核磁共振方案设计与实验毕业论文

核磁共振方案设计与实验毕业论文内容摘要：

象及新工艺，使磁场测量仪沿着电子化、数字化和智能化的方向，发展与计算机相结合的多通道、多参量的测量系统。 研究的意义 核磁共振仪器 是综合多学科技术的设备，技术含量非常高，所以仪器价格也比较昂贵，再加上体积庞大，严重限制了其在工业领域应用的推广。 随着计算机以及大规模集成电路技术突飞猛进的发展，谱仪的成本已经大大降低，核磁共振仪器成本主要集中在磁体上。 目前，磁体主要采用永磁体和超导磁体，其中超导系统具有显著的性能优势，但是由于价格昂贵，例如用于成像的进口超导系统一般在 1000 万元左右，并且维护成本也不菲。 这种磁体主要用在高场方面。 而永磁体有较高的性价比，在中低场磁共振方面广泛应用。 特别是随着稀土永磁强磁体应用和推广，核磁共振磁体的成本大大 降低了。 只有低成本的仪器才能得到大众的认可和推广。 因此为了提高国内核磁共振仪的普及度，就必须生产小型化，低成本的仪器。 没有小型化，没有低成本，仪器永远只是实验室的花瓶，很难带来价值。 这也是永磁体被大规模地应用于核磁共振设备的原因。 值得庆幸的是，我国具有丰富的稀土永磁资源。 目前，我国钕铁硼的年产量已达 9000 多吨，占世界总产量的 50%。 国外跨国公司已经首先认识到这一点，纷纷在中国设立子公司，以利用国内资源。 比如在 MRI 领域，根据专家预测，到 2020 年我国的市场规模将达到 1000 亿元，但是目前 国内的 MRI 市场还是被 GE、 SIEMENS、 HITACHI 等跨国公司垄断。 它们提供技术，然后利用沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 5 我国的人力资源、矿产资源生产仪器设备，最后利用我国广阔的市场资源，谋取高额利润。 这必然加重了我国人民的医疗负担，并且遏制了国内相关技术的发展。 为了充分利用这些资源，只是单纯地出口原材料肯定是不行的；通过提高永磁材料的科技含量来提升其附加值，是我们义不容辞的责任；更明智的方法是要利用这些资源，生产仪器设备，充分消化自己的资源。 综上所述，研究和开发小型化低成本核磁共振仪器具有重要意义。 它的科学价值不仅在于 为我国工农业等行业能够买得起核磁共振分析测量仪器打下了坚实的产业基础，而且在于因地制宜，充分利用我国的现有资源，提高人民的生活水平。 鉴于此，本文设计了一套简易便携的核磁共振实验仪器装置。 课题研究的主要任务和预期目标 主要任务及要求 (1) 收集核磁共振方法测量磁场强度的文献资料。 (2) 设计用核磁共振方法测量磁场强度的仪器方案。 (3) 设计实验线路图。 (4) 设计实验线路板图。 (5) 制作线路板及进行试验。 预期目标 (1) 用临界振荡器和测量共振频率。 (2) 采用 CH341 作为 USB 转 UART 芯片连接实验电路和 PC 机。 (3) 用串口调试助手显示测量结果。 (4) 用 STC12C5410AD 作为控制 CPU。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 6 第 2 章 共振原理 与方案论证 原子核的磁性 研究表明，有些原子核具有内秉角动量，即这些原子核自身会不停的转动，习惯上称这种转动为 “自旋”。 其自旋量子数 I 的数值与核内质子数和中子数有关 ： （ 1） 核内质子数和中子数均为偶数时， I=0，原子核无自旋。 （ 2） 核内质子数和中子数均为奇数时， I 为正整数。 （ 3） 核内质子数和中子数一个为奇数一个为偶数时， I 为半 整数。 由于原子核带有电荷，根据电磁学知识，转动的带电粒子具有角动量和磁矩。 根据量子力学原理，原子核的角动量 P 的长度取值如下： 2 )1(  IIhp （ 21） 其中， h 是 Plank 常数 sJ   ； I 是自旋量子数， 每种原子核具有不同的自旋量子数。 只有带有自旋量子数的原子核才能产生自旋。 这些原子核包括所有含奇 数个质量数 （如 OCH 17813611 , ）以及质量数为奇数而原子序数为偶数（如 BNH 10514721 , ）的原子核。 我们知道原子核由质子和中子组成，中子不带电，质子带正电，因此，整个原子核带正电。 