物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-連續(xù)和脈沖核磁共振

PAGEPAGE1連續(xù)和脈沖核磁共振 【摘要】：本實(shí)驗(yàn)主要以水中的氫核為主要研究對(duì)象，理解掌握核磁共振技術(shù)的基本原理以及核磁共振信號(hào)的基本測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)中利用核磁共振譜儀在連續(xù)工作方式下觀察不同濃度的CuSO溶液的共振信號(hào)，并估算樣品的橫向弛豫時(shí)間；同時(shí)利用核磁共振儀在脈沖的工作方式下，采用90-180雙脈沖自旋回波法測(cè)量其橫向弛豫時(shí)間。兩種方法都能觀察到核磁共振現(xiàn)象，并且隨著CuSO濃度增加，其橫向弛豫時(shí)間T逐漸減小。關(guān)鍵詞：連續(xù)核磁共振脈沖核磁共振橫向弛豫時(shí)間一、實(shí)驗(yàn)引言：核磁共振技術(shù)（NuclearMagneticResonance，簡(jiǎn)稱NMR）是指具有磁矩的原子核在恒定磁場(chǎng)中由電磁波引起的塞曼能級(jí)間的共振躍遷現(xiàn)象，這項(xiàng)技術(shù)是1945年布洛赫（FelixBloch）和鉑塞爾（EdwardPurcell）分別獨(dú)立發(fā)明的，此方法大大提高了核磁矩的測(cè)量精度。核磁共振自發(fā)明以來(lái)去得了驚人的發(fā)展，如今NMR不僅是一種能直接而準(zhǔn)確的測(cè)量原子核磁矩的方法，而且已成為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的常用工具，比如，用于研究有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)，精確測(cè)量磁場(chǎng)及固體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)相變等。另外，核磁共振技術(shù)不會(huì)破壞樣品，也不會(huì)破壞物質(zhì)的化學(xué)平衡態(tài)，所以尤其適用于有機(jī)生命體的研究，如今，核磁共振成像技術(shù)已經(jīng)成為檢查人體病變方面的有力武器，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)等領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用。核磁共振譜儀按射頻場(chǎng)施加的方式不同分為連續(xù)波譜儀和脈沖波譜儀。前者射頻場(chǎng)持續(xù)不斷的加到樣品上，得到的是頻率普（波譜）；后者射頻場(chǎng)以窄脈沖方式加給樣品，得到的是時(shí)間譜或自由感應(yīng)衰減信號(hào)隨時(shí)間變化，經(jīng)傅立葉變換后可轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率譜。本實(shí)驗(yàn)以水中的氫核為主要研究對(duì)象，利用核磁共振譜儀觀察共振的信號(hào)。二、實(shí)驗(yàn)原理：1、核磁共振的量子力學(xué)描述原子核中的質(zhì)子和中子都具有軌道和自旋角動(dòng)量，因此，原子核的磁矩應(yīng)該是質(zhì)子磁矩和中子磁矩的總和。當(dāng)原子核處于外磁場(chǎng)B中時(shí)，由于核磁矩和外磁場(chǎng)的相互作用使得原子核獲得附加能量，即：E=-==（1）由此可見(jiàn)，不同磁量子數(shù)的原子核獲得能量是不同的，這就會(huì)使原來(lái)簡(jiǎn)并的磁能級(jí)發(fā)生分裂，即著名的塞曼分裂，由上式可以知道磁能級(jí)在外磁場(chǎng)中的分裂是等間距的，其相鄰的兩個(gè)磁能級(jí)間的能量差是：（2）而能級(jí)間的量子力學(xué)選擇定則為，所以在垂直于B的平面內(nèi)加一個(gè)射頻磁場(chǎng)，當(dāng)其頻率為時(shí)，處在較低能態(tài)的核會(huì)吸收電磁輻射的能量躍遷到較高的能態(tài)，這就是量子力學(xué)意義上的核磁共振。