Экспериментальные методы исследования ядерного магнитного резонанса позволяют непосредственно наблюдать сигнал резонанса и измерять продольное Т и поперечное т2 времена релаксации. В опытах по ядерному резонансу исследуезмое вещество (образец) помещается в цилиндрическую катушку индуктивности настроенно­го высокочастотного контура, связанного с генератором высокой частоты. Перпендикулярно оси катушки прикладывается сильное постоянное магнитное поле Я0, поляризующее ядерные моменты в образце.

Существуют два основных метода наблюдения резонансных сиг­налов: метод непрерывного воздействия слабого

высокочастотного магнитного поля на образец и импульсный метод, при котором интенсивное высокочастотное поле включа­ется лишь на короткое время. В случае использования метода не­прерывного воздействия при изучении спектра и формы линии ядер­ного резонанса производится облучение образца монохроматичес­ким переменным магнитным полем Hi с частотой, определяемой формулой (8.3). Для протонов, например, резонансная частота, со­гласно формуле (8.3), при Я0 = 5000 Гс равна 21,25 МГц (коротко­волновый диапазон). Амплитуда переменного поля Яi не должна быть слишком большой, иначе произойдет насыщение (выравнива­ние заселенностей верхнего А/+ и нижнего N - энергетических уров­ней). Как следует из формулы (8.6), поглощаемая мощность при этом уменьшается, а форма линии искажается.

Временную развертку спектральной картины технически удоб­нее осуществлять с помощью достаточно медленного периодическо­го изменения напряженности магнитного поля около ее резонансно­го значения Я0. При наступлении резонанса система ядерных маг­нитных моментов поглощает энергию высокочастотного магнитного поля, что приводит к увеличению активного сопротивления катушки индуктивности, т. е. к уменьшению добротности высокочастотного контура. Это вызывает периодическую амплитудную модуляцию высокочастотного напряжения на контуре. Напряжение усиливает­ся, детектируется и подается на регистрирующий прибор (обычно катодно-лучевой осциллограф) с временной разверткой, синхрони­зированной с изменением магнитного поля. Дисперсионный компо­нент резонансного сигнала вызывает изменение реактивного сопро­тивления катушки, что ведет к фазовой модуляции, на которую амп­литудный детектор не реагирует. Следовательно, регистрирующий прибор выписывает зависимость резонансного поглощения Q от на­пряженности магнитного поля Я. Такая схема регистрации может быть применена только тогда, когда интенсивность сигнала ядер­ного резонанса заметно превосходит уровень шума применяемого усилителя. Интенсивность резонансного сигнала при прочих равных условиях пропорциональна отношению t2/ti, поэтому наилучшее от­ношение сигнал/шум наблюдается для полимеров, у которых т2 до­статочно велико (для каучуков).

При достаточно низких температурах полимеры характеризуют­ся относительно малой по сравнению с % величиной т2 (широкие линии) и, следовательно, малым отношением сигнал/шум. Для уве­личения этого отношения схема наблюдения резонансных сигналов видоизменяется. Кроме медленного, обычно линейного, изменения магнитного поля оно модулируется по синусоидальному закону с низкой частотой на глубину, гораздо меньшую ширины резонансной линии. При прохождении через резонансную линию сигнал на вы­ходе амплитудного детектора имеет вид синусоиды с амплитудой, пропорциональной наклону огибающей резонансной линии в дан­ной точке. После усиления избирательно настроенным на частоту модуляции усилителем это напряжение подается на сигнальный вход синхронного детектора. На управляющий вход синхронного детектора через фазовращатель поступает опорное напряжение с низкочастотного генератора, который осуществляет модуляцию маг­нитного поля. Фазовращатель служит для выбора сдвига фаз меж­ду напряжением сигнала и управляющим напряжением по макси­мальному показанию регистрирующего прибора на выходе. Полез­ный сигнал умножается в синхронном детекторе на опорный и тем самым выделяется из шума. На выходе синхронного детектора ста­вится интегрирующая цепь, постоянная времени которой определя­ет полосу пропускания всего усилительного тракта. Увеличивая по­стоянную времени и соответственно удлиняя время прохождения через спектр резонанса, можно значительно уменьшить полосу про­пускания, благодаря чему сужается спектр шума и, следовательно, ослабляется его интенсивность. Регистрирующий прибор (обычно самописец) выписывает зависимость dQ(H)/dH от напряженности магнитного поля.

