张利宏核磁共振Word文件下载.docx

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本实验涉及到的原子核自旋角动量也不能连续变化只能取

离散值其中I称为自旋量子数只能取0123…整数值或1/23/25/2…半整数值。

公式中的而h为普朗克常数。

对不同的核素I分别有不同的确定数值。

本实验涉及的质子和氟核19F的自旋量子数I都等于1/2。

类似地原子核的自旋动量在空间某一方向例如z方向的分量也不能连续变化只能取离散的数值其中量子数m只能取II1…I+1I共2I+1个数值。

自旋角动量不为零的原子核具有与之相联系的核自旋磁矩其大小为pM2eg=µ

1

其中e为质子的电荷M为质子的质量g是一个由原子核结构决定的因子对不同种类的原子核g的数值不同g称为原子核的g因子值得注意的是g可能是正数也可能是负数。

因此核磁矩的方向可能与核自旋角动量方向相同也可能相反。

当不存在磁场时每一个原子核的能量相同所有原子处在同一能级但是当施加一个外磁场B后情况发生变化为了方便起见通常把B的方向规定为z方向由于外磁场B与磁矩的相互作用能为E=-μ·

B=-μzB=-γpzB=-γmℏB2

因此量子m取值不同的核磁矩的能量也就不同从而原来简并的同一能级分裂为（2I+1）个子

能级由于在外磁场中各个子能级的能量与量子数间隔△E=γℏB全是一样的。

当施加外磁场B以后原子核在不同能级上的分布服从玻尔兹曼分布显然处在下能级的粒子数要比上能级的多,其数量由△E大小、系统的温度和系统总粒子数决定。

若再在与B垂直的方向上再施加上一个高频电磁场通常为射频场当射频场的频率满足hν=△E时会引起原子核在上下能级之间跃迁,但由于一开始处在下能级的核比在上能级的核要多。

因此净效果是上跃迁的比下跃迁的多从而使系统的总能量增加这相当于系统从射频场中吸收了能量。

我们把hv=△E时引起的上述跃迁称为共振跃迁简称为共振。

显然共振要求hv=△E,从而要求射频场频率满足共振条件

3

如果用圆频率ω=2πν表示共振条件可写成ω=γB（4）对于温度为25摄式度球形容器中水样品的质子πγ2=42.576375MHz/T本实验可采用这个数值作为很好的近似值通过测量质子在磁场B中的共振频率Nv可实现对磁场的校准即

（7）

反之若B已经校准通过测量未知原子核的共振频率v便可求出待测原子核γ值通常用

（8）

9

其中

=7.6225914MHz/T。

二、仪器

三、实验步骤

1.校准永久磁铁中心的磁场B0

把样品为水掺有三氟化铁的探头下端的样品盒插入到磁铁中心并使电路盒水平放置在磁铁上方的机座上左右移动电路盒使它大致处于机座的中间位置将电路盒背面的“频率测试”和“共振信号”分别与频率计和示波器连接把示波器的扫描速度旋钮放在5ms/格位置纵向放大旋钮放在0.1V/格或0.2V/格位置打开频率计示波器和边限振荡器的电源开关这时频率计应有读数接通可调变阻器电流到中间位置缓慢调节边限振荡器的频率旋钮改变振荡频率由小到大或由大到小同时监视示波器搜索共振信号。

由共振条件即式6可知只有B=γω才会发生共振。

总磁场为B=B0+'

Bcost'

ω（10）其中'

B是交变磁场的幅度'

ω是市的圆周频率总磁场在（B0-'

B）到B0+'

B的范围内按图4的正弦曲线随时间变化只有γω落在这个范围内才能发生共振为了容易找到共振信号要加大'

B即把可调变阻器的输出调到较大数值使可能发生共振的磁场变化范围增大另一方面要调节射频场的频率使γω落在这个范围一旦γω落在这个范围在磁场变化的某些时刻的总磁场B=γω在这些时刻就能观察到共振信号如图4所示共振发生在数值为γω的水平虚线与代表总磁场变化的正弦曲线交点对应的时刻。

水的共振信号将出现尾波振荡而且磁场越均匀尾波中的振荡次数越多。

因此一旦观察到共振信号以后应进一步仔细调节电路盒在木座上的左右位置使尾波中振荡的次数最多即使探头处在磁铁中磁场最均匀的位置并利用木座上的标尺记下此时电路盒边缘的位置。

由图4可知只要γω落在（B0-'

B）~B0+'

