脉冲 核磁共振实验 图文.doc

脉冲 核磁共振实验_图文实验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(,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,,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,,是指磁矩不为零的原子核处于恒定磁场中,,因此,、(1角动量与磁矩具有自旋的原子核,其自旋角动量P为1(+=IIP(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Pγμ=(2式中,γ为旋磁比。根据量子力学,核自旋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:mPz=,1,,1,(IIIIm-+-⋅⋅⋅-=(3m为磁量子数,相应地mPZZγγμ==(4(2磁矩在恒定磁场中的运动由于原子核具有磁矩,故在外磁场作用下受到力矩0BT⨯=μ(5由于力矩作用会引起原子核角动量的变化,由TdtdL=和Pγμ=得0Bdtd⨯=γμμ(6求解这个方程,磁矩μ绕B作拉莫尔旋进旋进角频率0Bγω=(7可见旋进角频率与磁场大小成正比。(3磁场在恒定磁场中的能量磁矩在恒定外磁场作用下具有势能θμcos00BE=⋅=Bμ将mPZZγγμ==代入,则0BmEγ=(8由此可见,磁矩在磁场中的能量只能取分立的能级值。对2/1=I的核,例如氢、***等,在磁场中仅分裂为上下两个能级。这些磁能级又称为塞曼能级,由于这些能级间隔很小,?考虑在一个恒定外磁场0B作用下,我们在垂直于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tBωcos21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1-b。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。无疑,辐射场引起的核磁共振还应该用量子理论来解释。由选择定则1m∆=±可知,只有相邻能级之间的跃迁才是允许的。如果辐射场的光子能量0Bωγ=,将会引起共振跃迁,所以核磁共振条件为0Bγω=,恰好与磁矩在磁场中的进动频率相等。,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iμ的关系为:∑==NiiM1μ,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,由于单个核iμ绕0B作拉摩尔进动,故宏观体磁化矢量M将绕0B作拉摩尔进动,进动角频率00Bγω=。在热平衡情况下,微观磁矩的旋进相位是随机分布的,故宏观量M在xy、平面上的投影(横向分量0等于零,在z轴上的投影(纵向分量等于恒定值0M,即磁化强度各分量的平衡值为00,0,.xyzMMMM===(9当辐射场作用引起共振吸收时,则M偏离z轴而在xy、平面上的投影不等于零,即00,0,.xyzMMMM≠≠<(10但共振吸收停止后,磁化强度M将会回复到原来的取向。通常把这种由于物质内部相互作用而引起非平衡状态向平衡状态恢复的过程称为驰豫过程。驰豫过程的机制比较复杂,但可简单的在宏观运动方程中引入两个时间常数来描述其规律,假设zM分量和xM、yM分量向平衡值恢复的速度跟它们偏离平衡值的大小成正比,则这些分量对时间的导数可写为0122,,yzxzzzMMMMdMdMdMdtTdtTdtT-=-=-=-(11等式右边的负号表示恢复平衡的过程是磁化强度偏离平衡位置变换的逆过程,其中1T是描述M的纵向分量zM恢复过程的时间常量,称为纵向驰豫时间;2T是描述M的横向分量xM、yM消失过程的时间常量,称为横向驰豫时间。求方程(11的解,并把xM和yM合并写为xyM、,得120max(1,(zxyx