Snímkování procesu zamrzání a tání vody v pórovitém prostředí pomocí magnetické rezonance

Abstract

Náplní této práce je výzkum pórového prostředí při procesech zamrzání a tání, pomocí snímkování nukleární magnetickou rezonancí (MRI). Dále pak popis experimentu a vyhodnocení získaných snímků pomocí sekvence multi-slice multi-echo (MSME). Experiment byl proveden na MRI skeneru s magnetem 4,7 Tesla, ve vědeckém centru IBG-3 v německém Forschungszentrum Jülich. Snímkovány byly tři druhy pórového materiálu po dvou vzorcích na každý. Získaná data byla vizualizována a analyzována spolu s návazností na teplotní okrajové podmínky. Metodika experimentu byla detailně popsána, aby bylo umožněno co nejvěrnější opakování. Vzorky zpočátku promrzaly rychleji a s přibývající zmrzlou částí se i přírůstky zmenšovaly. Promrzání vzorku mělo pístový charakter. Nejrychleji promrzal jeden ze vzorků směsi písku a půdy. Podobnou rychlostí promrzal i vzorek písku. Zvláštností bylo, že druhý vzorek směsi půdy a písku promrzal výrazně pomaleji než první. Nejpomaleji promrzal vzorek čisté půdy. Průběh tání byl významně kratší, než průběh mražení a fronta tání vytvářela konkávní tvar. Vzorky, které promrzly do hloubky alespoň 3 cm. Při následném tání tály i shora a ve středu horní poloviny vzorku se vytvářela čočka zmrazeného materiálu. Použitá sekvence snímkování MSME se ukázala být plnohodnotně použitelnou pro vzorek písku. U vzorků obsahujících půdu již nezachytila signál vody obsažené v malých pórech, takže bylo podle snímků možné vyhodnotit postup promrzání, ale pro další analýzy by již byla data nedostatečná. Proto byla experimentálně použita i sekvence ZTE (zero time echo), která by měla zachytit i signál vody v malých pórech. Budoucí zpracování dat získaných pomocí ZTE je v této práci pouze nastíněno v diskusi.

The scope of this work is to investigate the pore environment during freezing and thawing processes using nuclear magnetic resonance imaging (MRI). Furthermore, the description of the experiment and the evaluation of the obtained images using a multi-slice multi-echo (MSME) sequence. The experiment was carried out on an MRI scanner with a 4.7 Tesla magnet, at the IBG-3 science center in Forschungszentrum Jülich, Germany. Three types of pore material were imaged, two samples for each. The acquired data were visualized and analyzed together with the relation to the temperature boundary conditions. The methodology of the experiment was described in detail to allow for the most faithful replication. Samples initially froze faster and increments decreased as the frozen portion increased. The freezing of the sample was of a piston-like nature. One of the sand/soil mixture samples froze fastest. The sand sample froze at a similar rate. The second sample of the soil-sand mixture froze significantly slower than the first. The pure soil sample froze the slowest. The thawing time was significantly shorter than the freezing time and the thawing front formed a concave shape. Samples that froze to a depth of at least 3 cm During the subsequent thawing, the top also thawed and a lens of frozen material formed in the centre of the upper half of the sample. The MSME imaging sequence used proved to be fully applicable to the sand sample. For the soil-containing samples, the signal of water contained in the small pores was no longer captured, so that it was possible to assess the freezing progression from the images, but the data would be insufficient for further analysis. Therefore, a zero time echo (ZTE) sequence was also used experimentally to capture the signal of water in small pores. Future processing of the data obtained by ZTE is only outlined in the discussion in this paper.