Способ преобразования сигнального импульса на эффекте спинового эха (его варианты)

СОЮЗ СОВЕТСНИХОООаад аесиикРЕСПУБЛИН 4(51) С 11 С 11/16 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ. ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЗ(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛЬНОГО ИМПУЛЬСА НА ЭФФЕКТЕ СПИНОВОГО ЭХА ( ЕГО ВАРИАНТЫ), (57) 1. Способ преобразования сигнального импульса на эффекте спинового эха, основанный на воздействии на пара- или ферромагнетик магнитным полем и сигнальным импульсом, о т л и ч а ю п 1 и й с я тем, что, с целью упрощения преобразования сигнального импульса, на пара- или ферромагнетик воздействуют неоднородным магнитным полем, а после воздействия сигнальным импульсом инвертируного поля.1138833 поля. 10 2. Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения способа путем выделения одного импульса из последовательности сигнальных импульсов, одновременно с инвертированием градиента магнитного поля изеняют величину градиента. 3, Способ преобразования сигнального импульса на эффекте спинового эха, основанный на воздействии на пара- и ферромагцетик сигнальным 1зобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при создании устройств обработки (здпоминация, задержки и сжатия) электрических сигндлов.Пзвестны способы преобразования сигнального импульса, которые основаны ца эффекте спицового эха, позволяющем производить разнообразную обработку сигнального импульса 1 1.Наиболее близким к изобретению является способ преобразования сигнальцого частотно-модулированного (ЧМ) импульса на эффекте спииового15 эха путем воздействия на парамагнетик магнитным полем и сигнальным имульсом с последующим воздействием на него 180-градусным управляющим ЧМ импульсом. Способ заключается в20 том, что на парамагнетик воздействуют магнитным полем, что обуславливает возникновение суммарной намагниченности парамагнетика вдоль этого поля. Под действием. сигнального ЧМ импульса происходит последовательное во времени отклонение векторов суммарной намагниченности групп магнитных моментов, обладающих одинаковыми резонансными частотами, от направления магнитного поля. Затем происЗО ходит свободная прецессия этих векторов вокруг магнитного поля, Вследствие разброса резонансных частот из-за локальных магнитный полей в парамагнетике поперечная компонента З 5 суммарной намагниченности парамагнетика затухает со времением, Если воздействовать на парамагнети 1 импульсом, магнитным полем и затем180-градусным управляющим импульсом,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью расширения области применения способа путем выделения одногоимпульса из последовательности сиг-:нальных импульсов, на пара- или ферромагнетик воздействуют неоднородныммагнитным полем, а после воздействияна пара- или ферромагнетик 180-градусным управляющим импульсом изменяют величину градиента магнитного 2180 в градусн управляющим ЧМ импульсом в два раза меньшей длительности, чем сигнальный импульс, но при той же частотной девиации, то каждая из указанных групп магнитных моментов получит дополнительный сдвиг фазы, что приведет по окончании 180-градусного импульса к постепенной рефазировке и одновременному возникновению сигналов спинового эха для разных групп магнитных моментов. Таким образом, формируется сжатый эхо-импульс, соответствующий сигнальному импульсу 2 3.Однако управляющий 180-градусньп импульс должен удовлетворять сложным требованиям относительно частоты его радиочастотного заполнения, длительности и амплитуды. Кроме того, мощный управляющий импульс вызывает перегрузку аппаратуры, предназначенной для усиления сигнала спинового эха. С помощью известного способа происходит одинаковое сжатие всех сигнальных импульсов, воздействующих на парамагнетик. Это обуславливает невозможность выборочного сжатия и вьщеления таким образом одного импульса из последовательности сигнальных импульсов.