Cara Kerja PPM (proton precession magnetometer)

Untuk dapat mengetahui cara kerja pd proton precession magnetometer mari kita mulai dengan melihat kompas magnetik dari jenis yang digunakan untuk navigasi sebelum penggunaan GPS mulai populer.
Jika Anda mengatur kompas pada permukaan yang datar, jarum akhirnya akan berhenti berputar dan sejajar dengan medan magnet bumi. Seperti kita ketahui, bahwa jarum kompas sendiri merupakan magnet kecil dan magnet sejajar dengan medan magnet itu sendiri. Dalam hal ini kutub utara jarum kompas tertarik ke kutub selatan magnet Bumi.

Gambar 1: Kompas didekatkan dengan magnet yang kuat

Jika kita mengambil magnet lain, yang medan magnetnya jauh lebih kuat dari Bumi, dan letakkan di sebelah kompas, sehingga sumbu magnet (kutub utara-selatan sejajar) tegak lurus dengan sumbu magnetik Bumi, maka jarum kompas akan menyetel sendiri ke arah magnet yang lebih kuat (lihat gambar 1). 
Ketika magnet kuat tiba-tiba dijauhkan, maka jarum kompas akan sekali lagi mencoba untuk menyesuaikan diri dengan medan magnet Bumi dan akan mulai berayun kembali ke arah itu. Ketika ayunan kembali dan mencapai keselarasan namun jarum tersebut tidak tetap di sana. jarum ini telah mengakuisisi beberapa momentum sudut selama ayunan berlangsung sehingga akan mengalami overshoot keselarasan dan menjadi sejajar dalam arah yang berlawanan. Daya tarik dari medan magnet bumi akan mengerem dan membuat arah jarum sebaliknya kembali ke keselarasan.

Gambar 2: Jarum kompas bersejajar dengan medan magnet bumi

Jarum akan berosilasi bolak-balik di sekitar arah medan bumi dan akhirnya berhenti karena telah sejajar dengan medan bumi. Jarum kompas yang biasanya direndam dalam cairan yang bertindak untuk meredam osilasi sehingga akan sejajar sangat cepat dalam keselarasan dengan bidang bumi. Jika jarum bebas memutar maka osilasi akan berlanjut lebih lama sebelum akhirnya akan sejajar. Sekarang jika kita merencanakan posisi ujung jarum sebagai fungsi waktu Kita akan mendapatkan sinusoid meluruh seperti yang ditunjukkan pada gambar 2. Hal yang menarik tentang ini adalah bahwa gelombang yang sama yang diproduksi oleh PPM dan ini lebih dari hanya kebetulan.

Seperti jarum kompas, proton yang menghasilkan sinyal pada PPM memiliki medan magnet intrinsik dan untuk tujuan ini, kita dapat menganggap mereka sebagai sekelompok jarum kompas kecil atau magnet. Namun ada beberapa perbedaan penting antara proton dan jarum kompas. yaitu, proton tidak dibatasi dalam hal memutar pada sumbu tetap seperti jarum kompas, dan karenanya arah medan magnet bebas berputar dalam ruang tiga dimensi. Perbedaan lain adalah bahwa proton memiliki momentum sudut intrinsik, selain medan magnet intrinsik. Ini berarti bahwa proton berperilaku seperti giroskop atau gasing.

Jika kamu pernah bermain gasing, Anda akan ingat bahwa ketika sumbu rotasi atas menjadi miring terhadap vertikal (arah gaya gravitasi) maka bagian atas akan mulai memutar atau presesi sekitar sumbu vertikal . Pada dasarnya hal yang sama terjadi dengan proton ketika ditempatkan dalam medan magnet. Dalam hal ini medan magnet memberikan gaya pada proton, dengan cara yang sama bahwa medan bumi memberikan gaya pada jarum kompas, untuk mencoba menyelaraskan dengan medan (magnet). Namun karena proton juga seperti gasing Namun karena proton juga gasing, medan magnet tidak menyelaras dengan bidang eksternal, tapi ia akan terpresesi terhadap arah medan eksternal seperti gasing dan akan mengalami presesi terhadap arah medan gravitasi.

