CC BY
15
УДК: 621.391: 539.143.43
Баруздин С. А.
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
DOI: 10.24411/2520-6990-2019-10339 ПОДАВЛЕНИЕ МЕШАЮЩИХ ОТКЛИКОВ В СПИНОВОМ ЭХО-ПРОЦЕССОРЕ
Baruzdin S. A.
St. Petersburg Electrotechnical University LETI THE SUPPRESSION OF INTERFERING RESPONSES IN THE SPIN ECHO PROCESSOR
Аннотация.
Рассмотрен метод подавления нежелательных откликов в процессоре, использующем эффект спинового эха. Разработана теория нелинейного сдвига частоты ядерного магнитного резонанса под действием дополнительных видеоимпульсов магнитного поля. Определены условия выделения трехимпульс-ного спинового эха и подавления нежелательных двухимпульсных эхо-откликов и сигналов свободной индукции. Экспериментально исследованы режимы работы эхо-процессора при реализации управляемой линии задержки и управляемой согласованной фильтрации. В качестве рабочего вещества процессора использованы тонкие магнитные пленки кобальта. Показана возможность полного подавления нежелательных откликов при использовании трех дополнительных видеоимпульсов магнитного поля.
Abstract.
The method of suppression of undesirable responses in the processor using the spin echo effect is considered. The theory of nonlinear frequency shift of nuclear magnetic resonance under the action of additional video pulses of the magnetic field is developed. The conditions for isolation of three-pulse spin echo and suppression of unwanted two-pulse echo responses and free induction signals are determined. The modes of operation of the echo processor in the implementation of a controlled delay line and controlled matched filtering are experimentally investigated. Thin magnetic films of cobalt are used as a working substance of the processor. The possibility of complete suppression of unwanted responses using three additional video pulses of the magnetic field is shown.
Ключевые слова: спиновое эхо, подавление нежелательных откликов, задержка сигналов, согласованная фильтрация
Key words: spin echo, suppression of unwanted responses, signal delay, matched filtering
Спиновые эхо-процессоры позволяют осуществлять фильтрацию, корреляционную обработку и ряд других операций над сигналами радиочастотного диапазона [1, с. 77]. Обработка заключается в возбуждении в рабочем веществе процессора сигнала спинового эха. Различают дву-химпульсное эхо 1-2, возникающее от воздействия двух импульсов резонансного магнитного поля, и трехимпульсное эхо 1-2-3, формируемое тремя импульсами. Трехимпульсное эхо обладает большими функциональными возможностями по сравнению с двухимпульсным и, поэтому используется чаще. При этом возникает проблема подавления нежелательных двухимпульсных эхо-откликов, возникающих наряду с полезным трехимпульсным эхо, а также сигналов свободной индукции (ССИ), примыкающих к задним фронтам импульсов возбуждения. Эффективным методом подавления мешающих откликов является воздействие на рабочее вещество дополнительных видеоимпульсных магнитных полей [2, с. 3354].
Уменьшение амплитуды двухимпульсного эха под действием нерезонансного импульсного магнитного поля на интервале между импульсами возбуждения вызвано нарушением фазовой когерентности внутри изохроматических групп ядерных спинов за счет неоднородного изменения локальных частот ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Причиной является изменение сверхтонких
полей на ядрах, обусловленное движением микромагнитной структуры. Это движение представляет собой изменение ориентации магнитных моментов в образце. Вращение этих моментов приводит к изменению дипольных составляющих сверхтонких полей, создаваемых ими на ядрах [3, с. 614]. При этом величина сдвига локальной частоты ЯМР W, вызванная нерезонансным импульсным магнитным полем h, и исходная локальная частота ЯМР являются независимыми величинами. В [4, с. 12] полагалась линейная связь зависимости сдвига частоты W от амплитуды магнитного поля h.
Нелинейный в общем случае характер изменения локальных частот ЯМР в магнитоупорядочен-ных веществах под действием внешнего магнитного поля отмечался в работе [5, с. 133] и вытекает, в частности, из угловой зависимости частоты ЯМР в доменной границе, где линейная зависимость наблюдается лишь для ядер, находящихся в центре границы.
В [6, с. 2203], учитывался в общем случае нелинейный характер изменения сдвига частоты W от величины внешнего нерезонансного магнитного поля h и исследовалось его влияние на амплитуду двухимпульсного эха.
Целью настоящей работы является исследование трехимпульсного режима возбуждения спинового эхо-процессора и разработка метода подавления мешающих откликов в нем.
Будем считать, что после каждого резонансного импульса возбуждения И, на магнитоупорядо-ченное вещество воздействуют нерезонансным импульсом магнитного поля произвольной формы И^) (скорость изменения этого поля ёк0)1М ограничена, чтобы не вызвать инверсию населенностей ядерных спинов), где / - номер импульса. На рис. 1 представлена временная диаграмма трехимпульс-ного режима возбуждения.
Под действием импульса кг(?) фаза поперечной компоненты магнитного момента изменится на величину
^ =
| щ Ун
(1)
где и - момент начала воздействия нерезонансного импульса И , Wi(t) - закон изменения сдвига локальной частоты ЯМР, вызванного импульсом Ш -момент его окончания.
