Ячейка для осуществления спектральных измерений методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса при вращении образца вещества под магическим углом

Полезная модель относится к области спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Предложена ячейка для осуществления спектральных измерений, выполненная в виде двух цилиндрических стаканов с герметично закрывающимися крышками, установленных один в другом без зазора между ними, при этом внутренний стакан, содержащий образец вещества, и соответствующая ему крышка выполнены из неметаллического материала, устойчивого к агрессивным средам при рН=0-14, а внешний стакан и соответствующая ему крышка выполнены из неметаллического материала, обладающего жесткостью и температурным коэффициентом расширения, которые достаточны для обеспечения сохранение формы и целостности внешней конструкции в условиях проведения измерений в диапазоне температур от минус 20 до плюс 250°С и давлении до 15 атм. Полезная модель позволяет исследовать образцы веществ при повышенных температурах и давлениях, включая химически агрессивные вещества.

Заявленное техническое решение относится к области устройств, использующихся при обработке и снятии спектров веществ, путем ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Для проведения измерений спектроскопией ЯМР с вращением под магическим углом (ВМУ) обеспечивают вращение образца исследуемого вещества вокруг собственной оси внутри магнитного поля со скоростями более 2000 оборотов в секунду. Данная методика позволяет получать спектры ЯМР высокого разрешения для твердых и вязких образцов. Метод спектроскопии ЯМР ВМУ является количественным, в котором разложение спектров позволяет определить сразу количества определяемого типа атомов в различных неэквивалентных состояниях.

Одним из устройств, необходимых для осуществления этих измерений, является емкость, в которую помещают исследуемое вещество.

Известна конструкция ячейки, используемой для размещения исследуемого образца, которая представляет собой герметично закрывающуюся пробирку, обладающую осевой симметрией (см. например, US 6054857, 25.04.2000 или US 2004. 0178793, 16.09.2004).

Недостатком известных устройств является то, что они позволяют регистрировать спектры ЯМР с вращением под магическим углом только при атмосферном давлении и комнатной температуре.

Конструкции устройств, которые обеспечивают возможность проведения данного вида анализа при повышенной температуре и давлении, из уровня техники не известны.

Задачей настоящей полезной модели является разработка конструкции ячейки для осуществления спектральных измерений методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса при вращении образца вещества под магическим углом, позволяющей исследовать образцы веществ при повышенных температурах и давлениях.

Поставленная задача решается описываемой полезной моделью, представляющей собой ячейку для осуществления спектральных измерений методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса при вращении образца вещества под магическим углом, обладающей осевой симметрией, отличающейся тем, что ячейка выполнена в виде двух цилиндрических стаканов с герметично закрывающимися крышками, установленных один в другом без зазора между ними, при этом внутренний стакан, содержащий образец вещества, и соответствующая ему крышка выполнены из неметаллического материала, устойчивого к агрессивным средам (рН=0-14), а внешний стакан и соответствующая ему крышка выполнены из неметаллического материала, обладающего жесткостью и температурным коэффициентом расширения, обеспечивающими сохранение формы и целостности внешней конструкции в диапазоне температур от минус 20 до плюс 250°C и давлении до 15 атм.

Предпочтительно, внутренний стакан и соответствующая ему крышка выполнены из фторопластов, химически стойких пластиков или керамик.

Предпочтительно, внешний стакан и соответствующая ему крышка выполнены из неметаллического материала, выбранного из полиэфиркетона, полиамидимида или полибензимидазола или керамики.

Предпочтительно, диаметр нижней части крышки внутреннего стакана, входящей в стакан, соответствует внутреннему диаметру упомянутого стакана, а диаметр верхней части равен внешнему диаметру упомянутого стакана.

Предпочтительно, внутренний стакан герметично соединен с крышкой с помощью пайки.

Внутренний стакан может быть также герметично соединен с крышкой с помощью уплотнительного кольца, размещенного в круговом пазе, выполненном в нижней части крышки.

Герметичное соединение внешнего стакана с его крышкой может быть выполнено клеевым, преимущественно, с помощью эпоксидного клея, и/или резьбовым и/или с помощью уплотнительных колец.

Настоящая полезная модель иллюстрируется с помощью фигур 1-6.

На фиг.1 представлен внешний вид предлагаемой ячейки.

На фиг.2 представлен разрез ячейки, содержащий исследуемый образец.

На фиг.3а) представлена конструкция внутреннего стакана и его крышки.

На фиг.3б) представлен вариант конструкции крышки внутреннего стакана с уплотнительным кольцом.

На фиг.4 представлен вариант конструкции внешнего стакана и его крышки.

На фиг.5 представлен вариант конструкции внешнего стакана и его крышки, снабженных резьбовым соединением.