根据电磁学理论，原子核的自旋将产生磁场，磁场大小用原子核磁矩 u 来表示。 原子核所带的正电荷，均匀分布在核表面，自旋量子数 0I的核自旋，正电荷也 绕旋转轴旋转，产生循环电流，进而产生一个小磁场， 用磁矩  表示。  的方向垂直于循环电流平面，与自旋角动量 P 重合， 原子核的核磁矩  正比于其角动量 P ： hIP    （ 22） 其中， 2/hh ， sJh /106 2 6 34 ，为普朗克常数， 旋磁比 是表征原子核特征的常量，单位 ( sTrad / ),可正可负。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 7 原子核在磁场中的行为 自旋的原子核具有磁矩，因此在原子核周围产生磁场，我们可以把核磁矩理解为一根小磁针。 当没有外加磁场时， 核磁矩的取向是任意的。 当核磁矩处于外加磁场中时，在磁场力作用下，取向趋于与外磁场平行。 但是最终 u 不会 完全平行于外磁场，而是与外磁场成一定角度。 从而会像倾倒的陀螺绕重力场进动一样，绕外加磁场的方向转动，这 种转动称为拉莫尔（ Larmor）进动。 如图 21 所示。 图 21 拉莫尔进动示意图 恒定磁场 0B 的作用，使原本简并的核能级发生塞曼 ()分裂，分裂为 12I 个能级，用磁量子数 m表示，即 Im ， 1I ， 2I ，„„， I。 相邻能级间能量差为 ： 0hBE  （ 23） 而核自旋态在各能级上的分布服从玻尔兹曼 (Boltzlnann)分布，低能态的核数目比高能态微弱过剩。 以 H1 为例，在室温下，每百万个低能级上的核比高能级上的核大约只多出 7 个，也就是说，在低能级上参与核磁共振吸收的每一百万个核中只有 7 个核的共振吸收信号未被共振辐射所抵消，所以 NMR 信号非常微弱，需要高质量的检测器。 沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 8 对于， H1 ， 2/1I ，无外磁场 0B 作用时，能级简并，磁性相互抵消，加上外磁场场 0B 时，  在磁场中有两个取向 (两个能级 )，如图 22 所示。 图 22 2/1I 粒子磁矩在磁场中的取向和能级 （ 1） 磁量子数 2/1m ，  与外磁场 0B 同 向，低能态。 （ 2） 磁量子数 2/1m ，  与外磁场 0B 反向，高能态。 核磁共振现象和共振条件 在垂直于恒定磁场 0B 的方向加一个射频场 1B 了，若射频场的能量 0h 正好等于原子核相邻能级间能量差 E ，则处于低能态的核吸收 射频场能量，发生跃迁，这就是核磁共振现象。 发生核磁共振的条件为 0hBh   （ 24） 即 000 2 B  （ 25） 其中， 0 、 0 分别为射频场的角频率、频率，上述公式又称为拉莫尔进动公式。 在原子核由低能态跃迁到高能态的同时，高能态的核通过自旋一晶格驰豫和自旋一自旋驰豫向周围环境转移能量，回到低能态。 正常条件下，只要保持沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 9 射频功率足够小，处于 高能态的核及时回到低能态，整个核体系仍服从玻尔兹曼分布，不会出现饱和现象。 真空或空气中的磁感应强度 0B 和磁场强度 0H 具有简单的线性关系 : 000 HB  （ 26） 式中 0 是真空磁导率，为常数， 0B 和 0H 可以等效地描述磁场的特征，但磁感应强度 B 较磁场强度 H 更为基本，本设计采用磁感应强度 B 表征磁场。 在国 际单位制 (51)中 ， mH /104 70   （ 27） 影响核磁共振信号的因素 温度 温度 T 越高，两个能级间粒子差数越小，对观察 NMR 信号越不利，外磁场0B 越强，越有利于观察 NMR 信号。 外 磁场均匀性 如果外磁场 0B 不均匀，则样品内各部分的能量差不同，对于某个频率的电磁波，只有部分原子核参与核磁共振，共振信号微弱，且容易被噪声淹没。 因此，在样品范围内的磁场应高度均匀，否则很可能观察不到 NMR 信号。 方案论证 检测共振信号的方法 连续波检测核磁共振信号的可行方法有吸收法、感应法和平衡法三种。 （ 1） 吸收法，也称自差法或负载法。 射频发射和吸收共用一个线圈，把样品放到探头的线圈中，再把探头放入 待测磁场 B。 中。 