实验62脉冲核磁共振
脉冲核磁共振实验报告
脉冲核磁共振实验报告脉冲核磁共振实验报告导言：脉冲核磁共振（NMR）技术是一种非常重要的实验手段，它在化学、物理、生物等领域都有广泛的应用。
本次实验旨在通过脉冲核磁共振实验，探索其原理和应用，并通过实验结果分析，深入理解核磁共振的基本概念和方法。
一、实验原理核磁共振是基于原子核的自旋性质而产生的一种现象。
当物质处于外加磁场中时，原子核会产生自旋进动，这种进动会产生一个旋转磁矩。
而当外加射频脉冲作用于样品时，会导致核磁矩的翻转，进而引起核磁共振信号的产生。
二、实验步骤1. 样品准备：选择适当的样品，将其溶解在合适的溶剂中，并放置在核磁共振仪器中。
2. 参数设置：设置外加磁场的强度和方向，调整射频脉冲的频率和幅度。
3. 信号采集：开始采集核磁共振信号，记录下信号的幅度和频率。
4. 数据处理：通过对采集到的信号进行傅里叶变换，得到核磁共振谱图。
5. 结果分析：根据谱图的特征，分析样品中的成分和结构。
三、实验结果与讨论通过实验，我们得到了样品的核磁共振谱图。
根据谱图的特征，我们可以得到样品中各个成分的化学位移和相对含量。
同时，通过核磁共振谱图的峰形和峰面积，我们还可以得到样品中各个原子核的耦合关系和化学环境。
在实验中，我们还可以通过改变外加磁场的强度和方向，观察核磁共振信号的变化。
这样可以进一步了解样品中原子核的自旋性质和相互作用规律。
此外，核磁共振技术还可以应用于生物医学领域。
通过核磁共振成像（MRI），可以对人体内部结构进行非侵入性的观察和诊断。
这种无辐射、无损伤的成像技术已经成为现代医学中不可或缺的工具。
四、实验中的注意事项在进行脉冲核磁共振实验时，需要注意以下几点：1. 样品的纯度和浓度对实验结果有较大影响，因此在实验前应对样品进行充分的处理和检测。
2. 外部磁场和射频脉冲的设置需要精确控制，以保证实验的可靠性和准确性。
3. 在实验过程中，需要避免样品受到振动和温度变化的干扰，以免影响信号的稳定性和准确性。
物理实验报告_连续和脉冲核磁共振
物理实验报告_连续和脉冲核磁共振本次实验旨在通过连续核磁共振实验和脉冲核磁共振实验来研究核磁共振现象和多种核磁共振信号的产生情况。
本文将分别从实验原理、实验步骤和实验结果三个方面详细介绍两种核磁共振实验的实验流程及其分析结果。
1.实验原理连续核磁共振实验的基本原理是通过一个强恒定的磁场和一个垂直于磁场的交变磁场来激发样品中的核磁共振信号。
在磁场中，核的自旋矢量会绕着磁场方向发生进动运动，并以拉莫尔频率（Larmor frequency）出现在旋转平面上。
当交变磁场的频率与拉莫尔频率相同时，就会引发核磁共振信号。
这样，我们就可以通过接收和分析样品中的核磁共振信号来研究样品的结构和组成。
2.实验步骤本次连续核磁共振实验的实验步骤如下：（1）将氢气均匀地填充于NMR探头中心的玻璃管内，并在器皿内填充液氮。
控制样品温度在77K的液氮温度下，以使样品的运动减缓，增加共振信号的稳定性。
（2）将探头放置于主磁场中，使氢核自旋的磁矩方向垂直于主磁场方向，并加上弱交变磁场。
（3）调整探头位置，使得共振信号的幅度最大。
此时，从光谱仪上的频率读数可以得到氢核的拉莫尔频率。
（4）使用跟踪放大器进行信号放大和混频处理，并将处理后的信号导入计算机进行谱图显示和分析。
3.实验结果实验结果显示，在该实验中，我们成功地获得了氢核的核磁共振信号，并通过实验数据分析得到了氢核的拉莫尔频率。
同时，我们还观察到样品温度对共振信号的影响，即样品温度降低时，共振信号的幅度和清晰度都有所提高。
这说明，低温环境有助于增加共振信号的分辨率，并提高实验测量的准确性。
脉冲核磁共振实验的基本原理是通过两个导频圆柱，在样品中产生一个强磁场和一个脉冲磁场，以研究不同的核磁共振信号的产生情况。
在实验中，我们可以使用不同的脉冲序列来激发样品中不同的核磁共振信号，进而研究样品的结构和成分。
脉冲核磁共振实验自由衰减信号分析
解其 实质 。 在实践教学 中进一步发现学生对核磁矩在外磁场 及 周围环境 作用下 的运 动规律掌握得不好 因而难 以理解 自 由衰减信号的形成 ， 以笔者从布洛赫方程 出发分析 自由衰 所
减信号的形成 ，以加深学 生对脉冲核磁技术的理 解。
维普资讯
第２ ８卷 第 ４ 期
２０ ０７年 ４月
湖 南 科 技 学 院 学报
Ｊ ｒ ａｌ ｆＨｕ ｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏｆＳｃｅ ｅａ ｄ Ｅｎｇｎｅ ｒｎｇ ｏｕ ｎ ｎａ ｉ ｅ ｓｔ ｏ ｙ ｉｎｃ ｎ ｉ ｅｉ
态 ，驰 豫作用发 生，但当脉 冲作用时间远远小于驰豫时 间， 则在脉 冲作用时驰豫作用可以忽略，脉冲作用期间 的运
