脉冲核磁共振实验
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。
(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。
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。
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
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NMR实验简介
1.核自旋与核磁矩 原子核的自旋运动会产生一个磁偶极子，称为原
子核的自旋磁矩。 自旋磁矩与自旋角动量之间的关系为：
e
I gI 2mp lI
2.核能级分裂
将一个核磁矩放入磁场中，磁矩与磁场之间具有的相
互作用能为：
E Z B0
因此如果将自旋量子数为I的原子核放入静止磁场，由
于 Z 有2I+1种取向，原子核的能级将裂分成2I+1个能级。
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）
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.
相邻能级之间的能级差相同，均为：
E B0
式中， egI 称为旋磁比。
2mp
3.核磁RF
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
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。
实验原理5fid信号上式说明核磁共振的信号是一个自由衰减信号fidfreeinductiondecay信号实验原理sincos第五级fid基本原理图fid信号宏观磁化弛豫轨迹硬脉冲序列硬脉冲fid序列硬脉冲参数设置rf频率sf1o1及频域信号fft频率接近共振时的信号频率达到共振时的信号fftrg
脉冲核磁共振实验
脉冲核磁共振物教101（林晗）摘要核磁共振（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。
本实验主要以水中的氢核为主要研究对象，理解掌握核磁共振技术的基本原理以及核磁共振信号的基本测量方法。
实验中利用核磁共振谱仪在连续工作方式下观察不同浓度的CuSO4溶液的共振信号，并估算样品的横向弛豫时间；同时利用核磁共振仪在脉冲的工作方式下，采用90︒-180︒双脉冲自旋回波法测量其横向弛豫时间。
两种方法都能观察到核磁共振现象，并且随着CuSO4浓度增加，其横向弛豫时间T2逐渐减小。
关键词：射频辐射连续核磁共振脉冲核磁共振横向弛豫时间序论核磁共振技术（Nuclear Magnetic Resonance，简称NMR）是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的塞曼能级间的共振跃迁现象，这项技术是1945年布洛赫（Felix Bloch）和铂塞尔（Edward Purcell）分别独立发明的，此方法大大提高了核磁矩的测量精度。
核磁共振自发明以来去得了惊人的发展，如今NMR不仅是一种能直接而准确的测量原子核磁矩的方法，而且已成为研究物质微观结构的常用工具，比如，用于研究有机大分子结构，精确测量磁场及固体物质的结构相变等。
另外，核磁共振技术不会破坏样品，也不会破坏物质的化学平衡态，所以尤其适用于有机生命体的研究，如今，核磁共振成像技术已经成为检查人体病变方面的有力武器，在生物学、医学、遗传学等领域都有着重要应用。
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脉冲核磁共振实验（06光科冯文赫06300720358）摘要：简要介绍了核磁共振、自由感应衰减与核磁共振成像的基本原理.使用NMI20台式核磁共振成像仪的硬脉冲FID序列进行1H拉莫尔频率的测量.用反转恢复法和饱和恢复法测量1H的自旋-晶格弛豫时间T1.用硬脉冲CPMG序列测量了1H的自旋-自旋弛豫时间T2.使用自旋回波序列对多种样品进行核磁共振成像.关键词：核磁共振自由感应衰减核磁共振成像自旋-晶格弛豫自旋-自旋弛豫自旋回波序列0 引言核磁共振与核磁共振成像是物理学在化学、生物、医学、材料等学科的有效的研究手段,其发展和相关领域的研究者多次获得诺贝尔奖. 核磁共振( Nuclear Magnetic Resonance , NMR) 现象最早在1946 年被斯坦福大学的F.Bloch组和哈佛大学的E. Purcell 组分别发现.核磁共振成像于1973 年由美国化学家P. C. Lauterbur 和英国物理学家P. Mansfield分别提出,这两位科学家共同获得了2003 年诺贝尔生理学/医学奖. 