Цель изобретения - упрощение преобразования сигнального импульса и расширение области применения спасоба путем вьщеления одного импульса из последовательности сигнальных импульсов.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу преобразования сигнального импульса по первомуварианту на пара- или ферромагнетиквоздействуют неоднородным магнитнымполем, а после воздействия сигнальнымимпульсом инвертируют градиент магнитного поляКроме того, одновременно с инвертированием градиента магнитного поляизменяют величину градиента,По второму варианту на пара- илиферромагнетик воздействуют неоднородным магнитным полем, а после воздействия на пара- или ферромагнетик180-градусным управляющим ичпульсом .изменяют величину градиента магнит- "5ного поля.На фиг, 1 приведена схема преобразования сигнального импульса(а - входной сигнальный импульс; Б -временная зависимость градиента маг- Юнитного поля; В - временная зависимость фаз намагниченностей элементарных объемов парамагнетика, характеризуемых координатами х, х, хЗ,ъ - временная зависимость суммарной 25намагниченности парамагнетика); нафиг. 2 - пример распределения напряженности магнитного поля в парамагнетике Н(х) =Н о+Н(х) (ь - временнаязависимость частоты заполнения сиг- .Онального ЧМ импульса Г(С)=К +Г;О - зависимость Т(х), являющаяся решением уравнения Г (с)= 1 Н,(х);31 27на фиг. 3 - схема сжатия сигнального импульса (и - зависимость от времени намагниченности элементарногообъема парамагнетика, возбуждаемого(взаимодействующего резонансным образом с сигнальным импульсом) в момент 40с - зависимость от времени намагниченности элементарного объема,Гфвозбуждаемого в момент+ -о 2 фВ - зависимость от времени намагни сченности элементарного объема, возбуждаемого в момент+ Т; 1, - временная зависимость суммарной намагниченности парамагнетика);на фиг.цсхема выделения одного импульса из 5 Опоследовательности сигнальных импульсов ( а - зависимость от времени разности фаз й М(х) магнитныхмоментов для трех элементарных объемов парамагнетика (при х=О, х= 255х=1), возбуждаемых тремя последоватепьными сигнальными импульсами в случае инверсии градиента магнитного поля в момент С; Б - временнаязависимость разностей фаз тех же элементарных объемов парамагнетика привключении управляющего импульса вмомент; 6 - форма сигнальных импульсов, воздействующих на парамагнетик (1, 2 и 3) и форма соответствующих им сигналов спинового зха(1,2 и 3 ),Сущность первого варианта иэобре"тения заключается в получении сигнала спинового эха с помощью инверсии градиента, что позволяет упростить преобразование сигнального импульса, а выделение одного импульсаиз последовательности сигнальных импульсов путем сжатйя только одногоиз них достигается с помощью одновременного инвертирования градиентаи изменения величины градиента.Получение сигнала спинового эхас помощью инверсии градиента магнитного поля показано на примере воздействия немодулированного по частоте сигнального импульса на парамагнетик (в дальнейшем описаниидля краткости будет упоминатьсятолько парамагнетик, так как приводимые ниже объяснения справедливытакже для ферромагнетиков .В результате воздействия такимимпульсом с амплитудой переменногомагнитного поля 2 Ь 3, Ь Н (ЬН - неоднородность магнитного поля в объемепарамагнетика) и частотой, близкойк частоте магнитного резонансаУ(Г= Н Н - среднее значение маг 2 Тнитного поля в объеме парамагнетика;у- гиромагнитное отношение), намагниченности всех элементарных объемовпарамагнетика окажутся сфазироЯанными (под элементарным объемом парамагнетика понимается объем парамагнетика, содержащий магнитные моменты с одинаковой часчЪтой магнитногорезонанса). После окончания воздействия сигнальным импульсом фазы намагниченностей элементарных объемоврасходятся из-за свободной прецессиис разными частотами, что обусловленонеоднородностью магнитного поля.