Способ преобразования сигнального импульса на эффекте спинового эха (его варианты) Советский патент 1985 года по МПК G11C11/16 

2,Способ по П.1, отличи ю щ и и с я тем, что, с целью расширения области применения способа путем выделения одного импульса из последовательности сигнальных импульсов, одновременно с инвертирова нием градиента магнитного поля изменяют величину градиента. 3. Способ преобразования сигнал ного импульса на эффекте спинового эха, основанный на воздействии на ра- или ферромагнетик сигнальным 1 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-г 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 поля.

1. Способ преобразования сигнального импульса на эффекте спинового эха, основанный на воздействии на пара- или 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.

1

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при создании устройств обработки (запоминания, задержки и сжатия) электрических сигналов.

Известны способы преобразования сигнального импульса, которые основаны эффекте спинового эха, поз поляющем производить разнообразную обработку сигнального импульса 1 .

Наиболее близким к изобретению является способ преобразования сигнального частотно-модулированного (ЧМ-) импульса на эффекте спинового эха путем воздействия на парамагнетик магнитным полем и сигнальным импульсом с последующим воздействием на него 180-градусным управляющим Ш импульсом. Способ заключается в том, что на парамагнетик воздействуют магнитным полем, что обуславливает возникновение суммарной намагниченности парамагнетика вдоль этог 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 происходит свободная прецессия этих векторов вокруг магнитного поля. Вследствие разброса резонансных частот из-за локальных магнитньй полей в парамагнетике поперечная компонента суммарной намагниченности парамагнетика затухает со времением. Если воздействовать на пapaмaгнeтиk

180-градусным 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.

