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。
脉冲核磁共振_4
附件材料二脉冲核磁共振实验基本原理核磁共振（NMR ）是一种磁共振现象，是原子核在核能级上的共振跃迁。
利用核磁共振可以测定原子核的磁矩，精确地测量磁场，研究物质结构。
1922年斯特恩（Otto Stern 1888—1969）通过实验，用分子束方法证明了原子核磁矩空间量子化，并为进一步测定质子之类的亚原子粒子的磁矩奠定了基础。
此后，拉比(Isidor Isaac Rabi 1898—1988)发展了分子束磁共振方法，可以精密测量核磁矩和光谱的超精细结构。
1946年布洛赫（Felix Bloch 1905—1983）实现了原子核感应，现称核磁共振（具有磁矩的原子核位于恒定磁场中时，将以一定的角速度围绕磁场轴作进动并最终沿磁场方向趋向。
如果垂直于该恒定磁场外加一弱交变磁场,且当交变磁场的圆频率和恒定磁场满足一定的关系时，核磁矩将会沿着固定轨道绕恒定磁场进动，同时出现能量的最大吸收）。
当年年底，塞尔(Edward Mills Purcell 1912—1997)首次报告了在凝聚态物质中观察到的核磁共振现象。
1943年斯特恩因在发展分子束方法上所作的贡献和发现了质子的核磁矩获得诺贝尔物理学奖。
1944年拉比因用共振方法记录了原子核的磁特性获诺贝尔物理学奖。
1952年布洛赫和塞尔因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现分享诺贝尔物理学奖。
在稳态核磁共振的基础上，1950年代出现了脉冲核磁共振方法，得到高灵敏度、高分辨率的核磁共振信号。
核磁共振与计算机结合，发展了许多高新技术。
一般地，连续波核磁共振波谱仪在任一瞬间，只有一种核处于共振状态，而其他核都处于“等待”状态，因此扫描速度慢，这就不利于对一些量小的样品和某些天然丰度小的核进行测定，由于它们必须采取累加的方法，而连续波核磁共振波谱仪扫描速度慢，耗时长，且难于保证信号长期不漂移；脉冲核磁共振波谱仪仪器工作的方式是利用短而强的射频脉冲，使所有的核同时都共振，从而在很短的时间内完成一张谱图的记录。
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
核磁共振及其成像实验一、引言核磁共振指受电磁波作用的原子核系统在外磁场中磁能级之间发生共振跃迁的现象，1939年首次被拉比在高真空中的氢分子束实验中观察到，之后广泛运用于医学成像领域。
本实验旨在掌握核磁共振基本原理，并利用核磁共振研究硬脉冲及其回波，测量横向弛豫时间，了解几种成像参数对图像的影响。
二、实验原理2.1核磁共振基本原理当一个样品被放在外磁场0B 中时，样品就会被磁化，产生能级分裂现象，所产生的能级间距为：0E B ћγ∆= (1) 若在该样品系统上加上一个射频磁场，当射频场能量等于能级间距时，样品对外加射频能量吸收达到最大，因此得到核磁共振产生的基本条件：00h ћB ћυωγ==(2) 因此得到拉莫尔方程00B ωγ= (3)其中0ω就是产生核磁共振的拉莫尔频率，γ为样品物质的磁旋比，0B 为外加磁场的磁场强度。
2.2自旋回波考虑一个90°-τ-180°-τ采样的脉冲序列。
把一个包含大量自旋数的样品分为610个系综，在每个区域，外磁场分布在一个很窄的范围，每个系综内有一确定的净磁化强度，它们都对总的磁化强度做出贡献。
第一个90°脉冲后，每一个这样的磁化矢量均以稍稍不同的频率作进动，彼此逐渐散相。
经过时间τ后，施之一个双倍宽度的180°脉冲，相位差全部反转，再经过适当时间τ后，所有系综回到同相位状态，总磁化强度达到最大值。
