СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЯДЕРНОЙ СПИН-РЕШЕТОЧНОЙ РЕЛАКСАЦИИ МЕТОДОМ ЯМР Российский патент 1994 года по МПК G01N24/08 

Изобретение относится к радиоспектроскопическим методам измерения характеристик вещества и может быть применено при анализе свойств твердых тел.

Известны способы импульсного измерения времени ядерной спин-решеточной релаксации (1), позволяющие определять время T₁^Σ , характеризующее процесс релаксации в целом.

Наиболее близким по технической сущности является способ (2), основанный на сравнении двух или нескольких сигналов прецессии ядерных спинов, следующих после поворачивающих суммарную намагниченность на 90^оили 180^о импульсов, разделенных заданным регулируемым интервалом времени. Такой способ или подобные ему модифицированные способы требуют определения начальной величины сигнала прецессии, соответствующего равновесной ядерной намагниченности образца, т.е. установлению полного термического равновесия между спин-системой и решеткой.

Недостатком известного радиоспектроскопического способа измерения времени ядерной спин-решеточной релаксации (прототипа) является малая информативность, обусловленная тем, что в результате его применения получают T₁^Σ, характеризующее процесс спин-решеточной релаксации в целом, который может осуществляться в твердых телах за счет различных механизмов.

Целью изобретения является повышение информативности измерений времени спин-решеточной релаксации ядер анализируемых твердых тел за счет разделения решеточного и примесного вкладов в процессе ядерной спин-решеточной релаксации.

Измерение времени ядерной спин-решеточной релаксации методом ЯМР, заключается в приведении системы спинов ядер вещества в состояние насыщения при внешнем воздействии и определении постоянной времени τ восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности к равновесному значению, а затем в нахождении по ней времени ядерной спин-решеточной релаксации T₁^Σ,в соответствии с изобретением, производят дополнительное внешнее воздействие на систему ядерных спинов переменным электрическим или акустическим полем с частотой, равной удвоенной частоте лаpморовской прецессии ядер вещества, в результате этого воздействия устанавливают состояние динамического насыщения, характеризуемого величиной Z_ст=М/М_о, где М, М_о - величины равновесного значения продольной составляющей ядерной намагниченности в присутствии дополнительного возмущающего поля и без него, соответственно, при измерениях τ изменяют степень насыщения Zст и регистрирующей зависимость времени восстановления продольной оставляющей ядерной намагниченности вещества от величины степени насыщения Z_ст спиновой системы ядер τ (Z_ст), на немонотонной кривой зависимости τ (Z_ст) выделяют начальный участок, аппроксимируют его линейной зависимостью и определяют решеточную компоненту времени спин-решеточной релаксации ядер по формуле:
Т₁^реш= τ/Z_ст, а примесную компоненту Т1прим по формуле:
Т₁^прим=T₁^Σ Т₁^реш /(Т₁^реш-T₁^Σ).

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 и 2 изображены зависимости τ=f(Z_ст), при этом фиг. 1 для монокристалла GaAsC c примесью хрома ≈10^-3 ат.% а фиг. 2 для чистого GaAs.

Конкретное применение предлагаемого способа измерения времени ядерной спин-решеточной релаксации методом ЯМР проведено на высокоомных, обладающих кубической симметрией монокристаллах арсенида галлия: чистом - с концентрацией неконтролируемых примесей N<10^-5 Ат.% и легированном хромом с концентрацией N≈10^-3 Ат.%. Монокристаллы GaAs выращивались методом зонной плавки из исходных материалов высокой частоты. Образцы имели форму пластин толщиной 1 мм, вырезанных перпендикулярно кубической оси [100], с точностью ориентации граней 1^о. К противоположным поверхностям пластин прикладывались электроды из медной фольги. Образцы устанавливались в постоянном поле магнита спектрометра так, что кристаллографическое направление [100] совпадало с внешним постоянным магнитным полем . Такая ориентация образца, когда создаваемая между электродами напряженность переменного электрического поля , соответствует наиболее эффективному спин-электрическому взаимодействию, а следовательно, наиболее эффективному насыщению ядерной спиновой системы. Измерения проведены при температуре жидкого азота Т=77К, в перестраиваемом магнитном поле величиной =(0,3÷0,7) Т. Сигналы свободной прецессии ядер ⁷¹Ga принимались на частоте ν=5,5 МГц. Внешнее воздействие на образец переменным электрическим полем производилось на частоте 11 МГц с величиной амплитуды вектора напряженности электрического поля, изменяемого в пределах =(0÷100) кВ/м, что позволяло насыщать спиновую систему ядер вещества со стационарным значением степени насыщения Z_ст=(1,00÷0,05).

