-C型脈沖核磁共振試驗儀使用說明(100126)Goodisgood,butbettercarriesit.精益求精，善益求善。FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書儀器使用說明TEACHER”SGUIDEBOOKFD-PNMR-C脈沖核磁共振試驗儀中國.上海復(fù)旦天欣科教儀器ShanghaiFudanTianxinScientific&EducationalInstrumentsCo.,Ltd.FD-PNMR-C型脈沖核磁共振試驗儀使用說明一、概述

-0--0-FD-CNMR-IFD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書--1--1-當受到強磁場加速的原子束加以一個頻率的弱振蕩磁場時原子核就要吸取某些頻率的能量，同時躍遷到較高的磁場亞層中。通過測定原子束在頻率漸漸變化的磁場中的強度，就可測定〔Bloch〕和〔Puccell〕的工作擴大應(yīng)用到液體和固體。布洛赫小組第一次測定了水中質(zhì)子1952的諾貝爾物理學(xué)獎。1946透到化學(xué)、生物、地質(zhì)、醫(yī)療以及材料等學(xué)科，在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用。試驗上觀看核磁共振現(xiàn)象的方法一般分為連續(xù)波法〔CW-NMR〕和脈沖傅立葉變換法〔FT-NMR〕。衡時進展信號獵取，因此只能鼓勵某一頻率的信號。脈沖傅立葉變換核磁共振承受脈沖射頻場作用到核系統(tǒng)上，觀看核系統(tǒng)對脈沖的響應(yīng)，并利〔FFT〕技術(shù)將時域信號變換成頻域信號，這相當于多個單頻連續(xù)波核磁共振波譜儀在同時進展鼓勵，因此在較大范圍內(nèi)就可以觀看到核磁共振現(xiàn)象，并且信號幅值為連續(xù)波溥儀的兩倍，目前絕大局部核磁共振波譜儀承受脈沖法，而核磁共振成像儀則清一色地承受脈沖法。FD-PNMR-CDDS物理課程的近代物理試驗以及設(shè)計性、爭論性試驗，也可用于核磁共振根本參數(shù)測試使用。二、儀器簡介FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書FD-PNMR-C〔內(nèi)裝磁鐵及恒溫裝置〕、射頻放射主機〕、射頻接收主機〔含勻場電源以及恒溫顯示〕三局部構(gòu)成。儀器外觀如以下圖所PC1FD-PNMR-C三、技術(shù)指標調(diào)場電源 最大電流0.5A 電壓調(diào)整0-6.00V勻場電源 最大電流0.5A 電壓調(diào)整0-6.00V共振頻率 20.000MHz磁場強度 0.470T左右磁極直徑 100mm磁極間隙 20mm磁場均勻度 10ppm〔10mm10mm10mm〕8．恒溫溫度 36.500C9．磁場穩(wěn)定度 磁體恒溫4小時磁場到達穩(wěn)定，每分鐘拉莫爾頻率漂移小于5Hz四、試驗工程振中的一些物理現(xiàn)象。-2--2-FD-CNMR-IFD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書--3--3-用自由感應(yīng)衰減法測量表觀橫向弛豫時間T*，分析磁場均勻度對信號的影響。2用自旋回波法測量不同樣品的橫向弛豫時間T。2用反轉(zhuǎn)恢復(fù)法測量不同樣品的縱向弛豫時間T。1調(diào)整磁場均勻度，通過傅里葉變換測量樣品的化學(xué)位移。測量不同濃度硫酸銅溶液中氫原子核的橫向弛豫時間T

和縱向弛豫時間TCuSO濃2 1 4度的變化關(guān)系?！策x做〕五、留意事項3-4〔不同室溫狀況下，恒溫穩(wěn)定時間有所區(qū)分〕，等磁鐵穩(wěn)定在36.500C時再開頭試驗。儀器連線時應(yīng)嚴格依據(jù)說明書要求連接，避開出錯，損壞主機。脈沖核磁共振試驗【試驗?zāi)康摹空裰械囊恍┪锢憩F(xiàn)象。用自由感應(yīng)衰減法測量表觀橫向弛豫時間T*，分析磁場均勻度對信號的影響。2用自旋回波法測量不同樣品的橫向弛豫時間T。2用反轉(zhuǎn)恢復(fù)法測量不同樣品的縱向弛豫時間T。1調(diào)整磁場均勻度，通過傅里葉變換測量樣品的化學(xué)位移。測量不同濃度硫酸銅溶液中氫原子核的橫向弛豫時間T

