Файл: Физика магнитных диэлектриков..pdf

чивает появление сверхтонкого поля на ядре и расщепле­ ние мессбауэровских спектров. Отсюда ясно, что ЭМ в принципе позволяет исследовать поведение магнитных кристаллов вблизи точек фазовых переходов. Подробное рассмотрение поведения ЭМ с учетом флуктуаций элек­ тронных спинов и в парамагнетиках проведено в ра­ боте [172].

ЭМ позволяет изучать не только флуктуации спинов, но и магнитную структуру кристаллов вблизи точек пере­ хода. Если к парамагнитному кристаллу вблизи точки перехода приложить магнитное поле, то, как это уже рассматривалось в § 4 гл. 3, в ферримагнетике восстанав­ ливается сложная магнитная структура. В работе [173, 174] показано, что в антиферромагнетиках, обладающих слабым ферромагнитным моментом, также возникает антиферромагнитный порядок выше Тn п о д действием внешнего магнитного поля. Интересно, что эффект «инду­ цированного антиферромагнетизма» удалось зарегистри­ ровать методом ЭМ [174]. Возможно, что ЭМ позволит также наблюдать «индуцированный ферримагнетизм», рас­ смотренный в упомянутом параграфе и изученный пока что лишь методом ЯМР.

§ 13. УСТРОЙСТВА ОПЕРАТИВНОГО ЗАПОМИНАНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ, ОСНОВАИНЫЕ НА ЯВЛЕНИИ ЭХА

В настоящее время известен целый ряд явлений эха: ядерное, электронное, циклотронное, фотонное, магнитостатическое.

В принципе явления эха могут быть использованы как элементы оперативной памяти, а также как устройства оптимальной обработки радиочастотных сигналов. В част­ ности, на основе эха можно создавать линии задержки,

Применение ядерного спинового эха для создания ре­ гулируемых линий задержки было предложено Фернбахом и Проктором, а также Андерсоном и другими в 1955, 1956 гг. [74, 75].

269

Принцип работы такой линии можно пояснить на сле­ дующем простом примере. В резонансный контур поме­ щается вещество, содержащее подходящие ядра, и при­ кладывается внешнее магнитное поле такой величины, чтобы частота ядерного магнитного резонанса /0 = у(Д 0/2ті равнялась частоте задерживаемого сигнала. Пусть па коитур поступает сигнал в виде радиоимпульса на частоте /0. Если через время t12 после сигнала па контур подать вспо­

могательный (управ­ ляющий) импульс оп­ ределенной амплиту­ ды, то, как это было показано в § 7 настоя­ щей главы, через вре­ мя 2f12 в контуре об­ разуется сигнал ядер­ ного эха. При выпол-

Рпс. 3.33. Диаграмма эха прямого (а) п обрат­ ного (б) порядков.

нении некоторых условий сигнал эха будет воспроиз­ водить форму первого импульса. Таким образом, эф­ фект ядерного спинового эха эквивалентен эффекту задержки сигнала на время 2і12. Поскольку время по­ дачи управляющего импульса t12 можно менять произ­ вольно, то время задержки также регулируется произ­ вольно, причем это можно осуществить электрическим путем. Условия, накладываемые на амплитуду и длитёльность сигнала, чтобы коэффициент передачи системы был линеен, следующие:

Tn^i^ii«^. 'âi«7']. Т2-

Здесь т„ — длительность импульса сигнала; Н х — ве­ личина эффективного переменного циркулярного магнит­ ного поля, действующего на ядро и создаваемого током

270

ния ядерной намагниченности от оси кваптования под действием информационного импульса был бы достаточно

условие того, чтобы за время импульса релаксационные процессы не вносили существенных изменений в ядерпую намагпиченность.

В приведенной схеме эхо представляет собой зеркаль­ ное отражение подаваемого сигнала, т. е. временные зависимости в сигнале эха имеют противоположный знак по сравнению с подаваемым информационным сигналом. Особенно наглядно это видно, если в качестве информа­ ционного сигнала мы имеем не один, а несколько импуль­ сов, тогда порядок расположения этих импульсов в сиг­ нале эха будет обратный — эхо обратного порядка (рис. 3.33). Для получения одинаковой временной зави­ симости информационного сигнала и эха требуется не­ сколько более усложненная система с использованием двух вспомогательных импульсов. Например, первый вспомогательный импульс включается до подачи инфор­ мационного сигнала, а второй (считывающий) подается после него. Этот набор импульсов соответствует наблю­ дению стимулированного эха, описанного в § 4 настоящей главы.

Спадание амплитуды эха обратного порядка с увели­

Таким образом, времена релаксации Т2 и Тг являются параметрами, ограничивающими максимальное время за­ держки.

