. (NMR) תיניערג תיטנגמ הדוהתב יוסינל ךירדת

Transcript

1 1 תדריך לניסוי בתהודה מגנטית גרעינית (NMR). כללי בניסוי זה התלמיד יבצע מדידות הקשורות בתהודה מגנטית גרעינית של מימן במי ברז, במים עם מומס פאראמגנטי, ובחומר פולימרי מוצק (מחק גומי). המדידות תתבצענה בשיטת הפולס. מטרות הניסוי הן ללמד את הכרת נושא התהודה המגנטית הגרעינית, גם מהבחינה התיאורטית, ובעיקר מהבחינה של הכרת שיטות ניסיוניות. כרגיל במעבדה המתקדמת, הדגש מושם על לימוד עצמי וביקורת עצמית. הכנה מוקדמת חומר הרקע מתחלק לשניים. בחלק הראשון התלמיד ילמד להכיר את תופעת התהודה המגנטית באופן עקרוני, כולל משוואות יסוד, מנגנוני הרפיה (רלקסציה), וזמני הרפיה. החלק השני מתמקד באנליזה הקשורה יותר בניסוי, ובמיוחד בשיטת הפולס. סקירה ממצה לשני החלקים קיימת בספרו של [1],Farrar פרקים. 1-4 סקירה מפורטת, במיוחד לאספקטים הניסיוניים, ניתן למצוא בספרם של [2] Reder.Fukushima & ספר יסודי מהבחינה התיאורטית הוא ספרו של [3] Slichter. כמו כן יש ללמוד את המפרטים הטכניים של המערכת הניסיונית ואת המדריך לחיבורים ולתוכנה [4,5,6]. לספרות הפורמלית הנ"ל מתווסף נספח טכני המהווה תוספת לתדריך זה. לאחר לימוד מתאים, התלמיד יוודא לעצמו שהבין את המושגים הרשומים מטה וכן שהשיב על השאלות דלהלן: הקשר הכמותי בין תדירות הפריצסיה של לרמור לבין הפיצול הקוונטי של הרמות. תופעת התהודה המגנטית. גורמים לסטייה מתהודה ולהרחבת קו התהודה. מנגנוני הרפיה וזמני הרפיה. זמני הרפיה אורכיים, T 1 וזמני הרפיה רוחביים, T 2 קשר האי-שיויון ביניהם והסברו. "זמן ההרפיה" הקשור לאי-הומוגניות השדה. משוואות בלוך. מנגנוני הרפית ספין-סריג ומנגנוני הרפית דיפול-דיפול. הסבר מדוע בניסוי זה אנו ממיסים חומר פאראמגנטי במים? על איזה סוגי מנגנוני הרפיה זה אמור להשפיע באופן מרבי, ולמה? למה הוא משפיע גם על הסוג השני? למד את ניתוח הבעיה במערכת המסתובבת בתדר הפריסציה סביב ציר ה- z. נמק למה אנליזה זו ישימה לקונפיגורציה הניסיונית המקובלת, של שדה חזק וקבוע בכיוון ציר, z ושדה חלש ומשתנה בתדר rf בכיוון ציר x (שניהם במערכת המעבדה, בעוד שבאנליזה השדה הרוחבי נלקח כקבוע במערכת המסתובבת). באנליזה הנדונה שדה בכיוון x מפעיל מומנט המסובב את הדיפול במישור y z, ופולס של שדה כזה שזמנו מתאים לסיבוב ב- 90 מעלות, יסובב את הדיפול מכיוון z לכיוון y. איך מצב כזה מתיישב עם העובדה הבסיסית של תורת הקוונטים שההשלכה של ספין של פרוטון בשדה מגנטי (בכיוון z (, תהיה תמיד באחד משני הכיוונים : z+ או z-, ולא בכיוון ביניים? תאר בבהירות את המצב הקוונטי של מערכת פרוטונים (בשדה מגנטי אחיד וחזק בכיוון z), לאחר הפעלת פולס rf של 90 מעלות בכיוון x. כנ"ל לגבי פולס של 180 מעלות.

