5. Các bước thực hiện
3.2.1.3. Nguyên lý của phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân
Theo công thức (3.4) ta thấy nếu ngoài từ trường không đổi cảm ứng từ B0, tác dụng từ trường biến thiên có tần số 0 sao cho:
h0 = ħB0 (3.5)
thì sẽ xảy ra hấp thụ cộng hưởng sóng điện từ bởi hạt nhân và ta có hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân. Ta cũng thấy có thể thực hiện điều kiện cộng hưởng (3.5) hoặc bằng
cách giữ nguyên B0 và thay đổi 0, hoặc bằng cách giữ nguyên 0 mà thay đổi B0. Dưới
tác dụng của điện từ trường biến thiên hạt nhân bị kích thích và trạng thái của nó chuyển
lên mức năng lượng cao hơn, khi trở về trạng thái cân bằng chúng sẽ phát xạ năng lượng dư thừa. Bằng cách dùng một cuộn dây (anten) có trục vuông góc với B0 ta có thể ghi lại
tín hiệu điện với biên độ xác định, điều đó chứng tỏ đã xảy ra sự hấp thụ (hay phát xạ) năng lượng (Hình 3.7).
Hình 3.7
Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân có thể được xét theo quan điểm vi mô. Trong một
từ trường ngoài không đổi B0, ở điều kiện cân bằng nhiệt động hệ N hạt nhân sẽ có một
mômen từ có giá trị được tính theo công thức sau:
trong đó k – hằng số Boltzmann; T – nhiệt độ.
M =Nm B0
Trong từ trường cảm ứng từ B0 mômen từ M tuế sai quanh B0 với vận tốc góc0 =
B0; nếu ngoài B0 tác dụng thêm từ trường biến thiên B1(B1B0) với tần số góc . Trên hình 3.8a ta thấy rõ khi cơ tăng vectơ từ suất M (mômen từ trong một đơn vị thể
tích) sẽ vẽ nên một hình xoắn ốc nội tiếp trong cầu tâm O. Nếu phân tích vectơ từ suất M
thành hai thành phần M// (so với B0) và M (Hình 3.8b): khi tăng lên, M lệch ra xa
0
B thì thành phần M// giảm trong khi M lại tăng lên và đạt cực đại khi M quay đi một
góc 90o (tương ứng với tần số cộng hưởng 0). Nếu tiếp tục tăng (hoặc bỏ từ trường
1
B ) vectơ từ suất M sẽ trở về vị trí cân bằng, tuế sai quanh B0 (Hình 3.9a).
Hình 3.8
Để đặc trưng cho quá trình trở về vị trí cân bằng của mômen từ khi ngừng tác dụngB1
chúng ta có khái niệm thời gian phục hồi T// và T, tương ứng cho các thành phần M// và M.
Thời gian hồi phục T// liên quan mật thiết với sự trao đổi năng lượng xảy ra giữa spin và môi trường xung quanh nên T// còn gọi là thời gian hồi phục spin-mạng, trong khi đó
T chỉ liên quan đến tương tác giữa các spin và được gọi là thời gian hồi phục spin-spin.
Đối với các tổ chức sinh học ở cơ thể người, T// có độ lớn cỡ 300 – 3000 ms và lớn hơn
nhiều so với Tở cỡ độ lớn 30 – 150 ms.
Hình 3.9
a
b
Hình 3.9b mô tả những bộ phận chính của thiết bị cộng hưởng từ hạt nhân: ngoài từ trường cảm ứng từ B0 tạo ra giữa hai cực của một nam châm điện còn có một từ trường
biến thiên B1, vuông góc với B0 tạo ra bởi một dòng cao tần đi qua một cuộn dây bao
quanh mẫu nghiên cứu. Máy phát cao tần được sử dụng luôn làm máy thu. Sự thay đổi
mômen từ M của mẫu sinh ra trong cuộn dây có trục vuông góc với B0 một dòng điện được gọi là tín hiệu phân rã cảm ứng tự do FID (FID: Free Induction Decay). Tín hiệu
này biến thiên theo thời gian gần với qui luật hình sin và có biên độ phụ thuộc giá trị của
M. Trong thực hành tín hiệu FID được đo trong khoảng thời gian tương ứng hai hay ba
lần T và phép đo tín hiệu FID được nhắc lại liên tục sau khi M đã trở về vị trí ban đầu
của nó, nghĩa là sau khoảng thời gian cỡ 1 hay 2 lần T.