Распространены два способа возбуждения высокочастотного по­ля в катушке с образцом. В одном из них катушка непосредствен­но входит в состав сеточного контура высокочастотного генератора (автодина). При этом на контуре генератора для предотвращения насыщения поддерживается довольно низкий уровень колебаний. При другом способе высокочастотный контур, являющийся элемен­том компенсирующего устройства (радиочастотного моста), питает­ся от внешнего генератора. Подобные устройства применяются для увеличения относительной глубины амплитудной модуляции, а так­же для предохранения усилителя высокой частоты от перегрузки. Это позволяет произвести большое линейное усиление по высокой частоте перед амплитудным детектированием и, следовательно, по­лучить лучшее отношение сигнал/шум, чем в отсутствие компенси­рующего устройства.

К этому же типу установок относятся схемы, в которых разде­лены функции возбуждения высокочастотного поля и приема ядер­ного резонанса. Для этой цели служат две катушки, оси которых расположены под прямым углом друг к другу и к направлению по­стоянного магнитного поля. Одна из них (передающая) связана с генератором и создает высокочастотное магнитное поле. При удов­летворении условия резонанса результирующий вектор ядерной на­магниченности м начинает прецесоировать вокруг направления Я0 (рис. 8.2). При этом вращающийся компонент Мху наводит э. д.с. в приемной катушке. Основная компенсация в таких системах дости­гается за счет перпендикулярного расположения катушек.

Для получения определенного вида сигнала ядерного резонанса (поглощения или дисперсии) на вход усилителя высокой частоты подается напряжение, играющее роль несущего, с помощью соот­ветствующего нарушения баланса компенсирующего устройства (радиочастотный мост или скрещенные катушки). Фаза этого на­пряжения и определяет вид регистрируемого резонансного сигнала. Для получения неискаженной формы линии ядерного резонанса, а следовательно, и точного значения второго момента необходимо, чтобы неоднородность постоянного магнитного поля в объеме об­разца была значительно меньше естественной ширины линии ядер­ного резонанса, иначе линия будет расширена на величину неодно­родности.

Амплитуда высокочастотного магнитного поля должна быть до­статочно малой для предотвращения искажений из-за эффекта на­сыщения, а амплитуда низкочастотной модуляции должна быть го­раздо меньше ширины линии. Только в этом случае прибор реги­стрирует точную первую производную от формы линии ядерного ре­зонанса.

Рис. 8.2. Схематическое изображение прецессии ре­зультирующего вектора ядерной намагниченности М в постоянном магнитном поле Но:

1 — передающая и 2 — приемная катушки

Метод непрерывного воздействия позволяет измерять время релаксации ti, используя явле - _ , ^ ние насыщения системы ядерных магнитных

у ^ моментов. Однако для ti< 10 с абсолютные из - ' ^' мерения слишком затруднительны и ненадеж­

ны. Время релаксации Т2 как величину, обрат­ную ширине линии, можно определять только* в том случае, если линия не расширена неод­нородностью постоянного поля. При использовании импульсных ме­тодов измерение времени релаксации удобнее и точнее производить по неустановившимся процессам в системе ядерных магнитных мо­ментов, которые возникают после прекращения действия коротких интенсивных импульсов высокочастотного поля. Напряженность постоянного магнитного поля и частота высокочастотного поля ос­таются неизменными, удовлетворяя условию резонанса в соответст­вии с формулой (8.2).