低场核磁共振分析测试与应用技术研究
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摘 要
核磁共振(
Nuclear
Magnetic
Resonance
)是一种物理现象，自 1946 年被发现
至今已有 60 多年的历史。随着磁体技术、电子技术以及计算机技术的飞速进步，
核磁共振技术更是得到了空前的发展，核磁共振波谱学和核磁共振成像就是核磁
共振技术的两个重要分支，并且其理论技术已非常成熟。
低场核磁共振分析测试技术是近些年来核磁共振技术探索的又一个极具潜力
的新方向。作为一种物质分析测试手段，它放弃了波谱学中对物质化学位移的测
定，而把分析测试目标放在通过各种脉冲序列测量信号弛豫这一概念上。目前，
低场核磁共振测试技术已经被广泛的应用于石油、化工、食品工业等领域，随着
这一新兴技术应用领域的不断开拓，人们对它更优秀的表现充满信心与期待。
本文主要是对低场脉冲核磁共振分析测试工作进行研究，其重点内容分为以
下两点：
1) 从理论上，对低场核磁共振分析测试过程中的各种影响因素进行分析并提
出相应的优化方案；影响因素的来源包括硬件和软件两方面，硬件部分涉及到磁
体和射频线圈这两大内容；软件方面主要是对测试过程中各个实验参数的设置上
做了详细的分析讨论。
2) 从实际应用上，选取了两个典型实验：基于
FID
信号幅值测定茶叶含水量
和基于弛豫时间的差异测定木材纤维饱和点。结合前述影响因素分析进行具体操
作，与传统方法进行对比，并对实验结果进行了详细的讨论。
关键词：低场核磁共振 影响因素分析 优化方案 应用测试
ABSTRACT
NMR (Nuclear Magnetic Resonance) is one kind of physical phenomenon which
has been discovered 60 years ago, at 1946. NMR has been developed unprecedentedly
with the rapidly improvement of magnet, electronic and computer science technologies.
As two important branches of NMR, theories of NMR Spectroscopy and NMR Imaging
are very mature.
Low Field NMR Analysis and Test Technology is another extremely potential new
branch of NMR in recent years. As an analysis and testing method of materials, it
analyzes testing target by relaxation of pulse sequence measurement signal instead of
traditional way which by testing chemical shift of materials in spectroscopy field. At
this moment, Low Field NMR Technology has been broadly utilized at Oil, Chemic and
Food Industry, etc. People have confident expectation for its better performance along
with the continuously extension of this new technology field on practical applications.
In this article, analysis and test of Low Field NMR has been researched. The
followings are two key points:
1) Theoretically, analysis of all factors all through the analysis and test progress of Low
Field NMR and optimization program have been proposed. Sources of the factors
contain two parts, hardware and software. Magnet and RF coil are related to the
hardware part. Detailed analysis and discussions have been done for set up of every
experimental parameter all through the testing progress at software part.
2) Practically, two typical experiments have been selected: water content determination
of tea based on FID signal amplitude and fiber saturation point determination of wood
based on difference of relaxation time. Actual experiments have been operated as to the
analysis of factors mentioned previously and compared with traditional methods.
Detailed discussions have been done based on the experiment results.
Key Words: Low Field Nuclear Magnetic Resonance, Factors Analysis,
Optimization Program, Application Test.
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ......................................................... 1
§1.1 核磁共振概述 ............................................... 1
§1.2 低场脉冲核磁共振系统的组成 ................................. 1
§1.3 低场脉冲核磁共振分析测试技术的研究意义 ..................... 2
§1.4 低场脉冲核磁共振分析测试技术的国内外研究现状 ............... 3
§1.5 论文的主要研究工作 ......................................... 4
第二章 核磁共振的理论基础 ............................................ 6
§2.1 核磁共振信号的产生 ......................................... 6
§2.1.1 原子核的磁性 .......................................... 6
§2.1.2 自旋核在静磁场中的表现 ................................ 7
§2.1.3 核磁共振的量子力学与经典力学描述 ...................... 9
§2.2 核磁共振信号的检测 ........................................ 11
§2.2.1 核自旋系统的宏观磁化强度矢量 ......................... 11
§2.2.2 宏观磁化强度矢量在射频场中的运动 ..................... 12
§2.2.3 弛豫及自由感应衰减信号的检测 ......................... 13
第三章 低场核磁共振分析测试的方法 ................................... 16
§3.1
FID
信号的测定 ............................................ 16
§3.2 纵向弛豫时间
1
T
的测定 ...................................... 17
§3.3 横向弛豫时间
2
T
的测定 .....................................18
第四章 低场核磁共振分析测试技术的影响因素及优化方案 ................. 20