Отношение интенсивности сигнала эха к интенсивности информационного сигнала представляет собой переходное затухание линии задержки. Его величина зависит от боль­ шого числа факторов, например, от ширины линии ЯМР, рабочей температуры, концентрации ядериых спинов,

271

конструкции резонатора или контура, рабочей частоты,^ длительности времени задержан. В магнитных веществах ' исключительно важную роль играет коэффициент усиле­ ния ЯМР.

Важным преимуществом подобной линии задержки является возможность произвольного регулирования вре­ мени задержки в широких пределах путем изменения вре­ мени включения считывающего импульса. Эта особенность следует непосредственно из рассмотренной в § 7 настоя­ щей главы картины образования сигнала эха. Причем время задержки не зависит от температуры и других внеш­ них условий. Отметим, что стабильность задержки, по существу, определяется только стабильностью подачи считывающих импульсов.

Другой важной особенностью линии задержки, осно­ ванной на явлении эха, является возможность управле­ ния дисперсионными свойствами (т. е. зависимостью вре­ мени задержки от частоты сигнала). Дисперсия в устрой­ стве достигается за счет девиации частоты заполнения считывающего импульса (рис. 3.34). Как видно из рисунка, информационные импульсы с частотой Д и /., задержива­ ются иа разное время. Наличие дисперсионных свойств позволяет производить обработку частотпомодулированных (4M) информационных сигналов, например, сжатие 4M импульсов. Идея сжатия 4M импульсов принадлежит Мимсу [175]. Сообщение об эффективном использовании ядерного эха для повышения чувствительности радио­

держки достигается следующим образом. Рассмотрим сжа­ тие на примере воздействия двух сигналов (двухимпульсная методика, эхо зеркального порядка). Пусть в первом

создаваемого РЧ импульсом, должна быть значительно меньше, чем ширина линии резонанса, выраженная в гаус­ сах (АН). Причем, если иметь в виду магнитоупорядочен­ ные вещества, то здесь требования к И х еще более жест­

момент времени только на малую часть спинов (спиновый

272

пакет), занимающих узкий спектральный участок, много меньший, чем ширина спектра ЯМР или электронного резонанса.

После первого РЧ импульса, длительность которого должна быть значительно меньше, чем время поперечной релаксации, подается второй РЧ импульс также с ЛЧМ,

Эхо

Рис. 3.34. Иллюстрация дисперсшшыых свойств линии задержки и сжатия 4M сигналов с ис­ пользованием явления эха.

Вверху показано, каким образом два информационных импульса с частотой /, и /, задерживаются на разное время ( ту и "y-J и оказываются совмещенными. Сигнал

эха есть результат сложения обоих информационных импульсов. Эффект достигается за счет того, что считы­ вающие импульсы с частотой /, и f 2 разнесены между собой на интервал времени, в два раза меньший, чем были разнесены информационные импульсы.

Внизу показано сжатие ЛЧМ информационного импульса. Скорость ЛЧМ (ш (0) в считывающем импульсе в два раза выше, чем в информационном.

но со скоростью развертки частоты в два раза большей, чем скорость развертки в первом импульсе. Тогда сигнал эха будет весьма узким, но интенсивным. Т. е. произойдет эффект «сжатия» длинного, но малоинтенсивного 4M им­ пульса в короткий, но интенсивный и уже не модулирован­ ный по частоте сигнал.

Условия сжатия легко видны на следующем простей­ шем примере. Пусть группа спинов (пакет) с номером г

облучена в момент tlr во время подачи первого импульса и в t„r — во время подачи второго импульса. Тогда эхо

Если выполнить условие 2t.lr—tlr =const, то очевидно, что сигнал эха от всех пакетов будет появляться одно­ временно. Отсюда ясно, что сжатие будет происходить в том случае, если скорость частотной модуляции во вто­ ром импульсе в два раза выше, чем в первом.

Однако имеются предложения [177] об использова­ нии трехимпульсной методики, где рассматривается «спи­ новый коррелятор», позволяющий использовать во вспомо­ гательном импульсе тот же самый закон частотной модуля­ ции, что и в сигнальном (информационном) импульсе. Однако в этом случае второй вспомогательный импульс должен быть достаточно коротким, чтобы имитировать спектральную характеристику 8-импульса.

В любом случае, используется ли двухили трехимпульсная методика, имеется возможность обрабатывать сиг­ налы с любым законом частотной модуляции. Т. е. диспер­ сионные свойства линии задержки могут быть заданы произвольным образом, естественно, в пределах допускае­ мых параметрами рабочего вещества. Этот эффект дости­ гается за счет того, что характер частотной девиации счи­ тывающего импульса может быть задай произвольным образом.

Мимс, в частности, указывает, что функция частотной модуляции может быть быстро изменена по форме или по направлению развертки, а также запрограммирована, как последовательность различных функций, если это требуется [175].

