Augmentation des signaux de résonance nucléaire par polarisation dynamique (1ere Partie)

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Submitted on 1 Jan 1958

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Augmentation des signaux de résonance nucléaire par polarisation dynamique (1ere Partie)

Ionel Solomon

To cite this version:

Ionel Solomon. Augmentation des signaux de résonance nucléaire par polarisation dynamique (1ere Partie). J. Phys. Radium, 1958, 19 (11), pp.837-839. �10.1051/jphysrad:019580019011083700�. �jpa- 00235944�

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837.

AUGMENTATION ^DES^SIGNAUX^DE^RÉSONANCE^NUCLÉAIRE

PAR POLARISATION DYNAMIQUE (1ere Partie)

Par IONEL SOLOMON,

Centre d’Études Nucléaires, ^{C. E.}A., Saclay, ^France.

Résumé. ²⁰¹⁴On considère deux systèmes ^despins ^{I et S}^eninteraction. Trois cas ont été étudiés

expérimentalement :

1° Interaction des électrons de conduction (système S) ^avecles noyaux (système I) ^{d’un semi-}

conducteur (silicium). La saturation de la raie électronique augmente considérablement le signal

nucléaire.

2° Interaction des protons ^{de l’eau}âvec^{les ions}paramagnétiques d’un radical libre doué de structure hyperfine. L’augmentation ^dusignal ^desprotons ^{à bas}champ êst^tellequ’elle âpermis

le fonctionnement en auto-oscillateur.

3° Interaction de deux systèmes ^despins ^dans^unsolide. L’irradiation à la somme ou à la dif- férence des fréquences de résonance permet ^uneaugmentation ^dusignal ^derésonance d’un des

systèmes ^despins.

Abstract. 2014 We consider two systems ^ofinteracting spins ^Iand S. Three cases have been studied experimentally :

1° Interaction between conduction electrons (system S) with nuclei (system I) ⁱⁿ^a^semi-con-

ductor (silicon).

Saturation of the electronic line gives ^alarge increase of the nuclear signal.

2° Interaction of protons ⁱⁿ^water^withparamagnetic îonsôfâfree radical having âhyperfine

structure. The enhancement of the proton signal îslarge enough ^toôbtainâMaser action.

3° Interaction of two systems ôfspins ⁱⁿâ^solid. Irradiation at the sum or difference of reso- nance frequencies give ânenhancement of the signal ôfône^{of the}spin systems.

t K JOURNAL DE PHYSIQUE ^ET^LE^RADIUM TOME 19, ^NOVEMBRE1958,

Introduction. ^--Considérons deux systèmes ^de

~ ~

spins ¹^etS, ^derapport gyromagnétique ^YI^{et ys}

en interaction dans un champ ^élevéHo. Supposons

pour simplifier que les valeurs des 2 spins ^soient1/2

et que leur interaction soit de type scalaire A 7. S

Supposons que la relaxation spin-réseau ^desspins ¹

soit uniquement ^due^à^leurcouplage ^avec^les

~

spins S, c’est-à-dire _{que le} renversement d’un

spin ¹^nepuisse ^seproduire que par renversement mutuel d’un spin ¹^et^d’unspin S, ^deproba-

bilités Wj+ -j=j- +) .

+

(Le premier indice réfèrpra toujours ^auxspins ¹

~

et le deuxième ^auxspins S.) ^.

~

Si N+ ^et^N_^sont^les^nombres^despins ^{S dans}

l’état Sz ⁼+ 1/2 ^etSz == 2013 1/2 ^et^{n+ et}^n-^les

~

nombres correspondants pour les spins I, ^on^aura

en régime permanent :

Comme les W ^sontles probabilités de transition induites par le couplage ^{avec un}^réseau^à^latempé-

rature T, ^on^{a :}

En combinant (1) êt(2) ôhôbtient

Dans l’approximation - ^detempérature élevée,

c’oest-à-dire lorsque ^lesexponentielles peuvent ^être remplacées par leur développement ^linéaire en 1 /kT, l’équation (3) peut ^s’écrire[1]

où I., > et Sz > sont les polarisations ^des

~ ~

spins I et 8 :

1a ^etSo ^sont^lespolarisations ^àl’équilibre ^thermique.

