Ядерный магнитный резонанс в конденсированных средах

05.09.2015

Метод ЯМР на пучках позволяет изучать магнитные свойства невзаимодействующих изолированных атомов или молекул. Поэтому с помощью этого метода нельзя изучать структуру веществ, находящихся, в естественном состоянии в виде жидкостей или твердых тел. В таких веществах магнитные ядерные диполи взаимодействуют не только с внешним магнитным полем, но и друг с другом. Происходит также обмен энергией ядерных спинов с решеткой. Спин-спиновые и спин-решеточные взаимодействия, которые характеризуются соответствующими временами релаксации T2 и T1, обусловливают установление вектора ядерной намагниченности к стационарному состоянию с конечной скоростью, зависящей от интенсивности этих взаимодействий. Последняя же определяется структурой исследуемого вещества — его химическим составом и характером молекулярного движения. Поэтому конденсированные среды можно изучать не только по измеряемым частотам ЯМР, но и в результате определения целого ряда других параметров наблюдаемых сигналов, зависящих от времен релаксации T1 и T2: интенсивности, ширины и формы сигнала ЯМР, времени его затухания или возрастания в процессе установления, структуры спектра и т. д.
Все эти большие возможности ядерного магнитного резонанса для изучения веществ в жидком и твердом агрегатных состояниях привлекли внимание ученых и способствовали разработке способов наблюдения ЯМР в конденсированных средах и созданию совершенной высокочувствительной аппаратуры.
В предыдущей главе было показано, что для получения ЯМР на ядерные и магнитные диполи необходимо воздействовать постоянным магнитным полем H0, вызывающим зеемановское расщепление энергетических уровней, и радиочастотным полем H1, стимулирующим переходы между магнитными уровнями. В результате воздействия на вещество полей H0 и H1 резонирующая спиновая система будет обмениваться энергией с радиочастотным полем (при совпадении частоты этого поля ω с частотой переходов ω0). Следовательно, для наблюдения ядерного магнитного резонанса необходимы следующие основные приборы: источники постоянного H0 и переменного H1 магнитных полей, устройство, преобразующее энергию квантовых переходов в макроскопические радиочастотные сигналы и, наконец, усилители и регистраторы этих сигналов.
В качестве источников магнитного поля H0 используются постоянные магниты или электромагниты, соленоиды, катушки Гельмгольца или магнитное поле Земли.
Радиочастотное поле H1 создается катушкой индуктивности L, через которую пропускают переменный ток. Катушка L с исследуемым образцом помещается в зазор магнита или в другой источник магнитного поля и ориентируется таким образом, чтобы ее ось, а следовательно, и поле H1 были перпендикулярны направлению поля H0.
Главной частью радиочастотной приемной системы устройства для наблюдения ядерного магнитного резонанса является спиновый детектор, в котором происходит преобразование энергии квантовых переходов между магнитными уровнями в макроскопические радиочастотные сигналы. В качестве спиновых детекторов используются колебательный контур, радиочастотный мост, генератор слабых колебаний, суперрегенератор и др.
Выделенные в спиновом детекторе радиочастотные сигналы затем усиливаются, детектируются и преобразуются к виду, удобному для визуального наблюдения на осциллографе, регистрации на самопишущем приборе или подаче на накопитель, ЭВМ и т. п.
Общая блок-схема экспериментальной установки для наблюдения ЯМР изображена на рис. 2.4. На схеме показано расположение катушки индуктивности L с образцом в зазоре магнита M и соединение ее со спиновым детектором, а также включение приемного устройства и регистратора. Кроме того, для осуществления прохождения через резонансные условия в зазоре магнита или на его полюсах располагаются специальные модуляционные катушки Lм, подключаемые к модуляционному генератору.
Ядерный магнитный резонанс в конденсированных средах

Поскольку приемник, регистратор и модулятор практически не отличаются от соответствующих серийных радиочастотных приборов, то описание их устройства в настоящем учебном пособии производиться не будет.
В следующих параграфах будут рассмотрены физические принципы, положенные в основу работы различных спиновых детекторов. Правильный выбор и использование этих устройств во многом определяет эффективность применения методов квантовой радиофизики для решения конкретных задач.