Если в начальный момент Яо=0, энергетические уровни имеют одинаковую населенность При бы-

стром изменении напряженности поля с О до Яо приближение системы к состоянию равновесия сопровождается перераспределением населенности энергетических уровней и обменом энергии между системой ядер (спиновой системой) и окружающей средой; этот процесс имеет релаксационный характер и описывается уравнением

M,=Mo[l-expi-t/T,)l

где t - время; - время продольной (спин-решеточной) релаксадии.

При одновременном действии постоянного поля Яо в направлении z и радиочастотного поля, поляризованного в плоскости X, у, перпендикулярной z, переходный процесс для поперечной составляющей намагниченности также носит релаксационный характер:

где Гг -время поперечной (спин-спиновой) релаксации, характеризующее скорость обмена энертией между ядрами.

Величины Ti и Гг имеют существенное значение для влагомеров ЯМР. У жидкостей Ti и Гг почти равны и имеют величину в несколько секунд (для воды Ti = T2= = 2,7 сек). У твердых тел Гг может иметь очень малую величину (10-*-10-5 сек), в то время как Ti равно секундам или даже минутам; для льда Гг=10 мксек.

Перейдем к рассмотрению техники и аппаратуры, используемых для измерений влажности.

Известны различные способы наблюдения резонанса; для измерений влажности обычно используют однока-тушечные детекторы поглощения, у которых катушка служит одновременно для создания поля и выявления резонанса. Для измерения параметров катушки индуктивности при возникновении резонанса используются различные схемы Л. 5-7].

Катушка совместно с измерительной схемой составляют спин-детектор, т. е. первичный преобразователь влагомера ЯМР, преобразующий влажность в выходной сигнал.

Информацию о числе протонов в исследуемом образце несет резонансный сигнал, получаемый в виде выходного напряжения спин-детектора. Для выделения сиг-

налов ЯМР им придают периодический характер посредством модуляции (чаще всего синусоидальной) магнитного поля постоянного магнита при помощи катушек, питаемых генератором звуковой частоты. В этих условиях осуществляется амплитудная модуляция напряжения на колебательнцм контуре. Детектированное и усиленное напряжение с выхода спин-детектора подается в простейшем случае на вертикальные отклоняющие пластины электронного осциллографа, развертка которого синхро-низировапа с частотой модуляции. Для анализа используются различные параметры сигналов ЯМР, в частности параметры одной линии поглощения. Спектр поглощения описывается функциями /p=/(v) при Яо=const или Ip = F{H) при v = const, где /р - поглощение высокочастотной энергии. Линию поглощения можно характеризовать пиковой амплитудой /рмакс или шириной линии АН, соответствующей 0,5 /рмакс; эти величины показаны на рис. 5-4,а для чистой воды. При измерениях влажности на линию поглощения сильно влияет агрегатное состояние вещества. Жидкости, как правило, имеют очень узкие линии поглощения {АН-10" тл), твердые тела - значительно более широкие (около 10 .тл). Линию поглощения вещества, содержащего водород не только в воде, но и в твердой фазе (рис. 5-4,6), можно рассматривать как результат наложения двух линий 1 а 2, симметричных относительно Vo. Линия поглощения 2 протонов твердого вещества, ограниченных в своем, движении, широка и полога; более подвижные протоны жидкости дают узкую и острую линию поглощения 1. При

Рис. 5-4. Линии ядерного магнитного резонансного поглощения в воде (а) и твердых влажных материалах (б и е).

6 - кривая П01 .лощения; е - первая производная <(ривой поглощения.

Ho,V

Измерений влажности рассматриваемого материала возникает задача выделения узкого (полезного) сд1гнала iia фоне широкого, являющегося помехой. Отношение полезного сигнала к шуму уменьшается с понижением влагосодержания, и разделение сигналов особенно важно при низких влагосодержаниях.

Для решения этой задачи используется несколько способов. Дифференциальное измерение заключается в регистрации ее функции поглощения, а ее первой производной (Яо); форма последней кривой показана

на рис. 5-4,в. Влажность оценивают по двойной амплитуде пика А дифференциальной кривой поглощения, на которую поглощение в твердой фазе образца оказывает лишь ничтожное влияние.

Другой способ OCHOBaH на использовании интенсивности гармонических составляющих сигнала ЯМР. При синусоидальной модуляции магнитного поля можно выделить с помощью избирательных цецей любую из гармоник сигнала. Для ослабления влияния широкого сигнала измере-ние вьгаолняется по интенсивности (амплитуде) второй гармоники при выборе амплитуды модуляции, близкой к ширине ЛЯ узкого сигнала и значительно меньшей, чем величина ЛН широкого сигнала. Амплитуда второй гармоники достигает максимума при точной настройке На резонанс.

В измерениях влажности можно использовать также ширину сигнала ДЯ, связанную, как и пиковая амплитуда, со временем поперечной релаксации Гг: ДЯ= ===1/2 Гг. При понижении влажности линия поглощения становится более широкой.

Преимущество этого способа - независимость величины АЯ (при постоянной влажности) от массы исследуемого образца. В то же время возникают повышенные требования к аппаратуре - высокая однородность магнитного поля в объеме образца и высокая чувствительность. В связи с этим измерение по ширине сигнала ЯМР нашло ограниченное применение.

Параметром резонансного сигнала, учитывающим одновременно его максимальное значение и ширину, является «интегральная интенсивность», пропорциональная площади, ограниченной кривой поглощения и осью абсцисс. Этот показатель при известных условиях не за-