ПРЕЦИЗИОННАЯ ОЦЕНКА МАГНИТНОГО МОМЕНТА
ЯДРА ГЕЛИЯ-3
Ю. И. НероноваЬ* Н. Н. Серёгина
а Всероссийский иаучио-исслсдоватсльский институт метрологии им. Д. И. Менделеева
190005, Санкт-Петербург, Россия
ь Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики 197101, Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию 19 января 2012 г.
Исследованы ЯМР-спектры от образцов, содержащих смесь дейтероводорода НБ с давлением приблизительно 80 атм и гелия-3 с парциальным давлением около 1 атм. Определено отношение частот резонанса ядер ¿г(лНе)/^(Н:>) = 0.761786594(2), которое равно магнитному моменту ядра гелия-3 (связанного в атоме гелия) в единицах магнитного момента протона (связанного в молекулярном водороде). Неопределенность в две единицы для последней цифры соответствует погрешности в относительных единицах: ¿[¿г(лНе)/^(Н:>)] = 2.6 • Ю-11. При использовании известных расчетных данных об экранировании ядер в атоме гелия-3 <т(лНе) = 59924(2) • Ю-11 и об экранировании протонов в водороде <т(Н:>) = 26288(2) • Ю-11 для свободного магнитного момента ядра гелия-3 в единицах магнитного момента протона следует величина //('"'Не)//',, = —0.761812217(3).
В ядро гелия-3 протоны имеют взаимно противоположную ориентацию спинов и его магнитный момент //.(3Но) приблизительно на 90% определяется магнитным моментом //.„. нейтрона. Разность магнитных моментов //(3Но) —//.„. представляет интерес, поскольку обусловлена проявлением тензорного характера сил нуклон-нуклонного взаимодействия и, соответственно, наличием орбитального движения с угловым моментом L = 1, а также виртуальными распадами. Магнитный момент //(3Но) входит в основной список фундаментальных физических констант [1].
Определению магнитного момента ядра гелия-3 посвящены работы [2 6]. Наиболее близким к настоящему способу регистрации данных является способ, описанный в работе [4], при котором магнитный момент ядра гелия-3 в единицах магнитного момента протона был оценен с погрешностью 2 • Ю-8. При этом в работе [4] было использовано магнитное поле от электромагнита с полем 1.5 Тл, а в образцы с газовой смесыо гелия-3 и водорода добавляли парамагнитный кислород 0-2 с давлением в одну атмо-
E-mail: vinpronov'ñ'mail.ru
сферу для уменьшения времени релаксации ядерной намагниченности инертных атомов гелия-3.
Однако даже при наличии в образце кислорода с давлением в одну атмосферу ЯМР-сигналы регистрировались с дополнительным уширенном до 15 Гц для сигналов гелия-3 и с уширенном до 28 Гц для сигналов от компонент протонного триплета III) [4], что увеличивает погрешность итогового результата.
В настоящей работе в качество приборной основы был использован ЯМР-споктрометр "\VM-400 фирмы «Брукер» с магнитным полем 9.398 Т.п. Регистрация сигналов от ядер гелия-3 в этом спектрометре по предусмотрена. Авторами был изготовлен дополнительный модуль, который содержал два синтезатора. Синтезаторы были собраны на основе микросхем типа АБ9951 и обеспечивали формирование опорных частот. После утроения эти частоты использовались для последовательного возбуждения и регистрации протонных сигналов и сигналов от ядер ге-лия-3:
Н) = 3 • 133378827.572 Гц =
= 400136482.716 Гц, (1)
883
4*
F(3Но) = 3 • 101606178.284 Гц =
= 304818534.852 Гц. (2)
Было изготовлено два образца из стеклянного капилляра с внешним диаметром 5 мм с толщиной стенок 1.2 мм. Предварительно ампулы заполняли водой ЩО на высоту 8 мм. Над водой размещали кристаллы дойторита лития LiD. Для исключения преждевременной химической реакции (H2O+LÍD = = LiüH + HD) кристаллы изолировали от контакта с водой. Далее, ампулы замораживали в жидком азоте и откачивали воздух. Затем ампулы наполняли газообразным голиом-3 (с давлением порядка одной атмосферы) и запаивали. Вес кристаллов LiD был рассчитан так, что после реакции кристаллов с водой ампулы оказывались заполненными дойто-роводородом HD (с давлением около 80 атм) и полностью высушенными. Таким образом, были исключены ЯМР-сигналы от следов воды на внутренних стенках ампул.
Образовавшаяся после реакции щелочь LiüH в виде белых аморфных кристаллов оставалась в ампулах вне зоны регистрации ЯМР-сигналов. Как выяснилось, частота столкновений атомов го-лия-3 с молекулами водорода при давлении около 80 атм оказывается достаточной для формирования спиновой релаксации ядер голия-3, при которой ЯМР-сигналы в течение минуты накапливались с соотношением сигнал/шум «10/1 при периодичности запуска импульсов возбуждения в одну секунду. Таким образом, кислород для уменьшения релаксации не использовался.
Образцы устанавливались в центре более широких ампул с внешним диаметром 10 мм. Кольцевое пространство составной ампулы заполняли тяжелой водой D2O. От ядер дейтерия тяжелой воды возбуждали ЯМР-сигнал и использовали его как для стабилизации резонансных условий, так и для минимизации градиентов магнитного поля в пределах исследуемого образца.