样 品在稳恒磁场 Ｂ ＝Ｂ ，Ｂ ｏ ：Ｂ ＝０中，每个 元磁 矩 将受到磁力矩 的作用 ，它的运动遵守布洛赫方程（ ２ ）
＝ Ｂ－ｙ ） ｒｚ ／ ｚ ｙ． ＝ １ Ｂ
图 １脉 冲核 磁共 振 实验 装 置
ｌ ｉ 【 一 一
’
图 ２ 自由衰信 号的形 成
整个核磁 矩系统处于热平衡状态 。 脉冲发生器产生射频脉冲 Ｂ 时 ，由脉冲高低 电频控制 的开关放大器接通脉冲发生器
和探头使 作用于样品 ，Ｂ 垂直于 ，样品从 中吸收
用停止后探头感应 到的 自由衰感信号 ， 多数教材又 只定性用
２ 实验 装置及 实验 基本 原理
样 品在探头中心的试管中， 垂直恒定磁场 ， 样品核磁 矩在 的磁力矩作用下产生附加能量发生塞曼能级分裂 ，
磁场信息 ， 并通过开关放大器 传到变频器 ， 变频器将感应信 号变频送至示波器输 出，这 就是 自由衰减信号 。
脉冲-核磁共振实验-13页
脉冲核磁共振实验核磁共振技术来源于1939年美国物理学家拉比（I.I.Rabi ）所创立的分子束共振法，他使用这种方法首先实现了核磁共振这一物理思想，精确德测定了一些原子核的磁矩，从而获得了1944年度的诺贝尔物理奖.此后,磁共振技术迅速发展,经历了半个多世纪的而长盛不衰,孕育了多个诺贝尔奖获得者,它还渗透到化学、生物、医学、地学和计量等学科领域,以及众多的生产技术部门,成为分析测试中不可缺少的实验手段.所谓核磁共振,是指磁矩不为零的原子核处于恒定磁场中,由射频或者微波电磁场引起塞曼能级之间的共振跃迁现象.核磁共振现象具有其特点,因此,我们先介绍一些核磁共振的基础知识.一、核磁共振基础知识1． Bloch 方程:1946年Bloch 采用正交线圈感应法观察水的核磁共振信号后就根据经典理论力学推导出Bloch 方程建立核磁共振的唯象理论。
长久以来大量的实验表明Bloch 方程在液体中完全精确，同时还发现Bloch 方程在其他能级跃迁理论也高度吻合，比如激光的瞬态理论中Bloch 方程同样适用。
所以Bloch 方程已经超越了半经典的陀螺模型，现在已经推广到磁共振以外的能级跃迁系统。
在激光物理中采用密度矩阵和Maxwell 方程组推导出Bloch 方程又称为Maxwell-Bloch 方程(有的书称为FHV 表象理论)。
所以Bloch 方程促进了量子力学的发展是非常重要的公式。
由于Maxwell-Bloch 方程推导涉及高等量子力学和量子电动力学等复杂的理论和繁琐的数学基础所以本文采用Bloch 半经典的唯象理论。
（1）半经典理论:将原子核等效为角动量为 L 的陀螺和具有磁矩为L γμ=磁针。
其中γ称为旋磁比。
原子核在外磁场作用下受到力矩 B T⨯=μ (1)并且产生附加能量B E⋅=μ (2)根据陀螺原理 T dt L d=和Lγμ=得B dtd⨯=μγμ(3) 其分量式)()()(y x x y zx z z x y z y y Z xB B dtd B B dt d B B dt d μμγμμμγμμμγμ-=-=-= (4)（2）驰豫过程:驰豫过程是原子核的核磁矩与物质相互作用产生的。
实验6-2 脉冲核磁共振
4．用反向恢复法（
（
）和饱和恢复法
2
）测量T1有何区别？ 2 2
5．核磁化矢量M的 倾角由什么参数决定？对FID信号
有何影响？如何确定M翻转了 或 900 ？ 0 180
参考文献
[1] 晏于模 王魁香，近代物理实验，实验三十四， 吉林大学出版社1995 [2] 吕斯骅 段家忯，新编基础物理实验，实验六十 二，高等教育出版社，2006 [3] 杨桂林 江兴方 柯善哲，近代物理，第十五章， 科学出版社，2004 [4] 杨文修 李正明，生物医学物理概论（M），天 津科技翻译出版公司 [5] Advanced Laboratory Manual,Pulse NMR,Harvard University,2002
（四）化学位移测量（二甲苯的化学位移）
利用核磁共振成像装置测量二甲苯的化学位移
利用核磁共振成像装置测量酒精的化学位移
思考题：
1．试分析纵向弛豫和横向弛豫的物理含义。 2．T2和T1的测量在实验方法上有何不同？ 3．磁场的不均匀对弛豫时间的测量有何影响？采用什么 办法可消除磁场不均匀对测量带来的影响？
（b）开始散相
（c）散相
M0
（d）Mxy分量减小
（e）逐渐向平衡态过渡
（f）回复到平衡态
弛豫过程示意图
（二）自由感应衰减（FID） 核自旋系统的磁化矢量M在沿z轴的恒磁场B0中作拉 莫尔进动，进动角频率为
0 B0
若在平面内加上一个脉冲射频场B1，其角频率为
1
，并满足核磁共振条件
1 0 B0
振实验更为精确和直接的手段。
一、实验原理 （一）弛豫时间
纵向弛豫，用弛豫时间T1表征：
