磁共振技术

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慰恶古
4 years ago
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1 实验 4. 核磁共振具有磁矩的原子核, 在稳恒磁场中对射频或微波电磁辐射产生共振吸收现象, 称为核磁共振它是研究物质与电磁场相互作用, 了解物质的微观结构的重要手段之一, 这是物理实验的一个重要分支由于核磁共振方法具有能深入物质内部, 而又不破坏品本身, 并且具有迅速准确分辨率高等优点, 因此, 它发展很快, 在物理化学生物医学及它们的边缘学科中具有广泛的应用 946 年, 斯坦福大学的布洛赫 (Bloch) 和哈佛大学的珀塞尔 (Purcell) 分别用感应法和吸收法观察到宏观物体核磁共振 (MR) 现象, 为此, 他们荣获 95 年诺贝尔物理奖从此, 核磁共振成为人们研究物质微结构的重要方法, 并获得广泛的应用目前, 核磁共振技术已成为精确测量磁场的重要方法, 核磁共振成像技术也已成为医学诊断的有力工具核磁共振的理论有经典和量子两种, 它们都能说明磁共振现象的本质, 下面主要对量子理论给予简要介绍根据量子力学原理, 核角动量 p 由下式决定 : 磁矩 p I( I ) () 3 h 其中, I 为核自旋量子数, 可取,, h 为普朗克常数又核自旋与 p 的关系为称旋磁比现以氢核为例, 式 () 可写为 p () e g p 或 g I( I ) (3) m p 式中 e g, e 为质子电荷, m p 为质子质量, g 为朗德因子, m p he 焦耳 / 特斯拉, 称核磁子 m p 当氢核处在外磁场 B 中, 磁矩在外磁场方向上的投影是量子化的, 只能取下列数值, mh mg (4) m I I ( I ) I 称磁量子数磁矩在静磁场 B 中具有势能为对氢核, I, 故 m z E B mg B (5), 即分裂为两个能级, 称塞曼能级, 如图 (a) 所示两能级

2 的能量差为 E gμ Β (6) 显然, 其能量差与外磁场 B 的大小成正比, 见图 (b ). 由量子力学选择定则, 只有 m, 两个能级之间才能发生跃迁, 上述塞曼能级之间是满足跃迁选择定则的现加一频率为 v 的高频磁场 B, B 垂直于 B, 当电磁波能量子 hv 与塞曼能级间隔相等时, 即或 hv E g B (7) B (8) 则氢核将吸收能量子 hv, 从低能级 E ( m ) 跃迁到高能级 E ( m ), 这就是核磁共振吸收现象 (a) 图氢核的塞曼能级分裂 (b) 实际上, 实验样品并非单个核, 而是由大量核组成的在热平衡时, 处于每一能级的核子数目应服从玻尔兹曼分布对于 E 和 E 两个能级 ( E E), 它们的核子数目分别为和, 有 E exp( ) (9) kt

3 当 E kt 时, 有 E g B kt kt () 式中,k 为玻尔兹曼常数,T 为绝对温度, 对氢核, 在室温 T ( 设 T 3k ), 外磁场 B 特斯拉时, E 6 7 kt 得. 3 () 这说明两能级的粒子数目相差是很小的在电磁波激励下, 上下能级之间相互跃迁是等几率的, 由下往上吸收量子 hv, 由上往下放出能量 hv 但由于, 所以总的效果表现为样品对高频磁场能量的吸收由于 / 十分接近于 l, 未被抵消的吸收能量是很小的, 所以核磁共振信号十分微弱在能级跃迁过程中, 减小, 增加, 当时, 就观察不到共振吸收信号了然而, 由于核与周围环境的自旋一自旋相互作用和自旋一品格相互作用, 发生能量交换, 使处于上能级的核丧失能量, 回到下能级当静磁场变化足够慢或高频磁场频率变化足够小时, 即在合适的驰豫时间 T 和 T 情况下, 在实验中可以连续地观察到共振吸信号若要核磁共振信号强, 上下能级核子数目相差越大越好由式 () 可以看出, 磁场 B 越大, / 越大, 磁共振现象越明显另外, 除了需要强磁场外, 还要求在样品范围内磁场高度均匀, 否则样品内各部分的共振频率不同, 对某个频率的电磁波, 只有极少数核参与共振, 结果信号为噪声干扰所淹没, 难以观察到共振信号核磁共振磁场均匀度要求在 4 以上一实验目的. 了解核磁共振的原理与应用 ;. 掌握连续波核磁共振的仪器结构和实验方法 ; 3. 测量磁感应强度和旋磁比二实验原理根据磁共振原理, 观察核磁共振现象, 需要有一个均匀的磁场 B 和一个角频率为的旋转磁场 B, B B, 并且满足 B ()

