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

 

1. Способ преобразования сигнального импульса на эффекте спинового эха, основанный на воздействии на параили ферромагнетик магнитным полем и сигнальным импульсом, отличающийся тем, что, с целью упрощения преобразования сигнального импульса, на пара- 1ти ферромагнетик воздействуют неоднородным магнитным полем, а после воздействия сигнальньм импульсом инвертируют градиент магнитного поля.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК

4(51) G 11 С 11/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВЪГ

Фиг т

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ. ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3453652/24-24 (22) 18.06.82 (4-6) 07.02.85. Бюл. Р 5 (72) Н.А. Доватор и P.À. Житников (71) Ордена Ленина физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе (53) 681.327.66(088.8) (56) 1. Патент США Ф 2887673, кл. 340-173, опублик. 1955.

2. Proc. IEEE, v. 51, Н - 8, 1963, р. 1127 (прототип).,.SUÄÄ 1138833 A (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 п1 и и 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.

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения области применения способа путем выделения одного импульса из последовательности сигнальных импульсов, одновременно с инвертированием градиента магнитного поля из»»еняют величину градиента.

3. Способ преобразования сигнального импульса на эффекте спинового эха, основанный на воздействии на пара- »»1»»» ферромагнетик сигнальным

1 Пзобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при создании устройств обработки (запоминания, задержки и сжатия) электр»»ческих сигналов.

Пзвестны способы преобразования сиг»»ального импульса, которые основаны на эффекте спинового эха, по»подающем производить разнообразнук1 обработку сигнального импульса (11.

Наиболее близким к изобретению является способ преобразования сигнального частотно-модулированного (ЧМ) импульса на эффекте спииового

15 эха путем воздействия на парамагнетик магнитным полем и сигнальным им»»ульсом с последующим воздействием на него 180-градусным управляющим

ЧМ импульсом. Способ заключается в

20 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 проис30 ходит свободная прецессия этих векторов вокруг магнитного поля. Вследствие разброса резонансных частот из-за локальных магнитный полей в парамагнетике поперечная компонента суммарной намагниченности парамагнетика затухает со времением. Если воздействовать на парамагнети1» импульсом, магнитным полем и затем

180-градусным управляющим импульсом, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения способа путем выделения одного .импульса из последовательности сиг-: нальных импульсов, на пара- или ферромагнетик воздействуют неоднородным магнитным полем, а после воздействия на пара- или ферромагнетик 180-градусным управляющим импульсом изменяют величину градиента магнитного

180 — градусным управляющим N импульсом в два раза меньшей длительности, чем сигнальный импульс, но при той же частотной девиации, то каждая из указанных групп магнитных момен— тов 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.

Одн ако управляющий 1 80- 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 выделения 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 ймпульсов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу преобразо1138833 вания сигнального импульса по первому варианту на пара- или ферромагнетик воздействуют неоднородным магнитным полем, а после воздействия сигнальным импульсом инвертируют градиент маг- 5 нитного поля, Кроме того, одновременно с инвертированием градиента магнитного поля изменяют величину градиента.

По второму варианту на пара- или ферромагнетик воздействуют неоднородным магнитным полем, а после воздействия на пара- или ферромагнетик

180-градусным управляющим ип4пульсом . изменяют величину градиента магнитного поля.

На фиг. 1 приведена схема преобразования сигнального импульса (ot — входной сигнальный импульс; Б— временная зависимость градиента магнитного поля; я — временная зависимость фаз намагниченностей элементарньгх объемов парамагнетика, характеризуемых координатами х„, х, х;

l — временная зависимость сум арной 25 намагниченности парамагнетика); на фиг. 2 — пример распределения напряженности магнитного поля в парамагнетике Н(х) =Н о+Н„(х) (м — временная зависимость частоты заполнения сиг- . 0 нального ЧМ импульса f(t)=f +fÄ(t);

Π— зависимость t(x), являющаяся решением уравнения f (t)= Н,(x)J;

