实验 三维脉冲核磁共振成像
1934年拉比等人采用分子束磁共振方法，首次观察到核磁共振现象,成为诺贝尔奖得主。1946年Bloch 和Purcell 分别采用交叉线圈感应法和吸收法，在石蜡和水样品中观察到质子的核磁共振感应信号。这两个团队近乎同时独立完成在凝聚态物质中发现核磁共振，精确测定核磁矩和磁场强度的研究。从而共同荣获1952度诺贝尔物理奖。
核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance ，NMR 、），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。核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging ，NMRI ），是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。
在物理学方面，利用NMR 可以研究原子核的结构和性质，凝聚体相变，弛豫过程和临界现象等。在精细化工方面，NMR 技术可以研究高分子材料的结构和多种化学反应的过程。在生物医学领域，利用NMR 可以研究生物组织的组成和生化过程。医学诊断可利用NMR 成像法研究血管和器官损伤，肿瘤结构病变等。在地质学领域，NMR 可以用来探测地下水和地下的油层，燃气和矿物岩层结构。
核磁共振的物理基础是原子核的自旋。原子核不仅是一个带电的力学体系，而且也是核自旋与外电子轨道运动相互作用的结果。而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。
一、实验目的
1.了解核磁共振的实验原理。
2.通过实验掌握三维脉冲NMR 波谱仪操作和仪器工作原理。
3.采用了解一维成像的原理，理解梯度场在成像中的作用。
4.了解二维成像的原理。
5.了解三维成像的原理。
二、实验原理
1. 具有自旋的原子核，其自旋角动量P 为
)1(+=I I P （1）
（1）式中，I 为自旋量子数，其值为半整数或整数，由核性质所决定。π2h =
，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 γμ＝ （2）
（2）式中，γ为旋磁比。
在外加磁场00=B 时，核自旋为I 的核处于)12+I （度简并态。外磁场00≠B 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 γω= （3）
（3）式称为拉摩尔进动公式。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。
由于核自旋角动量P 空间取向是量子化的。P 在z 方向上的分量只能取)12(+I 个值，
即： m P z = ),1,,1,(I I I I m -+-???-= （4）
m 为磁量子数，相应地
m P Z Z γγμ== （5） 此时原)12+I （度简并能级发生塞曼分裂，形成)12+I （个分裂磁能级
0000cos mB B B B E z γμθμμ-=-=-=?-= （6）
相邻两个能级之间的能量差
0ωγ ==?B E （7） 对2/1=I 的核，例如氢、氟等，在磁场中仅分裂为上下两个能级。
2.核磁共振
实现核磁共振的条件：在一个恒定外磁场0B 作用下，另在垂直于0B 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1－a 。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，见式（6）。如果1B 的旋转频率ω与0ω不等，自旋系统会交体地吸收和放出能量，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相等使才能发生共振。旋转磁场作用方式可以采用连续波方式也可以采用脉冲方式。
3．体磁化强度 因为磁共振的对象不可能单个核，而是包含大量等同核的系统，所以用体磁化强度M 来描述,核系统M 和单个核i μ 的关系为：∑==N i i M 1μ M 体现了原子核系统被磁化的程度。具有磁矩的核系统，在恒磁场0B 的作用下，宏观体磁化矢量M 将绕0B 作拉摩尔进动，进动角频率00B γω=
3.射频脉冲磁场1B 瞬态作用
如引入一个旋转坐标系),,(z y x ''，z 方向与0B 方向重合，坐标旋转角频率0ωω=,则M
在新坐标系中静止。若某时刻,在垂直于0B 方向上施加一射频脉冲，其脉冲宽度p t 满足
1T t p <<,2T t p <<（1T ,2T 为原子核系统的驰豫时间），通常可以把它分解为两个方向相反的圆偏振脉冲射频场，其中起作用的是施加在轴上的恒定磁场1B ,作用时间为脉宽p t ，在射频脉
冲作用前M 处在热平衡状态，方向与z 轴（z '轴）重合，施加射频脉冲作用，则M 将以频
率1B γ绕x '轴进动。
图1
M 转过的角度p t B 1γθ=（如图1－a ）称为倾倒角,如果脉冲宽度恰好使2/πθ=或
πθ=，称这种脉冲为090或0180脉冲。090脉冲作用下M 将倒在y '上，0180脉冲作用下M
将倒向z -方向。由p t B 1γθ=可知，只要射频场足够强，则p t 值均可以做到足够小而满足21,T T t p <<,这意味着射频脉冲作用期间弛豫作用可以忽略不计。
4. 脉冲作用后体磁化强度M 的行为——自由感应衰减（FID ）信号
设0＝t 时刻加上射频场1B ,到p t t =时M 绕1B 旋转090而倾倒在y '轴上，这时射频场
