Многие атомные ядра обладают собственным моментом количества движения или моментом механического движения (спином) и связанным с ним магнитным моментом.
Момент количества движения — мера вращательного движения тела или системы тел относительно центра или оси. Он измеряется произведением момента инерции на угловую скорость движения (момент инерции — сумма произведений масс всех тел системы на квадраты их расстояний от оси вращения).
Вектор магнитного m и механического J моментов параллельны и связаны между собой соотношением:
m =g * j,где
g — коэффициент, называемый гиромагнитным отношениемядра (g =m/J).
Вследствие теплового движения магнитные момента ядер вещества ориентированы хаотически.
В постоянном магнитном поле Н ядерные моменты в результате взаимодействия друг с другом и с окружавшей средой ориентируются преимущественно в направлении вектора напряженности внешнего поля. Этот процесс называют спин-решетчатой (или термической, или продольной) релаксацией. Он ведет к возникновению макроскопической ядерной намагниченности вещества, которая характеризуется вектором М.
Релаксация — процесс перехода система из неравновесного состояния, вызванного внешними причинами, в равновесное.
Для обнаружения эффектов, связанных с ядерным магнетизмом, необходимы весьма чувствительные методы. Во всех этих методах (и в частности в ЯМК) используется резонансный контур, настроенный на частоту движения ядерных моментов в постоянном магнитном поле. Благодаря такому движению в контуре наводится электрический сигнал, величина которого пропорциональна ядерной намагниченности исследуемого вещества.
Принцип работы резонансного контура следующий. Через катушку индуктивности от генератора протекает переменный ток, частота которого равна частоте прецессия вращения ядер водорода. При наводке в колебательном контуре сигнала от синхронно прецессирующих ядер атомов среды в контуре возникает резонанс, т.е. резко повышается амплитуда сигнала прецессии.
В постоянном магнитном полевектор N прецессируетвокруг направления этого поля с угловой скоростью
w = g * Н,
называемой лармаровской частотой прецессии.
Так как угол q между векторами Н и М остается неизменным, то проекция вектора М на направление поля Н, М также не изменяется во времени. Поэтому вклад в величину сигнала должна давать только ортогональная вектору Н составляющая вектора М — М^, которая вращается вокруг направления поля Н с угловой скорость w:
М^ = М * sin q.
В постоянном и однородном магнитном поле М^ снижается по экспоненциальному закону с течением времени (в 2,73 раза за время спин-спиновой (поперечной релаксации). Этовремя определяется взаимодействием ядерных спинов между собой и окружающей средой.
Если магнитные моменты находятся в неоднородном магнитном поле
Н’ = Н + DН.
то они прецессируют с различными частотами
w¢ = g *(H+DH)= w+Dw и
поперечная составлявшая ядерной намагниченности М^ исчезает со скоростью, пропорциональной величине неоднородности ДН. Поэтому наблюдение сигнала ядерной индукции в сильно неоднородном магнитном поле становится невозможным.
В скважинных условиях создать однородное поле Н в пластах горных пород практически не удается. Поэтому в качестве такого поля (поле прецессии) используют небольшое по величине, но очень однородное магнитное поле Земли Т. Частота прецессии ядерных магнитных моментов дня различных ядер в поле Т определяется величиной g и колеблется в широких пределах. Самая большая величина гиромагнитного отношения — у ядер водорода. Частота прецессии
n = w /2p
ядер водорода в поле Т равна приблизительно 2000 Гц. Величина сигнала Е, наводимого в приемной катушке
Е » N * g3 * (J+1), где
N — число ядерных моментов в единице объема вещества;
j — безразмерный вектор механического момента ядра (проекция вектора J на выбранное направление называют спином ядра).
Из формулы следует, что наиболее подходящими объектамипри исследовании горных пород являются ядра водорода (т.к., во-первых, для них величина g максимальна, а во-вторых, они имеют повышенную концентрацию в горных породах).
Имеется и другая, более важная причина, по которой ЯМК применяют по ядрам водорода. Поперечная составляющая ядерной намагниченности созданной магнитными моментами ядер, входящими в состав твердого тела (или очень вязкого) вещества, исчезает за столь короткий отрезок времени, что не удается зарегистрировать сигнал свободной прецессии (т.е. это время поперечной релаксации примерно равно м 10-4с). Мертвое время аппаратуры ЯМК примерно 20-30 мс (2-3)*10-2 с). В жидкостях механизм разрушенияmj имеет другой характер. Релаксация увеличивается до 1 с (и более).
Так, например, время поперечной релаксации воды без примесей парамагнитных ионов при комнатной температуре составляет примерно 3 с и увеличивается с увеличением температуры, достигая при 100°С 11 с.
Время поперечной релаксации нефти зависят от ее состава, вязкости и температуры. Оно всегда меньше, чем время релаксации воды и в зависимости от перечисленных факторов изменяется от 25 мс до 3 с.
Взаимодействие жидкости со стенками пор, распространяемое в результате диффузии на все молекулы жидкости, обуславливает значительное уменьшение времени релаксации. Поэтому время поперечной релаксации жидкости в мелких порах, которые обычно заполнены водой, меньше мертвого времени аппаратуры ЯМК, и эта жидкость не дает вклада в величину регистрируемого сигнала.
Глинистый раствор также не дает вклада в величину регистрируемого сигнала, т.к. он представляет собой дисперсный раствор с весьма большой суммарной поверхностью глинистых частиц, и взаимодействие молекул воды с ними приводит к уменьшению времени релаксации до значений меньше мертвого времени аппаратуры.
СП — скважинный прибор
И — катушка индуктивности
К — коммутатор
СУ — усилитель скважинного прибора
У — усилитель мощности
П — источник питания
РТ — реле остаточного тока
БУ — блок управления
Д — детектор
ИУ — измерительное устройство
ВУ — вычислительное устройство
Ядерный магнитный резонанс для неспециалистов
