核磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、核磁共振實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名：任宇星 班級(jí)：F1407204（致遠(yuǎn)物理） 學(xué)號(hào)：5140729003指導(dǎo)老師：楊文明 實(shí)驗(yàn)日期：2016.5.6一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解核磁共振基本原理；2觀察核磁共振穩(wěn)態(tài)吸收信號(hào)及尾波信號(hào)；3用核磁共振法校準(zhǔn)恒定磁場(chǎng)B0；4測(cè)量朗德因子g。二、 實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)字頻率計(jì)、示波器、永久磁鐵、掃場(chǎng)線圈、探頭（含電路盒和樣品盒）、可調(diào)變壓器、220 V/6 V 變壓器、NM120 臺(tái)式核磁共振成像儀；聚四氟乙烯、水（摻有雜質(zhì)）、食用油、乙醇、純凈水樣品。三、 實(shí)驗(yàn)原理1、 核磁共振原理及條件原子的總磁矩j和總角動(dòng)量Pj存在如下關(guān)系：其中g(shù)為朗德因子，B為波爾磁子，為原子的旋磁比。對(duì)于

2、自旋不為0的粒子，原子的總磁矩j和總角動(dòng)量Pj也存在上述關(guān)系。按照量子理論，原子核存在核自旋和核磁矩，在外磁場(chǎng) B 中能級(jí)將發(fā)生賽曼分裂。記相鄰能級(jí)間具有能量差E，當(dāng)有外界條件提供與E相同的磁能時(shí)，將引起相鄰賽曼能級(jí)之間的磁偶極躍遷。如果向賽曼能級(jí)的能量差為E=B0h2的氫核發(fā)射能量為E=hv的光子，當(dāng)B0h2=hv時(shí)，氫核將吸收這個(gè)光子，由低塞曼能級(jí)躍遷到高塞曼能級(jí)。這種共振吸收躍遷現(xiàn)象稱為“核磁共振”從中，我們也可以看出，核磁共振發(fā)生的條件是電磁波的頻率為=B。2、 用掃場(chǎng)法產(chǎn)生核磁共振在實(shí)驗(yàn)中要使E=B0h2=hv并不是那么容易的。主要原因是外磁場(chǎng)不容易控制在一個(gè)特定的值。因此我們可以在

3、一個(gè)永磁體B0上疊加一個(gè)低頻交流磁場(chǎng)B=Bmsint,使氫原子能級(jí)能量差h2（B0+Bmsint）有一個(gè)可以調(diào)節(jié)的變化區(qū)間。我們調(diào)節(jié)射頻場(chǎng)的頻率v使射頻場(chǎng)的能量hv處于上述區(qū)間，這樣在某一瞬間hv=h2（B0+Bmsint）即可成立。從而可以通過(guò)讀取共振時(shí)對(duì)應(yīng)頻率得到本征頻率。3、自旋回波自旋回波(Spin Echo)是射頻脈沖與靜磁場(chǎng)中核磁矩體系相互作用的結(jié)果。兩個(gè)具有適當(dāng)寬度的射頻脈沖以一定的間隔相繼作用在靜磁場(chǎng)中的核磁矩體系上，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間在接收系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)感應(yīng)信號(hào)，信號(hào)與第二脈沖的間隔恰好等于脈沖之間的間隔，就象脈沖信號(hào)的回波一樣，故稱為“自旋回波”。4、自由感應(yīng)衰減(FID)在射

4、頻激發(fā)之后，原子核的總磁矩（原本沿z 軸方向）被翻轉(zhuǎn)到垂直主磁場(chǎng)的橫平面上，產(chǎn)生了自由感應(yīng)衰減(FID)這種信號(hào)。在到達(dá)xy平面之后，由于不再受到射頻的激發(fā)，隨著時(shí)間的推移，總磁矩又會(huì)恢復(fù)到z 軸上，使得橫磁向量的向量和變小，即造成信號(hào)強(qiáng)度變小。這是自由感應(yīng)衰減(FID)的機(jī)制。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理1、水中共振頻率測(cè)量及磁場(chǎng)計(jì)算所測(cè)水中共振頻率：24.3461MHz（電壓：10V）（儀器位置：1.5cm） 示波器所得水中核磁共振圖像：則根據(jù) B0=2，及水中=267.52MHz/T，可以算出 B0=0.5718T根據(jù)頻率上下浮動(dòng)范圍1=24.346133MHz,2=24.346197MHz,得磁