Результаты измерений в монокристалле GaAs с примесью хрома приведены на фиг. 1, где изображена немонотонная зависимость τ(Z_ст) для изотопа ⁷¹Ga. В отсутствии насыщающего электрического поля (т.е. Z_ст=1) время спин-решеточной релаксации T₁^Σ = (27,8±0,5)с. С увеличением насыщения сигнала ЯМР ⁷¹Ga происходит перекрывание примесного канала спин-решеточной релаксации. Начиная с Z_ст=0,55 и меньше спин-решеточная релаксация полностью определяется решеточным механизмом. Апроксимация начального участка немонотонной кривой τ (Z_ст) линейной зависимостью дает значение Т₁^реш=(31,4±0,8)с. Примесная компонента в процессе спин-решеточной релаксации составляет:
Т₁^прим= T₁^Σ Т₁^реш/(Т₁^реш-T₁^Σ )=(240±40)с.

Результаты аналогичных измерений проведенных данным способом в чистом монокристалле арсенида галлия с содержанием примесей N<10^-5 Ат.% приведены на фиг. 2. В этом случае зависимость постоянной времени восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности к своему стационарному значению от степени электрического насыщения линии ЯМР ⁷¹Ga τ(Z_cт) имеет ярко выраженный линейный характер, что говорит об отсутствии примесного вклада в процесс спин-решеточной релаксации, а время T₁^Σ =Т₁^реш= (31,5±0,5)с. Полученный результат полностью согласуется с измерениями проведенными в GaAs с примесью хрома.

Имеющиеся в настоящее время способы измерения времени спин-решеточной релаксации не позволяют разделять решеточный и примесный вклады в T₁^Σ , что существенно снижает их информативность при анализе свойств вещества, так как при интерпретации полученных радиоспектроскопических данных существенным, а в ряде случаев определяющим является механизм протекания процесса спин-решеточной релаксации в спиновой системе ядер вещества. Данный способ измерения времени ядерной спин-решеточной релаксации методом ЯМР дает возможность впервые экспериментально разделить и измерить решеточную и примесную компоненты T₁^Σ .

Использование: при анализе свойств твердых тел радиоспектроскопическими методами. Сущность изобретения: приведение системы спинов ядер вещества в состояние насыщения при внешнем воздействии и определение времени ядерной спин-решеточной релаксации по ходу восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности к равновесному значению в условии дополнительного воздействия на спин-систему переменным электрическим током или акустическим полем с частотой, равной удвоенной частоте ларморовской прецессии ядер вещества. 2 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЯДЕРНОЙ СПИН-РЕШЕТОЧНОЙ РЕЛАКСАЦИИ МЕТОДОМ ЯМР, заключающийся в приведении системы спинов ядер вещества в состояние насыщения при внешнем воздействии и определении постоянной времени τ восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности к равновесному значению М₀ и по ней времени ядерной спин-решеточной релаксации T₁^Σ, отличающийся тем, что дополнительно производят внешнее воздействие на систему ядерных спинов переменным электрическим или акустическим полем с частотой, равной удвоенной частоте ларморовской прецессии ядер вещества, изменяя равновесное значение продольной составляющей ядерной намагниченности до величины М, при определении τ изменяют степень насыщения Z_ст=М/М₀ и регистрируют зависимость времени восстановления продольной составляющей ядерной намагниченности вещества от величины степени насыщения Z_ст спиновой системы ядер τ (Z_ст) на зависимости τ (Z_ст) выделяют начальный участок, аппроксимируют его линейной зависимостью и определяют решеточную компоненту времени спин-решеточной релаксации ядер по формуле
T₁^pеш = τ / Z_ст ,
а примесную компоненту T₁^пpим по формуле
T₁^пpим = T₁^Σ˙T₁^pеш / (T₁^pеш-T₁²) .