在样品线圈里，感应出“自旋回波”信t存在着采样时间较长的缺点，号，幅度一般小于FID信号。
由于此回波序列测量2故采用90°-τ-180°-2τ-180°-…序列。
2.3弛豫过程t表征由横向弛豫时间：起因于自旋-自旋之间的相互作用。
横向弛豫时间2于非平衡态进动相位相关产生的不为0的磁化强度横向分量M恢复到平衡态时t描述了垂直于磁场方向的核自旋磁矩相位无关所需特征时间。
即横向弛豫时间2恢复到热平衡态的快慢程度。
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：
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。
脉冲磁共振
FD-PNMR-Ⅱ型脉冲核磁共振实验仪实验指导书华北煤炭医学院物理教研室用脉冲核磁共振实验仪测弛豫时间一、实验目的。
1．通过观察脉冲宽度与FID信号幅度及相位的关系。
掌握90度脉冲180度脉冲的含义。
2．通过对自旋回波序列的调试，了解相位散失的机理，180度脉冲的作用，相位重聚和自旋回波的原理，T2的含义，掌握用基本脉冲序列测量样品的弛豫时间T2的方法。
3．测量二甲苯的化学位移间隔，了解谱仪的工作原理。
二．试验仪器：FD-PNMR-II 脉冲核磁共振谱仪、YB4323长余辉示波器以及PII 300MHz 联想计算机。
脉冲核磁共振实验系统，包括磁铁、探头、开关放大器、相位检波器、脉冲序列发生器、磁场电源、示波器、计算机等。
如图 11．探头：放置样品并产生脉冲核磁共振信号2．脉冲序列发生器：产生各种脉冲序列3．开关放大器：开关放大器是射频切换开关。
在旋转射频场加载时将射频线圈与射频脉冲连接，此时射频脉冲与相位检波器内的放大器断开。
在观察自由旋进信号时将射频线圈与相位检波器的放大器相连。
这样可以避免大功率脉冲烧毁放大器和自由旋进信号观察困难。
4．相位检波器：相位检波器在电子学中是将采集困难的高频信号转变成容易采集的低频信号。
在核磁共振中它的作用就是将实验室坐标系转变为旋转坐标系，这样保证每次激发信号的相位是一致的，从而能够得到成像所必需的相位精度。
它的基本原理是将原有的信号t t A 1cos )(ω乘上参考信号t 0cos ω得到和频和差频，t t A t t A t t t A )cos()()cos()(cos cos )(010101ωωωωωω++-=和频项在调制时采用在这里无用，通过积分器或低通滤波器即可将其滤除，得到差频项以便于信号处理。
如图2图2 相位检波器的工作原理5．磁体 磁极直径100mm 、磁极间隙15-20mm 。
6．示波器：因为信号重复周期长所以存在严重的闪烁现象，一般采用长余辉的慢扫描双踪示波器以减轻闪烁现象，或采用计算机软件记录所以直接在计算机上观测。
脉冲核磁共振
（2）任意状态
经过180°脉冲后得到，
或为
（三）自由感应衰减（ ）信号
当不加射频场，即仅考虑稳恒外磁场 的作用，布洛赫方程改写为
（15）
其解为
（16）
上式为磁化率各分量的弛豫过程中，若垂直于 轴方向上置一接受线圈，则可感应出一个射频信号，其频率为 但幅值按指数衰减，即为自由感应衰减（ ）信号。 信号与 在 平面上横向分量的大小有关，故90°脉冲的 信号幅值最大，180°脉冲的 信号幅值为零。
从实验原始采样数据中把时间轴大致分成十份，每隔一段就取一个周期，算出他们的回波峰值A和脉冲间隔 。A值可以采用origin的Pick Peak方法， 值由两个脉冲的时间相减得到，并将数据列入表1。
表1
1.00497
1.00891
0.00394
0.00788
1945
7.573017
3.01621
3.02045
12.52505
