核磁共振試驗

1、核磁共振實驗邱正明一. 根本原理自旋不為零的粒子，如電子和質(zhì)子，具有自旋磁矩。如果我們把這樣的粒子放 入穩(wěn)恒的外磁場中，粒子的磁矩就會和外磁場相互作用使粒子的能級產(chǎn)生分裂， 分裂后兩能級間的能量差為：E = ；hB0 1其中：丫為粒子的旋磁比，h為約化普朗可常數(shù)，Bo為穩(wěn)恒外磁場。如果此時再在穩(wěn)恒外磁場的垂直方向給粒子加上一個高頻電磁場，該電磁場 的頻率為v，能量為：2當該能量等于粒子分裂后兩能級間的能量差 E時即：h = hBo3低能極上的粒子就要吸收高頻電磁場的能量產(chǎn)生躍遷，即所謂的磁共振。二. 實驗設備a. 樣品sample水：提供實驗用的粒子，氫1 H核。b. 永磁鐵：提供穩(wěn)恒外磁場,

2、中心磁感應強度Bo約為0.55T。c. 邊限振蕩器：產(chǎn)生射頻場，提供一個垂直與穩(wěn)恒外磁場的高頻電磁場，頻 率已。d. 同時也將探測到的共振電信號放大后輸出到示波器，邊限振蕩器的頻率由頻率計讀出。e. 繞在永磁鐵外的磁感應線圈：其提供一個疊加在永磁鐵上的掃場。f. 調(diào)壓變壓器：為磁感應線圈提供 50周的掃場電壓。g. 頻率計：讀取射頻場的頻率。h. 示波器：觀察共振信號U_ o ei1示波器頻牽計邊限振蕩器永磁鐵樣品掃場線圈圖一二.實驗原理由公式3可知，為了實現(xiàn)核磁共振有兩種實驗方法：1固定外磁場Bo,調(diào)節(jié)高頻電磁場頻率v，實現(xiàn)核磁共振，此為掃頻法。2. 固定高頻電磁場頻率v，調(diào)節(jié)外磁場Bo,實

3、現(xiàn)核磁共振，此為掃場法。本實驗用的是第二種實驗方法，即掃場法。在本實驗要測的一個物理量是氫質(zhì)子的 丫因子，由公式3可知，只要知道 Bo，v即可求得Y, B0在實驗設備中已標定如0.55T，v可由頻率計測出。但 是僅此，在本實驗中丫是無法用實驗求出的。因為本實驗中兩能級的能量差是一 個精確，穩(wěn)定的量。而實驗用的咼頻振蕩器其頻率v只能穩(wěn)定在10HZ量級。其能量也 很難固定在hB0這一值上。實際上等式3在實驗中很難成立。為實現(xiàn)核磁共振，可在永磁鐵 B0上疊加一個低頻交變磁場BmSin 3 t，即所謂 的掃場3為市電頻率50H,遠低于高頻場的頻率v其約幾十MH，使氫質(zhì)子兩 能級能量差丫 h EO+Bi

4、n100 n t 有一個連續(xù)變化的范圍。我們調(diào)節(jié)射頻場的 頻率v ,使射頻場的能量*進入這個范圍，這樣在某一時刻等式 * = 丫 h B0+BmSin100 n t總能成立。見圖二此時通過邊限振蕩器的探測裝置在示波器上可觀測到共振信號。見圖二由上圖可見，當共振信號非等間距時，共振點處的等式為h v = 丫 hB0+BSin100 n t, BSin 100 n t未知。無法利用該等式求出 丫值。調(diào)節(jié)射頻場的頻率v使共振信號等間距，共振點處 100 n t=n n , B nSin100 n t=0 , h = hBo此時的v為共振信號等間距時的頻率，由頻率計讀出。 丫 =2n v /Bo，丫值

5、可求。見圖三探測裝置的工作原理：圖一中繞在樣品上的線圈是邊限震蕩器電路的一局部， 在非磁共振狀態(tài)下它處在邊限震蕩狀態(tài)即似振非振的狀態(tài)，并把電磁能加在 樣品上,方向與外磁場垂直。當磁共振發(fā)生時，樣品中的粒子吸收了震蕩電路提 供的能量使振蕩電路的Q值發(fā)生變化，振蕩電路產(chǎn)生顯著的振蕩，在示波器上產(chǎn) 生共振信號。核磁共振試驗要求和步驟1. 觀察1H 樣品水的核磁共振信號：記9組數(shù)據(jù)和圖形a. 將邊限振蕩器的“檢波輸出接示波器的“ CH1端，置示波器的“方式 為CH1b. 將邊限振蕩器的“頻率測試端接多功能計數(shù)器的“輸入A。c. 將邊限震蕩器盒上的樣品小心地從永磁鐵上的插槽放入永磁鐵中。注意不要碰掉樣品

6、的銅皮d. 將調(diào)壓變壓器插頭接入220V市電插座，輸出設為100V。e. 翻開邊限振蕩器電源開關，調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)旋鈕，使示波器上出現(xiàn)共 振信號。f. 調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器使其輸出為50-100V中的某一值，保持該值不變，記下 該值，調(diào)節(jié)邊限振蕩器的“頻率調(diào)節(jié)旋鈕，觀察示波器上共振波形的 變化，任選三個不同的波形畫下，記下相應的邊限振蕩器頻率由頻率 計讀出，計小數(shù)點后三位。g. 調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)旋鈕，將共振信號調(diào)成不等間距，保持該頻率不變?nèi)?頻率不穩(wěn)定可每次調(diào)回到該頻率值，記下該頻率值。h. 改變調(diào)壓器的輸出電壓 VC：100V,觀察示波器上共振信號的變化，任選三個不同的電壓，畫下相應波形，記下相應的V

7、值。i. 將共振信號調(diào)成等間距，保持該頻率不變，記下該頻率值。改變調(diào)壓器 的輸出電壓V：100V,選三個不同的電壓V畫下相應波形，記下相應的 V值。j. 對以上共振信號波形隨V，變化的原因進行討論。2. 測量1 H的因子和g因子：a. 將樣品放入永磁鐵的磁場最強處可左右移動邊限振蕩器鐵盒，觀察示 波器上共振信號波形，當幅值最強波形尾波最多時樣品即在磁場最強 處。記下此時盒邊所對標尺的刻度值。b. 置示波器掃描時間為5ms/div,調(diào)節(jié)邊線振蕩器的“頻率調(diào)節(jié)旋鈕使共 振信號等間距間隔為10mSoc. 讀頻率計，記下此時的頻率值。d. 將信號調(diào)離等間距重復以上 b-c步驟此步驟進行六次，求頻率的平均 值。e. 記下永磁鐵上的磁感應強度 Bo值。f. 由公式計算g和因子。3. 測量19F的因子和g因子：a. 將樣品換成19F,并放在磁場最強處放在上次記下的標尺刻度值