Если в момент времени й (1-С 4 Т,Т - время поперечной релаксации)инвертировать грациент магнитногополя, то частоты прецессии намагниченностей элементарных объемов иэ 3 138833меняются так, что те намагниченности, которые прецессировали с большей,частотой, начинают прецессиравать с меньшей и наоборот. В результате этого намагниченности элементарньгх объемов 5 вновь сфазированы в момент времени 2 с, - -(фиг. 1) .Фа з а н ама гн ич е н н ос ти элеме н та рного объема, характеризуемого координатой х=х, в случае неоднородного магнитного поля Н(х)=ИО+Сх (С - градиент магнитного поля) в момент времени , имеет вид(11 1Б момен т С ин ве р гируют г радиен т магнитно го поля С,-Ги дополнительный набег фазы с моментасоставляет величину(2)В ре зуль тате в произвольный момент времени Г ) , фаза имеет видЗО где М - фаза, приобретаемая намагн иченн ос тью любо го элеме н т арно го объема нарамагнетика к концу сигналь - ного импульса. Из выражения (3) следует что в момент =2 - вфазыЭэлементарных намагниченностей (т.е. для разных х) одинаковы, т,е, возникает сигнал спинового эха (фиг. 1 ъ).Способ осуществляют следующим об- разом.В качестве парамагнетика используют оптически ориентированные атомы Св с = =350 кГц/Э, Магнитное 13332 и , поле в объеме парамагнетика, помещенного в цилиндрическую ячейку длиной 4 см, создается двумя парами колец Гельмгольца, Одна пара колец используется для создания однородного в о бьем е Жрама гн е тик а пос то янн о 50 го магнитного поля НО=1 3, а другая пара колец (включенных встречно) для создания неоднородного, симметричного относительно центра ячейки, магнитного поляН,(х)=0,0005(х-х )(э0.4 х 4 см,Т. гряди е и тм мл Гнитн Р т(ъ и Йляс =О,ООСЭ "эПод воздействием сигнального им пульса, действую 1 цего, например, че - рез третью пару колец Гельмгольца и создающего перпендикулярное Н(х)= 1+0,0005(х-х) переменное (линейно- поляризованное) магнитное поле с частотой Го =350 кГц, намагниченности элементарных объемов парамагнетика поворачиваются вокруг Н(х) на угол ф =уЮ( т - длительность сигнально го импуль са, рав ная 40 мс, 2 Ь=0,04. Э), а затем прецессируют вокруг Н(х), что приводит к постепенному затухании поперечной составляющей суммарной намагниченности парамагнетика за время12- 1,4 мс.уЬН1 Через интервал времени д=10 мс после окончания сигнального импульсапереключают направление тока в катудках, создающих неоднородное магнитное поле, например, с помощью переключения концов катушки, подклоченных к источнику постоянного тока. Время переключения- =- Н2 Р о - 3 мс. В результате такого переключения градиент изменяет знак и начинается сфазирование намагниченнос - тей элементарных объемов парамагнетика за время д=10 мс в соответствии с объяснениями, приведенными ранее, и в момент =20 мс после начала воздействия сигнального им -пульса возникает .сигнал спинового эха в виде импульса длительностью42,8 мс.Таким образом, предлагаемый способ. преобразования сигнального импульса (например, для задержки и запоминания) является значительно проще, чем способ с использованием управляющего импульса, так как операция инверсии градиента не требует выполнения жестких требований, которым должен удовлетворять управляю-.щий импульс.Приведенное вьппе описание основано на использовании сигнального имиуса с постоянной частотой заполнения, однако оно справедливо и для сигнального импульса с частотной модуляцией. При этом для импульсов с амплитудой 2 ЬаАН форма сигналов спинового эха, полученных с помощью 5 инверсии градиента, повторяет форму сигнальных импульсов.С помощью только инверсии градиента магнитного поля нельзя выделитьодин импульс из последовательности сигнальных импульсов, так как все сигнальные импульсы преобразуются в этом случае одинаковым образом в соответствующие им сигналы спинового эха. Импульс может быть вьщелен, если одновременно с инвертированием градиента изменить его величину(Фиг. 2-4),Выделение одного импульса изпоследовательности сигнальных им пульсов происходит следующим обра-зом.