Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Анимация спинового эха, показывающая реакцию спинов (красные стрелки) в синей сфере Блоха на последовательность зеленых импульсов

В магнитном резонансе , A спинового эха является переориентацию спиновой намагниченности с помощью импульса резонансного электромагнитного излучения . [1] Современный ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и магнитно-резонансная томография (МРТ) используют этот эффект.

Сигнал ЯМР, наблюдаемый после начального импульса возбуждения, затухает со временем как из-за спиновой релаксации, так и из-за любых неоднородных эффектов, которые вызывают прецессию различных спинов в образце с разной скоростью. Первый из них, релаксация, приводит к необратимой потере намагниченности. Однако неоднородную дефазировку можно устранить, применив 180-градусный инверсионный импульс, который инвертирует векторы намагниченности. [2] Примеры неоднородных эффектов включают градиент магнитного поля и распределение химических сдвигов . Если импульс инверсии применяется после периода tдефазирования неоднородная эволюция изменится по фазе, чтобы сформировать эхо в момент времени 2 t . В простых случаях интенсивность эха относительно начального сигнала определяется выражением e –2t / T 2, где T 2 - постоянная времени спин-спиновой релаксации. Время эха ( TE ) - это время между импульсом возбуждения и пиком сигнала. [3]

Явления эха - важные особенности когерентной спектроскопии, которые использовались в областях, отличных от магнитного резонанса, включая лазерную спектроскопию [4] и рассеяние нейтронов . Эхо было впервые обнаружено в ядерном магнитном резонансе Эрвином Ханом в 1950 году [5], а спиновые эхо иногда называют эхо Хана . В ядерно - магнитном резонансе и магнитно - резонансной томографии , радиочастотная излучение наиболее часто используются.

В 1972 г. Ф. Мезей представил метод нейтронного рассеяния спинового эха - метод, который можно использовать для изучения магнонов и фононов в монокристаллах. [6] В настоящее время этот метод применяется в исследовательских центрах с использованием трехосевых спектрометров.

В 2020 году две группы продемонстрировали [7] [8], что при сильном связывании ансамбля спинов с резонатором последовательность импульсов Хана приводит не только к одному эхо, но, скорее, к целой серии периодических эхо. В этом процессе первое эхо Хана действует обратно на спины как перефокусирующий импульс, приводя к самостимулированным вторичным эхо-сигналам.

Принцип [ править ]

Эффект спинового эха был обнаружен Эрвином Ханом, когда он применил два последовательных импульса под углом 90 °, разделенных коротким периодом времени, но обнаружил сигнал, эхо, когда импульс не подавался. Это явление спинового эха было объяснено Эрвином Ханом в его статье 1950 г. [5] и развито Карром и Перселлом , указавшими на преимущества использования перефокусирующего импульса 180 ° для второго импульса. [9] Последовательность импульсов можно лучше понять, разбив ее на следующие этапы:

Последовательность спинового эха
  1. Вертикальная красная стрелка - средний магнитный момент группы спинов, например протонов. Все они вертикальны в вертикальном магнитном поле и вращаются вокруг своей длинной оси, но эта иллюстрация находится во вращающейся системе отсчета, где спины в среднем неподвижны.
  2. Был применен импульс под углом 90 градусов, который переворачивает стрелку в горизонтальной плоскости (xy).
  3. Из-за локальных неоднородностей магнитного поля (вариации магнитного поля в разных частях образца, которые постоянны во времени) по мере прецессии чистого момента некоторые спины замедляются из-за более низкой локальной напряженности поля (и поэтому начинают постепенно отставать) в то время как некоторые ускоряются из-за большей напряженности поля и начинают опережать других. Это вызывает затухание сигнала.
  1. Теперь применяется импульс на 180 градусов, так что более медленные вращения опережают основной момент, а быстрые следуют позади.
  2. Постепенно быстрые моменты догоняют основной момент, а медленные моменты смещаются обратно к основному моменту.
  3. Произошла полная перефокусировка, и в это время можно измерить точный эхо-сигнал Т 2 со всеми удаленными эффектами Т 2 * . Совершенно отдельно возврат красной стрелки к вертикали (не показана) будет отражать релаксацию T 1 . 180 градусов - это π радиан, поэтому импульсы 180 ° часто называют π-импульсами.

В этой последовательности используется несколько упрощений: декогеренция не включена, и каждое вращение испытывает идеальные импульсы, в течение которых окружающая среда не обеспечивает растекания. Выше показаны шесть спинов, и они не имеют возможности существенно сдвинуть фазу. Техника спинового эха более полезна, когда вращение сдвинуто по фазе более значительно, как показано на анимации ниже:

Затухание спинового эха [ править ]

Эксперимент по затуханию эха Хана можно использовать для измерения времени спин-спиновой релаксации , как показано на анимации ниже. Размер эхо-сигнала регистрируется для разных интервалов между двумя импульсами. Это выявляет декогеренцию, которая не перефокусируется π-импульсом. В простых случаях измеряется экспоненциальный спад, который описывается временем T 2 .

Стимулированное эхо [ править ]

В статье Хана 1950 г. [5] показано, что еще один метод генерации спинового эха состоит в применении трех последовательных импульсов под углом 90 °. После первого 90-градусного импульса вектор намагниченности расширяется, как описано выше, образуя то, что можно представить как «блин» в плоскости xy. Распространение продолжается в течение некоторого времени , а затем применяется второй импульс под углом 90 °, так что «блин» теперь находится в плоскости xz. Еще через некоторое время применяется третий импульс, и стимулированное эхо наблюдается через некоторое время после последнего импульса.

Фотонное эхо [ править ]

Эхо Хана также наблюдалось на оптических частотах. [4] Для этого на материал с неоднородно уширенным резонансом поглощения подается резонансный свет . Вместо использования двух спиновых состояний в магнитном поле, фотонное эхо использует два энергетических уровня, которые присутствуют в материале даже в нулевом магнитном поле.

См. Также [ править ]

  • Ядерный магнитный резонанс
  • Магнитно-резонансная томография
  • Нейтронное спиновое эхо
  • Электронный парамагнитный резонанс

Ссылки [ править ]

  1. ^ JE Tanner & EO Stejskal (2003). "Ограниченная самодиффузия протонов в коллоидных системах методом импульсного градиента, спинового эха". Журнал химической физики . 49 (4): 1768. Полномочный код : 1968JChPh..49.1768T . DOI : 10.1063 / 1.1670306 .
  2. ^ Малькольм Х. Левитт ; Рэй Фриман (1979). «ЯМР-инверсия населенности с использованием составного импульса». Журнал магнитного резонанса . 33 (2): 473–476. Bibcode : 1979JMagR..33..473L . DOI : 10.1016 / 0022-2364 (79) 90265-8 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  3. ^ Дэн Дж Белл и Дж Юнг. «Эхо времени» . Радиопедия . Проверено 24 сентября 2017 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  4. ^ a b Курнит, Н.А. Абелла, ID; Хартманн, SR (1964). «Наблюдение фотонного эха». Письма с физическим обзором . 13 (19): 567–568. Bibcode : 1964PhRvL..13..567K . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.13.567 .
  5. ^ a b c Хан, EL (1950). «Спиновые отголоски». Физический обзор . 80 (4): 580–594. Bibcode : 1950PhRv ... 80..580H . DOI : 10.1103 / PhysRev.80.580 .
  6. ^ Mezei, F. (1972), "Нейтронное спиновое эхо: новая концепция в методах поляризованных тепловых нейтронов", Zeitschrift für Physik , 255 (2), стр. 146–160.
  7. ^ Weichselbaumer, Стефан; Дзенс, Матиас; Zollitsch, Christoph W .; Брандт, Мартин С .; Роттер, Стефан; Гросс, Рудольф; Хюбль, Ханс (2020). «Эхо-цуги в импульсном электронном спиновом резонансе сильносвязанного спинового ансамбля». Письма с физическим обзором . 125 : 137701. дои : 10,1103 / PhysRevLett.125.137701 .
  8. ^ Дебнат, Каманасиш; Долд, Дэвид; Мортон, Джон JL; Мёльмер, Клаус (2020). "Самостимулированные импульсные эхо-цепи от неоднородно уширенных спиновых ансамблей". Письма с физическим обзором . 125 : 137702. дои : 10,1103 / PhysRevLett.125.137702 .
  9. ^ Карр, HY; Перселл, EM (1954). "Влияние диффузии на свободную прецессию в экспериментах по ядерному магнитному резонансу". Физический обзор . 94 (3): 630–638. Bibcode : 1954PhRv ... 94..630C . DOI : 10.1103 / PhysRev.94.630 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Рэй Фриман (1999). Хореография вращения: основные шаги в ЯМР высокого разрешения . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850481-8.
  • Малькольм Х. Левитт (2001). Спиновая динамика: основы ядерного магнитного резонанса . Вайли. ISBN 978-0-471-48922-1.
  • Артур Швайгер; Гуннар Йешке (2001). Принципы импульсного электронного парамагнитного резонанса . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850634-8.

Внешние ссылки [ править ]

Анимации и симуляции
  • Моделирование спинового эха scratch.mit.edu
  • Анимация показывает последовательности импульсов, такие как последовательность спинового эха.