近代物理实验报告—连续与脉冲核磁共振
（1）实验装置
脉冲核磁共振仪的结构简图如图7所示，主要由永磁铁、匀场线圈、射频脉冲发生器、射频探头和信号采集系统组成。
图7脉冲核磁共振仪的结构
（2）工作原理
在求解布洛赫方程的稳态解过程中引入一个角频率为 的旋转坐标系中，设某时刻，在垂直于 方向上施加一射频磁脉冲 ，其脉冲宽度满足 。在施加脉冲前， 处在热平衡状态，方向与z轴重合；施加脉冲后， 以角频率 绕 轴进动。 转过的角度 称作倾倒角。脉冲宽度恰好使 或 ，称这种脉冲为90°或180°脉冲。
图1磁矩在恒定外磁场中的进动图2 在转动的坐标系下的进动 图3在实验室坐标系看 的运动
（2） 在随时间变化的磁场中的运动
除了在z方向上加了 外，我们在x-y方向上加了以 转动的磁场 。经过计算，我们发现在转动的坐标系中有效磁场是一个静止磁场，因此我们可以认为 在绕 进动如图2。我们可以理解为绝对运动等于相对运动叠加牵连运动，若 按照 转动且 ≤ ，则 讲一方面绕z转动另一方面绕x作进动如图3，可以看作是一个锥面有球的顶点展开最后收回到球的下顶点。
带入旋磁比 式可得： （7）
显然，磁矩的运动与所处磁场的性质有关。
（1） 在静磁场中的运动
设外加磁场 ，令 ，可以得到（7）式的解：
（8）
其中 为 与 的夹角，是由初始条件决定的常数，由此可见，在外加静磁场 作用下，总磁矩 绕静磁场进动，进动角频率即拉摩频率 。 与 无关， 确定后 在x-y平面上的投影 和在z轴上的投影 都是常数，如图1所示。
是自旋体系与环境相互作用时的速度量度， 的大小主要依赖于样品核的类型和样品状态，所以对 的测定可知样品核的信息。
4、布洛赫方程和其稳态解
布洛赫假设磁场和核自旋体系的自发弛豫两者独立地堆宏观磁化强度 发生作用，从而导出了布洛赫方程:
脉冲核磁共振实验常见问题解答
脉冲核磁共振实验常见问题解答脉冲核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）是一种利用原子核磁矩与外磁场相互作用的物理现象来研究物质性质的方法。
它广泛应用于化学、生物学、医学等领域，并被认为是现代科学的重要工具之一。
在进行脉冲核磁共振实验时，研究者常常会遇到一些问题。
本文将为大家解答一些脉冲核磁共振实验中常见的问题。
1. 为什么在脉冲核磁共振实验中需要使用强磁场？脉冲核磁共振实验中需要使用强磁场的原因有两个。
首先，强磁场可以使原子核的磁矩相互排列，从而使得实验结果更稳定。
其次，强磁场可以增强原子核的磁矩与外磁场的相互作用，使得实验信号更明显，提高实验的灵敏度。
2. 为什么在脉冲核磁共振实验中需要使用脉冲？脉冲的使用是为了改变原子核的磁矩方向，并观察其回复到平衡位置的过程。
通过施加特定的脉冲序列，可以实现对原子核磁矩的操控，进而研究样品的性质。
脉冲的作用类似于在波浪中扔入石子，产生了干涉现象。
通过精确控制脉冲形状和频率，可以提取出样品中的各种信息。
3. 为什么脉冲核磁共振实验的结果需要经过傅里叶变换？脉冲核磁共振实验直接获得的是时域信号，即随时间变化的信号。
然而，要获得有关原子核化学位移或耦合常数等信息，需要将时域信号转换为频域信号。
傅里叶变换是将信号从时域转换为频域的数学工具，通过进行傅里叶变换，可以将时域信号转换为频域谱图，更直观地观察和分析实验结果。
4. 为什么脉冲核磁共振实验需要使用空白样品？空白样品是指不含要研究物质的纯溶剂。
在脉冲核磁共振实验中，空白样品可以提供对比参照，用来校正仪器的偏差和噪音。
它通常由溶剂本身构成，而该溶剂中没有待研究物质，这样可以减少对实验结果的影响，更准确地获得待研究物质的核磁共振信号。
5. 为什么脉冲核磁共振实验中需要对样品进行加热？加热样品可以提高样品分子的动力学平衡，加速样品分子运动，从而使得实验信号更清晰、稳定。
此外，加热还能够改善样品的溶解度，提高实验的灵敏度。
(完整word版)核磁脉冲实验报告
东 北 大 学 秦 皇 岛 分 校实 验 报 告班级________姓名________学号_______实验日期___________ 实验台号：_________________________ 同组人：__________实验名称：脉冲核磁共振实验一、【实验目的】1.了解脉冲核磁共振的基本实验装置和基本物理思想，学会用经典矢量模型方法解释脉冲核磁共振中的一些物理现象。
2.用自由感应衰减法测量表观横向弛豫时间*2T ，分析磁场均匀度对信号的影响。
3.用自旋回波法测量不同样品的横向弛豫时间2T 。
4.用反转恢复法测量不同样品的纵向弛豫时间1T 。
5.调节磁场均匀度，通过傅里叶变换测量样品的化学位移。
6.测量不同浓度硫酸铜溶液中氢原子核的横向弛豫时间2T 和纵向弛豫时间1T ，测定其随CuSO 4浓度的变化关系。
