§ 7. СВОБОДНАЯ ПРЕЦЕССИЯ

В гл. II было показано, что для свободных спинов форма сигнала затухания свободной прецессии является фурье-преобразованием распределения ларморовских частот. В настоящей главе этот результат обобщен на случай лоренцевой формы линии, обусловленной наличием релаксации и соответствующей экспоненциальному затуханию свободной прецессии. В гл. IV будет показано в общем виде, что форма сигнала свободного затухания является фурье-преобразованием формы ненасыщенной линии. Таким образом, в отличие от экспериментов со спиновым эхо методы свободной прецессии редко могут дать информацию, недоступную при наблюдении резонансной линии стационарными методами.

(кликните для просмотра скана)

Из рассмотрения механизма образования спинового эха можно заключить, что форму сигнала эха можно представить двумя симметрично расположенными экспонентами. Чем неоднороднее поле, тем сильнее затуханиеи тем уже сигнал эхо. Это положение иллюстрируется фиг. 4.

Сигнал свободной прецессии, следующий за -импульсом, пропорционален величине постоянной ядерной намагниченности, достигаемой к моменту начала ймпульса, поэтому при относительно больших он может быть с успехом использован для измерения постоянной времени процесса нарастания намагниченности до ее равновесного значения

Фиг. 5. (см. скан) Фотография, иллюстрирующая измерение времени релаксации . В момент времени прикладывается -импульс, за ним в момент времени следует -импульс. Путем многократной экспозиции на фотографии наложены изображения сигналов эха от протонов в воде с примесями, следующие за -импульсами, приложенными в разные моменты времени. Огибающая сигналов описывается выражением Масштаб линейной развертки 5 мсек на деление.

Экспериментальная методика заключается в следующем [3]. После того как ядерная намагниченность достигла своего равновесного значения -импульс придает ей значение Начиная с этого момента, зависящее от времени значение вытекающее из уравнения определяется выражением и может быть измерено по величине сигнала, следующего за -им-пульсом, приложенным в момент после первого -импульса. Для того чтобы получить кривую необходимо после каждого -им-пульса сделать паузу порядка нескольких прежде чем повторить снова -импульс, и через время после него — -импульс. Это метод типа А. На фиг. 5 показано изменение пропорциональное амплитуде сигналов, следующих за -импульсами для различных значений . В частности, значение получается при

а. Свободная прецессия в магнитном поле Земли

Несмотря на эквивалентность двух методов, выражающуюся соотношением Фурье, имеется по крайней мере один случай, когда наблюдение свободной прецессии приводит к лучшим результатам, чем применение стационарных методов. Имеются в виду образцы с большими временами релаксации в очень слабых полях (например, в магнитном поле Земли). Если предположить, что относительная неоднородность постоянного поля в первом приближении не зависит от то в случае слабых полей и, в частности, в поле Земли ( эрстед) абсолютная неоднородность будет очень мала. В случае особенно узких линий, или, другими словами, очень длительной свободной прецессии, наблюдение сигнала затруднено из-за малой величины равновесной намагниченности Однако большое время релаксации позволяет, предварительно поляризовав образец в сильном поле в котором намагниченность достигает значения снимать за время, малое по сравнению с и наблюдать свободную прецессию большой намагниченности в поле на частоте Особенности эксперимента в некоторой мере зависят от скорости, с которой Н уменьшается до значения Если при непрерывном уменьшении поля Н выполняется условие адиабатического прохождения установленное в гл. II, то вектор намагниченности «следует» за мгновенным полем конце концов оказывается направленным вдоль поля Земли . В этом случае для наблюдения свободной прецессии после окончания этого процесса необходимо приложить -импульс.

В работе [5] описан изящный вариант метода, в котором поляризующее поле уменьшается настолько быстро, что вектор намагниченности не успевает за ним следовать и остается под прямым углом к полю Земли, индуцируя затем заметный сигнал прецессии. На практике эксперимент проводится в два этапа: сначала поляризующее поле созданное соленоидом и перпендикулярное полю Земли, адиабатически (хотя и за время, малое по сравнению сек для воды) уменьшается, скажем, от 100 до 2 или 3 эрстед, а затем оставшееся поле выключается неадиабатически за время, малое по сравнению с Этот же принцип положен в основу действия магнитометра для измерения магнитного поля Земли.