Ядерный акустический резонанс

Смотрите также: Спектроскопия

Ядерный акустический резонанс — явление, тесно связанное с ядерным магнитным резонансом . Он предполагает использование ультразвука и ультразвуковых акустических волн с частотами от 1 до 100 МГц для определения акустического излучения , возникающего в результате взаимодействия частиц, которые испытывают ядерные спины в результате магнитных и/или электрических полей . Принципы ядерного акустического резонанса часто сравнивают с ядерным магнитным резонансом , особенно с его использованием в сочетании с системами ядерного магнитного резонанса для спектроскопии и связанными с ними методологиями визуализации . В связи с этим отмечается, что ядерный акустический резонанс можно использовать и для визуализации объектов. Однако в большинстве случаев ядерный акустический резонанс требует присутствия ядерного магнитного резонанса , чтобы индуцировать спины электронов внутри образцов и обеспечить поглощение акустических волн. Исследования, проведенные посредством экспериментальных и теоретических исследований, касающихся поглощения акустического излучения различных материалов, от металлов до субатомных частиц , пришли к выводу, что ядерный акустический резонанс имеет свое особое применение и в других областях, помимо визуализации. Экспериментальные наблюдения ядерного акустического резонанса были впервые получены в 1963 году Алерсом и Флери в твердом алюминии .

История

Французский физик Альфред Кастлер

Ядерный акустический резонанс впервые обсуждался в 1952 году, когда Семен Альтшулер предположил, что акустическая связь с ядерными спинами должна быть видимой. Примерно в то же время это было предложено Альфредом Кастлером . Благодаря своей специализации в этой области Альтшулер выдвинул теорию ядерных спин-акустических фононных взаимодействий, результатом которых стали эксперименты в 1955 году. Эксперименты побудили физиков предположить, что ядерно-акустический резонанс в металлах можно сформулировать и наблюдать, а современные физики обсуждают многие свойства ядерный акустический резонанс, хотя это не широко известная концепция. Концепции ядерного акустического резонанса в объектах были теоретизированы и предсказаны многими физиками, но только в 1963 году произошло первое наблюдение этого явления в твердом алюминии наряду с наблюдением его дисперсии в 1973 году, а впоследствии и первые экспериментальные ядерные резонансы. акустический резонанс в жидком галлии в 1975 году. Однако аспект акустического спинового резонанса наблюдался Болефом и Менесом в 1966 году на образцах антимонида индия, где было показано, что ядерные спины поглощают акустическую энергию, проявляемую образцом.

Теория ядерного акустического резонанса

Ядерный спин и акустическое излучение

Пример обнаруженного акустического излучения методом спектроскопии

Ядра считаются вращающимися из-за их различных свойств, начиная от магнитных и заканчивая электрическими свойствами различных ядер внутри атомов. Обычно этот спин используется в области ядерного магнитного резонанса , где внешнее магнитное поле RF (или сверхвысокочастотного диапазона) используется для возбуждения и резонанса со спином ядер внутри внутренней системы. Это, в свою очередь, позволяет поглощать или рассеивать и электромагнитное излучение позволяет оборудованию магнитно-резонансной томографии обнаруживать и создавать изображения. Однако в случае ядерного акустического резонанса уровни энергии, определяющие ориентацию вращения под действием внутренних или внешних полей, переходят под действием акустического излучения. Поскольку акустические волны часто находятся в диапазоне частот от 1 до 100 МГц, их обычно характеризуют как ультразвуковые или ультразвуковые (звук частот выше слышимого диапазона). $20-20,000Hz$).

Сравнение с ядерным магнитным резонансом

Смотрите также: Ядерный магнитный резонанс

Подобно ядерному магнитному резонансу , оба явления вводят и используют внешние источники, такие как постоянного тока магнитное поле или разные частоты, и результаты обоих методов дают схожие наборы данных и тенденции в разных переменных. Однако существуют явные различия в методологиях этих двух концепций. Ядерный акустический резонанс предполагает возникновение внутренних спин-зависимых взаимодействий, тогда как ядерный магнитный резонанс означает взаимодействие с внешними магнитными полями . Благодаря этому ядерный акустический резонанс не зависит исключительно от ядерного магнитного резонанса и может работать независимо. К случаям, когда ядерный акустический резонанс является лучшей заменой ядерного магнитного резонанса, относятся резонанс в металлах, в которые электромагнитным волнам трудно проникнуть и вызвать резонанс, например в аморфных металлах и сплавах , в то время как акустические волны могут легко проходить сквозь них. Однако пригодность использования ядерного акустического резонанса или ядерного магнитного резонанса зависит от материала, который будет использоваться для достижения наиболее эффективных и очевидных результатов.