（选做）二、【实验原理】核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。
它是测定原子的核磁矩和研究核结构的直接而又准确的方法，也是精确测量磁场的重要方法之一。
下面我们以氢核为主要研究对象，以此来介绍核磁共振的基本原理和观测方法。
氢核虽然是最简单的原子核，但它是目前在核磁共振应用中最常见和最有用的核。
三、【脉冲核磁共振】1.射频脉冲磁场瞬态作用实现核磁共振的条件：在一个恒定外磁场B 作用下，另在垂直于B 的平面（x ，y 平面）内加进一个旋转磁场1B ,使1B 转动方向与μ的拉摩尔进动同方向，见图3-1。
如1B 的转动频率ω与拉摩尔进动频率0ω相等时，μ会绕0B 和1B 的合矢量进动，使 μ与0B的夹角θ发生改变,θ增大,核吸收1B 磁场的能量使势能增加。
如果1B 的旋转频率ω与0ω不等，自旋系统会交替地吸收和放出能量，没有净能量吸收。
因此能量吸收是一种共振现象，只有1B 的旋转频率ω与0ω相等时才能发生共振。
图3-1 拉摩尔进动 图3-2 直线振荡场旋转磁场1B 可以方便的由振荡回路线圈中产生的直线振荡磁场得到。
脉冲核磁共振NMR实验简介
离Z方向，同时出现横向磁化分量，射频停止后，恢 复到平衡状态。 不同的组织成分的弛豫时间不同。
5.FID信号 在弛豫过程中，横向磁化矢量分量与放置的线圈有相
对作用，使线圈内产生感应电动势为：
V (t) M0 sin cos(w0t)et /T2*
上式说明核磁共振的信号是一个自由衰减信号 （FID Free Induction Decay信号）
复旦大学 物理教学实验中心列 参数设置
射频单元 梯度单元
磁体单元
3.核磁共振
射频脉冲的能量为 ERF h ，当
E ERF
即
B0 2
，此时发生核磁共振现象
扫场/扫频
90°脉冲激发前后微观和宏观磁化矢量的变化
4.弛豫过程 自旋核子群受到射频激励后，磁化矢量失去平衡，偏
宏观磁化弛豫轨迹
FID信号
硬脉冲FID序列 硬脉冲
参数设置
频率接近共振时的信号
FFT
频率达到共振时的信号
FFT
RG：增益调整
增益分为四档，需要根据实际情况进行选择。
汪红志, 张学龙, 武杰. 核磁共振成像技术实验教程. 科 学出版社,2008年1月.
戴乐山, 戴道宣. 近代物理实验. 高等教育出版社,2006 年7月.
脉冲核磁共振实验报告
脉冲核磁共振实验报告一、实验报告简介脉冲核磁共振实验可是相当有趣的呢，就像我们去探索一个神秘的微观世界一样。
这个实验能让我们对原子核的一些特性有更深刻的了解。
二、实验目的1. 我们就是想通过这个实验来掌握脉冲核磁共振的基本原理呀。
这原理就像是一把钥匙，能打开理解原子核自旋特性的大门呢。
2. 还有就是要学会使用相关的仪器设备，那些仪器就像是我们探索微观世界的小助手，每个按钮、每个功能都得摸透。
3. 能够准确地测量出一些关键的物理量，比如说共振频率啦，弛豫时间这些，这些数据就像是密码，能让我们更好地解读原子核的小秘密。
三、实验仪器1. 核磁共振仪那可是主角，它长得就像一个精密的小盒子，上面有好多的旋钮和显示屏，每个部分都有它独特的功能，可不能小瞧。
2. 还有样品管，就像一个小小的容器，把我们要研究的样品放在里面，就像是给原子核们安了个小家。
3. 射频发生器，这就像是一个信号小喇叭，不停地向样品发送射频信号，来激发原子核的反应。
四、实验原理1. 原子核的自旋就像小陀螺一样在那不停地转着，当我们施加一个合适的外部磁场时，这些小陀螺就会按照一定的规律排列起来，就像一群听话的小士兵。
2. 然后我们再用射频脉冲去干扰它们，这就像是给小士兵们下达了新的指令，它们就会产生共振现象，就像一起欢呼起来一样。
3. 共振之后呢，原子核又会慢慢地恢复到原来的状态，这个过程就是弛豫过程，有纵向弛豫和横向弛豫之分，就像是小士兵们从兴奋状态慢慢平静下来的不同方式。
五、实验步骤1. 首先得准备好样品，把样品小心地放进样品管里，就像把宝贝放进小盒子一样，要保证样品均匀分布。
2. 然后把样品管放到核磁共振仪里，就像是把宝贝送到了它的专属小屋里。
3. 打开仪器，先对仪器进行一些基本的设置，比如磁场强度啦，射频频率范围这些，就像给仪器做个热身运动。
4. 接下来发送射频脉冲，这时候就要盯着显示屏看啦，看那些跳动的数字和曲线，就像看一场精彩的表演。
南开大学近代物理实验目录
