סידרות פולסים והמודל הוקטורי

שהספין המגנטי של הגרעין הנמדד עובר אינטרקציה עם השדה המגנטי, מקובל לחשוב על הספין המגנטי כעל מומנט שיש לו כיוון מסויים. בניסוי תמ"ג נמדד מספר גדול של מומנטיםכאלו, אילו הם היו בכיוונים רנדומליים אי אפשר היה למדוד אותם. אולם נראה שבשיווי משקל קיימת כיווניות מסוימת של המומנטים והיא בכיוון של השדה המגנטי. לכיווניות הזו קוראים המגנטיזציה העיקרית של החומר. ניתן אם כן ליצג את המגניטיזציה על ידי וקטור שכיוונו ככיוון השדה המגנטי. את וקטור המגנטיזציה ניתן להציב על מערכת צירים x,y,z כשהוא מונח על ציר z למערכת צירים קבוע זו קוראים מערכת צירי המעבדה.

פרצסיית (נקיפת) לארמור

נניח שהצלחנו בדרך כלשהי להטות את וקטור המגנטיזציה בזווית β מציר ה-z. (על הדרך לעשות זאת נדון מאוחר יותר.) במקרה זה וקטור המגנטיזציה ינוע מסביב לציר ה-z תוך שהוא יוצר מעין חרוט שציר ה-z במרכזו. לתנועת הוקטור יש תדירות מסויימת המאפיינת אותו והיא מכונה פרצסיית (נקיפת) לארמור.

אם השדה המגנטי הוא B₀ אז תדירות פרסצית לארמור תהיה לפי משוואה 1.

התדירות ν₀ היא אותה תדירות בה נראים הסיגנלים בספקטרום התמ"ג. במגנט מותקן גלאי (סליל חשמלי) שתפקידו למדוד את התדירות של פרצסית לרמר. המדידה נעשת על ידי שימוש בגלאי המונח במישור x,y וכאשר וקטור המגנטיזיציה חוצה אותו במהלך הפרצסיה הוא משרה בסליל זרם חשמלי שניתן למדוד אותו. התהליך דומה לדרך בה נוצר זרם חשמלי על ידי מגנט שמסתובב בתוך סליל.

פולסים

נעסוק עתה בדרך בה ניתן להסיט את וקטור המגנטיזציה ממצב שיווי המשקל בו הוא נמצא. השדה המגנטי נמצא לאורך ציר z וכן וקטור מגנטיזציה. הסטת וקטור המגטיזציה נעשה על ידי שידור סיגנל (סיגנל תדר רדיו – (rf מסליל המצוי במישור x,y. הבעיה שעמה יש להתמודד היא שהשדה המגנטי המושרה גדול בהרבה מכל סיגנל חשמלי שניתן לשדר דרך הסליל המצוי בגלאי של הספקטרומטר. על מנת להתגבר על בעיה זו הוגדרה מחדש מערכת צירים של וקטור המגנטיזציה. במקום להשתמש במערכת צירים קבועה, נעשה שימוש במערכת צירים שבה מישור x,y מסתובב סביב ציר z בתדר נצפה קרוב לתדר פרצסית לארמור של החומר הנמדד. ואז השדה המושרה לאורך ציר z הופך להיות נשלט מספיק כך שסיגנל ה-rf הופך להיות שולט ומוגדר כווקטור שדה חשמלי קבוע (E) במישור x,y ביחס לציר המסתובב. בחירה נכונה של התדר של סיגנל הrf- מאפשרת הסטת וקטור המגנטיזציה מציר z למישור x,y.

ואז וקטור המגנטיזציה הוסט בזווית שתלוי במשך ובעוצמת הפולס. אם הווקטור הוסט ב-90° והתהליך נקרא פולס של 90° (תרשים 1). ניתן לתכנן גם פולסים של 180° ואז וקטור המגנטיזציה עובר מ-+z ל–z-.