B范围内就能观察到共振信号但这时γω未必正好等于B0从图上可以看出当γω≠B0时各个共振信号发生的时间间隔并不相等共振信号在示波器上的排列不均匀只有当γω=B0时它们才均匀排列这时共振发生在交变磁场过零时刻而且从示波器的时间标尺可测出它们的时间间隔为10ms当然当ω=B0-'

或γω=B0+'

B时在示波器上也能观察到匀排的共振信号但它们的时间间隔不是10ms而是20ms因此只有当共振信号均匀排列而且间隔为10ms时才有γω=B0这时频率计的读数才是与B0对应的质子的共振频率。

作为定量测量我们除了要求出待测量的数值外还关心如何减小测量误差并力图对误差的大小作出定量估计从而确定测量结果的有效数字从图4可以看出一旦观察到共振信号B0的误差不会超过扫场的幅度'

B因此为了减小估计误差在找到共振信号之后应逐渐减小扫场的幅度'

B并相应地调节射频场的频率使信号保持间隔为10ms的均匀排列在能观察到和分辨出共振信号的前提下力图把B’减小到最小程度记下'

B达到最小而且共振信号保持间隔为10ms均匀排列时的频率vN利用水中质的πγ2值和公式7求出磁场中待测区域的B0值。

为了定量估计B0的测量误差ΔB0首先必须测出'

B的大小可采用以下步骤保持这时扫场的幅度不变调节射频场的频率使共振发生在（B0+'

B）与B0-'

B处这时图4中与γω对应的水平虚线将分别与正弦彼的峰顶和谷底相切即共振分别发生在正弦波的峰顶和谷底附近这时从示波器看到的共振信号均匀排列但时间间隔为20ms记下这两次的共振频率'

vN和'

'

vN利用公式

11

可求出扫场的幅度。

现象观察适当增大'

B观察到尽可能多的尾波振荡然后向左或向逐渐移动电路盒在木座上的左右位置使下端的探头从磁铁中心逐渐移动到边缘同时观察移动过程中共振信号波形的变化并加以解释。

2.2.2.2.测量FFFF19191919的gggg因子把样品为水的探头换为样品为聚四氟乙烯的探头并把电路盒放在相同的位置示波器的纵向放大旋钮调节到50mV/格或20mV/格用与校准磁场过程相同的方法和步骤测量聚四氟乙烯中F19与B0对应的共振频率vN。

以及在峰顶及谷底附近的共振频率'

vF及'

vF利用vF和公式9求出F19的g因子根据公式9g因子的相对误差为

（13）式中B0和ΔB0

为校准磁场得到的结果。

求出Δg/g之后可利用已算出的g因子求出绝对误差ΔgΔg也只保留一位有效数字并由它确定g的有效数字最后给出g因子测量结果的完整表达式。

观测聚四氟乙烯中氟的共振信号时比较它与掺有三氟化铁的水样品中质子的共振信号波形的差别。

四、实验数据记录

水样品

电流（A）

磁场（mT）

频率（MHz）

2.5

302.3

13.18

2.82

312.2

13.51

2.66

307.1

13.3

2.54

303.8

13.2

2.52

302

12.56

302.5

11.28

平均值

304.98

12.83

四氟乙烯

3.17

322.2

13.25

3.28

320

3.45

329.3

13.4

3

318

13.01

3.11

321.1

136

3.39

328

13.32

323.1

13.305

计算可得：

g=hv/µ

nB0其中h=6.626*10-34J.Sµ

n=5.051*10-27J/T

GH=5.519GF=5.401

五、实验结论

核磁共振在各个领域的应用都是相当广泛的本次实验让我了解了核磁共振实的原理核磁共振实验仪的基本结构和组成。

在实验的操作过程中我领会了安全和规范的重要性并且很好的锻炼了我的动手能力。

实验结束中老师的提问加强了我在实验中的思考能力并且让我认识到了自己的不足明白了对一切的事物需要深入的理解不能一知半解并对整个实验过程有了新的认识。

六、实验分析

1.实验中发现一开始调节恒流源电流无论如何调节示波器的波形都不会发生明显的变化，是因为核磁共振的小信号是十分微小的在把它分离出来之前是很难观测到的。

2.实验中发现磁场探测器放入与不放入也会引起示波器波形的变化，因此样品和探测器都应该合理放置在磁场中央，不能随意挪动。

3.实验测得GH=5.519与公认值GH=5.5857误差为1.2%，还是吻合地很好的

实验测得GF=5.401与公认值GF=5.2567误差为2.6%相对于水样品来说数据吻合地不是那么完美，可能的原因是：

1.调节信号时，不是那么精确地调到波峰中间，这左右的微小移动都会导致磁场读数的巨大变化，2实验中可能不小心碰到了磁场探测器使其读数发生微小的变化，导致最后的误差3.桌面的微小震动也会影响实验数据

