脉冲核磁共振.doc

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1、中山大学实验报告：脉冲核磁共振理工学院光学工程系05级光信2班号参加人实验人：李洁芸日期：2007.9.24温度：气压：[实验目的]1、初步了解瞬态法观察；2、理解90°和180°脉冲在核磁共振现象观测中的物理作用；3、采用最基本的脉冲序列方法测量弛豫时间。[实验原理]共振吸收信号与核自旋系统的弛豫过程有关，自旋—晶格弛豫使核能级谱线具有一定宽度；自旋—自旋弛豫，致使满足共振条件的外磁场并非单一值，两者的作用使满足共振条件（1）的外磁场具有一定的展宽。为核朗德因子，为核磁子，为射频场光子能量。从核磁共振吸收峰线型可以定性或半定量地

2、分析弛豫参数。磁矩在外磁场作用下的运动方程（2）设磁场包括了轴方向的稳恒磁场和方向的射频磁场，且<<,代入式（2-4-2），可得，（3）由于<<，故、<<，即有（4）其中，=为静磁化率。当==（5）时，为无限大，即出现共振现象。（一）弛豫过程的唯象描述当存在阻尼力时，磁矩在外磁场作用下的运动方程为+（6）布洛赫在研究核磁共振时，提出了阻尼力矩的表达式为（7）式中，，分别为平衡时在，和方向的分量，和分别为纵向和横向弛豫时间。若取稳恒外磁场方向为方向，则只有纵向分量不为零，横向分量和均为零，从而可得（8）将式（2-4-8）代入式（2-

3、4-6），可得布洛赫方程（9）式中，外磁场包括稳恒磁场和射频磁场。对于原偏振射频磁场可表达为（10）式中“+”号表示正圆偏振磁场，“”号表示负圆偏振磁场。若稳恒磁场沿方向且大小为，并假设射频场圆频率变化很慢或外磁场通过共振区的时间远大于和，布洛赫方程的稳态解为（11）复数磁化率的实部和虚部分别为（12）称为布洛赫磁化率。和分别为色散磁化率和吸收磁化率，和随射频场圆频率的变化关系分别称为核磁共振色散波谱和吸收波谱。（二）、射频脉冲作用分析若稳恒磁场沿方向且大小为，圆偏振射频场以圆频率加在样品上，其分量为和（13）当脉冲作用时间远远小

4、于弛豫时间和，那么将上式代入布洛赫方程，可得到（14）其中，。根据脉冲作用时间可将脉冲分为90°脉冲、180°脉冲、270°脉冲、360°脉冲。当，称为90°脉冲。根据初始条件分以下三种情况进行分析：（1）、基态为：，，经过90°脉冲后得到，，因为对电磁辐射有贡献的是的，方向，所以在基态经过90°脉冲后可以得到最强的电磁辐射。（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

5、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：（1）基态为：，，经过180°脉冲后得到，，即，基态跃迁至激发态，原子核在激发态下辐射为零。（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

6、最大，180°脉冲的信号幅值为零。（四）自旋回波信号图1脉冲序列响应在90°脉冲作用之后，经过时间再施加一个180°射频脉冲作用，从而组成了90°——180°脉冲序列。同时要求，序列中的脉冲宽度和脉冲间隔应满足，，。紧随在90°射频脉冲之后，可观察到信号；在180°射频脉冲后面对应于初始时刻的处，可观察到一个回波信号。如果不存在横向弛豫，则自旋回波幅值应等于初始的信号幅值。但由于在时间内横向弛豫作用不能忽略，磁化强度各横向分量相应减小，从而使自旋回波幅值小于初始的信号幅值，而且，随脉冲间隔增大则自旋回波幅值减小。下图说明了自旋回波

7、的产生过程。图290°——180°脉冲序列自旋回波图解（五）弛豫时间的测量由布洛赫阻尼力矩，可得磁化强度各分量的弛豫表达式（17）实验上，可通过选择不同的脉冲序列产生信号和自旋回波信号的方法来测量弛豫时间和。（1）的测量在实验中采用90°——180°脉冲序列的自旋回波观测方法，由上式可知，磁化强度横向分量的弛豫过程为（18）而时刻自旋回波的幅值与成正比，即（19）式中，是90°射频脉冲刚结束时信号的幅值，与成正比。只要改变脉冲间隔，则自旋回波的峰值也相应地改变。若依次增大，测量对应的回波峰值，可得按指数衰减的包络线。对上式两边取对

8、数，可得（20）以为自变量，则直线~斜率的倒数即为。（2）的测量实验中采用180°——90°脉冲序列的反转恢复观测方法。首先施加180°射频脉冲把磁化强度从轴翻转到轴，这时，不存在横向分量，即没有信号。当纵向弛豫过程使由经过零值向平衡值恢复，在恢复