脈沖核磁共振實(shí)驗(yàn)

1、張馳 08300300052 材料物理 脈沖核磁共振實(shí)驗(yàn) 參數(shù)影響的觀測(cè)和弛豫時(shí)間的測(cè)量摘要：脈沖核磁共振的基本原理；圖表分析各參數(shù)對(duì)自由衰減信號(hào)以及自旋回波信號(hào)的影響；弛豫時(shí)間的測(cè)量關(guān)鍵詞：脈沖核磁共振 FID信號(hào) 自旋回波信號(hào) T1 T2引言：核磁共振技術(shù)來(lái)源于1939年美國(guó)物理學(xué)家拉比（I.I.Rabi）所創(chuàng)立的分子束共振法，他使用這種方法首先實(shí)現(xiàn)了核磁共振這一物理思想。其后，Bloch采用正交線圈感應(yīng)法觀察水的核磁共振信號(hào)后就根據(jù)經(jīng)典理論力學(xué)推導(dǎo)出Bloch方程建立核磁共振的唯象理論。此后，磁共振技術(shù)迅速發(fā)展。所謂核磁共振,是指磁矩不為零的原子核處于恒定磁場(chǎng)中，由射頻或者微波電磁場(chǎng)引起

2、塞曼能級(jí)之間的共振躍遷現(xiàn)象。核磁共振技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涉及化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、地學(xué)和計(jì)量等學(xué)科領(lǐng)域,以及眾多的生產(chǎn)技術(shù)部門，是分析測(cè)試中不可缺少的實(shí)驗(yàn)手段。 本文重點(diǎn)介紹脈沖核磁共振中各參數(shù)對(duì)兩種信號(hào)（FID信號(hào)和自旋回波信號(hào)）的影響以及弛豫時(shí)間（T1和T2）的測(cè)量。一 核磁共振的基本原理和條件當(dāng)一個(gè)樣品被放在外磁場(chǎng)B0中時(shí)，樣品就會(huì)被磁化，產(chǎn)生能級(jí)分裂現(xiàn)象，所產(chǎn)生的能級(jí)間距為：；如果在該樣品系統(tǒng)上加上一個(gè)射頻磁場(chǎng)，從量子力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，射頻場(chǎng)的能量為,當(dāng)該能量和分裂產(chǎn)生的能級(jí)間距相等，即時(shí)，樣品對(duì)外加射頻能量吸收達(dá)到最大，產(chǎn)生的磁共振信號(hào)也最強(qiáng)，由此得到拉莫爾方程，此時(shí)的就是產(chǎn)生核磁共振的拉

3、莫爾頻率，也是外加磁場(chǎng)的中心頻率。這也就是核磁共振的條件。二 自由衰減的FID信號(hào)1FID信號(hào)：如圖1所示，當(dāng)M在90脈沖作用下倒在XY平面內(nèi)，系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)。90度射頻脈沖停止后，磁化矢量發(fā)生弛豫，橫向磁化矢量Mxy按一定的指數(shù)規(guī)律自由衰減，Y軸上接收到的信號(hào)也呈現(xiàn)出按指數(shù)規(guī)律自由自由衰減，這個(gè)信號(hào)也稱為FID 信號(hào)。 圖1 FID信號(hào)的形成原理（a）（b）和FID信號(hào)（d）2各參數(shù)的變化對(duì)FID信號(hào)的影響（1）P1的變化對(duì)信號(hào)的影響P12024252627304550515257幅值420420440440420420170706575140當(dāng)P1從20增大到30的過(guò)程中，信號(hào)的幅值先

4、增大后減小，在P1=25.5us到達(dá)最大值440；而當(dāng)P1從45增大到57的過(guò)程中，信號(hào)先減小后增大，在P1=51us的時(shí)候達(dá)到最小值65。分析：因?yàn)镻1=25.5us時(shí)，恰好轉(zhuǎn)過(guò)90，使y軸上的接收線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，因此信號(hào)幅度也最大（P1=51us時(shí)同理）。稱P1=25.5us為90度脈沖時(shí)間，P1=51us為180度脈沖時(shí)間。(2)采集點(diǎn)數(shù)TD對(duì)信號(hào)的影響TD51210242048X軸幅值51020隨著TD的增大，X軸的幅值也隨之逐漸增大，觀測(cè)到的信號(hào)周期變多。分析：由于t=TD/SW，因此TD越大，則信號(hào)的采集時(shí)間越長(zhǎng)，則觀測(cè)到的信號(hào)周期越多。 （3）帶寬SW對(duì)信號(hào)的影響SW1

5、22550100X軸幅值170804020隨著帶寬SW的增大，X軸的幅值逐漸減小，觀測(cè)到的信號(hào)周期變少。分析：由因?yàn)閠=TD/SW。因此，SW越大，信號(hào)采集時(shí)間越短，則觀察到的信號(hào)周期越少。（4）死時(shí)間D3對(duì)信號(hào)的影響 D31003005007001000首峰位置0.80.70.40.3消失次峰位置1.91.81.51.41.1隨著D3的增加，其橫向幅值不變，縱向幅值逐漸減小，波形逐漸左移。采集信號(hào)時(shí)間延后，信號(hào)幅度減小。分析：在D3時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)發(fā)生弛豫過(guò)程，因此，當(dāng)D3增加，系統(tǒng)的狀態(tài)更趨向平衡，因此信號(hào)幅度減少。（5）增益RG對(duì)信號(hào)的影響RG1234幅值36115440850隨著增益RG的逐

