核磁共振成像技术的实验艺术

 2003年生理学或医学诺贝尔奖授予美、英科学家,以奖励他们在核磁共振成像技术方面的贡献。核磁共振技术自1946年,美国哈佛大学的珀塞尔(E.M.Purcell)和斯坦福大学的布洛赫(F.Bloch)宣布,他们发现了核磁共振NMR(nuclearmagneticresonance)(为此,他们二人一起获得1952年度诺贝尔物理学奖)。至今,核磁共振理论已经成为一种探索、研究物质的微观结构和性质的分析手段。     

谈谈核磁共振及其发展近况

1946年,美国的布洛赫(F·Bloch)小组和珀塞尔(E·M·Purcell)小组分别独立地观测到物质一般状态下的核磁共振现象,到现在只过了短短的三十几年.在这三十多年中,核磁共振研究获得了惊人的进展.在它刚被发现时,只作为物理学家精确测定原子核磁矩的一种方法.到五十年代末,建立了完备的化学位移和核自旋-自旋分裂的理论,使它开始在化学领域尤其是有机化学中得到广泛的应用.现在,几乎没有一家化学研究单位和大的化工厂不配备核磁共振谱仪的.1966年,高分辨脉冲傅里叶变换式核磁共振谱仪问世了,使核磁共振技术又完成了一个飞跃.此后,有人却说,核…     

核磁测井

 1946年,珀塞尔(E.M.Purcell)和布洛赫(F.Bloch)在几乎相同的时间内,用不同的方法各自独立地发现了在物质的一般状态中的核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance)现象。所谓核磁共振,就是处在某静磁场中的物质的原子核系统受到相应频率的电磁波作用时,在它的磁能级之间发生的共振跃迁现象。     

核磁共振的发现(下)

三、核感应的发现 “看来会令人 感到惊奇,十分不 同的考虑同时导 致我们同样的发 现……”布洛赫的 话[11]很值得我们 深思.的确,布洛赫 等对核磁共振的研 究是独树一帜的, 他们的胜利道路也 特别饶有风趣. 布洛赫[12], 1905年出生于瑞 士,正当量子力学 创立的年代,他在 苏黎世的工业大学 就读,后来到德国 莱比锡大学跟海森 堡(W.K.Heisen-berg)继续研究,并于1928年获得博士学位.1934年到斯坦福大学任教后,对斯特恩1933年的实验结果很感兴趣,想为中子磁矩的存在提供一个直接的证明.1936年他指出,这样一个证明可观测慢中子在铁中的散射来…     

有三个研究组观察到了氯化亚铜的磁性反常

国际上有三个研究小组报导,在几千巴的压力下,温度为150K左右,氯化亚铜(CuCl)呈现了较大的抗磁性.同时其电导率增加几个数量级.这种现象又使人们想起是否是高临界温度超导电性?(到目前为止,临界温度最高的超导体是A15结构的Nb3Ge,其Tc为23.2K)尽管在实验上并没有给出肯定的结论,但是也引起了很多固体物理学者的注意. 苏联的一个小组发现的抗磁性最大,大约为总量的90%,人们可以期望是否整个体积的样品变成超导的?苏联的小组推断[1],他们已经观察到了超导的迈斯纳效应,或者说是磁通被排除这一超导特性.但是没有看到理想的抗磁性和无限大的…     

核磁共振原理及其应用

 1946年以美国物理学家布洛赫(F.Bloch)和普舍尔(E.M.Purcell)为首的两个小组几乎在同一时间,用不同的方法各自独立地发现了物质的核磁共振(NMR)现象,后来两人合作制造了世界上第一台核磁共振谱仪。1952年他们二人因此获得了诺贝尔物理奖。所谓核磁共振是根据处在某个静磁场中的物质原子核系统受到相应频率的电磁波作用时,在它们的磁能级间产生共振跃迁的原理而采取的一种新技术。核磁共振技术自创始以来经过了60年代连续波谱仪的大发展时代,以及70年代的脉冲傅里叶变换核磁共振和核磁双共振时代,近年来发展的多核NMR,多脉冲NMR,二维NMR和固体NMR在理论和实践上都取得了迅速发展。     

