Голямина И.П. - Ультразвук (маленькая энциклопедия), страница 10

АКУСТИЧЕСКИЙ ЯДЕРЙЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (АЯМР)— обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер поглогцение энергии акустич. Колебаний определенной частоты (избирательное поглощение гбанаяае) в твер- АКУСТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС 29 дом теле, помещеннои в постоянное магнитное поле. Это явление аналогично ядерному магнитному резонансу (ЯМР) — поглощению энергии электромагнитных волн определенной частоты (иабирательному поглощению р1атанаа) в веществе, находящемся в магнитном поле. Для большинства ядер резонансное поглощение наблюдается в области УЗ-вых частот от до 100 Мрц. Магнитные свойства 11ногих ядер связаны с тем, что ядро в целом, так же как и электрон, обладает моментом количества двиягения л, илв азизам со спиновым числом 1, Во внешвеи магнитном поле ядра со спинам Х по закопан квантовой механики могут принимать 21 + 1 ориентаций, к-рым соответствуют дискретные уровни энергии. Энергетич.

уровни для изолированных ядерных спиноз во внешнем магнитном поле Я характеризуются значениями энергий: Уж = 'лура)У где т — проекция л на направление магнитного поля, рл = — 5,05 10 э' Дж/Т вЂ” ядерный магнетон, л — ядерный фактор спектроскопич. Расщепления. Акустич. колебания с частотон Д распространяясь в веществе, могут вызвать переход спина с одного уровня энергии на другой, если выполняется условие: — = А( = Лжу+лн, т. е. если энергия фонона равна разности между уровнями эноргий. Переход с нижнего уровня У„, на верхний а„.

„сопровождается по™глощепием фонояа, а переход с верхнего уровня на нижяий — излучением фонона. Когда система ядерных спиноз находится в состоянии термодинамич, равновесия, в веществе имеет место стационарное распределение спиноз по энергетич. уровням с максимальным заполнением нижнкх уровней. В соответствии с распределением Больцмана число спиноз Л', на верхнем уровне с энергией Уз (населенность энергетич. уровня 81) меньше, чем число спиноз Л", на нни1нем уровне 81.

Поэтому прй акустич. колебаниях число актов поглощения превьппает число актов излучения, и в реаультате набл1одается резонансное поглощение фоноиов — АЯМР. Природа реаонансного поглощения фононов связана с передачей энергии акустич. волны ядерной спин-системе вследствие модуляции акустич. колебаниями различных внутренних взаимодействий (см. Спин-4ананнае взаимодействие). В результате передачи энергии происходит иалучение или поглощение фокона в конечной полосе частот; при этом наблюдается и=-Ю/2 1"2 Рва.

1. Уровни энергии ллл лара са саввам 1 = У, а аастаянааы магнитном аале и. Гтралкаыа изображены возможные парехалы для Аямр а частотой ) хля Ат = е 1 в с частотой 2/ алл ат = =Е 2. резонансная линия с характерной для нее ширннои и формой. Прк АЯМР разрешены переходы с Лт = ~1, ~2, в то время как в обычном ЯМР разрешены переходы только с бт = ~ 1 (рис. 1). Эксперименты по АЯМР можно рааделить на две основные группы: эксперименты, в к-рых пеуедача энергии акустнч.

колебаний наолюдается в виде добавочного погло1цения УЗ (метод прямого акустич. резонанса), и эксперименты, в к-рых действие акустич. волн регистрируется по насыщению линий АЯМР (метод акустич. насыщения ЯМР). Обычные УЗ-вые методы позволяют обнаруживать изменения поглощения в твердых телах — 10 э, в то время как при ЯЫР можно наблюдать изменение поглощения звука — 10 ". Чтобы достигнуть чувствительности, необходимой для прямого измерения поглощения звука ядерными спинами, применяются методы, основанные на использовании высокой добротности механич. резонатора, выполненного в виде кристалла, торцы к-рого изготовлены оптически плоскими и параллельными. Для проведения экспериментов методом прямого акустич. реаонанса при работе в непрерывном режиме пользуются спектрометром АЯМР (рис.