Парамагнетик помещают в резонансную систему (РЧ катушка, СВЧ резонатор) длиной 1 и воздействуют на него неоднородным магнитным полем Н(х)=НО+Н(х), где Ох 41, х - координата парамагнетика, и сигнальными ЧМ импульсами с частотой заполнения Е(С)=Е +Е(С), где 06 С 4 сГ- длитель-ЗО ность сигнального импульса.Н(х) и Е удовлетворяют условию магнитного резонансаН, Е, 1+)= 2 п(х), (+)где Е(С) и Н(х) вмонотонные функции, Монотонность этих функций обес печивает однозначное соответствие между моментом возникновения магнитного резонанса в парамагнетике С(х) и координатой х. Пример функции й(х) являющейся решением уравнения (4), 45 приведен на фиг, 2.Под действием переменного (линейнополяризованного) магнитного поля с амплитудой 2 Ь (ЬН = Н (Х) -Н (О), соз даваемого сигнальным импульсом в момент, существенное отклонение от равновесного направления вдоль Н(х) испытывают магнитные моменты парамагнетика, для которых в момент 10+1(х) выполняется условие (4).55 Практически это выполняется для магнитных моментов, содержащихся в элементарном объеме парамагнетика,ограниченном координатами х - в (хДхоЬх Ь ан,хО +, Где ьх= 21 д " (х2 дхВ результате магнитные моменты, находящиеся в различных элементарных объемах парамагнетика (характеризуемые разными координатами хо), отклоняются от равновесного направлегия в разные моменты времени+ Г(хо). Так как частоты свободной прецессии магнитных моментов различны из-за неоднородности магнитного поля, то происходит затухание во времени поперечной составляющей суммарной намагниченности каждого элементарного объема парамагнетика после его резонансного возбуждения сигнальным импульсом (фиг. 3)Если в момент времени Т (й -й (То г время поперечной релаксации) инвертировать градиент магнитного поля, то начинается рефазировка магнитных моментов в каждом элементарном объеме парамагнетика. Сигналы спинового эха для каждого элементарного объема должны возникнуть при этом в разные моменты времени, поскольку магнитные моменты в этих объемах возбуждались в разные моменты времени с (хо)Если помимо инверсии градиента изменить его величину, причем по разному для разных элементарных объемов парамагнетика, можно добиться того, чтобы сигналы спинового эха от разных объемов возникали одновременно, т,е. чтобы сформировался сжатый эхо-импульс. Математически условие получения сжатого эхо-импульса записывается в видеОНИН(Как видно из выражения (5) градиент магнитного поля при й)С однозначным образом определяется интервалом времени ( - ), что обуславливает образование сжатого эхо-импульса лишь для сигнального импульса, воздействующего на парамагнетик в момент д . Этот результат поясйяется с помощью фиг. 4 а, на которой представлены зависимости разности фаз Ь Ч(х ) магнитных моментов, находящихся в элементарных объемах па(ь) 0 1 мс; Ь=О,05 э. Т =20 мс; г=11 мс,дх рамагнетика (61(х ) =9(х+ - )о 2Ьх- (х --при х =0 х = -о 2 ф, О 1 о 2 ф х =1, В момент 1 происходит измеокение знака и величины градиента магнитного поля в этих объемах в соответствии с выражением (5). Показан случай линейной функциональной зависимости Н(х)=1 х, Г 1(С)=1 1, Рефазировка магнитных моментов в этих объемах Ю(хо=О)з Л(хо = - ) =Л(хе=) = 0 происходит одновременно в момент =2 -С лишь для второго1 6сигнального импульса. Это приводит к появлению сжатого эхо-импульса, что и обуславливает выделение второго сигнального импульса из последовательности импульсов. Вид сигнальных импульсов до преобразования и после, него приведен на фиг. 4 в,П р и м е р. Расчет проводят для оптически ориентированных атомов 1 Э Т кГцСз с - = 350, находящихся2 Г Э фв цилиндрической ячейке длиной 4 см,Из значений =1 мс;=20 мс;=11 мс и функций Н (х) =5+0, 25 х, Сэ ; Ох(4 см; ЗО- = 0,25,1 а 1,Г(г.) = 1,75+0,35, мГц; В соответствии с выражением (5)при40 с 1 Н 1 -2 = -0,25(1-2,7710 х), с 1 х ЬН в момент времени =2 й- =29 мс45 возникает сжатый эхо-импульс длитель 4 Лностью Ф = бмс.