На фиг.6а) и б) представлены возможные варианты конструкции внешнего стакана и крышки, которые герметизированы как резьбовым соединением, так и уплотнительным кольцом.

Ниже приведено подробное описание заявленного устройства и его изготовление.

Внешний вид ячейки 1 представлен на фиг.1 Ячейка 1 содержит внутреннюю конструкцию 3, состоящую из внутреннего стакана 5 и крышки внутреннего стакана 6, и внешнюю конструкцию 4, состоящую из внешнего стакана 7 и крышки внешнего стакана 8. Образец 2 помещают во внутренний стакан 5. После чего внутренний стакан 5 закрывают крышкой 6 и герметизируют пайкой по плотному стыку 9 с помощью горячего воздуха или химических реагентов. Полученную герметичную внутреннюю конструкцию 3 помещают внутрь внешнего стакана 7. Внешний стакан закрывают крышкой 8 и герметизируют с помощью эпоксидного клея, помещаемого в зазор 10. Производят сушку, после чего ячейка готова для использования.

Для обеспечения стабильного вращения внутри ЯМР спектрометра вокруг своей оси, все части полученной ячейки 1, как видно из представленных чертежей, обладают осевой симметрией.

Достигаемый технический результат объясняется следующим.

Основной функцией внутренней конструкции 3 является обеспечение герметичности системы и защита внешних деталей ячейки от химического воздействия исследуемого образца. Внутренний стакан 5 и его крышка 6, изготовленные, например, из фторпласта не подвергаются коррозии и не разлагаются в условиях агрессивной среды (рН=0-14). Материал стакана может плавиться, но без разложения (например, фторопласт-3М). У крышки внутреннего стакана 6, также изготовленной из фторпласта в форме пробки имеются нижняя часть 11, которую вводят в горловину внутреннего стакана 5, и верхняя часть 12, которая накрывает стакан сверху.

Другим вариантом герметизации внутренней конструкции 3 (вариант без проведения пайки) является изготовление внутренней крышки с уплотнительным кольцом 31. В этом случае в части 11 крышки 6 внешнего стакана делают круговой паз 15, внутрь которого вставляют уплотнительное кольцо 16 из резины или иного эластичного материала, устойчивого в условиях проведения эксперимента (например, фторкаучук, перфторкаучук, силикон и другие). В этом случае после помещения образца 2 в стакан 5, крышку 31 вставляют в стакан 5, при этом кольцо 16 обеспечивает необходимую герметичность. При таком варианте герметизации требования по плавкости к материалу внутреннего стакана с крышкой не являются критичными, поэтому могут быть использованы такие химические стойкие пластики, как фторопласт-4 и его аналоги, либо керамика.

Основной функцией внешней конструкции 4 является обеспечение жесткости ячейки и предотвращения ее разрушения из-за разности давлений внутри автоклавной ячейки 1 и снаружи. Кроме того, внешний стакан фиксирует геометрические размеры внутренней конструкции 4 и обеспечивает герметичность. Внешнюю конструкцию 4 изготавливают из неметаллического материала, предпочтительно, из керамики или пластика, которые обладают малым коэффициентом температурного расширения и достаточной жесткостью для того, чтобы обеспечить стабильность размеров и целостность ячейки 1 в условиях эксперимента. Таким свойствами обладают полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), полиамидимид (ПАИ), полибензимидазол (ПБИ) и некоторые другие полимерные и керамические материалы.

У крышки внешнего стакана 8 имеются нижняя часть 13, которую вводят в горловину внешнего стакана 7, и верхняя часть 14, которая накрывает стакан сверху. Наличие части 14 позволяет повысить площадь, по которой производят склеивание стакана 7 с крышкой 8.

Дополнительная степень герметизации соединения между внешним стаканом 7 и его крышкой 8 может быть достигнута с помощью введения дополнительного резьбового соединения 17, 18. В этом случае внутри внешнего стакана 21 сверху нарезают внутреннюю резьбу 18, а на крышке внешнего стакана 20 нарезают внешнюю резьбу 17. Крышку 20 ввинчивают в стакан 21 при одновременном использовании клеевого соединения. Таким образом, обеспечивают дополнительное сцепление и герметичность конструкции. В этом случае верхняя часть крышки 14 не является обязательной деталью. Для удобства сбора конструкции в крышке 20 выполнена канавка 19. Возможно также наличие и других вспомогательных выступов или канавок в крышке 20. Однако данные детали не являются существенными для решения поставленной задачи.

Еще одним возможным способом герметизации внешней конструкции 4, является использование вместо клея уплотнительных колец. При этом возможно два варианта соединения.