2、核磁共振的宏觀理論在外磁場(chǎng)中核磁共振磁矩的取向量子化的基礎(chǔ)上，布洛赫利用法拉第電磁感應(yīng)理論，建立了布洛赫方程，用經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)系統(tǒng)的描述了核磁共振現(xiàn)象。（1）單個(gè)核的拉莫爾進(jìn)動(dòng)具有角動(dòng)量P和磁矩的粒子在外場(chǎng)B種會(huì)受到力矩的作用，其運(yùn)動(dòng)方程：，利用，即有：（3）方程在靜電場(chǎng)中的解可知，磁矩在的作用下，繞靜電場(chǎng)進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)角頻率即拉莫爾頻率，且與和夾角無(wú)關(guān)。除了在z方向加上靜磁場(chǎng)外，又在平面內(nèi)加上一個(gè)以變化的磁場(chǎng)，則磁矩對(duì)的變化復(fù)雜得多，除了繞z軸的進(jìn)動(dòng)外，還繞進(jìn)動(dòng)。（2）磁化強(qiáng)度矢量M單位體積中微觀磁矩的矢量和稱為磁化強(qiáng)度，用M表示：（4）在熱平衡時(shí)，單位體積中的磁化強(qiáng)度矢量M只有沿著外場(chǎng)方向的分量M，簡(jiǎn)寫(xiě)作M，當(dāng)加上轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場(chǎng)時(shí)，M=M與垂直的條件自動(dòng)滿足。（3）弛豫過(guò)程通常把系統(tǒng)由非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)的過(guò)程稱為弛豫過(guò)程。M的大小的改變，即M的改變會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的能量發(fā)生變化，要恢復(fù)到最初的M，系統(tǒng)中的粒子就需要與晶格產(chǎn)生相互作用，吸收能量或者經(jīng)歷無(wú)輻射躍遷釋放能量，這就是所謂的自旋-晶格弛豫，也叫縱向弛豫，其弛豫時(shí)間用T表示。M方向的改變，使得M、M的值發(fā)生變化，但它們的改變不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的能量發(fā)生改變，而是通過(guò)系統(tǒng)的內(nèi)部磁矩與磁矩之間的能量交換過(guò)程，改變磁矩之間的相位相關(guān)性，恢復(fù)旋進(jìn)相位的隨機(jī)分布，從而使其恢復(fù)到M=M=0的狀態(tài)，這種弛豫就是自旋-自旋弛豫，也叫橫向弛豫，其弛豫時(shí)間用T表示。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)裝置：示波器、磁鐵、邊限振蕩器、頻率計(jì)連續(xù)核磁共振：示波器、磁鐵、邊限振蕩器、頻率計(jì)圖1、連續(xù)核磁信號(hào)接線示意圖如圖1所示，為連續(xù)核磁信號(hào)接線示意圖。實(shí)驗(yàn)主要是由恒定磁場(chǎng)的線圈和與之垂直的射頻場(chǎng)B，以及控制和輸出顯示的裝置構(gòu)成。通過(guò)調(diào)節(jié)好的值，再改變B的頻率就能夠觀察到共振信號(hào)。脈沖核磁共振：雙蹤示波器、射頻開(kāi)關(guān)放大器、射頻相位檢波器、脈沖發(fā)生器、圖2、脈沖核磁共振儀器連接圖如圖2所示，在t=0時(shí)刻加上射頻場(chǎng)B，到t=t時(shí)刻M繞B旋轉(zhuǎn)90而傾倒在y軸上，這時(shí)射頻場(chǎng)消失，核磁矩系統(tǒng)將由弛豫過(guò)程恢復(fù)到熱平衡狀態(tài)。其中M到M的變化速度取決于T，而M到0、M到0的衰減速度取決于T。若在這個(gè)過(guò)程中，在垂直于z軸的方向上放一個(gè)接收線圈，便可感應(yīng)出一個(gè)射頻信號(hào)，其頻率與進(jìn)動(dòng)頻率相同，其幅值按指數(shù)衰減，稱為自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FID信號(hào)）。