基于高温超导SQUID的低场核磁共振研究

采用一高温超导射频量子干涉器(HTS rf-SQUID)作为信号探测器件,研究了多种液体样品的低场核磁共振信号。通过改变测量场(简称Bm)的大小,可以探测到质子拉莫频率(简称fL)从2Hz到40kHz的信号。由于在低场核磁共振中,Bm的均匀性能很好的得到满足,因而可能得到很窄的谱线宽度。实验发现,对自来水样品,在7μT以下均可接近谱线的自然宽度。同时,在低场核磁共振条件下,样品的化学位移很小以至于消失,因而可以研究"纯"的异核间的自旋耦合谱。作者研究了低场下2,2,2-三氟乙醇的低场自旋耦合谱。另外,作者首次采用SQUID在户外探测到地球磁场下的核磁共振现象,并研究了地球磁场的涨落对测量的影响,为SQUID的低场核磁共振研究开辟了一个新的研究方向。     

利用高温超导直流量子干涉器件进行10-6 T量级磁场下核磁共振的研究

研究了水样品在10-6 T量级磁场下的核磁共振谱.核磁共振信号由一个工作在液氮温度的高温超导直流量子干涉仪记录,测量在一个简易磁屏蔽室中进行.在7-70 μT的磁场范围内都观察到了15 ml水样品的核磁共振信号.相应的1 H的核磁共振频率为300-3000 Hz.在实验中获取的单次测量信噪比约为4,通过对信号的100次平均,信噪比可达到约40.进一步讨论了剩余磁场、预极化时间和采样时间对结果的影响.最后用数字滤波之后平均的方法初步得到了时域的自由感应衰减信号.     

珀塞尔对核磁共振的发现和早期研究

简述了珀塞尔的生平,回顾了他对凝聚物质中核磁共振的发现和早期研究中的创新经历,论述了抓住机遇善于学习,巧妙运用逆向思维,大胆尝试等使他成功的因素.     

利用高温超导直流量子干涉器件进行10$lt;sup$gt;-6$lt;/sup$gt; T量级磁场下核磁共振的研究

研究了水样品在10^-6 T量级磁场下的核磁共振谱.核磁共振信号由一个工作在液氮温度的高温超导直流量子干涉仪记录,测量在一个简易磁屏蔽室中进行.在7—70 μT的磁场范围内都观察到了15 ml水样品的核磁共振信号.相应的^1H的核磁共振频率为300—3000 Hz.在实验中获取的单次测量信噪比约为4,通过对信号的100次平均,信噪比可达到约40.进一步讨论了剩余磁场、预极化时间和采样时间对结果的影响.最后用数字滤波之后平均的方法初步得到了时域的自由感应衰减信号. 关键词： 超导量子干涉仪 核磁共振     

一种新的成象技术——穆斯堡尔成象

穆斯堡尔成象技术是1987 年由美国国家标准局S.J.Norton首先提出的[1].它与X射线成象(又称为CT断层成象)、核磁共振成象(NMR)一样能给出立体图象,虽然现在还不能在医学中应用,但在材料科学研究方面却已显示出广泛的应用前景. 在介绍穆斯堡尔成象之前,先介绍一下NMR成象.由于穆斯堡尔成象与NMR成象都依赖于原子核共振效应,因此它们具有许多相同的特征.NMR成象的原理是:由于原子核共振频率正比于局域磁场强度,因此,当施加一个外磁场于自旋体系时,不同频率的信号对应于实验样品内不同的空间位置.用这种方法可以将不同频率的信号转变为…     

光子回波及其应用

五十年代人们在微波波段观察到了自旋回波[1].1960年相干光源——激光器的问世激发 了人们在光频区探寻回波现象的积极性.1962年美国哥仑比亚大学辐射实验室S·R.Hart-mann 的研究小组正式提出了在光频区观察回波的具体设想.经过两年多的努力,该小组终于在1964年首先在晶体中观察到了光子回波[2].当时红宝石激光器是唯一可以选用的可见区强脉冲激光器,所以第一次观察到的是红宝石晶体中波长为6943A的光子回波.这一实验直接显示了光学相干效应,所以受到了人们的关注.1968年 C.K.N.Patel[3]等人用CO2激光在SF6中观察到了光子回波.1976年…     

样品弛豫时间对核磁共振信号的影响研究

研究了不同浓度CuSiO4水溶液样品的核磁共振信号的特点,讨论了在特定的磁场扫场周期下,样品横向弛豫时间对共振信号的影响.发现当样品的横向弛豫时间远远大于扫场周期时,微观磁矩的退相是造成核磁共振信号衰减的主要因素,此时在共振点前后都会形成周期性的振荡信号.     

