§ 4, Простейший спектрометр ямр

1. Э. д. с. ядерной индукции

В момент достижений условий резонанса (т. е. при ■у = ^Яо) век­тор суммарной намагниченности начинает прецессировать вокруг оси х во вращающейся системе координат. При этом появляются

Рис. 1.10. Двухкатушечная система датчика сигналов ЯМР. Пере­дающая катушка, расположенная вдоль оси х, питается напряже­нием с частотой о), линейно изменяющейся во времени. Приемная катушка, расположенная вдоль оси у, принимает компоненту ядер- нон намагниченности М_и. Фазовый детектор выделяет обе состав­ляющие М_у — дисперсию и(а>) н поглощение u(w)

перпендикулярные компоненты М_х и М_у (рис. 1.9, б), называемые сигналами ядерной индукции, которые представляют собой перио­дические функции времени. Если, например, в момент t — nj2yH_u соответствующий повороту вектора М на 90° (рис. 1.9 в), действие возбуждающего поля прекращается, то очевидно, что индуцирован­ные компоненты М_х и М_у будут затухать аналогично тому, как это показано на рис. 1.7 (спад сигнала свободной индукции).

Эти соображения лежат в основе эксперимента по наблюдению электродвижущей силы (э. д. с.) ядерной индукции, впервые осуществленного Блохом и сотрудниками с помощью системы двух катушек. В этом эксперименте наряду с поляризующим полем Н₀, направленным по оси г (рис. 1.10), и возбуждающим полем Hi иа частоте <о (эта частота линейно меняется со временем), направ­ленным по оси х, вводится еще вторая катушка, ось которой рас­полагается вдоль оси у. Эта катушка служит приемником сигналов ядерной индукции, а именно компоненты М_у. На основании реше­ния уравнений Блоха можно показать, что, вообще говоря, М_у представляет собой смесь двух колебаний, сдвинутых по фазе на 90°, так что

Му——u sin u>t-\-v cos at, (1.33)

где величины и и v называют собственно сигналами дисперсии и поглощения соответственно. Для того чтобы выделить из М_у каж­дый из сигналов в отдельности, используют фазочувствительный детектор. При этом на выходе приемной системы оказываются огибающие колебаний с частотами радиодиапазона, т. е. функции а (со) и у (со), которые представляют физический интерес.

2. Блок-схема простейшего спектрометра ЯМР

Двухкатушечная конструкция датчика сигналов ЯМР не является обязательной. В принципе обе катушки могут быть размещены по одной оси и, следовательно, заменены одной катушкой, которая одновременно используется и как приемная, и как передающая. Блок-схема простейшего однокатушечного спектрометра ЯМР (рис. 1.11) включает следующие существенные элементы: магнит с напряженностью 1^-2 7, катушку приемопередающей системы, расположенную в зазоре магнита и ориентированную перпендику­лярно к оси z, мостовую схему, в одно плечо которой включена ка­тушка, генератор высокой частоты соо, подобранной в соответствие с величинами Но и у. Кроме того, спектрометр должен содержать систему развертки (например, по частоте), усилители по высокой частоте и по частотам модуляции, а также устройство для регист­рации сигналов ЯМР, например самопишущий потенциометр, на одну ось которого подается напряжение сигнала, а на другую — напряжение, пропорциональное частоте развертки (при частотном свипе). Разумеется, «сердцем» всей системы является образец, представляющий собой ампулу, содержащую ядра исследуемого типа.

Рис. 1.11. Блок-схема простейшего спектрометра ЯМР с разверткой

частоты