1B 消失，核磁矩系统将由弛豫过程回复到热平衡状态。其中0z M M →的变化速度取决于
1T ,0x →M 和0y →M 的衰减速度取决于2T ,在旋转坐标系看来，M 没有进动，恢复到平
衡位置的过程如图2－a 所示。在实验室坐标系看来，M 绕z 轴旋进按螺旋形式回到平衡位置，
如图2－b 所示。
图2
90脉冲作用后的弛豫过程 图3 自由感应衰减信号
在这个弛豫过程中，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0ω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。经检波并滤去射频以后，观察到的FID 信号是指数衰减的包络线，如图3（a ）所示。FID 信号与M 在xy 平面上横向分量的大小有关，所以 90脉冲的FID 信号幅值最大， 180脉
冲的幅值为零。
实验中由于恒定磁场0B 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，其进动频率各有差异，实际观测到的FID 信号是各个不同进动频率的指数衰减信号的叠加，如图3－b 所示，设'
2T 为磁场不均匀所等效的横向弛豫时间，则总的FID 信号的衰减速度由2T 和'2T 两者决定，可以用一个称为表观横向弛豫时间*2T 来等效：
'22*2111T T T += 若磁场域不均匀，则'2T 越小，从而*2T 也越小，FID 信号衰减也越快。
5. 驰豫过程
驰豫和射频诱导激发是两个相反的过程，当两者的作用达到动态平衡时，实验上可以观
测到稳定的共振讯号。处在热平衡状态时，体磁化强度M 沿Z 方向，记为0M 。
驰豫因涉及到体磁化强度的纵向分量和横向分量变化，故分为纵向驰豫和横向驰豫。
1).纵向驰豫又称为自旋—晶格驰豫。纵向驰豫是指自旋系统把从射频磁场中吸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：
)/ex p(10T t n n -= 式中，0n 为时间0=t 时的能态粒子差，1T 为粒子数的差异与体磁化强度M 的纵向分
量Z M 的变化一致，粒子数差增加Z M 也相应增加，故1T 称为纵向驰豫时间。
1T 是自旋体系与环境相互作用时的速度量度，1T 的大小主要依赖于样品核的类型和样品状态，所以对1T 的测定可知样品核的信息。
2).横向驰豫时间又称为自旋—自旋驰豫2T 。自旋—自旋相互作用也是一种磁相互作用，进动相位相关主要来自于核自旋产生的局部磁场。射频场1B ，外磁场空间分布不均匀都可看成是局部磁场。
● 反转恢复法测量纵向驰豫时间T 1
纵向驰豫时间指上能级不经过辐射跃迁至下能级的时间。反转恢复法测量T 1是利用核磁矩完全平行静时磁场无任何射频辐射信号来测量驰豫时间。反转恢复法是180-90脉冲序列完成。180脉冲后核磁矩反平行静磁场核磁矩处于上能级，无辐射信号。如果再180脉冲后马上加90脉冲，成为270脉冲核磁矩垂直静磁场有较强的辐射，如果跃迁至一半核磁矩垂直静磁场，加90脉冲后核磁矩平行静磁场，无辐射信号。如果在核磁矩完全跃迁至平行静磁场再加90脉冲后核磁矩垂直静磁场有较强的辐射信号。所以跃迁一半的时间具有特殊性：第一脉冲（180脉冲）无辐射信号，第二脉冲也无辐射信号，如果改变脉冲间隔第二脉冲具有较小的辐射信号。所以调节第二脉冲至跃迁一半的时间就可测出T 1。
● 用自旋回波法测量横向驰豫时间T 2
横向驰豫时间是指核磁共振发射的自由衰减信号的衰减速度。但是因为磁场不均匀的影响，使得不同空间位置的样品处于发射频率不同的射频场中。导致信号过早消失，称之为相位散失。如果加入180脉冲使得所有样品发射的信号的相位产生180反转，再经历相同时间，相位又会重新相同，称为相位重合，这时信号强度是真实的发射强度，重新恢复的信号称为自旋回波。通过测量自旋回波强度随时间变化的关系可以得到横向驰豫时间T 2。如图(A1) 自旋回波幅值U 满足，220T e U U τ-=——（1）式中，0U 为时间0=t 时的幅值。
图A1 图A2
三．实验内容
1.用计算机软件观察自由衰减信号（FID信号）
用第一脉冲进行观察。观察波形变化，脉冲宽度变化意味着样品体系、体磁化矢量、倾倒角θ的变化。设置不同的脉冲宽度使产生不同的倾倒角度，如0
90，0
180等，观察FID变化，0
90信号最大，0
180信号为零。
1）一维成像：采用定标样品（三注油孔）对一维成像（空间频率编码）有所认识。对梯度场各个参数对一维成像的影响进行观察。
将注油三孔样品放入探头中，观察自由衰减信号及其频谱，逐渐加大梯度场观察信号及频谱的变化，在无梯度场时无法区分任何空间信息。
2）二维成像：了解瞬间梯度场，对二维成像（空间相位编码）有所认识。对瞬间梯度场的梯度大小瞬间梯度保持时间对二维成像图形的影响。
观察瞬间梯度场扫描过程的信号如图（2D-1），显示核磁共振成像灰度图—图（2D-2）。
在这些信号的对比下,理解瞬间梯度场产生二维成像的原理。
图2D-1 梯度扫描过程图2D-2 灰度图3）傅里叶变换（脉冲）核磁共振三维成像：对植物体进行观察。实现三维采集，了解断层显示的原理。对具有三维结构物体进行成像，同时对实际物体进行对比。
放入三维结构的物体，进行三维采集，采集结束后按三维富里叶变换后就可以进行不同方向切面观察物体，同时与实物进行对比。如图3D-1
图3D-1 图3D-2 选择保存图像的目录按多层图像保存。在该目录下得到128层的图片。然后使用图片处理软件（如CorelDRAW Photoshop ）将有用图片整理后打印。如图3D-2.