七、文献查找

核磁共振找水技术的研究现状与发展趋势

林君。

（1．吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春130026；

2．吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室，长春130026）

摘要近2O多年来，用核磁共振（NuclearMagneticResonance，NMR）方法形成的一种直接非侵害性的探测地下水

的地球物理新技术，与传统的地球物理探测地下水的方法相比具有高分辨力、高效率、信g量丰富和解的唯一性等优点，是一种很有发展前景的找水方法技术．我国的水资源短缺，对地下水资源的勘探、开发与利用十分重视，已将核磁

共振找水技术研究列入国家十一五科技支撑计划．本文在广泛收集迄今为止的国内外大量资料的基础上，并根据作

者近年来有关核磁共振找水技术的研究经历，综述了核磁共振找水技术的发展历史、现状和发展趋势，以推进我国核

磁共振找水技术的发展．

关键词核磁共振，磁共振测深，地下水探测，现状，发展趋势

D0I：

10．3969／j．issn．1004—2903．2010．02．043中图分类号P631文献标识码A

Situationandprogressofnuclearmagneticresonancetechnique

forgroundwaterinvestigations

LINJun，

（1．CollegeofInstrumentationandElectricalEngineering，Changchun130026，China；

2．Lab．ofGeo—Explorationand

InstrumentationMinistryofEducationofChina，JilinUniversity，Changchun130026，China）

AbstractInthelasttwodecades，nuclearmagneticresonance（NMR）hasemergedasanewgeophysicaltechnique

allowingdirect，noninvasivegroundwaterinvestigationsfromthesurface．Comparingwiththetraditionalgeophysical

methods，thecurrentstate—ofthe—artNMRmethodiSofhigherresolution，moreefficiency，moreinformationand

uniqueinterpretationforhydrogeologica1investigations．Chinaislackofwaterresourcesandourgovernmenthaspaid

muchattentiontOthegroundwaterexplorationandutilization．Theresearchonmagneticresonancesounding（MRS）

forgroundwaterinvestigationhasbeenlistedinthenationalscienceprogram．ThepurposeofthispaperistOgivean

overviewofthevariousaspectsofMRSforgroundwaterexploration，includingthehistory，situationandprogressof

MRSforgroundwaterinvestigation，allofthemarebasedontheanalysisofdatacoveringtheareafromtheverybegin

tOnowinternationallyandourexperiencesfordevelopingtheMRStechniqueforgroundwaterinvestigation．Wehope

thatthisworkwillcontributetotheprogressoftheMRStechniqueforgroundwaterinvestigationinourcountry．

