كتب nuclear magnetism

تمتلك الجسيمات دون الذرية خاصية اللف المغزلي الكمية. أنوية معينة مثل 1H (البروتونات)، 2H ، 3He ، 23Na أو 31P ، لها دوران مغزلي غير صفري وبالتالي عزم مغناطيسي. في حالة ما يسمى أنوية لف مغزلي 1/2، مثل 1H، توجد حالتان من اللف المغزلي، يشار إليهما أحيانًا بالأعلى والأسفل. وليس لأنوية مثل 12C نيوترونات أو بروتونات غير مقترنة، ولا توجد محصلة دوران؛ لكن النظير ¹³C يفعل ذلك.

عندما توضع حالات اللف المغزلي هذه في مجال مغناطيسي خارجي قوي، فإنها تبادر حول محور على طول اتجاه المجال. تصطف البروتونات في حالتي متجه خاص للطاقة (تأثير زيمان): حالة منخفضة الطاقة وحالة عالية الطاقة، مفصولة بطاقة تقسيم صغيرة جدًا.

الرنين والاسترخاء

نحتاج إلى ميكانيكا الكم لوضع نموذج لسلوك بروتون واحد بدقة، ولكن يمكن استخدام الميكانيكا الكلاسيكية لوصف سلوك مجموعة البروتونات بشكل كاف. كما هو الحال مع الجسيمات ذات اللف المغزلي النصفي، كلما قيس دوران بروتون واحد، فإنه لا يمكن أن يكون له سوى نتيجة واحدة من نتيجتين عادةً ما يُطلق عليهما متوازية ومضادة للتوازي. عندما نتناول حالة البروتون أو البروتونات، فإننا نشير إلى الدالة الموجية لهذا البروتون وهو مزيج خطي من الحالات المتوازية والمضادة للتوازي.

في وجود المجال المغناطيسي، B0، ستبدو البروتونات أنها تبادر بتردد لامور الذي تحدده النسبة المغناطيسية الدورانية للجسيم وقوة المجال. وأما الحقول الثابتة المستخدمة بشكل شائع في التصوير بالرنين المغناطيسي فتتسبب في مبادرة تتوافق مع فوتون الترددات الراديوية.

ترجع محصلة المغنطة الطولية في التوازن الديناميكي الحراري إلى زيادة طفيفة في البروتونات في حالة الطاقة المنخفضة. ويعطي هذا محصلة استقطاب موازيًا للمجال الخارجي. يمكن أن يؤدي إرسال نبضة ذات تردد راديوي إلى قلب صافيَ الاتجاه جانبيًا لمتجه الاستقطاب (بما يسمى نبضة 90 درجة)، أو حتى عكسه (بما يسمى نبضة 180 درجة). سوف تأتي البروتونات إلى مرحلة مع نبضة بتردد راديوي وبالتالي مع بعضها.

يسمى استعادة وضع المغنطة الطولية استرخاءً طوليًا أو T1 ويحدث بشكل أسي مع ثابت زمني T1. يسمى فقدان تماسك الطور في المستوى العرضي بالاسترخاء العرضي أو T2. وبالتالي يرتبط T1 مع المحتوى الحراري لنظام الدوران، أو عدد الأنوية ذات الدوران الموازي مقابل تلك المضادة للتوازي. من ناحية أخرى، يرتبط T2 بإنتروبيا النظام، أو عدد الأنوية في الطور.

عندما تتوقف نبضة التردد الراديوي، ينتج مكون المتجه العرضي مجالًا مغناطيسيًا متذبذبًا يحفز تيارًا صغيرًا في ملف جهاز الاستقبال. تُسمى هذه الإشارة بانحلال الحث الحر. في تجربة الرنين المغناطيسي النووي المثالية، يتحلل الحث الحر بشكل أسي تقريبًا مع ثابت زمني T2. ومع ذلك، في التصوير بالرنين المغناطيسي العملي، هناك اختلافات صغيرة في المجال المغناطيسي الثابت في مواقع مكانية مختلفة («عدم التجانس») التي تتسبب في اختلاف تردد لامور عبر الجسم. هذا يخلق تداخلًا هدامًا، مما يقصر انحلال الحث الحر. يسمى ثابت الزمن للانحلال المرصود للحث الحر بزمن الاسترخاء T2 * وهو أقصر دائمًا من T2. في نفس الوقت، تبدأ المغنطة الطولية في استعادة وضعها بشكل أُسي مع ثابت زمني T1 الأكبر كثيرًا من T2.

في التصوير بالرنين المغناطيسي، يتعزز المجال المغناطيسي الساكن بواسطة لفائف التدرج الحقلي كي يكون مختلفًا عبر المنطقة الممسوحة ضوئيًا، بحيث تصبح المواقع المكانية المختلفة مرتبطة بترددات بِدارية مختلفة. فقط المناطق التي يكون فيها المجال بحيث تكون ترددات المبادرات متوافقة مع تردد التردد الراديوي، هي التي ستحصل الإثارة عندها. تتعدل عادة هذه التدرجات في المجال لتمريرها عبر المنطقة المراد مسحها ضوئيًا، وهي مجموعة لا حصر لها تقريبًا من التردد الراديوي وتسلسلات نبضات تدرج التي تعطي التصوير بالرنين المغناطيسي التباين الخاص به. يؤدي تغيير التدرج في الحقل إلى نشر إشارة انحلال الحث الحر الناتجة في مجال التردد، ولكن هذه يمكن استردادها وقياسها من خلال تدرج إعادة التركيز (لإنشاء ما يسمى «صدى التدرج»)، أو عن طريق نبضة تردد راديوي (لإنشاء ما يسمى «صدى اللف المغزلي»)، أو في المعالجة اللاحقة لإشارة الانتشار. يمكن تكرار العملية برمتها عند حدوث بعض استرخاء T1 واستعادة التوازن الحراري لحالات اللف المغزلي بشكل أو بآخر. وقت التكرار (TR) هو الوقت بين حالتين من الإثارة متتاليتين للشريحة نفسها.