Ядерный магнитный резонанс (Лабораторная работа 2.3), страница 5

Регистрация спектров методом непрерывной развертки кажется естественной. При этом простой и очевидной представляется идея воздействия на образец монохроматического излучения, частота которого варьируется для локализации максимума поглощения. Почему же в таком случае нам необходимо рассматривать столь неочевидную альтернативу, как импульсное возбуждение? Трудность состоит в том, что в физически достижимых магнитных полях переходы между уровнями ЯМР имеют очень низкую энергию. Она мала даже по сравнению с параметром kТ»0.025 эВ (k - постоянная Больцмана) при комнатной температуре T. Вследствие этого разность заселенностей нижнего и верхнего энергетических уровней весьма незначительна. Соответственно, получаемые нами сигналы слабые. В частности, в данной лабораторной работе амплитуда сигнала с датчика, в который помещен исследуемый образец, составляет несколько микровольт. Во многих случаях амплитуда сигнала незначительно превышают шумы, которые неизбежно возникают в электрических цепях спектрометра.

Одним из способов улучшения отношения сигнал/шум, позволяющим обойти указанные трудности, является накопление и усреднение сигналов: один и тот же спектр можно записать несколько раз. Интенсивность сигналов ЯМР растет пропорционально числу повторений (N). Однако отношение сигнал/шум увеличивается лишь в . Если, например, для записи одного спектра требуется 15 минут, то для улучшения отношения сигнал/шум хотя бы 10 раз, эксперимент придётся растянуть на 25 часов, а за сутки могут сильно измениться условия эксперимента, например, произойдут необратимые химические процессы в образце. Поэтому и возникает необходимость ускорить процесс записи спектра.

Метод спинового эха

В экспериментах, когда высокочастотное поле Н₁ непрерывно действует на образец, находящийся в однородном магнитном поле Н₀, достигается стационарное состояние, при котором взаимно скомпенсированы две противоположные тенденции. С одной стороны, под действием высокочастотного поля Н₁ населенность зеемановских уровней выравнивается, что приводит к размагничиванию системы, а с другой стороны, тепловое движение препятствует этому и восстанавливает больцмановское распределение.

Совершенно иные процессы наблюдаются в тех случаях, когда высокочастотное поле Н₁ включается на короткое время. Практическое осуществление экспериментов подобного рода возможно, поскольку характерные временные параметры электронной аппаратуры малы по сравнению со временем затухания ларморовской прецессии Т₂.

Впервые реакцию системы на импульсы высокочастотного поля наблюдал Хан в 1950г., открыв явление- спиновое эхо. Это открытие положило начало развитию импульсных методов ЯМР.

Возникновение спинового эха ЯМР можно объяснить с помощью следующей модели. Суммарный вектор М намагниченности образца, находящегося в магнитном поле Н₀, прецессирует, вокруг оси z с резонансной частотой . Реальное магнитное поле Н₀ всегда неоднородно, т.е. в некоторых элементарных объемах образца оно больше, в других несколько меньше среднего значения. Следует, однако, иметь в виду, что речь идет о неоднородности на уровне менее 10^-4 H₀! Вектор М состоит из суммы отдельных спиновых компонент, так называемых изохромат, каждая из которых представляет собой совокупность спиновых моментов , вращающихся с одинаковой частотой , где Н_0i- напряженность магнитного поля в данной точке образца. Допустим, что вектор М направлен вдоль оси z (рис. 1.5) и система координат x, у, z вращается вокруг оси z с частотой . Если в момент времени t = 0 приложить вдоль оси х короткий импульс переменного электромагнитного поля Н₁ такой же (резонансной) частоты , то вектор М начнет прецессировать вокруг оси х с угловой скоростью  и за время  действия импульса поля H₁ он отклонится от оси z на угол (в радианах) .

Рис. 1.5. Схема движения вектора намагниченности во вращающейся системе координат х, у, z при действии постоянного неоднородного поля H₀ и импульсов переменного поля Н₁.