和縱向弛豫時間TCuSO2 1 4度的變化關(guān)系?！策x做〕【試驗原理】核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁場中由電磁波引起的共振躍遷現(xiàn)象。19451946美國斯坦福大學(xué)布洛赫等人，也報道了他們在水樣品中觀看到質(zhì)子的核感應(yīng)信號。兩個爭論小組用了略微不同的方法，幾乎同時在分散物質(zhì)中覺察了核磁共振。因此，布洛赫和珀塞爾榮獲了1952矩和爭論核構(gòu)造的直接而又準確的方法，也是準確測量磁場的重要方法之一。最簡潔的原子核，但它是目前在核磁共振應(yīng)用中最常見和最有用的核?！惨弧澈舜殴舱竦牧孔恿W(xué)描述單個核的磁共振--5--5-FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書 P方向上的投影

稱為核磁矩，它們之間的關(guān)系通常寫成 eP或g N 2mp

P 〔2-1〕式中g(shù)N

e em2mp

gp

為朗德因子。對氫核來說，Ng 5.5851。N依據(jù)量子力學(xué)，原子核角動量的大小由下式打算P I(I1) 〔2-2〕式中 h

hII

1 3 對氫核來說，I1。2

0, ,1, ,2 2 2 BzBB方向上的投影值由下式打算P m 〔2-3〕B式中m稱為磁量子數(shù)，可以取mII1,,(I1),IB方向上的投影值為 gB N

e P2m

emgN2m m將它寫為

p p gB N

m 〔2-4〕N式中 5.0507871027JT1稱為核磁子，是核磁矩的單位。N磁矩為

B中具有的勢能為BEB

B

BgN

mBN任何兩個能級之間的能量差為EE Em1 m2

g N

B(mN 1

m) 〔2-5〕2--6--6-FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書1 1I2，所以磁量子數(shù)m只能取兩個值，即m2和1m22-1(a)所示，與此相對應(yīng)的能級如2-1(b)所示。BEBm=1/2 +1/2guB m=1/2E=1/2guBm=-1/2 -1/2guB m=-1/2(a) (b) B2-1氫核能級在磁場中的分裂依據(jù)量子力學(xué)中的選擇定則，只有m1的兩個能級之間才能發(fā)生躍遷，這兩個躍遷能級之間的能量差為Eg N N

B 〔2-6〕由這個公式可知：相鄰兩個能級之間的能量差EB的大小成正比，磁場越強，則兩個能級分裂也越大。B0，在該穩(wěn)恒磁場區(qū)域又疊加一個電磁波作用于氫核，假設(shè)電磁波的能0量h 恰好等于這時氫核兩能級的能量差g B，即0N N 0h g B 〔2-7〕0 N N 01 1則氫核就會吸取電磁波的能量，由m2的能級躍遷到m2的能級，這就是核磁共振吸取現(xiàn)象。式〔2-7〕就是核磁共振條件。為了應(yīng)用上的便利，常寫成 gNN0 h

B，即 0

B0

〔2-8〕核磁共振信號的強度FD-CNMR-IFD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書--7--7-曼因子打算：N

E g B 2exp exp

N N 0 〔2-9〕N kT 1

kT 式中N為低能級上的核數(shù)目，N 能級上的核數(shù)目，E為上下能級間的能量差，k為玻爾茲1 2曼常數(shù)，T為確定溫度。當g B kT時，上式可以近似寫成N N 0g BNg BN21 N N 0 〔2-10〕N kT1上式說明，低能級上的核數(shù)目比高能級上的核數(shù)目略微多一點。對氫核來說，假照試驗溫度T300K，外磁場B 0N N N216.75106 或 1 2N N1 1