当没有发生核磁共振时，射频振荡器输出具有一定电平的高频振荡信号，振荡频率与电平决定于振荡器沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 10 回路的参数。 当满足共振条件时，样品的磁化强度 M 在射频场 B，作用下进动，出现横向分量，横向分量的吸收分量改变了振荡器的输出电平，提取输出电平的变化量，即可获得 NMR 吸收信号。 可利用边缘振荡器实现，其探头线圈垂直于待测磁场，能产生与磁感应强度相应的射频振荡频率，振荡信号的产生以及共振信号的获取均通过边缘振荡器实现，通过调节振荡器频率实现共振信号的搜索和跟踪。 （ 2） 感应法，也称交叉线圈法或布洛赫法。 使用两个 线圈，把发射线圈加到 x 轴上，接收线圈加到 y 轴，静磁场 B。 沿 Z 轴方向，发射线圈用于把射频场能量加到样品上，而接收线圈用来接收 NMR 信号，基本结构如图 23 所示。 图 23 感应法基本结构 平衡状态时，核磁矩围绕 z 轴进动，由于各个核磁矩的进动相位均匀分布，宏观磁化强度 M 沿着 z 轴方向，这时在 y 轴的接收线圈中无信号。 在 x 轴上的发射线圈中加一个线偏振的射频场 tB cos2 1 ， 它可以分解为两个速度相同而运动方向相反的旋转磁场，这两个旋转磁场在 y 方向上的投影大小相等而方向相反，从而相互抵消，射频场在 y 方向上的分量为零。 因此，如果发射线圈与接收线圈严格垂直，射频场能量不会进入接收线圈。 如果所加的射频场频率  与共振频率 0 不同，则接收线圈中无信号。 当射频场频率满足共振条件 (即 0 )时，低能级上的原子核吸收射频场能量而跃迁到高能级，从而 破坏了原子核自旋系统的平衡分布。 宏观磁化强度 M 在射频磁场 1B 的作用下进动，离开平衡位置，出现了横向分量。 在 xyz 系统中，宏观磁化强度 M 的横向分量在 xy 平面上围绕 z 轴旋转的，旋转速度等于核磁矩进动速度 0 ，相当于有一个交变的磁通，在接收线圈中感应出一个频率为 0 的交变电沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 11 流，因此接收线圈两端产生频率为 0 的电动势。 把感应电动势放大、检波，得到所需 的 NMR 信号，其幅度与磁化强度的横向分量成正比。 设计中可使用单片机控制 DDS 芯片产生扫频信号，送到与待测磁场垂直的射频振荡线圈，通过更改 DDS 的频率控制字实现共振信号的搜索和跟踪。 接收线圈与振荡器线圈垂直，并与、待测磁场垂直。 探头中有射频振荡线圈、射频接收线圈，样品管插于探头内，需要处理好发射线圈与接收线圈的工作时间和位置关系，避免射频脉冲信号混入 NMR 信号中，干扰测量工作。 （ 3） 平衡法，也称电桥法。 使用一个高频电桥，如安德森 (Anderson)电桥，输入端接射频振荡器，输出端连接收机，样品线圈放到静磁 场中，基本结构如图 24 所示。 图 24 平衡法基本结构 当没有发生核磁共振时，把电桥调到完全平衡，输出电压为零。 当所加的射频频率满足共振条件 (即 0 )时，宏观磁化强度在射频场 1B 的作用下进动，离开平衡位置，出现了横向分量，从而改变了线圈的参数，其中吸收分量改变了线圈的品质因数 Q，而色散分量改变了回路的固有的谐振频率。 因此破坏了电桥的平衡，电桥的输出端出现一个正比于 NMR 信号的电压变化。 当电桥幅度平衡，而相位平衡受到破 坏时，输出电压与色散磁化率成正比。 当电桥的相位平衡，而幅度平衡受到破坏时，输出电压与吸收磁化率成正比。 据此，通过调节电桥的平衡来观测 NMR 信号。 理论分析可知，核磁共振吸收法装置实现方便，可靠性好，线路比较简单，噪声系数较小，对 NMR 信号敏感，由于边缘振荡器的振荡强度弱，样品不易饱和，缺点是振荡频率的稳定性较差，频率范围不太宽。 感应法工作稳定度高，噪音低，射频场频率范围宽，但漏电流相位不易调整，且把两个交叉线圈调成严格垂直存在难度，如果调整不好会影响接收 NMR 信号。 平衡法的优点是射频场沈阳工业大学本科生毕业设计（论文） 12 频率稳定性好，强度比较 容易改变，噪音低，缺点是频率调谐范围不够宽，温度变化和机械振动容易使电桥失去平衡，影响 NMR 信号的接收。 试验证明，以上方法均可观察到 NMR 信号。