核音響共鳴

核音響共鳴は、核磁気共鳴と密接に関連した現象です。これは、磁場や電場の結果として核スピンを経験する粒子の相互作用から生じる音響放射を決定するために、1 MHzから100 MHzの周波数の超音波と超音波音波を使用することを伴います。^[1]核音響共鳴の原理は、特に分光法や関連するイメージング手法のための核磁気共鳴システムと組み合わせて使用​​する場合に、核磁気共鳴と比較されることがよくあります。このため、核音響共鳴はオブジェクトのイメージングにも使用できることが示されています。^[2]ただし、ほとんどの場合、核音響共鳴では、音波の吸収が発生するように、試料内に電子スピンを誘導するために核磁気共鳴の存在が必要です。金属から亜原子粒子に至るまでのさまざまな材料の音響放射の吸収に関する実験的および理論的調査を通じて行われた研究から、核音響共鳴はイメージング以外の分野でも特定の用途があることがわかりました。原子核音響共鳴の実験的観測は、1963年にアラースとフルーリーによって固体アルミニウムで初めて行われた。^{[3] [4]}

核音響共鳴は、1952年にセメン・アルトシュラーが核スピンへの音響結合が見えるはずだと提案したときに初めて議論されました。これは、アルフレッド・カスラーも同時期に提案しました。^[2]アルトシュラーは、この分野の専門家として、核スピン音響フォノン相互作用を理論化し、1955年に実験を行いました。この実験により、物理学者は金属における核音響共鳴結合を定式化して観測できると示唆し、現代の物理学者は核音響共鳴の多くの特性について議論していますが、広く知られている概念ではありません。^[1]物体における核音響共鳴の概念は多くの物理学者によって理論化され予測されてきたが、固体アルミニウムでこの現象が初めて観測されたのは1963年で、その分散は1973年に観測され、その後1975年に液体ガリウムで最初の実験的核音響共鳴が行われた。 ^{[5] [3] [4]}しかし、音響スピン共鳴の側面は1966年にボレフとメネスによってインジウムアンチモンのサンプルを通して観測され、核スピンがサンプルによって示された音響エネルギーを吸収することが示された。^[6]

原子核は、原子内の異なる原子核の磁気特性から電気特性まで、そのさまざまな特性のためにスピンしていると推測されます。一般的に、このスピンは核磁気共鳴の分野で利用されており、外部の RF (または超高周波範囲) 磁場を使用して、内部システム内の核スピンを励起して共鳴させます。これにより、電磁放射の吸収または分散が発生し、磁気共鳴画像装置が画像を検出して生成できるようになります。ただし、核音響共鳴の場合、内部または外部の磁場下にあるときにスピンの方向を決定するエネルギーレベルは、音響放射によって遷移します。音波の周波数は 1 MHz から 100 MHz の間であることが多いため、通常は超音波または超音波 (可聴範囲を超える周波数の音) として特徴付けられます。^[1]${\displaystyle 20-20,000Hz}$

核磁気共鳴と同様に、どちらの現象も直流 磁場や異なる周波数などの外部ソースを導入して利用し、両方の方法の結果は、異なる変数で同様のデータセットと傾向を生成します。ただし、2つの概念の方法論には明確な違いがあります。核音響共鳴は内部スピン依存相互作用を誘発しますが、核磁気共鳴は外部磁場との相互作用を示します。このため、核音響共鳴は核磁気共鳴に完全に依存するわけではなく、独立して操作できます。核音響共鳴が核磁気共鳴のより良い代替となるケースには、アモルファス金属や合金など、電磁波が浸透して共鳴しにくい金属の共鳴がありますが、音波は簡単に通過できます。ただし、核音響共鳴または核磁気共鳴を使用する適合性は、最も効率的で明白な結果を得るために使用する材料に依存します。^{[1] [7]}