Подобные дисперсионные линии задержки с успехом могут быть использованы как фильтры [178], поскольку обрабатываться будут только те сигналы, которые имеют частоту, соответствующую частоте считывающего импульса. Каплан и другие [179], отмечая это, писали: «Наиболее интересной является возможность использования эха для создания иа основе микроволновой линии задержки управляемых устройств. Фильтры могут быть предназна­ чены для сжатия либо для растяжения во времени микро­ волновых импульсов с помощью подходящей частотной

274

модуляции». Максимальная Ширина спектра обрабаты­ ваемого импульса, естественно, не может превосходить ширины линии ЯМР, а максимальная разрешающая спо­ собность, по-видимому, не лучше, чем 1ІТ2.

Если рассматривать указанные устройства как систему оперативной памяти, то максимальная информационная емкость для эха обратного порядка практически составляет величину порядка А<янТ2, где Д<он — ширина линии ЯМР. Такого же порядка и верхняя граница коэффициента сжа­ тия в двухимпульсной методике.

В работах [74, 75] в качестве рабочего вещества для ЯМР использовались немагнитные материалы, в основном жидкости. При этом: требовались большие внешние маг­ нитные поля, а устройства оказывались весьма узкополос­ ными с высоким значением переходного затухания и работа­ ющими в области довольно низких частот. Более эффек­ тивны, по-видимому, в высокочастотном диапазоне (более 10° гц) системы иа основе электронного эха [180—182]. Представляют интерес устройства, использующие ЯМР в ло­ кальных полях магиитоупорядоченных веществ [81, 82, 183—185]. При этом снижается вес, уменьшаются габариты и переходное затухание, увеличивается широкополосность системы. Рабочие частоты соответствуют частотам ЯМР и определяются значениями локальных полей иа ядрах. Они лежат в диапазоне от ІО6 до порядка 1010 гц [5]. Устройство значительно упрощается, так как ие требуется внешних магнитных полей.

Однако линии задержки на явлении эха обладают ря­ дом существенных недостатков. Во-первых, требуются до­ вольно мощные вспомогательные импульсы на той же ча­ стоте, па которой регистрируется сигнал. Эти импульсы перегружают приемный тракт и требуется программное устройство, обеспечивающее включение их в нужное время. Во-вторых, сравнительно медленное восстановле­ ние системы. Для того чтобы система была готова к приему следующей информации, ядерная намагниченность должна прийти в исходное равновесное состояние; на это тре­ буется время порядка (3—4)ТѴ

Третий существенный недостаток — это наличие паразитных сигналов. Хорошо изучены сигналы вторич­ ного эха, возникающие при использовании метода прямого эха. В работах Андерсона [74] предложены методы устра­ нения таких «паразитных» сигналов. Менеѳ изучено

18' 275

вторичное эхо, сопутствующее обычному эху обратного порядка. Имеется еще ряд проблем, например нелиней­ ные искажения, которые возникают в ядерпом эхе в маг­ нитоупорядоченных кристаллах. Эти искажения могут появляться вследствие неоднородности коэффициента уси­ ления, процессов ядерной релаксации, зависимости скорости ядерной релаксации от длительности импульсов и т. д.

Таким образом, явление ядорного эха имеет значитель­ ные потенциальные возможности для оперативного запо­ минания и обработки информации, в частности радиосигна­ лов, но требует более глубокого и всестороннего изучения.

Выше мы рассматривали только явление ядерного эха

инезначительно касались электронного парамагнитного.

Впоследнее время появились работы по электронному магнитостатическому эху в магнитоупорядоченных кри­ сталлах [179, 1861. Интересной особенностью является возможность усиления радиоимпульсов в этом виде эха па высоких частотах, например в 3-сантиметровом диапа­ зоне. Однако магнитостатическое эхо имеет очень корот­ кие времена релаксации (~10_1с' 5) сек.) и не позволяет обра­ батывать длинные импульсы или создавать большую за­ держку.

Эффект усиления ядерного эха также наблюдался экспе­ риментально [90] в МпО за счет нелинейных эффектов, в частности — частотного пуллинга. Однако здесь происхо­ дило увеличение интенсивности лишь самого эха, а усиле­ ния подаваемого РЧ импульса ие достигалось.

4.И. В. А л е к с а н д р о в . Теория ядерного магнитного резо­ нанса. «Наука», М., 1964.

5.Е. А. Т у р о в , М. П. П е т р о в . Ядерный магнитный резо­

8.A. H a p a T. В кн.: Сверхтонкие взаимодействия в твердых телах. «Мир», М., 1970.

9.Ч. К и т т е л ь. Введение в физику твердого тела. Физматгиз,

276