<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2016.00046</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Generalized Moment Analysis of Magnetic Field Correlations for Accumulations of Spherical and Cylindrical Magnetic Perturbers</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Kurz</surname> <given-names>Felix T.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<xref ref-type="author-notes" rid="fn001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/157214/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Kampf</surname> <given-names>Thomas</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3"><sup>3</sup></xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Buschle</surname> <given-names>Lukas R.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/379395/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Schlemmer</surname> <given-names>Heinz-Peter</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Bendszus</surname> <given-names>Martin</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/14659/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Heiland</surname> <given-names>Sabine</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Ziener</surname> <given-names>Christian H.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/73828/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Department of Neuroradiology, Heidelberg University</institution> <country>Heidelberg, Germany</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Department of Radiology, German Cancer Research Center</institution> <country>Heidelberg, Germany</country></aff>
<aff id="aff3"><sup>3</sup><institution>Department of Experimental Physics 5, University of W&#x000FC;rzburg</institution> <country>W&#x000FC;rzburg, Germany</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Federico Giove, Centro Fermi, Italy</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Silvia Capuani, National Research Council, Italy; Jonathan Doucette, University of British Columbia MRI Science Lab, Canada</p></fn>
<fn fn-type="corresp" id="fn001"><p>&#x0002A;Correspondence: Felix T. Kurz <email>felix.kurz&#x00040;med.uni-heidelberg.de</email></p></fn>
<fn fn-type="other" id="fn002"><p>This article was submitted to Biomedical Physics, a section of the journal Frontiers in Physics</p></fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>02</day>
<month>12</month>
<year>2016</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2016</year>
</pub-date>
<volume>4</volume>
<elocation-id>46</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>12</day>
<month>09</month>
<year>2016</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>14</day>
<month>11</month>
<year>2016</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2016 Kurz, Kampf, Buschle, Schlemmer, Bendszus, Heiland and Ziener.</copyright-statement>
<copyright-year>2016</copyright-year>
<copyright-holder>Kurz, Kampf, Buschle, Schlemmer, Bendszus, Heiland and Ziener</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) or licensor are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license>
</permissions>
<abstract>
<p>In biological tissue, an accumulation of similarly shaped objects with a susceptibility difference to the surrounding tissue generates a local distortion of the external magnetic field in magnetic resonance imaging. It induces stochastic field fluctuations that characteristically influence proton spin dephasing in the vicinity of these magnetic perturbers. The magnetic field correlation that is associated with such local magnetic field inhomogeneities can be expressed in the form of a dynamic frequency autocorrelation function that is related to the time evolution of the measured magnetization. Here, an eigenfunction expansion for two simple magnetic perturber shapes, that of spheres and cylinders, is considered for restricted spin diffusion in a simple model geometry. Then, the concept of generalized moment analysis, an approximation technique that is applied in the study of (non-)reactive processes that involve Brownian motion, allows deriving analytical expressions of the correlation function for different exponential decay forms. Results for the biexponential decay for both spherical and cylindrical magnetized objects are derived and compared with the frequently used (less accurate) monoexponential decay forms. They are in asymptotic agreement with the numerically exact value of the correlation function for long and short times.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>magnetized sphere/cylinder</kwd>
<kwd>magnetic susceptibility</kwd>
<kwd>correlation function</kwd>
<kwd>diffusion</kwd>
<kwd>magnetic resonance imaging</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">DFG ZI 1295/2-1</contract-num>
<contract-num rid="cn001">DFG KU 3555/1-1</contract-num>
<contract-num rid="cn002">Postdoctoral Fellowship</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">Deutsche Forschungsgemeinschaft<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100001659</named-content></contract-sponsor>
<contract-sponsor id="cn002">Universit&#x000E4;t Heidelberg<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100001661</named-content></contract-sponsor>
<counts>
<fig-count count="6"/>
<table-count count="0"/>
<equation-count count="63"/>
<ref-count count="63"/>
<page-count count="15"/>
<word-count count="8626"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>When exposed to an external magnetic field as in magnetic resonance imaging (MRI), spatial variations of magnetic susceptibility in heterogeneous systems such as biological tissue induce local inhomogeneities of the magnetic field that are usually visible for macroscopic structures. Susceptibility-weighted imaging and quantitative susceptibility mapping are MRI sequences that make use of this effect, e.g., to better visualize a cerebral thromboembolism or to quantify cerebral blood oxygen saturation [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>], and are therefore important in neuroradiological imaging. Susceptibility differences in biological tissue occur at the interfaces between different tissue structures and/or different types of tissue, thus generating local magnetic field gradients that lead to a dephasing of the magnetization. This effect can also be used to obtain quantifiable information on microscopic structures that are not resolvable in routine MRI due to technical limitations or optimization of measurement time. Such structures might be near-spherical as, for instance, iron accumulations in brain cells in neurodegenerative disease [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>] or ultrasmall paramagnetic iron oxide particles that are ingested from macrophages in cell labeling techniques to allow assessment of the extent of cardiovascular disease [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], nerve injury [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>], or to simply track immune cells [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>]. Also, due to the BOLD effect [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], capillaries containing erythrocytes with deoxygenated hemoglobine possess an inherent paramagnetic susceptibility that is different to that of the surrounding tissue. For such magnetized spherical and cylindrical subvoxel structures, diffusion effects due to spin movements are not negligible. In fact, an increase of spin dephasing through diffusion effects may lead to a characteristic loss of inter-spin coherence: a spin that diffuses around these magnetic field perturbers experiences the local magnetic field inhomogeneities even though the applied external field is homogeneous. Diffusion effects for an ensemble of diffusing spins therefore lead to a more rapidly evolving phase decoherence than that expected from diffusion-free spin relaxation [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]. In addition, combined effects on dephasing of magnetic susceptibility and diffusion gradients are actively investigated, e.g., for diffusional kurtosis imaging [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]. In fact, some authors suggest that anomalous or non-Gaussian diffusion in biological tissue is due to dephasing effects that are promoted by both diffusion multi-compartmentalization and magnetic susceptibility [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>].</p>
<p>Previously, local susceptibility gradients and their effect on MR-signal behavior have been examined through spin-echo relaxation rates <italic>R</italic><sub>2</sub> &#x0003D; 1/<italic>T</italic><sub>2</sub> and gradient-echo relaxation rates <inline-formula><mml:math id="M1"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], but, since magnetization does not necessarily decay monoexponentially &#x0007E; exp(&#x02212;<italic>t</italic>/<italic>T</italic><sub>2</sub>) or <inline-formula><mml:math id="M2"><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:mtext>exp</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in time [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>], a rightful interpretation of the signal evolution becomes cumbersome. Another approach is given by the frequency autocorrelation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) that describes the transition probability of a spin from one local Larmor frequency state to the next in a specific time [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>]. It is both sensitive to proton spin diffusion and the shape of the local magnetic field inhomogeneities. When spin dephasing around the local magnetic field inhomogeneity is Gaussian, a relation between magnetization time evolution and the frequency correlation function can be established [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>] and it could be shown that information about correlation functions provide a more direct and measurable link to the local magnetic field inhomogeneity than relaxation rates [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]. Magnetic field correlation imaging techniques have already been utilized for MR measurements of iron accumulation in brain parenchyma [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>] and for the MR-analysis of porous media [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>]. In addition, since Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) sequence relaxation rates are connected to the correlation function [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>], a better knowledge of the correlation function may aid in determining microstrucutral parameters that quantify local capillary size, density, and oxygen extraction fraction in muscle tissue [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>].</p>
<p>Spin diffusion leads to a decrease of correlation over time that is mostly assumed to occur monoexponentially with a characteristic time constant or correlation time [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>], a simplification that is hardly valid for large parameter regimes. With this in mind, a detailed account of the intricate relation between magnetic field inhomogeneities and the frequency correlation function that characterizes the MRI relaxation process has been provided recently for restricted diffusion in Ziener et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>], and for unrestricted diffusion in Ayant et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] and Sukstanskii et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>].</p>
<p>To account for the time dependence of microstructural quantities of the diffusion process, generalized moment expansion analysis can be employed to approximate their long time behavior. Generalized moment analysis is an extension of the first passage time approximation [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>] and has been used to study, for instance, (non-)reactive processes that involve Brownian motion [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>], finite Ising systems [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>], single-mode lasers [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>], or to generally approximate autocorrelation functions [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>]. In fact, the mean relaxation time approximation represents the lowest order approximation of the generalized moment expansion method and could be shown to better approximate the exact correlation function than the high-frequency i.e., short-time approximation used in conventional Pad&#x000E9; approximations [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>].</p>
<p>In this work, the generalized moment analysis will be introduced and utilized to determine Pad&#x000E9; approximants in the biexponential approximation for correlation functions of spherical and cylindrical magnetic objects. This analysis extends and furthers a preceding analysis that only considered the monoexponential decay forms for cylindrical magnetic perturbers [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>].</p>
</sec>
<sec sec-type="materials and methods" id="s2">
<title>2. Materials and methods</title>
<p>The following analysis is based on the consideration of compact and impermeable objects <italic>G</italic> inside a voxel of size <italic>V</italic><sub>Voxel</sub> that are exposed to an external static magnetic field with strength <italic>B</italic><sub>0</sub> (see Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1A</xref>). Assuming homogeneous diffusion properties in the dephasing volume <italic>V</italic> &#x0003D; <italic>V</italic><sub>Voxel</sub> &#x02212; <italic>G</italic>, i.e., no barriers such as membranes or other materials, diffusing proton spins around object <italic>G</italic> are subject to stochastic field fluctuations induced by the distortion of the magnetic field in the vicinity of <italic>G</italic>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p><bold>Proton spin trajectory around a magnetized object and measurement of the frequency correlation function through asymmetric spin echos. (A)</bold> Magnetized object <italic>G</italic> with susceptibility &#x003C7;<sub><italic>i</italic></sub> embedded in a surrounding medium <italic>V</italic> with susceptibility &#x003C7;<sub><italic>e</italic></sub>; both volumes constitute the voxel volume <italic>V</italic><sub>Voxel</sub> and the volume fraction is &#x003B7; &#x0003D; <italic>G</italic>/<italic>V</italic><sub>Voxel</sub>. The spin is subjected to stochastic field fluctuations in <italic>V</italic> induced by a distortion of the magnetic field from object <italic>G</italic>. <bold>(B)</bold> The corresponding frequency correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) &#x0003D; &#x02329;&#x003C9;(<italic>t</italic>)&#x003C9;(0)&#x0232A;, where the bra-ket-formalism indicates averaging over all protons inside the voxel, determines the MR-signal <italic>S</italic>: through measurement of asymmetric spin echos, i.e., spin echos <italic>S</italic>(<italic>t</italic>)|<sub><italic>t</italic><sub><italic>s</italic></sub></sub><sub>&#x0002B;<italic>t</italic>/2</sub> that are shifted with time <italic>t</italic><sub><italic>s</italic></sub> away from the standard spin echo value of <italic>t</italic>/2 (see main text) we have <inline-formula><mml:math id="M3"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">exp</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">t</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">s</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">K</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textit" mathvariant="italic">t</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphy-04-00046-g0001.tif"/>