在此原理的基礎(chǔ)上，利用自旋回波法就可以測(cè)量橫向弛豫時(shí)間T。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果極其分析：表1、連續(xù)核磁共振改變邊限振蕩電壓對(duì)橫向弛豫時(shí)間的影響CuSO的濃度頻率f/MHz邊限振蕩電壓/V橫向弛豫時(shí)間T/ms共振圖像0.5%20.0319314.10.46020.0317623.90.44020.0323053.40.420表2、連續(xù)核磁共振改變CuSO的濃度測(cè)得共振信號(hào)CuSO的濃度頻率f/MHz邊限振蕩電壓/V橫向弛豫時(shí)間T/ms共振圖像0.05%20.0317993.40.4960.5%20.0323053.40.4201%20.0345353.40.3045%20.0350803.40.344圖3、利用自旋回波法觀察到的核磁共振表3、脈沖核磁共振測(cè)量不同濃度CuSO溶液的橫向弛豫時(shí)間CuSO的濃度0.05%0.5%1%5%橫向弛豫時(shí)間T/ms254.13037916.16165614.447691無(wú)法測(cè)量分析：（1）如上表1所示，調(diào)節(jié)邊線振蕩器的頻率使得w=時(shí)，可以觀察到如上圖所示的共振信號(hào)，并且利用共振信號(hào)以及公式估算橫向弛豫時(shí)間T，如上所示，縮小邊限振蕩電壓時(shí)，會(huì)使得橫向弛豫時(shí)間縮小，但改變不大，并且由于是根據(jù)共振信號(hào)來(lái)估算橫向弛豫時(shí)間，這個(gè)弛豫時(shí)間誤差比較大，精度不高。（2）在連續(xù)核磁共振中，如表2所示，不同濃度的CuSO溶液橫向弛豫時(shí)間差別很小，基本上會(huì)隨著CuSO溶液的濃度的增大橫向弛豫時(shí)間減小。0.05%CuSO溶液的共振圖像與其余三個(gè)不同，0.05%CuSO溶液的共振圖像類似于成左右對(duì)稱形狀，其左部有波形。這是由于0.05%CuSO溶液的橫向弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，上一個(gè)共振信號(hào)產(chǎn)生的弛豫還沒(méi)有恢復(fù)，就出現(xiàn)了下一個(gè)弛豫信號(hào)。（3）在脈沖核磁共振中，如表3所示，不同濃度的CuSO溶液橫向弛豫時(shí)間差別很大，隨著CuSO溶液的濃度的增大橫向弛豫時(shí)間急劇減小。5%CuSO溶液的橫向弛豫時(shí)間無(wú)法測(cè)量，這是由于5%CuSO溶液的橫向弛豫時(shí)間太短，不能夠滿足t《T、T的條件，因此就觀察不到如圖3所示的回波，它的橫向弛豫時(shí)間就無(wú)法測(cè)量。由此可見(jiàn)，對(duì)于較高濃度的溶液，脈沖核磁共振不適用。（4）用以上兩種方法來(lái)測(cè)量橫向弛豫時(shí)間可見(jiàn)，對(duì)于同一濃度的CuSO溶液得到的結(jié)果差別很大，脈沖法比連續(xù)法得到的結(jié)果更為準(zhǔn)確，連續(xù)法的誤差比較大，但是對(duì)于濃度大的溶液，脈沖法無(wú)法測(cè)量其橫向弛豫時(shí)間，脈沖的方法在高濃度下不太適用。（5）兩種方法都可見(jiàn)，隨著CuSO溶液的濃度的增大橫向弛豫時(shí)間減小。原因在于，濃度的增加，使得溶液中的未成對(duì)順磁離子（Cu）增加，而順磁離子與核自旋之間有強(qiáng)相互作用，也使樣品中的局部場(chǎng)增大，從而降低了橫向弛豫時(shí)間。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論和建議：本實(shí)驗(yàn)中我們運(yùn)用了連續(xù)和脈沖核磁共振裝置測(cè)量不同濃度的CuSO溶液的橫向弛豫時(shí)間。通過(guò)連續(xù)核磁共振裝置測(cè)得0.05%、0.5%、1%、5%的CuSO溶液的橫向弛豫時(shí)間分別為0.496ms、0.420ms、0.304ms、0.344ms。通過(guò)