Однако управляющий 180-градусный 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 способа путем выделения одного импульса и последовательности сигнальных иЫпульсов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу преобразовання сигнального импульса по первом варианту на пара- или ферромагнетик воздействуют неоднородным магнитным полем, а после воздействия сигнальнь импульсом инвертируют градиент магнитного поля. Кроме того, одновременно с инвертированием градиента магнитного поля изменяют величину градиента. По второму варианту на пара- или ферромагнетик воздействуют неоднород ным магнитным полем, а после воздействия на пара- или ферромагнетик 180-градусным управляющим инпульсом изменяют величину градиента магнитного поля. На фиг. 1 приведена схема преобразования сигнального импульса («-входной сигнальный импульс; 5временная зависимость градиента маг нитного поля; 8 временная зависимость фаз намагниченностей элемен тарных объемов парамагнетика, харак теризуемых координатами х, х, х г - временная зависимость суммарно намагниченности парамагнетика); на фиг. 2 - пример распределения напря женности магнитного поля в парамагнетике Н(х) (х) (м- временная зависимость частоты заполнения сигнального ЧМ импульса f(t)fp+f(t); зависимость t(x), являющаяся ре f (t) -iН/х)| шением уравнения 1 фиг. 3 схема сжатия сигнального импульса (а - зависимость от вре мени намагниченности элементарного объема парамагнетика, возбуждаемого (взаимодействующего резонансным обр зом с сигнальным импульсом) в момен сА- зависимость от времени намагниченности элементарного объема, f возбуждаемого в момент t + - ; В - зависимость от времени намагниченности элементарного объема, возбуждаемого в момент t г- временная зависимость суммарной намагн ченности парамагнетика); на фиг.4 схема выделения одного импульса из последовательности сигнальных импульсов (а - зависимость от времени разности фаз & (х) магнитных моментов для трех элементарных объемов парамагнетика (при , х у ), возбуждаемых тремя последовательными сигнальными импульсами в случае инверсии градиента магнитного поля в момент S - временная зависимость разностей фаз тех же элементарных объемов парамагнетика при включении управляющего импульса в момент в- форма сигнальных импульсов, воздействующих на парамагнетик (1, 2 и 3) и форма соответствующих им сигналов спинового эха (1 ,2 и 3). Сущность первого варианта изобретения 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 сжатия 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 парамагнетик, так как приводимые ниже объяснения справедливы также для ферромагнетиков . В результате воздействия таким импульсом с амплитудой переменного магнитного поля (ДН - неоднородность магнитного поля в объеме парамагнетика) и частотой, близкой к частоте магнитного резонанса (, Нсреднее значение магнитного ПОЛЯ в объеме парамагнетика; -у- гиромагнитное отношение), намагниченности всех элементарных объемов парамагнетика окажутся сфазиро2анными (под элементарным объемом парамагнетика понимается объем парамагнетика, содержащий магнитные моменты с одинаковой час19)той магнитного резонанса). После окончания воздействия сигнальным импульсом фазы на- магниченностей элементарных объемов расходятся из-за свободной прецессии с разными частотами, что обусловлено неоднородностью магнитного поля. Если в момент времени t. (, Т - время поперечной релаксации) инвертировать градиент магнитного поля, то частоты прецессии намагниченностей элементарных объемов из51меняются так, что те намагниченности которые прецессировали с большей,час тотой, начинают, прецессировать с мен шей и наоборот, В результате этого намагн}1ченности элементарных объемов вновь сфазированы в момент времени -С-Сфиг. О. Фаз-а намагниченности элементарного объема, характеризуемого коорлдинатой , в случае неоднородно го магнитного поля H(x)Hj,+Gi,x (с - градиент магнитного поля) в момент времени t имеет вид (T(VS%)(trVn.- ( Б момент t. инвертируют градиент и дополнимагнитного поля ь - тельный набег фазы с момента t составляет величину )(t-M . (2) 0. в произвольный моме В результате фаза имеетвид времени t t 4- ( (t.. -T,S( где 4,j/- фаза, приобретаемая намагниченностью любого элементарного объема парамагнетика к концу сигнал ного импульса. Из выражения (3) сле дует, что в момент t 2t -tp-L фазы элементарных намаГниченностей (т.е. для разных х) одинаковы, т.е. возникает сигнал спинового эха (фиг. 1 Способ осуществляют следующим об разом. Б качестве парамагнетика используют оптически ориентированные ато- 350 кГц/Э. Магнитно Jполе в объеме парамагнетика, помещенного в цилиндрическую ячейку дли ной 4 см, создается двумя парами колец Гельмгольца. Одна пара колец используется для создания однородно го в объеме парамагнетика постоянно го магнитного поля Э, а другая пара колец (включенных встречно) для со-здания неоднородного, симметричного относительно центра ячейки, магнитного поля H,,(x)0,0005(x-xpf3j, р, см, х,,2 см 3 С градиентом магнитногч поля G 0,0005 1 , J Под воздействием сигнального им-пульса, действующего, например, через третью пару колец Гельмгольца и создающего перпендикулярное Н(х) 1+0,0005(х-Хр) переменное (линейнополяризованное) магнитное поле с частотой кГц, намагниченности элементарных объемов парамагнетика поворачиваются вокруг Н(х) на угол Ф (С - длительность сигнального импульса, равная 40 мс, ,04 Э), а затем прецессируют вокруг Н(х), что приводит к постепенному затуханию поперечной составляющей суммарной намагниченности парамагнетика за время 1,А мс. Через интервал времени мс после окончания сигнального импульса переключают направление тока в катушках, создающих неоднородное магнитное поле, например, с помощью переключения концов катушки, подключенных к источнику постоянного тока. Время переключения t,--- 3 мс. В результате такого переключения градиент изменяет знак и начинается сфазирование намагниченностей элементарных объемов парамагнетика за время мс в соответствии с объяснениями, приведенными ранее, и в момент мс после начала воздействия сигнального импульса возникает сигнал спинового эха в виде импульса длительностью 4 2,8 мс. Таким образом, предлагаемьй 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 управляют щий импульс. Приведенное вьппе описание основано на использовании сигнального импуса с постоянной частотой заполнения, однако оно справедливой для сигнального импульса с частотной мо дуляцией. При этом для импульсов с амплитудой форма сигналов спи нового эха, полученных с помощью инверсии градиента, повторяет форму сигнальных импульсов. С помощью только инверсии градие та магнитного поля нельзя вьщелить один импульс из последовательности сигнальных импульсов, так как все сигнальные импульсы преобразуются в этом случае одинаковым образом в соответствующие им сигналы спиново эха. Импульс может быть выделен, е ли одновременно с инвертированием градиента изменить его величину (фиг. 2-4;. Выделение одного импульса из последовательности сигнальных импульсов происходит следующим образом. Парамагнетик помещают в резонан ную систему (РЧ катушка, резонатор) длиной i и воздействуют на него неоднородным магнитным полем Н(х)Нр+Н(х), где , х - коор дината парамагнетика, и сигнальным ЧМ импульсами с частотой заполнени f (t)fg+f(t), где O t CjC- длите ность сигнального, импульса. Н(х) и f(t) удовлетворяют условию магнитного резонанса , fi(l TFH,(x), (4) где f (t) и Н(х) - монотонные функции. Монотонность этих функций обеспечивает однозначное соответствие между моментом возникновения магнитного резонанса в парамагнетике t(х) и координатой х. Пример функции t(х) являющейся решением уравнения (4), приведен на фиг. 2. Под действием переменного (линейнополяризованного) магнитного поля амплитудой Н()-Н(0), соз-даваемого сигнальным импульсом в момент tg, существенное отклонение от равновесного направления.вдоль Н(х) испытывают магнитные моменты парамагнетика, для которых в момент tQ+t(xj) выполняется условие (А). Практически это выполняется для магнитных моментов, содержащихся в элементарном объеме парамагнетика. ограниченном координатами дх где /5х W-3- 2 ах В результате магнитные моменты, находящиеся в различных элементарных объемах парамагнетика (характеризуемые разными координатами х), отклоняются от равновесного направления в разные моменты времени tp + t(хр). 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 ( - 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 t (х,). 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 записьшается в виде ofx oJK ti Как видно из выражения (5) градиент магнитного поля при однозначным образом определяется интервалом времени (t -t ) , что обуславливает образование сжатого эхо-импульса лишь для сигнального импульса, воздействующего на парамагнетик в момент tg. Этот результат поясняется с помощью фиг. 4а , на которой представлены зависимости разности фаз л f(x магнитных моментов, находящихся в элементарных объемах парамагнетика ((x) f(Xg+ ) -Ч-СХр- -)), при x , в момент t происходит изменение знака и величины градиента магнитного поля в этих объемах в со ответствии с выражением (5). Показа случай линейной функциональной зависимости H(x), f(t)k2t. Рефазировка магнитных моментов в этих Р объемах ЛЧ() « ЛЧСхо ) й(хв f) О происходит одновременно в момент лишь для второго сигнального импульса. Это приводит к появлению сжатого эхо-импульса, что и обуславливает выделение второ го сигнального импульса из последовательности импульсов. Вид сигнальных импульсов до преобразования и после.него приведен на фиг. 4в. Пример. Расчет проводят для оптически ориентированных атомов находящихся 23Г -- э в цилиндрической ячейке длиной 4 см Из значений 1 мс; t 20 мс; мс и функций Н(х)5+0,25х, СэЗ; см; ,25, dx I L см J , f(t) 1 ,75+0,35t, мс; э, В соответствии с выражением (5)