2.用自旋回波法测量横向弛豫时间2T （选做）
在实验内容1调节基础上，用0018090--τ脉冲的方法获得自旋回波信号，如果自旋回波较小，可以反复调节0I 至回波最大，再改变τ分别获得回波极大值，作包络线，求出2T .
3.用反转回复法测量纵向弛豫时间1T （选做）
即用0090180--τ脉冲序列求弛豫时间1T 。在x '加0
180脉冲使0M 从z 到z -轴，一瞬间0z z M M -=，此后Z M 就开始通过自旋－晶格弛豫沿z 轴企图恢复到平衡值，经过t 秒
后，Z M 收缩成如式（c ），由于谱仪不能检测沿z 轴信号，所以延迟t 后必须加x '??? ??2π脉冲使它从z -转到y '-方向（仪器可以检测其长度了）。不同的t 有不同的长度，见示意图。
四、实验步骤和测量方法
1.了解仪器组成和连线方式，并将测试样品放入探头中。
2．共振频率设置。
图4-1.频率设置界面图4-2 Z梯度空间频率编码一维成像3．调节匀场
分别调节电源，匀场调节电位器（1D、2D、3D）同时调节软件中的XY匀场至傅立叶频谱图中峰最尖锐最高信号最长。（如出现图形，说明信号的频率是采样率的倍数（混叠现象）调节共振频率。直至波形光滑为止）
4．设置Z梯度场和一维成像
调偏Z匀场调节使峰变宽变低，同时出现Z轴线上投影的一维成像信号。调节Z梯度和工作频率，使得信号频谱占半个屏幕同时在中间位置。
5．二维核磁共振成像记录及处理
按下“成像记录及操作”出现图4-2界面按下“记录”等待2分钟，记录结束计算机会提示结束并且“采集”不再闪动（图4-3）。按下“二维傅立叶变换”，调节“行选择”可以看到每一列二次傅立叶变换的谱图。按下“成像彩色显示”成像彩色密度图。如图4-4。
图4-3 成像记录界面图4-4 成像彩色显示界面
6. 傅里叶变换（脉冲）核磁共振三维成像
五．思考题
1.什么叫核磁共振？
2.如何理解弛豫时间？
3.为何会出现相位散失。如何进行相位重和？
4.如何得到驰豫时间T1,T2，并解释。
5.二维成像的原理是什么？
6.您是否对三维成像技术的应用很感兴趣，试举例。
六．参考资料
1. 戴乐山，戴道宣. 近代物理实验. 上海：复旦大学出版社，1995
2. 胡皆汉. 核磁共振波谱学. 北京：烃加工出版社，1988
3. 裘祖文，裘奉奎. 核磁共振波谱. 北京：科学出版社，
实验三微波顺磁共振 电子自旋的概念是Pauli在1924年首先提出的。1925年,S.A.Goudsmit和 G.Uhlenbeck用它来解释某种元素的光谱精细结构获得成功。Stern和Ger1aok也以实验直接证明了电子自旋磁矩的存在。 电子自旋共振(Electron Spin Resonance)缩写为ESR，又称顺磁共振(Paramagnetic Resonance)。它是指处于恒定磁场中的电子自旋磁矩在射频电磁场作用下发生的一种磁能级间的共振跃迁现象。这种共振跃迁现象只能发生在原子的固有磁矩不为零的顺磁材料中，称为电子顺磁共振。1944年由前苏联的柴伏依斯基首先发现。它与核磁共振(NMR)现象十分相似，所以1945年Purcell、Paund、Bloch和Hanson等人提出的NMR实验技术后来也被用来观测ESR现象。 ESR己成功地被应用于顺磁物质的研究,目前它在化学、物理、生物和医学等各方面都获得了极其广泛的应用。例如发现过渡族元素的离子、研究半导体中的杂质和缺陷、离子晶体的结构、金属和半导体中电子交换的速度以及导电电子的性质等。所以：ESR也是一种重要的近代物理实验技术。 ESR的研究对象是具有不成对电子的物质，如(1)具有奇数个电子的原子，象氢原子； (2)内电子壳层未被充满的离子，如过渡族元素的离子；(3)具有奇数个电子的分子，如NO； (4)某些虽不含奇数个电子，但总角动量不为零的分子，如O2；(5)在反应过程中或物质因受辐射作用产生的自由基；(6)金属半导体中的未成对电子等等，通过对电子自旋共振波谱的研究，即可得到有关分子、原子或离子中未偶电子的状态及其周围环境方面的信息，从而得到有关的物理结构和化学键方面的知识。 “电子自旋共振”与“核磁共振”的不同点在于电子磁矩较核磁矩大三个数量级，因此在实验中，若二者的共振频率大致相同，则电子自旋共振所需的外加静磁场要小得多，由螺线管产生就够了。 用电子自旋共振方法研究未成对的电子，可以获得其它方法不能得到或不能准确得到的数据。如电子所在的位置，游离基所占的百分数等等。 一、实验目的： 1.了解顺磁共振的基本原理。
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L γμ=得 B dt d ?=μγμ (3) 其分量式 )()() (y x x y z x z z x y z y y Z x B B dt d 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。驰豫过程分为纵向驰豫过程和横向驰豫过程。 纵向驰豫： 自旋与晶格热运动相互作用使得自旋无辐射的情况下按)T t exp(1 - 由高能级跃迁至低
