声光效应实验中布拉格衍射的研究

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1、用脉冲核磁共振研究物体成像作者：赖勤展指导老师：杨建荣绪论核磁共振（ＮＭＲ）现象是原子核的自旋磁矩在外恒定磁场作用下，核磁矩绕此磁场发生拉莫尔进动，若在垂直于外磁场的平面上施加一交变电磁场，当此交变场频率等于核磁矩绕外场进动的频率时，发生谐振现象[1]。核磁共振的物理基础是原子核的自旋[2]。核磁共振技术来源于1939年的美国物理学家拉比（I.I.Rabi）所创立的分子束共振法，他用这种方法实现了核磁共振这一物理思想，精确地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[3]。早期的核磁共振电磁波主要采用连续波，1966

2、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，由此脉冲核磁共振得到迅速发展，成为物理、化学、生物、医学、地学、和计量等学科领域中分析、鉴定和微观结构研究不可缺少的工具[4-5]。一直以来，我们学校及许多高校都采用连续波磁场扫描法观察核磁共振信号。用内扫描法或移相法测量横向驰豫时间。信噪比高、灵敏度低、实验误差大[6]，而且未能开设成像实验。本文我们采用上海高银科技开发有限公司的GY-3DNMR-10型核磁共振成像仪，用脉冲法观察核磁共振信号，采用自旋回波法测量甘油样品的横向驰豫时间，利用配

3、送3DNMR软件观察硫酸铜溶液一维成像，对硫酸铜溶液溶液、土豆、自来水进行二维成像。在我校，脉冲核磁共振成像实验是新开设的实验内容。本文结合GY-3DNMR-10型核磁共振成像仪，阐述了脉冲核磁共振的原理，空间频率编码、空间相位编码在核磁共振成像技术中的应用；利用脉冲自旋回波测量横向驰豫时间，提高了测量的精确度；设计了核磁共振一维成像、二维成像的实验方案，并进行了二维成像和图像分析；另外针对GY-3DNMR-10型核磁共振成像仪操作，总结了自己实验过程中的一些体会，提出了相关的建议。1实验原理1.1核磁共振的条件在一个恒定外磁场作用下

4、，另在垂直于的平面（，平面）内加一个旋转磁场，转动方向与自旋核磁矩的拉莫尔进动同方向[2]。当的转动频率与拉莫尔进动频率相等时，会绕和的合矢量进动，从而使势能增加；当的旋转频率与不等，自旋系统会交替地吸收和放出能量，没有净能量吸收[7]。因此只有的旋转频率与相等时才能发生共振。1.2射频脉冲作用若某一时刻，在垂直于方向上施加一射频脉冲，在射频脉冲作用前体磁化强度处在热平衡状态。施加射频脉冲作用，则将以频率绕轴进动，为旋磁比。转过的角度为。只要射频场足够强，则脉冲宽度可以足够小，从而满足远远小于和，为纵向驰豫时间，为横向驰豫时间。这意味

5、着射频脉冲作用期间驰豫作用可以忽略不计。脉冲作用后，体磁化强度绕旋转，这时射频场消失，核磁矩系统将由驰豫过程回复到热平衡状态[7]。在这个驰豫过程中，若在垂直于z轴方向上置一个接收线圈，便可感应出一个射频信号，其频率与进动频率相同，其幅值按照指数规律衰减，称为自由感应衰减信号，也写作FID信号[8]。1.3驰豫时间核自旋系统通过自旋与晶格之间的相互作用，以及自旋之间的相互作用，逐步由非平衡态恢复到平衡态的过程，所经历的时间叫驰豫时间T。驰豫分为纵向驰豫和横向驰豫，纵向驰豫又称为自旋—晶格驰豫[3]。纵向驰豫是指自旋系统把从射频磁场中吸

6、收的能量交给周围环境，转变为晶格的热能。自旋核由高能态无辐射地返回低能态，能态粒子数差n按下式规律变化：式中，为时间的能态粒子差，与体磁化强度的纵向分量变化一致，故称为纵向驰豫时间。横向驰豫又称为自旋—自旋驰豫，由非平衡进动相位产生时的体磁化强度的横向分量≠0，恢复到平衡态时相位=0，表征所需的特征时间记为。由于与体磁化强度的横向分量的驰豫时间有关，故也称横向驰豫时间[7]。1.4自旋回波法测量横向驰豫时间自旋回波是一种用双脉冲或多个脉冲周期性地作用于核磁矩系统来观察核磁共振信号的方法[7]。比如在射频脉冲作用后，经过时间再施加一个射

7、频脉冲，便组成一个脉冲序列，脉冲序列的脉宽和脉冲间距应满足：远远小于，和，脉冲序列的作用结果如图1所示。在射频脉冲后即可观察到FID信号；在射频脉冲后，对应于初始时刻的处可以观察到一个“回波”信号。这种回波信号是在脉冲序列作用下核自旋系统的运动引起的，所以称为自旋回波。图1自旋回波信号1.5脉冲核磁共振的捕捉范围脉冲核磁共振是采用时间短而功率大的方形脉冲，用傅立叶变换可得它的频率谱为连续谱，但各频率的幅度不相同，射频成份最强，在两边幅度逐渐衰减并有负值出现，当的时候，幅度第一次为零。但只要足够小，在旁边就有足够宽的振幅基本相等的频谱区

8、域，相应频率范围幅度如下式：式中，是矩形脉冲半宽度，是脉冲幅度，是射频脉冲频率。可见愈短，覆盖的范围愈宽。所以只要有足够短的脉冲，就具有大的捕捉共振频率范围，同时对测量无任何影响[7]。1.6空间频率编码所谓成像，就是用