при

г2.

-0,25(1-2,TTMO x),

в момент времени , мс45

возникает сжатьш эхо-импульс длитель4JT

6 мс.

ностью

йН

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

кГц

700

f 1 мс;

2У

t 20 мс; t 11 мс.

а распределение магнитного поля и соответствующий ему градиент имеют вид

Н(х)7,05+0,05х, Otx 2 см,

dHi

-0,05 .

3 CM dx Iti

Частота радиочастотного заполнения сигнальных импульсов имеет вид

f(,935+0,07t, мГц ; О t f мс. 310 управляющий импульс с постоянной Н и амчастотой заполнения V плитудой Н с длительностью Под действием такого импульса все магнитные моменты парамагнетика одновременно поворачиваются вокруг переменного магнитного поля h-j так, что разность фаз прецессии магнитных моментов в каждом элементарном объеме парамагнетика &Ч (х) изменяет свой знак (фиг. 4f) 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 происходит рефазировка для всех групп магнитных моментов одновременно, т.е. под воздействием сигнального импульса (начинающегося в момент t) возникает сжатьй эхо-импульс (фиг. 4 б), что позволяет вьщелить этот импульс из последовательности сигнальных импульсов . Пример. Используют оптически ориентированные атомы Rb, находящиеся в цилиндрической ячейке длиной 2 см. Значения необходимые для рассчета составляют napaNferpbi 1 80-градусного yrrpapляющего импульса составляют 0,5 3; V 4,97 МГц; hp- ,4 МО. Тогда в соответствии с выражением (6) при 0,05(1-5,5-10 . х) см в момент времени -t 29 мс возникает сжатьш эхо-сигнал, соответствующий сигнальному импульсу, воздействующему на парамагнетик в момент времени мс. Преимущественньш выбор того или иного варианта при конструировании устройств преобразования сигнального импульса обуславливается следующими обстоятельствами. Первый вариант предпочтительнее в тех случаях, когда необходима бол шая величина неоднородности магнитного- поля в сравнительно большой по объему ячейке (это характерно для ячеек с оптически ориентированными атомами и, в случае большого коэффициента сжатия ЧМ импульсов), так к в этом случае технически трудно со

f../

(Риг. 2 312 дать однородное по объему переменное магнитное поле с амплитудой h 7-Л Н (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 катущках, создающие 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-градусный управляющий импульс с амплитудой + ЛН,...... позволя.- „ .. gj,g ет повернуть магнитные моменты на 180 одновременно во всей ячейке. Наиболее легко это выполнимо для небольших по размерам ячеек, какие, например, используются в 5ГМР 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.

п

a

totn-r

t,

Фиг.З

2tf-to t

2tf-tb t