710677核磁共振信號格外微弱，檢測如此微弱的信號，需要高質(zhì)量的接收器。由式〔2-10〕B0就在這里。另外，要想觀看到核磁共振信號，僅僅磁場強一些還不夠，磁場在樣品范圍內(nèi)還應(yīng)高度均〔2-7〕打算，假設(shè)磁場不均勻，則樣品內(nèi)各局部的共振頻率不同。對某個頻率的電磁波，將只有少數(shù)核參與共振，結(jié)果信號被噪聲所漂浮，難以觀看到核磁共振信號?！捕澈舜殴舱竦慕?jīng)典力學(xué)描述象，幫助我們了解問題的實質(zhì)。單個核的拉摩爾進動我們知道，假設(shè)陀螺不旋轉(zhuǎn)，當它的軸線偏離 豎直方向由于原子核具有自旋和磁矩，所以它在外磁場陀螺在重力場中的行為是完全一樣的。設(shè)核的角動

本身做自轉(zhuǎn)2-2P，磁矩為

，外磁場為B，由經(jīng)典理論可知 圖2-2陀螺的進動BdPBdt

〔2-11〕

P，所以有dt

〔2-12〕B寫成重量的形式則為Bddtx(By z

B)z yddtd

y(Bz x

B

) 〔2-13〕dtz

(Bx y

B)xB0d

zB0

方向，即B Bx

0，Bz

B，則上式將變?yōu)?dtx

By 0d

yB

〔2-14〕dt x 0dz0dt--10--10-FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書由此可見，磁矩重量z

是一個常數(shù)，即磁矩

B方向上的投影將保持不變。將式〔2-14〕的0第一式對t求導(dǎo)，并把其次式代入有d2xdt2

B dy0 dt

2B20 x或d2xdt2

2B20

0 〔2-15〕x這是一個簡諧運動方程，其解為 Acos(Bt)，由式〔2-14〕第一式得到x 0 1 dx

1 B

Asin(B

t)Asin(B

t)y B0

dt B 0 0 00以 B代入，有0 0x

0

t) Asin(( ( )2x y

t)

〔2-16〕 L

A常數(shù)由此可知，核磁矩在穩(wěn)恒磁場中的運動特點是：B0

做進動，進動的角頻率為0

B0

，和

B之間的夾角無關(guān)；0它在xy平面上的投影 是常數(shù)；L

B方向上的投影0

為常數(shù)。其運動圖像如圖2-3 B0

B1

B1

B0

，會消滅什么狀況。如 B0

BB1 1

的角頻率和轉(zhuǎn)動方向與磁矩的進 動角頻率和進動方向都一樣，如圖〔2-4〕所示。這時，和核磁矩B0

的作用之外，還 B1

的影響。也就是說B0

B1

進動。所以B之0間的夾角將發(fā)生變化。由核磁矩的勢能BEB

B0

cos 〔2-17〕--10--10-FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書可知，的變化意味著核的能量狀態(tài)變化。當B1

中吸取能量。這就是核磁共振。產(chǎn)生共振的條件為 B 〔2-18〕0 0這一結(jié)論與量子力學(xué)得出的結(jié)論完全全都。B0B0zμoμyyμxμxμy”ω0B0θωoBx”ω圖2-3磁矩在外磁場中的進動 圖2-4轉(zhuǎn)動坐標系中的磁矩

B的轉(zhuǎn)動角頻率與核磁矩的進動角頻率1

不相等，即0

，則角度的變化不顯著。平均說來，角的變化為零。原子核沒有吸取磁場的能量，因此就觀看不到核磁共振信號。布洛赫方程上面爭論的是單個核的核磁共振。但我們在試驗中爭論的樣品不是單個核磁矩，而是由這些M；另外，我們爭論的系統(tǒng)并不是孤立的，而是與四周物質(zhì)有肯定的相互作用。只有全面考慮了這些問題，才能建立起核磁共振的理論。 由于磁化強度矢量M是單位體積內(nèi)核磁矩的矢量和，所以有 dM(MB) 〔2-19〕dt MB0

做進動，進動的角頻率BB沿0zx軸方向加上一射頻場--11--11-B 2B1 1

cos(t)

型核磁共振試驗儀使用說明書x

〔2-20〕ee式中e

為x軸上的單位矢量，2B為振幅。這個線偏 振場可以x 1看作是左旋圓偏振場和右旋圓偏振場的疊加，如圖示。在這兩個圓偏振場中，只有當圓偏振場的旋轉(zhuǎn)動方向一樣時才起作用。所以對于 為正的系統(tǒng)，