0.00697
0.01394
1272
7.148346
16.17881
16.18734
（2）激发态为： ， ， ，经过90°脉冲后得到
， ，
所以在激发态经过90°脉冲后也可以得到最强的电磁辐射。
（3）辐射状态为： ， ， 或 ， ， ，经过90°脉冲后得到
， ， 或 ， ，
因为对电磁辐射有贡献的是 的 、 ，所以 在横向最强时经过90°脉冲后不管处于激发态还是基态辐射为零。
当 ，称为180°脉冲。根据初始条件分以下两种情况进行分析：
（三）、观测自旋回波信号
在自由衰减观察成功的基础上，调节“第二脉冲宽度”寻找自旋回波信号。当脉冲宽度为180°时，即可观察到自旋回波。记录观察“重复时间”及“脉冲间隔”对自旋回波信号的影响。
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, 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和纵向弛豫时间, 测定其随CuSO4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: 在一个恒定外磁场作用下, 另在垂直于的平面（, 平面）内加进一个旋转磁场,使转动方向与的拉摩尔进动同方向, 见图3-1。
如的转动频率与拉摩尔进动频率相等时, 会绕和的合矢量进动, 使与的夹角发生改变, 增大,核吸收磁场的能量使势能增加。
如果的旋转频率与不等, 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, 只有的旋转频率与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可以方便的由振荡回路线圈中产生的直线振荡磁场得到。
因为一个的直线磁场, 可以看成两个相反方向旋转的磁场合成, 见图2-1。
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。
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。
nmr脉冲角度
nmr脉冲角度
在核磁共振（NMR）领域，脉冲角度是指在NMR实验中用于操控核磁自旋的脉冲的角度。
核磁共振是一种通过将样品置于强磁场中并施加射频脉冲来研究核磁性质的技术。
在这个过程中，样品中的原子核会受到射频脉冲的激发，然后在磁场中产生信号。
脉冲角度是指射频脉冲与磁场方向之间的角度，通常用弧度（radians）或角度（degrees）来表示。
在NMR实验中，常见的脉冲角度包括180度脉冲和90度脉冲，这两者是最为常见的。
180度脉冲（π脉冲）：当射频脉冲的角度为180度时，它将导致样品中的核磁矩翻转，即从初始的朝向反向翻转到相反方向。
这种脉冲通常用于反转磁矩，例如在自旋回波（spin-echo）实验中。
90度脉冲（π/2脉冲）：当射频脉冲的角度为90度时，它将导致核磁矩从初始的平行于磁场的方向翻转到垂直于磁场的方向。
这种脉冲通常用于激发核磁共振信号。
脉冲角度的选择对实验的结果和所获得的NMR谱的特征有着重要影响。
合适的脉冲角度取决于样品的性质、所使用的NMR技术以及所需的实验目标。
调整脉冲角度可以影响信号的强度、相位和形状。
脉冲核磁共振实验讲义PPT讲稿
射频接受器：类似检测器的作用 检测试样对电磁波的吸收
工作方式 扫频：B0不变， 变化——类似吸收光谱法 扫场： 不变，B0变化——实际常用，方便， 在磁铁上加扫场线圈 通常扫描一张氢谱是时间是250 s 通常试样量数-数十mg，或0.1-0.5 mol/L 可采用重复扫描-累加平均的方式提高信噪比
