ВКФ - взаимная корреляционная функция
ЛЧМ – линейная частотная модуляция
ССИ – сигнал свободной индукции
ТМП – тонкие магнитные пленки
ФЭ – функциональная электроника
ШПС − шумоподобный сигнал
ЭДС – электродвижущая сила
ЭП −эхо-процессор
ЭПР – электронный парамагнитный резонанс
ЯМР – ядерный магнитный резонанс
1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
ЯМР был открыт в 1946 г, а за его открытие и объяснение американским ученым Феликсу Блоху и Эдуарду Пёрселлу в 1952 г. была присуждена Нобелевская премия по физике. О значимости ЯМР свидетельствует то, что впоследствии еще трижды Нобелевские премии присуждались за работы, связанные с ЯМР. В 1991 г. Ричард Эрнст был удостоен Нобелевской премии за ЯМР-спектроскопию высокого разрешения. И уже совсем недавно в 2002 г. Нобелевская премия присуждена К. Вютриху за получение трехмерного изображения макромолекул с помощью ЯМР-спектроскопии. И наконец, в 2003 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили П. Лотербур и Менсфилд за использование магнитного резонанса для визуализации различных структур (ЯМР томография).
В данном разделе рассматриваются основы классической теории магнитного резонанса.
1.1. Понятие о магнитном резонансе
В методе магнитного резонанса используются переходы между энергетическими уровнями атомных частиц, вызываемые магнитной составляющей электромагнитного поля. Различают ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), которые описываются одинаковыми математическими моделями, учитывающими взаимодействие магнитных моментов ядер (ЯМР) или электронов (ЭПР) с возбуждающим магнитным полем. Будем рассматривать основные понятия теории магнитного резонанса в терминах ЯМР.
Известно, что ядро обладает моментом количества движения , где - момент количества движения частицы, выраженный в единицах , h- постоянная Планка, а также параллельным ему магнитным моментом
m я , (1.1)
где g- гиромагнитное отношение для данного вида ядра.
Если ядро находится во внешнем магнитном поле с индукцией B а, то энергия взаимодействия магнитного момента m я с полем
Э= -(m я, B а). (1.2)
Пусть B а = e z B 0, тогда Э= -mz B 0=-g ħIz B 0. Проекция Iz квантована и может принимать значения mI =I, I -1, …, - I, так что разрешенные значения энергии взаимодействия
Э = -g ħB 0 mI. (1.3)
Максимальное значение проекции механического момента ядра, выраженное в единицах ħ, называют спином ядра I.
В постоянном магнитном поле ядро со спином I =1/2 может находиться в одном из двух энергетических состояний, соответствующих mI = ±1/2 (рис. 1.1).
Рис. 1.1 Расщепление энергетических уровней ядра со спином 1/2
Разность энергий этих уровней Э2 –Э 1 = -g ħB 0(-1/2) - (-g ħB 0) (1/2) = g ħB 0. Поскольку, с другой стороны, Э2 –Э 1 = ħ w0, то в результате получается условие магнитного резонанса
w0 = g B 0, (1.4)
связывающее резонансную частоту w0 с магнитной индукцией B 0 и гиромагнитным отношением g данного ядра или электрона.
Рассмотрим поведение ядра с магнитным моментом m я в магнитном поле с индукцией B а с позиций классической механики. Скорость изменения механического момента
L = d J Я / dt (1.5)
равна вращающему моменту. Для частицы с магнитным моментом m я, помещенной в магнитное поле B а, вращающий момент определяется соотношением
L = [ m я, B а ]. (1.6)
На основании (1.1)-(1.6) можно записать уравнение движения магнитного момента m я в магнитном поле B а:
d m я/ dt = g[ m я, B а ].
Обычно в поле B а находится большая группа ядер одного вида. При этом удобно оперировать макроскопической величиной – намагниченностью M, которая определяется как сумма магнитных моментов m i я, находящихся в единице объема вещества:
M = m i я. (1.7)
Используя (1.7), уравнение движения (1.6) можно преобразовать в уравнение движения вектора намагниченности.
d M / dt = g[ M, B а ]. (1.8)