В первом варианте уплотнительное кольцо 23 с внешним диаметром чуть больше, чем внутренний диаметр стакана 24, помещают в предварительно вставленную во внешний стакан 21 подготовленную внутреннюю конструкцию 3. На модифицированной крышке 22, снизу выполнен конусный выступ 32, который при вкручивании зажимает кольцо 23 между крышкой 22, стенками внешнего стакана 21 и вставленной в него внутренней конструкцией 3, что и обеспечивает герметичность внешней конструкции.

Во втором варианте крышка внешнего стакана 33 состоит нижней части 35, которая входит внутрь внешнего стакана 25, и верхней части 34, которая накрывает стакан 25 сверху. В нижней части 35 выполнен круговой паз 28, внутрь которого вставлено уплотнительное кольцо 27. На оставшейся поверхности нижней части, нарезана внешняя резьба 29. Внутри внешнего стакана 25 на расстоянии равном диаметру сечения уплотнительного кольца 27, нарезана резьба 30, а сверху от края внутреннего стакана 25 до начала резьбы 30 подготовлена гладкая поверхность 26, в которую упирается кольцо 27, обеспечивая герметичность внешней конструкции.

Следует отметить, что в принципе возможны использование различных способов герметизации заявленной ячейки с использованием разных конструктивных элементов.

Существенным для решения поставленной задачи и достижения заявленого технического результата является обеспечение герметичности ячейки, состоящей из двух стаканов с крышками, вставленных один в другой, а также выполнение внутреннего стакана с крышкой из неметаллического материала, устойчивого в агрессивной среде (рН=0-14), и внешнего стакана с крышкой из неметаллического материала, обладающего жесткостью и температурным коэффициентом расширения, которые обеспечивают сохранение формы и целостности внешней конструкции в условиях проведения исследований.

Подготовка к проведению анализа состоит из следующих стадий:

1) Помещение образца анализируемого вещества во внутренний стакан;

2) Герметизация внутреннего стакана;

3) Помещение внутреннего стакана во внешний стакан;

4) Герметизация внешнего стакана,

Следует отметить, что герметизацию ячейки с образцом можно проводить как при атмосферном давлении, так и при повышенном внешнем давлении. Необходимое рабочее давление внутри автоклавной ячейки достигается ее нагреванием или иным доступным способом. Нагревание образца до требуемой температуры может осуществляться как снаружи спектрометра, так и внутри спектрометра и датчика.

Подготовленную ячейку с образцом помещают в соответствующий ВМУ ЯМР ротор и приступают к съемке спектров известным способом.

Преимущества заявленной конструкции ячейки заключаются в возможности проведения измерений спектроскопией ЯМР с вращением под магическим углом при температурах образца до 250°С, давлении над образцом до 50 атм, при скоростях вращения до 10000 оборотов в секунду и расширение спектра анализируемых веществ, включая едкие и химически агрессивные вещества.

1. Ячейка для осуществления спектральных измерений методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса при вращении образца вещества под магическим углом, обладающая осевой симметрией, отличающаяся тем, что ячейка выполнена в виде двух цилиндрических стаканов с герметично закрывающимися крышками, установленных один в другом без зазора между ними, при этом внутренний стакан, содержащий образец вещества, и соответствующая ему крышка выполнены из неметаллического материала, устойчивого к агрессивным средам при pH 0-14, а внешний стакан и соответствующая ему крышка выполнены из неметаллического материала, обладающего жесткостью и температурным коэффициентом расширения, обеспечивающими сохранение формы и целостности внешней конструкции в диапазоне температур от минус 20 до плюс 250°C и давлении до 15 атм.

2. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что внутренний стакан и соответствующая ему крышка выполнены из фторпластов, химически стойких пластиков или керамик.

3. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что внешний стакан и соответствующая ему крышка выполнены из материала, выбранного из полиэфиркетона, полиамидимида, полибензимидазола или керамики.

4. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что диаметр нижней части крышки внутреннего стакана, входящей в стакан, соответствует внутреннему диаметру упомянутого стакана, а диаметр верхней части крышки внутреннего стакана равен внешнему диаметру упомянутого стакана.

5. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что внутренний стакан герметично соединен с крышкой с помощью пайки.

6. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что внутренний стакан герметично соединен с крышкой с помощью уплотнительного кольца, размещенного в круговом пазу, выполненном в нижней части крышки.

7. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что герметичное соединение внешнего стакана с его крышкой выполнено клеевым способом, преимущественно с помощью эпоксидного клея.

8. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что герметичное соединение внешнего стакана с его крышкой выполнено резьбовым способом.

9. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что герметичное соединение внешнего стакана с его крышкой выполнено с помощью уплотнительных колец.