Jądrowy rezonans akustyczny

Zobacz też: Spektroskopia

Jądrowy rezonans akustyczny jest zjawiskiem ściśle związanym z magnetycznym rezonansem jądrowym . Polega ona na wykorzystaniu ultradźwięków i ultradźwiękowych fal akustycznych o częstotliwościach od 1 MHz do 100 MHz do określenia promieniowania akustycznego powstającego w wyniku interakcji cząstek, które doświadczają spinów jądrowych w wyniku działania pól magnetycznych i/lub elektrycznych . Zasady jądrowego rezonansu akustycznego są często porównywane z jądrowym rezonansem magnetycznym , a konkretnie z jego zastosowaniem w połączeniu z magnetycznego rezonansu jądrowego do spektroskopii i powiązanych metod obrazowania . W związku z tym zaznaczono, że jądrowy rezonans akustyczny może być wykorzystany również do obrazowania obiektów. Jednak w większości przypadków jądrowy rezonans akustyczny wymaga obecności jądrowego rezonansu magnetycznego w celu wywołania spinów elektronów w próbkach w celu zajścia absorpcji fal akustycznych. Badania prowadzone poprzez badania eksperymentalne i teoretyczne dotyczące pochłaniania promieniowania akustycznego różnych materiałów, od metali po cząstki subatomowe , wywnioskowali, że jądrowy rezonans akustyczny ma swoje specyficzne zastosowania w innych dziedzinach niż obrazowanie. Eksperymentalne obserwacje jądrowego rezonansu akustycznego zostały po raz pierwszy uzyskane w 1963 roku przez Alersa i Fleury'ego w litym aluminium .

Historia

Francuski fizyk Alfred Kastler

Jądrowy rezonans akustyczny został po raz pierwszy omówiony w 1952 r., Kiedy Semen Altshuler zaproponował, aby sprzężenie akustyczne ze spinami jądrowymi było widoczne. Zostało to również zaproponowane przez Alfreda Kastlera mniej więcej w tym samym czasie. Dzięki swojej specjalizacji w tej dziedzinie Altshuler wysunął teorię na temat interakcji spinowo-akustycznych fononów jądrowych , które zaowocowały eksperymentami w 1955 r. Eksperymenty doprowadziły fizyków do zasugerowania, że ​​sprzężenie jądrowego rezonansu akustycznego w metalach można sformułować i zaobserwować, podczas gdy współcześni fizycy omawiają wiele właściwości jądrowego rezonansu akustycznego, chociaż nie jest to powszechnie znana koncepcja. Koncepcje jądrowego rezonansu akustycznego w obiektach były teoretyzowane i przewidywane przez wielu fizyków, ale dopiero w 1963 roku po raz pierwszy zaobserwowano to zjawisko w litym aluminium wraz z obserwacją jego dyspersji w 1973 roku, a następnie pierwszy eksperymentalny rezonans jądrowy rezonans akustyczny w ciekłym galu w 1975 r. Jednak aspekt akustycznego rezonansu spinowego został zaobserwowany przez Bolefa i Menesa w 1966 r. w próbkach antymonku indu, w których wykazano, że spiny jądrowe pochłaniają energię akustyczną wykazywaną przez próbkę.

Teoria jądrowego rezonansu akustycznego

Spin jądrowy i promieniowanie akustyczne

Przykład wykrytego promieniowania akustycznego ze spektroskopii

Wywnioskowano, że jądra obracają się ze względu na różne właściwości, od magnetycznych po elektryczne właściwości różnych jąder w atomach. Zwykle spin ten jest wykorzystywany w dziedzinie jądrowego rezonansu magnetycznego , gdzie zewnętrzne pole magnetyczne RF (lub ultra-wysokiej częstotliwości ) jest wykorzystywane do wzbudzania i rezonowania ze spinem jądra w układzie wewnętrznym. To z kolei pozwala na absorpcję lub rozproszenie promieniowania elektromagnetycznego i pozwala na obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego sprzęt do wykrywania i tworzenia obrazów. Jednak w przypadku jądrowego rezonansu akustycznego poziomy energii, które określają orientację wirowania pod wpływem pól wewnętrznych lub zewnętrznych, są zmieniane przez promieniowanie akustyczne. $)$ zakresie od 1 MHz do 100 MHz, są one zwykle charakteryzowane jako ultradźwięki ( dźwięki zakresu .