核音響共鳴は、量子力学の法則を使用して、角運動量（I）がゼロでない核を持つ物体の音響共鳴の理論を導き出すことにより、核磁気共鳴と音響の両方から物理学を実装します。角運動量は で与えられます。 の要素では、核スピンの特性には電気モーメントも含まれます。これは、最も弱い電気モーメントの電気四重極モーメント（ と表記）としても知られています。このモーメント（ ）は、核に対する周囲の電荷の結果として、核内の電場勾配に影響を与えます。実際には、核音響共鳴を誘発するために使用される核磁気共鳴の結果が影響を受けます。^{[8] [1]}${\displaystyle {\sqrt {I(I+1)}}}$${\displaystyle I>1/2}$${\displaystyle Q}$${\displaystyle I}$

高周波 磁場下の原子核の磁気スピンと、外部磁場から高エネルギー状態への励起後のスピン格子緩和特性を利用することで、音波が核スピンと相互作用することが可能となり、外部で生成されたフォノンが関与することが多い。しかし、音波と核スピンの相互作用は、物体における音響共鳴の観測を保証するものではない。相互作用中、音波は核スピン下の物体による吸収によって大きさがわずかに変化し、その変化の測定が物体における核音響共鳴の観測と検出に極めて重要である。したがって、核音響共鳴の解析は困難であるため、間接的にしか観測されていない。^[1]

しかし、さらなる提案がなされるにつれて、超音波パルスエコー技術が、実験中に試料内の音響減衰の変化を検出するために導入されるようになった。これは、約 1 部の固体の変化を検出する能力があるためである。これは、背景減衰を検出することは可能であるが、減衰係数が10 ^-7～10 ^-8 dB/cmである核スピンフォノン結合を検出することはできない。 ^[2]したがって、実際に核音響共鳴を検出するには、連続波(CW) 超音波複合共振器技術と核磁気共鳴技術の組み合わせが必要である。^[1]${\displaystyle 10^{3}}$

コヒーレントまたはインコヒーレントに生成されたフォノンは、核音響共鳴プロセスで核スピンを誘引し、その結果、直接スピン格子緩和メカニズムと比較されます。このため、スピンは低周波数での共鳴熱フォノンとの相互作用から脱励起され、これはしばしば重要ではないと示されます。これは、複数のフォノンが関与する間接またはラマンプロセスと比較した場合、確かに当てはまります。ただし、直接スピン格子緩和は、格子振動スペクトルのわずかな割合の形成により特定の温度で固体を特徴付けるため、インコヒーレント熱フォノンからのエネルギーよりも大きい密度で10 ¹⁰から10 ^{12 の}範囲のエネルギーを持つ超音波を使用して、固体に音響エネルギーを与えることができると提案されています。 ^[7]この理論から、核スピンが低温でのみ見える通常の状況とは異なり、核音響共鳴の原理と技術を使用して高温で核スピンを観察できることが予測されます。

核音響共鳴の最初の直接観測は、1963年にアルミニウムのサンプルを磁場をかけた状態で使用して行われました。磁場によって電磁場が生成され、使用される音波の特性、特に音波の速度と減衰に最小限の影響が与えられました。実験分析により、外部磁場による速度と減衰への影響はその2乗に比例することが推定され、これにより、音響エネルギーの吸収を受ける任意の核スピンシステムの音響減衰係数を計算することができました。音響減衰係数は、 、ここで、で 表されます。${\displaystyle \alpha_{n}}$${\displaystyle \alpha =P_{n}/P_{0}}$

${\displaystyle P_{0}=1/2\rho v_{s}^{3}\epsilon ^{2}}$

は単位面積あたりの入射音響出力です。は金属の密度、は伝播する音波の速度、はひずみのピーク値によって決まります。 ${\displaystyle P_{0}}$${\displaystyle \rho}$${\displaystyle v_{s}}$${\displaystyle \epsilon }$

