Die schnelle adiabatische Passage (englisch adiabatic fast passage, AFP) ist eine Methode zur Umkehrung von Kernspin-Orientierungen. Sie hat sich als Technik in der Kernspinresonanztomografie, in der Kernresonanzspektroskopie und in der Kernspinresonanztherapie etabliert. Eine Umkehrung der Spin-Orientierungen ist eine Voraussetzung für Kernspinresonanz. Mit der schnellen adiabatischen Passage kann man eine Umkehrung herbeiführen, die weniger sensitiv bezüglich der Magnetfeldhomogenität ist und auch bei niedrigen Flussdichten Kernspinresonanz erzeugt. Ein adiabatischer Puls kann sehr große Bandbreiten mit geringer Leistung invertieren. Das Prinzip ermöglicht auch, dass experimentelle Unvollkommenheiten minimiert werden.

Physikalische Grundlagen

Atome besitzen einen mechanischen Eigendrehimpuls, genannt Kernspin. Durch ihren Spin besitzen Atomkerne auch ein magnetisches Moment. Diese Kerne erzeugen nach dem Anlegen eines statischen Magnetfeldes eine messbare Magnetisierung in Richtung des statischen Feldes. Zudem wird das Energieniveau des Kerns aufgespalten. Es gibt also vordefinierte mögliche Werte für die Orientierung der Spins, die durch die Quantisierungsbedingung festgelegt werden.

Durch ein zusätzliches hochfrequentes Wechselfeld im Radiofrequenzbereich mit bestimmter Frequenz lässt sich diese Magnetisierung aus der Richtung des statischen Feldes auslenken. Die Frequenz muss dabei mit der Larmorfrequenz ${\displaystyle \omega }$ des Atoms übereinstimmen. Als Folge der Auslenkung beginnt die Magnetisierung der Spins um die Feldrichtung des statischen Magnetfeldes zu präzedieren.

Das magnetische Moment präzediert mit folgender Frequenz um die Richtung des angelegten Magnetfeldes.

${\displaystyle \omega =\gamma \cdot \left|B\right|={\frac {g\,q}{2\,m}}\cdot \left|B\right|\ }$

Dabei ist ${\displaystyle \omega }$ die Larmorfrequenz und ${\displaystyle \gamma }$ das gyromagnetische Verhältnis.

Als Bedingung für die schnelle adiabatische Passage muss dann gelten:

${\displaystyle {\frac {1}{T_{1}}}\ll {\frac {1}{B_{1}}}\cdot {\frac {{\text{d}}B_{0}}{{\text{d}}t}}\ll \gamma B_{1}}$

Dabei ist ${\displaystyle B_{1}}$ die eingestrahlte magnetische Flussdichte und ${\displaystyle {\tfrac {{\text{d}}B_{0}}{{\text{d}}t}}}$ die Änderungsrate der Flussdichte des Hauptfeldes und ${\displaystyle T}$ die Relaxationszeit.

Es gelten zwei Bedingungen: die erste Bedingung nennt man auch „adiabatische Voraussetzung“. Die Rotation des effektiven Flussdichtevektors muss dabei sehr viel langsamer als die Präzessionsfrequenz der Magnetisierung sein, so dass die Magnetisierung der Flussdichte nachfolgt. Die zweite Bedingung nennt man „schnelle Voraussetzung“. Die Rotation des effektiven Flussdichtevektors muss sehr viel schneller als die Relaxationszeit sein.

Die Namensgebung geht zurück auf:. Bei strenger Betrachtung ist das Verfahren nicht „adiabatisch“, da die Entropie für alle Pulse nicht Null ist.

Anwendung

Verschiedene Techniken der Kernspinresonanz haben dazu geführt, dass diese zu den fortschrittlichsten und etabliertesten naturwissenschaftlichen und medizinischen Verfahren gehört. Es wurde auch eine große Anzahl an zugehörigen Methoden, wie beispielsweise die schnelle adiabatische Passage, entwickelt. Man benutzt sie in folgenden Technologien:

Einzelnachweise

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3. ↑ http://www.medcyclopaedia.com/library/topics/volume_i/a/adiabatic_fast_passage_afp_.aspx?s=adiabatic+fast+passage&mode=1&syn=&scope=
4. ↑ C. J. Hardy, W. A. Edelstein, D. Vatis: Efficient adiabatic fast passage for NMR population inversion in the presence of radiofrequency field inhomogeneity and frequency offsets. In: Journal of Magnetic Resonance (1969). Band 66, Nr. 3, 15. Februar 1986, S. 470–482, doi:10.1016/0022-2364(86)90190-3. 
5. ↑ F. Bloch, W. W. Hansen, M. Packard: The Nuclear Induction Experiment. In: Physical Review. Band 70, Nr. 7–8, Oktober 1946, S. 474–485, doi:10.1103/PhysRev.70.474. 
6. 1 2 Alberto Tannús, Michael Garwood: Adiabatic pulses. In: NMR in Biomedicine. Band 10, Nr. 8, Dezember 1997, S. 423–434, doi:10.1002/(SICI)1099-1492(199712)10:8<423::AID-NBM488>3.0.CO;2-X. 
7. ↑ Matt A. Bernstein, Kevin F. King, Xiaohong Joe Zhou: Handbook of MRI Pulse Sequences. illustrated edition Auflage. Academic Press, 2004, ISBN 0-12-092861-2. 
8. 1 2 S. L. Chaplot, T. Sakuntala, S. M. Yusuf: Solid State Physics. Taylor & Francis, 2002. 
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12. ↑ Hendrik Jansen, Sönke P. Frey, Jürgen Paletta, Rainer H. Meffert: Effects of low-energy NMR on posttraumatic osteoarthritis: observations in a rabbit model. In: Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. Band 131, Nr. 6, 10. November 2010, S. 863–868, doi:10.1007/s00402-010-1205-1, PMID 21063883. 
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