Последовательность регистрации сигналов состояла в следующем. Первоначально синтезаторы формировали частоту F(1H) и в течение 10 с накапливали спектр (триплет) от протонов HD. Затем синтезатор переключали на частоту F(3He), перестраивали приемный контур с частоты 400 МГц на 305 МГц и в течение 5 мин накапливали одиночный сигнал от ядер голия-3. Далее вновь переключались на регистрацию спектра протонов.
Для минимизации возможных систематических отклонений такая процедура повторялась несколько раз при повторных оптимальных настройках спек-
Таблица
dF(3 Но) íiF(HD) F(3Ho)/F(HD) Ds/.b
1422.2(5) 1754.6(4) 0.761786625(2) d2o
1422.0(3) 1752.8(3) 0.761786627(2) d2o
1422.2(3) 1752.8(5) 0.761786627(3) d2o
610.7(4) - 0.761786621(4) d2
тромотра. При этом сам образец оставался в центре магнита, а перестройка регистрации с одного ядра на другое не оказывала заметного влияния на контролируемые показатели работы стабилизатора резонансных условий на ядрах дейтерия.
На рис. 1 представлена типичная пара последовательно накопленных спектров с сигналами от ядер гелия-3 и сигналами от протонов изотопного аналога водорода 111). Давление в ампуле 80 атм) было достаточным для ограничения диффузионного перемещения молекул газа. В результате ширина сигналов гелия-3 составляла 2.7 Гц. При математической обработке спектров ЯМР-сигналы совмещали с контурами Лоренца. Параметры контуров определялись итерационной процедурой при минимизации квадратичных отклонений с использованием действительной и мнимой компонент ЯМР-сигналов, как это описано в работе [7].
Положение ЯМР-сигналов от 3Не и III) нечувствительно к вариациям комнатной температуры. И напротив, частота ЯМР-сигнала Б20 имеет аномально сильную зависимость от температуры образца (как одно из следствий аномального строения воды).
Поскольку поле стабилизировали по сигналу от Б20, температурный дрейф вызывал дрейф магнитного поля и, соответственно, увеличивался разброс данных для отношения частот резонансных сигналов от смеси газов. Регистрацию парных спектров авторы выполняли после стабилизации температурных режимов спектрометра, когда температурные дрейфы образца не могли превышать 0.5 градуса.
В таблице представлены данные обработки четырёх серий спектров. Два первых результата получены для первого образца в разные дни, когда независимо подбирались оптимальные настройки спектрометра. В третьей строке представлен результат для второго образца. Для трех серий спектров отношения частот ^(3Не)/^(НВ) были вычислены по соотношению
й = 0 Ттт
Д3Не) = 304818534.852 Гц + ¿/Д3Не)
Рр = 400136482.716 Гц + с!Рр
Рис.1. Парные спектры ЯМР-сигналов от ядер гелия-3 в диапазоне частот 305 МГц и сигналов дейтероводоро-да в диапазоне 400 МГц. Сплошные кривые — лоренцевы контуры, параметры которых получены в итерационной процедуре при минимизации квадратичных отклонений от экспериментальных точек
Г(3Но) _ Г(3Не) + ¿Щ3Не)
Г(НВ) ~ Г(НВ) + ¿ЩНВ) ' )
где йР{3Не) и йР{НВ) соответствующие разности частот относительно опорных частот (1), (2), которые определялись из анализа парных спектров типа представленных на рис. 1. При этом в таблице показан разброс для частот йР{3Не) и йР{НВ) в сериях. Однако отношения частот вычислялись по парным спектрам (рис. 1), зарегистрированным за минимальное время (около 6 мин) и, соответственно, разброс данных для отношения частот был меньше, чем представленный в таблице разброс в сериях.
Авторы стремились изменять способы регистрации сигналов гелия-3, чтобы выявить и минимизировать наличие возможных систематических отклонений для итогового результата. Поэтому при регистрации данных для четвертой серии тяжелая вода из кольцевого пространства ампул была удалена. Для стабилизации магнитного поля спектрометра был использован сигнал дойтороводорода В2 (в таблице представлены Т)й1ь ядра дейтерия вещества, используемого для режима стабилизации магнитного поля). Тяжелый водород В2 также присутствовал в ампулах из-за реакции изотопного обмена
ЬЮВ + НВ = 1ЛОН + В2
на поверхности щелочных кристаллов.
В этом варианте для удобства регистрации сигналов от ядер гелия-3 была использована опорная частота
Г(3Не) = 3 • 101606202.126 Гц = 304818606.378 Гц.
Преимуществом четвертой серии является то, что в этом случае не требовалось переключать регистрацию сигналов с первого ядра на второе.
Фактически определялось отношение частот ро-зонансов ядер гелия-3 и частоты резонанса дейтронов В2. Частота последнего определялась синтезатором и была точно известна в единицах частоты опорного кварцевого генератора:
/41)'.) = 61423509.2294 Гц. (4)
В отлично от сигнала от В20 положение сигнала от В2 практически не зависит от температурных дрейфов. Однако сигнал от дойтороводорода более широкий (в относительных единицах) и по интенсивности на порядок слабее сигнала воды. Соответствующее увеличение шумового фона увеличивает погрешность данных из-за разброса поля В/,, при котором стабилизатор реализует захват, и большей неопределенности работы оператора спектрометра при регулировках по минимизации градиентов поля.
Для перехода от отношения ^(3Но)/^(В2) к отношению ^(3Не)/^(НБ) б
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.