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级： 姓名 同组者： 教师： 核磁共振实验 【实验目的】 1、理解核磁共振的基本原理； 2、理解磁体的中心频率和拉莫尔频率的关系，并掌握拉莫尔频率的测量方法； 3、掌握梯度回波序列成像原理及其成像过程； 4、掌握弛豫时间的计算方法，并反演 T1和T2谱。 【实验原理】 一．核磁共振现象 原子核具有磁矩，氢原子核在绕着自身轴旋转的同时，又沿主磁场方向B 0作圆周运动,将质子磁矩的这种运动称之为进动，如图1所示。 图1 质子磁矩的进动 在主磁场中，宏观磁矩像单个质子磁矩那样作旋进运动，磁矩进动的频率符合拉莫尔（Larmor ）方程：. 0/2f B γπ= 二、施加射频脉冲后(氢)质子状态 当生物组织被置于一个大的静磁场中后，其生物组织内的氢质子顺主磁场方向的处于低能态而逆主磁场方向者为高能态。在低能态与高能态之间根据静磁场场强大小与当时的温度，势必要达到动态平衡，称为“热平衡”状态。这种热平衡状态中的氢质子，被施以频率与质子群的旋进频率一致的射频脉冲时，将破坏原来的热平衡状态。施加的射频脉冲越强，
持续时间越长，在射频脉冲停止时，M离开其平衡状态B0越远。 如用以Ｂ０为Ｚ轴方向的直角座标系表示Ｍ，则宏观磁化矢量Ｍ平行于ＸＹ平面，而纵向磁化矢量Ｍｚ＝０，横向磁化矢量Mxy最大，如图2所示。这时质子群几乎以同样的相位旋进。施加180°脉冲后，Ｍ与Ｂ０平行，但方向相反，横向磁化矢量Ｍｘｙ为零，如图3所示。 图2 90°脉冲后横向磁化矢量达到最大 图3 180°脉冲后的横向磁化分量为0 三、射频脉冲停止后（氢）质子状态 脉冲停止后，宏观磁化矢量又自发地回复到平衡状态，这个过程称之为“核磁弛豫”。当90°脉冲停止后，Ｍ仍围绕Ｂ０轴旋转，Ｍ末端螺旋上升逐渐靠向Ｂ０，如图4所示。 图4 90度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化 1. 纵向弛豫时间（T1） 90°脉冲停止后，纵向磁化矢量要逐渐恢复到平衡状态，测量时间距射频脉冲终止的时
实验 三维脉冲核磁共振成像 1934年拉比等人采用分子束磁共振方法，首次观察到核磁共振现象,成为诺贝尔奖得主。1946年Bloch 和Purcell 分别采用交叉线圈感应法和吸收法，在石蜡和水样品中观察到质子的核磁共振感应信号。这两个团队近乎同时独立完成在凝聚态物质中发现核磁共振，精确测定核磁矩和磁场强度的研究。从而共同荣获1952度诺贝尔物理奖。 核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance ，NMR 、），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。核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging ，NMRI ），是磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。 在物理学方面，利用NMR 可以研究原子核的结构和性质，凝聚体相变，弛豫过程和临界现象等。在精细化工方面，NMR 技术可以研究高分子材料的结构和多种化学反应的过程。在生物医学领域，利用NMR 可以研究生物组织的组成和生化过程。医学诊断可利用NMR 成像法研究血管和器官损伤，肿瘤结构病变等。在地质学领域，NMR 可以用来探测地下水和地下的油层，燃气和矿物岩层结构。 核磁共振的物理基础是原子核的自旋。原子核不仅是一个带电的力学体系，而且也是核自旋与外电子轨道运动相互作用的结果。而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。 一、实验目的 1.了解核磁共振的实验原理。 2.通过实验掌握三维脉冲NMR 波谱仪操作和仪器工作原理。 3.采用了解一维成像的原理，理解梯度场在成像中的作用。 4.了解二维成像的原理。 5.了解三维成像的原理。 二、实验原理 1. 具有自旋的原子核，其自旋角动量P 为 )1(+=I I P （1） （1）式中，I 为自旋量子数，其值为半整数或整数，由核性质所决定。π2h = ，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 γμ＝ （2） （2）式中，γ为旋磁比。 在外加磁场00=B 时，核自旋为I 的核处于)12+I （度简并态。外磁场00≠B 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 γω= （3） （3）式称为拉摩尔进动公式。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。
近代物理实验-核磁共振 实验目的： (1)了解核磁共振原理 (2)学习使用核磁共振测量软件 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=?)1( I I (1) 式中?=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。 核自旋角动量p 在空间任意方向的分量（如z 方向）的取值为： p z = m ? (2) m 的取值范围为-I…I，即-I ，-（I-1），…，（I-1），I 。 原子核的自旋运动必然产生一微观磁场，因此称原子核具有自旋磁矩μ，它与自旋角动量p 的关系为： μ = γ p (3) γ称为旋磁比，γ与原子核本身性能有关，它的数值可正可负。 与自旋角动量一样，自旋磁矩在外加磁场方向的分量值也是量子化的 μz = γ ? m (4) 与p 一样的取值范围一样，m 的取值范围也是 -I…I。对质子1H ，I=1/2, m 的取值为-1/2 和1/2。 核磁矩在外磁场B 0中将获得附加能量 E m =-μz B 0=-γ ? mB 0 (5) 以质子为例，其m 的值为1/2与-1/2，从而在外磁场作用下核能级分裂成两个能级，其能级差ΔE 为 ΔE=γ ? B 0 (6) 如果此时在与B 0垂直方向再加上一个频率为ν的交变磁场B 1，此交变磁场的能量量子为h ν，则当h ν=ΔE 时就会引起核能态在两个分裂能级间的跃迁，即产生共振现象。此时