</fig>
<sec>
<title>2.1. Frequency autocorrelation function</title>
<p>Generally, the distortion of the magnetic field is connected to the susceptibility difference &#x00394;&#x003C7; &#x0003D; &#x003C7;<sub><italic>i</italic></sub> &#x02212; &#x003C7;<sub><italic>e</italic></sub> between the magnetized object and its surrounding medium and leads to a variation in the local Larmor frequency
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M4"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
with frequency shift &#x003B4;&#x003C9; &#x0003D; &#x003B3;<italic>B</italic><sub>0</sub>&#x00394;&#x003C7; and gyromagnetic ratio &#x003B3; &#x0003D; 2.675 &#x000D7; 10<sup>8</sup>s<sup>&#x02212;1</sup>T<sup>&#x02212;1</sup> [<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>]. Let <italic>p</italic>(<bold>r</bold>, <bold>r</bold><sub>0</sub>, <italic>t</italic>) be the transition probability of a proton spin at point <bold>r</bold> and time <italic>t</italic> that started at position <bold>r</bold><sub>0</sub> and time <italic>t</italic> &#x0003D; 0. Since, presumably, spin diffusion inside the dephasing volume encounters no barriers, transition probability <italic>p</italic>(<bold>r</bold>, <bold>r</bold><sub>0</sub>, <italic>t</italic>) is nothing less than the Green&#x00027;s function of the diffusion equation
<disp-formula id="E2"><label>(2)</label><mml:math id="M5"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where &#x00394; denotes the Laplace operator and <italic>D</italic> is the diffusion coefficient. Thus,
<disp-formula id="E3"><label>(3)</label><mml:math id="M6"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
and it is evident that <italic>p</italic>(<bold>r</bold>, <bold>r</bold><sub>0</sub>, <italic>t</italic>) only depends on the spatial difference <bold>r</bold> &#x02212; <bold>r</bold><sub>0</sub>.</p>
<p>Then, to investigate stochastic field fluctuations around object <italic>G</italic>, a two-point correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) can be introduced
<disp-formula id="E4"><label>(4)</label><mml:math id="M7"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E5"><label>(5)</label><mml:math id="M8"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>V</mml:mi></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where we made use of Equation (3) in the last step. The probability density of the equilibrium <italic>p</italic>(<bold>r</bold><sub>0</sub>) &#x0003D; 1/<italic>V</italic> due to the assumption of homogeneous spin density. The frequency autocorrelation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) is linked to the measured MR-signal <italic>S</italic>(<italic>t</italic>) and can be determined through measurement of asymmetric spin echos (see also Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1B</xref> and [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]). An asymmetric spin echo <italic>S</italic>(<italic>t</italic>)|<sub><italic>t</italic><sub><italic>p</italic></sub></sub> is a spin echo that is measured after a 180&#x000B0; refocusing pulse given at a time <italic>t</italic><sub><italic>p</italic></sub> &#x02260; <italic>t</italic>/2 where a refocusing pulse given at time <italic>t</italic>/2 corresponds to a symmetric spin echo <italic>S</italic>(<italic>t</italic>)|<sub><italic>t</italic>/2</sub>. When |<italic>t</italic><sub><italic>p</italic></sub> &#x02212; <italic>t</italic>/2| &#x0003D; <italic>t</italic><sub><italic>s</italic></sub>, the following equality in our notation holds for low orders of <italic>t</italic><sub><italic>s</italic></sub> according to Jensen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]:
<disp-formula id="E6"><label>(6)</label><mml:math id="M9"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Usually, Equation (6) is used in practice to be fitted to MRI data to obtain the correlation function.</p>
</sec>
<sec>
<title>2.2. Spherical and cylindrical magnetic objects</title>
<p>In this work, two kinds of magnetic perturbers are considered: spheres and cylinders (see Figures <xref ref-type="fig" rid="F2">2A,B</xref>, respectively). For instance, an ensemble of microscopic spherical magnetic objects can represent the intracellular accumulation of iron particles in neurodegenerative disease [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>] or the accumulation of ultrasmall paramagnetic iron oxide as a contrast agent to track macrophages in nerve injury or atherosclerotic disease [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. Collectives of cylindrical magnetic perturbers can be represented through a microvascular network in skeletal or cardiac muscle tissue [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>] where capillaries contain paramagnetic deoxygenated hemoglobine [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>].</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p><bold>Spherical and cylindrical object in an external static magnetic field <italic><bold>B</bold></italic><sub><bold>0</bold></sub>. (A)</bold> Spherical magnetic object with radius <italic>R</italic><sub>i</sub> (red), that is surrounded by a dephasing volume sphere with radius <italic>R</italic>. The corresponding local Larmor frequency can be found in Equation (7). <bold>(B)</bold> Cylindrical object (red) with radius <italic>R</italic><sub>i</sub> of the cross section circle perpendicular to the cylinder axis. The cylinder is surrounded by a cylindrical dephasing volume with radius <italic>R</italic>. The angle &#x003B8; between external magnetic field and cylinder axis is important in the determination of the local Lamor frequency in Equation (8).</p></caption>
<graphic xlink:href="fphy-04-00046-g0002.tif"/>
</fig>
<p>The magnetic field around a spherical magnetic perturber is that of a magnetic dipole, i.e., with the external magnetic field <italic>B</italic><sub>0</sub> being parallel to the <italic>z</italic>-axis of the coordinate system and utilization of spherical coordinates (<italic>r</italic>, &#x003B8;, &#x003C6;) (see also Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2A</xref>), the Larmor frequency reads
<disp-formula id="E7"><label>(7)</label><mml:math id="M10"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Here, <inline-formula><mml:math id="M11"><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the frequency shift on the equatorial surface of the sphere with radius <italic>R</italic><sub>i</sub>. Its dephasing volume <italic>V</italic> ranges from the sphere surfaces to the surface of the mean relaxation volume. The latter depends on the form of the magnetized object and, therefore, the outer surface of <italic>V</italic> can be considered as a sphere with radius <italic>R</italic>. Consequently, the volume fraction of the magnetic material <inline-formula><mml:math id="M12"><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">i</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>For a cylinder, the angle &#x003B8; between its axis and the external magnetic field <italic>B</italic><sub>0</sub> has to be acknowledged in the frequency shift to obtain the local frequency (see Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2B</xref>)
<disp-formula id="E8"><label>(8)</label><mml:math id="M13"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C6;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where <inline-formula><mml:math id="M14"><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>&#x003C7;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>sin</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the external frequency shift. In analogy to spheres, the local volume fraction <inline-formula><mml:math id="M15"><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">i</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> for a outer cylindrical surface of the dephasing volume with radius <italic>R</italic>. In both cases, the rationale of the approach has already been discussed in detail elsewhere [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>].</p>
<p>For ensembles of several (microscopic) magnetic objects, it is helpful to avail oneself of the principle of supply areas as in the Krogh capillary model [<xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>]. If the volume hosting the magnetic perturbers can be split into smaller volumes of similar geometry and if the local resonance frequency around the magnetic perturber is point symmetric, i.e., &#x003C9;(<bold>r</bold>) &#x0003D; &#x003C9;(&#x02212;<bold>r</bold>) which is valid for both spheres and cylinders, it is possible to think of spin trajectories that leave their initial supply area or dephasing volume as being reflected at its boundary. Also, the same applies for spins whose trajectories hit the surface of the magnetic perturber that is assumed impermeable. Then, the Krogh model allows reducing the problem to one single object, i.e., diffusion is not considered in the whole tissue but, instead, for one single magnetic perturber only and reflective boundary conditions are assumed
<disp-formula id="E9"><label>(9)</label><mml:math id="M16"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
The case of unrestricted diffusion for a dephasing volume <italic>V</italic> extending from the surface of the magnetic perturber to infinity has already been analyzed in detail for spheres [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B41">41</xref>] and cylinders [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>] and shall not be the subject of this investigation. It corresponds to very small volume fractions &#x003B7; &#x02248; <italic>G</italic>/<italic>V</italic><sub><italic>Voxel</italic></sub> where spin diffusion around the magnetic object does not reach the outer surface of <italic>V</italic> during the measurement. A detailed account in a similar notation can be found in Ziener et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>].</p>
</sec>
<sec>
<title>2.3. Eigenfunction expansion</title>
<p>The diffusion equation (Equation 2) can be solved with the help of an eigenfunction expansion of the transition probability <italic>p</italic>(<bold>r</bold>, <bold>r</bold><sub>0</sub>, <italic>t</italic>):
<disp-formula id="E10"><label>(10)</label><mml:math id="M17"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>V</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The eigenfunctions &#x003D5;<sub><italic>n</italic></sub> are solutions of the eigenvalue equation
<disp-formula id="E11"><label>(11)</label><mml:math id="M18"><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
with eigenvalues &#x003BA;<sub><italic>n</italic></sub>, and, they fulfill the orthogonality condition
<disp-formula id="E12"><label>(12)</label><mml:math id="M19"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where <italic>R</italic><sub>i</sub> is the radius of the inner sphere or cylinder, respectively. Thereby, the lowest eigenvalue &#x003BA;<sub>0</sub> &#x0003D; 0 corresponds to the lowest eigenfunction <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B42">42</xref>]. The influence of diffusion is taken into account by the correlation time &#x003C4;
<disp-formula id="E13"><label>(13)</label><mml:math id="M21"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
By substituting the spectral expansion of the transition probability <italic>p</italic>(<bold>r</bold>, <bold>r</bold><sub>0</sub>, <italic>t</italic>) into the definition of the autocorrelation function (Equation 4), we obtain
<disp-formula id="E14"><label>(14)</label><mml:math id="M22"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
with expansion coefficients
<disp-formula id="E15"><label>(15)</label><mml:math id="M23"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>V</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Since <inline-formula><mml:math id="M24"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>r</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>, the expansion coefficient <italic>F</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 0 does not contribute to the correlation function.</p>
<p>Explicit expressions can be given for both spherical and cylindrical geometries; in the case of spheres, <inline-formula><mml:math id="M25"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> reads
<disp-formula id="E16"><label>(16)</label><mml:math id="M26"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>216</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mroot><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mroot></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>4</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mroot><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mroot></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
with &#x003BA;<sub><italic>n</italic></sub> obeying the eigenvalue equation
<disp-formula id="E17"><label>(17)</label><mml:math id="M27"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mroot><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mroot></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mroot><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mroot></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Functions <inline-formula><mml:math id="M28"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M29"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are the first derivatives of the spherical Bessel functions of the first and second kind, respectively [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]. An approximation for the first zero &#x003BA;<sub>1</sub> is provided in Appendix A.</p>
<p>For cylinders, we have with cylindrical Bessel functions <italic>J</italic><sub>2</sub> and <italic>Y</italic><sub>2</sub> of the first and second kind, respectively,
<disp-formula id="E18"><label>(18)</label><mml:math id="M30"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>8</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
and eigenvalues &#x003BA;<sub><italic>n</italic></sub> are the solution of
<disp-formula id="E19"><label>(19)</label><mml:math id="M31"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
The long time behavior of <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) can be determined by considering the first eigenvalue &#x003BA;<sub>1</sub> only:
<disp-formula id="E20"><label>(20)</label><mml:math id="M32"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mtext>L</mml:mtext></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Evidently, <italic>K</italic><sub>L</sub>(<italic>t</italic>) converges asymptotically against zero for large <italic>t</italic> or <italic>K</italic>(&#x0221E;) &#x0003D; 0. On the other hand, the value of the correlation function at <italic>t</italic> &#x0003D; 0 can be obtained by making use of Equation (3) with the initial condition <italic>p</italic>(<bold>r</bold>, <bold>r</bold><sub>0</sub>, 0) &#x0003D; &#x003B4;(<bold>r</bold> &#x02212; <bold>r</bold><sub>0</sub>):
<disp-formula id="E21"><label>(21)</label><mml:math id="M33"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>V</mml:mi></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E22"><label>(22)</label><mml:math id="M34"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
The last relation is useful for numerical computation and corresponds to Parseval&#x00027;s theorem in Fourier analysis.</p>
</sec>
<sec>
<title>2.4. Generalized moment analysis</title>