脉冲傅立叶变换NMR波谱仪（pulse and Fourier transform NMR, PFT-NMR）
——工作方式：固定磁场，施加全频脉冲射频，测 定自由感应衰减信号随时间的变化，经傅立叶变换，得 到核磁共振波谱图。
——特点： 分析速度快（数秒），灵敏度高 试样量：1 mg甚至更低
能级分布与弛豫过程(Relaxation Process)
二、发展历史
1924年，泡利（Pauli)预见原子核具有自旋和核磁距 1946年，斯坦福大学布洛赫（Bloch）
哈佛大学珀塞尔（Purcell）
分别同时独立地观察到核磁共振现象
1952年，分享1952年诺贝尔物理奖 1953年，第一台商品化核磁共振波谱仪问世 1965年，恩斯特（Ernst)发展出傅里叶变换核磁共振 和二维核磁共振
NMR主要研究对象 I=1 （2H，14N ）I=3/2 （11B，35Cl，79Br, 81Br） 凡I≥1，I=1，2，3，……,3/2, 5/2, …
自旋情况复杂，目前NMR研究较少
2. 原子核能级的分裂及其描述
原子核之量子力学模型
带电原子核自旋
自旋磁场
磁矩 (沿自旋轴方向)
磁矩 的大小与磁场方向的角动量 P 有关： P
万分之十六！当低能级的核吸收了射频辐射后，被激发至
脉冲核磁共振 指导书
中级物理实验报告脉 冲 核 磁 共 振一、实验目的1．掌握脉冲核磁共振的基本概念和方法。
2．通过观测核磁共振对射频脉冲的响应，了解能级跃迁过程（驰豫）。
3．了解自旋回波，利用自旋回波测量横向驰豫时间T 2 。
4．测量二甲苯的化学位移，了解傅立叶变换－脉冲核磁共振实验方法。
二．实验原理核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance ，NMR )指受电磁波作用的原子核系统，在外磁场中能级之间发生的共振跃迁现象。
是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Bloch )和哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell )各自独立发现的，两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。
早期的核磁共振电磁波主要采用连续波，灵敏度较低。
1966年发展起来的脉冲傅立叶变换核磁共振技术，将信号采集由频域变为时域，从而大大提高了检测灵敏度，由此脉冲核磁共振技术迅速发展，成为物理、化学、生物、医学等领域中分析鉴定和微观结构研究不可缺少的工具。
核磁共振的物理基础是原子核的自旋。
泡利在1924年提出核自旋的假设，1930年在实验上得到证实。
1932年人们发现中子，从此对原子核自旋有了新的认识：原子核的自旋是质子和中子自旋之和，只有质子数和中子数两者或者其中之一为奇数时，原子核具有自旋角动量和磁矩。
这类原子核称为磁性核，只有磁性核才能产生核磁共振。
磁性核是核磁共振技术的研究对象。
1．基础知识具有自旋的原子核，其自旋角动量P 为P =（1）（1）式中，I 为自旋量子数，其值为半整数或整数，由核性质决定。
/2h π= ，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 μγ=（2）（2）式中γ为旋磁比。
在外加磁场00B =时，核自旋为I 的核处于（2I+1）度简并态，外磁场00B ≠时，角动量P 和磁矩μ绕0B （设为z 方向）进动，进动角频率为：00B ωγ=（3）（3）式称为拉摩尔进动公式。
由拉摩尔进动公式可知，核磁矩在恒定磁场中将绕磁场方向作进动，进动的角频率0ω取决于核的旋磁比γ和磁场磁感应强度0B 的大小。