近代物理实验-核磁共振 实验目的： (1) 了解核磁共振原理 (2) 学习使用核磁共振测量软件 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= ?..丨(1 1) (1) 式中？=h/2 n , 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，如务(1), 1：N(1), 105B(3) 等；当A、Z均为偶数时I则为零，如126C, 168O等。 核自旋角动量p在空间任意方向的分量(如 z方向)的取值为： p z = m ? (2) m的取值范围为-I…I，即-I，- (I-1 ),…，(I-1 ), I。 原子核的自旋运动必然产生一微观磁场，因此称原子核具有自旋磁矩□，它与自旋角 动量p的关系为： 卩=Y p (3) 丫称为旋磁比，丫与原子核本身性能有关，它的数值可正可负。 与自旋角动量一样，自旋磁矩在外加磁场方向的分量值也是量子化的 z = Y? m (4) 与p 一样的取值范围一样，m的取值范围也是-I…I。对质子1H, 1=1/2, m 的取值为-1/2 和 1/2。 核磁矩在外磁场B o中将获得附加能量 E m=- i z B 0=- Y ? mB°(5) 以质子为例，其m的值为1/2与-1/2 ,从而在外磁场作用下核能级分裂成两个能级，其能级 m/21/2 r n J (a) (b) ? 图】(a)空间童干代(b)能皱分址(c)桩直进 差△ E为 △ E=Y? B 0 (6) 如果此时在与B0垂直方向再加上一个频率为v的交变磁场B1,此交变磁场的能量量子 为h v ,则当h v =△E时就会引起核能态在两个分裂能级间的跃迁，即产生共振现象。此时共振频率V 0为
第三章 NMR 实验技术基础 4 脉冲技术 a 频偏效应(off-resonance effects) 由于射频场为单色波，而样品中的化学位移有一定的范围，因此不同的核感受到的有效场也不同。 (1) 脉冲作用对象为Z 磁化向量 在off-resonance 状态，相位y 的脉冲作用于平衡态的z 磁化向量后： M M M M M M x y z ==-=+000221sin sin ; (cos )sin cos ;(cos cos sin ) αθαθθθαθ 当频偏大时有明显的相位及强度的畸变： tan (cos )cos sin (cos )sin sin βαθ α αθαγ= = -=-? -M M B y x 111Ω
这个式子适合于分析相位与频偏的关系。 当频偏不大于射频场频率时，90度脉冲后的水平分量的相位与频偏基本上是线性关系， βγτγττπ = -=-= -ΩΩΩ B B 190190902 因此不太大的频偏下，实际的90度脉冲可以当成理想的90度脉冲，后跟一 段演化期，时间长度为ττπ =290 相比之下，有频偏时180度脉冲的效果要差的多，通常需要其他技术来弥补。 90度脉冲的激发曲线的第一个零点位于Ω=±151γB 180度脉冲的激发曲线的第一个零点位 于Ω=±31γB 如蛋白质中C α的化学位移平均在 56ppm 左右,而CO 的化学位移在174ppm 左右，若要激发其中之一同时对另一个影响最小，180度方波的功率应选择为 118125673 8562?=. Hz ,对应的脉冲宽度大约58.4μs. (2) 脉冲作用对象为水平磁化向量(nonresonant effects) 频偏较大时射频场的有效磁场接近Z 向，因此横向磁化向量在脉冲期间绕Z 轴有额外的进动，产生相移：φωτNR p t =<>122()Ω 此处<>对脉冲串作平均，在多维谱中当τp 随间接维时间变化时（如去偶序列），这个相 移在对应的间接维中表现为一个频移ωωNR t = <>122()Ω
I C S67.040 X04 中华人民共和国国家标准 G B/T37517 2019/I S O8292-2:2008 动植物油脂脉冲核磁共振法测定 固体脂肪含量间接法 A n i m a l a n d v e g e t a b l e f a t s a n do i l s D e t e r m i n a t i o no f s o l i d f a t c o n t e n t b y p u l s e dN M R I n d i r e c tm e t h o d (I S O8292-2:2008,A n i m a l a n dv e g e t a b l e f a t s a n do i l s D e t e r m i n a t i o no f s o l i d f a t c o n t e n t b yp u l s e dNM R P a r t2:I n d i r e c tm e t h o d,I D T) 2019-05-10发布2019-12-01实施 国家市场监督管理总局