27 на фиг. 3 — схема сжатия сигнального импульса (ct — зависимость от времени намагниченности элементарного объема парамагнетика, возбуждаемого (взаимодействующего резонансным образом с сигнальным импульсом) в момент 4С с — зависимость от времени намагниченности элементарного объема, ( возбуждаемого в момент t +— о

 — зависимость от времени намагни- 4с ченности элементарного объема, возбуждаемого в момент t + i; г,— .временная зависимость суммарной намагниченности парамагнетика);на фиг.4 схема выделения одного импульса из последовательности сигнальных импульсов (а — зависимость от времени разности фаз и V(x) магнитных моментов для трех элементарных объемов парамагнетика (при х=О, х= —, 55 х=I) возбуждаемых тремя последоватепьными сигнальными импульсами в случае инверсии градиента магнитного поля в момент t„; S — временная зависимость разностей фаз тех же элементарных объемов парамагнетика при включении управляющего импульса в момент t а — форма сигнальных импульсов, воздействующих на парамагнетик (i 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 импульса из последовательности сигнальных импульсов путем сжатйя только одного из них достигается с помощью одновременного инвертирования градиента и изменения величины градиента.

Получение сигнала спинового эха с помощью инверсии градиента магнитного поля показано на примере воздействия немодулированного по частоте сигнального импульса на парамагнетик (в дальнейшем описании для краткости будет упоминаться только парамагнети1г, так как приводимые ниже объяснения справедливы также для ферромагнетиков .

В результате воздействия таким импульсом с амплитудой переменного магнитного поля 2h > h H (ЬН вЂ” неоднородность магнитного поля в объеме парамагнетика) и частотой, близкой к частоте магнитного резонанса

У (f= Н Н - среднее значение маг2T i нитного поля в объеме парамагнетика, у- гиромагнитное отношение), намагниченности всех элементарных объемов парамагнетика окажутся сфазироЯанными (под элементарным объемом парамагнетика понимается объем парамагнетика, содержащий магнитные моменты с одинаковой часчЪтой магнитного резонанса). После окончания воздействия сигнальным импульсом фазы намагниченностей элементарных объемов расходятся из-за свободной прецессии с разными частотами, что обусловлено неоднородностью магнитного поля.

Если в момент времени и (t -t 4Т

I> — время поперечной релаксации) инвертировать грациент магнитного поля, то частоты прецессии намагниченностей элементарных объемов иэ1138833 меняются так, что те намагниченности, которые прецессировали с большей,частотой, начинают прецессировать с меньшей и наоборот. В результате этого намагниченности элементарных объемов 5 вновь сфазированы в момент времени

2t, -t0- о (фиг. 1) .

Фаза намагниченности элементарного объема, характеризуемого координатой x=xо, в случае неоднородного магнитного поля Н(х)=Но+С(,х (С вЂ” градиент магнитного поля) в 1 момент времени t имеет вид

"Ä (i,)=> )н, ь,х,)р,-t -) ч . (11 !5 о

В момент t инвертируют градиент

1 магнитного поля С, - -С„ и дополнительный набег фазы с момента t„ coc тавляет величину

+<„=> )н -г „)) < ) ((В результате в произвольный момент времени t ) t1 фаза имеет вид ()= „(„) „= ч„. н, (-,-т) о

7G„Х (- +2.1„=4,-7.) (3)

rpe (— фаза, приобретаемая намагниченностью любого элементарного объема парамагнетика к концу сигналь— ного импульса. Из выражения (3) следует что в момент =2 — — фазы

Э

1 о g5 элементарных намагниченностей (т. е. для разных х) одинаковы, т.е. возникает сигнал спинового эха (фиг. 11.).

Способ бсуществляют следующим обH„, (х) =0,0005 (х-хо) (з 7, х =2 см

04х 4 см, разом.

