TU Darmstadt / ULB / TUprints

Field-Cycling NMR bei extrem kleinen Larmor-Frequenzen – Entwicklung und Anwendung

Kresse, Holger Benjamin :
Field-Cycling NMR bei extrem kleinen Larmor-Frequenzen – Entwicklung und Anwendung.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

[img]
Preview
Text
Dissertation_Kresse_2016_.pdf
Available under CC-BY 4.0 International - Creative Commons Attribution 4.0.

Download (4MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Field-Cycling NMR bei extrem kleinen Larmor-Frequenzen – Entwicklung und Anwendung
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wird die Weiterentwicklung des in Darmstadt vorhandenen Field-Cycling (FC) NMR-Magneten zu extrem kleinen Larmor-Frequenzen beschrieben. Das Magnetfeld wird je nach benötigter Stärke von verschiedenen Spulen erzeugt. Dabei werden äußere statische Felder durch drei senkrecht angeordnete, mit konstantem Strom betriebene Spulen kompensiert. Unterhalb von einem Kilohertz 1H Larmor-Frequenz wird das Magnetfeld über einen dreiachsigen Fluxgate-Sensor mit einer weiteren dreidimensionalen Anordnung von Spulen geregelt.

Für Messungen in kleinen Magnetfeldern ist eine direkte Kalibrierung mittels FC NMR nötig, dazu werden verschiedene Methoden vorgestellt: (i) Larmor-Präzession im schräg stehenden Evolutionsfeld, (ii) simultane Messung von Relaxation und Larmor-Frequenz im schräg stehenden Evolutionsfeld sowie (iii) Quermessungen mit und ohne Einstrahlung zusätzlicher magnetischer Wechselfelder.

Das kleinste stabile Feld im Magneten, das mit der FC NMR nachgewiesen werden konnte, hat eine 1H Larmor-Frequenz von 3,4 Hz, was einer Stärke von weniger als 100 nT entspricht. Eine simultane Messung der Spin-Gitter-Relaxation und des Evolutionsfeldes konnte noch bei einer Larmor-Frequenz von 7,2 Hz durchgeführt werden. In Quermessungen unter Einstrahlung zusätzlicher magnetischer Wechselfelder wurden Strukturen des Anregungsprofils der Einstrahlung nachgewiesen, dies weist auf eine hohe Stabilität und Homogenität des Feldes hin.

Die Flüssigkeit Tetradekan bei Raumtemperatur zeigt wie erwartet keine Dispersion der Spin-Gitter-Relaxation bis hinunter zu Larmor-Frequenzen von etwa 7 Hz. Bei Wasser hingegen wurde unterhalb von ungefähr einem Kilohertz eine Frequenzabhängigkeit der Relaxation gemessen, welche auf Protonenaustausch zwischen Wassermolekülen mit verschiedenen Sauerstoffisotopen zurückzuführen ist.

Bei Verwendung einer weiteren Stromquelle von Siemens können Magnetfelder von bis zu zwei Tesla kurzzeitig erzeugt werden. Der Messbereich des FC-Magneten erstreckt sich damit über mehr als sieben Dekaden: Von etwa 7 Hz bis zu 85 MHz.

In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Ernst Rößler, Universität Bayreuth, wurde die Dynamik linearer Polymerschmelzen unter anderen von Polybutadien und Polydimethylsiloxan molekulargewichtsabhängig mit der FC NMR untersucht. Mithilfe von Isotopenverdünnungsexperimenten konnte die intra- und die intermolekulare Relaxation getrennt werden. Aus Letzterer wurde das zeitabhängige segmentale mittlere Verschiebungsquadrat berechnet, welches mit dem vorhergesagten Verhalten in den Regimen I und II des Tube-Reptation-Modells gut übereinstimmt. Durch Ergänzung des mittleren Verschiebungsquadrats auf längerer Zeitskala mithilfe der Feldgradienten NMR konnten alle vier Regime dieses Modells experimentell bestätigt werden.

Zusätzlich wurde die Ionendynamik in metallischem Lithium als Modellsystem mit der 7Li FC NMR untersucht. Durch die Auswertung der Relaxationsraten mit verschiedenen, möglichst einfachen Modellen konnte die Temperaturabhängigkeit der Korrelationszeit bzw. des Diffusionskoeffizienten bestimmt werden. Eine gute Übereinstimmung mit Literaturdaten anderer Messmethoden bestätigt die 7Li FC NMR als geeignetes Verfahren zur Untersuchung von Lithium-Ionendynamik in einem großen Frequenzbereich.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this thesis the further development of the field-cycling (FC) magnet located in Darmstadt down to ultra low Larmor frequencies is described. The magnetic field is generated by different coils depending on the required strength. A three dimensional setup of coils, which are driven by constant current, compensates unwanted static magnetic fields. Employed fields below one kilohertz are controlled by another three orthogonal coils, which are regulated by a three axis fluxgate sensor. A direct field calibration with FC NMR is needed for precise measurements in low magnetic fields. Three different procedures are presented: (i) Larmor precession in a tilted evolution field, (ii) simultaneous measurements of relaxation and Larmor frequency in a tilted evolution field, and (iii) transversal measurements with and without additional irradiation of alternating magnetic fields. The lowest stable field reached and detected by FC NMR has a Larmor frequency of 3.4 Hz according to a field strength below 100 nT. A simultaneous measurement of relaxation and Larmor frequency could be performed at 7.2 Hz. The frequency dependence of a transversal measurement under irradiation of an additional alternating field shows the structure of the excitation profile, which indicates a highly stable and homogeneous field. By using another current source magnetic fields up to two tesla can be temporarily produced. In combination the field range of the magnet covers more than seven decades: From about 7 Hz up to 85 MHz. The dynamics of linear polymer melts polybutadiene and polydimethylsiloxane were investigated among others by FC NMR for different molar masses in cooperation with the group of Ernst Rößler from the University of Bayreuth. The intra- and the intermolecular relaxation was separated by isotope dilution experiments. Thereby, the time dependence of the segmental mean square displacement could be calculated from the intermolecular relaxation, which is in good accordance with the predictions of the tube-reptation model in the regimes I and II. These measurements of the mean square displacement could be extended by field gradient NMR to longer times and thereby all four regimes of the this model could be experimentally confirmed. In addition, the dynamics of lithium ions were studied by using 7Li FC NMR in lithium metal as a model system. The relaxation rates were analyzed by different simple models to extract the temperature dependence of the correlation time and the diffusion coefficient. A good agreement with other methods from literature was discovered. Thus, it can be concluded that 7Li FC NMR is an appropriate method for the investigation of lithium ion dynamics in a wide frequency range.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Experimental Condensed Matter Physics
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Molekulare Dynamik in kondensierter Materie
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Magnetische Kernresonanz
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Polymerdynamik, hydrodynamische Wechselwirkungen, Elektrokinetik, Computersimulationsmethoden
Date Deposited: 12 Dec 2016 10:19
Last Modified: 12 Dec 2016 10:19
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-58240
Referees: Fujara, Prof. Dr. Franz and Rößler, Prof. Dr. Ernst
Refereed: 27 June 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5824
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year