<p>The generalized moment expansion method or generalized moment approximation (GMA) has been used recently as an effective algorithm to approximate the time dependence of observables that are connected to reactive and non-reactive processes involving Brownian motion [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B43">43</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B44">44</xref>]. It can be applied for monitoring diffusive redistributions and barrier crossing problems as well as to approximate autocorrelation functions [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>]. In our case, the generalized moment analysis will be used to derive analytical expressions for the correlation function for biexponentially approximated decay forms that will prove to be more accurate than monoexponential approximations. The following subsections will introduce generalized moments and the Pad&#x000E9; approximation and results from monoexponential approximations, as detailed in Ziener et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>], will be briefly recapitulated to give a buildup to biexponential approximations.</p>
<sec>
<title>2.4.1. Generalized moments</title>
<p>In using the Laplace transform <inline-formula><mml:math id="M35"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) in Equation (5),
<disp-formula id="E23"><label>(23)</label><mml:math id="M36"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>V</mml:mi></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
it is convenient to expand <inline-formula><mml:math id="M37"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in a power series of 1/<italic>s</italic> and <italic>s</italic> for the short and long time behavior, respectively, as
<disp-formula id="E24"><label>(24)</label><mml:math id="M38"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mover accent='true'><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
and
<disp-formula id="E25"><label>(25)</label><mml:math id="M39"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mover accent='true'><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>s</mml:mi></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>s</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
The high-frequency moments &#x003BC;<sub><italic>n</italic></sub> hereby correspond to the short time behavior and the low-frequency moments &#x003BC;<sub>&#x02212;(<italic>n</italic>&#x0002B;1)</sub> to the long time behavior. They are defined as
<disp-formula id="E26"><label>(26)</label><mml:math id="M40"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>!</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mover accent='true'><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>s</mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
and
<disp-formula id="E27"><label>(27)</label><mml:math id="M41"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>!</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mover accent='true'><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>!</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
respectively. Equation (5) allows combining the last two equalities into one expression for positive and negative <italic>n</italic> as
<disp-formula id="E28"><label>(28)</label><mml:math id="M42"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>V</mml:mi></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:msup><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Therefore, the moments &#x003BC;<sub><italic>n</italic></sub> only depend on diffusion coefficient <italic>D</italic> and the form of the distortion of the magnetic field from magnetic perturber <italic>G</italic>. To avoid confusion, only one expression &#x003BC;<sub><italic>n</italic></sub> will be used below that refers to high-frequency moments for <italic>n</italic> &#x02265; 0 and to low-frequency moments for <italic>n</italic> &#x0003C; 0. For <italic>n</italic> &#x0003D; 0, the moment is identical to <italic>K</italic>(0) in Equation (21) and, therefore, corresponds to <inline-formula><mml:math id="M43"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>r</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The evaluation of Equation (28) for positive indices is straight-forward, whereas moments with a negative index <italic>n</italic> can be determined through quadratures, i.e.,
<disp-formula id="E29"><label>(29)</label><mml:math id="M44"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mstyle mathsize='140%' displaystyle='true'><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>V</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:munder><mml:munder><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy='true'>&#x0FE38;</mml:mo></mml:munder><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
where the moment function &#x003BC;<sub>&#x02212;<italic>n</italic></sub>(<bold>r</bold>) for <italic>n</italic> &#x02265; 0 was introduced that satisfies
<disp-formula id="E30"><label>(30)</label><mml:math id="M45"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Thus, moments with negative index can be determined by solving the differential equation Equation (30) where &#x003BC;<sub>&#x02212;<italic>n</italic></sub>(<bold>r</bold>) obeys the same reflecting boundary conditions in Equation (9).</p>
</sec>
<sec>
<title>2.4.2. Pad&#x000E9; approximation</title>
<p>The frequency autocorrelation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) can be approximated by the sum of <italic>N</italic> exponential decays as
<disp-formula id="E31"><label>(31)</label><mml:math id="M46"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
with prefactors <italic>f</italic><sub>(<sub><italic>N</italic></sub><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>N</italic><sub><italic>l</italic></sub>), <italic>n</italic></sub> and decay constants &#x00393;<sub>(<sub><italic>N</italic></sub><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>N</italic><sub><italic>l</italic></sub>), <italic>n</italic></sub> that are related to the moments &#x003BC;<sub><italic>n</italic></sub>. The sum of the number of high frequency moments <italic>N</italic><sub><italic>h</italic></sub> and that of low frequency moments <italic>N</italic><sub><italic>l</italic></sub> equals the 2<italic>N</italic> parameters to be determined: <italic>N</italic><sub><italic>h</italic></sub>&#x0002B;<italic>N</italic><sub><italic>l</italic></sub> &#x0003D; 2<italic>N</italic>. Then, the Laplace transform of <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) in Equation (23) can be written as a sum of Lorentzians as
<disp-formula id="E32"><label>(32)</label><mml:math id="M47"><mml:mover accent='true'><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent='true'><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0005E;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x0200A;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
Pad&#x000E9; approximants <inline-formula><mml:math id="M48"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are required to accurately describe the high- and low-frequency behavior of <inline-formula><mml:math id="M49"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Equations (24) and (25) to a desired degree and to correctly reproduce the <italic>N</italic><sub><italic>h</italic></sub> high- and <italic>N</italic><sub><italic>l</italic></sub> low-frequency moments. The resulting description of the (<italic>N</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>N</italic><sub><italic>l</italic></sub>)-generalized-moment approximation, denoted as (<italic>N</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>N</italic><sub><italic>l</italic></sub>)-GMA, is a two-sided Pad&#x000E9; approximation around <italic>s</italic> &#x0003D; 0 and <italic>s</italic> &#x0003D; &#x0221E; [<xref ref-type="bibr" rid="B45">45</xref>]. When introducing the Pad&#x000E9; approximation of the frequency autocorrelation function according to Equation (31) into the definition of the high and low frequency moments according to Equations (26) and (27), the parameters <italic>f</italic><sub>(<sub><italic>N</italic></sub><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>N</italic><sub><italic>l</italic></sub>), <italic>n</italic></sub> and &#x00393;<sub>(<sub><italic>N</italic></sub><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>N</italic><sub><italic>l</italic></sub>), <italic>n</italic></sub> can be obtained through
<disp-formula id="E33"><label>(33)</label><mml:math id="M50"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>with&#x000A0;</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1.</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The generalized moments &#x003BC;<sub><italic>n</italic></sub> are closely related to the shape of the local field inhomogeneity as shown above and parameters <italic>f</italic><sub>(<sub><italic>N</italic></sub><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>N</italic><sub><italic>l</italic></sub>), <italic>n</italic></sub> and &#x00393;<sub>(<sub><italic>N</italic></sub><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>N</italic><sub><italic>l</italic></sub>), <italic>n</italic></sub> can be determined by the multi-exponential approximation of the correlation function in Equation (31). Therefore, an approximation of the correlation function is given through the solution of Equation (33), provided that the generalized moments &#x003BC;<sub><italic>n</italic></sub> are known.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="results" id="s3">
<title>3. Results</title>
<p>In the following, the correlation function within the GMA is derived for the biexponential approximation (<italic>N</italic> &#x0003D; 2) in the spherical and cylindrical model geometry, since it is then possible to provide an algebraic solution of Equation (33). However, the numerical solution for <italic>N</italic> &#x0003E; 2 is still possible by means of an equivalent eigenvalue problem [<xref ref-type="bibr" rid="B44">44</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B46">46</xref>]. The case <italic>N</italic> &#x0003D; 1 was treated in Ziener et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>] and is presented in Appendix B for the sake of completeness.</p>
<p>For <italic>N</italic> &#x0003D; 2, the approximation of the correlation function can be extended to the sum of two exponential decays and Equation (33) leads to the sum
<disp-formula id="E34"><label>(34)</label><mml:math id="M51"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>with</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
In this work, two cases are being considered. The first case is the (2, 2)-GMA reproducing the moments &#x003BC;<sub>&#x02212;2</sub>, &#x003BC;<sub>&#x02212;1</sub>, &#x003BC;<sub>0</sub>, and &#x003BC;<sub>1</sub> of the exact correlation function. To find the best approximation for the long time behavior, we choose the (1, 3)-GMA that reproduces the moments &#x003BC;<sub>&#x02212;3</sub>, &#x003BC;<sub>&#x02212;2</sub>, &#x003BC;<sub>&#x02212;1</sub>, and &#x003BC;<sub>0</sub>, i.e., more low-frequency moments are being taken into account. Introducing the following abbreviations
<disp-formula id="E35"><label>(35)</label><mml:math id="M52"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
we find for the (2, 2)-GMA the parameters
<disp-formula id="E36"><label>(36)</label><mml:math id="M53"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>B</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Consequently, the correlation function for short times can be approximated as
<disp-formula id="E37"><label>(37)</label><mml:math id="M54"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Similar results have been obtained by Bauer et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>] and Barsky et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B47">47</xref>]: Equations (3.19&#x02013;3.22) in Bauer et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>] as well as Equations (B15&#x02013;B19) in Barsky et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B47">47</xref>] are in agreement with the coefficients in Equation (35).</p>
<p>The second case of the (1, 3)-GMA yields parameters
<disp-formula id="E38"><label>(38)</label><mml:math id="M55"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
and, consequently, the correlation function for long times reads
<disp-formula id="E39"><label>(39)</label><mml:math id="M56"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Similar expression could be derived by Bauer and Schulten [<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>].</p>
<p>Introducing the above results for the biexponential approximation in the (2, 2)- and (1, 3)-GMA into Equation (31) determines the corresponding correlation function at <italic>t</italic> &#x0003D; 0 :
<disp-formula id="E40"><label>(40)</label><mml:math id="M57"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
which is in agreement with the generally valid Equation (21). In the following sections, the time evolution of the two biexponential approximations in the GMA for the correlation function are exemplified for both spherical and cylindrical objects, respectively (see below).</p>
<sec>
<title>3.1. Spheres</title>
<p>In order to solve differential equation (Equation 30) for spherical magnetic objects, it is helpful to start with the ansatz
<disp-formula id="E41"><label>(41)</label><mml:math id="M58"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>r</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>cos</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
that separates the angle dependent part of the local Larmor frequency given in Equation (7). Also, the radial part of the Laplace operator can be written as
<disp-formula id="E42"><label>(42)</label><mml:math id="M59"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
with <italic>d</italic> &#x0003D; 3 for spheres and <italic>d</italic> &#x0003D; 2 for infinitely long cylinders. This leads to an iterative set of equations for the functions &#x003BC;<sub>&#x02212;<italic>n</italic></sub>(<italic>r</italic>) of the form
<disp-formula id="E43"><label>(43)</label><mml:math id="M60"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>6</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
or, equivalently,
<disp-formula id="E44"><label>(44)</label><mml:math id="M61"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>6</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
The differential equation (Equation 43) can be transformed to an Euler type differential equation. Using the general expression (Equation 41) for the solution of the differential equation (Equation 30), where the local Larmor frequency corresponds to Equation (7), the low-frequency moments given in Equation (28) can be found as
<disp-formula id="E45"><label>(45)</label><mml:math id="M62"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:munderover><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
The evaluation of the integral yields the general form
<disp-formula id="E46"><label>(46)</label><mml:math id="M63"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
For spherical geometries, the functions &#x003BC;<sub><italic>n</italic></sub>(<italic>r</italic>) can be found as the solution of Equation (43). The recursion starts with &#x003BC;<sub>0</sub>(<italic>r</italic>) which results from Equation (44). The functions are given by</p>
<disp-formula id="E47"><label>(47)</label><mml:math id="M64"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>6</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>18</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>28</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mfrac><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>24</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>72</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1008</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>18</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>28</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>6</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>We have used the abbreviation
