Спин-решеточная релаксация - Spin–lattice relaxation

Было высказано предположение, что Спин-решеточная релаксация во вращающейся системе отсчета быть слился в эту статью. (Обсуждать) Предлагается с октября 2020 года.

В течение ядерный магнитный резонанс наблюдения спин-решеточная релаксация это механизм, с помощью которого составляющая общей ядерный магнитный момент вектор, который параллелен постоянному магнитному полю, релаксирует из более высокого энергетического неравновесного состояния в термодинамическое равновесие со своим окружением («решеткой»). Он характеризуется время спин-решеточной релаксации, постоянная времени, известная как Т₁.

Есть другой параметр, Т₂, то время спин-спиновой релаксации, касающуюся релаксации компонент вектора ядерной намагниченности, которые равны перпендикуляр к внешнему магнитному полю. Измерение вариации Т₁ и Т₂ в разных материалах является основой некоторых магнитно-резонансная томография техники.

Ядерная физика

Т₁ кривая релаксации или продольной релаксации

Т₁ характеризует скорость, с которой продольный M_z Компонент вектора намагниченности восстанавливается экспоненциально в направлении своего термодинамического равновесия в соответствии с уравнением

${displaystyle M_ {z} (t) = M_ {z, mathrm {eq}} -left [M_ {z, mathrm {eq}} -M_ {z} (0) ight] e ^ {- t / T_ {1 }}}$

Или для конкретного случая, когда ${displaystyle M_ {z} (0) = - M_ {z, mathrm {eq}}}$

${displaystyle M_ {z} (t) = M_ {z, mathrm {eq}} left (1-2e ^ {- t / T_ {1}} ight)}$

Таким образом, это время, необходимое для восстановления продольной намагниченности примерно 63% [1- (1 /е )] первоначального значения после поворота в магнитную поперечную плоскость радиочастотным импульсом 90 °.

Ядра содержатся в молекулярной структуре и находятся в постоянном колебательном и вращательном движении, создавая сложное магнитное поле. Магнитное поле, вызванное тепловым движением ядер внутри решетки, называется полем решетки. Поле решетки ядра в состоянии с более низкой энергией может взаимодействовать с ядрами в состоянии с более высокой энергией, в результате чего энергия состояния с более высокой энергией распределяется между двумя ядрами. Следовательно, энергия, полученная ядрами от РЧ-импульса, рассеивается в виде увеличения вибрации и вращения внутри решетки, что может немного повысить температуру образца. Название спин-решеточная релаксация относится к процессу, в котором спины отдают энергию, которую они получили от РЧ-импульса, обратно окружающей решетке, тем самым восстанавливая их состояние равновесия. Тот же самый процесс происходит после того, как энергия спина была изменена изменением окружающего статического магнитного поля (например, предварительная поляризация или вставка в сильное магнитное поле) или если неравновесное состояние было достигнуто другими способами (например, гиперполяризация оптической накачкой).

Время релаксации, Т₁ (среднее время жизни ядер в более высоком энергетическом состоянии) зависит от гиромагнитное отношение ядра и подвижности решетки. По мере увеличения подвижности увеличивается частота колебаний и вращения, что повышает вероятность того, что компонент поля решетки сможет стимулировать переход от высокоэнергетических состояний к низкоэнергетическим. Однако при чрезвычайно высоких подвижностях вероятность уменьшается, поскольку частоты колебаний и вращения больше не соответствуют энергетической щели между состояниями.

У разных тканей разные Т₁ значения. Например, жидкости давно Т₁с (1500–2000 мс), а ткани на водной основе находятся в диапазоне 400–1200 мс, а ткани на основе жира - в более коротком диапазоне 100–150 мс. Наличие сильномагнитных ионов или частиц (например, ферромагнитный или же парамагнитный ) также сильно изменить Т₁ значения и широко используются как Контрастные вещества для МРТ.

Т₁ взвешенные изображения

А Т₁ взвешенное изображение головы.

Магнитно-резонансная томография использует резонанс протонов для создания изображений. Протоны возбуждаются радиочастотным импульсом соответствующей частоты (Ларморова частота ), а затем избыточная энергия выделяется в виде крошечного количества тепла в окружающую среду, когда спины возвращаются к своему тепловому равновесию. Намагниченность протонного ансамбля возвращается к своему равновесному значению с экспоненциальной кривой, характеризующейся постоянной времени Т₁ (видеть Релаксация (ЯМР) ).

Т₁ взвешенные изображения можно получить, задав короткие время повторения (TR), например <750 мс и время эха (TE), например <40 мс в обычном спин-эхо последовательности, в то время как в последовательностях градиентного эхо они могут быть получены с использованием углов поворота более 50^о при установке значений TE менее 15 мс.

Т₁ значительно отличается между серое вещество и белое вещество и используется при сканировании мозга. Сильный Т₁ присутствует контраст между жидкими и более твердыми анатомическими структурами, что делает Т₁ контраста подходит для морфологической оценки нормальной или патологической анатомии, например, для применения опорно-двигательного аппарата.

Смотрите также

• Релаксация (ЯМР)
• Время спин-спиновой релаксации
• Эрнст угол
• Спин-решеточная релаксация во вращающейся системе отсчета

Рекомендации

• МакРобби Д. и др. МРТ, от картинки к протону. 2003
• Хашеми Рэй и др. МРТ, основы 2ЕД. 2004 г.