前言 本标准按照G B/T1.1 2009给出的规则起草三 本标准使用翻译法等同采用I S O8292-2:2008‘动植物油脂脉冲核磁共振法测定固体脂肪含量第2部分:间接法“三 与本标准中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下: G B/T15687 2008动植物油脂试样的制备(I S O661:2003,I D T); G B/T31743 2015动植物油脂脉冲核磁共振法测定固体脂肪含量直接法(I S O8292- 1:2008,I D T)三 本标准做了下列编辑性修改: 标准名称修改为 动植物油脂脉冲核磁共振法测定固体脂肪含量间接法 ,以便与现有标准系列一致; 将 按照I S O3960测得的过氧化值应低于5m e q/k g 改为 按照I S O3960测得的过氧化值应低于2.5mm o l/k g ,进行了单位换算三 本标准由国家粮食和物资储备局提出三 本标准由全国粮油标准化技术委员会(S A C/T C270)归口三 本标准起草单位:国家粮食局科学研究院三 本标准主要起草人:张蕊二薛雅琳二郝希成三
参数对脉冲核磁共振信号图像的影响分析 Analyzing the effects of parameters on NMR images 金磊 0830******* 指导老师:俞熹 复旦大学物理系 摘要 本文主要讨论了脉冲核磁共振信号图像中各种参数的物理意义，从实验原理出发，根据NMI20核磁共振仪实验软件，研究改变各参数对输出图像的影响，并总结出一些有效提高图像质量的参数选择方法。 关键词核磁共振脉冲序列成像参数选择 引言 核磁共振( Nuclear Magnetic Resonance, NMR)是指处在外界恒定磁场为的具有磁矩的原子核，产生能级分裂，若在垂直以方向加一射频（Radio Frequency，RF）场，当射频场的频率等于相邻能级间的跃迁频率时（即满足）核磁矩产生磁偶极跃迁的现象。目前，核磁共振成像(NMRI) 技术是医学中最重要的影像诊断手段之一。 本文主要讨论了脉冲核磁共振信号图像中各种参数的物理意义，结合实验原理，使用NMI20核磁共振仪实验软件，研究改变各参数对输出图像的影响，并总结出有效提高图像质量的参数选择方法。 实验原理 1.核磁共振基本原理 置于磁场中的自旋核系统，具有宏观磁化矢量Mz。沿垂直于外场的方向施加一个频率与拉莫尔频率1相同的射频电场，则宏观磁化矢量也将受到射频磁场作用，发生章动。在实验中可探测到射频脉冲使得磁化适量偏离Z方向一个角度θ。2。在垂直于外磁场的方向施加与质子拉莫尔频率相等的90度射频电磁波，即可使得宏观磁化矢量发生偏转，产生核磁共振成像，在垂直与原磁场方向放置探测横向（XY平面内）磁感应强度的线圈，即可对核磁共振信号进行观察。所得信号即为本实验的主要研究对象。 图1 2.硬脉冲和软脉冲 NMRI中的射频磁场系统发射出中心频率为拉莫尔频率的射频电磁波，激发样品质子群从而 1单个自旋核在磁场中的运动除了不断绕自身轴做转动之外，还以磁场为轴作进动，进动的频率满足公式ω=γ*B，其中的ω即是拉莫尔频率，射频磁场越接近总的拉莫尔频率，共振效果就越明显。 2可知偏转角度取决于射频场的大小和射频脉宽τ。选择合适的射频场大小和射频脉宽，可找到使偏转角为90度和180度的射频脉冲，即实验中用到的90度脉冲和180度脉冲。 γ为旋磁比，是质子的一个参数。
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。 由于核自旋角动量P 空间取向是量子化的，P 在z 方向上的分量只能取（2I+1）个值，即：
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 ?γ?= (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 ?B ?υωγ== (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。 三、实验装置与过程 3.1实验装置 NMI20Analyst 台式核磁共振成像仪、大豆油、芝麻 3.2实验过程 3.2.1测量大豆油拉莫尔频率 对FID 信号进行傅立叶变换，找到射频磁场的中心频率，对图像进行峰值提取、设定中心频率，重复以上步骤直至偏差为0。 3.2.2硬脉冲回波实验 调节P1、P2得到90°与180°脉冲，观察硬脉冲回波的特性，形状，以及各个参数对其的影响。 t 3.2.3测量横向弛豫时间 2 采用硬脉冲CPMG序列，可以得到一个回波的波列。对每个回波的波峰值与 t。 时间进行拟合即可测得横向弛豫时间 2 3.2.4 芝麻、大豆油自旋回波成像 选择软脉冲成像，准确调整拉莫尔共振频率以及软脉冲的RFAmp1(%) 和RFAmp2(%)的值，最后进行各种成像参数调整，直至成像。 四、实验结果与分析
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。因为一个 t B ?ωcos 21的直线磁场，可以看成两个相反方向旋转的磁场1B 合成，见图2-1。一个与拉 摩尔进动同方向，另一个反方向。反方向的磁场对μ 的作用可以忽略。旋转磁场作用方式可以采用连续波方式也可以采用脉冲方式。 因为磁共振的对象不可能单个核，而是包含大量等同核的系统，所以用体磁化强度M 来描述,核系统M 和单个核i μ 的关系为 ∑==N i i M 1 μ （3-1）