编者的话高校理科物理类专业（四年制）近代物理实验教学基本要求第一章随机误差及其几种主要分布1 随机误差及其几种主要分布2蒙特卡罗方法第二章核物理实验实验2－1 盖革－弥勒计数器及核衰变的统计规律实验2－2闪烁计数器及γ能谱测量实验2－3符合测量实验2－4相对论电子的动能与动量关系的测量第三章原子物理实验实验3－1密立根油滴实验实验3－2夫兰克-赫兹实验实验3－3氢的同位素光谱实验3－4斯特恩-盖拉赫实验实验3－5塞曼效应第四章光学类实验实验4－1光弹性效应实验4－2傅里叶变换光谱实验4－3 光速实验Ⅰ：声光调制和光速测量实验4－4光速实验Ⅱ：光速和介质折射率的测量实验4－5 电光调制器特性的测试实验4－6法拉第效应实验4－7光电混合型光学双稳态实验4－8光子计数实验Ⅰ：单光子计数实验4－9光子计数实验Ⅱ：时间分辨光子计数实验系统实验4－10荧光光谱第五章X射线和电子衍射实验实验5－1粉末照相法实验5－2劳厄照相法实验5－3 电子衍射实验第六章磁共振实验实验6－1核磁共振实验6－2 脉冲核磁共振实验6－3 光泵磁共振第七章微波实验实验7－1 微波基础实验实验7－2 微波电子自旋共振第八章真空镀膜实验实验8－1 离子溅射镀膜第九章高等物理实验实验9－1 晶体光折变效应与光学存储实验9－2 新型散射现象及其应用实验9－3 晶格振动拉曼光谱在宝石鉴定中的应用实验9－4 高压相变的光学显微镜观察实验9－5 光通信实验实验9－6 光纤光栅传感实验实验9－7 掺铒光纤放大器实验9－8 电光小角度传递与检测实验9－9 微弱信号检测和锁相放大器实验9－10基于PoweLab数据采集分析系统的生理信号分析实验9－11 基于LabVIEW的人体心电信号采集程序开发实验9－12液氮区超导体电特性和磁特性的观察和测量实验9－13激光多普勒（LDV)法测量流体速度实验9－14CCD原理及其应用实验9－15彩色编码摄影及光学/数字彩色图像解码实验实验9－16扫描隧道显微镜（STM）附录附录一中华人民共和国法定计量单位附录二基本物理常量表附录三x射线实验技术基础理论附录四历年诺贝尔物理学奖简介（1901－2005）。
脉冲核磁共振实验
脉冲核磁共振核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，简称NMR）现象是1946年由F.Bloch和和M.Purcell同时独立发现的，它是核磁矩在静磁场中被磁化后与特定频率的射频场产生共振吸收的现象。
吸收能量后的自旋核与周围物质相互作用并以相同频率的射频辐射形式退激，共振频率和退激的时间特性（弛豫时间）与物质的种类、物质的结构和物质所处的环境有关，据此可以测定物质的结构。
核磁共振目前己广泛用于物理、化学、生物、医学、石油勘探等领域，形成了一门核磁共振波谱学。
目前大学“近代物理”课程的“稳态核磁共振”实验主要介绍核磁共振的基本概念，在该实验中射频场是始终存在的，当扫描磁场达到共振频率ν=γB/2π时才能观察到核磁共振信号，这种方法称为稳态核磁共振实验。
另一种是用脉冲射频场作用于核系统上，检测核系统对脉冲的响应，并利用快速傅里叶变换（FFT）技术将时域信号变换成频域信号。
这种方法称为脉冲核磁共振。
目前绝大部分核磁共振谱仪和磁共振成像仪都以脉冲核磁共振技术为基础，因此教学上也要让学生了解，“近代物理”课程也应添加“脉冲核磁共振”实验的内容。
本仪器就是为此种需求而设计生产的，并称为脉冲核磁共振教学仪（教学型），可做以下实验：FID信号的观察、脉冲角度的设置、共振中心频率的校准、自旋回波信号的观察、纵向弛豫时间T1、横向弛豫时间T2的测量，以及观察化学位移现象。
实验原理核具有自旋角动量p，根据量子力学p的取值为：p=ħ)1(II (1)式中ħ=h/2π，h为普朗克常数，I为自旋量子数，其取值为整数或半整数即0,1,2,…或1/2,3/2,…。
若原子质量数A为奇数，则自旋量子数I为半整数，如1H(1/2), 15N(1/2),17O(5/2), 19F(1/2)等；如A为偶数,原子序数Z为奇数，I取值为整数，如21H(1), 147N(1), 105B(3)等；当A、Z均为偶数时I则为零，如126C, 168O等。
脉冲核磁共振
反转恢复法测量 T1原理图→
三、实验内容
硬脉冲cpmg测T2
三、实验内容
核磁共振成像实例
数据采集实况
K空间图像
2维图像
数据采集实况
2维图像
伪彩色图像
三、实验内容
核磁共振成像
对于红豆和油样品的成像
Slice=0：纵截面成像
Slice=1：横截面成像
三、实验内容
X方向梯度（0至100，步幅20）
二、实验原理
梯度场 数据采 频率相
选层
集 位编码
k空间 成像
傅里叶 变换获 取图像
三、实验内容
❖ 测量中心频率
FFT变换后显示实部数据
FFT变换后显示模谱数据
三、实验内容
控制射频幅度大小
采样频率 数字滤波器的截止频率
中心主频率
ห้องสมุดไป่ตู้
控制射频时间大小
频率偏移
90°与180°脉冲间隔 （相位编码时间）
180°脉冲间隔，
[1]自旋回波的产生.