核磁共振新技术简介

前 言 1946年E.M.Purcell等人[1]用吸收法,F.Bloch等人[2]用感应法,各自独立地观察到了物质一般伏态中的核磁共振(Nuclear magneticresomance——NMR)现象.所谓核磁共振,就是在电磁波的作用下,原子核在外磁场中的磁能级之间共振跃迁现象.核磁共振条件是 ω=γH0或者hv=gNμNH0,式中,ω=2πv是电磁波的角频率;v为电磁波的频率;H0为外加静磁场强度;γ为回磁比(或称磁旋比);h为普朗克常数;gN为核的g因子;μN为核磁子. 核磁共振信号有许多特性,例如谱线的宽度、形状、谱线包围的面积以及在频率或磁场刻度上的准确位置、谱线的精细结构以…     

铁电测量中的亚微观信号

在铁电基本测量中,通常用积分信号来研究样品庄电场作用下的极化[1]或温度变化时的热释电荷[2].然而从微分信号可以得到更多的关于极化机理的信息[3].微分信号反映了电畴运动的亚微观过程.在铁电晶体中,热运动以结构粒子或以晶胞为单位计算,而畴运动则以整个畴的体积为单位计算.后者比前者大很多,因此畴运动的起伏对宏观测量的影响要比热噪声大三、四个数量级以上.将测量系统设计到其灵敏度不足以分辨热噪声,但能保留畴运动的亚微观信号,这对积分信号来说完全不可能;然而对于微分信号则很容易做到. 用50Hz交变电场观察BaTiO3多畴单晶体的…     

岩石样品表面流体的核磁共振谱线

已经知道,磁化率对核磁共振(NMR)化学位移的测量有明显影响^[1,2],而且,磁化率效应与样品管的形状及取向(即与静磁场的夹角)等因素有关^[3-7].为了测准样品的化学位移,有多种方法可以消除磁化率的影响。样品形状引起的非均匀磁化会限制核磁共振成像的空间分辨率^[8,9].近来又发展了克服磁化率影响的非畸变成像方法^[10].但是,磁化率引起的多孔固体样品孔隙中和外壁上流体的核磁共振诸线的差异却尚未看到文献报道。本文首次报道岩石样品核磁共振实验中观测到的岩样外表流体产生的谱线,初步讨论了它们与岩石渗流性质的关系。     

高能原子核碎片的异常现象

近两年来,有三个原子核乳胶实验观察到高能原子核碎片的异常现象[1-3].其中一个是由两个小组合作利用Bevalac(伯克利加州大学高能重粒子加速器)进行的.加拿大国家实验室的小组是用每核子2.1GeV的16O照射乳胶,加州大学小组是用每核子1.88GeV的56Fe照射乳胶.他们对于入射粒子和乳胶中原子核作用所产生的碎片的1460个次级作用进行分析,发现6%的碎片在乳胶中的平均自由程大约只有2.5cm,和同样电荷的正常原子核相比要小一个数量级.可是从这一长度来估计这种碎片的寿命,至少也应是10-11s.小的平均自由程表明截面异常大,如果这是由于原子核碎片…     

核磁共振在测量磁场中的应用

一、核磁共振测量磁场的原理 在磁场的精密测量中,核磁共振法是一种精度最高、量程最宽、探头不大的好方法[1].它是以核磁共振理论与实验技术做为基础[2-4].核磁共振条件为 f=(γ/2π)H0(1)对于某种特定的原子核来说,γ是一个常数.因此,核磁共振频率f与静磁场强度H0是成正比的线性关系.只要测出f的数值,即可得出H0的数值,这样可以把对磁场强度的测量转变为对电磁波频率的测量,从而提高了测量精度. 目前核磁共振测磁法中常用的原子核是氢(H1),锂(Li7),氖(H2).根据它们的γ值[5]得出H0与f的关系为 H0(氢)=0.23487(G/kHz)f(kHz), H0(锂)=0…     

核磁共振实验的计算机辅助教学

基于核磁共振的经典理论——Bloch方程,运用Matlab程序对核磁共振实验的各个环节(观察核磁共振信号、自由衰减信号、自旋回波信号等)进行了可视化模拟,帮助学生认识和理解核磁共振,辅助实验教学.     

静电场和压电振荡对α-碘酸锂等晶体中子衍射强度的影响

用中子衍射进行晶体结构的研究,是一个与常规的x射线结构分析方法各具特点、相辅相成的学科要[1].在通常情况下,被研究的晶体样品是处在自然状况下(室温,不加其他物理条件)的,但也有人作过晶体在特殊情况下(低温、高温、高压、磁场……等)的结构分析,目的是探索在这些特殊条件下晶体内部的变化规律.1960年间,在中国科学院原子能研究所自制的中子晶体谱仪上,曾试用过处在压电振荡(即超声振荡)下的石英单晶进行中子衍射,发现衍射中子束的强度可以由于晶体的振荡而成倍增长[2].这一现象在 1966年以后国外也有工作报导[3,4],1973年后,我们继续开…