ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ОБЗОР 5
1.1 Ядерный магнитный резонанс 5
1.2 Постоянные магниты 5
1.3 Магнитопроводы 9
1.4 Магнитная сборка Халбаха 10
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 14
2.1 Работа в FEMM 4.2 14
2.2 Моделирование осевой задачи 18
2.3 Влияние магнитопровода в осевой задаче 22
2.4 Исследование плоскостных задач 25
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 30
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 31
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопия) - один из самых мощных аналитических методов исследования деталей молекулярных структур и их динамики. Исследование больших молекул, например, белков, требует высокой чувствительности и высокого спектрального разрешения, которые достигаются в сильных магнитных полях. Эти поля создаются с помощью сверхпроводящих магнитов, которые с каждым годом становятся все больше и сильнее, чтобы исследовать все большие и большие молекулы. Результатами этого технологического усилия стали статичные магниты, которые постоянно установлены в ЯМР-лабораториях. Размеры сверхпроводящих магнитов, их чувствительность к малейшим изменениям внешней среды, стоимость обслуживания и эксплуатации мешают более широкому распространению ЯМР-спектроскопии, например, в производственных условиях, где нужны более простые аппараты для исследования средних молекул.
Прочные ЯМР-магниты могут быть изготовлены из постоянных магнитов, подобных тем, которые использовались для ЯМР-спектроскопии в 60-х и 70-х годах XX века. Но для достижения высокого разрешения для стандартного образца постоянные магниты были такими же большими, как сверхпроводящие магниты сегодня, и весили около сотен килограммов.
Сегодня, используя усовершенствованные постоянные магниты, к примеру, редкоземельные неодимовые магниты, можно достичь высокой однородности получаемого магнитного поля величиной до 2 Тл [1]. Однако, размер магнитов влияет на отношение сигнал-шум [2], что влияет на размер рабочей области, и соответственно, на размеры изучаемых образцов. Такие ЯМР-установки называются портативными, и могут использоваться вне лабораторий. Из недостатков можно выделить высокую чувствительность к температуре. Системы с постоянными магнитами необходимо термостатировать в районе 20-40 градусов Цельсия. [3]
Для сборки систем из постоянных магнитов также используются магнитные сборки Халбаха - особая конфигурация магнитов, характеризующаяся тем, что магнитное поле вне структуры практически отсутствует [4].
Целью данной работы являлся расчет постоянного магнита для компактного ЯМР-спектрометра. Были поставлены следующие задачи: освоение методов моделирования магнитных систем в программе FEMM 4.2, построение и исследование осевых и плоскостных задач и нахождение оптимальной конфигурации постоянного магнита для компактного ЯМР- спектрометра, настроенного на протонный резонанс с частотой 20±1 МГц и неоднородностью магнитного поля на размере образца в 5 мм не хуже 2х10-4.
В данной работе исследовались различные конфигурации постоянных магнитов. Путем решения большого количества осевых задач было найдено несколько решений поставленной задачи, расчета магнита для ЯМР-спектрометра. Для всех найденных конфигураций были найдены значения магнитных полей, а также проведена оценка их однородности. Одновременно с этим было выяснено влияние каждого параметра магнита на характеристики получаемого поля. Более выгодным вариантом была признана конфигурация с параметрами - (h = 40 мм, R = 80 мм, d = 40 мм). Было исследовано влияние магнитопровода на однородность и величину магнитного поля. Также, были приобретены навыки работы в программах FEMM 4.2. Исследование структур Халбаха показало, что наилучшим образом себя ведет система из большого количества магнитов, которое создает требуемое магнитное поле с однородностью на размере образца в 5 мм порядка 0.2х10-4.
В заключение, автор хотел бы поблагодарить А.В. Клочкова - за постановку задачи и непосредственное руководство, А.В. Богайчука - за огромную помощь в работе и М.С. Тагирова - за интерес к работе и контроль над ходом работы.