さらに、核スピンを行っている系によって吸収される単位体積あたりのエネルギーは、 ${\displaystyle P_{n}}$

${\displaystyle P_{n}=N(hv)^{2}/(2I+1)kT\sum _{m}W_{mm'}}$

ここで、N は金属の単位体積あたりの核スピンの数、v は周波数、は磁気双極子結合値です。ただし、この式は磁場によって引き起こされる金属の渦電流の影響を考慮していません。それでも、アルミニウムの核音響共鳴の実験的観察の結果は、弱い四重極モーメントと1/2 の核スピンを持つ金属の単結晶など、この分野でのさらなる研究の提案を考案しました。^[3]${\displaystyle W_{mm'}}$

液体は固体と特性が異なるため、液体で共鳴を誘発することが困難で、通常は液体で核音響共鳴を検出することは不可能である。固体では、核音響共鳴のスピン遷移は2つの異なる結合メカニズムによって誘発される。しかし、液体状態の物体は熱特性の影響を強く受け、これが動的電場勾配にも影響するため、結合法で液体に核音響共鳴を誘発することはほぼ不可能である。そのため、液体サンプルで核音響共鳴を観察する最初の実験的試みでは、金属標本が対象物として使用された。^{[5]さらなる実験により、}圧電ナノ粒子を使用して液体、特に流体中の核音響共鳴を検出するなどの外部要因が使用されるようになった。^[9]

液体中の核音響共鳴に関する最初の成功した実験調査では、金属物体を取り囲む外部直流磁場によって生成された音波によって、金属サンプル内部にコヒーレントな電磁波が生成されました。生成された音波は物体の核スピンと共鳴し、理論的に核音響共鳴を観測することができました。理論的予測は、液体ガリウムのサンプルを観察および測定したときに確認されました。^[5]

この実験的観察から、液体金属における核音響共鳴は、液体の特性により磁気双極子相互作用を必要とし、固体に見られるような超音波変位場ではなく、液体金属内の粒子間の距離に依存することが提案された。これと、生成された電磁場の全変位場が変位場の重ね合わせであるという事実により、電磁場はマクスウェル方程式によるコヒーレント部分とインコヒーレント部分の合計によってモデル化できる。したがって、ウンターホルスト、ミュラー、シャンツは、関係時間中の拡散長が音波の超音波波長に比べて比較的小さい場合、液体金属における核音響共鳴を達成し、観察できることを考案した。^[10]

超音波音波を患者などの物体に伝播させることで、共鳴が達成されたときに画像化が可能になります。これは、超音波と磁気共鳴画像法の両方の技術と概念を組み合わせた装置システムによって計算され、医療目的の画像を生成します。^[2]

しかし、核音響共鳴を達成するための特定の要件と超音波および磁気共鳴イメージングの特性により、核音響共鳴によるイメージングは​​達成可能ではあるものの、実験的に限界が存在します。イメージングのための典型的な超音波技術では、約1000分の1の音響減衰差を検出できますが、これは音響係数が10 ^-7～10 ^-8 dB/cmの核スピンシステムに要求される検出能力の範囲内ではありません。^[2]

金属などの物体に対する実験的な核音響共鳴技術は音響共鳴を達成できるが、非有機化合物の分光法には役立つかもしれないが、医療用画像診断には実行可能な選択肢ではない。そこで、高調波相関の概念が導入された。これにより、音響信号を取得、増幅、分析する新しい方法が可能になる。この方法では、分析のために広帯域信号を狭帯域信号に実装することで、検出技術の感度を高めることができる。高調波相関は一般に、患者に向けられた2つの高調波関連狭帯域信号の振幅関数間の相関を決定するもので、そのデータを収集してシミュレートする処理アルゴリズムが分析の信号検出の感度を高めるために、それらが同じソースから発生していると仮定する。したがって、高調波相関は、誘導された核スピン フォノンの吸収プロセスの結果を明らかにするが、そのようなプロセスは非常に複雑であり、収集されたデータの厳密な処理が必要である。^[2]

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