所方向與進起作用的B1B1ωB1tωtM M H B /z 0 0 0 0 0 0式中是靜磁化率，為真空中的磁導(dǎo)率，M 是自旋系統(tǒng)與晶格到達熱平衡時自旋系統(tǒng)的磁化0 0 0強度。原子核系統(tǒng)吸取了射頻場能量之后，處于高能態(tài)的粒子數(shù)目增多，亦使得M M ，偏離了z 0熱平衡狀態(tài)。由于自旋與晶格的相互作用，晶格將吸取核的能量，使原子核躍遷到低能態(tài)而向熱平衡過渡。表示這個過渡的特征時間稱為縱向弛豫時間，用T1

表示〔它反映了沿外磁場方向上磁化強度矢量M 恢復(fù)到平衡值M 所需時間的大小〕?？紤]了縱向弛豫作用后，假定M 向平衡值z 0 zM 過渡的速度與M 偏離M 的程度(M M )成正比，即有0 z 0 0 zdM M Mz z 0

〔2-21〕dt T1此外，自旋與自旋之間也存在相互作用，M的橫向重量也要由非平衡態(tài)時的M 和M 向平x y衡態(tài)時的值M M 0過渡，表征這個過程的特征時間為橫向弛豫時間，用T表示。與M 類x y 2 z似，可以假定：dt dt x xT2

〔2-22〕dM M dt

yT2--12--12-FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書前面分別分析了外磁場和弛豫過程對核磁化強度矢量M的作用。當上述兩種作用同時存在時，描述核磁共振現(xiàn)象的根本運動方程為 dM 1

M M (MB) (Mdt T2

iMx

z 0k 〔2-23〕T1 該方程稱為布洛赫方程。式中i，jkxyz方向上的單位矢量。 BB0

Bj1j

B0

Bk，0B B1

cos(t)Bi1i

sin(t)，

MB的三個重量是M(M B y

MB

sint)ii(MBcostM B)j

〔2-24〕z 1

x 0 (M Bx 1

sin

tM By 1

cos

t)k這樣布洛赫方程寫成重量形式即為

x(M B MBsint)Mx dt

0 z 1 T2dMy(MBcostM B)My

〔2-25〕 dt

1 x 0 T2dM

(M BsintM Bcost)x 1 y 1

M Mz 0T1在各種條件下來解布洛赫方程，可以解釋各種核磁共振現(xiàn)象。一般來說，布洛赫方程中含有costsint這些高頻振蕩項，解起來很麻煩。假設(shè)我們能對它作一坐標變換，把它變換到旋轉(zhuǎn)坐標系中去，解起來就簡潔得多。如圖〔2-6〕所示，取坐標系xyz， y

z與原來zB與1

x重合。明顯，坐標系是與旋轉(zhuǎn)磁場以同一頻率 轉(zhuǎn)坐標系。圖中M 是M在垂直于恒定磁場

y”-μy”-μM⊥xωt

轉(zhuǎn)動的旋方向上的Mxy平面內(nèi)的重量，設(shè)uvx和y方向上的重量，則 圖2-6旋轉(zhuǎn)坐標系

是M 在FD-CNMR-IFD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書--13--13-M ucostvsintMv xMvy

cost

usint把它們代入〔2-25〕式即得dudt

()vu0 T2

vBM

〔2-27〕dt 0 T 1 z2dM

M0Mz

Bvdt T 11式中 B，上式說明M 的變化是v的函數(shù)而不是u的函數(shù)。而M 的變化表示核磁化強度矢0 0 z z量的能量變化，所以v的變化反映了系統(tǒng)能量的變化。從式〔2-27〕可以看出，它們已經(jīng)不包括costsint這些高頻振蕩項了。但要嚴格求解仍是相當困難的。通常是依據(jù)試驗條件來進展簡化。假設(shè)磁場或頻率的變化格外緩慢，則可以認為uvMz

du0，dv0，dMzdt dt dt

0,即系統(tǒng)到達穩(wěn)定狀態(tài)，此時上式的解稱為穩(wěn)態(tài)解：

)Mu

12 0 0 1T

2()22B2TTv

2 0BMT1 0 2

1 12

〔2-28〕 1T

2

)2

22TTM

2 01T2

0

1 12)M0 z

1T2()22B2TT2 0 1 12依據(jù)式〔2-28〕中前兩式可以畫出u和v隨而變化的函數(shù)關(guān)系曲線。依據(jù)曲線知道，當外加旋 B1