תרשים 1. השפעת פולס תדר רדיו

פולס קשה

ברוב המדידות של ספקטרום תמ"ג מעוניינים למדוד יותר מסיגנל אחד ולכל אחד מהם יש תדירות לארמור שונה. יש לבחור פולס rf חזק מספיק כך שכל הסיגנלים בתדירות לארמור השונות יוסטו ממצב השיווי משקל בו הם נמצאים. לסיגנל כזה קוראים פולס קשה.

פולס רך

כאשר עצמתו של פולס הrf- חלש יותר ניתן לעורר סיגנל בודד מתוך ספקטרום שלם. הדבר נעשה על ידי בחירת תדר רדיו זהה לתדר של סיגנל מסוים והנמכת עצמת הסיגל ביתר התדרים כך שרק אותו סיגנל יעורר. פולסים כאלו נקראים פולסים סלקטיבייים או פולסים רכים.

הפרת צימוד

כאשר הסיגנל מפוצל בשל תופעת צימוד מפצל מגרעין מסוג אחר, לדוגמה פיצולי צימוד של פרוטונים על ספקטרום פחמן, ניתן להפר את הצימוד על ידי הקרנה מתמדת של הגרעין המפצל.

פולס של גרדיאנט (מפל) מגנטי

ניתן להפעיל גרדיאנט (מפל) שדה מגנטי על הדוגמה. גרדיאנט משפיע על סיגנל של הדוגמה באופן הבא. בתחילת הניסוי הוא גורם לפיזור הסיגנל עד העלמותו. ואז על ידי הפעלת גרדיאנט בכיוון הפוך ניתן לראות אותו שוב. בצירוף פולסים של rf המשמשים כמסננים קוונטיים (מנתיים) ניתן לחקור התאמות בין גרעינים. כמו כן ניתן למדוד תזוזה פיזית בתוך הדוגמה כגון דיפוזיה (פעפוע).

איסוף

בסוף סדרת הפולסים (תרשים 2) מתקבל הסיגנל הדרוש למדידה.

תרשים 2. סמלים המשתמשים בם בסדרות פולסים

התהליך נקרא גם דעיכת ההשראה החופשית של המגנטיזציה אוfree induction decay (fid). תרשים 3 מראה תוכנית פולסים רגיל לאיסוף ספקטרום חד מימדי.

תרשים 3. סידרת פולסים רגילה לאיסוף חד-מימדי

סדרות פולסים עם ערוצים נוספים

בתרשים המובא להלן מובאת דוגמה לתכנית פולסים בשלושה ערוצים. בשנים מהם משודרים פולסים בתחום ה-rf ובשלישי מופעל גרדיאנטים מגנטיים. יש לשים לב שכל אחד מערוצי ה-rf מופעל בתדר המתאים לגרעין מסויים. בתרשים להלן הערוץ המשמש לשידור על גרעין המימן, הוא הערוץ הנצפה והוא משמש גם לאיסוף הסיגנל ואילו הערוץ השני הוא הערוץ של הגרעין שעובר צמוד עם מימן. כל הערוצים משודרים במקביל. תרשים 4 מראה סדרת פולסים עבור ניסוי דו-מימדי, ה-HMBC המודד התאמה בין פרוטון ופחמן.

מתחת לכל פולס של rf רשומים הזווית והמופע (פזה) שלו. מתחת לערוצי ה-rf יש סקלת זמן (Δ ו-t₁). זמן ההתפתחות, t₁, היא זמן הגדל בין שורה לשורה של איסוף דו-מימדי ומהווה את המימד הנוסף. בניסוי דו-מימדי הסימן עבור ציר זמן האיסוף הוא t₂2. לא נהוג לצייר את הקווים האפורים שנמצאים בתרשים ורק לצורך הבהרה ציירנו אותם כאן (ורק כאן). העוצמות היחסיות של פולסי הגרדיאנטים רשומים מתחת לערוץ הגרדיאנטים. רוחב הפולסים לא לפי סקלה.

תרשים 4. סידרת פולסים לאיסוף HMBC