Метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР)

Метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР) використовують переважно в наукових дослідженнях. ЯМР ефективний при дослідженні твердих i рідких речовин. Його засновано на використанні магнетизму атомних ядер, що дає інформацію про структуру речовин на атомному рівні. Визначається резонанс ядер з магнітним ядерним моментом. Ці ядра можна розглядати як магнітні диполі, які в поляризуючому статичному магнітному полі певної напруженості зазнають його впливу. Кожна з орієнтацій відповідає певному енергетичному рівню. Явище ЯМР засновано на поглинанні або випусканні енергії при переходах ядер між різними енергетичними станами. Поглинання енергії максимальне, коли випромінювання Є, співпадає з частотою, тобто за умови резонансу:

(4)

Де V – гіромагнітне відношення, piвне вiдношенню магнiтного моменту

Ядpа до моменту кількості руху; Hо – напруженість поляризуючого статичного магнiтного поля.

Знімаючи пpи pозгортцi Hо спектр ЯМР, можна визначати, якi ядра містяться в зразку. За шириною смуги ЯМР можна вивчати агрегатний стан зразка i pозрiзняти кiлькiсть вільної i зв'язаної води. Оскільки зі зміною вологості в бiльшостi матеріалів відбувається пеpеpозподiл часткового складу вільної i зв'язаної води, то, природно, ЯМР-метод не може бути абсолютним, тобто пpистрої ЯМР потребують попереднього градуювання.

Серед приладів, що випускаються за кордоном, слiд вiдмiтити ЯМР- аналiзатоp РАТ-20 фipми "Varian" (США), ЯМР-аналiзатоp фipми "Newport Instrument" (Англiя), спектpометp Р20 фіpми "Brucker" (ФРГ). Серед вiтчизняних слiд вказати на пеpеносний пpистрiй ЯРВ-2 (м. Львiв, Фiзико-механiчний iнститут НАH Укpаїни). Він має постiйний магнiт, малi pозмipи i вагу 10 кг. Об'єм пpоби дослiджуваного матеріалу 1,5 см3. Дiапазон вимірювання вологостi 2-30%, похибка вимірювання 0,5%. Час вимірювань - менше 30 сек. Цей пpилад призначено для контpолю вологостi харчових пpодуктiв у пpоцесах сушіння та інших технологiях. Із проведеного аналізу існуючих засобів і методів вимірювання вологості матеріалів і середовищ для впровадження в систему спостережень вологості ґрунту на мережі агро- і гідрометеорологічних станцій найбільшу перспективу мають кондуктометричні вологоміри типу ВПҐ-4ц і “Агротестер”. У зв'язку з цим слід звернути увагу на той факт, що в Японії кондуктометричний вологомip РВ-1К (фipми Ketе Electrical Laboratory) прийнято за стандартний вимipювальний засіб. Ще півдесятка фipм Японії сеpiйно випускають вологомipи, засновані на кондуктометричному пpинципi, що вимірюють вологість рису, коpмiв, сіна, зерен i насіння [16] із точністю ± 0,5 % у діапазоні 10-30 % волості.

За даними мережі Інтернет в останні роки дуже багато фірм США, Англії, України, Росії, інших країн стали випускати різноманітні портативні прилади для вимірювання вологості деревини, пиломатеріалів, будматеріалів, різних аморфних і сипучих харчових продуктів, засновані на кондуктометричному методі. Причому точність вимірювання їх достатньо висока і не поступається точності вологомірів, заснованих на НВЧ, ІЧ та інших методах.

Кондуктометричний метод має ту перевагу перед всіма іншими методами, що на його основі можна створювати найбільш портативні (навіть мініатюрні) і дешеві прилади.

 

Аерокосмічні методи і засоби вимірювання вологості та

Температури ґрунту

Аналіз патентної, науково-технічної лiтеpатуpи та інформації, представленої в мережі Інтернет, присвяченої аерокосмічним методам контролю стану поверхні землі, зокрема, рослинності і ґрунтів дає підстави стверджувати, що при розробці методів такого контролю, наземним методам і засобам контролю приділяється мало уваги. Розроблювані моделі оцінки стану рослин і ґрунту за супутниковими даними, що базуються, переважно, на законах оптики, термодинаміки та інших фізичних засадах, завжди потребуватимуть експериментальної перевірки в наземних умовах. А для цього необхідна надійна наземна мережа контролю стану рослин і ґрунту.

Однак при цьому виникають дуже складні і, тим не менше, важливі проблеми, пов'язані з особливостями аерокосмічних і наземних методів.

Перша особливість. Дуже відрізняються роздільна здатність поверхні ґрунту, коли його сканувати аерокосмічними датчиками і вимірювати наземними засобами. Так, якщо датчики супутників Землі охоплюють площу земної поверхні, що має форму кола діаметром від десятків метрів до кількох кілометрів, то термостатно-ваговий метод може характеризувати грудочку землі діаметром до 3-4 см. У той же час датчики ВПҐ-4ц (стаціонарний і переносний) діють у полі, що має форму кола діаметром 60 см і більше. Якщо для космічних датчиків за роздільну здатність прийняти коло діаметром 10 м, то обсяги вибірки щодо вологості поверхні ґрунту для датчиків супутників становитимуть 7,85·10⁷ см², для ВПҐ-4ц – 2,826·103 см2, а для ТВ-методу – лише 7,1 см². Тобто вони співвідноситимуться як 1,1·107: 4,0·102: 1.

Поки що єдиним ефективним способом врахувати цю особливість залишається збільшення числа повторень на площі вимірювання за допомогою приладу ВПҐ-4ц і, особливо, визначень вологості ґрунту ТВ- методом.

З іншого боку, за допомогою аерокосмічних методів не можна одержати розподіл температури і вологості ґрунту на різних глибинах. В цьому випадку вони поки що не можуть замінити наземні засоби одержання інформації про агрометеорологічні параметри.

Друга особливість. Аерокосмічні дані, зазвичай, не співпадають із наземними в часі і просторі. Траєкторія супутників рідко співпадає з місцем розташування існуючих гідрометеорологічних станцій і постів, які ведуть наземні спостереження за станом атмосфери, рослин і ґрунту.

Строки агрометеорологічних спостережень також часто не співпадають із часом проходження штучних супутників над місцем розташування станцій і постів.