低场核磁共振和低场脉冲核磁共振
低场核磁共振（NMR）和低场脉冲核磁共振（NMR）作为一种核磁共振成像技术，在医学影像学领域有着广泛的应用。
本文将围绕这两种核磁共振技术展开讨论，介绍其原理、特点、应用及发展趋势。
希望通过本文的介绍，读者能够对低场核磁共振和低场脉冲核磁共振有更深入的了解。
一、低场核磁共振原理及特点低场核磁共振是指在较低的磁场强度下进行核磁共振成像。
通常，低场核磁共振的磁场强度在0.2T至0.5T之间。
相比于传统的高场核磁共振（磁场强度在1.5T至3.0T之间），低场核磁共振有着自身独特的特点。
1. 低成本：低场核磁共振设备相对于高场核磁共振设备造价更低，使得更多的医疗机构有能力引入核磁共振技术。
2. 适用范围广：低场核磁共振能够对骨骼、软组织、脑部等不同部位进行成像，具有较广泛的临床应用价值。
3. 对患者的侵入性较小：低场核磁共振成像时，患者不需要暴露在较强的磁场中，对患者身体没有太多的影响。
4. 操作简便：相对于高场核磁共振，低场核磁共振设备的操作难度较小，技术要求相对较低。
二、低场脉冲核磁共振原理及特点低场脉冲核磁共振是在低场核磁共振的基础上发展而来的一种技术，其原理和特点与低场核磁共振有很多相似之处，但也存在一些不同之处。
1. 采用脉冲序列：低场脉冲核磁共振在成像时采用脉冲序列，利用不同的脉冲序列可以获取不同组织和器官的信号，提高成像的准确性。
2. 成像时间短：相比于低场核磁共振，低场脉冲核磁共振的成像时间更短，有助于减少患者的不适感和提高工作效率。
3. 对运动物体的适应性更强：低场脉冲核磁共振在成像过程中对运动物体的适应性更强，可以有效避免运动伪影的产生。
4. 成像分辨率较高：低场脉冲核磁共振在成像时，能够获得较高的空间分辨率，可以显示更为细微的结构和病变。
三、低场核磁共振和低场脉冲核磁共振的临床应用低场核磁共振和低场脉冲核磁共振在临床医学中有着广泛的应用，尤其是在成像骨骼、软组织、脑部等方面。
1. 成像骨骼：低场核磁共振和低场脉冲核磁共振能够对骨骼进行清晰的成像，有助于医生对骨折、骨质疏松等疾病进行诊断和治疗。
5-3脉冲核磁共振
5.3 脉冲核磁共振当磁矩不为零的原子处于恒定磁场中，由射频或微波磁场可引起原子在各塞曼子能级间的共振跃迁，若这种共振跃迁发生在原子核磁矩的塞曼子能级之间，就称为核磁共振．核磁矩的概念首先由泡利（W. Pauli）于1924年提出，1946年珀塞尔（E. M. Purcell）和布洛赫（F. Bloch）领导的两个小组各自独立地在宏观物质中观察到核磁共振现象，为此获得了1952年诺贝尔物理学奖．迄今核磁共振的应用已经非常广泛．例如，由于磁场可以穿过人体，利用核磁共振可以得到人体内各处的核磁共振信号，这些信号经过计算机处理可以用二维或三维的图像显示出来．将病态的图像和正常的图像进行比较就可以判断人体内的病变．从实验方法上看，核磁共振可分成稳态和非稳态两大类．主要区别在于前者所加的交变磁场为连续波，容易观察到共振信号；后者所加的交变磁场为射频脉冲，有利于实验手段的自动化．上述用于医学检测的核磁共振成像技术就采用脉冲式核磁共振方法．本实验通过测量样品核磁矩的自旋弛豫时间，来学习脉冲核磁共振的基本实验方法．一、实验目的1．学习核磁共振的基本原理和实验方法；2．观察核磁共振信号对射频脉冲的响应及自由感应衰减信号；3．学习用基本脉冲序列测量样品核磁矩的自旋弛豫时间．二、实验原理1．核磁共振的基本原理原子核具有自旋角动量和磁矩，是泡利（W. Pauli）在1924年为解释原子光谱的超精细结构而提出的．1933年斯特恩（O. Stern）等人首先用分子束方法测得氢核（质子）的磁矩．