L’équation (4) ^apu être généralisée [2], [3] pour d’autres types d’interaction _comme,_parexemple,

~

l’interaction dipôle-dipôle êntre^lesspins Îêt^{S. -}

Il faut alors ^faire^unbilan détaillé des différentes

probabilités de transition : On obtient alors l’équation (6)

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:019580019011083700

(3)

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où le coefficient _pdépend de l’interaction entre I

~

et S, êtf êstûncoefficient de fuite tenant compte

~

de la relaxation spin-réseau ^desspins ^{I par}^des

~

interactions autres que celles avec les spins ^{S. Si}^ces

interactions sont négligeables, f ⁼^1.

Comme on l’a _vu,pour ^uneinteraction du

~ ~

type AI. 8, ^{on a}^p= -1. Pour une interaction du type dipôle-dipôle, ^{dans le}^cas^de^mouvement rapide, ^on^trouve^p==1/2.

Polarisation dynamique des noyaux. ^-10 CAS

DE L’INTERACTION D’UN SYSTÈME DE SPINS

NUCLÉAIRES (SYSTÈME ^DE^SPINS1) ^{AVEC DES}^ÉI,EC-

~ TRONS DE CONDUCTION (SYSTÈME ^DE^SPINSS).-

C’est un cas d’interaction du type scalaire, ^donc

pour lequel p = - 1. Si l’on annule la polari-

sation des spins électroniques « S,, > = 0) par saturation de la raie électronique ^desélectrons de conduction dans ^unmétal ou un semi-conducteur, l’équation (6) ^devient(on ^a^faitp = 2013 1)

On obtient ainsi, ^enrégime permanent, ^unepola-

risation considérablement plus grande que la pola

risation d’équilibre. L’expérience, qui ^avaitdéjà

été réalisée dans un métal [4], ^a^étéeffectuée, ^dans

notre laboratoire, pour des raisons expérimentales,

sur un semi-conducteur [5] : ^Siliciumdopé ^auphos- phore. ^Lesspins nucléaires observés sont ceux

du 29Si, ^en concentration isotopique ^d’envi-

ron 4,7 %. L’augmentation ^maximumque l’on

peut espérer ^s’iln’y ^apas de fuite (,f =1) ^est^de

Le.signe ^moinsindique que la polarisation dynamique âinsiôbtenueêstantiparallèle âuchamp Ho.

20 INTERACTION DES PROTONS DE L’EAU (SYS-

~

TÈME DE SPINS h AVEC LES IONS PARAMAGNÉTIQUES

~

(SYSTÈME ^DE^SPINS8) ^D’UNRADICAL LIBRE DISSOUS

(nitro disulfonate ^depotassium (SO3)2NOK2).

L’interaction est du type dipôle-dipôle, ^et^l’on

a p ==1/2. ^{Par suite}de l’existence d’une structure

hyperfine ^deux^cas^{sont à}envisager :

a) Champs ^élevés.^-^La^résonanceélectronique

.. du radical se décompose en - 3 raies distantes de 13 gauss environ par suite de l’interaction hyper-

fine avec le _noyaud’azote du radical. Si l’on sature une de ces raies, ^on^obtient^donc 6g > ⁼2/3 S 0

et d’après (6) ôà^l’onâfaits =1/2 êtf ¹

Dans ce cas aussi, mais pour des raisons ^diffé- rentes, ^lapolarisation ôbtenueêstantiparallèle âu champ Ho.

b) Champs faibles. ^-^{Par suite}^de^la^structure hyperfine, il existe des raies de résonance élec-

tronique ^defréquence ^finie(55 MHz) lorsque ^le champ Ho ^tend^vers^zéro.^{Si l’on}^sature^une^telle

raie de fréquence .0, ônôbtient[6] ûnepqlari-

sation électronique

où _y,est le rapport gyromagnétique ^de^{l’électron}

libre et .K un coefficient dépendant du mode de relaxation du radical et de la raie choisie. Pour le

champ ^terrestre H o ^_J 0,5

gauss) Ho

^{Y. 0} ⁼^39,3^{et ’}

pour ^unecertaine raie de résonance électro-

nique K - - 8/27. L’augmentation ^obtenue^est

donc dans ce cas (champ terrestre, p == 1/2, / = 1).

