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NMR-Relaxation

Laboratoriumsmethoden und -geräteFestkörperphysik, Rückkehr von angeregten Kernspinsystemen in das thermodynamische Gleichgewicht. Dieser Abbau der Anregung der Kernmagnetisierung ist im allgemeinen durch zwei Zeitkonstanten charakterisiert:

-    durch die Spin-Gitter-Relaxationszeit T1, die den Wiederaufbau der Gleichgewichtsmagnetisierung beschreibt, und

-    durch die Spin-Spin-Relaxationszeit T2, die den Abbau der Phasenkohärenz der angeregten Magnetisierung beschreibt.

Da mit der Rückkehr der Magnetisierung in die Gleichgewichtslage auf jeden Fall auch die Phaseninformation verloren geht, gilt NMR-Relaxation.

Die in der NMR erzeugte Magnetisierung der Atomkerne entspricht einer Erwärmung des Spinsystems gegenüber dem Kristallgitter. Die zusätzliche Energie wird durch zwei prinzipiell unterschiedliche Mechanismen umverteilt bzw. abgeführt. Sie werden durch die Spin-Spin-Relaxationszeit und die Spin-Gitter-Relaxationszeit charakterisiert und phänomenologisch in die Bloch-Gleichungen eingeführt. Die Relaxation wird bewirkt durch die Fluktuationen der lokalen magnetischen Felder, wie sie durch thermische Bewegungen über die Kopplungen in der Dipol-Dipol-Wechselwirkung, der chemischen Verschiebung oder der Quadrupolwechselwirkung entstehen.

Die NMR-Relaxationszeiten spielen bei vielen Anwendungen der kernmagnetischen Resonanz eine wichtige Rolle:

-    Die Wartezeit zwischen einzelnen Anregungszyklen in der Puls-NMR muss hinreichend lang gewählt werden, damit genügend anregbare Kernspins verfügbar sind.

-    Die Spin-Spin-Relaxation begrenzt das Zeitfenster, das für die Aufnahme der Präzessionssignale der ausgelenkten Kerne zur Verfügung steht, und bestimmt somit die maximal mögliche spektrale Auflösung von NMR-Spektren.

-    Unterschiedliche Relaxationszeiten in verschiedenen Geweben stellen den wichtigsten Kontrastparameter für die Kernspintomographie dar.

-    Die Relaxationszeiten selbst liefern ebenfalls Informationen über die Mikrostruktur und die chemische Zusammensetzung der Proben. Da ihre Bestimmung deutlich geringere apparative Anforderungen stellt als die Aufnahme von Spektren, hat sich inzwischen ein breitgefächerter Markt für die Anwendung von speziellen NMR-Relaxometern entwickelt - vor allem für Anwendungen in der Lebensmittelindustrie. Zusätzliche Informationen liefert die Magnetfeldabhängigkeit von NMR-Relaxationszeiten, wie sie in der Field-Cycling-NMR bestimmt werden kann.

 

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