参加“圣彼得堡国立大学创新-2018”比赛的参赛者创造了一种能够利用核磁共振(NMR)现象分析液体成分和性质的设备。

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这一新的设备价格比国外类似的设备价格低两倍,可以用于研究石油乳化水、水溶液,确定产品中氢原子或者水分子的含量。另外,它可以帮助识别储存在密封非磁性金属容器中的液体种类。

该设备的主要优点是成本低。如今在世界上只能买到两种类似的设备:新西兰的设备为20000美元;美国的设备为10000美元。而根据未来生产情况预算,俄罗斯该设备的价格将降低几倍,仅30万卢布。同时该设备具有非常广泛的应用范围:可用于食品,化学或石油工业。

该设备的传感器是一个边长为40厘米的立方体,其壁由非磁性金属铝和铜制成,这有助于减少电磁干扰。在立方体内部有一个感应线圈,用来放置测试物质的样本。样本暴露于强磁场几秒钟,然后在微弱的无线电脉冲下几毫秒。最后,物质的核发出无线电信号,通过计算机将其转换成光谱。这个谱图有它自己的本质特征,所以研究人员就可以像用指纹识别人那样识别这些物质。

核磁共振光谱仪的主要部分通常是具有非常均匀的场的大而强的超导磁体。创建和维护它非常困难,所以这种设备非常昂贵。然而,参赛队的队长物理与数学科学副博士巴维尔·库普利亚诺夫在与核物理研究法教研室的工作人员合作中,发明了一种新的设备,在该设备中这个元件被最易得的磁铁取代了,那就是地球。

地球的场真的是给予我们的礼物。地球表面的磁场线是平行的,所以磁场非常均匀。

物理与数学科学副博士巴维尔·库普利亚诺夫

“但是在实验室工作室也遇到了一系列的问题:地球磁场由于墙壁、电脑、办公设备、以及其他金属物体而发生扭曲。因此,在传感器的骨架上要额外布置线圈,来校正非均匀的场。此外,位于相邻区域的不同设备会产生电磁干扰,这个问题需要铜和铝组成的立方体来解决”,物理学家解释道。

但是巴维尔说,最大的问题是变化的磁场叠加在地球磁场上,这就需要强大的电力设备和电力运输。他们会对核磁共振光谱仪的质量产生强烈影响。圣彼得堡国立大学的物理学家们已经成功解决了这个问题,他们在系统中加入了第二个核磁共振传感器,这个传感器的信号用于校正光谱。使用第二个传感器获取地球磁场核磁共振光谱的方法最近获得了专利,专利的作者正是巴维尔和他的导师圣彼得堡国立大学教授物理与数学博士弗拉基米尔·齐日克。

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该设备还有一个有趣的特点是能够分析由非磁性金属(铝,铜,锌等)制成的薄金属容器内的液体。这将是非常有用的功能,例如,用于情报工作:如果怀疑有人在人群聚集的地方带入了禁止液体,用这种方法就可以判断一个封闭的啤酒罐中装的东西。

巴维尔·库普利亚诺夫说,虽然这些设备通常用于大学的实验室,来帮助学生们了解核磁共振现象;但是地球的核磁共振可以加以利用,以及用于磁场的科学研究。例如,新西兰的专家们利用核磁共振技术研究了南极冰层中的海水含量,而乌拉尔的科学家们利用它在没有钻探的情况下探测地下水。

如今在弗拉基米尔·齐日克的指导下该项目中还有以下成员:

物理学博士研究生安德烈·秋金

应用物理与数学专业本科生维罗妮卡·马蒙托娃

化学专业硕士研究生瓦莱里娅·巴兰娜乌斯卡娅

管理学本科生斯维特兰娜·苏坡兰诺维奇

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到五月竞赛结束时该团队计划推出新的设备,该设备比目前的版本小几倍。它将被设计用于学生的实验室工作,也可以用于根据核磁共振光谱分析液体的组成。该团队的成员们十分关心他们的设备在未来食品工业、安全行业、建筑公司、分析实验室、勘探部门、情报部门、医疗中心及其他机构的发展。