izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2021-11-3-7izmertech-1992Research ArticleФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МЕТРОЛОГИИFUNDAMENTAL PROBLEMS OF METROLOGYИсследование ЯМР-спектров цезия в водных растворах и определение магнитного момента ядра цезия-133Investigation of NMR-spectra of cesium in aqueous solutions and determination of the magnetic moment of the cesium-133 nucleusНероновЮ. И.NeronovYu. I.

Санкт-Петербург

Yuryi I. Neronov

Saint Petersburg

yineronov@mail.ruПронинА. Н.ProninA. N.

Санкт-Петербург

Anton N. Pronin

Saint Petersburg

a.n.pronin@vniim.ruВсероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. МенделееваРоссияD. I. Mendeleev All-Russian Research Institute of MetrologyRussian Federation20212509202301137Copyright © Неронов Ю.И., Пронин А.Н., 20232023Неронов Ю.И., Пронин А.Н.Neronov Y.I., Pronin A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/1992

Рассмотрена проблема повышения точности определения магнитного момента ядра цезия-133, используемого как опорный стандарт при оценивании магнитных свойств короткоживущих изотопов ядер цезия. Экспериментально получены отношения частот резонансов протонов воды и ядер цезия-133 для водных растворов CsF, CsCl и CsNO3 концентрациями 0,1–0,4 моль/кг H2O. В результате одновременной регистрации сигналов ядерного магнитного резонанса протонов воды и ядер цезия-133 минимизированы случайные и систематические неопределенности определения отношения частот резонанса протона воды и цезия до единиц восьмого знака. Проведена экстраполяция содержания солей цезия в воде к нулевым концентрациям. Для одиночных ионов цезия в воде отношение частот резонанса составило 7,6241815(2). Магнитный момент ядра цезия-133, равный 2,58243(12), вычислен с учётом данных для магнитного момента протона, экранирования протонов и ионов цезия в воде и затем сопоставлен с данными других авторов. Исследование растворов солей цезия в воде выявило аномально большую зависимость частоты резонанса ядер цезия от температуры раствора, которая в 12 раз превышает аналогичную зависимость частоты резонанса протонов воды.

The problem of increasing the accuracy of determining the magnetic moment of the cesium-133 nucleus, which is used as a reference standard for determining the magnetic properties of short-lived cesium isotopes, is considered. Experimental results of determining the ratio of the resonance frequencies of water protons and 133Cs nuclei for aqueous solutions of CsF, CsCl and CsNO3 with concentrations from 0.1 to 0.4 Mol/kg H2O are presented. As a result, of the simultaneous registration of nuclear magnetic resonance signals of water protons and cesium-133 nuclei, random and systematic uncertainty in determining the ratio of the resonance frequencies of water and cesium protons to units of the eighth decimal place are minimized. Extrapolation of the content of cesium salts in water to zero concentrations was carried out. For single cesium ions in water, the resonance frequency ratio 7.6241815(2) was determined. The magnetic moment of the cesium-133 nucleus was calculated taking into account the data for the magnetic moment of the proton, the screening of protons in water, and the known data on the screening of cesium ions in water. As a result, the magnetic moment of the cesium-133 nucleus was determined: 2.58243(12), which was compared with the data of other authors. The study of solutions of cesium salts in water revealed an anomalously large dependence of the resonance frequency of cesium nuclei on the solution temperature, which is 12 times higher than the analogous dependence of the resonance frequency of water protons.