Рис. 1. Временная диаграмма трехимпульсного режима возбуждения стимулированного эха и дополнительные видеоимпульсы магнитного поля кг, к2 и И3
В данном случае физически реализуемый отклик может содержать три ССИ, три двухимпульс-ных эха 1-2, 2-3 и 1-3, одно трехимпульное эхо 1-23, а также комбинационное эхо (1-2)-3, формируемое в момент времени если 2^< tз. Эквивалентные фазы этих откликов, если они расположены справа от импульса И3, определяются соотношением
где значения фазовых коэффициентов рп и дп представлены в таблице 1. Если какой-либо отклик, либо его часть формируется раньше, чем импульс кI, то для них х¥,= '№=к=0. В таблице также указано, как правило, физически нереализуемое эхо в момент времени ^-Ь, содержащееся в решении для поперечной компоненты вектора намагниченности.
Таблица 1
Фазовые коэффициенты откликов в трехимпульсном режиме возбуждения
Тип отклика п Рп дп
ССИ1 1 1 1
ССИ2 2 0 1
1-2 3 -1 1
ССИз 4 0 0
(1-2)-3 5 1 -1
1-2-3 6 -1 0
2-3 7 0 -1
1-3 8 -1 -1
Нереализуемый 9 1 0
В силу неоднородного характера величины W в объеме образца с учетом независимости исходной частоты ЯМР и сдвига частоты W необходимо усреднить значения эквивалентных фаз откликов х¥эп. Для этого нужно знать вид функции W=f(h). В [6, с. 2203] предполагалось, что эта зависимость носит линейный характер W=Xк, где X - коэффициент, характеризующийся распределением g(X). Усреднение фаз, таким образом, сводилось к усреднению по этому параметру. Однако реальная зави-
симость W=f(h) имеет более сложный вид, изменяющийся от ядра к ядру в зависимости от магнитной структуры.
Представим функцию W=f(к) в некотором диапазоне изменения к степенным рядом [6, с. 2203]
V
Щ (2)
¿=1
где Х1; Х2,..., Ху- зависимые коэффициенты, характеризующиеся в объеме образца у-мерным распределением £у(Х1, Х2,..., Ху). Тогда, согласно (1) и (2), можно записать
Уг
ХХ а
;=1
а =
I и; (г >й
(3)
(4)
В результате эквивалентные фазы соответствующих типов откликов, вызванные наличием нерезонансного импульсного магнитного поля, согласно (2) - (4), могут быть представлены в виде
Уэп =1ХЛ,
(5)
3=1
где для трехимпульсного режима возбуждения используется соотношение:
^sn=аsъ+q„аs2+p„аsl.
Амплитуда п-го типа отклика изменяется под действием приложенного нерезонансного магнитного поля в соответствии со средним значением эквивалентной фазы (Тэп) в (5) и может быть представлена в виде
1п = 1 п0 Шп 5 Руп ) ,
где 1п0- амплитуда п-го типа отклика в отсутствие нерезонансного магнитного поля,
Ру (Р1п ,•••, Руп ) - у-мерная характеристическая функция, соответствующая распределению Яу(Х1, Х2,., Ху) [7, с. 141]:
да да
РрРн )= I ехр1/(Л Рп +... + \Рт )]х
—да —да
хgv(Xl,.,Х^Х, ••• йХу.
Определим коэффициент подавления для п-го типа отклика
Кп = 201в|Рур,..., Рн)—11. Из свойств характеристической функции следует, что
|Ру(Дп ,..., Рн )< Ру (0,...0)= 1.
Очевидно, что при Р <$п = 0 для всех £ 1 < £ < у нерезонансное магнитное поле не
влияет на п-ый тип отклика. В остальных случаях происходит уменьшение амплитуды отклика.
В рассматриваемом случае полезным откликом является трехимпульсное эхо 1-2-3, для которого (п=6, табл.1). Для его выделения необходимо обеспечить выполнение условия 0^=0 для всех £ 1 < £ < у . При этом должно выполняться равенство р^6=а^3+0^аХ2-аХ1=0, из которого следует, что дополнительные видеоимпульсы магнитного поля и должны быть одинаковыми. Импульс на амплитуду трехимпульсного эха не влияет и может быть произвольным, его параметрами, формой и полярностью можно варьировать.
Экспериментальные исследования проводились с использованием эхо-процессора на основе тонких магнитных пленок кобальта. Исследовалось влияние нерезонансного импульсного магнитного поля h на спиновое эхо от ядер ^^ в тонких магнитных пленках поликристаллического кобальта. Поле наведенной анизотропии Нк ~ 2000 А/м. Толщина слоя ~ 1000
А . Поле h ориентировано перпендикулярно оси легкого намагничивания (ОЛН) пленки и параллельно возбуждающему полю Н. Центральная частота обрабатываемых сигналов 217 МГц, полоса пропускания 10 МГц, длительность обрабатываемых сигналов до 10 мкс.