的角頻率等于MB0中的進動角頻率0時，吸取信號最強，即消滅共振吸取現(xiàn)象。結(jié)果分析由上面得到的布洛赫方程的穩(wěn)態(tài)解可以看出，穩(wěn)態(tài)共振吸取信號有幾個重要特點：BTM 1當

時，v值為極大，可以表示為v ＝ 12 0 ，可見，B 時，v達0 極大

1 (TT)1/21 12 121 T到最大值v

max

2M2 T 1

B1

無限的弱，而是要求它有肯定的大小。共振時o

0S

11B1

2TT12

B1稱S為飽和因子。實際的核磁共振吸取不是只發(fā)生在由式〔2-7〕所打算的單一頻率上，而是發(fā)生在肯定的頻率范圍內(nèi)。即譜線有肯定的寬度。通常把吸取曲線半高度的寬度所對應(yīng)的頻率間隔稱為共振線寬。B0

不均勻也會使吸取譜線加寬。由式〔2-28〕可以看出，吸取曲線半寬度為 1

〔2-29〕0 T(12B2TT

1/2)2 1 12可見，線寬主要由T值打算，所以橫向弛豫時間是線寬的主要參數(shù)。2〔三〕脈沖核磁共振射頻脈沖磁場瞬態(tài)作用BB的平面〔xy平面〕內(nèi)0 0B1

B1

轉(zhuǎn)動方向與3-1B1

的轉(zhuǎn)動頻率與拉摩爾進動頻率0

B0

B的合矢量進動，使1

B0

的夾角發(fā)生轉(zhuǎn)變,增大,B1

B1

的旋轉(zhuǎn)頻率與

不等，自旋系統(tǒng)會交體地吸取和放0B1

的旋轉(zhuǎn)頻率與0

相等使才能發(fā)生共振。FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書圖3-1拉摩爾進動 圖3-2直線振蕩場B1

可以便利的由振蕩回路線圈中產(chǎn)生的直線振蕩磁場得到。由于一個2B1

cost的B1

合成，見圖2-1。一個與拉摩爾進動同方向，另一個反方向。反方向的磁場對的作用可以無視。旋轉(zhuǎn)磁場作用方式可以承受連續(xù)波方式也可以承受脈沖方式。M來描述, M和單個核i

的關(guān)系為N NM ii1

〔3-1〕MB0

的作用下，宏觀體磁化矢 MB0

作拉摩爾進動，進動角頻率 B 〔3-2〕0 0如引入一個旋轉(zhuǎn)坐標系(

x,

y,

z)，z

B方向重合，坐標旋轉(zhuǎn)角頻率0

,則M在B0

方向上施加一射頻脈沖，其脈沖寬度t 滿足pt T,tp 1

T2

〔T,T1

為原子核系統(tǒng)的馳豫時間〕，通?？梢园阉纸鉃閮蓚€方向相反的圓偏B1

,作用時間為脈寬tp

，在射頻脈沖作用 Mz軸〔z軸〕重合，施加射頻脈沖作用，則M

將以頻率B1

x軸進動。

-15--15-FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書M轉(zhuǎn)過的角度Bt1p

3-3〔3-3a〕稱為傾倒角,假設(shè)脈沖寬度恰好使/2或 ，稱這種脈沖為900或1800脈沖。900脈沖作用下My上，1800脈沖作用下M將倒1向z方向。由Bt1p

可知，只要射頻場足夠強，則t

值均可以做到足夠小而滿足tp

T,T,1 2這意味著射頻脈沖作用期間弛豫作用可以無視不計脈沖作用后體磁化強度M的行為——自由感應(yīng)衰減〔FID〕信號設(shè)t＝0B1

,到ttp

時M B繞1繞

旋轉(zhuǎn)900而傾倒在yB1

消逝，Mz

M 的變化速度取決于TM0 1

0和M 0的衰減速度取決于Ty

2M3-4中〔a〕Mz軸旋進按螺旋形式回到平衡位置，如圖3-4中〔b〕所示。-16--16-FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書3-4900脈沖作用后的弛豫過程在這個弛豫過程中，假設(shè)在垂直于z軸方向上置一個接收線圈，便可感應(yīng)出一個射頻信號，其0頻率與進動頻率 自由感應(yīng)衰減信號，也寫作FID信號。經(jīng)檢波并濾去射頻以后，觀看到的FID信號是指數(shù)衰減的包絡(luò)線，如圖3-5〔a〕所示。FID信號0Mxy900FID1800脈沖的幅值為零。3-5自由感應(yīng)衰減信號B0不行能確定均勻，樣品中不同位置的核磁矩所處的外場大小有所不FID加，如圖3-5中〔b〕所示，設(shè)T