§4.1 硬件的影响因素分析及优化方案 .............................. 20
§4.1.1 磁体部分 ............................................. 20
§4.1.2 射频线圈 ............................................. 23
§4.2 软件的影响因素分析及优化方案 .............................. 30
§4.2.1 中心频率 ............................................. 30
§4.2.2 射频脉冲宽度 ......................................... 31
§4.2.3 死时间 ............................................... 32
§4.2.4 重复时间
TR
值 ........................................ 32
§4.2.5 累加次数
NS
值 ........................................32
§4.2.6
IR
序列中
TI
值 ........................................33
§4.2.7
CPMG
序列中半回波
值 ............................... 33
§4.2.8 采样 ................................................. 34
§4.2.9 增益 ................................................. 34
第五章 低场核磁共振的几个典型应用技术研究 ........................... 35
§5.1 基于
FID
信号幅值测定茶叶含水量实验 ........................ 35
§5.1.1 实验原理 ............................................. 35
§5.1.2 材料与仪器 ........................................... 35
§5.1.3 实验方法 ............................................. 36
§5.1.4 结果与分析 ........................................... 37
§5.1.5 实验结论 ............................................. 40
§5.2 基于弛豫时间差异测定木材纤维饱和点实验 .................... 40
§5.2.1 实验原理 ............................................. 40
§5.2.2 材料与仪器 ........................................... 41
§5.2.3 实验方法 ............................................. 41
§5.2.4 结果与分析 ........................................... 42
§5.2.5 实验结论 ............................................. 46
第六章 总 结 ........................................................ 47
参考文献 ............................................................ 49
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 52
致 谢 .............................................................. 53
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 核磁共振概述
核磁共振(
NMR
)是一种物质磁性与外加磁场相互作用的核物理现象，即自旋
不为零的磁性核体系在外磁场的作用下产生能级分裂，此时施加一定频率的电磁
波，会使得处于不同能级的核子产生共振跃迁[1]。
1946 年，美国斯坦福大学的
Bloch
和哈佛大学的
Purcell
等在同时期通过不同
的方法分别独立观测到核磁共振吸收现象，并双双获得了诺贝尔物理学奖[1]。核磁
共振最初被用于精确测定各种原子核的磁矩、自旋等，然而 60 多年来，随着电磁
场技术、电子技术和计算机技术的不断进步，核磁共振这种新兴的技术得到了蓬
勃的发展。核磁共振
)(NMR
作为一种研究物质内部结构以及分子间相互作用的强
有力的手段，已经广泛的被用于人类生活的各个领域，包括医疗、生物、化学、
工业以及食品等等。
§1.2 低场脉冲核磁共振系统的组成
核磁共振按照静磁场强度可分为：低场、中场和高场；按照磁体分类又可以
分为永磁型、常导型和超导型[2]。目前得以广泛发展的主要集中于低场核磁共振和
高场核磁共振。高场核磁共振技术主要是采用超导磁体，其优质的性能参数可用
于实现高质量医用图像以及研究高分子物质的化学结构和成分，高场核磁共振技
术目前的理论以及技术手段都已经比较成熟；低场核磁共振主要是采用永磁体，
它与高场核磁共振相比较起来，其最大的优势在于价格低廉、维护方便。用于测
试分析的小型低场核磁共振系统，由于其技术上难度较高，是在近些年才开始慢
慢发展起来并实用化。它主要是针对
H
1
1
核的低场脉冲核磁共振，目前逐渐广泛应
用于石油、食品等领域，并显示出其独特的技术优势。
小型低场核磁共振的系统组成跟普通核磁共振相差无几，它也同样包括：磁
体系统、射频系统、梯度系统、谱仪系统和计算机系统[1]，如图 1-1，其工作原理
为：
1) 直接数字频率合成源(
DDS
)在计算机脉冲序列的控制下，产生满足共振条
件的特定频率的射频信号；射频信号经过波形调制得出具有一定形状的射频信号，
然后进入射频功放系统进行功率放大，变成强而短的射频功率脉冲，再经射频线
低场核磁共振分析测试与应用技术研究
2
圈发射激发样品，从而产生核磁共振。
2)信号采集期间，根据电磁感应原理，射频线圈将感应到
FID
信号首先经过
前置放大器进行放大，然后在二级放大板中与
DDS
产生的等幅射频信号进行混频
放大后，最后经过模数转换器
ADC
进行数据采集和模数转换，送入计算机进行相
应处理便可得到核磁共振信号的曲线[3]。
图1-1 低场脉冲核磁共振系统图
§1.3 低场脉冲核磁共振分析测试技术的研究意义
核磁共振是一种能够探测到物质内部而同时不用破坏被测对象的高新技术，
从应用层面来看，它有两个重要分支：核磁共振波谱学和核磁共振成像学。核磁
共振波谱学主要是用于测量高分子的化学结构和成分，其主要应用范围包括药物
化学、化学工业、材料等领域[4]；核磁共振成像学则是用于对物体内部物质的成像，
其中最为人们熟知的即是它在医学领域的应用。
一直以来无论是核磁共振波谱技术还是成像技术都是以高场作为追求，而随
着科学的不断发展，继高场波谱技术、医用成像技术之后，低场脉冲成为核磁共
振的又一个发展趋势[5]。小型低场脉冲核磁共振分析仪器的面世，使得核磁共振应
用已经从面向科学研究、高档医疗诊断等层面逐步扩展到工农业生产、食品质量
检测以及石油天然气的地下勘探等，见表 1-1。
摘要：
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摘要核磁共振(NuclearMagneticResonance)是一种物理现象，自1946年被发现至今已有60多年的历史。随着磁体技术、电子技术以及计算机技术的飞速进步，核磁共振技术更是得到了空前的发展，核磁共振波谱学和核磁共振成像就是核磁共振技术的两个重要分支，并且其理论技术已非常成熟。低场核磁共振分析测试技术是近些年来核磁共振技术探索的又一个极具潜力的新方向。作为一种物质分析测试手段，它放弃了波谱学中对物质化学位移的测定，而把分析测试目标放在通过各种脉冲序列测量信号弛豫这一概念上。目前，低场核磁共振测试技术已经被广泛的应用于石油、化工、食品工业等领域，随着这一新兴技术应用领域的不断开拓，人...
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作者：牛悦
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：55 页
大小：1.33MB
格式：PDF
时间：2024-11-19