2 2 התלמיד יעבור ללימוד טכניקות בשיטת הפולסים. מהו סיגנל ה- FID המושרה בסליל לאחר פולס של 90 מעלות? האם קיימת דרישה לעוצמה מינימלית של שדה ה-, rf או שהארכת זמן הפולס תמיד מחפה 0 0 על שדה חלש? הסבר. איך מודדים את T 1 בעזרת סדרת הפולסים 90 τ 180? כעבור זמן t, = T ln לאחר הפעלת הפולס הראשון, מספר הספינים בכיוון z שווה למספר הספינים בכיוון 1 2 הפוך. האם המצב דומה למצב המיידי לאחר הפעלת פולס אחד של? 90 0 אם לא, במה הוא שונה? איך מודדים את T 2 בשיטת ה-? spin ech על איזה מגבלה מתוכננת השיטה הזו להתגבר, ומה הן חסרונותיה? הסבר. באיזה משני הדגמים שיטה הזו תצליח יותר, במחק או במים עם מומס פאראמגנטי? נמק. עבודה ניסיונית הערה: למד את הסעיף הזה ואת הסעיף הבא (עיבוד תוצאות) לפני התחלת העבודה. לפני התחלת העבודה הניסיונית יש ללמוד את מאפייני המכשור ואת אופן הפעלתם מספרי המכשירים. העזר במדריך רק במקרים של תקלות שאינך יכול לפתור באופן עצמאי (או במקרים שיש חשש לגרימת נזק כלשהו). חבר את המערכת לפי השרטוט הבא, ולפי המדריך לחיבורי המערכת :

3 3 הפעל את מרכיבי המערכת. שים לב! יש להזרים מי קירור לפני הפעלת האלקטרומגנט. התחל עם דוגמא של מחק גומי, מקם חתיכות מחק בצינור זכוכית בקוטר המתאים ובכמות מתאימה. שים לב למיקום הדגם בעומק המתאים למרכזו של הסליל. שים לב גם שקוטבי המגנט נמצאים בפער של אינטש אחד (שהוא רוחב קופסת הדגם). לפער קטבים זה עומד לרשותך גרף כיול של השדה המגנטי כנגד זרם האלקטרומגנט. הפעל את התוכנה. NT NMR בחר בסדרה מתוכנתת של 1-pulse, המתאימה לפולס של 90 מעלות, ולתדירות יסוד בסביבת 15. MHz לפני השימוש בסדרה, וודא שאתה מבין את כל מרכיביה. כוון את השדה המגנטי לקבלת אות FID מכסימלי (המתקבל בתהודה). כיוון השדה נעשה באופן חשמלי ע"י שינוי זרם האלקטרומגנט בעזרת ה-. current adjust כיוון עדין נעשה בעזרת כפתורי ה- sweep range וה-. percent f range כאשר ה- sweep mde לא עובד אוטומטית (נמצא במצב (ff כפתור ה- percent f range נותן שינוי ידני של זרם האלקטרומגנט. שים לב שליד התהודה מתקבלות פעימות. אלו הן תנודות שמראות שהמצב קרוב לתהודה. לאחר קבלת התהודה בקרוב, יש לבצע כוונון עדין של התדירות והפזה, תוך היעזרות בהתמרת פורייה של האות ובנספח המתאים. לאחר מכן יש לכיוון את רוחב הפולס לסיבוב של 90 מעלות. מובן שזמן הפולס הנחוץ תלוי באמפליטודת הפולס. בחר ב- att=10, f1 amp=50, ושנה את רוחב הפולס כפרמטר סמי-רציף. התחל מרוחב מינימלי והגדל את רוחב הפולס לקבלת סיגנל FID מקסימלי. המשך להגדיל את רוחב הפולס ובדוק שסיגנל ה- FID קטן. קבע בדיוק המרבי האפשרי את רוחבי הפולסים הנחוצים לסיבובים של 90 מעלות ושל 180 מעלות. עם פולס של 90 מעלות נסה להעריך את זמן הדעיכה של סיגנל ה- FID (בדעיכה אקספוננציאלית, זמן הדעיכה מוגדר כזמן שבו האמפליטודה מגיעה ל- 1- e מערכה המרבי). איזה זמן הרפיה אמור זמן דעיכה זה לייצג? עבור לשיטת ההד ech) (spin למדידת T. 2 הבחן בהד המופיע בזמן 2τ ובקוטביותו. הגדל את τ ובדוק את ירידת עוצמת ההד. ממה נובעת ירידה זו? בצע מספיק מדידות על מנת לקבל את עוצמת ההד כפונקציה של 2τ, בדיוק סביר. 0 0 נסה למדוד את T 1 בשיטת 90 τ 180. כוון את הזמנים של שני הפולסים בנפרד. שנה את זמן ההשהיה במרווחים קטנים, ומדוד את ה- FID כפונקציה של זמן ההשהיה. בצע מספר מספיק גדול של מדידות לקבלת דיוק סביר. מצא את T 1 באופן מקורב, לפני מציאתו בדיוק מרבי בזמן עיבוד התוצאות. שים לב! גם כאן וגם במדידה הבאה זמן המחזור צריך להיות לפחות 5T 1 על מנת לאפשר למערכת לחזור לשיווי משקל לפני כל מחזור. חזור על כל השלבים הניסיוניים לדגם של מי ברז ולדגם של מים עם מומס פאראמגנטי. את סוג וריכוז המומס קבע לפי הנחיות המדריך. שמור על כל התוצאות לשם עיבוד תוצאות. אין צורך לשמור על תוצאות ביניים שהתקבלו בדרך לכיוונים סופיים.