6、漸增大，信號(hào)幅度增加，噪聲減小。增益過(guò)小時(shí)，信號(hào)中的噪聲干擾較大， 而當(dāng)RG過(guò)大時(shí)，信號(hào)頂端又會(huì)出現(xiàn)削頂而導(dǎo)致失真。故我們?cè)谠囼?yàn)中選信號(hào)較大且信噪比較好的RG=3時(shí)的信號(hào)圖像。(6)累加次數(shù)NS對(duì)信號(hào)的影響NS2468幅值2300460070009500隨著累加次數(shù)NS的增大，信號(hào)的幅值也逐漸變大，其信號(hào)強(qiáng)度的增加與NS的增大基本上呈線性正比關(guān)系。三 自旋回波信號(hào)中各參數(shù)對(duì)信號(hào)的影響1自旋回波信號(hào)：在未施加射頻磁場(chǎng)時(shí)，磁矩繞Z軸上的B0旋進(jìn)，施加90脈沖后，M倒在 軸上；由于磁場(chǎng)的不均勻，使得在XY平面上的磁矩分量發(fā)生相散；t時(shí)刻后，施加180脈沖，則所有磁矩以X為軸反轉(zhuǎn)180度，再過(guò)t時(shí)刻后

7、，磁矩集中起來(lái)產(chǎn)生自旋回波信號(hào)。如圖所示為自旋回波的形成原理圖。圖2 自旋回波信號(hào)2各參數(shù)的變化對(duì)自旋回波信號(hào)的影響（1）采集點(diǎn)數(shù)TD對(duì)自旋信號(hào)的影響TD1282565121024X軸幅值251020隨著TD的逐漸增大，自旋回波的X軸幅值也隨之增大，觀察到的信號(hào)周期也越多（觀察到的圖形也越來(lái)越完整）。分析：這是由于t=TD/SW，因此，TD越大，則信號(hào)的采集時(shí)間越長(zhǎng)，則觀測(cè)到的信號(hào)周期越多。 （2）帶寬SW對(duì)自旋信號(hào)的影響SW10305080100X軸幅值10034201210隨著帶寬SW的增大，X軸的幅值越來(lái)越小，觀測(cè)到的信號(hào)周期變少。分析：由于t=TD/SW。因此，SW越大，信號(hào)采集時(shí)間越

8、短，則觀察到的信號(hào)周期越少。 （3）D1對(duì)信號(hào)的影響隨著D1的增大，信號(hào)出現(xiàn)得越來(lái)越晚， 波形整體向右移動(dòng)。分析：因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)出現(xiàn)在180脈沖結(jié)束后的D1時(shí)刻，因此，D1增加，則回波出現(xiàn)得更晚。圖3 D1對(duì)信號(hào)的影響D1=10000D1=3000（4）90度脈沖幅值RFA1對(duì)信號(hào)的影響圖4 RFA1對(duì)自旋信號(hào)的影響 RFA1=22RFA1=14RFA1=6RFA1從6變化至22的過(guò)程中，信號(hào)的幅值先增大后減小，當(dāng)RFA1=12.5的時(shí)候信號(hào)達(dá)到最大值。此外，信號(hào)中的噪聲也隨著RFA1的變化先減小后增大。（5）180度脈沖幅值RFA2對(duì)信號(hào)的影響 隨著RFA2的增大，信號(hào)的幅值先增大后減小，而且

9、信號(hào)中噪聲的大小也隨著RFA2的變化先減小后增大。RFA2=12A圖5 RFA2對(duì)自旋信號(hào)的影響RFA2=44RFA2=28四 反轉(zhuǎn)恢復(fù)法測(cè)T11.基本原理：不斷施加180- 90的脈沖序列重復(fù)作用到樣品上，由磁化強(qiáng)度矢量的運(yùn)動(dòng)方程得到： ，初始條件為：Mz=-M0, Mxy=0。設(shè)時(shí)間間隔為t時(shí)信號(hào)幅度為0，則可得 t=ln2*T1。2.逐漸改變D1的值，觀察信號(hào)的變化：D1（*1000us）D1 1510152025303540幅值310280260245230210195175160D1455055606570758085幅值1451351201109686766456D19095100

10、110120130150200250幅值484236354152 74125160由表中可以看出，零值大致會(huì)出現(xiàn)在100120之間，將小于110對(duì)應(yīng)幅值取負(fù)作多項(xiàng)擬合。在零點(diǎn)對(duì)應(yīng)處取x坐標(biāo)為109.7ms，由t=ln2*T1計(jì)算可得：T1=158.26ms.在計(jì)算機(jī)上直接進(jìn)行T1擬合可得：T1=156.7ms.五 硬脈沖CPMG序列測(cè)T2： 1.實(shí)驗(yàn)原理： 圖6 硬脈沖CPMG序列測(cè)T2硬脈沖CPMG可以用來(lái)測(cè)量物質(zhì)的T2值。如圖所示，在90脈沖之后，分別在，3，5，7時(shí)在 Y 軸上施加o180 RF 脈沖，就會(huì)分別在2，4，6時(shí)得到相應(yīng)的回波信號(hào)，從而得到一個(gè)回波波列，由每個(gè)回波峰值|My(t)| = M0 exp（-2n/T2），形成的指數(shù)衰減曲線就是T2衰減曲線，因此可以利用這個(gè)峰值衰減規(guī)律來(lái)測(cè)得樣品的T2值。 2.利用硬脈沖CPMG序列直接用軟件擬合得：T2=43.3ms(如下圖)。圖7 硬脈沖CPMG測(cè)T2的實(shí)驗(yàn)圖總結(jié)：理解和認(rèn)識(shí)核磁共振的原理及其條件：=hv，即當(dāng)外加射頻磁場(chǎng)的頻率等于拉莫爾頻率時(shí)，產(chǎn)生的磁共振信號(hào)最強(qiáng)。利用控制變量法的數(shù)學(xué)思想，逐個(gè)改變各個(gè)參數(shù)，可以觀