Le fait d’une polarisation d’équilibre antipàral-

lèle au champ, joint ^à^l’énormeaugmentation ^de

cette polarisation, ^apermis la réalisation d’un auto-oscillateur à protons/dont ^leprincipe ^a^été

utilisé pour la construction d’un magnétomètre ^de champ ^terrestre.

3° INTERACTION DE DEUX SYSTÈMES DE SPINS DANS UN SOLIDE NON MÉTALLIQUE [7]. ^-^Lets

méthodes précédentes ^nes’appliquent pas ^en

général ^dans^cecas, pour la ^raisonprincipale ^sui-

vante : les probabilités de transition où le spin S

ne subit pas de renversement Wj+ ,+)=j +,+j ôntûn poids ^biensupérieur ^{à toutes}^les âutresproba-

bilités de transition. Or un tel renversement ne

fait pas intervenir le grand ^facteurgyromagné- tique Ys. Il en résulte un effet de polarisation dynamique négligeable : p ^ci0 dans l’équation (6).

Dans ce cas, on propose ^deproduire artificiel- lement les probabilités de transition W(+-):#(--, )

ou W(++):#(--) ^par^une^source^deradiofréquence

extérieure de fréquence ^as^-⁶⁾¹^ou ^ces⁺^mT.

Pour une transition produite par ^unetelle _source, les probabilités, ^{des 2}processus ^inverses^sontégales.

Si ce processus de transition ^estrapide ^par rapport ^auprocessus de relaxation des spins I,

pour ^une fréquence appliquée ⁼^{(ùs -}^coi, l’équation (1),s’écrit :

Si de plus ^larelaxation des spins ^S^estplus rapide que les transitions dues ^àla radiofréquence

~

appliquée, ^lesspins S ^sont^enéquilibre thermique

(4)

839 et

d’où un accroissement ~ dynamique ^{de la}polari-

sation des spins ^{1 de}Ys/Yi’ Si l’on induit la transition de fréquence ^Q⁼^cos+ cüldans ^{les mêmes} conditions, ônôbtientûnaccroissement de ^-ys /y,

Cette méthode est applicable lorsque ^letemps ^de

relaxation des spins ¹^estbeaucoup plus long que

~

celui des spins ^S. ^,

Ces transitions peuvent ^êtreînduitespar ûn champ ^deradiofréquence intense. En effet, ûne.

transition telle que (+-) -> (--f-) ^n’estpas ^com-

plètement înterdite^car,^dansûnsolide, par suite des interactions dipolaires ^les^états^ne^sontpas purs. Un ^étattel _que(--) êstên^réalitéde la forme (--) + ce(-+) ôù locl?- êst ^d’ordre (HSI IH 0)2 ôùSSI êst’lechamp ^localstatique pro-

~ ~

duit par les spins ^S^àl’emplacement ^duspin ^1.

Ces transitions peuvent également être induites par ^uneonde ultrasonique ^à^lafréquence cùs ::1: CùI’

modulant l’interaction statique ^entre ^les^deux

spins. ^.

BIBLIOGRAPHIE

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f ^DISCUSSION

J. M. Rocard. Le-coefficient d’augmentation del polarisation * nucléaire, ^{dans le}^cas^{du radi-}

cal (SÛ3)2NO-, ^dontM. Solomon a donné une

valeur théorique_égale,’en champ faible, ^à^--3 880,

tient-il compte d’une seule transition haute

fréquence (par exemplé

F ⁼3j2/imF ⁼3/2 --> F’ = 1/2, ^{m F}=-- 1 /2)

ou bien des 6 transitions ⁷¹et £ qui existent à cette valeur de champ ?

1. Solomon. ^--Le coefficient donné est obtenu pour ^laseule saturation complète de la raie F ⁼3/2

ml, ⁼3/2 ^-+^F= 1/2, MF = 1/2 (56 MHz) ^et^en

tenant compte ^bien^entendude la relaxation du radical entre ses 6 niveaux.