在不同环境中散相 Mxy(t)=Mxy(0)exp(-t/T2)
二、实验原理
❖ 宏观弛豫轨迹
FID信号
二、实验原理
❖ 实验仪器
NMI20Analyst台式核磁共振成像仪
仪器原理
仪器参数：铷铁硼永磁体
主磁场：0.536T 均匀性：15ppm/1000mm3 γ=42.58MHz/T(质子) 共振频率ω=B*γ=22.82MHz
Y方向梯度（0至100，步幅20）
三、实验内容
Z方向梯度（0至100，步幅 20）
采样频率SW（30至 170KHz）
三、实验内容
D2（μs） （200,300,400,500,700,800）
脉冲 核磁共振实验讲解
实验 脉冲核磁共振实验核磁共振技术来源于1939年美国物理学家拉比（I.I.Rabi ）所创立的分子束共振法，他使用这种方法首先实现了核磁共振这一物理思想，精确德测定了一些原子核的磁矩，从而获得了1944年度的诺贝尔物理奖.此后,磁共振技术迅速发展,经历了半个多世纪的而长盛不衰,孕育了多个诺贝尔奖获得者,它还渗透到化学、生物、医学、地学和计量等学科领域,以及众多的生产技术部门,成为分析测试中不可缺少的实验手段.所谓核磁共振,是指磁矩不为零的原子核处于恒定磁场中,由射频或者微波电磁场引起塞曼能级之间的共振跃迁现象.核磁共振现象具有其特点,因此,我们先介绍一些核磁共振的基础知识.一、核磁共振基础知识1.处于恒定磁场中的磁矩 （1）角动量与磁矩具有自旋的原子核，其自旋角动量P 为)1(+=I I P （1）（1）式中，I 为自旋量子数，其值为半整数或整数，由核性质所决定。
π2h =，h 为普朗克常数。
自旋的核具有磁矩μ，μ和自旋角动量P 的关系为P γμ＝ （2）式中，γ为旋磁比。
根据量子力学，核自旋P 空间取向是量子化的。
P 在z 方向上的分量只能取)12(+I个值，即：m P z = ),1,,1,(I I I I m -+-⋅⋅⋅-= （3）m 为磁量子数，相应地m P Z Zγγμ== （4）（2）磁矩在恒定磁场中的运动由于原子核具有磁矩，故在外磁场作用下受到力矩0B T ⨯=μ (5)由于力矩作用会引起原子核角动量的变化，由 T dtdL=和P γμ＝得0B dtd ⨯=γμμ(6) 求解这个方程，磁矩μ绕B 作拉莫尔旋进旋进角频率0B γω= （7）可见旋进角频率与磁场大小成正比。
（3）磁场在恒定磁场中的能量磁矩在恒定外磁场作用下具有势能θμcos 00B E =⋅=B μ将 m P Z Z γγμ==代入，则0B m E γ= (8)由此可见，磁矩在磁场中的能量只能取分立的能级值。
对2/1=I 的核，例如氢、氟等，在磁场中仅分裂为上下两个能级。
脉冲核磁共振及其成像
1/△t=NE/2D1
NE对图像的影响
1/△t=NE/2D1
而1/△t即为相位编码方向上的采样谱宽SWx，故
（FOV）x = SWx/γGx = NE/（2D1 X γGx）
自旋回波权重像 自旋回波信号幅值 回波信号强度表达式： S(TE,TR)=AN(H)[1-exp(-TR/T1)]exp(-TE/T2) 质子密度加权像 T1加权像 T2加权像
水+大豆质子密度图像
当回波时间很短 即Te《T2，exp(-TE/T2)=1 重复时间很长 即Tr》T1，1-exp(-TR/T1)=1 信号强度即图像亮暗取决于 质子密度，称为自旋密度加权像
90°脉冲后
质子始相位
180°脉冲后 质子相位重聚
180°复相脉冲 将主磁场不均匀造成的质子失相位效应剔除 把 180°复相脉冲产生的回波称为自旋回波
采样参数对成像的影响
GZ、GY、NE、SW、TD 对图像的影响
GY对图像的影响
40
50
60
70
层面的选择利用Gy在Y方向上产生的频率差别△f与频率 带宽之间的配合关系来实现 △Y=△f/（γGy） △Y即选定的层厚 由此可见，层厚与选层梯度成反相关，即梯度越大，选定 的层厚越薄 厚度在图像上的宏观反应即亮度，由上图可见，GY越大， 亮度越低
基本原理 核磁共振吸收 90度及180度脉冲 自旋回波 弛豫过程（横向弛豫、纵向弛豫）
测量大豆油的拉莫尔频率
偏置共振
共振
90°脉冲
1、宏观纵向磁化矢量等于零 2、产生最大旋转宏观横向磁化矢量
脉冲核磁共振测定化学位移的实验
第 ２ 卷 第 ３期 ０ ２Ｏ Ｏ ７年 ９月 出版
大
学
物
理
实
验
Ｖｏ ． ０ ＮＯ． Ｊ２ ３ ￥ ｐ． ２ ７ ｅ ００
Ｐ Ｙ ＩＡ Ｘ Ｅ Ｉ Ｅ ＴＯ Ｏ Ｉ Ｅ Ｈ ＳＣ ＬＥ Ｐ ＲＭ Ｎ ＦＣ Ｌ正Ｇ
文 章 编 号 ：０７— ９４ ２０ ）３ ０２ ５ １０ ２ ３ （０７ ０ —０３ —０
纵向驰豫 自旋与晶格热运动相互作用使得 自旋无辐射的情况 卜 ｅ （ ｔ ｒ ｎ 按 ｘ 一＿ ） ｐ ＿ ａ