”FID2由T和T兩者打算，可以用一個稱為表觀橫向弛豫時間T

來等效：2 2 21 1 1 〔3-3〕T* T T”2 2 2假設(shè)磁場域不均勻，則T越小，從而T

也越小，F(xiàn)ID2 2馳豫過程馳豫和射頻誘導(dǎo)激發(fā)是兩個相反的過程，當兩者的作用到達動態(tài)平衡時，試驗上可以觀測到穩(wěn)定的共振訊 號。處在熱平衡狀態(tài)時，體磁化強度MZ方向，記為M0。馳豫因涉及到體磁化強度的縱向重量和橫向重量變化，故分為縱向馳豫和橫向馳豫。-17--17-FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書縱向馳豫又稱為自旋—晶格馳豫。宏觀樣品是由大量小磁矩的自旋系統(tǒng)和它們所依附的晶格能量交給四周環(huán)境，轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц竦臒崮?。自旋核由高能態(tài)無輻射地返回低能態(tài)，能態(tài)粒子數(shù)差n按下式規(guī)律變化nn0

exp(t/T1

) 〔3-4〕n

為時間t0時的能態(tài)粒子差，T0

為粒子數(shù)的差異與體磁化強度M的縱向重量M1 ZMZ

也相應(yīng)增加，故T1

稱為縱向馳豫時間。TT1

的大小主要依靠于樣品核的類型和樣品狀態(tài)，所以對T1

的測定可知樣品核的信息。橫向馳豫又稱為自旋—自旋馳豫。自旋系統(tǒng)內(nèi)部也就是說核自旋與相鄰核自旋之間進展能量交換，不與外界進展能量交換，故此過程體系總能量不變。自旋—自旋馳豫過程，由非平衡進動MM

≠0M

=0表征,所需的特征時間記為T。由于T與體磁化強度的橫向重量M 的馳豫時間有關(guān)，故T也稱橫向馳豫時間。自2 2 2旋—自旋相互作用也是一種磁相互作用，進動相位相關(guān)主要來自于核自旋產(chǎn)生的局部磁場。射頻B，外磁場空間分布不均勻都可看成是局部磁場。1自旋回波法測量橫向弛豫時間T〔9001800脈沖序列方式〕2自旋回波是一種用雙脈沖或多個脈沖來觀看核磁共振信號的方法，它特別適用于測量橫向弛豫時間T，譜線的自然線寬是由自旋-自旋相互作用打算的，但在很多狀況下，由于外磁場不夠2均勻，譜線就變寬了，與這個寬度相對應(yīng)的橫向弛豫時間是前面爭論過的表觀橫向弛豫時間T，2而不是T了，但用自旋回波法仍可以測出橫向弛豫時間T。2 2-18--18-FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書3-6自旋回波信號實際應(yīng)用中，常用兩個或多個射頻脈沖組成脈沖序列，周期性的作用于核磁矩系統(tǒng)。比方在900射頻脈沖作用后，經(jīng)過時間再施加一個1800射頻脈沖，便組成一個9001800脈沖序列，這些脈沖序列的脈寬tp和脈距應(yīng)滿足以下條件：t T,Tp 1 2

, 〔3-5〕T*T,T

〔3-6〕2 1 290018005所示，在900FID1800射頻脈沖后面對應(yīng)于初始時刻的2處可以觀看到一個“回波”信號。這種回波信號是在脈沖序列作用下核自旋系統(tǒng)的運動引起的，所以稱為自旋回波。-19--19-FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書9001800自旋回波矢量圖解

3-7以下用圖3-7來說明自旋回波的產(chǎn)生過程。圖3-7中〔a〕表示體磁化強度M 在900射頻脈0xy3-7〔b〕B不均勻的影0響，樣品中局部磁矩的進動頻率不同，引起磁矩的進動頻率不同，使磁矩相位分散并呈扇形展 M看成是很多重量Mi

