§ 12. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ МЕТОДЫ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ

Основы нестационарных методов детектирования и их применения были уже описаны в разделе В. Здесь будет сделано только несколько замечаний, относящихся к технике эксперимента.

а. Адиабатическое быстрое прохождение

При очень больших временах релаксации (порядка нескольких часов или более), наблюдаемых в некоторых твердых телах, иногда единственным методом, который дает приемлемое отношение сигнал—шум, является адиабатическое быстрое прохождение. При достаточно большой амплитуде радиочастотного поля в переходном процессе может быть получена поперечная намагниченность, равная

Более того, в течение промежутка времени, малого по сравнению с можно осуществить большое количество переходов через резонанс туда и обратно без заметного уменьшения намагниченности (см. гл. XII). Индуцированные таким образом вклады от сигналов при этих переходах могут быть проинтегрированы синхронным детектором, что приведет к значительному улучшению отношения сигнал—шум. На фиг. 17 показана запись сигнала от (содержание изотопа 4,7%, час при комнатной температуре), полученная таким методом. Необычная форма кривой (которая не является производной колоколообразной кривой поглощения) обусловлена характером действия синхронного детектора.

Фиг. 17. Сигнал резонанса от в плавленом кремнеземе, полученный методом адиабатического быстрого прохождения, после синхронного детектирования. час; эрстед, амплитуда модуляции 0,8 эрстед частота модуляции 20 гц.

Пусть внешнее поле зависит от времени по закону

причем — медленно изменяющаяся линейная функция времени (сканирование). В течение периода модуляции эффективное поле, а следовательно, и ядерная намагниченность, которая «следует» за ним, колеблются около среднего положения, достигаемого при Угол который составляет с осью эффективное поле, определяется соотношением и первой половине периода модуляции соответствует меньшая поперечная намагниченность, чем второй; положение изменяется на обратное при Синхронное детектирование в течение каждого полупериода изменяет знак индуцированного напряжения на обратный, поэтому знак сигнала, т. е. разности вкладов от двух полупериодов, при прохождении резонанса изменяется на обратный. Описанный метод позволяет измерить относительную величину и знак двух ядерных намагниченностей (не следует смешивать с относительными знаками двух гиромагнитных отношений), но не дает информации относительно формы резонансной кривой, так как ширина сигнала по порядку величины равна .

б. Импульсные методы, когерентные и некогерентные импульсы

Импульсные методы обычно применяются в случае сильных сигналов ядерного резонанса, когда не нужно уделять большого внимания проблеме отношения сигнал—шум. Поскольку при помощи этих методов можно создать поперечную ядерную намагниченность, сравнимую с постоянной намагниченностью на первый взгляд может показаться, что по крайней мере для широких резонансных линий можно получить лучшее отношение сигнал—шум, чем в методах непрерывного воздействия. В действительности же это не так, в чем можно убедиться с помощью следующего рассуждения: длительность сигналов, имеющая порядок в случае большой ширины линии получается весьма малой, и необходимость применения широкополосных усилителей для их наблюдения приводит к значительному увеличению шумов; последнее сводит на нет преимущество большой поперечной намагниченности.

При использовании серии импульсов, как в методе спинового эха применяются в основном две методики: некогерентных и когерентных импульсов. Осциллирующее радиочастотное поле, созданное в катушке серией импульсов, появляющихся в моменты времени с длительностью может быть представлено функцией

где вне интервала и приблизительно постоянно внутри него. Импульсы называются некогерентными, если фазы распределены случайным образом, и когерентными, если их значения могут контролироваться (в частности, определяются одним и тем же значением Ориентация вращающегося поля во вращающейся системе координат изменяется случайным образом от импульса к импульсу в первом методе и вполне определена (в частности, может быть зафиксирована) во втором. Блок-схемы таких двух типов установок даны на фиг. 18.

Основное достоинство техники некогерентных импульсов состоит в ее простоте и возможности легкого изменения частоты. Импульсный генератор запускается в моменты времени и выключается в моменты времени с помощью реле времени. Некогерентные импульсы можно применять в том случае, когда интервал между двумя последовательными сигналами эха достаточно велик для того, чтобы первый сигнал успел полностью исчезнуть, прежде чем появится второй. В так называемом методе интервал времени х между сигналами эха связан с постоянной затухания [см. (III.50)], обусловленного диффузией спинов. В случае больших времен релаксации для получения малого отношения необходимо применять короткие интервалы х и хорошие магниты с малыми градиентами поля Тогда следующие друг за другом сигналы эха почти перекрываются, как показано на фиг. 4, и когерентность импульсов становится необходимой. Таким образом, некогерентными импульсами можно пользоваться только при малых временах релаксации сек.

Другой тип эха, так называемое многократное эхо, для которого необходимо применять когерентные импульсы и которое наблюдают в некоторых твердых телах, будет описан в гл. VII. В методике когерентных импульсов задающий радиочастотный генератор работает непрерывно, а реле времени включает и выключает на заранее заданные интервалы времени усилитель мощности, который создает большое радиочастотное

поле Кроме стабилизации фазы поля Ни метод когерентных импульсов обладает еще одним достоинством: он обеспечивает опорный сигнал, который можно сложить с сигналом ядерного резонанса при детектировании.

Фиг. 18. (см. скан) Блок-схемы установки для наблюдения спинового эха, использующей некогерентные импульсы (а), и установки для наблюдения спинового эха, использующей когерентные импульсы

Поэтому может быть измерена не только амплитуда сигнала резонанса, но и его фаза; более того, для случая слабых сигналов применение когерентных импульсов значительно улучшает отношение сигнал—шум.