вне зависимости от исследуемого ядра. Также разработка может применяться в качестве обновления устаревших ЯМР-спектрометров, которых осталось еще не мало как по городу, так и по стране в целом.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации доложены на XXXIX научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых[1] и 6-ой молодежной школе-конференции «Магнитный резонанс и его приложения» [2].

Публикации. По материалам диссертационной работы имеется 6 публикации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 102 стр. машинописного текста, содержит 5 таблиц, 16 рисунков, 4 приложения, 52 формулы, библиография включает 51 наименование.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Серегин, Александр Николаевич

Результаты работы сводятся к следующему:

1. Проведен анализ современных технологий

2. Разработано схемотехническое решение, позволяющее принимать сигнал с магнитной системы, а также подавать на нее сигналы для управления

3. Достигнута точность измерения, сопоставимая с точностью аналогичных исследований на более точных магнитах. Систематическая погрешность измерений составляет 10"8.

4. Общая структура системы позволяет ей работать с любым магнитом, не требуя каких-либо аппаратных доработок.

5. Система может быть программно настроена на работу на любой резонансной частоте в пределах от 0 до 200 МГц с шагом до 0.1 Гц.

6. Управление большинством внутренних настроек измерительной системы производится при помощи программного обеспечения.

7. Программное обеспечение может работать на любом персональном компьютере под оболочкой Windows ХР, Vista, Windows 7 с установленными драйверами.

8. Обработка и просмотр спектров возможны вне лаборатории, благодаря дополнительному программному обеспечению.

Материалы работы докладывались на конференциях:

1. III межвузовская конференция молодых ученых, 10-13 апреля 2006 г.

2. IV межвузовская конференция молодых ученых, 10-13 апреля 2007 г.

3. V Всероссийская конференция молодых ученых, 15-18 апреля 2008 г.

4. 5-я Зимняя молодежная школа-конференция Санкт-Петербургского государственного университета с международным участием «Магнитный резонанс и его приложения», 1-5 декабря 2008г.

5. VI Всероссийская конференция молодых ученых, 14-17 апреля 2009 г.

6. 6-я Зимняя молодежная школа-конференция Санкт-Петербургского государственного университета с международным участием «Магнитный резонанс и его приложения», 30 ноября - 4 декабря 2008г.

7. XXXIX научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, посвященная 110-й годовщине со дня основания Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2-5 февраля 2010 г.

8. VII Всероссийская конференция молодых ученых, 20-23 апреля 2010 г.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Серегин, Александр Николаевич, 2010 год

1. Серегин А.Н. Серегин H.H. Система управления ЯМР-спектрометром // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых / СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010. С. 80-82.

2. Серегин А.Н., Неронов Ю.И., Серегин H.H. Система управления ЯМР-спектрометром. // Материалы 6-ой зимней молодежной школы-конферении "Магнитный резонанс и его приложения" / СПб.: СПбГУ, 2009. С. 110-112.

3. Веселов М.Г. Элементарная квантовая теория атомов и молекул. М., 1955. С. 184.

4. Бородин П.М. (ред.). Ядерный магнитный резонанс. JL: Изд-во ЛГУ, 1982. С. 42.

5. Сликтер Ч. Основы теории магнитного резонанса / 2-е изд., дополн. и исправл.-М., 1981. С. 448.

6. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Краткий курс теоретической физики. Кн. 2: Квантовая механика. М., 1972. С. 368.

7. Абрагам А. Ядерный магнетизм. М., 1963. С. 551.

8. Bloch F., Hansen W.W., Packard M. Nuclear induction // Phys. Rev. 1946. Vol. 69, N P. 127

9. Purcell E.M., Torrey N.C., Pound R.V. Resonance absorption by nuclear magnetic moments in a solid //Phys. Rev. 1946. Vol. 69. N '/2. P. 37-38

10. Ю.Уэбб С. (ред.). Физика визуализации изображений в медицине, т. 2 М.: Мир, 1991. С. 131.

11. П.Квантовая радиофизика: Учеб. Пособие / Под ред. В.И. Чижика. СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 2004. С. 29-33.

12. Фаррар Т., Беккер X. Импульсная и фурье-спектроскопия ЯМР. М., 1973. С. 164.

13. Фролов В.В., Данилов B.JI. Методы получения спиновых изображений // Ядерный магнитный резонанс. Вып. 6. 1981. С. 6-34.

14. Вашман A.A., Пронин И.С. Ядерная магнитная релаксационная спектроскопия. М., 1986. С. 231.

15. Туманов B.C. Введение в теорию спектров ЯМР. -М., 1988. С. 231.

16. Жерновой А.И., Латышев Г.Д. Ядерный магнитный резонанс в протонной жидкости. -М., 1964. С. 270.