Процессор работал в трехимпульсном режиме возбуждения, при этом первый Н1 и третий Н3 импульсы возбуждения были управляющими и определяли режим работы процессора, а второй импульс Н2 возбуждения был информационным (рис. 1). Полезным продуктом обработки является трехимпульсное эхо 1-2-3.
На рис. 2 представлены осциллограммы работы процессора в режиме управляемой линии задержки. Информационный импульс состоит из двух радиоимпульсов 21 и 22 длительностью 0.1 мкс. Эти импульсы подлежат задержке во времени и должны возникнуть на выходе процессора в виде трехимпульсных эхо 1-21-3 и 1-22-3. Все остальные отклики в виде двухимпульсных эхо и ССИ должны быть подавлены.
Осциллограмма на рис. 2Ь соответствует случаю, когда использован один дополнительный видеоимпульс магнитного поля Рис 2с относится к случаю использования двух видеоимпульсов, причем М(0= Ы((). На рис. 2й использовано три видеоимпульса: М(0= и
V
г,+г
Рис. 2. Осциллограммы импульсов возбуждения и откликов в отсутствие дополнительных видеоимпульсов (а), при использовании одного видеоимпульса (Ь), двух видеоимпульсов (с) и трех видеоимпульсов (д)
Анализ представленных осциллограмм показывает, что поставленная цель достигается только при использовании трех дополнительных видеоимпульсов. При этом на выходе присутствуют только два трехимпульсных эха 1-21-3 и 1-22-3. Глубина подавления мешающих откликов регулируется за счет амплитуды и длительности дополнительных видеоимпульсов магнитного поля и может достигать нескольких десятков дБ, что достаточно для их подавления до уровня собственных шумов процессора,
когда мешающие отклики становятся практически невидимыми. При этом напряженность магнитного поля дополнительных видеоимпульсов составляет порядка 100 А/м при длительности импульсов порядка нескольких мкс.
На рис. 3 представлены осциллограммы работы процессора в качестве управляемого согласованного фильтра сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).
Рис. 3. Осциллограммы работы эхо-процессора в режиме согласованного фильтра ЛЧМ-сигналов в отсутствие дополнительных видеоимпульсов магнитного поля (а), при использовании одного видеоимпульса (Ь), двух видеоимпульсов (с) и трех видеоимпульсов (д)
36_
В этом режиме первый импульс возбуждения И является управляющим, он должен совпадать по форме и параметрам с информационным ЛЧМ-сигналом. Несущая частота ЛЧМ-сигнала 217 МГц, девиация частоты 5 МГц, длительность 10 мкс. Второй импульс возбуждения И2 является информационным и состоит из двух ЛЧМ-сигналов 21 и 22 с разным значением времени задержки. Третий импульс возбуждения является считывающим радиоимпульсом длительностью 0.1 мкс. Полезный результат обработки должен содержать два трехим-пульсных эха 1-21-3 и 1-22-3 в виде сжатых во времени импульсов.
Анализ представленных осциллограмм показывает, что поставленная цель достигается только при использовании трех дополнительных видеоимпульсов магнитного поля.
В заключении следует отметить, что наряду с рассмотренными внутрипериодными мешающими откликами могут существовать также межпериод-ные мешающие отклики, образованные импульсами возбуждения от разных периодов. Методы подавления таких откликов описаны в [8, с. 180] и [9, с. 583].
Список литературы
1. Баруздин С. А. Возбуждение спинового и фотонного эха импульсами сложной формы. М.: Русайнс. 2018. 134 с.
2. Рассветалов Л.А., Левицкий А.Б. Влияние импульсного магнитного поля на ядерное спиновое эхо в некоторых ферро- и ферримагнетиках // ФТТ. 1981. Т. 23. С. 3354-3359.
3. Мальцев В.К., Рейнгардт А.Е., Цифрино-вич В.И. Воздействие перемагничивающих импульсов на хановское эхо в ферромагнетиках // ФММ. 1985. Т. 59. Вып. 3. С. 614-616.
4. Баруздин С.А. Устинов В.Б. Устранение мешающих типов откликов при обработке сигналов в эхо-процессорах // Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1983. Т. 26. № 11. С. 12-17.
5. Zalesskij A.V., Zheludev I.S. Application on the NMR Technique to studies of the Domain Structure of Ferromagnets // Atomic Energy Review. 1976. V. 14. № 1. P. 133-163.
6. Баруздин С.А. Влияние нерезонансного импульсного магнитного поля на ядерное спиновое эхо в магнитоупорядоченных веществах // ФТТ. 1986. Т. 28. № 7. С. 2203-2205.
7. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 1. М.: Советское радио, 1974. 552 С.
8. Плешаков И. В., Попов П. С., Кузьмин Ю. И., Дудкин В. И. Эффект мультиплексирования при воздействии на рабочее вещество спинового эхо-процессора импульсами магнитного поля // Известия вузов. Радиофизика. 2016. Т. 59, № 2. С. 180188.
9. Плешаков И. В., Попов П. С., Дудкин В. И., Кузьмин Ю. И. Спиновый эхо-процессор в устройствах функциональной электроники: Управление откликами при обработке многоимпульсных последовательностей // Радиотехника и электроника. 2017. Т. 62. № 6. С. 583-587.