KeywordsNMR，MRS，GroundwaterInvestigation，Situation，Progress

0引言

水资源是人类赖以生存的最重要的自然资源之

一

，也是国民经济发展过程中不可替代的战略资源．

我国幅员辽阔，水资源总量虽然比较丰富（居世界第六位），但人均拥有水资源量只有世界人均占有量的

1／4．

据大不列颠百科全书记载，地球水体总量为

收稿日期2009—08—2l；

修回日期2009—12—30．

基金项目国家科技支撑计划重大项目~（2006BAK03A23）和教育部重点科技项目（106060）资助．

作者简介林君，1954年生，男，吉林通化人，吉林大学教授，主要研究方向为地球物理探测技术及仪器．（E—mail：

lin_jun@jlu．edu．cn）

682地球物理学进展

1．386×

10。

km。

，其中淡水占2．53．淡水中地下

水占30．04；

未溶解的冰山、冰川、永冻层和积雪占69．56；

河流、湖泊、沼泽、植物类和大气水只占

0．4．因此可利用的淡水97以上为地下水，加上

地表水多已污染，导致举世越来越重视并依赖地下水．如欧共体中丹麦和意大利的工农业和生活饮用采用地下水的百分比大于9O，德国和比利时采用

地下水的百分比大于70，美国9O以上人口饮用

地下水．

世界各国和地区地表和地下水资源各异，解决用水途径和缺水程度也不同．总的情况是城市的饮

用水绝大多数靠地下水，许多国家和地区处于缺水

和严重缺水境地．联合国最近的一份报告认为，全世界超过2O亿人口面临缺水问题，淡水资源缺乏已成

为世界性重大难题．我国的淡水资源形势更为严峻，人均淡水资源占有量低于世界平均水平；

面临缺水问题的人口比例高达4O以上；

西部大开发的关键

制约因素是淡水资源的不足和家底不清．因此，研制

快速高效的地下找水仪器，在我国北方干旱、半干旱地区和西南岩溶地区寻找地下淡水以及高效、廉价

地评价全国地下淡水资源是科技工作者所面临的重点任务之一．

寻找和评价地下淡水资源的方法很多，有地质的、物探的、钻探的、遥感的和化探的方法等等．这

里，物探是先行的方法，其中重力、磁法、电法、地震、放射性和地温法六大类物探方法都可以用于寻找地

下水和进行地下水资源评价．六大类方法中，应用最早和最广的是各类电阻率方法．直流电阻率方法的

找水效率低、成本高、易损坏植被，适用于小工区范围．电磁法也是一种电阻率方法，但其场源不是直流

电源，而是交变的电流或磁场．由于两者测量同一物

性参数，找水效果是类似的．目前我国使用较多的是用激发极化方法和电磁法来寻找地下水．常规的物探找水方法都是通过勘查含水构造和

层位来间接找水，不具备解决何处有水、有多少水等一些与地下水紧密相关的基本问题的能力．近年来

国际上已开发出一种新的地球物理方法直接探测地

下水，即利用核磁共振（NuclearMagneticResonance，NMR）技术探测地下水口]．这是NMR技术应用的

新领域，是目前唯一的直接找水的新方法．近20年来在国内外得到了迅速发展，它是利用人工激发的

电磁场使地下水中氢核形成宏观的磁矩，这一宏观

磁矩在地磁场中产生旋进运动，其进动频率为氢核

所特有．用线圈（框）拾取宏观磁矩进动产生的电磁

信号，即可探测地下水是否存在．因为NMR信号的

幅值与所探测空间内的水含量成正比（结合水和吸附水除外），这就构成一种直接找水的新技术，形成

了一种新的找水方法和仪器．与传统的地球物理探测地下水的方法相比具有高分辨力、高效率、信息量

丰富和解唯一性等优点．这是一种很有发展前景的找水方法技术，特别是探测地下淡水时更显示出这

种新方法技术的优越性．利用核磁共振找水仪可以高效率地进行区域水文地质调查，确定找水远景区，

圈定地下水在三维空间内的分布，进而可靠地选定水井位置等．

1核磁共振找水技术的发展历史与现状

核磁共振技术是当今世界上的尖端技术_2]，用

核磁共振的方法直接探测地下水是该技术应用的新领域，是地球物理方法中目前唯一的一种直接找水

方法．早在1962年，Varian，R．H．就核磁共振探测地下水的方法和装置申请了美国专利[3]，但由于技

术上的限制，所申请的专利并没有能够实现仪器样机．最早利用核磁共振技术进行地下水勘探并研制

出可用于直接探测地下水仪器的国家是前苏联．从

1978年起，前苏联科学院西伯利亚分院化学动力学和燃烧研究所（ICKC）以Semenov，A．G．为首的一

批科学家在Varian，R．H．专利的基础上，开始利用核磁共振技术进行地下找水的全面研究工作．他们

用三年时间研制成了可以探测地下水的原型仪器，并在其后十年的时间里对所研制的原型仪器进行不

断改进，开发出世界上第一台在地磁场中测定出地下水NMR信号的仪器，称为核磁共振层析找水仪（Hydroscope）_4]．该仪器作为新的探测地下水的重

要手段，于1988年在苏联和英国申请了专利]．在此期间他们进行了仪器改进和解释方法的研究，试

验研究遍及前苏联的大部分国土，北到极地附近的新地岛，南到中亚的哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、乌

兹别克斯坦、土库曼斯坦、乌克兰及西部的波罗的海

沿岸的立陶宛和白俄罗斯．根据在中亚等地区已知的400多个水文站上的对比试验，总结和研制出了

一套NMR找水的正反演数学模型、计算机处理解释程序和水文地质解释方法，这一研究成果居世界

领先水平．与此同时，在澳大利亚、以色列等国家（地

区）先后进行的试验，也证明了核磁共振找水方法是目前世界上唯一的可以直接找水的地球物理新方法．1991年俄罗斯科学院西伯利亚分院化学动力

2期林君：

核磁共振找水技术的研究现状与发展趋势683

学和燃烧研究所与俄罗斯”中央地质”生产地质联合体共同创办水文地质层析成像公司，开展水文、工程

地质和生态学方面的业务活动，在具有不同水文地质条件的地区进行了现场探测，包括葡萄牙、西班

牙、沙特阿拉伯、中国辽宁和新