Porównanie z jądrowym rezonansem magnetycznym

Zobacz też: Jądrowy rezonans magnetyczny

Podobnie jak w przypadku magnetycznego rezonansu jądrowego , oba zjawiska wprowadzają i wykorzystują źródła zewnętrzne, takie jak pole magnetyczne prądu stałego lub różne częstotliwości, a wyniki obu metod dają podobne zbiory danych i trendy w różnych zmiennych. Istnieją jednak wyraźne różnice w metodologiach tych dwóch koncepcji. Jądrowy rezonans akustyczny obejmuje indukowanie wewnętrznych interakcji zależnych od spinu, podczas gdy jądrowy rezonans magnetyczny oznacza interakcje z zewnętrznymi polami magnetycznymi . Z tego powodu jądrowy rezonans akustyczny nie zależy wyłącznie od magnetycznego rezonansu jądrowego i może działać niezależnie. Takie przypadki, w których jądrowy rezonans akustyczny jest lepszym substytutem jądrowego rezonansu magnetycznego, obejmują rezonans w metalach, w których fale elektromagnetyczne mogą być trudne do penetracji i rezonowania, takich jak amorficzne metale i stopy , podczas gdy fale akustyczne mogą łatwo przechodzić. Jednak przydatność do wykorzystania jądrowego rezonansu akustycznego lub jądrowego rezonansu magnetycznego zależy od materiału, który ma zostać użyty w celu osiągnięcia najbardziej wydajnych i oczywistych wyników.

Fizyka jądrowego rezonansu akustycznego

Jądrowy rezonans akustyczny wykorzystuje fizykę zarówno jądrowego rezonansu magnetycznego, jak i akustyki , obejmując wykorzystanie praw mechaniki kwantowej do wyprowadzenia teorii rezonansu akustycznego w obiektach z jądrami o niezerowym momencie pędu ( I ) , z jego wielkością określoną przez ${\ Displaystyle {\ sqrt {ja (ja + 1)}}}$ . W elementach, w których ${\ Displaystyle I> 1/2}$ , charakterystyka spinu jądra obejmuje również momenty elektryczne, znane również jako elektryczny moment kwadrupolowy (oznaczony jako $)$ dla najsłabszego momentu elektrycznego $)$ moment ( wpływa na gradienty pola elektrycznego w jądrze w wyniku otaczających ładunków względem jądra. W efekcie wpływa to na wyniki magnetycznego rezonansu jądrowego stosowanego do wywołania jądrowego rezonansu akustycznego.

Wykorzystując spin magnetyczny jąder w polach magnetycznych o częstotliwości radiowej i ich właściwości relaksacji sieci spinowej po wzbudzeniu z pola zewnętrznego do stanów o wyższej energii , możliwe jest oddziaływanie fal akustycznych ze spinami jądrowymi, co często obejmuje fonony generowane z zewnątrz . Jednak oddziaływanie fal akustycznych ze spinami jądrowymi nie gwarantuje obserwacji rezonansu akustycznego w obiektach. Podczas interakcji fale akustyczne doświadczają niewielkiej zmiany wielkości spowodowanej absorpcją przez obiekt pod wpływem spinu jądrowego, a pomiar tej zmiany jest kluczowy do zaobserwowania i wykrycia jądrowego rezonansu akustycznego w obiekcie. Dlatego ze względu na trudności w analizie jądrowego rezonansu akustycznego obserwuje się go tylko pośrednio.

Jednak w miarę pojawiania się dalszych propozycji wprowadzane są techniki ultradźwiękowego echa impulsu do wykrywania zmian tłumienia akustycznego próbek podczas eksperymentów ze względu na jego zdolność do wykrywania zmian w ciałach stałych około 1 część na ${\ displaystyle 10 ^ {3}}$ , który jest w stanie wykryć tłumienie tła , ale nie dla jądrowego sprzężenia spinowo-fononowego, w którym ma współczynniki tłumienia od 10 ^-7 do 10 ^-8 dB/cm. Stąd połączenie ultradźwięków z falą ciągłą (CW). technika rezonatora kompozytowego i techniki jądrowego rezonansu magnetycznego są wymagane do faktycznego wykrycia jądrowego rezonansu akustycznego.

