La mesure des temps de relaxation spin-réseau très courts

Institut d’Électronique de la Faculté des Sciences (Professeur P. Grivet) B. P. n° 4, Orsay (S.-et-O.), France.

Résumé

Le principe de la méthode nouvelle, imaginée pour la mesure des très courts, est le suivant : on sature partiellement la résonance électronique de l’échantillon à l’aide d’un champ radiofréquence modulé en amplitude ; il en résulte une modulation de la composante M_z de l’aimantation le long du champ directeur. Ces variations de M_z sont recueillies à l’aide d’une bobine d’induction et constituent le signal. On détermine expérimentalement la loi de dépendance entre ce signal et la fréquence de modulation. De cette loi on peut déduire T₁. La méthode présente l’avantage de n’imposer aucune mesure absolue de l’amplitude du champ R. F. ou du temps de relaxation spin-spin T₂. Elle est adaptée à la gamme des T₁ courts (10^–6 à 10^–8 sec). Elle peut naturellement être appliquée, avec plus de facilité encore, à des T₁ plus longs.

On procède ensuite au calcul du signal observé dans les expériences développées d’après ce principe. Ce calcul, effectué au moyen des équations de Bloch, envisage successivement le cas des élargissements homogène et inhomogène de la raie.

On décrit ensuite l’appareillage original mis au point pour réaliser les mesures de T₁. La source hyperfréquence est un carcinotron stabilisé en fréquence et modulé en amplitude en attaquant son anode par un générateur H. F. convenable. L’onde hyperfréquence est transmise à une

cavité rectangulaire placée dans le champ d’un électroaimant et contenant l’échantillon. Au voisinage de celui-ci, la bobine captrice, d’axe parallèle au champ directeur, recueille le signal et le transmet à un récepteur à faible bruit d’entrée et doté d’un grain en tension élevé. Après amplification, le signal est observé sous forme de raie de résonance, soit à l’oscillographe cathodique, soit à l’enregistreur XY, selon la largeur de raie, le champ magnétique subissant un balayage adéquat.

On rapporte enfin les résultats des mesures, effectuées par un choix délibéré à la température ambiante pour conserver la brièveté des T₁. Les expériences ont tout d’abord porté sur le D. P. P. H. La valeur de T₁ mesurée pour ce corps est en bon accord avec celle obtenue par d’autres auteurs (Pake). De plus ce corps fournit des courbes caractéristiques (signal en fonction de la fréquence de modulation) conformes aux prédictions des calculs, ce qui constitue une vérification utile de la théorie. Des mesures ont ensuite été effectuées sur des charbons naturels (Faulquemont). Les échantillons utilisés avaient été carbonisés à différentes températures mais avaient été laissés en contact avec l’air ce qui leur avait permis d’adsorber une certaine quantité d’oxygène. Les résultats montrent un T, maximum pour le charbon 550° C qui est précisément celui qui possède le plus grand nombre de centres paramagnétiques. On a donc été amené à penser que le temps de relaxation des charbons en présence d’oxygène pouvait être proportionnel au nombre de centres paramagnétiques. On a pu préciser le mécanisme théorique qui donne une interprétation précise de ce résultat en s’inspirant d’une idée avancée par Bloch en résonance nucléaire. A partir de ce calcul, on a imaginé un procédé de mesure du nombre de molécules d’oxygène adsorbées par le charbon. Inversement, ce procédé de mesure permet, quand le nombre de molécules de O₂ est connu par ailleurs, de déterminer le T₁ des molécules d’oxygène.

On a enfin mesuré le T₁ de six sels de manganèse (fluorure

et carbonate anhydres, sulfate acétate et chlorure hydratés).

Les résultats sur ces sels ont été interprétés en tenant compte du fait que l’ion manganèse Mn⁺⁺ se trouve dans l’état S. En particulier, la constance approximative du T₁ pour tous les sels de manganèse a été justifiée, ainsi que la présence de T₁ légèrement plus courts pour les sels anhydres. Les résultats sont en bon accord avec ceux de Gorter (méthode des susceptibilités) et ceux de Manenkov et Prokhorov (méthodes de saturation et d’impulsions). Ces derniers travaux fournissent de plus une vérification de l’interprétation proposée.