ядерные магнитные моментыядро атома цезия-133одновременная регистрация сигналов ядерного магнитного резонансаквантовая радиофизикаnuclear magnetic momentsCesium atom nucleussimultaneous registration of NMR-signalsquantum radiophysicsавторы выражают благодарность Серёгину Николаю Николаевичу за помощь в разработке и настройке электронных модулей, использованных в настоящей работе.the authors are express gratitude to N. N. Seregin for his help in the development and manufacture of electronic modules used in this work.ReferencesCoc A. etal., Nuclear Physics A, 1987, vol. 468, Iss. 1, pp. 1–10. https://doi.org/10.1016/0375-9474(87)90314-9Stone N. J., Atomic Data and Nuclear Data Tables, 2005, vol. 90, no. 1, pp. 75–176. https://doi.org/10.1016/j.adt.2005.04.001Lutz O., Zeitschrift für Naturforschung A, 1968, vol. 23, no. 8, pp. 1202–1209. https://doi.org/10.1515/zna-1968-0815Stone N. J., Table of nuclear magnetic dipole and electric quadrupole moments, IAEA, INDC, Nuclear Data Section Vienna International Centre, Austria, 2014, 171 p.White C. W., Hughes W. M., Hayne G. S., Robinson H. G., Phys. Rev. A, 1973, vol. 7, iss. 3, рp. 1178–1182. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.7.1178Coc A. et al., Nuclear Physics A, 1987, vol. 468, Iss. 1, pp. 1–10. https://doi.org/10.1016/0375-9474(87)90314-9Mohr P. J., Newell D. B., and Taylor B. N., Reviews of Modern Physics, 2016, vol. 88, iss. 3, 035009. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.88.035009Lutz O., Zeitschrift für Naturforschung A, 1968, vol. 23,no. 8, pp. 1202–1209. https://doi.org/10.1515/zna-1968-0815Mooser A., Ulmer S., Blaum K. at al., Nature, 2014, vol. 509, рр. 596–599. https://doi.org/10.1038/nature13388White C. W., Hughes W. M., Hayne G. S., Robinson H. G., Phys. Rev. A, 1973, vol. 7, iss. 3, рp. 1178–1182. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.7.1178Neronov Yu. I., Seregin N. N., Metrologia, 2014, vol. 51, no. 1, рр. 54–60. https://doi.org/10.1088/0026-1394/51/1/54Mohr P. J., Newell D. B., and Taylor B. N., Reviews of Modern Physics, 2016, vol. 88, iss. 3, 035009. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.88.035009Неронов Ю. И. Определение магнитных моментов ядер 6Li и 7Li при одновременной регистрации сигналов двух ядер спектрометром на основе ядерного магнитного резонанса // Измерительная техника. 2020. № 9. С. 3–8. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-9-3-8Mooser A., Ulmer S., Blaum K. at al., Nature, 2014, vol. 509, рр. 596–599. https://doi.org/10.1038/nature13388Неронов Ю. И., Пронин А. Н. Исследование спектров ядерного магнитного резонанса ионов калия в водных растворах и оценка магнитного момента ядра 39K // Измерительная техника. 2021. № 4. С. 3–8. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-4-3-8Neronov Yu. I., Seregin N. N., Metrologia, 2014, vol. 51, no. 1, рр. 54–60. https://doi.org/10.1088/0026-1394/51/1/54Неронов Ю. И., Серегин А. Н. Разработка ЯМР-спектрометра для прецизионного определения отношения частот резонанса ядер // Измерительная техника. 2010. № 8. С. 65–70.Neronov Yu. I., Measurement Techniques, 2020, vol. 63, no. 9, pр. 667–673. https://doi.org/10.1007/s11018-021-01837-0Antušek A., Kędziera D., Kaczmarek-Kędziera A., Jaszuński M., Chem. Phys. Lett., 2012, vol. 532, рр. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2012.02.036Neronov Y. I., Pronin A. N., Measurement Techniques, 2021. https://doi.org/10.1007/s11018-021-01928-yАнсельм А.А., Неронов Ю. И. Ограничение на существование спин-спинового взаимодействия неэлектромагнитного происхождения в опыте по измерению гиромагнитных отношений протона и дейтрона // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1985. Т. 88. № 6. С. 1946–1949.Neronov Y. I., Seregin A. N., Measurement Techniques, 2010, vol. 53, no. 8, рр. 926–935. https://doi.org/10.1007/s11018-010-9600-0Горшков М. В., Неронов Ю. И., Николаев Е. Н., Тарбеев Ю. И., Тальрозе В. Л. Определение магнитного момента ядра атома дейтерия с погрешностью 1,3·10–9 // Доклады Академии наук СССР. 1989. Т. 305. № 6. С. 1362–1364.Antušek A., Kędziera D., Kaczmarek-Kędziera A., Jaszuński M., Chem. Phys. Lett., 2012, vol. 532, рр. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2012.02.036Неронов Ю. И. Определение температурной зависимости экранирования протонов воды и способ оценки температуры живых тканей // Измерительная техника. 2017. № 1. С. 67–70. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2017-1-67-70Ansel`m A. A., Neronov Yu. I., Restrictions on the existence of spin-spin coupling of nonelectromagnetic origin in experiments on the measurement of the gyromagnetic ratios of the proton and deuteron, Sov. Phys. JETP, 1985, vol. 61, no. 6, pp. 1154–1155.Gorshkov M. V., Neronov Yu. I., Nikolaev E. N., Tarbeev Yu. V., Talroze V. L., Determination of the nuclear magnetic moment of a deuterium atom with an accuracy of 1,3·10–9, Doklady AN SSSR, 1989, vol. 61, no. 4, рр. 362–363. (In Russ.)Gorshkov M. V., Neronov Yu. I., Nikolaev E. N., Tarbeev Yu. V., Talroze V. L., Determination of the nuclear magnetic moment of a deuterium atom with an accuracy of 1,3·10–9, Doklady AN SSSR, 1989, vol. 61, no. 4, рр. 362–363. (In Russ.)Neronov Yu. I., Measurement Techniques, 2017, vol. 60, no. 1, pр. 96–102. https://doi.org/10.1007/s11018-017-1156-9Neronov Yu. I., Measurement Techniques, 2017, vol. 60, no. 1, pр. 96–102. https://doi.org/10.1007/s11018-017-1156-9

The authors declare that there are no conflicts of interest present.