核磁共振现象的经典解释是：在外加恒定磁场的作用下，原子核的核磁矩绕外磁场方向发生拉莫进动，若在垂直于外磁场的平面上施加一个交变磁场，当此交变磁场的频率等于核磁矩绕外场进动的频率时，就发生谐振现象．将原子核的自旋量子数用I表示，I可以是整数或半整数，原子核角动量PI 的大小等于．原子核由于作自旋进动而具有磁矩μI，它与PI的关系为其中gN为原子核的朗德因子，对质子gN=5.5857，对中子gN= -3.8262，负号表明中子的磁矩与它的自旋角动量方向相反，mp是质子的质量．通常用核磁子μN作为原子核磁矩的单位，即这样，原子核磁矩μI的大小可以写成式中γ = gNμN/?，称为原子核的廻磁比．不同的原子核自旋量子数I不同，例如，和等原子核，质子数和中子数都是偶数．它们的核自旋量子数I = 0，其自旋角动量PI与磁矩μI也都为零，没有核磁共振现象．如核等，核内质子数和中子数均为奇数，其I值为1．如，，核等，质子数为奇数，故I为半整数，其中核I = 3/2，核、核、核I = 1/2．以上这些I不为零的原子核，都能产生核磁共振现象，是核磁共振研究的主要对象．将具有磁矩的原子核置于磁场中（设磁场强度B0的方向为ｚ轴方向），原子核的自旋角动量PI的空间取向是量子化的．一个自旋量子数为I的核，它的角动量在外场的投影Pz应取如下值其中m称为磁量子数，相应的原子核磁矩在外场方向的投影为μz = γPz = γm?．磁矩与外场相互作用产生分立的能级，其能量为可见，原子核的能级在磁场中分裂为2I+1个等间距的塞曼子能级，两相邻子能级之间的能量差ΔE为如果在与B0垂直的方向上施加一个射频磁场B1，当圆频率ω满足时，则原子核将从射频场中吸收能量?ω，从而使它从低能级跃迁到高能级上去，这就是核磁共振现象的实质．2．共振吸收与自旋弛豫实验样品中包含大量自旋磁矩相同的原子核，在热平衡时，粒子在能级上的分布遵从玻尔兹曼统计规律．对某一温度T，相邻两能级上的原子核数目之比为（设低能级上原子核数为N1，高能级上原子核数为N2）为其中kB为玻尔兹曼常数．由上式可知，磁场越强或温度越低，粒子差数越大，共振信号越强．共振吸收将会破坏粒子在能级上的热平衡分布，使高低能级上原子核的数目趋于相等．将共振激发停止，经过一段时间后，原子核在能级上的分布又会恢复到原来的热平衡状态，这个过程就是弛豫过程，所经历的时间叫弛豫时间．在核磁共振中有两种弛豫过程：一种叫自旋-晶格弛豫，是指跃迁到高能级的粒子与晶格相互作用，将一部分能量变为晶格振动能而经历无辐射跃迁回到低能级，其弛豫时间用T1表示；另外一种是自旋-自旋弛豫，是指自旋磁矩之间交换能量，使它们的旋进相位趋于随机分布，其弛豫时间用T2表示．共振谱线的宽度近似与T2成反比，T2越大则谱线越窄．微观粒子系统的磁化可用宏观磁化强度M来描述，M在磁场B0中的运动方程为可见M以角频率ω = γB0绕B0旋进，在热平衡情况下，各微观磁矩在垂直于B0的平面内旋进的相位是随机分布的，故宏观上M在x-y平面上的投影为零，在z轴上的投影等于恒定值．当辐射场B1作用并引起共振吸收时，M将偏离z轴而在x-y平面上投影不等于零．当共振吸收停止后，磁化强度M又将恢复到原来的取向．假设M的各个分量Mx、My、Mz向平衡值恢复的速度，与它们偏离平衡值的大小成正比，则这些分量的变化方程为T1是描述M的纵向分量Mz恢复过程的时间常量，称为纵向弛豫时间．T2是描述M的横向分量Mx和My消失过程的时间常量，称为横向弛豫时间．方程（5.3.10）的解为通常T1比T2大，特别是固体．3．自由感应信号的衰减处于恒定磁场B0中的核自旋系统，其宏观磁化强度M以角频率ω = γB0绕B0旋进．现在，在垂直于B0的方向施加一个射频脉冲，且脉冲宽度远远小于T1、T2．