Физика ядерного акустического резонанса

Ядерный акустический резонанс реализует физику как ядерного магнитного резонанса, так и акустики , включая использование законов квантовой механики для вывода теории акустического резонанса в объектах с ядрами, имеющими ненулевой угловой момент ( I) , величина которого определяется выражением ${\sqrt {I(I+1)}}$. В элементах, где $I>1/2$, характеристика спина ядер включает также электрические моменты, известные также как электрический квадрупольный момент (обозначается как $Q$) для самого слабого электрического момента. Этот момент ( $I$) влияет на градиенты электрического поля внутри ядра в результате окружающих зарядов относительно ядра. По сути, это влияет на результаты ядерного магнитного резонанса, используемого для индукции ядерного акустического резонанса.

Используя магнитный спин ядер в радиочастотных магнитных полях и их свойства релаксации спин-решетки после возбуждения от внешнего поля до состояний с более высокой энергией , акустические волны могут взаимодействовать с ядерными спинами, что часто включает в себя внешне генерируемые фононы . Однако взаимодействие акустических волн с ядерными спинами не гарантирует наблюдения акустического резонанса в объектах. Во время взаимодействия акустические волны испытывают небольшое изменение величины, вызванное поглощением объектом под действием ядерного спина, и измерение этого изменения имеет решающее значение для наблюдения и обнаружения ядерного акустического резонанса в объекте. Следовательно, из-за трудностей с анализом ядерного акустического резонанса он наблюдается только косвенно.

Однако по мере появления дальнейших предложений вводятся ультразвуковые импульсно-эхо-методы для обнаружения изменений затухания звука в образцах во время экспериментов благодаря их способности обнаруживать изменения в твердых телах примерно на 1 часть $10^{3}$, который способен регистрировать фоновое затухание , хотя и не для ядерной спин-фононной связи, у которой имеет коэффициенты затухания от 10 ^-7 до 10 ^-8 дБ/см. комбинация непрерывного действия (CW) ультразвукового композитного резонатора и методов ядерного магнитного резонанса . Следовательно, для фактического обнаружения ядерного акустического резонанса необходима

Ядерный акустический резонанс в металлах

Когерентные или некогерентные генерируемые фононы вовлекают ядерные спины в процессы ядерного акустического резонанса и в результате сравниваются с прямым механизмом спин-решеточной релаксации . Благодаря этому спины освобождаются от взаимодействия с резонансным тепловым фононом на низких частотах, которое часто называют несущественным. Это, безусловно, имеет место по сравнению с непрямым или рамановским процессом, в котором участвуют несколько фононов. Однако, поскольку прямая спин-решеточная релаксация характеризует твердые тела при определенных температурах из-за образования небольшого процента спектра колебаний решетки , предполагается, что твердые тела можно подвергать воздействию акустической энергии с помощью ультразвука с энергией от 10 ¹⁰ до 10 ¹² по плотности больше, чем энергия некогерентного теплового фонона. На основе этой теории предсказывает, что наблюдения ядерного спина могут быть достигнуты при высоких температурах, используя принципы и методы ядерного акустического резонанса, в отличие от обычных обстоятельств, когда они видны только при низких температурах.

Первое прямое наблюдение ядерного акустического резонанса произошло в 1963 году с использованием образцов алюминия под приложенным магнитным полем , в котором создавалось электромагнитное поле , которое минимально влияло на свойства используемых звуковых волн, в частности на их скорость и затухание . Экспериментальный анализ показал, что влияние внешнего магнитного поля на скорость и затухание пропорционально его квадрату, что позволило акустического затухания рассчитать коэффициент для любых ядерных спиновых систем, претерпевающих поглощение акустической энергии, которое характеризуется как $\alpha _{n}$, где $\alpha =P_{n}/P_{0}$, с

$P_{0}=1/2\rho v_{s}^{3}\epsilon ^{2}$

— падающая акустическая мощность на единицу площади. $P_{0}$определяется $\rho$плотность , металла $v_{s}$как скорость распространяющейся звуковой волны, и $\epsilon$является пиковым значением деформации .

Более того, $P_{n}$, мощность на единицу объема, поглощаемая системой, находящейся в состоянии ядерного спина, характеризуется

$P_{n}=N(hv)^{2}/(2I+1)kT\sum _{m}W_{mm'}$

где N — количество ядерных спинов в единице объема металла, v — частота, а $W_{mm'}$значение магнитной дипольной связи. Однако эта формула не учитывает влияние на металл вихревых токов , вызванных магнитными полями. Тем не менее результаты экспериментального наблюдения ядерного акустического резонанса в алюминии позволили предположить дальнейшие исследования в таких областях, как монокристаллы металлов со слабыми квадрупольными моментами и ядерными спинами 1/2.