5、場(chǎng)的不確定度為B=2（1-2）=1.510-6T故B0=（0.5718+0.000002）T，相對(duì)誤差：0.0003%2、測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度隨位置變化關(guān)系位置X/cm0.51.01.52.02.53.03.5頻率f/MHz24.333524.333424.333324.333024.332724.328724.3262磁場(chǎng)B/T0.5715160.5715130.5715110.5715040.5714970.5714030.571344（B0=2f,水中=267.52MHz/T) 0.5至2.5cm范圍內(nèi)磁場(chǎng)均較為均勻穩(wěn)定。由此可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)中1.5cm處選取較為合理。（實(shí)驗(yàn)中均使儀器處于1.5cm處）

6、3、聚四氟乙烯中共振頻率測(cè)量及聚四氟乙烯旋磁比、F的朗德因子g 所測(cè)聚四氟乙烯中共振頻率：22.8864MHz（電壓：50V）上下浮動(dòng)為1=22.886422MHz,2=24.346497MHz 示波器所得聚四氟乙烯中核磁共振圖像：根據(jù) B0=2，及B0=0.5718T，可以算出聚四氟乙烯中=251.48+MHz/T則F的朗德因子g為:(其中h為普朗克常量，N為核磁子) g=h2N=5.251 ，g=0.000004 ，相對(duì)誤差：0.00008%4、油的FID測(cè)量調(diào)整參數(shù)，使尾波盡可能長(zhǎng)曲線最高點(diǎn)坐標(biāo)為（303，137），選取原點(diǎn)位置為（303，687），（單位：像素）幅值下降到最大值1/e時(shí)

7、的點(diǎn)，到橫軸距離為（687-137）/e=202，故在曲線上縱坐標(biāo)為485，讀取坐標(biāo)（513，485）。根據(jù)橫軸一大為90個(gè)像素，可以計(jì)算得FID=（513-303）/90ms=2.33ms5、油的ZG測(cè)量6、水中測(cè)量（1）D0=100（2）D0=300（3） D0=500（4）D0=30007、水、乙醇混合物中的測(cè)量（1）測(cè)量圖像（2）FFT（3）測(cè)量?jī)煞逯甸g距測(cè)得間距為0.134kHz8、油的回波測(cè)量（1）油的自旋回波（2）共振條件下的自旋回波圖像9、油的回波序列測(cè)量10、油的T2測(cè)量在油的回波序列圖中，讀取最高點(diǎn)坐標(biāo)（311，134），原點(diǎn)坐標(biāo)（311，819），可算出下降至1/e時(shí)的點(diǎn)

8、坐標(biāo)為（454，567）。根據(jù)橫軸每格50ms，對(duì)應(yīng)像素73，可以算得T2=97.95ms與FID測(cè)量數(shù)據(jù)相比非常大，因?yàn)閳D中曲線實(shí)際上是許多曲線的包絡(luò)線，所以看起來(lái)下降比較慢11、油水混合物的回波序列測(cè)量12、油的軟脈沖測(cè)量（1）軟脈沖測(cè)量圖像（2）油的軟脈沖回波測(cè)量13、利用軟脈沖成像可以看出圖中是一個(gè)塑料捆綁帶接口的成像。六、對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的思考探究1、觀察水在不同D0參數(shù)下的測(cè)量圖像，可以看到D0較大時(shí)，峰值較高。分析：水分子間作用力相對(duì)較小，磁矩恢復(fù)一致?tīng)顟B(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)。只有當(dāng)兩個(gè)脈沖間隔足夠長(zhǎng)時(shí)，測(cè)量物質(zhì)中的磁矩方可恢復(fù)至前一次脈沖作用之前的狀態(tài)，故測(cè)量峰值較高。2、油、水的磁矩圖像中，下方曲線達(dá)到末尾平直狀態(tài)之前，趨勢(shì)與標(biāo)準(zhǔn)圖略有不同，有遞增也有遞減。分析：這可能是由于不同的初始狀態(tài)所致。但對(duì)于本實(shí)驗(yàn)無(wú)影響。只要曲線末端平直即可。3、用簡(jiǎn)易核磁共振裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，水保持穩(wěn)定共振圖像的最小電壓小于聚四氟乙烯。分析：由于聚四氟乙烯分子量較大，且為對(duì)稱結(jié)構(gòu)、空間利用率高，使得其分子間相互作用力大。因此需要給其加較強(qiáng)的外場(chǎng)方能使其對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響減少，否則所得圖像不穩(wěn)定，所受干擾較大。3、 利用軟脈沖所得成像較為模糊。分析：可能是由于實(shí)驗(yàn)中所用試管清洗不夠徹底，或加液時(shí)不夠平穩(wěn)，使液體較為渾濁，及有雜質(zhì)，