Dalam kumpulan proton tidak semua akan precessing terhadap medan magnet. Proton berinteraksi satu sama lain dengan partikel bermuatan lain seperti elektron. Elektron juga memiliki medan magnet intrinsik yang dapat mengganggu proton dan mencegah mereka berselaras dengan medan magnet. Namun ada sejumlah besar proton yang akan terpresisi  terhadap medan magnet dan komponen-komponen medan magnetnya, yang terletak pada arah medan eksternal, yang akan bertambah sampai menghasilkan “net field”. Net field ini adalah asal dari apa yang kita sebut sebagai paramagnetism nuklir dan kekuatannya sebanding dengan kekuatan medan eksternal

Apa yang terjadi jika kita memiliki sekelompok proton dalam medan magnet yang sangat kuat pada sudut kanan medan lemah. Bidang yang kuat akan menghasilkan beberapa keselarasan net field dari proton pada arahnya. Kita katakan bahwa proton telah terpolarisasi oleh medan yang kuat. Jika bidang yang kuat tiba-tiba diatur ke nol maka satu-satunya hal yang tersisa adalah bidang lemah dan proton semua akan mulai presesi  dan tersinkronisasi. Ini memiliki efek memutar pada bidang polarisasi net field yang dihasilkan oleh medan yang kuat terhadap arah medan lemah. Ingat bahwa ini mirip dengan apa yang terjadi ketika magnet yang kuat tiba-tiba menjauh dari jarum kompas dan jarum kemudian mulai berputar bolak-balik terhadap medan magnet lemah Bumi. Jika kumparan induktif ditempatkan di sekitar proton kemudian bidang polarisasi berputar akan menginduksikan tegangan di kumparan, meskipun sangat lemah, tetapi dapat diperkuat dan diukur.

Namun bidang polarisasi berputar akan meluruh secara eksponensial. Hal ini karena proton menjadi desynchronized (mengganggu sinkronisasi) sehingga medan magnet mulai saling membatalkan/ meniadakan. Eksponensial waktu yang konstan untuk peluruhan ini disebut waktu relaksasi konstan dan biasanya dilambangkan sebagai T2. Nilai yang tepat dari T2 akan tergantung pada substansi di mana proton digabungkan. Untuk tipe PPM “Magnum” yang  biasanya terdiri dari beberapa jenis cairan yang kaya akan proton seperti air atau alkohol. Untuk cairan seperti T2 akan berada pada beberapa detik dan sinyal dapat digunakan biasanya lebih dari 2 atau 3 detik.

Dalam pembahasan di atas tentang proton, kita belum membicarakan proton yang seperti apa/ proton dari zat apa. Seperti yang Anda ketahui, inti dari semua atom mengandung proton dan neutron, yang keduanya memiliki medan magnet. Medan magnet yang kuat berpasangan satu sama lain dan mereka bergabung untuk menghasilkan medan magnet net field pada nucleus. Untuk keperluan perangkat instrumen NMR, hanya medan magnet net field yang dapat dapat dimanipulasi oleh medan magnet eksternal. Proton individu dalam inti yang lebih berat daripada hidrogen 3 tidak dapat dimanipulasi dengan cara yang berguna untuk PPM

Hal ini dimungkinkan karena pada prinsipnya untuk menggunakan inti yang lebih berat dari pada hidrogen dalam magnetometer tapi sinyal yang dihasilkan terlalu lemah untuk digunakan dalam aplikasinya. Ada beberapa PPM dirancang untuk hanya menggunakan proton yang terisolasi tunggal yang ditemukan dalam isotop yang paling umum adalah dari hidrogen. proton tunggal yang memiliki medan magnet terbesar dan karena itu menghasilkan sinyal terkuat. Sinyal yang dihasilkan oleh proton tunggal juga memiliki frekuensi tertinggi dan karena itu adalah yang paling mudah untuk mendeteksi dengan sensor induktif digunakan oleh PPM seperti Magnum. Alasan lain yang baik untuk menggunakan proton tunggal adalah bahwa ada begitu banyak senyawa yang mengandung atom hidrogen. Air adalah senyawa yang paling umum tapi organik seperti alkohol dan parafin juga dapat digunakan. Parafin sangat padat dalam hidrogen dan sebenarnya zat ini yang digunakan oleh Purcell, Pound, dan Torrey dalam penemuan mereka dari resonansi magnetik nuklir, yang membuat mereka memenangkan Hadiah Nobel.

Pemaparan di atas memberikan gambaran umum tentang seperti apa PPM itu dan prinsip-prinsip dasar di balik bagaimana PPM beroperasi.