Лекционный курс «Экспериментальные методы физических исследований»

Лекционный курс
«Экспериментальные
методы физических
исследований»
Раздел
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
ТЕМА:
МЕТОД ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО
РЕЗОНАНСА
(ЯМР)
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР
Величина магнитного момента ядра 
определяется значением
спинового квантового числа («спина») J
У ядер с четным массовым числом А
и с четным зарядовым числом Z
J=0
и магнитные свойства
не проявляются
 J
Ядра с четным массовым числом А
но с нечетным зарядовым числом Z
обладают целочисленным спином
J = 1, 2, 3, ….
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР
У ядер с нечетным массовым числом А
J = 1/2
Нефтегазовые среды исследуют,
используя магнитные свойства ядер
1Н
и
13С
99 % ядер углерода в природе
составляют ядра 12С
со спином J = 0
УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯМР

Энергия взаимодействия
атомных ядер
с магнитным полем B0
определяется вектором
магнитного момента 
Вектора магнитных
моментов
прецессируют
вокруг линий поля

В0
УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯМР
Для ядер 1Н и 13С
со спином 1/2
возможны два значения (уровня) энергии :
Энергия минимальна,
когда вектора  и В0
примерно параллельны
и максимальна,
когда вектора  и В0
примерно антипараллельны
В0
УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯМР
Разность энергий
двух уровней :
E = h  B0
 - гиромагнитное
отношение
(для водорода
 = 42.58 MГц / Тл )
УПРОЩЕННАЯ МОДЕЛЬ ЯМР
Изменения ориентации ядер
(переходы между уровнями энергии)
возможны в результате
поглощения квантов
высокочастотного (В.Ч.)
электромагнитного поля h
Резонансное усиление поглощения В.Ч. поля
происходит при совпадении энергии квантов
с разностью уровней магнитной энергии
hрез = h  B0
Устройство ЯМР - приборов
Катушка
(электромагнит)
постоянного
поля В0.
B1
Катушка
В.Ч.
поля В1
Образец
Bo
ee-
ЯМР-спектрометр BS TESLA
Общий вид
Электромагнит с образцом
ЯМР спектрометр-релаксометр
Блок
управления
ЭВМ
В.Ч. поле
до 400 МГц
Сверхпроводящий
магнит
В0=94000 Гаусс
ЯМР - СПЕКТРОСКОПИЯ
У ядер, входящих в молекулу вещества (жидкости)
уровни магнитной энергии
(значения резонансных частот рез )
изменяются
за счет взаимодействия с ядрами других атомов
(химический сдвиг)
Поглощенная
энергия В.Ч.
поля
Частота В.Ч. поля
Спектр
ЯМР
1Н
в молекуле
СН2СН3
ЯМР - РЕЛАКСОМЕТРИЯ
Частота В.Ч. поля постоянна и равна резонансной частоте
ядер 1Н
или
ядер 13С
Создают короткие импульсы В.Ч. поля,
переводящие систему ядер в возбужденное
состояние
После окончания В.Ч. импульса происходит переход ядер
в основное состояние
( РЕЛАКСАЦИЯ)
С течением времени число ядер
в возбужденном
состоянии убывает по закону :
N=N0e-t/T
T - время релаксации
ЯМР - РЕЛАКСОМЕТРИЯ
ПРИ РЕЛАКСАЦИИ :
Намагниченность образца M
в направлении, параллельном линиям поля В0
возрастает по закону :
M = М0 [1 - exp( -t/T1)]
Намагниченность образца M
в направлении, перпендикулярном линиям поля В0
(параллельном линиям В.Ч. поля В1)
убывает по закону :
M= М0 exp( -t/T2)]
ЯМР - РЕЛАКСОМЕТРИЯ
Т1 - время
продольной
(спин-решеточной)
релаксации
M
T1
Т2 - время
поперечной
(спин-спиновой)
релаксации
M
T2
Время
ЯМР релаксометрия
смеси пластовых флюидов
0,12
Crude
sat.
НЕФТЬ
Brine
sat.
РАССОЛ
Normalized amplitude
0,1
НЕФТЬ
+ РАССОЛ
Crude
+ brine
0,08
0,06
0,04
0,02
0
1
10
100
1000
Time (ms)
Время релаксации
Т2 ( мс )
10000
ЯМР
релаксометрия
флюидов
в порах
коллектора
Исследуются керны,
насыщаемые нефтями
и пластовыми
водами (рассолами)
ЯМР
релаксометрия
флюидов
в порах
коллектора
Связанная вода
Свободная вода
ЯМР релаксометрия дает сведения
о характере смачивания коллекторов
СМАЧИВАНИЕ
ВОДОЙ
ВОДА
НЕФТЬ
ПОРОДА
СМАЧИВАНИЕ
НЕФТЬЮ
ЯМР релаксометрия дает сведения
о формировании В/Н эмульсий
внутри пористых коллекторов
Функции распределения времен поперечной ЯМР – релаксации
на различных участках модели водосодержащего нефтяного пласта
ЯМР релаксометрия
позволяет получать
томографические изображения
Т1 релаксация
Т2 релаксация
ЯМР - изображение
распределения флюидов в
поровом пространстве
коллекторов
Прибор ЯМР - каротажа
фирмы Schlumberger
Материал - с сайта http://www.slb.com/seed/ru/watch/nmr/tool.htm
Результаты
ЯМР - каротажа
фирмы
Schlumberger
глубина скважины в футах
(6410 футов  2 км)
Материал - с сайта http://www.slb.com/seed/ru/watch/nmr/log.htm