之和。從旋轉(zhuǎn)坐標系看來，進動頻率等于0

的重量相對靜”””””””””τ”τ+()()()””””””ττ()()止，大于的重量〔圖中以M代表〕向前轉(zhuǎn)動，小于的重量〔圖中以M為代表〕向后轉(zhuǎn)0 1 0 23-7〔c〕表示1800z軸翻轉(zhuǎn)1800，并連續(xù)它們原來的轉(zhuǎn)動方向運動；圖3-7中〔d〕表示t時刻各磁化強度重量剛好會聚到y(tǒng)軸上；圖3-7中〔e〕表示t2以后，用于磁化強度各矢量連續(xù)轉(zhuǎn)動而又呈扇形開放。因此，在t2處得到3-6FIDFID2時間內(nèi)橫向弛豫作用不能無視，體磁化強度各橫向重量相應(yīng)減小，使得-20--20-FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書自旋回波信號幅值小于FID信號的初始幅值，而且脈距越大則自旋回波幅值越小，并且回波幅值U 與脈距存在以下關(guān)系：UU0

t/Te2e

〔3-7〕式〔3-7〕中t2，U 是900射頻脈沖剛完畢時FID信號的初始幅值，試驗中只要轉(zhuǎn)變脈距，0則回波的峰值就相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，假設(shè)依次增大測出假設(shè)干個相應(yīng)的回波峰值，便得到指數(shù)衰減的包絡(luò)線。對(3-7)式兩邊取對數(shù)，可以得到直線方程lnUlnU 〔3-8〕0 2式中2作為自變量，則直線斜率的倒數(shù)便是T。2反轉(zhuǎn)恢復(fù)法測量縱向馳豫時間T1

〔1800900脈沖序列〕當系統(tǒng)加上1800脈沖時，體磁化強度M從z軸反轉(zhuǎn)至z方向，而由于縱向馳豫效應(yīng)使z軸方向的體磁化強度M 幅值沿z軸方向漸漸縮短，乃至變?yōu)榱?，再沿z軸方向增長直至恢復(fù)平衡z態(tài)M ，M 隨時間變化的規(guī)律是以時間T呈指數(shù)增長，見圖3-8。0 z 2圖3-8M 隨t的變化曲線Z用式表示為M (t)Mz

(12et/T101

) 〔3-9〕為檢測M 瞬時值M (t)，在180°脈沖后，隔一時間t再加上900脈沖，使M 傾倒至x與y構(gòu)成z z z平面上產(chǎn)生一自由衰減信號。這個信號初始幅值必定等于MZ

(t) 。假設(shè)等待時間t比T長得1-21--21-FD-CNMR-IFD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書--22--22-多，樣品將完全恢復(fù)平衡。用另一不同的時間間隔t重復(fù)1800900脈沖序列的試驗，得到另一FIDt3-8。曲線表征體磁化強度M經(jīng)1800脈沖反轉(zhuǎn)后M〔t〕按指數(shù)規(guī)律恢復(fù)平衡態(tài)的過程。以此實測Z曲線可算出縱向馳豫時間T1

〔自旋—晶格馳豫時間〕MZ

(t)0處，由式Tt1 n

/ln21.44tn

得到。脈沖核磁共振的捕獲范圍為了實現(xiàn)核磁共振，連續(xù)核磁共振通常承受“掃場法”或者“掃頻法”，但效率不高，由于這類方法只捕獲到頻率波譜上的一個點。脈沖核磁共振承受時間短而功率大的脈沖，依據(jù)傅里葉變換可知它具備很寬的頻譜。一個無限窄的脈沖對應(yīng)的頻譜是頻率成份全部而且各成份幅度相等。用這樣抱負的脈沖作用于于原子核系統(tǒng)激發(fā)全部成份而得到波譜。而實際工作中使用的是有肯定寬度的方形脈沖，它是由一個射頻振蕩被方形脈沖調(diào)制而成的，用傅里葉變換可得它的頻率譜，其為連續(xù)譜，但各頻率的幅度不一樣，射頻f成份最強，在f兩邊幅度漸漸衰減并有負值消滅，當0 01f 的時候，幅度第一次為零。但只要2T2T 0