<disp-formula id="E48"><label>(48)</label><mml:math id="M65"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
and the constants <italic>c</italic><sub>1</sub>, &#x02026;, <italic>c</italic><sub>6</sub> that are given by
<disp-formula id="E49"><label>(49)</label><mml:math id="M66"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>25</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>126</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>36</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>28</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>25</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>126</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>61</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>588</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>625</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>15876</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>31752</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>331</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>250</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>232</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>61</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>588</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>625</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>15876</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>31752</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>385</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>54</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where <inline-formula><mml:math id="M67"><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">i</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The functions <italic>l</italic><sub><italic>n</italic></sub>(&#x003B7;) are necessary to determine the moments &#x003BC;<sub><italic>n</italic></sub> in Equation (46) for negative indices from Equation (45). They are given by</p>
<disp-formula id="E50"><label>(50)</label><mml:math id="M68"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>126</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>25</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>4</mml:mn><mml:mn>5</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>90</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>32</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>37</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>42</mml:mn><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>972</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1684</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2271</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2733</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>3580</mml:mn><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11340</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>1143072</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>6021</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>14</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>24084</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>47034</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>80260</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>125533</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>180466</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>215176</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>230452</mml:mn><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>It is convenient to define a ratio &#x003C4;<sub><italic>n</italic></sub> of successive moments as
<disp-formula id="E51"><label>(51)</label><mml:math id="M69"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
As in Ziener et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>], we make use of Koenig&#x00027;s theorem [<xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B49">49</xref>] on the zeros of Pad&#x000E9; approximants [<xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B49">49</xref>]: the theorem states that the series 1/&#x003C4;<sub><italic>n</italic></sub> converges to the lowest eigenvalue of Equation (11) and [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>], since then
<disp-formula id="E52"><label>(52)</label><mml:math id="M70"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mtext>lim</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where &#x003C4; is the correlation time from Equation (13). The lowest eigenvalue &#x003BA;<sub>1</sub> is the solution to the geometry-dependent eigenvalue equation, i.e., Equation (17) for spheres and Equation (19) for cylinders. In Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>, a sequence of successive moment ratios &#x003C4;<sub><italic>n</italic></sub> ranging from <italic>n</italic> &#x0003D; &#x02212;3, &#x02026;, 0 is compared with the exact numerical solution for &#x003BA;<sub>1</sub> for spherical magnetic objects and Koenig&#x00027;s theorem is nicely exemplified for &#x003B7; &#x02192; 1. The asymptotic value of the first eigenvalue for large volume fractions could be determined as <inline-formula><mml:math id="M71"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>lim</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:math></inline-formula> for spheres and <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>lim</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula> for cylinders (from Equations [A14] and [A5] in Ziener et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>], respectively), simply stating that, in this limit, the correlation function decays monoexponentially with time constant <inline-formula><mml:math id="M73"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. An approximation for &#x003BA;<sub>1</sub> is provided in Appendix A. Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref> also validifies the concept of generalized moments to define a search interval for numerical computation of the exact solution from Equations (17) and (19). However, the successive moments curves diverge from the exact solution for small volume fractions.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p><bold>Dependence of successive moment ratios on the volume fraction for spherical magnetic objects</bold>. The ratio of successive moments &#x003C4;&#x003BC;<sub>&#x02212;<italic>n</italic></sub>(&#x003B7;)/&#x003BC;<sub>&#x02212;(<italic>n</italic>&#x0002B;1)</sub>(&#x003B7;) &#x0003D; <italic>l</italic><sub>&#x02212;<italic>n</italic></sub>(&#x003B7;)/<italic>l</italic><sub>&#x02212;(<italic>n</italic>&#x0002B;1)</sub>(&#x003B7;) in dependence on volume fraction &#x003B7; is obtained from Equation (46) [functions <italic>l</italic><sub>&#x02212;<italic>n</italic></sub>(&#x003B7;) are given in Equation (50)]. The numerically exact eigenvalue (solid line) can be obtained by solving Equation (17). An approximate solution for <inline-formula><mml:math id="M74"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (dashed line), based on a Taylor expansion, is given in Equation (A3) in Appendix A. For &#x003B7; &#x02192; 1, all graphs asymptotically converge to the value <inline-formula><mml:math id="M75"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:math></inline-formula>. A visualization of the dependence of the ratio of successive moments on the volume fraction for cylinders with a slightly different notation is given in Figure 9 in Ziener et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]. It can be obtained from Equation (46) with quantities &#x003B4;&#x003C9;, &#x003C4;, and <italic>l</italic><sub><italic>n</italic></sub>(&#x003B7;) determined from the cylindrical geometry.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphy-04-00046-g0003.tif"/>
</fig>
<p>Different cases of the monoexponential functions <italic>K</italic><sub><italic>i</italic></sub>(<italic>t</italic>) (see Appendix B and Equation B3) are being shown in Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4A</xref> to demonstrate the dependence of the monoexponential approximation on the chosen moments &#x003BC;<sub><italic>n</italic></sub>. Evidently, the initial value of <italic>K</italic><sub><italic>i</italic></sub>(<italic>t</italic>), <italic>i</italic> &#x02265; 1, decreases with increasing <italic>i</italic> while the exponential cutoff begins at longer times for increasing <italic>i</italic>. Also, the approximants <italic>K</italic><sub><italic>i</italic></sub>(<italic>t</italic>) converge to the long time behavior given in Equation (20), as expected from Koenig&#x00027;s theorem. To evaluate the accuracy of the biexponential approximation, a double logarithmic plot has been chosen in Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4B</xref>. The (2, 2)-GMA with the two lowest high and low frequency moments approximates the short as well as the long time limit sufficiently well. In contrast, the (1, 3)-GMA with the three lowest low and the first high frequency moment approximates the long time limit significantly better than the short time limit. An application to biological tissue is provided in Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4C</xref> where mono- and bi-exponential approximations in the GMA of the correlation function are visualized for values that are typical for susceptibility gradients based on nonheme iron-storage in brain tissue (through iron-rich oligodendrocytes in the Globus pallidus that approximately have radii <italic>R</italic><sub>i</sub> of 3&#x02013;4 &#x003BC;m, a frequency shift of &#x003B4;&#x003C9; &#x0003D; 184 s<sup>&#x02212;1</sup>, a tissue density of &#x003B7; &#x0003D; 0.04 and <italic>D</italic> &#x0003D; 0.76&#x000B7;10<sup>&#x02212;9</sup>m<sup>2</sup>s<sup>&#x02212;1</sup>, leading to &#x003C4; &#x0003D; 16.12 ms; see [<xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>] for more details). It can be seen that the biexponential approximations <italic>K</italic><sub>(1, 3)</sub>(<italic>t</italic>) and <italic>K</italic><sub>(2, 2)</sub>(<italic>t</italic>) are in excellent agreement with the actual correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>), while the monoexponential functions <italic>K</italic><sub><italic>i</italic></sub>(<italic>t</italic>) only approximate <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) sufficiently for <italic>t</italic> &#x02273; 30 ms. However, changes in the size <italic>R</italic><sub>i</sub> of the spherical perturbers affect the correlation time &#x003C4; as well according to Equation (13). The correlation function in dependence on correlation time &#x003C4; is therefore shown in Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4D</xref> at the characteristic time <italic>t</italic> &#x0003D; 10 ms for the same set of mono- and bi-exponential approximations as in Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4C</xref>. In this case, the biexponential approximations show an equally well agreement with the numerically obtained correlation function <italic>K</italic>(&#x003C4;) for all correlation times, whereas the monoexponential approximations exhibit significant deviations from <italic>K</italic>(&#x003C4;) for correlation times that range from 40 ms to 5 s. For very short and very long correlation times, however, the monoexponential approximations <italic>K</italic><sub>0</sub>(&#x003C4;) and <italic>K</italic><sub>1</sub>(&#x003C4;) coincide with <italic>K</italic>(&#x003C4;). Mono- and bi-exponential approximations as compared to <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) for nanoparticle experiments based on parameters in Muller et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B52">52</xref>], and for lung tissue based on parameters given in Stone et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B53">53</xref>] and Baete et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B54">54</xref>], are shown in Appendix C.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p><bold>Mono- and bi-exponential approximation in the GMA of spherical objects. (A)</bold> Monoexponential approximations <italic>K</italic><sub><italic>i</italic></sub>(<italic>t</italic>) of the correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) (solid line) as obtained from Equation (B3) with moments given in Schulten et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B46">46</xref>]. The long time approximation <italic>K</italic><sub>L</sub>(<italic>t</italic>) (dashed line) is given by Equation (20) where the first eigenvalue &#x003BA;<sub>1</sub> is determined by Equation (17) (&#x003B7; &#x0003D; 0.001 in <bold>A,B</bold>). <bold>(B)</bold> Biexponential approximations for long times <italic>K</italic><sub>(1, 3)</sub>(<italic>t</italic>) [dashed line obtained from Equation (39)] and for short times <italic>K</italic><sub>(2, 2)</sub>(<italic>t</italic>) [dotted line obtained from Equation (37)] of the correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) [solid line obtained from Equation (14)]. Evidently, for spherical objects, the biexponential approximations are more accurate than monoexponential approximations and show a better agreement for large and short times with the actual correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>). <bold>(C)</bold> Mono- and bi-exponential approximations of <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) for typical parameters of iron-storage in oligodendrocytes of the Globus pallidus, see main text for details. <italic>K</italic><sub>(1, 3)</sub>(<italic>t</italic>) and <italic>K</italic><sub>(2, 2)</sub>(<italic>t</italic>) both show an excellent agreement with <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) whereas the monoexponential approximations exhibit significant deviations from <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) for <italic>t</italic> &#x02272; 30 ms. <bold>(D)</bold> Correlation function approximations in dependence on correlation time &#x003C4; at time-point <italic>t</italic> &#x0003D; 10 ms for otherwise equal parameters as in <bold>(C)</bold>. The agreement of biexponential approximations with <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) is excellent for all correlation times, whereas the monoexponential approximations mainly agree with <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) for very short or very long correlation times.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphy-04-00046-g0004.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>3.2. Cylinders</title>
<p>In analogy to spherical magnetic objects, the correlation functions for spins that diffuse between two concentric cylinders can be obtained within the GMA by employing a similar ansatz as the one for a spherical geometry and by using Equation (42) for <italic>d</italic> &#x0003D; 2 as shown in Ziener et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]. Then, generalized moments are determined by the differential equation
<disp-formula id="E53"><label>(53)</label><mml:math id="M76"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Again, for <italic>n</italic> &#x0003D; 0, 1, 2, 3, the functions &#x003BC;<sub>&#x02212;<italic>n</italic></sub>(<italic>r</italic>) for cylindrical geometries that obey Equation (53) can be determined as</p>
<disp-formula id="E54"><label>(54)</label><mml:math id="M77"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>ln</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>192</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>ln</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mtext>&#x02009;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>6</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and the constants <italic>c</italic><sub>1</sub>, &#x02026;, <italic>c</italic><sub>6</sub> are given by