１
能级 跃迁 至 低 能组 ， 称 为纵 向 驰豫 时 间。 ｌ
横 向驰 豫
核 自旋 之 间 相 互作 用 使 用得 自发辐 射 信 号按 ｅｐ 一 ） ｘ （ 衰减 ， ２ 之 为 Ｔ称
因为磁场存在不均匀性 ， 得谱线出现不均匀加宽 ， 使 “的横向分量表示为 ：
： 一 ） 。△∞Ｃ［ ｏ △∞ ｔ ｚｏ 。 （ 三 ７ （ ）Ｓ ∞＋ ） ｄｘ ｐ Ｏ（ ］ ｏ
２ 一－
“： ｅ （ 口 ｐ一 ｘ
） 口ｚ∞ｓ［ｏ △ｃｔ △ｃ ７ （ ）ｎ∞＋ ｃ ］ ｃ ａ ｉ ， ， ）
苯上 加 ９ ￣ 频 脉 冲 ， 开 高 灵 敏 度 放 大 ０射 打 器 即可 观 察 自由衰减 过程 。 时序 图如 图 １
所示 ， 必须 注意 两 次 观察 的时 间 间隔 必 但 圉１ ９ 脉冲的自由 囊藏过程 须远 远大 于 驰豫 时 间 ｆ＞ ＞Ｔ ， ， 般 Ｔ ＞１ Ｔ 。 ｌ ｏ ０ Ｉ 由于磁 场 的不 均匀 性 ， 以得 到 的波形 为 ａ ， ｔ ｃｓ ∞ ｔ ｏ ， 中 ， ｔ 为衰 减 函 所 ・ （ ） ０（ ｏ ＋ ） 式 （） 数 即 ０ ）＝１ ∞） 。 ， ＝０ ２ ２ ９ ￣ ８￣ 量 ． ０ 一１０测 ’
关于脉冲核磁共振实验的几点讨论(精)
关于脉冲核磁共振实验的几点讨论邱桐06300220040引言：核磁共振成像（nuclear magnetic resonance imaging, NMRI ）技术是现代医学的最重要的影像诊断手段之一，涉及许多方面。
实验提供的设备主要可以进行驰豫时间的测量，还有成像等。
摘要：本文讨论一系列脉冲核磁共振信号的出现原理，以及实验中出现的某些因素，如软硬脉冲，间隔时间等对于实验的影响，以及测量驰豫时间，成像中的一些现象分析。
关键词：量子力学和经典电动力学、软脉冲、硬脉冲、吸收信号、色散信号、回波信号、CPMG 脉冲、误差积累、自旋回波成像、反转恢复成像正文：两种理论/观点——量子力学和经典电磁理论㈠量子力学：NMR 信号的产生源自于原子核的自旋能级对射频信号的能量的匹配。
具体而言，原子核系统在外磁场B 。
中被磁化．核磁矩与外场相互作用哈密顿量为 000z H B B I B m μγγ=-=-=-其中，γ为旋磁比，z I 为原子核的自旋角动量在外磁场方向的投影，对于z I =1/2，12m =±即分裂为两个Zeeman 能级。
加入射频场后。
当场量于00w B γ=即电磁波能量正好等于能级间距时，原子 核会从射频场吸收能量从低能态跃迁到高能态，因此得共振条件：00w B γ=，如下图㈡经典电磁学理论：而核磁感应的观点用了经典的电磁感应理论。
具体而言，磁化强度本质上是宏观磁矩，它在线圈中有自身的磁通量。
当磁化强度绕磁场旋 进时，线圈中的磁通量就要发生周期性的变化，因而在线圈中可以记录到振荡频率为0B γ 的交变电流。
如下图在解释NMR 信号的产生时要同时运用这两种观点。
这是微观宏观不同尺度运用不同理论的需要。
即对于核磁信号的吸收是微观尺度，所以用量子力学，而核磁信号的感应，由于是宏观尺度（总的核磁矩是宏观的）可以用Faraday 的经典电磁感应理论。
宏观磁化强度M 与它在磁场下的运动与弛豫过程的理论分析 在z （实验室坐标系下）方向的外磁场0B 中： 有Bloch 方程，在实验室坐标系下：222()()()xx z y y z y y x z z xxz y x x y B B t T B B tT B B tT μμγμμμμγμμμμγμμ∂⎧=--⎪∂⎪⎪∂=--⎨∂⎪⎪∂=--⎪∂⎩ （1）它的解00cos()sin()x y z C w t C w t A μδμδμ⎧=+⎪=+⎨⎪=⎩其中A ，C 为常数（2） 其中0,0z x y B B B B ===由此可见，磁化强度μ绕z 做拉莫进动，进动频率00w B γ=，其中γ为旋磁比。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
散相
1800脉冲作用
M 汇聚到-Y
此时可从接收线圈中感应出一个射频信号，形成自
旋回波SE
如不考虑磁场不均匀性在实验中的影响，自旋回波
的峰值由T2决定
可编辑ppt
10
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
自旋回波的形成
可编辑ppt
11
900脉冲和1800脉冲作用下所形成的FID信号和SE信号
可编辑ppt
12
y FID信号
可编辑ppt
8
t (a) 900射频脉冲
t (b)ω=ω0+ Δω的FID信号
△ω (c) （b）的频谱
t
(d) ω=ω0时的FID信号
0 (e) （d）的频谱