2). Он содержит составной ревонатор в виде образца 1 с двумя пре- АКУСТИз1ЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЭОНАНС обрааователями 2 и 8 (приведена епроходнаю схема). В частотной характеристике резонатора наблюдается спектр уаких линий (рис. 3), каж- Рис. 3. Блок-схема електрометра АЯМР, исяольауемого для исследований методом прямого акустичесного логлощення: 7 — кристалл; à — нреобразозатель; 3— лриемннк ультразвука; З вЂ” генератор спч-нолебаннй; з — согласующая схема; З вЂ” чувствительный лрисмннк; 7 — само- нисеп1 з — магнит. дая из к-рых соответствует собственным механич.

колебаниям образца. Генератор й (рис. 2) высокочастотных колебаний АЯМР-спектрометра настроен на частоту одного на механпч, собственных колебаний составного резонатора. Е помощью высокочастотных согласуюгцих цепей б, включенных между генератором и резонатором, добиваются того, чтобы амплитуда нысокочастотных колебаний в контуре генератора стала чувствительной к весьма малым изменениям поглощения звука в образце. Резонатор, содержащий исследуемые ядра, помещается н магнитное поле — (кд, к-рое медленно изменяется, проходя через значения, соответствующие резонансу.

Поглощение энергии акустнч. колебаний системой ядерных спиноз проявляются в виде резонансного поглощения, зависящего от магнитного поля, н отличие от фонового поглощения,к-рое не аависит илп слабо аависит от частоты. Метод прямого Рнс. 3. Сиектр механических колебаний монокристалла меди, налученный прн надаче сигнала «ачаюшейся частоты. Сред- нян частота 10 МГЛ. акустнч. возбуждения ядерных спиноз позволяет исследовать металлы и нпзкоомные полупроводнини, т. е.

вещества, где трудно применять тех- нику ЯМР. Он позволяет регистрировать форму линий АЯМР, аависимость интенсивности АЯМР и ширины линий от различных факторов: дефектов кристаллпч. структуры, квадрупольных расщеплений и др. Изучение АЯМР методом акустнч. насыщения основано на том, что величина сигнала ЯМР пропорциональна равности населенностей уровней, меигду к-рыми наблюдается ЯМР.

Если в кристалле возбуждены акустич. колебания с частотой, равной частоте АЯМР, и столь мощные, что число ядерных спиион, переходящих с нижнего энергетнч. уровня па верхний из-за ЯМР, больше, чем числоспннов.переходящих с верхнего на нижний из-за спин-решеточной релаксации, то рааница населенностей между указанными уровнями уменьшаетоя.

Зто приводит к ослаблению сигнала яМР, Рис. а. Блоксхема слектрометра АЯМ1', исиольауемого для исследований методом акустического насыщенин: 7 — кристалл; з — преобразователь; г — уаьтраззуко. аой передатчик; з — удвоитель частоты; 5 — сяектрометр ЯМР; Š— синхронный детектор; 7 — модулятор; з — самоинсеп; З -- полюс магнита, ноле к-рого лернен- дикулярно плоскости рисунка.

т. е. к его насыщению, В результате измерений методом акустич. насыпгения ЯМР находят зависимость ядерного спин-фононного поглощения от А 7А о, гДе А з — амплитУда сигнала ЯМР в отсутствии акустич. колебаний, а А — амплитуда этого сигнала прн акустич, возбуждении, Прн исследовании АЯМР методом акустич. насыщения в непрерывном режиме (рис. 4) кристалл 1 помещаетсл в постоянное магнитное поле и в поле высокочастотных колебаний ЯМР-спектрометра 5.