дНСущность второго варианта способа преобразования сигнального импульса на эффекте спинового эха заключается в том, что смомента 1 поступления сигнального импульса до момента все процессы в парамагнетике протекают, как и в первом варианте. Отличие заключается в том, что в фиксированный момент времени на парамагнетик воздействует 180-градусный управляющий импульс с постояннойХ частотой заполнения2 ЛНиамплитудой 2 Ь )6 Н с длительностьюЛЛПод действием такого имНпульса все магнитные моменты пара- магнетика одновременно поворачиваются вокруг переменного магнитного поля Ь-, так, что разность фаз прецессии магнитных моментов в каждом элементарном объеме парамагнетика 4 У (х )о изменяет свой знак (фиг. 4 Б) одновременно, Причем после окончания этого импульса величина градиента изменяется в соответствии с выражением Это приводит к изменению скоростей рефазировки отдельных групп магнитных моментов, находящихся в каждом элементарном объеме, таким образом, что в момент времени С=2 - происо ходит рефазировка для всех групп магнитных моментов одновременно, т.е. под воздействием сигнального импульса (начинающегося в момент) возо никает сжатый эхо-импульс (фиг. 4 в), что позволяет выделить этот импульс из последовательности сигнальных импульсов.П р и м е р, Используют оптически ориентированные атомы КЬ, находящиеся в цилиндрической ячейке длиной 2 см. Значения необходимые для рассчета составляют Х кГц 700 ,1 мс,а распределение магнитного поля исоответствующий ему градиент имеютвид Н(х)=7,05+0,05 х, э ; Ох 62 см,Частота радиочастотного заполнения сигнальных импульсов имеет вид Г(й) =4,935+0,07, мГц 0 Т 1 мс.Параметры 180-градусного управляющего импульса составляют Ч = 4,97 мрц; Ь = 0,5 .3; Т= 1,4 мс,Тогда в соответствии с выражением (6) при 10 дН 1- =0,05(1-5,5 10х), - (;Г эдх 1 м, см 1 Ох 2 см 15 в момент времени с=2 -т =29 мсовозникает сжатый эхо-сигнал, соответствующий сигнальному импульсу,воздействующему на парамагнетик вмомент времени 10=11 мс.Преимущественньп выбор того илииного варианта при конструированииустройств преобразования сигнального импульса обуславливается следующими обстоятельствами,20 Первый вариант предпочтительнее в тех случаях, когда необходима большая величина неоднородности магнитного поля в.сравнительно большой по объему ячейке (это характерно для 30 ячеек с оптически ориентированными атомами и в случае большого коэффициента сжатия ЧМ импульсов), так как в этом случае технически трудно создать однородное по объему переменное магнитное поле с амплитудой Ь,д НТ (это необходимо для того, чтобы угол поворота всех магнитных моментов был одинаковым, равным 180 ), в то время как инверсию градиента можно осуществить, например, путем переключения тока в катушках, создающих градиент магнитного поля.Второй вариант предпочтительнее, когда существует внешний (не задаваемый специально, например, создаваемый аппаратурой, находящейся вблизи ячейки) градиент магнитного поля, так как в этом случае невозможно произвести точную инверсию градиента магнитного поля, В то время, как 180-градусньп управляющий импульс с амплитудой Ь-ъмН + а Н не позволяет повернуть магнитные моменты на 180 одновременно во всей ячейке.Наиболее легко это выполнимо для небольших по размерам ячеек, какие, например, используются в ЯМР и ЭПР экспериментах.Таким образом, предложенные варианты способа преобразования сигнального импульса на эффекте спино. вого эха позволяютсущественно упростить такое преобразование, как задержка сигнального импульса, и расширить область применения путем выделения одного импульса из последовательности сигнальных импульсов,1138833 1 Фиг.4 тавитель Н. Ловаред С.Мигунова Корректор О. Тигор Редактор А. Мотыль Т Заказ 10 б 95/39ВНИИПИ Г аж 584 Под рственного комитета СССР зобретений и открытий Ж, Раушская наб., д. исное по делам13035, Москв 4/ илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4