核磁共振 【摘要】本实验在连续核磁共振谱仪下测得不同浓度硫酸铜溶液的表观横向弛豫时间，表明其随浓度升高而降低，同时测得磁场的非均匀度为0.21PPM ；在脉冲核磁共振中测得不同硫酸铜浓度下的表观横向弛豫时间和横向弛豫时间，同时测量得甘油无相对化学位移，二甲苯的相对化学位移为105.3Hz 。 【关键词】核磁共振，横向弛豫，纵向弛豫（热弛豫） 1引言 核磁共振技术（NMR ）是1945年布洛赫和柏塞尔分别独立发明的，此方法大大提高了核磁距的测量精度。核磁共振自发明后迅速发展，如今不仅是一种能直接而准确地测量原子核磁距的方法，而且应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等。此外核磁共振成像技术在生物学、医学、遗传学等领域都有着重要的作用。 本实验以水中的氢核为研究对象，以期掌握核磁共振技术的基本原理。 2原理 2.1核磁共振的量子力学描述 在原子物理中，我们已知原子核中的质子和中子都具有轨道和自旋角动量，因此，原子核的磁矩应该是质子磁矩和中子磁矩的总合。质子带有一个正电荷，其自旋必然导致磁矩的产生，中子虽然不带电，但其内部存在电荷分布，也会产生自旋磁矩，中子的磁矩与其自旋角动量的方向相反。 自旋量子数为I 的原子核，其自旋角动量I P 和核磁距I u 的大小分别为 I P = (1) 2I N I p e g P m μ= (2) 其中量子数I 只能取整数或半整数，即0,1/2,1,3/2,I =?;p m 为核子质量，N g 是核子的朗德因子。 将上面两式合并得， (1)I N p e g I I μ=+定义核磁子N μ为 24 5.049210/2N p e erg Gs m μ-= =? (4)
核磁共振成像MRI 名片：核磁共振成像也称磁共振成像，是利用核磁共振原理，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，据此可以绘制成物体内部的结构图像，在物理、化学、医疗、石油化工、考古等方面获得了广泛的应用 概要 在磁场的作用下，一些具有磁性的原子能够产生不同的能级，如果外加一个能量（即射频磁场），且这个能量恰能等于相邻2个能级能量差，则原子吸收能量产生跃迁（即产生共振），从低能级跃迁到高能级，能级跃迁能量的数量级为射频磁场的范围。核磁共振可以简单的说为研究物质对射频磁场能量的吸收情况。 定义 核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging?，简称NMRI?），又称自旋成像（spin imaging?），也称磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging ?，简称MRI?），台湾又称磁振造影，是利用核磁共振（nuclear magnetic resonnance?，简称NMR?）原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。 将这种技术用于人体内部结构的成像，就产生出一种革命性的医学诊断工具。快速变化的梯度磁场的应用，大大加快了核磁共振成像的速度，使该技术在临床诊断、科学研究的应用成为现实，极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。 物理原理 核磁共振成像是随着计算机技术、电子电路技术、超导体技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。它是利用磁场与射频脉冲使人体组织内进动的氢核（即H+）发生章动产生射频信号，经计算机处理而成像的。原子核在进动中，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，即外加交变磁场的频率等于拉莫频率，原子核就发生共振吸收，去掉射频脉冲之后，原子核磁矩又把
实验八磁共振成像实验 引言 1973年，美国科学家Paul Lauterbur发现，把物体放置在一个稳定的磁场中，然后再加上一个不均匀的磁场（即有梯度的磁场），再用适当的电磁波照射这一物体，这样根据物体释放出的电磁波就可以绘制成物体某个截面的内部图像。随后，英国科学家Peter Mansfield 又进一步验证和改进了这种方法，并发现不均匀磁场的快速变化可以使上述方法能更快地绘制成物体内部结构图像。此外，他还证明了可以用数学方法分析这种方法获得的数据，为利用计算机快速绘制图像奠定了基础。从此核磁共振成像得到了空前的发展。 核磁共振成像的全称是：核磁共振电子计算机断层扫描术，为了避免人们把这种技术误解为核技术，一些科学家把核磁共振成像技术的“核”字去掉，称为其为“磁共振成像技术”（Magnetic Resonance Imaging），英文缩写即MRI。磁共振成像是根据生物磁性核（如氢核）在磁场中表现的共振特性进行成像的新技术。随着磁体技术、超导技术、低温技术、电子技术和计算机技术等相关技术的不断进步，MRI技术得到了飞速发展，已成为现代医学影像领域中的重要一员。 通过本实验可以掌握MRI基本原理，了解几种成像参数对图像的影响。 原理 把某些物质放入磁场中时，这些物质就具备了共振的持性。意思是说这些物质可以吸收然后再发射具有一个特定频率的电磁辐射，如图1所示。辐射是以典型的射频(RF)信号形 图1 磁共振成像的基本原理
