Ядерный магнитный резонанс (Лабораторная работа 2.3), страница 6

Импульс поля H₁, действие которого приводит к отклонению М на углы  и , называют соответственно, 90 °-импульсом и 180 °-импульсом. В момент окончания действия 90°-импульса вектор М совпадает с направлением у (рис. 1.6, а). Вследствие всегда имеющейся неоднородности магнитного поля H₀ отдельные спиновые изохроматы будут прецессировать вокруг оси z с индивидуальными частотами  (рис. 1.5). Поэтому после окончания действия импульса Н₁ вектор М постепенно рассыпается в "веер" составляющих его векторов спиновых изохромат (рис. 1.6, б). Этот "веер" можно вновь "собрать" в один вектор, если спустя время  после окончания действия 90°-импульса включить 180°-импульс вдоль оси х, который повернет "веер" векторов спиновых изохромат вокруг этой оси на 180° (рис. 1.6, в; на рис. 1.5 эти векторы обозначены пунктиром). Направление векторов спиновых изохромат и направление их вращения поменяется на обратное. По этой причине через интервал времени t после окончания действия 180°-импульса отдельные спиновые изохроматы вновь соберутся вместе. (т.к. вектор, прецессирующий с частотой  "догонит" вектор с частотой ), но уже оносительно оси () (рис. 2, д). Далее получившийся вектор М, направленный по оси (), под действием неоднородного поля Н₀опять начнет рассыпаться в "веер" спиновых изохромат (рис. 1.6, е).

Рис. 1.6. Схема формирования сигналов свободной индукции и спинового эха в неоднородном поле H₀ при воздействии 90°- и 180°-импульсов: а) - поворот вектора М в плоскость ху 90°-импульсом; б) - рассыпание в "веер" спиновых изохромат; в) - поворот "веера" векторов вокруг оси х 180° -импульсом; г) - собирание спиновых изохромат; д) - появление максимума сигнала спинового эха; е) - исчезновение сигнала спинового эха.

Для качественной иллюстрации эффекта спинового эха можно использовать «модель блина». Пусть по кромке блина ползут с разными скоростями, но в одну и ту же сторону (скажем, по часовой стрелке) муравьи, стартовавшие одновременно из одной точки. К моменту  они разбрелись по всей кромке. Перевернем блин вокруг какого-нибудь диаметра на 180⁰. Пусть муравьи ползут каждый со своей скоростью в том же направлении, что и раньше (по часовой стрелке). Для этого им придется повернуть относительно блина в обратную сторону. Ясно, что в момент  все муравьи соберутся в исходной точке. Потом они опять разбредутся.

Детектирующее устройство в методе спинового эха регистрирует электрический сигнал индукции, наведенный в приемной катушке, причем амплитуда А этого сигнала пропорциональна проекции вектора М на ось у. Поэтому при использовании описанной выше последовательности импульсов (90°--180°) сразу после 90°-импульса регистрируется затухающий сигнал, спад свободной индукции (рассыпание спиновых изохромат), а в момент  (т. к. ) - сигнал спинового эха (собирание спиновых изохромат; рис. 1.6, е). В английском языке для обозначения спада свободной индукции (ССИ) используется аббревиатура FID (Free Induction Decay). При расфазировке изохромат сигнал в приемной катушке становится равным нулю. Теоретически затухание свободной прецессии, возникающее после выключения высокочастотного поля Н₁, впервые было рассмотрено Блохом.

Форма эхо-сигнала, как и форма сигнала ССИ, зависит от временного закона, которому подчиняется рассыпание в "веер" вектора намагниченности. Если магнитное поле неоднородно, то расфазировка происходит быстро и эхо-сигнал будет узким, шириной порядка (γΔΗ₀)^-1.

В жидкостях и газах на форму сигналов ССИ и спинового эха оказывает влияние процесс диффузии.

Метод спинового эха можно использовать как для определения резонансной частоты , так и для измерения времен спин-решеточной (продольной) релаксации T₁ или спин-спиновой (поперечной) релаксации Т₂, обратные величины которых характеризуют скорость релаксации или восстановления нарушенного каким-либо образом теплового равновесия соответственно между системой ядерных спинов и решеткой либо внутри системы спинов.

Для измерения времени Т₂, характеризующего исчезновение намагниченности в плоскости ху, обусловленное неоднородностью поля H₀ и спин-спиновой релаксацией, используют последовательность импульсов 90°--180°. Эту последовательность периодически повторяют, каждый раз увеличивая интервал . Время Т₂ определяют по амплитуде сигналов спинового эха: