Импульсный способ регистрации ядерного магнитного резонанса

В зависимости от метода приложения переменного магнитного поля различают стационарный и импульсный способы регистрации магнитного резонанса.

Основной экспериментальной методикой наблюдения ядерного магнитного резонанса в настоящее время является импульсный способ, который состоит в том, что на образец воздействуют переменным магнитным полем в виде коротких радиоимпульсов и после них (или между ними) регистрируют сигналы ЯМР. Первоначально импульсная методика использовалась лишь для измерения времен релаксации и коэффициентов диффузии ядер, но в середине 70-х годов широко распространился способ получения спектров ЯМР из импульсных сигналов с помощью фурье-преобразования. В настоящее время импульсная методика применяется и для регистрации электронного парамагнитного резонанса.

Рассмотрим подробнее способ регистрации сигнала ЯМР после одиночного импульса.

Пусть в начальный момент ядерная намагниченность находится в равновесном состоянии, то есть ориентирована вдоль вектора поля и имеет значение М₀. Воздействуем на образец радиочастотным полем в течение короткого времени. При этом будем считать, что воздействие радиоимпульса на ядерную намагниченность значительно сильнее, чем влияние релаксационных процессов (то есть что в масштабе времени действия импульса). Если радиочастотное поле действует в течение времени t_i, то вектор ядерной намагниченности повернётся на угол

. (45)

Так как все наблюдаемые эффекты связаны с поперечной компонентой вектора , то для получения наибольшего сигнала ЯМР после импульса желательно иметь (такой импульс называется 90-градусным). После окончания импульса вектор ядерной намагниченности совершает затухающую процессию и наводит некоторую ЭДС в приёмной катушке радиоспектрометра. Регистрируемый эффект и называют сигналом свободной процессии или сигналом ядерной индукции (иногда сигналом свободной индукции). При произвольной начальной ориентации вектор постепенно ориентируется вдоль вектора поля , однако этот процесс не является простым поворотом (как это часто представляется в некоторых книгах), а представляет собой сложное движение с обязательным изменением длины вектора .

Вид сигнала ядерного магнитного резонанса на выходе детектора приёмника после одиночного радиоимпульса показан на рис. 5. Обычно переходные процессы в приёмном контуре и усилителе после импульса, достигающего сотен и даже тысяч Вольт, препятствуют регистрации сигнала ЯМР в течение некоторого времени t_н.

Рис. 5. Вид сигнала ЯМР на выходе детектора приёмника после воздействия одиночным радиоимпульсом

Для рассматриваемого случая:

, (46)

если катушка с площадью витков S ориентирована по оси х лабораторной системы координат. Из выражения (46) с учётом начального положения вектора после окончания действия импульса получаем для амплитуды сигнала (u_s0, в Вольтах) при условии включения катушки индуктивности в настроенный на частоту w₀ радиочастотный контур:

, (47)

здесь Q – добротность контура, – коэффициент заполнения катушки. При значении H₀=5 кГс имеем и эрг/Гс (для протонов воды), обычно , , , . Тогда сигнал ЯМР составляет несколько милливольт и может быть легко зарегистрирован. Однако следует иметь в виду, что эта оценка относится к весьма благоприятным условиям, так как большинство ядер дают более слабые сигналы, чем протоны, и, кроме того, концентрация исследуемых ядер в образце может быть в некоторых случаях весьма небольшой.