4 4 עיבוד התוצאות בצע את הסעיפים הבאים לכל שלושת הדגמים. אל תשכח לציין בדו"ח את החומר הפאראמגנטי שהמסת במים, ובמידת האפשר את ריכוזו. הערך את השדה המגנטי בתהודה לפי הזרם, וגרף הכיול הנתון לפער פתיחה של אינטש אחד. בדוק אם שדה זה נותן ערך הגיוני ל-, γ כאשר תדירות לרמור היא. 15MHz לפולס יחיד, שרטט את עוצמת סיגנל ה- FID כפונקציה של זמן הפולס, ומצא מכך את הזמנים המתאימים לסיבובים ב- 90 וב- 180 מעלות. על הגרף לכלול מספר מספיק של נקודות ניסיוניות. הסבר איך אתה קובע את הזמנים ואת העוצמות לאור אי-ודאויות וגורמי שגיאה. ספק ככל שניתן תיעוד מדוד. T 2 (כולל * לפולס של 90 מעלות, הערך את זמן הדעיכה של סיגנל ה-. FID מצא מכך ערך מקורב ל- הערכת שגיאה). דון בתוצאות. לקבוצת מדידות ההד בסדרה 180 τ 90, שרטט את עוצמת ההד כפונקציה של זמן T 2 שמצאת בשיטת הפולס * ההשהיה שבין הפולסים. מצא את זמן ההרפיה. T 2 השווה זמן זה לזמן היחיד. דון בהבדל בהקשר המהותי (גם תוך התייחסות לשגיאה). לקבוצת המדידות בסדרה 90 τ 180, שרטט את עוצמת ה- FID כפונקציה של זמן ההשהיה שבין שני הפולסים. על הגרף להיות בעל מספר מספיק של נקודות, לקבלת שגיאה קטנה. מצא את זמן ההרפיה, T 1 מתוך נקודות החיתוך של הגרף עם ציר הזמן. הערך את השגיאה. דון באופן כללי בתוצאות. השווה גם בין התוצאות של החומרים השונים, וגם בין הזמנים השונים לאותו חומר. נספח רשימת ספרות References. 1. T. C. Farrar, Intrductin t Pulse NMR Spectrscpy (Farragut Press, 1989). 2. E. Fukushima & S. B. W. Reder, Experimental Pulse NMR (Addisn-Wesley, 1981). 3. C. P. Slichter, Principles f Magnetic Resnance, 2 nd editin (Springer-Verlag, 1978). 4. V-4005 Varian Electrmagnet, Instructin Manual. 5. Instructin Manual fr 3000 series Linear RF Pulse Amp. (A.M.T. CA, 1997). 6. On Line Instructin Manual fr NT NMR (TecMag. 2000). נספח לתוכנת ה-.NMR