<disp-formula id="E55"><label>(55)</label><mml:math id="M78"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">ln</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The functions <italic>l</italic><sub><italic>n</italic></sub>(&#x003B7;) are obtained in analogy to the spherical case and are given as
<disp-formula id="E56"><label>(56)</label><mml:math id="M79"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">ln</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>32</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>256</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">ln</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
As in the case for spheres, the low-frequency moments &#x003BC;<sub>&#x02212;<italic>n</italic></sub> for cylinders from Equation (28) can be expressed as
<disp-formula id="E57"><label>(57)</label><mml:math id="M80"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">i</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">i</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">d</mml:mtext><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
that correspond to Equation (77) in Ziener et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]. Evaluation of the integral leads to Equation (46), but with the respective values of &#x003B4;&#x003C9;, &#x003C4;, and <italic>l</italic><sub><italic>n</italic></sub>(&#x003B7;) for cylinders (see Equation 56).</p>
<p>In analogy to Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4A</xref>, the time evolution of the functions <italic>K</italic><sub><italic>i</italic></sub>(<italic>t</italic>) and their proximity to the long time approximation <italic>K</italic><sub>L</sub>(<italic>t</italic>) from Equation (20) is shown in Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5A</xref>. As in the spherical case, the initial value of <italic>K</italic><sub><italic>i</italic></sub>(<italic>t</italic>), <italic>i</italic> &#x02265; 1, decreases with increasing <italic>i</italic> and successive moments converge to the long time approximation <italic>K</italic><sub>L</sub>(<italic>t</italic>) for <italic>d</italic> &#x0003D; 2.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p><bold>Mono- and bi-exponential approximation in the GMA of cylindrical objects. (A)</bold> Monoexponential approximations <italic>K</italic><sub><italic>i</italic></sub>(<italic>t</italic>) of the correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) (solid line) as obtained from Equation (B3) with moments given in Schulten et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B46">46</xref>]. The long time approximation <italic>K</italic><sub>L</sub>(<italic>t</italic>) (dashed line) is given by Equation (20) where the first eigenvalue &#x003BA;<sub>1</sub> is determined by Equation (19) (&#x003B7; &#x0003D; 0.01 in <bold>A,B</bold>). <bold>(B)</bold> Biexponential approximations for long times <italic>K</italic><sub>(1, 3)</sub>(<italic>t</italic>) [dashed line obtained from Equation (39)] and for short times <italic>K</italic><sub>(2, 2)</sub>(<italic>t</italic>) [dotted line obtained from Equation (37)] of the correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) [solid line obtained from Equation (14)]. As in the case for spherical objects, the biexponential approximations of the correlation function for cylindrical objects show a better asymptotic agreement with the actual correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) than monoexponential approximations. <bold>(C)</bold> Mono- and bi-exponential approximations of the correlation function for typical parameters of capillaries in brain tissue, see main text for details. The deviations of the biexponential approximations from <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) are visibly smaller than that of the monoexponential approximations. <bold>(D)</bold> Mono- and bi-exponential approximations of the correlation function in dependence on correlation time &#x003C4; at time-point <italic>t</italic> &#x0003D; 10 ms, for otherwise equal parameters as in <bold>(C)</bold>. The approximations <italic>K</italic><sub>0</sub>(&#x003C4;), <italic>K</italic><sub>1</sub>(&#x003C4;), <italic>K</italic><sub>(1, 3)</sub>(&#x003C4;), and <italic>K</italic><sub>(2, 2)</sub>(&#x003C4;) coincide with <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) for very short and very long correlation times, whereas correlation function <italic>K</italic>(&#x003C4;) for intermediate correlation times between 1 ms <italic>and</italic> 1 s is best approximated by the biexponential approximations.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphy-04-00046-g0005.tif"/>
</fig>
<p>In comparison, the biexponential approximation is shown in Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5B</xref>: for the (2, 2)- and the (1, 3)-GMA it can be seen that the first approximation describes short and long time limit sufficiently well whereas the second approximation is more accurate in the long time limit. An application to biological tissue is provided in Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5C</xref> where mono- and bi-exponential approximations in the GMA of the correlation function are visualized for values that are typical for susceptibility gradients between capillaries, that contain deoxygenated hemoglobine, and the surrounding tissue [with approximate values <italic>R</italic><sub>i</sub> &#x0003D; 4 &#x003BC;m [<xref ref-type="bibr" rid="B55">55</xref>], &#x003B4;&#x003C9; &#x0003D; 200 s<sup>&#x02212;1</sup> at 3 Tesla [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B56">56</xref>], a tissue density of &#x003B7; &#x0003D; 0.03 [<xref ref-type="bibr" rid="B55">55</xref>], and <italic>D</italic> &#x0003D; 1&#x000B7;10<sup>&#x02212;9</sup>m<sup>2</sup>s<sup>&#x02212;1</sup> [<xref ref-type="bibr" rid="B57">57</xref>], leading to &#x003C4; &#x0003D; 16 ms]. It can be seen that the biexponential approximations <italic>K</italic><sub>(1, 3)</sub>(<italic>t</italic>) and <italic>K</italic><sub>(2, 2)</sub>(<italic>t</italic>) are in excellent agreement with the actual correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) for <italic>t</italic> &#x02273; 20 ms, while only the monoexponential functions <italic>K</italic><sub>2</sub>(<italic>t</italic>) and <italic>K</italic><sub>3</sub>(<italic>t</italic>) sufficiently approximate <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) for <italic>t</italic> &#x02273; 80 ms. Still, the deviation of the biexponential approximations to <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) for <italic>t</italic> &#x0003C; 30 ms are visibly smaller than for the monoexponential approximations. However, changes in the size <italic>R</italic><sub>i</sub> of the cylindrical perturbers affect the correlation time &#x003C4; as well according to Equation (13). The correlation function in dependence on correlation time &#x003C4; is therefore shown in Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5D</xref> at the characteristic time <italic>t</italic> &#x0003D; 10 ms for the same set of mono- and bi-exponential approximations as in Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5C</xref>. In this case, the biexponential approximations show an equally well agreement with the numerically obtained correlation function <italic>K</italic>(&#x003C4;), especially for correlation times &#x003C4; &#x02272; 50 ms, whereas the monoexponential approximations exhibit significant deviations from <italic>K</italic>(&#x003C4;) for correlation times that range from 1 ms to 5 s. For very short and very long correlation times, however, the monoexponential approximations <italic>K</italic><sub>0</sub>(&#x003C4;) and <italic>K</italic><sub>1</sub>(&#x003C4;) coincide with <italic>K</italic>(&#x003C4;), as in the case of spherical perturbers.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4. Discussion and conclusions</title>
<p>The incentive of this work was to gain a better understanding of the dynamic frequency correlation function of spins that diffuse around microscopic magnetized objects. The analysis is based on an eigenfunction expansion of the correlation function where eigenfunctions and eigenvalues can be determined in the case of restricted diffusion through reflective boundary conditions. A two-sided Pad&#x000E9; approximation is then utilized to derive analytical expressions in the short and long time limit. The different regimes of the functional form of the correlation function as well as the case of unrestricted diffusion have been studied in a preceding analysis that considered a monoexponentially decaying correlation function in the generalized moment approximation (GMA) for cylindrical magnetic objects [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]. The here-presented analysis extends and furthers this prior work to include biexponentially decaying correlation functions in the GMA for both high and low frequency moments and both spherical and cylindrical magnetic field perturbers, respectively. Expressions for four generalized moments in both model geometries are provided. They allow to determine the corresponding parameters of Pad&#x000E9; aproximants for small and large times. Also, successive generalized moment ratios are shown to asymptotically converge to the exact first eigenvalue of the underlying spherical and cylindrical model geometry eigenvalue (Equations 17, 19), respectively, in agreement with Koenig&#x00027;s theorem.</p>
<p>The model with its boundary conditions is based on a presumed regular arrangement of accumulations of similarly shaped objects that can then be considered in analogy to Krogh&#x00027;s model for supply volumes around capillaries [<xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>]. Thus, large volume fractions or the long time limit of spin diffusion processes can be examined for a point-symmetric local Larmor frequency where diffusion trajectories into a neighboring supply volume are thought of as being reflected at the boundary to said volume. More detailed accounts about the case of unrestricted diffusion can be found in Yablonskiy et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>], Ziener et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>], Ayant et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>], and Ziener et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B58">58</xref>]. With Figures <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref> it can be seen that biexponential approximations in the GMA for <italic>K</italic><sub>(1, 3)</sub>(<italic>t</italic>) and <italic>K</italic><sub>(2, 2)</sub>(<italic>t</italic>) and for both spherical and cylindrical model geometries are in much better agreement with the actual correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) than monoexponential approximations such as the frequently used &#x0201C;mean correlation time approximation&#x0201D; [<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>]. Comparisons of the approximations are also provided for iron-accumulations in brain tissue and for cerebral cortex capillaries in Figures <xref ref-type="fig" rid="F4">4C,D</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">5C,D</xref>, respectively. Both cases demonstrate that there are pronounced differences between mono- and bi-exponential approximations for <italic>t</italic> &#x0007E; 1 &#x02212; 100 ms, with the biexponential approximations providing the better approximations to the correlation function for all time-points. These results are therefore relevant for diffusion MRI experiments applied to these tissue types since the typical diffusion time during which the diffusion process can be detected in such an experiment ranges between 1 ms and 1 s. However, for very short correlation times (e.g., iron-oxide nanoparticle suspensions, see Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6A</xref>) or very long correlation times (e.g., diffusion in peripheral lung tissue, see Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6B</xref>), mono- and bi-exponential approximations practically coincide.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p><bold>Mono- and bi-exponential approximation in the GMA for nanoparticles and lung tissue. (A)</bold> Mono- and bi-exponential approximations are compared to the correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) [solid line, obtained from Equation (14)]; parameter set obtained from Muller et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B52">52</xref>], see also main text. For this extremely short correlation time &#x003C4;, the monoexponential approximations <italic>K</italic><sub>0</sub>(<italic>t</italic>) and <italic>K</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>) coincide with the biexponential approximations <italic>K</italic><sub>(2, 2)</sub>(<italic>t</italic>) and <italic>K</italic><sub>(1, 3)</sub>(<italic>t</italic>), respectively. <bold>(B)</bold> Mono- and bi-exponential approximations for peripheral lung tissue, based on parameters given in Stone et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B53">53</xref>] and Baete et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B54">54</xref>]. In this case of a very long correlation time &#x003C4;, most approximations coincide with <italic>K</italic>(<italic>t</italic>).</p></caption>
<graphic xlink:href="fphy-04-00046-g0006.tif"/>
</fig>
<p>Recently, it could be shown that Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) relaxation rates are connected to the correlation function [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B59">59</xref>]. Therefore, knowledge of the correlation function allows obtaining microstructural parameters through CPMG measurements for accumulations of similarly shaped subvoxel structures, for example in the case of lung alveoli [<xref ref-type="bibr" rid="B60">60</xref>], microscopic blood products around or in malign cerebral tumors or for microvascular changes in skeletal muscle tissue [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>]. Also, based on a recently developed measurement method, magnetic field correlation imaging has been shown promising in its potential to evaluate iron-associated neuropathologies [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>]. Knowledge of the exact time course and limit case behavior of the correlation function will aid in further application of magnetic field correlation imaging to determine microstructural parameters of susceptibility gradient based local magnetic field inhomogeneities.</p>
</sec>
<sec id="s5">
<title>Author contributions</title>
<p>This work was carried out by the seven authors, in collaboration. CZ designed research; CZ, FK, LB, and TK performed research; CZ and FK contributed numerical tools; and FK, TK, LB, HS, MB, SH, and CZ wrote the paper. Moreover, all authors have read and approved the final manuscript.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Funding</title>
<p>This work was supported by grants from the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG ZI 1295/2-1 and DFG KU 3555/1-1). FK was also supported by a postdoctoral fellowship from the medical faculty of Heidelberg University and the Hoffmann-Klose Foundation (Heidelberg University).</p>
<sec>
<title>Conflict of interest statement</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
</sec>
</body>