Частота генератора удваивается с помощью удвоптеля я, н напряжение удвоенной частоты 2то усиливается в УЗ-вом передатчике 8, выход к-рого используется для возбуждения кварцевого преобрааователп 2, приклеенного к образцу. Визы- АКУСТООПТИКА ввя переходы с Лт = — + 2, УЗ-вые колебания насыщают стационарный сигнал ЯМР. Возбуждение УЗ-вых колебаний с частотой 2 ты соответствующей Лт = 2.2, выбирается для того, чтобы уменьшить вероятность переходов на резонансной частоте тв, обусловленных алектромагнитными паводками цепи УЗ-ваго преобрааователя. Когда постоянное иоле медленно проходит резонансное значение, рогкстрируется форма сигнала ЯМР.

Б импульсном методе акустич, насыщения используется стандартная импульсная методика регистрации ЯМР. К обычному импульсному ЯМР-спектрометру добавляется генератор, возбуждающий УЗ-вой креобразователгн иРиклееиный к оДномУ из торцов исследуемого образца. Частота УЗ-вых колебаний соответствует частоте АЯМР с Лт = ~ 2. Для количественной интерпретации данных по акустическому насыщению требуется анаиие плотности энергии акустнч. волны либо амплктуды деформации кристалла. Метод стационарного акустич. насьпценпя нмеет ряд недостатков по сравнению с импульсной методикой: под влиянием акустич. насыщения меняется ие только интенсивность, но и форма линии ЯМР, для !интерпретации эксперимента необходимо намерять время спин-решеточной релаксации, к-рос проще определяется импульсным методом.

Поэтому стационарное акустич, насыщение обычно используют в тех случаях, когда затруднено применение импульсного метода акустич. насып1еиия, т. е. в случае больших времен релаксации, пхироких линий и др. Применение АЯМР позволяет расширить возможности ЯМР и получить дополнительную информацию о строении твердого тела. АЯМР широко используется при исследованиях в металлах и нпзкоомиых полупроводниках (напр., )ВЗЬ), когда применение обьхчного ЯМР затруднительно вследствие спин-эффекта, не поэволяхощего электромагнитному полю проникнуть внутрь образца. АЯМР— метод исследования ядерного спин-фононного вааимодействия.

Он позволяет изучать при комнатных темп-рах однофононные процессы, к-рые в обычном ЯМР проявлявзтся только при очонь низких темп-рах. АЯМР позволяет получать информацию о влиянии дислпкауий и других дефектов кристалла на форму резонансных линий, о величине и природе внутренних магнитных полей, а также о процессах тепловой релаксации в магнитных иатериалах, в частности о рэли взаимодействия фононов со спиновыми волнами хсм.

Магнитву!кругив волны). АЯМР можно использовать для иекогеронтной регистрации нелинейных фонон-фононных взаимодействий в тверрых телах. лит: к е с с е л ь А. Р., ядерный акусткческкй ренекаис, М., 1969; Ш у т ил в в В. А., «Акуст, к«в, 1962, № 8, с. ЗЗЗ; «Риза««скак акустика, кск рел. У. Мэзака, ивр. с акгп., т. 4, ч. А, М., 1969, гл. 3; Г олекктев-Кутузов В. А. и кр., Магиктнак квактсвак акустика, М., 1977. В. Г.

Вазаллн. АКУСТИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИŠ— см. Илквданв акувти«епкин. АКУСТООПТИКА — область физики, изучающая явления взаимодействия электромагнитных волн со звуковыми волнами в твердых и гкидких телах, и одновременно область техники, в к-рой создаются различные приборы па основе этих явлений. Взаимоденствие света со звуком широко используется в современной оптике, оптоэлектронике, лааерной технике для управления когерентным световым излучением. Акустооптпч. устройства позволяют управлять амплитудой, частотой, поляризацией, спектральным составом светового сигнала и направлением распространения светового луча, Акустооптич.