5 5 נספח לתוכנת ה! NMR המדרי& לשימוש בתוכנת הניסוי הוא חלק מהתוכנת ה 0. NT NMR נית. להגיע אליו דר& תפריט ה 0 Help של. NT NMR בנספח זה אנו מביאי 9 תמצית של עצות, פקודות ופרמטרי 9 לעזרת התלמיד. לנספח שלושה חלקי 9 : א. עצות לקבלת הספקטרו 9. ב. קבוצת פקודות שימושיות. ג. קבוצת פרמטרי 9 שימושיי 9. א. עצות לקבלת ספקטרו+. 1. אחרי קבלת ה 0 FID בקרוב, יש לבצע (במידת הצור&) תיקו. קל של ה 0, Freq. Offset ובהמשכו תיקו. הפזה הנדרש. 2. בד"כ אחרי קבלת FID רצוי לבצע את הצעדי 9 הבאי 9 : א. תיקו. של קו בסיס ) פקודה Baseline Crrectin ב 0 ( Baseline Cmmands. ב. תיקו. של פאזה ) פקודה Phase Ajustment ב 0 ( Optins. ג. הזזה של ) FID פקודה Left Shift ב 0 ( Data Manipulatin למספר נקודות המוגדר לפי הנוסחה : pulsewidth + distance between pulses עבור : Slid Ech Dwell ID sum f pulsewidthes + distance between pulses 2 Dwell ID עבור : Hahn Ech ד. לקבל טרנספור 9 פוריה ) פקודת ה 0 Furier Transfrm נמצאתב 0 ( Cmmands. הערה : א 9 בניסוי נמדד רעש חזק ביחס לאות, לפני קבלת הספקטרה רצוי לבצע החלקה של האות בעזרת הכפלה אקספוננטית ) פקודה Exp Multiplicatin בApdizatin0.( Cmmands ב. פקודות שימושיות Acquisitin Cmmands G לבצע מדידות תו& הוספת התוצאות על תוצאות קודמות. Zer and G לבצע מדידות לאחר איפוס תוצאות קודמות. RS לבצע מדידות כאשר לפני כל מחזור מאפסי 9 את התוצאות הקודמות. מציגי 9 כל פע 9 רק תוצאות של מחזור אחד. Get Data לקבל את ה 0 FID על המס& (למשל, אחרי ביצוע של התמרת פורייה).

6 6 Transfrms Furier Transfrm מבצע התמרת פורייה לקבלת ספקטרו 9. Optins 0Phase Adjustment מבצע תיקו. פזה. Apdizatin Cmmands Exp Multiplicatin להחליק את הסיגנל במקרה של רעש חזק (לפני ביצוע התמרת פורייה). Data Manipulatin Prcessing במספר נקודות מוגדר (מספר הנקודות מוגדר ג 9 ב 0 FID מזיז את ה 0 Left Shift בתו& ה 0 ). Dash Bard לביצוע לפני קבלת התמרת פורייה. ג. פרמטרי+ שימושיי+ ב! dashbard Acquisitin Acq. Time מש& הזמ. לביצוע המדידות במחזור אחד. Dwell Time מש& הזמ. לדגימת נקודת מדידה אחת. Pints 1D מספר נקודות הדגימה למחזור אחד. מספר זה מוכפל ב 0,Dwell Time נות. את.Acq. Time. Dwell Time = 1/ SW רוחב פס התדרי 9 לדגימת נקודה. קיי 9 0 SW +/- Filter רוחב הפס של מסנ. תדרי 9 דיגיטלי. Scans 1D מספר מחזורי 9 במדידה, אלא א 9 כ. תבוצע הפסקה ידנית לפני כ.. Frequency Freq. Observe תדירת המדידה. Freq. F1 Base תדירות בסיסית. על בסיס זה מתבצע תיקו. לקבלת תדירות המדידה. Observe = F1 Base Freq.+ F1 Offset Freq. תיקו. לתדירות הבסיס. קיי 9 F1 Offset Freq.. Freq. Sequence 0 Pd זמ. השהייה מתחילת המחזור עד תחילת הפולס. Pw רוחב הפולס. Last Delay השהייה סופית אחרי גמר Acq. Time ולפני תחילת המחזור הבא. F1 amp הגברה של פולס השידור. F1 att מנחת. הערה: הפרמטרי 9 לעיל ה 9 השימושיי 9 ביותר, מבי. רבי 9 אחרי 9. בתפריט Misc. קיימי 9 ג 9 פרמטרי 9 לש 9 תיעוד, כמו סוג הגרעי., השדה המגנטי וכו'.