17. Чижик В.И. Ядерная магнитная релаксация: Учеб. Пособие. 3-е изд. -СПб: Изд-во С.-Петербургского университета, 2004. С. 55-91.

18. Лундин А.Г., Федин Э.И. ЯМР-спектроскопия. -М.,1986. С. 168.

19. Леше А. Ядерная индукция. М.,1963. С. 684.

20. Федотов М.А. Ядерный магнитный резонанс в растворах неорганических веществ. Новосибирск, 1986. С. 198.

21. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. M., Т. 1: Основные принципы и классические методы. 1983. С. 311.

22. Сизиков B.C. Математические методы обработки результатов измерений: Учебник для вузов. СПб.: Политехника, 2001. С. 38-40.

23. Неронов Ю.И., Гарайбех 3. Ядерный магнитный резонанс в томографии и в спектральных исследованиях тканей головного мозга: Учебное пособие. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2003.

24. Е. Richard Cohen, Barry N.Taylor. The 1986 adjustment of the Fundamental Physical Constants. Codata Bulletin, N. 63, November 1986.

25. Неронов Ю.И., Серегин A.H. Разработка ЯМР спектрометра для прецизионного определения отношения частот резонанса ядер. «Измерительная техника», т.8, 2010. С. 65-70.

26. Серегин А.Н. Серегин H.H. Система управления ЯМР-спектрометром // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых. СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. С. 80-82.

27. Серегин А.Н. Система управления исследовательской установкой «мини-ЯМР томограф» // Материалы 5-й зимней молодежной школы-конферении «Магнитный резонанс и его приложения». СПб: СПбГУ, 2008. С. 74-76.

28. Ридико Jl. DDS: прямой цифровой синтез частоты // Компоненты и технологии, 2001. С. 40-45.

29. Схемотехника: электронный справочник // "Руссобит Паблишинг", 2005.

30. Бейкер Бонни. Что нужно знать цифровому инженеру об аналоговой электронике; пер. с англ. Ю.С. Магды. М.: Додэка-ХХ1, 2010. С. 55-63.

31. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя // Издательский дом "Додэка-ХХГ, 2007.

32. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Classic фирмы «ALMEL». -М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2002. С. 147-172.

33. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы «ATMEL» М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2004. С. 114-117.

34. Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы. -М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2004. С. 157-206.

35. Голубцов М.С. Микроконтроллеры AVR: простого к сложному. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. С. 41-52

36. С. Лазарев, Е. Рогожкин, Ф. Захарук. «Быстрое преобразование Фурье для обработки сигналов в устройствах автоматизации», ж. Современные технологии автоматизации. Выпуск 1/1999. с. 64-66.

37. Архангельский А.Я. Функции С++, С++ Builder 5, API Windows (справочное пособие) M.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2000. С. 71-93

38. Архангельский А.Я. Язык С++, С++ Builder 5 (справочное пособие) М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2000. С. 147-171

39. Dino Esposito. Programming Microsoft ASP.NET МУС // Microsoft Press. 2010. P. 50- 123.

40. Архангельский А.Я. Библиотека С++ Builder 5: 60 управляющих компонентов -М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2000.

41. Архангельский А.Я. Библиотека С++ Builder 5: 70 компонентов ввода/вывода -М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2000.

42. Несвежский В. Программирование аппаратных средств в Windows. -СПб.: БХВ-Петербург, 2004. С. 568-572.

43. Солдатов В.П. Программирование драйверов Windows. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: ООО «Бином-Пресс», 2004.

44. Telles M. Borland C++Builder. High performance // an International Thompson Publishing company, 1997. P. 249-269.

45. Агуров П.В. Интерфейсы USB. Практика использования и программирования. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. С. 11-20.

46. Reisdorph К., Henderson К. Borland C++Builder. Teach yourself // Sams Publishing, 1997. P. 103-133.

47. Ю.И. Неронов, Д.М. Каминкер, X. Мухамадиев. «Исследование влияния изотопного замещения на константу экранирования методом дейтрон-протонной спектроскопии ЯМР», ж. Теоретическая и экспериментальная Химия. Т. 10, в. 2. 1974. С. 215-222.

48. Серегин А.Н. Система управления учебным ЯМР-томографом. // Научно-технический вестник ИТМО. Выпуск 26, 2006. С. 49-51.

49. Серегин А.Н. Система управления учебным ЯМР-томографом. // Научно-технический вестник ИТМО. Выпуск 37, 2007. С. 246-249.

50. Ю.И. Неронов, В. К. Иванов. «Разработка мини ЯМР томографа для учебных и научно-исследовательских целей». Журнал «Научное Приборостроение». 2006, том 16, № 2. С. 51-56.

51. Ю.И. Неронов. Магнитный резонанс в томографии и в спектральных исследованиях тканей живого организма. Учебное пособие. Изд. СПбГУ ИТМО, 2007.