式进行。物质所发射的RF信号的特性决定于该物质的某些物理和化学持性。在磁共振成像(MRl)过程中，这种RF信号也携带着人体内组织空间定位的信息。磁共振(MR)图像就是一个显示来自人体层面内每个组织体素的RF信号强度大小的像素的阵列。图像中每个像素的亮度取决于相应组织体素所发射的RF信号的强度。而每个体素的信号强度又由图l所列的组织的四种性质所决定。其中任何一个性质对图像亮度及对比度所引起的作用的范围都决定于操作者所选择的某些成原因素，例如，可以对一个图像“加权”，因此首先要依靠核密度(或浓度)或纵向弛豫率(T1)或横向弛豫率(T2)的大小来决定RF信号。与磁场和RF能量相互作用的组织构成成分都是单个原子核。所以这种现象统称为核磁共振(NMR)。 1.几个基本概念 1）磁性核 参与MR过程的物质必须含具有持定磁 性的原子核。为了与磁场产生相互作用，原子 核本身必须是小磁体并具有磁矩。单个原子核 的磁性是由原子核内的中子—质子组成情况 来决定的。只有某些具有奇数中子和(或)质子 的原子核才带磁性。即使多数化学元素都具有 一种或多种是磁性核的同位素，但可用于成像 或活体光谱学分析的只是有限的几种。在具有 磁性并能参与NMR过程的核素中，每种核素 图2具有磁性核的同位素 所产生的信号的量值都有很大的不同。原子核 磁性的特定取向称为磁矩。在图2中，磁矩的 方向由一个通过原子核的箭头来表示。 2）射频能量 在成像过程中，RF能量在成像系统和患者身体之间进行交换。这种交换通过—套相当靠近患者身体的线圈进行。RF线圈就是天线，它既向组织发射能量，也从组织接收能量。在每个成像周期内，RF能量在几个短脉冲期间加于人体上。脉冲的强度用它们旋转组织的磁化强度的角度来描述。大多数成像方法在每个周期中既使用90?的脉冲也使用180?的脉冲。在每个成像周期的特定时刻，组织被激励而发射一个RF信号。这个信号被线圈接收、分析，并用来形成图像。自旋回波技术一般用于激励信号的发射。因此，来自患者身体的信号统称为回波。 3）核磁的相互作用 NMR过程涉及到磁性核、磁场、RF能量脉冲和信号的一系列的相互作用。这些作用有校直、共振、激发和弛豫。我们记得一个磁性核是以一个磁矩为特征的。磁矩的方向是用通过原子核的一个小箭头来表示的。如果我们把核看作普通的一个小磁铁．那么．磁铁箭头的方向就相当于磁铁的南极到北极的指向，如果没有强磁场，原子核的磁矩在空间是随机取向的，组织中的许多原子核并非在固定结构中，而是可以自由地改变方向的。事实上，出于物质内部的热运动，原子核不断地翻来倒去地改变方向。如果把一块含有磁性核的物质放在磁场中时，原子核就要经受一个转矩的作用，这个转矩的作用促使原子核的磁矩方向校直到磁场方向上。 当一个磁性核与一个磁场校直后，它也并不是固定不动的，核磁矩要在磁场轴周围进动或者摆动，如图3所示。进动是由于原子核的自旋角动量和磁场相互作用而引起的一种物理现象。进动的重要性在于它能使原子核对于RF能量特别敏感，或者调谐到RF能量具有的频率和进动频率相等，满足此条件就称为共振。它是所有MR过程的基础。NMR实际上就是核处于磁场中时，核共振或“调谐”的过程。
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 1 1．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。 实验一脉冲核磁共振法测量弛豫时间 一、试验原理 1．自旋回波90度射频脉冲的作用：使宏观净磁矩倾倒90度。 2．相位散失：在磁场不均匀情况下每个点的共振频率各不相同，所以在90o 脉冲激发后各点共振信号的初相位相同信号最大，但随时间增加相位因为共振频率不同差距逐渐加大,当 达到信号互相抵消的时候，FID 信号消失，一般称相位散失的时间称为T 2*,信号近似) exp(*2 T t 衰减。 3．相位重聚和自旋回波： 90o 脉冲经τ时间后加180o 脉冲，可以使散失的相位重聚。 过程是：90o 脉冲后由于共振频率不同经过一段时间频率高的原子核相位超前，共振频率低的原子核相位落后,加载180o 脉冲后使得原子核磁矩旋进相位产生180o 跳变，它使得原先落后的相位超前，原先超前的相位落后,经过同等时间后共振频率高的原子核又追上落后的相位从
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=?γ?mB0,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=γ?B0 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
核磁共振 系别：11系 学号：PB06210381 姓名：赵海波 实验目的：观察核磁共振稳态吸收现象，掌握核磁共振的实验基本原理和方法，测量H 1和F 19的γ值和g 因子。 实验原理： 1． 核自旋 原子核具有自旋，其自旋角动量为 h I I p )1(1+= （1） 其中I 是核自旋量子数，其值为半整数或整数。当质子数和质量数均为偶数时，I=0，当质量数为偶数而质子数为奇数时，I=0,1,2…，当质量数为奇数时，I=2n （n=1，3,5…）． 2． 核磁矩 原子核带有电荷，因而具有子旋磁矩，其大小为 )1(211+==I I g p m e g N N μμ （2） N N m eh 2= μ （3） 式中g 为核的朗德因子，对质子，g ＝5.586，N m 为原子核质量，N μ为核磁子， N μ＝227100509.5m A ??-，令 g m e N 2= γ （4） 显然有 I I p γμ=
（5） γ称为核的旋磁比。 3． 核磁矩在外磁场中的能量 核自旋磁矩在外磁场中会进动。进动的角频率 00B γω= （6） 0B 为外恒定磁场。 表2.3.1-1列出了一些原子核的自旋量子数、磁矩和进动频率。 核自旋角动量I p 的空间的取向是量子化的。设z 轴沿O B 方向，I p 在z 方向分量只能取 mh p Iz = （m=I ，I-1，…，-I+1，-I ） （7） Iz Iz p γμ= （8） 则核磁矩所具有的势能为 000mB h B B E Iz I γμμ-=-=?-= （9） 对于氢核（H 1），Ｉ＝ 21，m ＝2 1 ，021 B h E γ =，两能级之间的能量差为