В магнитном резонансе спиновое эхо или эхо Хана представляет собой перефокусировку спиновой намагниченности импульсом резонансного электромагнитного излучения . [1] Современный ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и магнитно-резонансная томография (МРТ) используют этот эффект.
Сигнал ЯМР, наблюдаемый после начального импульса возбуждения, со временем затухает как из-за релаксации спинов , так и из-за любых неоднородных эффектов, которые заставляют спины в образце прецессировать с разной скоростью. Первый из них, релаксация, приводит к необратимой потере намагниченности. Но неоднородную дефазировку можно устранить, применив импульс инверсии 180° , который инвертирует векторы намагниченности . [2] Примерами неоднородных эффектов являются градиент магнитного поля и распределение химических сдвигов . Если импульс инверсии применяется после периода t дефазировки, неоднородная эволюция будет рефазировать, образуя эхо в момент времени 2 t . В простых случаях интенсивность эха относительно начального сигнала определяется как e –2t/T 2 , где T 2 – постоянная времени для спин-спиновой релаксации. Время эха ( TE ) – это время между импульсом возбуждения и пиком сигнала. [3]
Явления эха являются важными особенностями когерентной спектроскопии , которые используются в областях, отличных от магнитного резонанса, включая лазерную спектроскопию [4] и рассеяние нейтронов .
Эхо было впервые обнаружено в ядерном магнитном резонансе Эрвином Ханом в 1950 году, [5] и спиновое эхо иногда называют эхом Хана . В ядерном магнитном резонансе и магнитно-резонансной томографии чаще всего используется радиочастотное излучение.
В 1972 году Ф. Мезей представил метод спин-эхо рассеяния нейтронов, который можно использовать для изучения магнонов и фононов в монокристаллах. [6] В настоящее время этот метод применяется в исследовательских установках, использующих трехосевые спектрометры.
В 2020 году две группы продемонстрировали [7] [8] , что при сильном связывании ансамбля спинов с резонатором последовательность импульсов Хана приводит не просто к одному эху, а скорее к целой серии периодических эхо. В этом процессе первое эхо Хана действует обратно на спины как перефокусирующий импульс, что приводит к самостимулированным вторичным эхо.
Эффект спинового эха был открыт Эрвином Ханом , когда он применил два последовательных 90° импульса, разделенных коротким периодом времени, но обнаружил сигнал, эхо, когда импульс не был применен. Это явление спинового эха было объяснено Эрвином Ханом в его статье 1950 года [5] и далее развито Карром и Перселлом , которые указали на преимущества использования 180° перефокусирующего импульса для второго импульса. [9] Последовательность импульсов можно лучше понять, разбив ее на следующие этапы:
В этой последовательности используется несколько упрощений: декогеренция не включена, и каждый спин испытывает идеальные импульсы, в течение которых окружающая среда не обеспечивает распространения. Шесть спинов показаны выше, и им не дается шанса значительно дефазировать. Метод спин-эхо более полезен, когда спины дефазируются более значительно, как в анимации ниже:
Эксперимент по распаду эха Хана можно использовать для измерения времени релаксации спин-спин , как показано на анимации ниже. Размер эха регистрируется для разных интервалов между двумя импульсами. Это выявляет декогеренцию, которая не перефокусируется π-импульсом. В простых случаях измеряется экспоненциальный распад , который описывается временем T 2 .
В статье Хана 1950 года [5] было показано, что другой метод генерации спинового эха заключается в применении трех последовательных 90° импульсов. После первого 90° импульса вектор намагниченности распространяется, как описано выше, образуя то, что можно представить как «блин» в плоскости xy. Распространение продолжается некоторое время , а затем применяется второй 90° импульс таким образом, что «блин» теперь находится в плоскости xz. Еще через некоторое время применяется третий импульс, и после ожидания в течение некоторого времени после последнего импульса наблюдается стимулированное эхо .
Эхо Хана также наблюдалось на оптических частотах. [4] Для этого резонансный свет применяется к материалу с неоднородно уширенным резонансом поглощения. Вместо использования двух спиновых состояний в магнитном поле, фотонное эхо использует два энергетических уровня, которые присутствуют в материале даже в нулевом магнитном поле.
Быстрое спиновое эхо (RARE, FAISE или FSE [10] [11] [12] ), также называемое турбоспиновым эхом (TSE), представляет собой последовательность МРТ, которая обеспечивает быстрое время сканирования. В этой последовательности несколько 180 перефокусирующих радиочастотных импульсов доставляются в течение каждого интервала времени эха (TR), а градиент фазового кодирования на короткое время включается между эхами. [13] Последовательность импульсов FSE/TSE внешне напоминает обычную последовательность спинового эха (CSE) тем, что она использует серию 180º-перефокусирующих импульсов после одного 90º-импульса для генерации последовательности эхо. Однако метод FSE/TSE изменяет градиент фазового кодирования для каждого из этих эхо (обычная многоэховая последовательность собирает все эхо в последовательности с одинаковым фазовым кодированием). В результате изменения градиента фазового кодирования между эхами можно получить несколько строк k-пространства (т. е. шагов фазового кодирования) в течение заданного времени повторения (TR). Поскольку в течение каждого интервала TR регистрируется несколько линий фазового кодирования, методы FSE/TSE могут значительно сократить время визуализации. [14]
