核磁共振实验报告.docx

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核磁共振实验报告

核磁共振

实验报告

姓名：

任宇星班级：

F1407204（致远物理）学号：

5140729003

指导老师：

杨文明实验日期：

2016.5.6

一、实验目的

1．了解核磁共振基本原理；

2．观察核磁共振稳态吸收信号及尾波信号；

3．用核磁共振法校准恒定磁场

；

4．测量朗德因子g。

二、实验仪器

数字频率计、示波器、永久磁铁、扫场线圈、探头（含电路盒和样品盒）、可调变压器、220V/6V变压器、NM120台式核磁共振成像仪；

聚四氟乙烯、水（掺有杂质）、食用油、乙醇、纯净水样品。

三、实验原理

1、核磁共振原理及条件

原子的总磁矩μj和总角动量Pj存在如下关系：

其中g为朗德因子，μB为波尔磁子，γ为原子的旋磁比。

对于自旋不为0的粒子，原子的总磁矩μj和总角动量Pj也存在上述关系。

按照量子理论，原子核存在核自旋和核磁矩，在外磁场B中能级将发生赛曼分裂。

记相邻能级间具有能量差

，当有外界条件提供与

相同的磁能时，将引起相邻赛曼能级之间的磁偶极跃迁。

如果向赛曼能级的能量差为

的氢核发射能量为

的光子，当

时，氢核将吸收这个光子，由低塞曼能级跃迁到高塞曼能级。

这种共振吸收跃迁现象称为“核磁共振”

从中，我们也可以看出，核磁共振发生的条件是电磁波的频率为

。

2、用扫场法产生核磁共振

在实验中要使

并不是那么容易的。

主要原因是外磁场不容易控制在一个特定的值。

因此我们可以在一个永磁体B0上叠加一个低频交流磁场B=Bmsin

t,使氢原子能级能量差

有一个可以调节的变化区间。

我们调节射频场的频率v使射频场的能量hv处于上述区间，这样在某一瞬间hv=

即可成立。

从而可以通过读取共振时对应频率得到本征频率。

3、自旋回波

自旋回波（SpinEcho）是射频脉冲与静磁场中核磁矩体系相互作用的结果。

两个具有适当宽度的射频脉冲以一定的间隔相继作用在静磁场中的核磁矩体系上，经过一段时间在接收系统中会出现一个感应信号，信号与第二脉冲的间隔恰好等于脉冲之间的间隔，就象脉冲信号的回波一样，故称为“自旋回波”。

4、自由感应衰减（FID）

在射频激发之后，原子核的总磁矩（原本沿z轴方向）被翻转到垂直主磁场的横平面上，产生了自由感应衰减（FID）这种信号。

在到达xy平面之后，由于不再受到射频的激发，随着时间的推移，总磁矩又会恢复到z轴上，使得横磁向量的向量和变小，即造成信号强度变小。

这是自由感应衰减（FID）的机制。

四、实验数据及处理

1、水中共振频率测量及磁场计算

所测水中共振频率：

24.3461MHz（电压：

10V）（仪器位置：

1.5cm）

示波器所得水中核磁共振图像：

则根据

，及水中γ=267.52MHz/T，可以算出

根据频率上下浮动范围

得磁场的不确定度为

=1.5╳10-6T

故B0=（0.5718+0.000002）T，相对误差：

0.0003%

2、测量磁场强度随位置变化关系

位置X/cm

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

频率f/MHz

24.3335

24.3334

24.3333

24.3330

24.3327

24.3287

24.3262

磁场B/T

0.571516

0.571513

0.571511

0.571504

0.571497

0.571403

0.571344

0.5至2.5cm范围内磁场均较为均匀稳定。

由此可见实验中1.5cm处选取较为合理。

（实验中均使仪器处于1.5cm处）

3、聚四氟乙烯中共振频率测量及聚四氟乙烯旋磁比、F的朗德因子g

所测聚四氟乙烯中共振频率：

22.8864MHz（电压：

50V）

上下浮动为

示波器所得聚四氟乙烯中核磁共振图像：

根据

，及

，可以算出聚四氟乙烯中γ=251.48+MHz/T

则F的朗德因子g为:

（其中h为普朗克常量，

为核磁子）

，

，相对误差：

0.00008%

4、油的FID测量

调整参数，使尾波尽可能长

曲线最高点坐标为（303，137），选取原点位置为（303，687），（单位：

像素）

幅值下降到最大值1/e时的点，到横轴距离为（687-137）/e=202，故在曲线上纵坐标为485，读取坐标（513，485）。

根据横轴一大为90个像素，可以计算得FID=（513-303）/90ms=2.33ms

5、油的ZG测量

6、水中测量

（1）D0=100

（2）D0=300

（3）D0=500

（4）D0=3000

7、水、乙醇混合物中的测量

（1）测量图像

（2）FFT

（3）测量两峰值间距

测得间距为0.134kHz

8、油的回波测量

（1）油的自旋回波

（2）共振条件下的自旋回波图像

9、油的回波序列测量

10、油的T2测量

在油的回波序列图中，

读取最高点坐标（311，134），原点坐标（311，819），

可算出下降至1/e时的点坐标为（454，567）。

根据横轴每格50ms，对应像素73，

可以算得T2=97.95ms

与FID测量数据相比非常大，因为图中曲线实际上是许多曲线的包络线，所以看起来下降比较慢

11、油水混合物的回波序列测量

12、油的软脉冲测量

（1）软脉冲测量图像

（2）油的软脉冲回波测量

13、利用软脉冲成像

可以看出图中是一个塑料捆绑带接口的成像。

六、对实验现象的思考探究

1、观察水在不同D0参数下的测量图像，可以看到D0较大时，峰值较高。

分析：

水分子间作用力相对较小，磁矩恢复一致状态的时间较长。

只有当两个脉冲间隔足够长时，测量物质中的磁矩方可恢复至前一次脉冲作用之前的状态，故测量峰值较高。

2、油、水的磁矩图像中，下方曲线达到末尾平直状态之前，趋势与标准图略有不同，有递增也有递减。

分析：

这可能是由于不同的初始状态所致。

但对于本实验无影响。

只要曲线末端平直即可。

3、用简易核磁共振装置进行的实验中，水保持稳定共振图像的最小电压小于聚四氟乙烯。

分析：

由于聚四氟乙烯分子量较大，且为对称结构、空间利用率高，使得其分子间相互作用力大。

因此需要给其加较强的外场方能使其对实验的影响减少，否则所得图像不稳定，所受干扰较大。

3、利用软脉冲所得成像较为模糊。

分析：

可能是由于实验中所用试管清洗不够彻底，或加液时不够平稳，使液体较为浑浊，及有杂质，从未影响了测量与成像。

4、实验中的误差来源

分析：

1）水分子及聚四氟乙烯分子的分子间相互作用影响了测量。

2）频率计测量存在不稳定性及误差。

3）核磁共振成像仪设置参数值与实际值存在偏差。

4）所放成像用溶液高与宽不完全相等。

感谢：

杨文明老师

参考资料：

《大学物理实验教程（第二册）》