在900脉冲作用下的FID信号及其频谱
可编辑ppt
9
（二）自旋回波（SE）的形成
900脉冲作用
M 倒向Y
由于磁场的非均匀性
实际所观测到的900脉冲、1800脉冲、FID信号和SE信号 实际所观测到的900脉冲、1800脉冲、FID信号和SE信号
可编辑ppt
13
二、实验装置
可编辑ppt
14
三、实验内容 （一）FID信号观测
可编辑ppt
15
（二）T2测量
可编辑ppt
16
（三）T1测量
可编辑ppt
17
（四）化学位移测量（二甲苯的化学位移）
可编辑ppt
18
利用核磁共振成像装置测量二甲苯的化学位移
可编辑ppt
19
利用核磁共振成像装置测量酒精的化学位移
可编辑ppt
20
思考题：
1．试分析纵向弛豫和横向弛豫的物理含义。
2．T2和T1的测量在实验方法上有何不同？
3．磁场的不均匀对弛豫时间的测量有何影响？采用什
么办法可消除磁场不均匀对测量带来的影响？
幅在900时最大，此时M从Z倒向Y，接着按指 数规律衰减，其衰减速度T1、T2决定。线圈
中所感应到的FID信号为
t
S(t) Ae T2
可编辑ppt
7
z
M0
900
z M0
1800
M的旋转示意图
z B0
Mz
‘
z B0
x
900脉冲过后M在旋转坐标系和实验室坐标系中的进动情形 y方向上的电感线圈则可感应到弛豫引起的FID信号
4．用反向恢复法（
）和饱和恢复法
2
（
2
2
）测量T1有何区别？
5．核磁化矢量M的 倾角由什么参数决定？对FID信
号有何影响？如何确定M翻转了 9 0 0 或 1 8 0 0 ？
可编辑ppt
21
参考文献
[1] 晏于模 王魁香，近代物理实验，实验三十四， 吉林大学出版社1995
[2] 吕斯骅 段家忯，新编基础物理实验，实验六十 二，高等教育出版社，2006
是 B1 。当在实验室坐标系的Y轴上安放一接收线 圈，在射频脉冲关断后，由于核自旋之间、核自旋 与晶格之间进行能量交换，产生横向弛豫与纵向弛 豫，使核自旋从射频脉冲吸收的能量又释放出来。
可编辑ppt
6
这时由于Mxy的变化，线圈中将感应出一小电
动势，即核磁共振信号，称为自由感应衰减 信号（free inductive decay，FID）。其振
（c）散相 M0
（d）Mxy分量减小
（e）逐渐向平衡态过渡
弛豫过程示意图
（f）回复到平衡态
可编辑ppt
4
（二）自由感应衰减（FID）
核自旋系统的磁化矢量M在沿z轴的恒磁场B0中作拉莫
尔进动，进动角频率为
0 B0
若在平面内加上一个脉冲射频场B1，其角频率为 1
，并满足核磁共振条件
10 B0
在脉冲场存在期间，M将以角频率 1 绕B1进动。
实验6-2 脉冲核磁共振
南开大学基础物理实验教学中心 近代物理实验室
可编辑ppt
1
从1946年发现核磁共振现象而产生的连续波核磁共振技 术，到70年代初提出的脉冲傅里叶变换（PFT）技术和后来 的核磁共振成像，在核磁共振这一领域中已多次获得诺贝尔 物理学奖。
脉冲核磁共振的概念十分直观，即由原来的连续波射频 变为脉冲射频。两者在理论上是完全一致的。较之连续波核 磁共振，脉冲磁共振在很多方面有自身的特色：
共振实验更为精确和直接的手段。
可编辑ppt
2
一、实验原理 （一）弛豫时间
纵向弛豫，用弛豫时间T1表征：
t
Mz(t)M0(1e T1)
横向弛豫，用弛豫时间T2表征：
t
Mx(t)Mx(0)e T2
Mx（0）表示t=0时的Mx值，My有同样的表示方式。
可编辑ppt
3
M0
（a）M0倒向XY平面
（b）开始散相
1、强而狭的脉冲的频谱很宽，这种脉冲的作用等效于 一个多道频率发射机，当接收机的带宽足够宽时，核磁共振 仪是一台多道频谱分析仪，它可以同时激励样品的所有频率， 也可以同时接收所有频率的信号，每次需要的时间却很短。 这样可以用计算机技术把采样结果累加，使得频谱的信噪比 在较短的时间内增强几个数量级。
2、脉冲磁共振实验为测量弛豫时间提供了比连续波磁
可编辑ppt
5
如引入旋转坐标系 x' , y' , z' （ z ' 与 z 轴重
合），这时M在B0中的进动在旋转坐标系中观察其核 磁矩 M 的取向将静止不动，热平衡时的系统总磁矩 M0 沿 z ' 轴方向。如射频脉冲的作用时间为T，则M
的倾角为
B1T
下图为磁化矢量M在900和1800脉冲射频场作用下的 矢量旋转模型。上中的T就是脉冲宽度，脉冲强度就
[3] 杨桂林 江兴方 柯善哲，近代物理，第十五章， 科学出版社，2004
[4] 杨文修 李正明，生物医学物理概论（M），天 津科技翻译出版公司
[5] Advanced Laboratory Manual,Pulse NMR,Harvard University,2002
可编辑ppt
22