Jądrowy rezonans akustyczny w metalach

Spójny lub niespójny generowany fonon przyciąga spiny jądrowe w procesach jądrowego rezonansu akustycznego, w wyniku czego porównuje się go z mechanizmem bezpośredniej relaksacji sieci spinowej . Z tego powodu spiny są odwzbudzane w wyniku interakcji z rezonansowym fononem termicznym przy niskich częstotliwościach, co często określa się jako nieistotne. Jest tak z pewnością w przypadku porównania z procesem pośrednim lub ramanowskim, w którym zaangażowanych jest wiele fononów. Ponieważ jednak bezpośrednia relaksacja sieci spinowej charakteryzuje ciała stałe w określonych temperaturach z powodu tworzenia się niewielkiego procentu drgań sieci proponuje się, aby ciała stałe można poddać działaniu energii akustycznej za pomocą ultradźwięków o energii w zakresie od 10 10 ^do 10 ¹² w przeliczeniu na gęstość większą niż energia z niespójnego fononu termicznego. Na podstawie tej teorii przewiduje się, że obserwacje wirowania jądra można uzyskać w wysokich temperaturach przy użyciu zasad i technik jądrowego rezonansu akustycznego, w przeciwieństwie do normalnych warunków, w których są one widoczne tylko w niskich temperaturach.

Początkowa bezpośrednia obserwacja jądrowego rezonansu akustycznego miała miejsce w 1963 roku przy użyciu próbek aluminium pod przyłożonym polem magnetycznym , w którym wytworzyło się pole elektromagnetyczne , które w minimalnym stopniu wpływało na właściwości używanych fal dźwiękowych, w szczególności na ich prędkość i tłumienie . Analiza eksperymentalna wykazała, że ​​wpływ zewnętrznego pola magnetycznego na prędkość i tłumienie jest proporcjonalny do jego kwadratu, co pozwoliło na obliczenie współczynnika tłumienia akustycznego dla dowolnych jądrowych układów spinowych poddawanych pochłanianie energii akustycznej, które jest scharakteryzowane jako $\ alpha = P_ {n} / P_ {0}$ = $Displaystyle$ }

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

jest padającą mocą akustyczną na jednostkę powierzchni. $P_ {0}}$$Displaystyle$ jest określona przez gęstość , $rho$ prędkość propagowanej fali dźwiękowej i $\epsilon }$$\ Displaystyle \$ } jest wartością szczytową odkształcenia .

Ponadto, moc na jednostkę objętości pochłaniana przez układ przechodzący wirowanie jądrowe, charakteryzuje się: ${\ displaystyle P_ {n}}$

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

gdzie N to liczba spinów jądrowych na jednostkę objętości metalu, v to częstotliwość, a $sprzężenia$ dipolowego Jednak ten wzór nie uwzględnia wpływu prądów wirowych na metal wywołanych przez pola magnetyczne. Niemniej jednak wyniki eksperymentalnej obserwacji jądrowego rezonansu akustycznego w aluminium stworzyły propozycje dalszych badań w tej dziedzinie, takich jak monokryształy metali o słabych momentach kwadrupolowych i spinach jądrowych 1/2.

Jądrowy rezonans akustyczny w cieczach

Ze względu na różne właściwości cieczy w porównaniu z ciałami stałymi , zwykle niemożliwe jest wykrycie jądrowego rezonansu akustycznego w cieczach ze względu na trudności podczas indukowania rezonansu w płynach. W ciałach stałych przejścia spinowe jądrowego rezonansu akustycznego są indukowane przez dwa różne mechanizmy sprzężenia. Jednak na obiekty w stanie ciekłym duży wpływ mają ich właściwości termiczne, które również wpływają na dynamiczny gradient pola elektrycznego, co prowadzi do prawie niemożliwego wywołania jądrowego rezonansu akustycznego w cieczach metodą sprzęgania. Stąd też w pierwszej eksperymentalnej próbie obserwacji jądrowego rezonansu akustycznego w próbce cieczy obiektem zainteresowania była metaliczna próbka. Dalsze eksperymenty doprowadziły do ​​wykorzystania czynników zewnętrznych, takich jak użycie piezoelektryków nanocząsteczek do wykrywania jądrowego rezonansu akustycznego w cieczach, zwłaszcza w płynach .

