Спинового эха метод

СПИНОВОГО ЭХА МЕТОД, радиоспектроскопич. метод исследования в-ва, основанный на возникновении сигналов ЯМР, ЯКР или ЭПР (спинового эха) через нек-рое время после подачи на образец последовательности импульсов радиочастотного электромагн. поля.

Возникновение спинового эха ЯМР или ЭПР можно объяснить с помощью след. модели. Если образец находится в постоянном магн. поле напряженности H₀, направленном вдоль оси z, то на единичные магн. дипольные моменты исследуемого в-ва действует вращающий момент, при этом вектор М намагниченности (т.е. магн. момента единицы объема образца), вращается, или прецессирует, вокруг оси z с резонансной частотой w₀ = gH₀, где g-гиромагнитное отношение для электрона (ЭПР) или ядра (ЯМР). Вектор М состоит из суммы отдельных спиновых компонент, т. наз. изохромат, каждая из к-рых представляет собой совокупность спиновых моментов i, вращающихся с одинаковой частотой w_0i = gH_0i, где Н_0i- напряженность магн. поля в данной точке образца. Допустим, что вектор М направлен вдоль оси z (рис. 1) и система координат x, у, z вращается вокруг оси z с частотой w₀. Если в момент времени t = 0 приложить вдоль оси х короткий импульс переменного электромагн. поля Н₁ такой же (резонансной) частоты w₀, вектор М начнет прецессировать вокруг оси х с угловой скоростью w₁ = gН₁ и за время t_и действия импульса поля H₁ он отклонится от оси z на угол (в радианах) q = gH₁t_и.

Рис. 1. Схема движения вектора намагниченности во вращающейся системе координат х, у, z при действии постоянного неоднородного поля H₀ и импульсов переменного поля Н₁.

Импульс поля H₁, действие к-рого приводит к отклонению М на углы q = p/2 и p, называют соотв. 90 °-импульсом и 180 °-импульсом. В момент окончания действия 90°-им-пульса вектор М совпадает с направлением у (рис. 2, а). Вследствие всегда имеющейся неоднородности магн. поля H₀ отдельные спиновые изохроматы будут прецессировать вокруг оси z с индивидуальными частотами w_0i = w₀ b Dw₀ (рис. 1). Поэтому после окончания действия импульса Н1 вектор М постепенно рассыпается в "веер" составляющих его векторов спиновых изохромат (рис. 2, б). Этот "веер" можно вновь "собрать" в один вектор, если спустя время т после окончания действия 90°_x-импульса включить 180°-импульс вдоль оси х, к-рый повернет "веер" векторов спиновых изохромат вокруг этой оси на 180°_x (рис. 2, в; на рис. 1 эти векторы обозначены пунктиром). Направление векторов спиновых изохромат и направление их вращения поменяется на обратное. По этой причине через интервал времени т после окончания действия 180°_x-импульса отдельные спиновые изохроматы вновь соберутся вместе (т.к. вектор, прецессирующий с частотой w₀ + Dw₀ "догонит" вектор с частотой w₀ — Dw₀), но уже вдоль оси — у (рис. 2,д). Далее получившийся вектор М, направленный по оси —y, под действием неоднородного поля Н₀ опять начнет рассыпаться в "веер" спиновых изохромат (рис. 2,е).

Рис. 2. Схема формирования сигналов свободной индукции и спинового эха в неоднородном поле H₀ при воздействии 90°_x- и 180°_x-импульсов: а-поворот вектора М в плоскость ху 90°-импульсом; б-рассыпание в "веер" спиновых изохромат; в-поворот "веера" векторов вокруг оси х 180°_x -импульсом; г-собирание спиновых изохромат; д- появление максимума сигнала спинового эха; е-исчезновение сигнала спинового эха.

Детектирующее устройство в спинового эха методе регистрирует эле-ктрич. сигнал индукции, наведенный в приемной катушке, причем амплитуда А этого сигнала пропорциональна проекции вектора М на ось у. Поэтому при использовании описанной выше последовательности импульсов (90°_x-т-180°) сразу после 90°_x-импульса регистрируются затухающий сигнал т. наз. своб. индукции (рассыпание спиновых изохромат), а в момент 2т (т. к. тt_и)- сигнал спинового эха (собирание спиновых изохромат; рис. 2).

Наиб. часто спинового эха метод используют для измерения времен спин-решеточной (продольной) релаксации T₁ или спин-.спиновой (поперечной) релаксации Т₂, обратные величины к-рых характеризуют скорость релаксации или восстановления нарушенного к.-л. образом теплового равновесия соотв. между системой ядерных или электронных спинов и решеткой либо внутри системы спинов.

Для измерения времени Т₂, характеризующего исчезновение намагниченности в плоскости ху, обусловленное неод-нородностью поля H₀ и спин-спиновой релаксацией, используют последовательность импульсов 90°-т-180°. Эту последовательность периодически повторяют, каждый раз увеличивая интервал т. Время Т₂ определяют по амплитуде сигналов спинового эха: А(т)=А₀ехр(—2т/T₂).

Для измерения времени T₁, характеризующего восстановление намагниченности вдоль оси z после действия 180°-им-пульса, используют повторяющуюся последовательность импульсов 180°-т-90°-т'-180°, каждый раз увеличивая интервал т (постоянный интервал т'т). Время T₁ определяют по амплитуде сигналов спиновых эхо: А(т) = A₀[1 — -2ехр(-2т/Т₁)].

Времена T₁ и Т₂, измеренные с помощью спинового эха метода при разл. условиях эксперимента, содержат информацию о динамике молекул и атомов в твердых телах, жидкостях и газах. Они позволяют изучать процессы образования комплексов, кинетику хим. реакций, внутри- и межмол. взаимодействия, распределение электронов в металлах и сплавах, электрон-ядерные взаимодействия, строение и св-ва молекул.

Спинового эха метод позволяет измерять коэф. диффузии в жидкостях и нек-рых твердых телах, без внесения в исследуемое в-во меченых молекул или атомов. В этом случае получают огибающую сигналов спиновых эхо, как в методе измерения Т₂, но при постоянном или импульсном градиенте магн. поля, направленного вдоль оси z.

Спинового эха метод применяют также для измерения констант спин-спинового и сверхтонкого взаимодействий, хим. сдвигов, магн. и квадрупольных уширений линий в спектрах ЯМР и ЭПР и др. радиоспектроскопич. параметров. При этом используют разнообразные последовательности и комбинации импульсов поля Н₁.

Принципы получения сигналов в спинового эха методе использованы в импульсной фурье-спектроскопии ЯМР, в двойном резонансе и др. методах радиоспектроскопии (в т. ч. в методах, применяемых в мед. диагностике).

Лит.: Гречишкин B.C., Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах, М., 1973; Салихов К. М., Семенов А.Г., Цветков Ю.Д., Электронное спиновое эхо и его применение, Новосиб., 1976; Вашман А. А., Пронин И.С., Ядерная магнитная релаксационная спектроскопия, М., 1986.

А. А. Вашман.