В качестве парамагнетика используют оптически ориентированные атомы Cs с = =350 кГц/Э. Магнитное (зз 3

2>(,поле в объеме парамагнетика, помещенного в цилиндрическую ячейку длиной 4 см, создается двумя парами колец Гельмгольца. Одна пара колец используется для создания однородного в объеме парамагнетика постоянно50

ro магнитного поля Но =1 Э, а другая пара колец (включенных встречно) для создания неоднородного, симмет(ричного относительно центра ячейки, магнитного поля

55 с градие((том маг((итно; о ноля

С =0,0005 †1) — 1

Под воздействием сигнального импульса, дей< .твующего, например, че— рез третью пару колец Гельмгольца и создающего перпендикулярное Н(х)=

1+0,0005(х-х ) переменное (линейнополяризованное) магнитное поле с частотой Г =350 кГц, намагниченности элементарных объемов парамагнетика поворачиваются вокруг Н(х) на угол Ф = уЮ " ("с — длительность

2 сигнального импульса, равная 40 мс, 2h=0,04 Э), а затем прецессируют вокруг Н(х), что приводит к постепенному затуханию поперечной составляющей суммарной намагниченности парамагнетика за время

2)I

1,4 мс. удн

Через интервал времени дую=10 мс после окончания сигнального импульса переключают направление тока в катушках, создающих неоднородное магнитное поле, например, с помощью переключения концов катушки, подключенных к источнику постоянного

1 тока. Время переключения t < — = п- — Н

2>(0 — 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 t=20 мс после начала воздействия сигнального импульса возникает .сигнал спинового ( эха в виде импульса длительностью

4 )( — 2,8 мс. удн

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 выше описание основано на использовании сигнального импуса с постоянной частотой заполне1138833 ния, однако оно справедливо и для сигнального импульса с частотной модуляцией. При этом для импульсов с амплитудой 2ЬаАН форма сигналов спинового эха, полученных с помощью 5 инверсии градиента, повторяет форму сигнальных импульсов.

С помощью только инверсии градиента магнитного поля нельзя выделить один 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 из последовательности сигнальных импульсов происходит следующим обра- зом.

Парамагнетик помещают в резонансную систему (РЧ катушка, СВЧ резонатор) длиной и воздействуют на него неоднородным магнитным полем

H(x)=H>+H„(x), где 0

ЧМ импульсами с частотой заполнения

f(t)=f<+f (t), где 0 4 Б Г - длитель-ЗО ность сигнального импульса.

Н(х) и f(t) удовлетворяют условию магнитного резонанса

> <,()- 2- Н„(х), (+j где f (С) и Н„(х) — монотонные функции. Монотонность этих функций обес- 40 печивает однозначное соответствие между моментом возникновения магнитного резонанса в парамагнетике t(x) и координатой х. Пример функции t(x) являющейся решением уравнения (4), 45

1 приведен на фиг. 2.

Под действием переменного (линейнополяризованного) магнитного поля с амплитудой 2hdchH = H(f)-H(0), соз-даваемого сигнальным импульсом в момент t, существенное отклонение от равновесного направления вдоль

Н(х) испытывают магнитные моменты парамагнетика, для которых в момент

to+t(x0) выполняется условие (4).

Практически это выполняется для магнитных моментов, содержащихся в элементарном объеме парамагнетика, ограниченном координатами х — †

Дх о

@х Ь ан.„ х, +, где ах= ф " (х ).

2 с1х

В результате магнитные моменты, находящиеся в различных элементарных объемах парамагнетика (характеризуемые разными координатами хо), отклоняются от равновесного направлегия в разные моменты времени

+ t(xz). 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 t (t -t (Т

1 1 О 2 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 време (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 виде

dH„dH

1 (t t q «cà „

Как видно из выражения (5) градиент магнитного поля при t)t одно1 значным образом определяется интервалом времени (t„ -t ), что обуславливает образование сжатого эхо-импульса лишь для сигнального импульса, воздействующего на парамагнетик в момент д . Этот результат поясйяется с помощью фиг. 4a, на которой представлены зависимости разности фаз Ь V(xP магнитных моментов, находящихся в элементарных объемах па1138833

4Х рамагнетика (61(х ) = t(x+- — )

О 2

Ьх 1 — 4 (х — †)) при х =О х =— о 2 . 0 1 0 х =Х. В момент t происходит измео 1 кение знака и величины градиента магнитного поля в этих объемах в соответствии с выражением (5). Показан случай линейной функциональной зависимости Н„.(х)=k>х, f>(t)=k2 . Рефазировка магнитных моментов в этих объемах Ю(хо=0) 1 (х = 2 ) =Л (+ =

f) = О происходит одновременно в момент t=2t -t лишь для второго

6 сигнального 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. 46.