Ciekły gal, który ma właściwości podobne do rtęci

We wstępnym udanym badaniu eksperymentalnym nad jądrowym rezonansem akustycznym w cieczy spójna fala elektromagnetyczna wewnątrz próbki metalu była wytwarzana przez fale dźwiękowe generowane przez zewnętrzne pola magnetyczne prądu stałego otaczające metalowy przedmiot; generowana fala dźwiękowa rezonuje z jądrowymi spinami obiektu, umożliwiając teoretyczną obserwację jądrowego rezonansu akustycznego. Teoretyczne przewidywania potwierdziły się, gdy obserwowano i mierzono próbki ciekłego galu .

Na podstawie tej obserwacji eksperymentalnej zaproponowano, że jądrowy rezonans akustyczny w ciekłych metalach wymaga magnetycznych interakcji dipolowych ze względu na właściwości cieczy, w których tworzy się zależność od odległości między cząstkami w ciekłym metalu zamiast ultradźwiękowego pola przemieszczenia, jak widać w ciała stałe. Z tego powodu oraz z faktu, że całkowite pole przemieszczenia dla generowanego pola elektromagnetycznego jest superpozycją pól przemieszczenia, pole elektromagnetyczne można modelować za pomocą sumy części spójnych i niespójnych zgodnie z równaniami Maxwella. Dlatego Unterhorst, Muller i Schanz wymyślili, że jądrowy rezonans akustyczny w ciekłych metalach można uzyskać i zaobserwować, jeśli długość dyfuzji w czasie relacji jest stosunkowo mała w porównaniu z długością fali ultradźwiękowej fali dźwiękowej.

Obrazowanie

Wykorzystując ultradźwiękowe fale akustyczne poprzez propagację na przedmiotach, takich jak pacjenci, możliwe jest obrazowanie po osiągnięciu rezonansu . Jest to następnie obliczane przez system sprzętu, który łączy techniki i koncepcje z obrazowania ultrasonograficznego i rezonansu magnetycznego w celu uzyskania obrazów do celów medycznych.

Jednak ze względu na szczególne wymagania związane z uzyskaniem jądrowego rezonansu akustycznego oraz charakterystykę obrazowania ultradźwiękowego i rezonansu magnetycznego , podczas gdy obrazowanie za pomocą jądrowego rezonansu akustycznego jest możliwe do osiągnięcia, istnieją ograniczenia eksperymentalne. Typowe ultrasonograficzne techniki obrazowania pozwalają na wykrycie tłumienia akustycznego rzędu 1 części na 1000, co nie mieści się w zakresie wymaganej zdolności detekcji dla systemów wirowania jąder o współczynnikach akustycznych od 10 ^-7 do 10 ^-8 dB/cm .

Korelacja harmoniczna

Chociaż eksperymentalne techniki jądrowego rezonansu akustycznego na przedmiotach, takich jak metale, mogą osiągnąć rezonans akustyczny, nie jest to realna opcja w obrazowaniu medycznym, chociaż może być przydatna w spektroskopii związków nieorganicznych. Stąd wprowadzono pojęcie korelacji harmonicznej. Pozwala to na nową metodę pozyskiwania, wzmacniania i analizowania sygnałów akustycznych. Ta metoda umożliwia zwiększenie czułości techniki detekcji poprzez wprowadzenie sygnałów szerokopasmowych do wąskopasmowych sygnały do ​​analizy. Korelacja harmoniczna ogólnie określa korelację między funkcjami amplitudy dwóch harmonicznie powiązanych sygnałów wąskopasmowych skierowanych do pacjenta, w której przyjmuje się założenie, że pochodzą one z tego samego źródła, aby algorytm przetwarzania, który zbiera te dane i symulował je aby zwiększyć czułość wykrywania sygnału analizy. Stąd korelacja harmoniczna wyjaśnia konsekwencje procesu absorpcji indukowanego fononu spinowego , jednak proces taki jest bardzo skomplikowany i wymaga rygorystycznego traktowania zebranych danych.

Zobacz też

• Magnetyczny rezonans jądrowy
• Ultradźwięk
• Rezonans magnetyczny
• Rezonans
• Relaksacja (NMR)
• Promieniowanie elektromagnetyczne
• Spektroskopia
• Rezonans akustyczny
• Spektroskopia rezonansu akustycznego