Transcript Přednáška na 2. minikonferenci - Cesta k vědě

Zprovoznění experimentu
"Elektronspinová a jaderná
magnetické rezonance" pro
pokročilé praktikum
T. Přeučil, J. Kubant
(Gymnázium Jaroslava Seiferta)
Ing. D. Tlustý
(školitel)
Jaderná magnetická
REZONANCE
Jaderná magnetická rezonance
připomenutí
– Týká se spinu jádra atomu tzn. pokud jádro
vystavíme magnetickém poli, tak při určitých
hodnotách frekvence v obvodu začne přijímat
energii - dojde k rezonanci
– Při minulé prezentaci jsme jen poprvé dosáhli
rezonance u dodaného vzorku
Jaderná rezonance
Pokroky v experimentu
• Povedlo se nám dosáhnout rezonance u všech
přiložených vzorků
• Dosáhli jsme rezonance i u vlastních vzorků:
Vody a Nivey
• Proměřili jsme závislost proudu a magnetického
pole v aparatuře
• S pomocí předchozího jsme spočítali g-faktor
glycerinu a teflonu
• Začali jsme pracovat s novým digitálním
osciloskopem, který umožňuje přesnější
výsledky
Jaderná rezonance
Měřené Vzorky
Dodané vzorky:
–
–
–
–
Polystyren H
Glycerin H
PTFE(Teflon)F
Voda H
Jaderná rezonance
Glycerin
Jaderná rezonance
PTFE
(teflon)
Porovnání H2O o různých
množstvích
Larmorova frekvence
Energie fotonu elektromagnetické vlny vyzářené elektronem
při vypnutí magnetického pole je E = hf = mBB . Frekvence
f této vlny se nazývá se Larmorovou a je dána vztahem:
mB B
eB
f 

h
2m
Po numerickém dosazení hodnot pro elektron Larmorova frekvence je
f e  28*109 B
[tesla]
Pro proton (např. jádro vodíku) je Larmorova frekvence dána vztahem
f p  42,7 *106 B
Pro fluor je
f = 40,06 * B MHz
Tento rozdíl vyplývá z rozdílných g–faktorů
Reakce protonů na vnější pole B
B>0
B=0
Náhodná
orientace
spinů
Precese el není fázově sladěna
B
0
Spiny se
uspořádají
Precese se fázově sladí vnějším
polem o Larmorově frekvenci f
B
0
Proměřování magnetického pole v
závislosti na proudu
• Proměřovali jsme po
0,1 A, nejde spočítat
protože závisí na
mnoha faktorech
• Fitovali jsme fcí
sigmoid
a
B
b c exp
dI
e
B [mT]
I [A]
Proměřování magnetického pole v
závislosti na proudu
Jaderná rezonance
Měření G-faktoru
• G úměrný poměru mezi magnetickým
polem a frekvencí při které dochází k
rezonanci (larmontova frekvence)
• G faktor zůstává konstantní
• f=g*(µN/h)B
y
k
x
Jaderná rezonance
G-faktor Fluoru
5,44038 – naměřená hodnota
5,2567 – tabulková hodnota
Jaderná rezonance
G-faktor Vodíku
• Spočítaný g faktor 5,76
• Tabulková hodnota 5,59
Slow a Fast sweep
5MHz
• Aparatura nabízí jen
dvě velikosti základní
frekvence
• Zpočátku jsme
používali jen Fast(,
protože slow sweep
nedokázal osciloskop
rozeznat
30MHz
Jaderná rezonance
V lékařství
Jaderná magnetická rezonance (Nuclear Magnetic
Resonance) se v medicíně používá k zobrazování vnitřní
struktury stavby těla (přibližně od r. 1980). NMR
zobrazuje strukturu tkání v rovinném řezu, který je
veden 3D strukturou.
Polohu tohoto řezu lidským tělem si volí lékař. V
posledních letech se místo NMR ustálil v medicíně název
Magnetic Resonance Imaging (MRI).
Metoda MRI je citlivá na chemické složení biologických
tkání a kosti při zobrazení nijak nepřekážejí.
Jaderná rezonance
V lékařství
• Pro aplikaci NMR v lékařství je podstatný proces
relaxace.
• Relaxací rozumíme proces doznívání signálu po vypnutí pole B, to
je přechod ze stavu, kdy jaderné momenty synchronně rotují kolem
směru B0, zpět do termodynamické rovnováhy. Tedy do stavu bez
precese a se zcela náhodným směrem svého magnetického
momentu.
• Tento proces se charakterizuje tzv. relaxační dobou.
– Pro NMR jsou podstatná relaxační doba spin – mřížková
• Takže pokud například při měření na frekvenci 42,7 MHz můžeme detekovat látky
obsahující vodík. Při měření relaxační doby T1 na frekvenci 10,7 MHz by se detekovaly
látky obsahujících uhlík.
• Lékařské přístroje MRI jsou téměř výhradně orientovány na detekci
a rozlišení tkáni obsahujících vodík.
Jaderná rezonance
V lékařství
• Silné statické pole B0 určující Larmorovu frekvenci se
vytváří ze dvou složek:
– Homogenním pole
– slabší gradientní pole(zajistí, že hodnoty B0 se dosáhne jen v malém
objemu tkáně=Voxel)
• Cívky vytvářející gradientní pole a spolu s nimi voxel
mohou proskenovat zvolenou plochu objektu
Jaderná rezonance
V lékařství
Pole B1 = B sin(2f t) se harmonicky mění s časem t
Larmorovou frekvencí f a je orientováno kolmo na B0.
B0
B1
Rovina skenování
voxelu
Tyto cívky detekují elektromagnetickou vlnu
o frekvenci f a měří její doznívání –
relaxační dobu
Tyto cívky
generují časově
proměnné pole B1
Digitální osciloskop
• Složitý
• Propojení
počítačem
• Přesnost,
efektní
obrázky
Problémy
•
•
•
•
•
•
Zdroj- potřebný stabilní
Nevhodně navržené trubičky
Krev
Nepřesný analog
Sweep fast/slow
Hystereze (naakumulování magnetického
pole a následná nepřesnost měření)
Elektron-spinová magnetická
REZONANCE
Plány do budoucna
•
•
•
•
Dodělat vše s jadernou rezonancí
Sestavit i elektronspinovou aparaturu
Průběžně hledat úkoly pro studenty FJFI
A udělat vše co je nutné k ukončení
projektu Cesta k vědě 
•
Zdrojem nám byla wikipedie a http://physics.muni.cz/~kubena/CTaNMR7Tisk_soubory/frame.htm
Vyhrazeno právo na killvitek