Пример. Расчет проводят для оптически ориентированных атомов

159 кГц

Cs с — = 350 °, находящихся

23> в цилиндрической ячейке длиной 4 см, Из значений =1 мс; е, =20 мс;

=11 мс и функций

Н(х)=5+0,25х, 1"э ; О х 4 см; — = 0,25, t4t1

f (t) = 1,75+0,35t, (мГц);

О 1 мс; h=0 05 э.

В соответствии с выражением (5) при

40 сНс -2

= -0,25(1-2,77 10 х), dx ЬН„ в момент времени t=2tH-t =29 мс

45 возникает сжатый эхо-импульс длитель4Л ностью = 6мс. дН

Сущность второго варианта способа преобразования сигнального импульса на эффекте спинового эха заключается в том, что смомента t поступления сигнального импульса до момента все процессы в парамагнетике протекают, как и в первом варианте. Отли- 5 чие заключается в том, что в фиксированный момент времени на парамагнетик воздействует 180-градусный управляющий импульс с постоянной

jr частотой заполнения

2Л

Ниамплитудой 2hz)a H с длительностью !!

Под действием такого им Ь

Н пульса все магнитные моменты парамагнетика одновременно поворачиваются вокруг переменного магнитного поля

h-, так, что разность фаз прецессии магнитных моментов в каждом элементарном объеме парамагнетика 4У (х ) о изменяет свой знак (фиг. 4b) одновременно. Причем после окончания этого импульса величина градиента изменяется в соответствии с выражением

dH„ 1(х)

dx dx (1 -1 о (ь) х кГц

700; Ф= 1 мс; „ =20 мс; 1.„=11 мс, а распределение магнитного поля и соответствующий ему градиент имеют вид

H(x)=7,05+0,05х, js );

О х 62 см, Частота радиочастотного заполнения сигнальных импульсов имеет вид

f(t) =4,935+0,07t, (мгц3 4

0

Это приводит к изменения скоростей рефазировки отдельных групп магнитных моментов, находящихся в каждом элементарном объеме, таким образом, что в момент времени t=2t -t происо ходит рефазировка для всех групп магнитных моментов одновременно, т.е. под воздействием сигнального импульса (начинающегося в момент t ) возо никает сжатый эхо-импульс (фиг. 4 ь), что позволяет выделить этот импульс из последовательности сигнальных импульсов.

II p и м е р, Используют оптически ориентированные атомы Rb, находяВт щиеся в цилиндрической ячейке длиной

2 см. Значения необходимые для рассчета составляют

11388 3

Параметры 180- градусного управляющего импульса составляют

V = 4,97 мрц; h>= 0,5 .3;

1,4 мс.

Тогда в соответствии с выражением (6) при

dH — =0,05(1-5,5 10 ° х),(†);

-2 Гэ 1

dx < 4, (см)

О х 2 см в момент времени t=2t — t =29 мс о возникает сжатый эхо-сигнал, соответствующий сигнальному импульсу, воздействующему на парамагнетик в момент времени t0=11 мс.

Преимущественньп выбор того или иного варианта при конструировании устройств преобразования сигнального импульса обуславливается следующими обстоятельствами.

Первый вариант предпочтительнее в тех случаях, когда необходима большая величина неоднородности магнитного-поля в. сравнительно большой по объему ячейке (это характерно для Зо 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 h- >,й H

Т( (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, создающи градиент магнитного поля.

Второй вариант предпочтительнее, когда существует внешний (не задаваемый специально, например, создавае— мый 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 h-МН + Л 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 спинового эха позволяют существенно упростить такое преобразование, как задержка сигнального импульса, и расширить область применения путем выделения одного импульса из последовательности сигнальных импульсов.

1138833 от о

1138833

Составитель Н. Доватор

Редактор А. Мотыль Техред С.Мигунова

Корректор О. Тигор

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 10б95/39 Тираж 584 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, R-35, Раушская наб., д. 4/5