核磁共振實驗報告

1、核磁共振實驗報告姓名：任宇星 班級：F1407204（致遠(yuǎn)物理） 學(xué)號：5140729003指導(dǎo)老師：楊文明 實驗日期：2016.5.6一、 實驗?zāi)康?了解核磁共振基本原理；2觀察核磁共振穩(wěn)態(tài)吸收信號及尾波信號；3用核磁共振法校準(zhǔn)恒定磁場B0；4測量朗德因子g。二、 實驗儀器數(shù)字頻率計、示波器、永久磁鐵、掃場線圈、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、 實驗原理1、 核磁共振原理及條件原子的總磁矩j和總角動量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。對于

2、自旋不為0的粒子，原子的總磁矩j和總角動量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 B 中能級將發(fā)生賽曼分裂。記相鄰能級間具有能量差E，當(dāng)有外界條件提供與E相同的磁能時，將引起相鄰賽曼能級之間的磁偶極躍遷。如果向賽曼能級的能量差為E=B0h2的氫核發(fā)射能量為E=hv的光子，當(dāng)B0h2=hv時，氫核將吸收這個光子，由低塞曼能級躍遷到高塞曼能級。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、 用掃場法產(chǎn)生核磁共振在實驗中要使E=B0h2=hv并不是那么容易的。主要原因是外磁場不容易控制在一個特定的值。因此我們可以在

3、一個永磁體B0上疊加一個低頻交流磁場B=Bmsint,使氫原子能級能量差h2（B0+Bmsint）有一個可以調(diào)節(jié)的變化區(qū)間。我們調(diào)節(jié)射頻場的頻率v使射頻場的能量hv處于上述區(qū)間，這樣在某一瞬間hv=h2（B0+Bmsint）即可成立。從而可以通過讀取共振時對應(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中核磁矩體系相互作用的結(jié)果。兩個具有適當(dāng)寬度的射頻脈沖以一定的間隔相繼作用在靜磁場中的核磁矩體系上，經(jīng)過一段時間在接收系統(tǒng)中會出現(xiàn)一個感應(yīng)信號，信號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)到垂直主磁場的橫平面上，產(chǎn)生了自由感應(yīng)衰減(FID)這種信號。在到達(dá)xy平面之后，由于不再受到射頻的激發(fā)，隨著時間的推移，總磁矩又會恢復(fù)到z 軸上，使得橫磁向量的向量和變小，即造成信號強(qiáng)度變小。這是自由感應(yīng)衰減(FID)的機(jī)制。四、實驗數(shù)據(jù)及處理1、水中共振頻率測量及磁場計算所測水中共振頻率：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)頻率上下浮動范圍1=24.346133MHz,2=24.346197MHz,得磁

5、場的不確定度為B=2（1-2）=1.510-6T故B0=（0.5718+0.000002）T，相對誤差：0.0003%2、測量磁場強(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)磁場均較為均勻穩(wěn)定。由此可見實驗中1.5cm處選取較為合理。（實驗中均使儀器處于1.5cm處）

6、3、聚四氟乙烯中共振頻率測量及聚四氟乙烯旋磁比、F的朗德因子g 所測聚四氟乙烯中共振頻率：22.8864MHz（電壓：50V）上下浮動為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 ，相對誤差：0.00008%4、油的FID測量調(diào)整參數(shù)，使尾波盡可能長曲線最高點坐標(biāo)為（303，137），選取原點位置為（303，687），（單位：像素）幅值下降到最大值1/e時

7、的點，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個像素，可以計算得FID=（513-303）/90ms=2.33ms5、油的ZG測量6、水中測量（1）D0=100（2）D0=300（3） D0=500（4）D0=30007、水、乙醇混合物中的測量（1）測量圖像（2）FFT（3）測量兩峰值間距測得間距為0.134kHz8、油的回波測量（1）油的自旋回波（2）共振條件下的自旋回波圖像9、油的回波序列測量10、油的T2測量在油的回波序列圖中，讀取最高點坐標(biāo)（311，134），原點坐標(biāo)（311，819），可算出下降至1/e時的點

8、坐標(biāo)為（454，567）。根據(jù)橫軸每格50ms，對應(yīng)像素73，可以算得T2=97.95ms與FID測量數(shù)據(jù)相比非常大，因為圖中曲線實際上是許多曲線的包絡(luò)線，所以看起來下降比較慢11、油水混合物的回波序列測量12、油的軟脈沖測量（1）軟脈沖測量圖像（2）油的軟脈沖回波測量13、利用軟脈沖成像可以看出圖中是一個塑料捆綁帶接口的成像。六、對實驗現(xiàn)象的思考探究1、觀察水在不同D0參數(shù)下的測量圖像，可以看到D0較大時，峰值較高。分析：水分子間作用力相對較小，磁矩恢復(fù)一致狀態(tài)的時間較長。只有當(dāng)兩個脈沖間隔足夠長時，測量物質(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。但對于本實驗無影響。只要曲線末端平直即可。3、用簡易核磁共振裝置進(jìn)行的實驗中，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)的外場方能使其對實驗的影響減少，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：可能是由于實驗中所用試管清洗不夠徹底，或加液時不夠平穩(wěn)，使液體較為渾濁，及有雜質(zhì)，