磁共振技术及核磁共振

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1、磁共振技术前言具有磁矩的粒子，例如原子核或电子，在稳恒磁场中对射频或微波电磁辐射产生共振吸收现象，称为磁共振。它是研究物质与电磁场相互作用，了解物质的微观结构的重要手段之一，这是物理实验的一个重要分支。由于磁共振方法具有能深入物质内部，而又不破坏品本身，并且具有迅速、准确、分辨率高等优点，因此，它发展很快，在物理、化学、生学、医学及它们的边缘学科中具有广泛的应用。另一方面，磁共振对磁场的精密测量也供了新的技术，做出了重要的贡献。磁共振有多种形式，共振机理也有区别，例如核磁共振，电子自旋共振等，但基本原理和实验方法有许多相

2、似之处。磁共振的理论有经典和量子两种，它们都能说明磁共振现象的本质，下面主要对量子理论给予简要介绍。现以核磁共振为例加以说明。根据量子力学，核角动量由下式决定：(1)其中，为核自旋量子数，可取,为普朗克常数。又核自旋磁矩与的关系为(2)称旋磁比。现以氢核为例，式(2)可写为或(3)式中，为质子电荷，为质子质量，为朗德因子，焦耳/特斯拉，称核磁子。当氢核处在外磁场中，磁矩在外磁场方向上的投影是量子化的，只能取下列数值，(4)称磁量子数。磁矩在静磁场中具有势能为(5)对氢核，，故，即分裂为两个能级，称塞曼能级，如图1(a)所

3、示。两能级的能量差为(6)显然，其能量差与外磁场的大小成正比，见图1().由量子力学选择定则，只有，两个能级之间才能发生跃迁，上述塞曼能级之间是满足跃迁选择定则的。现加一频率为的高频磁场，垂直于，当电磁波能量子与塞曼能级间隔相等时，即(7)或(8)则氢核将吸收能量子，从低能级()跃迁到高能级()，这就是核磁共振吸收现象。实际上，实验样品并非单个核，而是由大量核组成的。在热平衡时，处于每一能级的核子数目应服从玻尔兹曼分布。对于和两个能级，它们的核子数目分别为和，有(9)当时，有(10)式中，为玻尔兹曼常数，为绝对温度，对氢

4、核，在室温(设)，外磁场特斯拉时，得(11)这说明两能级的粒子数目相差是很小的。在电磁波激励下，上下能级之间相互跃迁是等几率的，由下往上吸收量子，由上往下放出能量。但由于，所以总的效果表现为样品对高频磁场能量的吸收。由于十分接近于l，未被抵消的吸收能量是很小的，所以核磁共振信号十分微弱。在能级跃迁过程中，减小，增加，当时，就观察不到共振吸收信号了。然而，由于核与周围环境的自旋一自旋相互作用和自旋一品格相互作用，发生能量交换，使处于上能级的核丧失能量，回到下能级。当静磁场变化足够慢或高频磁场频率变化足够小时，即在合适的驰豫

5、时间和情况下，在实验中可以连续地观察到共振吸信号。若要核磁共振信号强，上、下能级核子数目相差越大越好。由式(10)可以看出，磁场越大，越大，磁共振现象越明显。另外，除了需要强磁场外，还要求在样品范围内磁场高度均匀，否则样品内各部分的共振频率不同，对某个频率的电磁波，只有极少数核参与共振，结果信号为噪声干扰所淹没，难以观察到共振信号。核磁共振磁场均匀度要求在以上。核磁共振(NMR)实验1946年，布洛赫(Bloch)和珀塞尔(Purcell)分别用感应法和吸收法观察到宏观物体核磁共振现象，为此，他们荣获1952年诺贝尔奖。

6、从此，核磁共振成为人们研究物质微结构的重要方法，并获得广泛的应用。目前，核磁共振技术已成为精确测量磁场的重要方法，核磁共振成像技术也已成为医学诊断的有力工具。一、实验原理根据磁共振原理，观察核磁共振现象，需要有一个均匀的磁场和一个角频率为的旋转磁场，，并且满足(1)，称为旋磁比。对于氢核，焦耳／特斯拉，焦耳·秒，可计算出氢核旋磁比兆赫／特斯拉，故特斯拉(2)式中频率的单位为兆赫，由式(2)可见，当发生氢核磁共振时，测出旋转磁场的频率，就可确定未知磁场的大小，这就是NMR方法测量磁场的原理。根据式(1)，观察磁共振吸收信号

7、有两种方法。一种是扫频法，即磁场固定，让高频磁场角频率连续变化并通过共振区，当时，出现共振吸收峰；另一种方法是扫场法，即把高频磁场角频率固定，让磁场连续变化并通过并振区，当时，出现共振吸收峰。因扫场法在技术上较简单，本实验用扫场法，扫场电流为50Hz，对应扫场磁场，该磁场迭加在静磁场上，即(3)当满足磁共振条件时，就观察到NMR信号。见图1所示。为共振磁场，扫场每一周内，可观察到的共振吸收峰不超过两个。根据布洛赫稳态条件，静磁场变化(扫场)通过共振区所需时间远大于驰豫时间和，这是在示波器上可观察到稳态共振吸收信号如图2(

8、a)所示。如果扫场速度远非足够慢，不满足稳态条件，则观察到带有“尾波”的共振吸收信号如图2(b)所示。可以这样理解，当磁共振时，磁化强度矢量突然偏离方向，产生吸收峰。当或时，磁共振消失，而将围绕以螺旋方式恢复到方向。在这个过程中在垂直于平面的分量上，它使射频线圈产生的感应电动势是逐渐衰减的，因而在示波器上出现“尾波”