Ядерный акустический резонанс в жидкостях

Из-за различий в свойствах жидкостей по сравнению с твердыми телами обычно невозможно обнаружить ядерный акустический резонанс в жидкостях из-за трудностей при индукции резонанса в жидкостях. В твердых телах спиновые переходы ядерного акустического резонанса индуцируются двумя различными механизмами связи. Однако на объекты в жидком состоянии сильно влияют их тепловые свойства, которые также влияют на динамический градиент электрического поля, что приводит к практически невозможности вызвать ядерный акустический резонанс в жидкостях методом связи. Поэтому в первой экспериментальной попытке наблюдения ядерного акустического резонанса в жидком образце в качестве объекта интереса использовался металлический образец. Дальнейшие эксперименты привели к использованию внешних факторов, таких как использование пьезоэлектрических наночастиц для обнаружения ядерного акустического резонанса в жидкостях, особенно в жидкостях .

Продолжительность: 13 секунд. 0:13

Жидкий галлий, обладающий свойствами, подобными ртути.

В первоначальном успешном экспериментальном исследовании ядерного акустического резонанса в жидкости когерентная электромагнитная волна внутри металлического образца создавалась звуковыми волнами, генерируемыми внешними постоянными магнитными полями, окружающими металлический объект; генерируемая звуковая волна резонирует с ядерными спинами объекта, что позволяет теоретически наблюдать ядерный акустический резонанс. Теоретические предсказания подтвердились при образцов жидкого галлия . наблюдении и измерении

На основании этого экспериментального наблюдения было высказано предположение, что ядерный акустический резонанс в жидких металлах требует магнитно-дипольных взаимодействий из-за свойств жидкостей и создает зависимость от расстояния между частицами в жидком металле вместо поля ультразвукового смещения, как это видно на рисунке. твердые вещества. Благодаря этому, а также тому факту, что общее поле смещения генерируемого электромагнитного поля представляет собой суперпозицию полей смещения, электромагнитное поле можно моделировать суммой когерентной и некогерентной частей благодаря уравнениям Максвелла. Следовательно, Унтерхорст, Мюллер и Шанц пришли к выводу, что ядерный акустический резонанс в жидких металлах может быть достигнут и наблюдаться, если длина диффузии за определенное время относительно мала по сравнению с ультразвуковой длиной звуковой волны.

Визуализация

Используя ультразвуковые акустические волны путем распространения на такие объекты, как пациенты, можно получить изображение при резонанса достижении . Затем данные вычисляются с помощью системы оборудования, которая сочетает в себе методы и концепции ультразвуковой и магнитно-резонансной томографии для получения изображений для медицинских целей.

Однако из-за особых требований к достижению ядерного акустического резонанса и характеристик ультразвуковой и магнитно-резонансной томографии , хотя визуализация с помощью ядерного акустического резонанса достижима, существуют экспериментальные ограничения. Типичные ультразвуковые методы визуализации могут обеспечить обнаружение различий в акустическом затухании примерно в 1 часть из 1000, что не находится в диапазоне требуемой способности обнаружения для спиновых систем ядер, которые имеют акустические коэффициенты от 10. ^-7 до 10 ^-8 дБ/см.

Гармоническая корреляция

Хотя экспериментальные методы ядерного акустического резонанса на таких объектах, как металлы, могут достичь акустического резонанса, это нежизнеспособный вариант для медицинской визуализации, хотя он может быть полезен для спектроскопии неорганических соединений. Отсюда вводится понятие гармонической корреляции. Это позволяет использовать новый метод получения, усиления и анализа акустических сигналов. Этот метод позволяет повысить чувствительность метода обнаружения за счет преобразования широкополосных сигналов в узкополосные сигналы для анализа. Гармоническая корреляция в целом определяет корреляцию между амплитудными функциями двух гармонически связанных узкополосных сигналов, направленных на пациента, при этом делается предположение, что они происходят из одного и того же источника, чтобы алгоритм обработки собирал эти данные и моделировал их. повысить чувствительность обнаружения сигнала анализа. Следовательно, гармоническая корреляция проясняет последствия процесса поглощения наведенных ядерный спин- фонон , однако такой процесс очень сложен и требует строгой обработки собранных данных.

См. также

• Ядерный магнитный резонанс
• УЗИ
• Магнитно-резонансная томография
• Резонанс
• Релаксация (ЯМР)
• Электромагнитное излучение
• Спектроскопия
• Акустический резонанс
• Акустическая резонансная спектроскопия