从1978 年英国研制出第一台核磁共振成像仪以来,到2002 年全世界共进行了超过六千万次的核磁共振成像检测,核磁共振成像技术已在医学和脑科学等领域开拓了新的研究方向.1 实验原理1.1核磁共振与自由感应衰减原子核磁矩在外磁场B0作用下产生分裂获得附加能量E m=−μz B0=−γℏmB0,若m＝1/2或-1/2,则在外磁场作用下核能级分裂成两个能级,ΔE=γℏB0如果此时在与B0垂直方向加上频率为ν的交变磁场B1,此交变磁场的能量量子为hν,当hν＝ΔE就会引起核能态在两个分裂能级间的跃迁,产生共振现象.此时共振频率ν0＝γB0/2π实验中能观测到大量原子核组成的宏观磁矩,将物体放在外磁场内便会出现空间量子化而表现出宏观磁性.总的宏观磁矩M0与B0方向一致,在x、y方向分量为0.若某因素（如外加射频场B1使M偏离z轴,总磁矩M将绕z轴以拉莫尔频率ω0旋转并逐渐恢复到平衡态,如图1.1.如果射频脉冲B1使M与Z轴成90°或180°,则称该脉冲为90°或180°脉冲.图1.1 射频脉冲与磁化轨迹图1.2 自由衰减信号在y轴上放置接收线圈,因为90°脉冲使M在y轴上最大,有一个频率与进动频率相同的感应信号产生,其振幅的包络线与总磁矩在x-y平面上的分量有关,是一个指数衰减信号,称为自由感应衰减信号（Free Inductive Decay,FID）,如图1.2.显然180°脉冲不会有FID信号.核磁弛豫过程(Relaxation Process) 是吸收射频脉冲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发的过程.从微观角度看弛豫时间的机理可以分为两种,一种是由于自旋磁矩与周围介质的相互作用使M逐渐恢复到M0,称为自旋-晶格弛豫,以弛豫时间T1来表示；另一种是自旋-自旋弛豫,它导致M的横向分量M xy逐渐趋于0,以弛豫时间T2表示.1.2核磁共振成像基本原理物质在持续施加的射频场中产生核磁共振时,可以观察到共振信号的吸收峰,这属于稳态的核磁共振现象.如果用脉冲的方式施加射频场,通过测量脉冲核磁共振中的自旋回波信号,可以得到物质核磁弛豫过程中更为丰富的物理性质.核磁共振成像就是将核磁共振信号所反映的核密度以及弛豫时间T1和T2的空间分布显示成图像.从独立的核磁共振信号到成像,关键是必须对信号进行空间编码.为了在信号中包含空间位置的信息,必须在均匀外磁场上叠加一个空间线性梯度场B(x,y,z),其方向与均匀静磁场B0的方向一致,大小数值是空间坐标的线性函数,这样就可以实现不同位置共振信号的空间编码.针对不同的需求,核磁共振成像空间编码的方式有很多种,相应的对样品施加的梯度磁场脉冲序列也各有不同.但其最基本的宗旨和原理都是一致的.在本实验系统中,x方向的梯度场用来实现样品成像横断面的选择(称为选片),y方向的梯度场用来实现在y方向上对信号的频率编码,z方向的梯度场用来实现在z方向上对信号的相位编码.经过空间编码后的信号,通过二维傅里叶变换后就得到核磁共振信号的二维分布函数,从而得到了样品的二维核磁共振图像.2 原理性实验2.0实验系统图2.1 NMI20台式核磁共振成像仪NMI20台式核磁共振成像仪（图2.1）的工作原理：在计算机（脉冲序列）的控制下射频信号在波形调制信号的调制下形成需要的形状,送至射频功放系统进行功率放大后,经过发射线圈发射后激发样品产生核磁共振.在信号采集期间,射频线圈感应到FID信号,经过数据采集与模数转换送入计算机处理.在二维核磁共振成像序列中,还需要从脉冲序列发生器中发出三路梯度控制信号,分别经梯度功放后经由梯度线圈产生三个维度上的梯度磁场,起到对核磁共振信号进行空间定位的作用,通过计算机处理得到样品的2D图像.2.1硬脉冲FID 信号的观察与1H 拉莫尔频率的测量宏观磁化矢量的弛豫可以通过Bloch 方程描述和求解,但其中存在一个固定的进动项使描述和求解都很困难.而进动项对信号幅值没有影响,实验室坐标系中的NMR 信号在旋转坐标系中消除了进动项.当旋转坐标系的旋转频率与质子进动的频率,也就是拉莫尔频率完全相同时,线圈采集到的FID 信号中的拉莫尔频率成份就可以被完全过滤掉,呈现出一条指数规律衰减的曲线.在实验中可以通过不断修改射频脉冲的中心频率,直到FID 基本不出现振荡时,射频中心频率就是拉莫尔频率（图2.3）.首先打开计算机中的控制软件,然后打开系统谱仪机箱的电源和梯度机箱的电源. 系统需要经过一定预热时间达到稳定状态. 实验时将装有食用油样品的试管放入磁体箱中,要保证样品位于磁场均匀区的位置.选择硬脉冲自由感应衰减信号(FID) 序列（图2.2）,在单脉冲射频信号的作用下,样品中的氢核产生FID 信号. 