<back>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Haacke</surname> <given-names>EM</given-names></name> <name><surname>Xu</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Cheng</surname> <given-names>YC</given-names></name> <name><surname>Reichenbach</surname> <given-names>JR</given-names></name></person-group>. <article-title>Susceptibility weighted imaging (SWI)</article-title>. <source>Magn Reson Med</source>. (<year>2004</year>) <volume>52</volume>:<fpage>612</fpage>&#x02013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mrm.20198</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15334582</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Haacke</surname> <given-names>EM</given-names></name> <name><surname>Tang</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Neelavalli</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Cheng</surname> <given-names>YC</given-names></name></person-group>. <article-title>Susceptibility mapping as a means to visualize veins and quantify oxygen saturation</article-title>. <source>J Magn Reson Imaging</source> (<year>2010</year>) <volume>32</volume>:<fpage>663</fpage>&#x02013;<lpage>76</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/jmri.22276</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">20815065</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bartzokis</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Tishler</surname> <given-names>TA</given-names></name> <name><surname>Lu</surname> <given-names>PH</given-names></name> <name><surname>Villablanca</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Altshuler</surname> <given-names>LL</given-names></name> <name><surname>Carter</surname> <given-names>M</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Brain ferritin iron may influence age- and gender-related risks of neurodegeneration</article-title>. <source>Neurobiol Aging</source> (<year>2007</year>) <volume>28</volume>:<fpage>414</fpage>&#x02013;<lpage>23</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neurobiolaging.2006.02.005</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16563566</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Richards</surname> <given-names>JM</given-names></name> <name><surname>Shaw</surname> <given-names>CA</given-names></name> <name><surname>Lang</surname> <given-names>NN</given-names></name> <name><surname>Williams</surname> <given-names>MC</given-names></name> <name><surname>Semple</surname> <given-names>SI</given-names></name> <name><surname>MacGillivray</surname> <given-names>TJ</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title><italic>In vivo</italic> mononuclear cell tracking using superparamagnetic particles of iron oxide: feasibility and safety in humans</article-title>. <source>Circ Cardiovasc Imaging</source> (<year>2012</year>) <volume>5</volume>:<fpage>509</fpage>&#x02013;<lpage>17</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1161/CIRCIMAGING.112.972596</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22787016</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bendszus</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Stoll</surname> <given-names>G</given-names></name></person-group>. <article-title>Caught in the act: <italic>in vivo</italic> mapping of macrophage infiltration in nerve injury by magnetic resonance imaging</article-title>. <source>J Neurosci</source>. (<year>2003</year>) <volume>23</volume>:<fpage>10892</fpage>&#x02013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">14645484</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ahrens</surname> <given-names>ET</given-names></name> <name><surname>Bulte</surname> <given-names>JW</given-names></name></person-group>. <article-title>Tracking immune cells <italic>in vivo</italic> using magnetic resonance imaging</article-title>. <source>Nat Rev Immunol</source>. (<year>2013</year>) <volume>13</volume>:<fpage>755</fpage>&#x02013;<lpage>63</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nri3531</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24013185</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ogawa</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Lee</surname> <given-names>TM</given-names></name> <name><surname>Kay</surname> <given-names>AR</given-names></name> <name><surname>Tank</surname> <given-names>DW</given-names></name></person-group>. <article-title>Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci USA</source>. (<year>1990</year>) <volume>87</volume>:<fpage>9868</fpage>&#x02013;<lpage>72</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">2124706</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Knight</surname> <given-names>MJ</given-names></name> <name><surname>Kauppinen</surname> <given-names>RA</given-names></name></person-group>. <article-title>Diffusion-mediated nuclear spin phase decoherence in cylindrically porous materials</article-title>. <source>J Magn Reson</source>. (<year>2016</year>) <volume>269</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>12</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmr.2016.05.007</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27208416</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Palombo</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Gentili</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Bozzali</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>MacAluso</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Capuani</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>New insight into the contrast in diffusional kurtosis images: does it depend on magnetic susceptibility?</article-title> <source>Magn Reson Med</source>. (<year>2015</year>) <volume>73</volume>:<fpage>2015</fpage>&#x02013;<lpage>24</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mrm.25308</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24894844</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Palombo</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Gabrielli</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>De</surname> <given-names>Santis S</given-names></name> <name><surname>Capuani</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>The &#x003B3; parameter of the stretched-exponential model is influenced by internal gradients: validation in phantoms</article-title>. <source>J Magn Reson</source>. (<year>2012</year>) <volume>216</volume>:<fpage>28</fpage>&#x02013;<lpage>36</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmr.2011.12.023</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22277782</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>GadElkarim</surname> <given-names>JJ</given-names></name> <name><surname>Magin</surname> <given-names>RL</given-names></name> <name><surname>Meerschaert</surname> <given-names>MM</given-names></name> <name><surname>Capuani</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Palombo</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Kumar</surname> <given-names>A</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Fractional order generalization of anomalous diffusion as a multidimensional extension of the transmission line equation</article-title>. <source>IEEE J Emerg Sel Topics Circuits Syst.</source> (<year>2013</year>) <volume>3</volume>:<fpage>432</fpage>&#x02013;<lpage>41</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JETCAS.2013.2265795</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yablonskiy</surname> <given-names>DA</given-names></name> <name><surname>Haacke</surname> <given-names>EM</given-names></name></person-group>. <article-title>Theory of NMR signal behavior in magnetically inhomogeneous tissues: the static dephasing regime</article-title>. <source>Magn Reson Med.</source> (<year>1994</year>) <volume>32</volume>:<fpage>749</fpage>&#x02013;<lpage>63</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">7869897</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ziener</surname> <given-names>CH</given-names></name> <name><surname>Bauer</surname> <given-names>WR</given-names></name> <name><surname>Jakob</surname> <given-names>PM</given-names></name></person-group>. <article-title>Transverse relaxation of cells labeled with magnetic nanoparticles</article-title>. <source>Magn Reson Med</source>. (<year>2005</year>) <volume>54</volume>:<fpage>702</fpage>&#x02013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mrm.20634</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16086369</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kurz</surname> <given-names>FT</given-names></name> <name><surname>Kampf</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Heiland</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Bendszus</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Schlemmer</surname> <given-names>HP</given-names></name> <name><surname>Ziener</surname> <given-names>CH</given-names></name></person-group>. <article-title>Theoretical model of the single spin-echo relaxation time for spherical magnetic perturbers</article-title>. <source>Magn Reson Med</source>. (<year>2014</year>) <volume>71</volume>:<fpage>1888</fpage>&#x02013;<lpage>95</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mrm.25196</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24604710</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ziener</surname> <given-names>CH</given-names></name> <name><surname>Kurz</surname> <given-names>FT</given-names></name> <name><surname>Kampf</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>Free induction decay caused by a dipole field</article-title>. <source>Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys.</source> (<year>2015</year>) <volume>91</volume>:<fpage>032707</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.91.032707</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25871144</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jensen</surname> <given-names>JH</given-names></name> <name><surname>Chandra</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <article-title>NMR relaxation in tissues with weak magnetic inhomogeneities</article-title>. <source>Magn Reson Med</source>. (<year>2000</year>) <volume>44</volume>:<fpage>144</fpage>&#x02013;<lpage>56</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/1522-2594(200007)44:1&#x0003C;144::AID-MRM21&#x0003E;3.0.CO;2-O</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10893533</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cowan</surname> <given-names>B</given-names></name></person-group>. <source>Nuclear Magnetic Resonance and Relaxation</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>1997</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jensen</surname> <given-names>JH</given-names></name> <name><surname>Chandra</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Ramani</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Lu</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Johnson</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Lee</surname> <given-names>SP</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Magnetic field correlation imaging</article-title>. <source>Magn Reson Med</source>. (<year>2006</year>) <volume>55</volume>:<fpage>1350</fpage>&#x02013;<lpage>61</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mrm.20907</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16700026</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jensen</surname> <given-names>JH</given-names></name> <name><surname>Szulc</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Hu</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>Ramani</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Lu</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Xuan</surname> <given-names>L</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Magnetic field correlation as a measure of iron-generated magnetic field inhomogeneities in the brain</article-title>. <source>Magn Reson Med</source>. (<year>2009</year>) <volume>61</volume>:<fpage>481</fpage>&#x02013;<lpage>5</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mrm.21823</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19161168</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cho</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Song</surname> <given-names>YQ</given-names></name></person-group>. <article-title>NMR measurement of the magnetic field correlation function in porous media</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>2008</year>) <volume>100</volume>:<fpage>025501</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.100.025501</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18232883</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kurz</surname> <given-names>FT</given-names></name> <name><surname>Kampf</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Buschle</surname> <given-names>LR</given-names></name> <name><surname>Heiland</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Schlemmer</surname> <given-names>HP</given-names></name> <name><surname>Bendszus</surname> <given-names>M</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>CPMG relaxation rate dispersion in dipole fields around capillaries</article-title>. <source>Magn Reson Imaging</source> (<year>2016</year>) <volume>34</volume>:<fpage>875</fpage>&#x02013;<lpage>88</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mri.2016.03.016</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27071310</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kurz</surname> <given-names>FT</given-names></name> <name><surname>Buschle</surname> <given-names>LR</given-names></name> <name><surname>Kampf</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Zhang</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Schlemmer</surname> <given-names>HP</given-names></name> <name><surname>Heiland</surname> <given-names>S</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Spin dephasing in a magnetic dipole field around large capillaries: approximative and exact results</article-title>. <source>J Magn Reson</source>. (<year>2016</year>) <volume>273</volume>:<fpage>83</fpage>&#x02013;<lpage>97</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmr.2016.10.012</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27794269</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ziener</surname> <given-names>CH</given-names></name> <name><surname>Bauer</surname> <given-names>WR</given-names></name> <name><surname>Melkus</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Weber</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Herold</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Jakob</surname> <given-names>PM</given-names></name></person-group>. <article-title>Structure-specific magnetic field inhomogeneities and its effect on the correlation time</article-title>. <source>Magn Reson Imaging</source>. (<year>2006</year>) <volume>24</volume>:<fpage>1341</fpage>&#x02013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mri.2006.08.005</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17145406</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kennan</surname> <given-names>RP</given-names></name> <name><surname>Zhong</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Gore</surname> <given-names>JC</given-names></name></person-group>. <article-title>Intravascular susceptibility contrast mechanisms in tissues</article-title>. <source>Magn Reson Med.