Hardware development to increase NMR sensitivity and spectral resolution by novel rf resonators and polarization transfer

par Alexander Philipp Krahn

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Lyndon Emsley.

  • Titre traduit

    Développement d'une technologie permettant d'améliorer la sensibilité, et la résolution spectrale de la RMN, grâce à des résonateurs innovants et au transfert de polarisation


  • Résumé

    Dans cette thèse, de nouvelles méthodes sont analysées afin d’augmenter la sensibilité, faible, du phénomène d’induction nucléaire grâce l’optimisation de l’instrument lui-même et par le couplage au moyen la Polarisation Dynamique Nucléaire (PDN). La première partie, est axée sur la bobine de mesure en contact avec l’échantillon et le circuit de sonde de RMN de l’état solide sous très hauts champs magnétiques. Le principe de réciprocité et les calculs de champ électromagnétique permettent une description physique des bobines ainsi qu’une optimisation de la géométrie des bobines de mesure. Dans ce contexte la problématique des champs électriques limite auxquels sont soumis les échantillons aux fréquences de Larmor élevées est prise en compte. Ce phénomène a toujours posé de sérieuses difficultés au moment de l’irradiation RF par des impulsions de découplage, cause d’une augmentation sensible de la température des échantillons dispersifs. Pour y remédier, des bobines innovantes, appelées LLC (Loop-gap Loaded Coil), issues de l’analyse numérique de la distribution du champ électromagnétique, sont introduites. Elles réduisent la composante électrique de l’onde électromagnétique dans le volume de l’échantillon. Cette étude est illustrée par la comparaison entre la simulation et l’étude expérimentale réalisée dans un champ statique de 16. 4 T. Dans la seconde partie, des résonateurs adaptés sont présentés pour appliquer la technique de la PDN, afin d’augmenter la polarisation des spins nucléaires par transfert de polarisation à travers le couplage des spins électroniques. Le dispositif expérimental mis en oeuvre relève du défi technique et exige la construction de structures doublement résonantes pour travailler aux fréquences de Larmor de l’électron et du noyau simultanément. Une procédure d’ajustement des modes est détaillée, celui-ci permet le calcul de la distribution du champ électromagnétique l’intérieur des cavités cylindriques, en tenant compte explicitement des propriétés diélectriques de l’échantillon. A partir d’un ensemble de modes dans les cavités résonantes, deux structures possibles sont retenues. Elles présentent des avantages complémentaires pour deux approches différentes expérimentales de la PDN. Des données expérimentales préliminaires sont présentées grâce à un prototype expérimental dans un champ statique 0. 35 T et 3. 5 T.


  • Résumé

    In this thesis, methods are investigated to increase the inherently low detection sensitivity of the NMR experiment by an optimization of the detection hardware and by DNP experiments. In the first part, the emphasis is put on the sample coil and the rf circuitry of the NMR probehead, especially for conditions typical in high-field solid-state experiments. Based on a reciprocity principle and by electromagnetic field calculations, generalized coil parameters are derived and used to optimize the geometry of solenoid sample coils. In this context, the problem of fringe electric fields experienced by a sample at high Larmor frequencies is addressed. In the past, this has put severe limitations on the possibility to apply strong decoupling field amplitudes to temperature sensitive and dispersive samples. Resulting from the numerical field analysis of common NMR coils a novel sample coil geometry – the LLC resonator – is presented that significantly reduces the rf electric field in the sample volume. To characterize the novel structure, a comparative numerical and experimental study for a static field of 16. 4 T is demonstrated. In the second part, dedicated resonators are discussed to apply the method of DNP to increase the nuclear spin polarization by polarization transfer from coupled electron spins. The experimental setup of these experiments is challenging and requires the construction of double resonant structures operated at the electron and nuclear Larmor frequencies. An efficient mode-matching method is implemented that allows the calculation of the electromagnetic field distribution inside cylindrical cavities considering explicitly the dielectric properties of the sample. From the set of cavity modes, two potential resonator geometries are derived that are advantageous for two different experimental DNP approaches. Preliminary experimental data are shown that are measured with prototype resonators in a static field of 0. 35 T and 3. 5 T.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (VIII-174 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p 159-172

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Bibliothèque Diderot Sciences (Lyon).
  • Disponible pour le PEB
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.