它是最基本的脉冲核磁共振信号,对其进行快速傅里叶变换就得到样品的核磁共振谱,用来确定当时实验室环境下核磁共振主频率的数值,以保证样品自旋核的共振激发以及结果处理的准确性.图2.2 硬脉冲自由感应衰减信号(FID) 图2.3 共振与偏共振状态下FID 信号的形状及其频谱 在正零点.于是,测得的1H 原子核的拉莫尔频率SF1+O1=(22000+370.243)=22370.243MHz外磁场0.53T,此时的标准值42.58×0.53=22567.4MHz误差约为-0.88%.2.2反转恢复法测T 1在核磁共振常规脉冲序列中,反转恢复序列是较为常见的一种序列.该序列首先施加一个180°脉冲使M z 反转,此后该磁化强度以T 1进行自由弛豫.经过时间τ1后M z 有所减小,此时沿参数设置 说明 P1(μs)30 90°脉冲宽度,即180°脉冲的一半 D3(μs)100 死时间,等待噪音自然消除的时间 D0(ms)1000 脉冲序列重复时间 TD1024 采样点数 SW(KHz)100.0 谱宽 DFW(KHz)30.0 数字滤波器的截止频率 SF1(MHz)22 1H 通道主值 O1(KHz)370.243 1H 通道射频偏移,反复调整确定；中心频率=SF1+O1 RG1 接收机增益 NS4 累加次数 DS 10 过采样倍数水平方向施加90°脉冲信号,该序列中180°和90°脉冲之间的间隔时间定义为反转时间D1.经过N次实验描绘出M z的恢复曲线：M z=M0[1-2exp(-t/T1)]不断改变D1,得到一系列D1及其对应的峰值.通过软件附带的T1拟合功能拟合得到T1=149.9ms2.3饱和恢复法测T1饱和恢复脉冲序列与反转恢复脉冲序列非常相似,但两个脉冲都是90°脉冲,且都施加在x轴方向.第一个脉冲之后宏观磁化矢量倒向x-y平面上,纵向和横向弛豫同时开始,而横向弛豫比纵向弛豫快得多,所以饱和恢复序列只适合于测量纵向弛豫时间T1.设两个脉冲的间隔时间T R,纵向磁化矢量可表示为M z（T R）=M0[1-exp(-T R/T1)]通过改变间隔时间TR,获得对应的一系列幅值,拟合得到的T1=134.4ms2.4硬脉冲CPMG序列测T2首先施加90°脉冲,τ时间之后施加180°脉冲,之后每隔2τ施加180°脉冲.在t=2τ、3τ、4τ……时得到幅度逐渐减小的回波信号：|M y(t)|=M0exp(-2nτ/T2)这是T2的指数衰减曲线,可以利用此规律测得样品的T2值.试验所用的植物油是调和油,所以应该使用双组分拟合,得到T2=145.11ms和35.70ms3 自旋回波序列成像实验在核磁共振成像中,获取足够用于重建图像的信号按照一定时序和周期施加的射频脉冲与梯度脉冲的组合叫做脉冲序列.最常用的是自旋回波脉冲序列（图3.1）：图3.1 自旋回波脉冲序列首先用90°脉冲激励样品物质,宏观磁化矢量倒向x-y平面上,之后施加一个梯度脉冲Gs 作用在样品上,以选择并激发某一个特定层面,接下来是一个180°脉冲,改变x-y平面内质子的进动方向,使失相的质子重新相位重聚,吸收180°脉冲射频能量的质子将在后面以自旋回波的形式放出能量,产生自旋回波信号.选择一个层面后,在相位编码和频率编码的作用下进行数据采集,G p是相位编码梯度,在每次重复时相位编码梯度递增或递减一步；G r是读出梯度,即频率编码梯度,以实现对每个体素的最终定位,从而确定视野的大小.数据采集完毕后我们得到K空间图像.K空间是数字化后的核磁共振原始数据的存储空间,并不是样品的图像,不代表成像对象的物理位置.对于每个读出梯度过程,线圈接收到的信号采样后填充到一个傅立叶行；在下一个采集周期中,随着相位编码步的步进,填充下一个傅立叶行.K空间数据与实际的质子密度互为傅立叶变换对,因此对K空间数据进行傅立叶变换,就得到所需的图像数据.实验中得到了几种样品的核磁共振图像：图3.2 K空间图像图3.3 芝麻纵断面成像图3.4 芝麻横断面成像图3.5 水中的大豆成像图3.6 植物油纵断面成像图3.7 植物油横断面成像4 结语核磁共振成像技术是现代医学中最重要的影像诊断手段之一,但其理论比较晦涩难懂,硬件结构复杂.NMI20台式核磁共振实验仪是专门针对上述情况开发的一款小型核磁共振成像仪,基本结构和数据处理与医用核磁共振仪基本相同,价格比后者低廉许多,软硬件功能十分强大.通过这个选做实验,本人也确实感到有收获,特别是经过参数的反复调整,成像清晰,切实感受到了核磁共振成像的优点.参考文献1.汪红志,张学龙,武杰.核磁共振成像技术实验教程[M].北京：科学出版社,20082.蒋莹莹,张洁天,吕斯骅.核磁共振成像系列实验教学探讨[J].物理实验,Jan. ,2007, Vol. 27 No. 13.梁昕.共振频率漂移对脉冲核磁共振测量自旋－自旋弛豫时间的影响4.臧充之,彭培芝,张洁天,吕斯骅.核磁共振成像教学实验[J].物理实验,Aug. ,2004, Vol. 24 No. 8。