我们可以把它分解为两个转动方向相反的圆偏振脉冲射频场，其中起作用的是与旋进方向同向旋转的圆偏振场，若射频场的频率与M转动的角频率相同，则M在这个圆偏振射频场中是静止的．引入一个与旋进同步的旋转坐标系x'y'z'，把同向旋转的圆偏振场看作是施加在x' 轴上的恒定磁场B1，作用时间即脉冲宽度tp．在射频脉冲作用前M = M0，方向与z' 轴重合．施加射频脉冲后，M绕x' 轴转过一个角度θ = γB1tp，θ称为倾倒角，θ = 90°和θ = 180°的情况分别称之为90°和180°脉冲（见图5.3.1）．只要射频场B1足够强，脉冲宽度tp足够小，就意味着在射频脉冲作用期间的弛豫作用可忽略不计．图5.3.1 磁化强度M的旋转示意图．下面讨论90°脉冲对核磁矩系统的作用及其弛豫过程．设在零时刻加上射频场B1，在t = tp时M0绕B1转过90° 而倾倒在y' 轴上，然后射频场B1消失．根据式（5.3.11），Mz→M0的增长速度取决于T1，Mx→0和My→0的衰减速度取决于T2．在旋转坐标系中看，M如图5.3.2 (a)所示恢复到平衡位置．而在实验室坐标系中看，M如图5.3.2 (b)所示绕z轴按螺旋形式回到平衡位置．在这个弛豫过程中，若在垂直于z轴方向上放置一个接收线圈，M的旋转在线圈中便可感应出一个射频信号，其频率与旋进频率ω0相同，其幅值按指数衰减，称为自由感应衰减（free inductive decay，FID）信号，如图5.3.2 (c)所示．FID信号与M在x-y平面上横向分量的大小有关，故90° 脉冲的FID信号幅值最大，而180° 脉冲的FID信号幅值为零．图5.3.2 900脉冲作用后M的弛豫过程以及自由感应衰减信号．实验中，由于恒定磁场B0不可能绝对均匀，样品中不同位置的核磁矩所处的外场大小有所不同，其旋进频率各有差异，实际上测到的FID信号是各个不同旋进频率的指数衰减信号的叠加．磁场的不均匀性所造成的影响，可以用一个等效的横向弛豫时间T2' 来描述，则总的FID信号的衰减速度由T2和T2' 来决定，等效于一个表观的横向弛豫时间T2''，三者的关系为磁场越不均匀，T2' 越小，T2'' 也越小，FID信号的衰减越快．4．用自旋回波法测量横向弛豫时间T2在实际应用中，常用两个或多个射频脉冲组成射频脉冲序列，周期性地作用于核磁矩系统．例如，在90°射频脉冲作用后，经过τ时间再施加一个180°射频脉冲，便组成一个90° - τ - 180° 脉冲序列．这些脉冲序列的脉宽tp和脉冲间距τ应满足下列条件：tp远小于T1、T2和τ，．90° - τ -180°脉冲序列的作用结果如图5.3.3所示，在90°射频脉冲后即可观察到FID 信号，在180° 射频脉冲后面对应于初始时刻的2τ处会观察到一个回波信号，这个回波信号是在脉冲序列作用下核自旋系统的运动引起的，称为自旋回波（spin echo，SE）．图5.3.3 90°脉冲和180°脉冲作用下所形成的FID信号和SE信号．如图5.3.4 (a,b) 所示，总磁化强度M0在90°射频脉冲作用下绕x'轴转到y'轴上，脉冲消失后，核磁矩自由旋进受到B0不均匀的影响，由于样品中不同部分的核磁矩具有不同的旋进频率，结果使磁矩相位分散并呈扇形展开．为此，可把宏观量M看成是许多微观分量Mi的和，从旋转坐标系看来，旋进频率等于ω0的分量在坐标系中相对静止，旋进频率大于ω0的分量向前转动，小于ω0的分量向后转动．图5.3.4 (c) 表示在180°射频脉冲作用下磁化强度的各微观分量Mi绕x'轴旋转180°，并继续沿它们原来的转动方向运动．图5.3.4 (d) 表示t = 2τ时刻各磁化强度刚好汇聚到-y'轴上．图5.3.4 (e) 表示t >2τ以后，由于磁化强度各分量继续转动而又呈扇形展开．