4 7 g / h, 称为旋磁比对于氢核, g 5.585, 5.58 焦耳 / 特斯拉, 34 h.546 焦耳秒, 可计算出氢核旋磁比 B.349 兆赫 / 特斯拉, 故特斯拉 () 式中频率 v 的单位为兆赫, 由式 () 可见, 当发生氢核磁共振时, 测出旋转磁场 B 的频率 v, 就可确定未知磁场 B 的大小, 这就是 MR 方法测量磁场的原理根据式 (), 观察磁共振吸收信号有两种方法一种是扫频法, 即磁场 B 固定, 让高频磁场角频率连续变化并通过共振区, 当 B 时, 出现共振吸收峰 ; 另一种方法是扫场法, 即把高频磁场角频率固定, 让磁场 B 连续变化并通过并振区, 当 B 时, 出现共振吸收峰因扫场法在技术上较简单, 本实验用扫场法, 扫场电流为 5Hz, 对应扫场磁场 B Bm sint, 该磁场迭加在静磁场 B 上, 即 B B Bm sint (3) 当满足磁共振条件时, 就观察到 MR 信号见图所示 B 为共振磁场, 扫场每一周内, 可观察到的共振吸收峰不超过两个根据布洛赫稳态条件, 静磁场变化 ( 扫场 ) 通过共振区所需时间远大于驰豫时间 T 和 T, 这是在示波器上可观察到稳态共振吸收信号如图 (a) 所示如果扫场速度远非足够慢, 不满足稳态条件, 则观察到带有尾波的共振吸收信号如图 (b) 所示可以这样理解, 当磁共振时, 磁化强度矢量 M 突然偏离 B 方向, 产生吸收峰当 B Br 或 B Br 时, 磁共振消失, 而 M 将围绕 B 以螺旋方式恢复到 B 方向在这个过程中 M 在垂直于 B 平面的分量 M 上, 它使射频线圈产生的感应电动势是逐渐衰减的, 因而在示波器上出现尾波 r (a) (b) 图 MR 信号图稳态信号和带有尾波的信号

5 三实验仪器 MR 实验装置原理图如图 3 所示图 3 实验装置图静磁场由永磁体产生, 并配以扫场线圈对,MR 电源供给 5Hz 可调的扫场电压, 并供给探测器电源 ; 探测器包括边限振荡器和检波放大电路, 探头是装有样品的振荡线圈, 也是探测线圈 ; 样品为水和聚四氟乙烯, 核磁共振是对水中的氢核和聚四氟乙烯中的氟核而言 ; 示波器用来观察共振信号四实验内容. 质子 MR 信号的观察按图 3 连接线路, 把装有水样品探头置于固定磁场 B 中心处, 并使探头线圈轴线与 B 垂直缓慢改变 B ν 和 B, 直到示波器出现共振吸收信号, 然后改变 B ν 和 B 的大小, 观察共振信号的位置形状的变化并讨论. 磁场测量使示波器上共振吸收信号等距, 利用频率计测定 MR 射频场的频率, 由式 () 就可求得未知场 B 的大小用毫特拉计测出 B, 并与 MR 法结果相比较 3. 分别测量共振信号等间距时氢核与氟核的共振频率 4. 氟核 ( 9 F ) 旋磁比的测量当两种核对应同一大小静磁场发生共振时, 由式 () 可得 v v 分别调出射频 v 和 v, 若已知一种核的旋磁比, 就可求得另一种核的旋磁比用氢核 ( H ) 作标准, 测定氟核 ( 9 F ) 的旋磁比

6 5. 将扫场线圈变压器电压调到 5V, 自己设计方法, 根据吸收信号从等间距到重合的变化, 测量并计算出此时扫场线圈产生的交变磁场的幅度五思考题用?. 扫场 ( 调制磁场 ) 和旋转磁场 B 是一回事吗? 它们在观测取 MR 信号中各起什么作. 测量静磁场 B 时, 为何要求示波器上 MR 信号之间等距? 此时, 若改变扫场的大小, 信号间距是否变化? 试绘图说明

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核磁共振.doc 核磁共振 (MR) 实验核磁共振 (uclear Magnetic Resonance), 是指具有磁矩的原子核在静磁场中, 受电磁波 ( 通常为射频电磁振荡波 RF) 激发, 而产生的共振跃迁现象. 1945 年 12 月, 美国哈佛大学珀塞尔 (E. M. Purcell) 等人, 首先观察到石腊样品中质子 ( 即氢原子核 ) 的核磁共振吸收信号.1946 年 1 月, 美国史丹福大学布珞赫