</source> (<year>1994</year>) <volume>31</volume>:<fpage>9</fpage>&#x02013;<lpage>21</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">8121277</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ziener</surname> <given-names>CH</given-names></name> <name><surname>Kampf</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Herold</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Jakob</surname> <given-names>PM</given-names></name> <name><surname>Bauer</surname> <given-names>WR</given-names></name> <name><surname>Nadler</surname> <given-names>W</given-names></name></person-group>. <article-title>Frequency autocorrelation function of stochastically fluctuating fields caused by specific magnetic field inhomogeneities</article-title>. <source>J Chem Phys</source>. (<year>2008</year>) <volume>129</volume>:<fpage>014507</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.2949097</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18624483</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ayant</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Belorizky</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Aluzon</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Gallice</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Calcul des densit&#x000E9;s spectrales r&#x000E9;sultant d&#x00027;un mouvement al&#x000E9;atoire de translation en relaxation par interaction dipolaire magn&#x000E9;tique dans les liquides</article-title>. <source>J Phys France</source> (<year>1975</year>) <volume>36</volume>:<fpage>991</fpage>&#x02013;<lpage>1004</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sukstanskii</surname> <given-names>AL</given-names></name> <name><surname>Yablonskiy</surname> <given-names>DA</given-names></name></person-group>. <article-title>Gaussian approximation in the theory of MR signal formation in the presence of structure-specific magnetic field inhomogeneities</article-title>. Effects of impermeable susceptibility inclusions. <source>J Magn Reson</source>. (<year>2004</year>) <volume>167</volume>:<fpage>56</fpage>&#x02013;<lpage>67</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmr.2003.11.006</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">14987599</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Oppenheim</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Schuler</surname> <given-names>KE</given-names></name> <name><surname>Weiss</surname> <given-names>GH</given-names></name></person-group>. <source>Stochastic Processes in Chemical Physics</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>MIT</publisher-name> (<year>1977</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wallace</surname> <given-names>MI</given-names></name> <name><surname>Ying</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Balasubramanian</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Klenerman</surname> <given-names>D</given-names></name></person-group>. <article-title>Non-Arrhenius kinetics for the loop closure of a DNA hairpin</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci USA</source>. (<year>2001</year>) <volume>98</volume>:<fpage>5584</fpage>&#x02013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.101523498</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">11320222</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nadler</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Schulten</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Generalized moment expansion for Brownian relaxation processes</article-title>. <source>J Chem Phys</source>. (<year>1985</year>) <volume>82</volume>:<fpage>151</fpage>&#x02013;<lpage>60</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bauer</surname> <given-names>HU</given-names></name> <name><surname>Schulten</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Nadler</surname> <given-names>W</given-names></name></person-group>. <article-title>Generalized moment expansion of dynamic correlation functions in finite Ising systems</article-title>. <source>Phys Rev B Condens Matter</source> (<year>1988</year>) <volume>38</volume>:<fpage>445</fpage>&#x02013;<lpage>58</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">9945207</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Noriega</surname> <given-names>JM</given-names></name> <name><surname>Pesquera</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Rodrguez</surname> <given-names>MA</given-names></name></person-group>. <article-title>Generalized-moment-expansion method for intensity correlation functions of the single-mode laser</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1991</year>) <volume>44</volume>:<fpage>6087</fpage>&#x02013;<lpage>91</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">9906672</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nadler</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Schulten</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Mean relaxation time approximation for dynamical correlation functions in stochastic systems near instabilities</article-title>. <source>Z Phys B</source> (<year>1988</year>) <volume>72</volume>:<fpage>535</fpage>&#x02013;<lpage>43</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Salomir</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>de</surname> <given-names>Senneville BD</given-names></name> <name><surname>Moonen</surname> <given-names>CTW</given-names></name></person-group>. <article-title>A fast calculation method for magnetic field inhomogeneity due to an arbitrary distribution of bulk susceptibility</article-title>. <source>Concepts Magn Reson B</source> (<year>2003</year>) <volume>19B</volume>:<fpage>26</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/cmr.b.10083</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mittal</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Wu</surname> <given-names>Z</given-names></name> <name><surname>Neelavalli</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Haacke</surname> <given-names>EM</given-names></name></person-group>. <article-title>Susceptibility-weighted imaging: technical aspects and clinical applications, part 2</article-title>. <source>Am J Neuroradiol</source>. (<year>2009</year>) <volume>30</volume>:<fpage>232</fpage>&#x02013;<lpage>52</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3174/ajnr.A1400</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19131406</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hudlick&#x000E1;</surname> <given-names>O</given-names></name></person-group>. <article-title>Development and adaptability of microvasculature in skeletal muscle</article-title>. <source>J Exp Biol.</source> (<year>1985</year>) <volume>115</volume>:<fpage>215</fpage>&#x02013;<lpage>28</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">3897444</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bauer</surname> <given-names>WR</given-names></name> <name><surname>Nadler</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Bock</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Schad</surname> <given-names>LR</given-names></name> <name><surname>Wacker</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>Hartlep</surname> <given-names>A</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>The relationship between the BOLD-induced T2 and T2<sup>&#x0002A;</sup>: a theoretical approach for the vasculature of myocardium</article-title>. <source>Magn Reson Med</source>. (<year>1999</year>) <volume>42</volume>:<fpage>1004</fpage>&#x02013;<lpage>10</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">10571919</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bauer</surname> <given-names>WR</given-names></name> <name><surname>Schulten</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Nuclear spin dynamics (l&#x0003D;1/2) under the influence of random perturbation fields in the &#x0201C;strong collision approximation&#x0201D;</article-title>. <source>Berichte der Bunsengesellschaft - Phys Chem Chem Phys.</source> (<year>1992</year>) <volume>96</volume>:<fpage>721</fpage>&#x02013;<lpage>7</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nadler</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Huang</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Stein</surname> <given-names>DL</given-names></name></person-group>. <article-title>Random walks on random partitions in one dimension</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>1996</year>) <volume>54</volume>:<fpage>4037</fpage>&#x02013;<lpage>47</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">9965552</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Krogh</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>The supply of oxygen to the tissues and the regulation of the capillary circulation</article-title>. <source>J Physiol.</source> (<year>1919</year>) <volume>52</volume>:<fpage>457</fpage>&#x02013;<lpage>74</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">16993410</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hwang</surname> <given-names>LP</given-names></name> <name><surname>Freed</surname> <given-names>JH</given-names></name></person-group>. <article-title>Dynamic effects of pair correlation functions on spin relaxation by translational diffusion in liquids</article-title>. <source>J Chem Phys</source>. (<year>1975</year>) <volume>63</volume>:<fpage>4017</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ziener</surname> <given-names>CH</given-names></name> <name><surname>Glutsch</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Jakob</surname> <given-names>PM</given-names></name> <name><surname>Bauer</surname> <given-names>WR</given-names></name></person-group>. <article-title>Spin dephasing in the dipole field around capillaries and cells: numerical solution</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2009</year>) <volume>80</volume>:<fpage>046701</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.80.046701</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19905476</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B43">
<label>43.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nadler</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Schulten</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Generalized moment expansion for the M&#x000F6;ssbauer spectrum of brownian particles</article-title>. <source>Phys Rev Lett.</source> (<year>1983</year>) <volume>51</volume>:<fpage>1712</fpage>&#x02013;<lpage>5</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B44">
<label>44.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Br&#x000FC;nger</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Peters</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Schulten</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Continuous fluorescence microphotolysis to observe lateral diffusion in membranes: theoretical methods and applications</article-title>. <source>J Chem Phys</source>. (<year>1985</year>) <volume>82</volume>:<fpage>2147</fpage>&#x02013;<lpage>60</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B45">
<label>45.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Baker</surname> <given-names>GA</given-names></name> <name><surname>Morris</surname> <given-names>PG</given-names></name></person-group>. <source>Pad&#x000E9; Approximants I, II</source>. <publisher-loc>Reading, MA</publisher-loc>: <publisher-name>Addison-Wesley</publisher-name> (<year>1981</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B46">
<label>46.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Schulten</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Br&#x000FC;nger</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Nadler</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Schulten</surname> <given-names>Z</given-names></name></person-group>. <source>Synergetics - From Microscopic to Macroscopic Order.</source> <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>1984</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B47">
<label>47.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Barsky</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>P&#x000FC;tz</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Schulten</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Theory of heterogeneous relaxation in compartmentalized tissues</article-title>. <source>Magn Reson Med</source>. (<year>1997</year>) <volume>37</volume>:<fpage>666</fpage>&#x02013;<lpage>75</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">9126940</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B48">
<label>48.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Koenig</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Ueber die Integration simultaner Systeme partieller Differentialgleichungen mit mehreren unbekannten Functionen</article-title>. <source>Math Ann</source>. (<year>1884</year>) <volume>23</volume>:<fpage>520</fpage>&#x02013;<lpage>6</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B49">
<label>49.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Householder</surname> <given-names>AS</given-names></name></person-group>. <source>The Numerical Treatment of a Single Nonlinear Equation</source>. <publisher-loc>New York, NY</publisher-loc>: <publisher-name>McGraw-Hill</publisher-name> (<year>1970</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B50">
<label>50.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jensen</surname> <given-names>JH</given-names></name> <name><surname>Chandra</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Yu</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>Quantitative model for the interecho time dependence of the CPMG relaxation rate in iron-rich gray matter</article-title>. <source>Magn Reson Med.</source> (<year>2001</year>) <volume>46</volume>:<fpage>159</fpage>&#x02013;<lpage>65</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mrm.1171</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">11443722</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B51">
<label>51.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Brooks</surname> <given-names>RA</given-names></name> <name><surname>Vymazal</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Bulte</surname> <given-names>JW</given-names></name> <name><surname>Baumgarner</surname> <given-names>CD</given-names></name> <name><surname>Tran</surname> <given-names>V</given-names></name></person-group>. <article-title>Comparison of T2 relaxation in blood, brain, and ferritin</article-title>. <source>J Magn Reson Imaging</source> (<year>1995</year>) <volume>5</volume>:<fpage>446</fpage>&#x02013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">7549209</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B52">
<label>52.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Muller</surname> <given-names>RN</given-names></name> <name><surname>Gillis</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Moiny</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Roch</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Transverse relaxivity of particulate MRI contrast media: from theories to experiments</article-title>. <source>Magn Reson Med.</source> (<year>1991</year>) <volume>22</volume>:<fpage>178</fpage>&#x02013;<lpage>82</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">1812343</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B53">
<label>53.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Stone</surname> <given-names>KC</given-names></name> <name><surname>Mercer</surname> <given-names>RR</given-names></name> <name><surname>Freeman</surname> <given-names>BA</given-names></name> <name><surname>Chang</surname> <given-names>LY</given-names></name> <name><surname>Crapo</surname> <given-names>JD</given-names></name></person-group>. <article-title>Distribution of lung cell numbers and volumes between alveolar and nonalveolar tissue</article-title>. <source>Am Rev Respir Dis.</source> (<year>1992</year>) <volume>146</volume>:<fpage>454</fpage>&#x02013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">1489139</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B54">
