Institut für Experimentalphysik I

Arbeitsgruppe "Polarisiertes Target"

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Unter dem Begriff der Kernmagnetischen Resonanz oder kurz NMR (aus dem Englischen: Nuclear Magnetic Resonance) verseht man eine Technik, mit der man die elektronische Umgebung von Kernen untersuchen kann.
Entscheidend für solche Untersuchungen ist, dass die Kerne einen von Null verschiedenen Kernspin aufweisen. In diesem Fall ergeben sich, wie bereits im Abschnitt "Spin und Polarisation" dargestellt, verschiedene Energieniveaus, deren Besetzungszahlen sich unterscheiden können.

In der oberen Grafik ist der prinzipielle Aufbau eine NMR-Apperatur zu erkennen. Durch die Einstrahlung von Hochfrequenz über einen RF-Generator können Übergänge zwischen den sich bildenen Niveaus induziert werden. Die absorbierte Leistung des Feldes ist dabei proportional zu der Anzahl der induzierten Übergänge. Verändert man nun die Frequenz der Mikrowellen, so erhält man das NMR-Spektrum, welches die Leistungsabsorption bei verschiedenen Frequenzen für die untersuchte Probe darstellt.
Auf diese Weise erhält man beispielsweise das charakteristische Spektrum von deuterisiertem Butanol.

NMR zur Polarisationsbestimmung

In der Arbeitsgruppe "Polarisiertes Target" wird das NMR-Prinzip hauptsächlich zur Ermittelung der Polarisation der untersuchten Proben benutzt. Mit Hilfe der gewonnen NMR-Spektren und einigen wichtigen Grundlagen lässt sich dabei auf die Polarisation schließen.
So ist die Polarisation grundsätzlich proportional zur Fläche unter dem NMR-Signal. Genaue Werte lassen sich ermitteln, indem man vorher eine TE-Eichung durchführt. Dazu nimmt man das NMR-Spektrum im thermischen Gleichgewicht (englisch: Thermal Equilibrium) auf. Aus den bekannten Werten für Temperatur und Magnetfeld lässt sich dann die Polarisation ermitteln. Diese lässt sich dann der ermittelten Fläche zuordnen. Alle anderen Polarisationswerte lassen sich dann mit dieser Eichung bestimmen. Es gilt:

ESR

Auf ähnlichen Mechanismen wie die NMR beruht auch die Technik der Elektronenspinresonanz, kurz ESR. Mit ihrer Hilfe untersucht man jedoch nicht die Eigenschaften der Kerne, sondern die der Elektronen, welche eine wichtige Rolle für den Polarisationsprozess spielen.
In den meisten Materialien kommen die Elektronen ausschließlich gepaart vor, weshalb sie sich nicht für die Polarisation nutzen lassen. In bestimmten chemischen Radikalen oder bestrahlten Materialien liegen jedoch freie paramagentische Elektronen vor.
Mit Hilfe dieser Elektronen und der Technik der sogenannten "dynamischen Nukleonenpolarisation" lassen sich schließlich hohe Polarisationen der Kerne erreichen. Durch ESR-Untersuchungen lässt sich dabei die Anzahl dieser Elektronen, sowie deren Eigenschaften genauer untersuchen.