因此会得到如图5.3.3所示的自旋回波信号．图5.3.4 90° - τ -180° 自旋回波的矢量图解．如果不存在横向弛豫，则自旋回波幅值应与初始时刻的FID信号一样，但在2τ时间内横向弛豫作用不能忽略，磁化强度横向分量相应减小，使得自旋回波幅值随着脉冲间距τ的增大而衰减．根据式(5.3.11)，磁化强度横向分量Mx,y 呈指数衰减而自旋回波的幅值A与Mx,y成正比，因此A随时间的变化为，其中t = 2τ，A0是90°射频脉冲刚结束时FID信号的幅值．实验中改变脉冲间距τ，则回波的峰值就相应地改变，依次增大τ值并测出若干个相应的回波峰值，对自旋回波幅值A取对数，可得到直线方程在式中把2τ作为自变量，则直线斜率的倒数便是T2．5．用饱和恢复法测量纵向弛豫时间T1这里采用90° - τ - 90°脉冲序列作用于核磁矩系统．如图5.3.5所示，首先90°射频脉冲把磁化强度M从z' 轴翻转到y' 轴，这时Mz = 0，M没有垂直分量Mz只有横向分量My，FID信号最强．纵向弛豫过程使Mz由零值向平衡值M0恢复．若在恢复过程的τ时刻施加第二个90°射频脉冲，则已逐渐恢复的Mz便翻转到y' 轴上，这时接收线圈将会感应得到FID信号，该信号的幅值正比于τ时刻Mz的大小．Mz的变化规律可由式(5.3.11)描述，将在不同τ值下测得的感应信号幅度代入公式进行拟合，就可得到纵向弛豫时间T1．。
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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）
D1（μs）： 90°与180°脉冲间 （相位编码时间） 10、200、800、 1200、1400、1600
放大倍数 累加次数 相位编码步数
负梯度时间
选层梯度场幅度
谱仪的死时间（回波时间）
脉冲重复时间 采样点数
过采样倍率 选层作用
三、实验内容
❖ 幅值随RFA1的变化
Θ=γBt，这里RFA指代 的是B，而后面的SP 或P指代的是t。二者均 能改变转过角度的大 小。
三、实验内容
←反转恢复法测量 T1（芝麻）
Outline
一、实验背景
➢发现70年，六次诺贝尔 奖 ➢化工、石油、橡胶、建 材、食品、冶金、 地 质、国防、环保、纺织 及其它工业部门用途日 益广泛 ➢在生物医学方面尤其广 泛
一、实验背景
❖ 美国一医学院研究员 利用核磁共振成像技 术扫描食物内部，制 作出一组令人惊叹的 图像。波士顿医学院 研究员安迪埃里森原 本是要用这些食物来 测试一台分辨率最高 的核磁共振成像仪。
三、实验内容
成像条件及对比度解释
油
可乐
纵截面
横截面
可乐和油的混合样品
纵截面
横截面
纯大豆油样品
❖ 谢谢观看 Thank you for appreciating
❖ 主演：张波 Bo Zhang 曹智博 Zhibo Cao
❖ 总监制：俞熹 Xi Yu ❖ 副监制：乐永康 Yongkang Le 姚红英 Hongying Yao
二、实验原理 在发生磁共振时宏观 磁化矢量运动轨迹
❖ lamor角速度ω=Bγ
共振时FID信号
Dephase & rephase
1
1
1 2
22
1 2
43
33
3 4
4
4
[1]李光玉.核磁共振波谱中的脉冲梯度场技术[J],军事科学医学院院刊,1998(2).
二、实验原理
❖ T1弛豫
T2弛豫
释放能量，回归基态 （慢） （快） Mz(t)=Mz(0) [1-exp(-t/T1)]
❖ 场务&剧务：张波 Bo Zhang 曹智博 Zhibo Cao
❖ 制片人：俞熹 Xi Yu
❖ 导演：俞熹 Xi Yu
❖ 鸣谢：复旦大学物理系
❖
复旦大学材料科学系同学们