足夠小，在f0

旁邊就有足夠?qū)挼恼穹鞠嗟鹊念l譜區(qū)域，這樣就能夠很好的激發(fā)原子核系統(tǒng)。相應(yīng)頻率范圍幅度如下式：I(f)2AT

Sin(T0

2(f－f))0

〔3-10〕0 T2(ff)0 0式中，T0

是矩形脈沖半寬度,U 是射頻脈沖頻率?？梢?，2T0

愈短1 掩蓋的范2T0是連續(xù)核磁共振無法達獲得到的，也是脈沖核磁共振廣泛應(yīng)用的緣由?；瘜W(xué)位移化學(xué)位移是核磁共振應(yīng)用于化學(xué)上的支柱，它起源于電子產(chǎn)生的磁屏蔽。原子和分子中的核B磁場，還0有核四周電子引起的屏蔽作用。電子也是磁性體，它的運動也受到外磁場影響，外磁場引起電子的附加運動，感應(yīng)出磁場，方向與外磁場相反，大小則與外磁場成正比，所以核處實際磁場是B＝B 〔3-11〕核 0 0 0式中，是屏蔽因子，它是個小量，其值103。因此核的化學(xué)環(huán)境不同，屏蔽常數(shù)也就不同，從而引起他們的共振頻率各不同 (1)B 〔3-12〕0 0B而變，這樣標度明顯是不便利的，實際化0學(xué)位移用無量綱的ppm。RS106( )106 〔3-13〕1 R SS〔11〕式中 ， 為參照物和樣品的屏蔽常數(shù)。用表示化學(xué)位移，只取決于樣品與參照物屏R S蔽常數(shù)之差值。BB也是一個不固定的值，那么是無0 0法確定這個偏移量的?；蛘哒f，當主磁場沿著某個主值向左右有展寬時，會使得化學(xué)位移值也向B的展寬〔不均勻度〕超過物質(zhì)的化學(xué)位移時，這種偏移量就是沒有方法0主磁場的均勻性滿足肯定要求?！驹囼炑b置】1〔恒溫箱一個，掌握主機兩臺〕，PC1所示：FD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書3-9脈沖核磁共振試驗裝置【試驗內(nèi)容】儀器連接將射頻放射主機〔表頭標志“磁鐵調(diào)場電源顯示”〕后面板中“信號掌握〔電腦〕”9芯串口座用白色串行口連接線〔留意肯定要用白色串行連接線〕與電腦主機的串口連接；將“調(diào)場電源”用兩芯帶鎖航空連接線與恒溫箱體后部的“調(diào)場電源”連接；將“放大器電源”用五芯帶鎖航空連接線與恒溫箱體后部的“放大器電源”連接；將“射頻信號〔O〕”用帶鎖BNC連接線與恒溫箱體后部的“射頻信號〔I〕”連接；最終插上電源線。將信號接收主機〔表頭標志“磁鐵勻場電源顯示”〕后面板中“恒溫掌握信號”用黑色串行連接線〔留意肯定要用黑色串行連接線，內(nèi)部接線與白色不同〕與恒溫箱體后部的“恒溫掌握信號”連接；將“加熱電源”用四芯帶鎖航空連接線與恒溫箱體后部的“加熱電源〔220V〕”連接；將“前放信號〔I〕”用帶鎖BNC連接線與恒溫箱體后部的“前放信號〔O〕”連接；用BNC轉(zhuǎn)音頻連接線將“共振信號〔接電腦〕”與電腦麥克風(fēng)音頻插座連接，插上電源線。儀器預(yù)熱預(yù)備翻開主機后面板的電源開關(guān)，可以看到恒溫箱體上的溫度顯示磁鐵的當前溫度，一般與當時-24--24-FD-CNMR-IFD-CNMR-I型核磁共振試驗儀使用說明書--27--27-PID36.50攝氏度，這樣在不同的環(huán)境下能夠保證磁場穩(wěn)定。經(jīng)過3-4個小時〔各地季節(jié)變化會導(dǎo)致恒溫時間的不同〕，可以看到磁鐵穩(wěn)定在36.50攝氏度〔36.4436.56攝氏度之間變化，屬正?，F(xiàn)象〕。翻開采集軟件，點擊“連續(xù)采集”按鈕，電腦掌握發(fā)出射頻信號，頻率一般