<label>54.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Baete</surname> <given-names>SH</given-names></name> <name><surname>De</surname> <given-names>Deene Y</given-names></name> <name><surname>Masschaele</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>De</surname> <given-names>Neve W</given-names></name></person-group>. <article-title>Microstructural analysis of foam by use of NMR R2 dispersion</article-title>. <source>J Magn Reson.</source> (<year>2008</year>) <volume>193</volume>:<fpage>286</fpage>&#x02013;<lpage>96</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmr.2008.05.010</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18534878</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B55">
<label>55.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lauwers</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Cassot</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Lauwers-Cances</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Puwanarajah</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Duvernoy</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>Morphometry of the human cerebral cortex microcirculation: general characteristics and space-related profiles</article-title>. <source>Neuroimage</source> (<year>2008</year>) <volume>39</volume>:<fpage>936</fpage>&#x02013;<lpage>48</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neuroimage.2007.09.024</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17997329</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B56">
<label>56.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dickson</surname> <given-names>JD</given-names></name> <name><surname>Ash</surname> <given-names>TW</given-names></name> <name><surname>Williams</surname> <given-names>GB</given-names></name> <name><surname>Sukstanskii</surname> <given-names>AL</given-names></name> <name><surname>Ansorge</surname> <given-names>RE</given-names></name> <name><surname>Yablonskiy</surname> <given-names>DA</given-names></name></person-group>. <article-title>Quantitative phenomenological model of the BOLD contrast mechanism</article-title>. <source>J Magn Reson.</source> (<year>2011</year>) <volume>212</volume>:<fpage>17</fpage>&#x02013;<lpage>25</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmr.2011.06.003</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21782488</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B57">
<label>57.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jensen</surname> <given-names>JH</given-names></name> <name><surname>Chandra</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <article-title>MR imaging of microvasculature</article-title>. <source>Magn Reson Med</source>. (<year>2000</year>) <volume>44</volume>:<fpage>224</fpage>&#x02013;<lpage>30</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/1522-2594(200008)44:2&#x0003C;224::AID-MRM9&#x0003E;3.0.CO;2-M</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10918321</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B58">
<label>58.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ziener</surname> <given-names>CH</given-names></name> <name><surname>Kampf</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Kurz</surname> <given-names>FT</given-names></name></person-group>. <article-title>Diffusion propagators for hindered diffusion in open geometries</article-title>. <source>Concepts Magn Reson Part A</source> (<year>2015</year>) <volume>44</volume>:<fpage>150</fpage>&#x02013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/cmr.a.21346</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B59">
<label>59.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ziener</surname> <given-names>CH</given-names></name> <name><surname>Kampf</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Jakob</surname> <given-names>PM</given-names></name> <name><surname>Bauer</surname> <given-names>WR</given-names></name></person-group>. <article-title>Diffusion effects on the CPMG relaxation rate in a dipolar field</article-title>. <source>J Magn Reson.</source> (<year>2010</year>) <volume>202</volume>:<fpage>38</fpage>&#x02013;<lpage>42</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmr.2009.09.016</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19853483</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B60">
<label>60.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kurz</surname> <given-names>FT</given-names></name> <name><surname>Kampf</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Buschle</surname> <given-names>LR</given-names></name> <name><surname>Schlemmer</surname> <given-names>HP</given-names></name> <name><surname>Heiland</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Bendszus</surname> <given-names>M</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Microstructural analysis of peripheral lung tissue through CPMG inter-echo time R2 dispersion</article-title>. <source>PLoS ONE</source> (<year>2015</year>) <volume>10</volume>:<fpage>e0141894</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pone.0141894</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">26544068</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B61">
<label>61.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ziener</surname> <given-names>CH</given-names></name> <name><surname>Kampf</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Melkus</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Herold</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Weber</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Reents</surname> <given-names>G</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Local frequency density of states around field inhomogeneities in magnetic resonance imaging: effects of diffusion</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2007</year>) <volume>76</volume>:<fpage>031915</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.76.031915</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17930279</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B62">
<label>62.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kampf</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Helluy</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Gutjahr</surname> <given-names>FT</given-names></name> <name><surname>Winter</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Meyer</surname> <given-names>CB</given-names></name> <name><surname>Jakob</surname> <given-names>PM</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Myocardial perfusion quantification using the T<sub>1</sub>-based FAIR-ASL method: the influence of heart anatomy, cardiopulmonary blood flow and look-locker readout</article-title>. <source>Magn Reson Med.</source> (<year>2014</year>) <volume>71</volume>:<fpage>1784</fpage>&#x02013;<lpage>97</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mrm.24843</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23836533</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B63">
<label>63.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Buschle</surname> <given-names>LR</given-names></name> <name><surname>Kurz</surname> <given-names>FT</given-names></name> <name><surname>Kampf</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Triphan</surname> <given-names>SM</given-names></name> <name><surname>Schlemmer</surname> <given-names>HP</given-names></name> <name><surname>Ziener</surname> <given-names>CH</given-names></name></person-group>. <article-title>Diffusion-mediated dephasing in the dipole field around a single spherical magnetic object</article-title>. <source>Magn Reson Imaging</source> (<year>2015</year>) <volume>33</volume>:<fpage>1126</fpage>&#x02013;<lpage>45</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mri.2015.06.001</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">26133269</pub-id></citation>
</ref>
</ref-list>
<app-group>
<app>
<title>Appendices</title>
<sec>
<title>Appendix A</title>
<p>To determine the eigenvalues in Equation (17), we must find the roots of the function</p>
<disp-formula id="E58"><label>(A1)</label><mml:math id="M81"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mroot><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mroot></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mroot><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mroot></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The derivatives of the spherical Bessel functions <italic>j</italic><sub>2</sub> and <italic>y</italic><sub>2</sub> can be expanded in a Taylor series for small arguments of &#x003BA;<sub><italic>n</italic></sub> and, thus, an expression for small arguments of <italic>f</italic>(&#x003BA;<sub><italic>n</italic></sub>) is given as</p>
<disp-formula id="E59"><label>(A2)</label><mml:math id="M82"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>6</mml:mn><mml:mn>5</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>4</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>18</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>5</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The first zero of Equation (A1) then approximates the first zero of Equation (17) as</p>
<disp-formula id="E60"><label>(A3)</label><mml:math id="M83"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>126</mml:mn><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>5</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>18</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>7</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:msup><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>3</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>see also Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref> and Equation (A16) in Ziener et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B61">61</xref>].</p>
</sec>
<sec>
<title>Appendix B</title>
<p>In the monoexponential approximation (<italic>N</italic> &#x0003D; 1) or (1, 1)-GMA, only two generalized moments have to be taken into account and Equation (33) reduces to</p>
<disp-formula id="E61"><label>(B1)</label><mml:math id="M84"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>with</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;&#x02009;</mml:mtext><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The first ratio &#x003C4;&#x003BC;<sub>0</sub>/&#x003BC;<sub>&#x02212;1</sub> &#x0003D; &#x003C4;/&#x003C4;<sub>&#x02212;1</sub> is determined in the (1, 1)-GMA that can be regarded as the &#x0201C;mean correlation time approximation,&#x0201D; since, for <italic>m</italic> &#x0003D; &#x02212;1, 0, <italic>f</italic><sub>(1, 1)</sub> &#x0003D; &#x003BC;<sub>0</sub>, &#x00393;<sub>(1, 1)</sub> &#x0003D; 1/&#x003C4;<sub>&#x02212;1</sub> and with Equation (27)</p>
<disp-formula id="E62"><label>(B2)</label><mml:math id="M85"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:msubsup><mml:mtext>d</mml:mtext></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>P</italic><sub><italic>c</italic></sub>(<italic>t</italic>) &#x0003D; &#x02212;&#x02202;<sub><italic>t</italic></sub><italic>K</italic>(<italic>t</italic>)/<italic>K</italic>(0) and &#x003C4;<sub>&#x02212;1</sub> represents a &#x0201C;mean correlation time.&#x0201D; This is in analogy to the &#x0201C;mean relaxation time approximation&#x0201D; in nuclear spin dephasing [<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B62">62</xref>]. While considering the two high-frequency moments &#x003BC;<sub>0</sub> and &#x003BC;<sub>1</sub>, the corresponding (2, 0)-GMA with <italic>f</italic><sub>(2, 0)</sub> &#x0003D; &#x003BC;<sub>0</sub> and &#x00393;<sub>(2, 0)</sub> &#x0003D; &#x003BC;<sub>1</sub>/&#x003BC;<sub>0</sub> &#x0003D; 1/&#x003C4;<sub>0</sub> describes the short time behavior of <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) whereas the (0, 2)-GMA with the two low-frequency moments &#x003BC;<sub>&#x02212;2</sub> and &#x003BC;<sub>&#x02212;1</sub> and parameters <inline-formula><mml:math id="M86"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and &#x00393;<sub>(0, 2)</sub> &#x0003D; &#x003BC;<sub>&#x02212;1</sub>/&#x003BC;<sub>&#x02212;2</sub> &#x0003D; 1/&#x003C4;<sub>&#x02212;2</sub> is a measure for the long time behavior. Since the MCTA is an approximation of the dynamic monoexponentially decaying correlation function, the deviation in Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref> of the first ratio &#x003C4;/&#x003C4;<sub>&#x02212;1</sub> reflects a strongly decaying non-exponential correlation function.</p>
<p>It is useful to define monoexponential functions <italic>K</italic><sub><italic>i</italic></sub>(<italic>t</italic>) for arbitrary successive moments as</p>
<disp-formula id="E63"><label>(B3)</label><mml:math id="M87"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mtext>e</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where the index <italic>i</italic> &#x0003D; 1 uses only the lowest high and low frequency moment and indices <italic>i</italic> &#x02264; 0 only high and indices <italic>i</italic> &#x02265; 2 only low frequency moments, respectively. In Figures <xref ref-type="fig" rid="F4">4A</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">5A</xref>, the time evolution of the functions <italic>K</italic><sub><italic>i</italic></sub>(<italic>t</italic>) is exemplified for both spherical and cylindrical objects, respectively (see below). With Koenig&#x00027;s theorem we find that <inline-formula><mml:math id="M88"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>lim</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">L</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <italic>K</italic><sub>L</sub> is given in Equation (20).</p>
</sec>
<sec>
<title>Appendix C</title>
<p>The relaxivity of particulate MR contrast media was examined in Muller et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B52">52</xref>] to obtain the set of approximate parameters <italic>R</italic><sub>i</sub> &#x0003D; 50nm, &#x003B4;&#x003C9; &#x0003D; 34&#x000B7;10<sup>6</sup>s<sup>&#x02212;1</sup>, &#x003B7; &#x0003D; 2&#x000B7;10<sup>&#x02212;6</sup>, <italic>D</italic> &#x0003D; 2.3&#x000B7;10<sup>&#x02212;9</sup>m<sup>2</sup>s<sup>&#x02212;1</sup>, and &#x003C4; &#x0003D; 1.09&#x000B7;10<sup>&#x02212;6</sup>s for iron-oxide nanoparticle suspensions. This extreme example of a very short correlation time was chosen to demonstrate the coincidence of mono- and bi-exponential approximations of the correlation function, as shown in Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6A</xref>. The biexponential approximations <italic>K</italic><sub>(1, 3)</sub>(<italic>t</italic>) and <italic>K</italic><sub>(2, 2)</sub>(<italic>t</italic>) then practically coincide with the respective monoexponential approximations <italic>K</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>) and <italic>K</italic><sub>0</sub>(<italic>t</italic>), as anticipated.</p>
<p>The influence of magnetic susceptibility properties of peripheral lung tissue with near-spherical air-containing alveoli on MR signal decay was examined recently, see e.g. [<xref ref-type="bibr" rid="B60">60</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B63">63</xref>]. For a typical set of parameters with <italic>R</italic><sub>i</sub> &#x0003D; 150 &#x003BC;m, &#x003B4;&#x003C9; &#x0003D; 1500 s<sup>&#x02212;1</sup>, &#x003B7; &#x0003D; 0.85, <italic>D</italic> &#x0003D; 1&#x000B7;10<sup>&#x02212;9</sup>m<sup>2</sup>s<sup>&#x02212;1</sup> (&#x003C4; &#x0003D; 22.5 s) [<xref ref-type="bibr" rid="B53">53</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B54">54</xref>], the correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>) is shown with mono- and bi-exponential approximations in Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6B</xref>. In this case of a very long correlation time, mono- and bi-exponential approximations coincide completely with the numerically obtained correlation function <italic>K</italic>(<italic>t</italic>), with the exception of <italic>K</italic><sub>0</sub>(<italic>t</italic>).</p>
</sec>
</app>
</app-group>
</back>
</article>