Экспериментальная установка. Получение резонансного сигнала
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Измеряемое магнитное поле создается электромагнитом ЭМ и кольцевыми катушками Гельмгольца Г, надетыми на полюса электромагнита.
Датчик Д измерителя магнитной индукции Ш1–1 помещают в магнитное поле. Частота высокочастотных колебаний, создаваемых генератором прибора Ш1–1, измеряется частотомером.
Чтобы получить ядерный магнитный резонанс и измерить частоту прецессии ядер в магнитном поле, вращая ручку измерителя Ш1–1, меняют частоту высокочастотных колебаний. При возникновении резонанса поглощение энергии высокочастотного магнитного поля ядрами возрастает и достигает максимума. Добротность контура, в котором ампула с рабочей жидкостью служит сердечником катушки, при этом уменьшается и достигает минимума. Это приводит к резкому уменьшению амплитуды колебаний, создаваемых генератором.
Для получения сигнала, свидетельствующего о возникновении резонанса и совпадении частоты прецессии с частотой колебаний, создаваемых генератором прибора Ш1–1, ампула с рабочим веществом и намотанная на нее катушка, создающая высокочастотное поле, помещены внутрь еще одной катушки, также находящейся в датчике. Эта катушка модулирует величину напряженности постоянного магнитного поля, меняя её по синусоидальному закону с частотой 50 Гц. По такому же закону изменяется и частота прецессии, , а следовательно, и резонансная частота. Если частота колебаний г, сознаваемых генератором, остается постоянной и близкой к , то за один период изменения тока модуляции состояние резонанса возникает два раза, так как частота прецессии за это время дважды принимает значения г.
Создаваемое генератором высокочастотное напряжение, амплитуда которого в момент ядерного резонанса резко убывает, поступает с контура генератора высокой частоты на амплитудный детектор, где преобразуется в низкочастотный сигнал переменного тока – сигнал ядерного магнитного резонанса. Сигнал ЯМР усиливается усилителями низкой частоты и направляется на пластины вертикального отклонения электронно-лучевой трубки. Примерный вид сигнала ЯМР изображен на рис. 2. Когда точка пересечения кривых находится в середине экрана, частота колебаний г создаваемых высокочастотным генератором, равна частоте прецессии .
Четкий сигнал ЯМР можно наблюдать только при условии, что магнитное поле обладает хорошей стабильностью и однородностью. При неоднородности поля, соответствующей изменению индукции более чем 0,05% на расстоянии 1 см, сигнал расплывается и его нельзя заметить на фоне шумов. Электромагнит, используемый в лабораторной установке, обеспечивает хорошую однородность поля благодаря тому, что его полюса имеют ровную поверхность и расстояние между ними в несколько раз меньше их диаметра.
Измеритель магнитной индукции постоянных магнитных полей имеет высокую точность. Так, например, при измерении поля с индукцией около 0,5 Тл, обладающего высокой однородностью, приборная погрешность измерения составляет 6105 Тл, то есть 0,012%. Прибор измеряет магнитную индукцию постоянных магнитных полей в межполюсных зазорах постоянных магнитов и электромагнитов в диапазоне от 0,025 до 2,5 Тл. Магнитную индукцию полей соленоидов прибор измеряет в диапазоне от 0,057 до 0,7 Тл.