核 磁 共 振 實 驗 儀

核磁共振實驗儀使用說明書概述磁矩是由許多原子核所具有的內部角動量或自旋引起的，自1940年以來研究磁矩的技術已得到了發(fā)展。物理學家正在從事的核理論的基礎研究為這一工作奠定了基礎。1933年，G?0?斯特恩（Stern）和I?艾斯特曼（Estermann）對核粒子的磁矩進行了第一次粗略測定。美國哥倫比亞的I?I?拉比（Rabi生于1898年）的實驗室在這個領域的研究中獲得了進展。這些研究對核理論的發(fā)展起了很大的作用。當受到強磁場加速的原子束加以一個已知頻率的弱振蕩磁場時原子核就要吸收某些頻率的能量，同時躍遷到較高的磁場亞層中。通過測定原子束在頻率逐漸變化的磁場中的強度，就可測定原子核吸收頻率的大小。這種技術起初被用于氣體物質，后來通過斯坦福的F.W絡赫（Bloch生于1905年）和哈佛大學的E?M?珀塞爾（Puccell生于1912年）的工作擴大應用到液體和固體。布絡赫小組第一次測定了水中質子的共振吸收，而珀塞爾小組第一次測定了固態(tài)鏈烷烴中質子的共振吸收，兩人因此獲得了1952年的諾貝爾物理學獎。自從1946年進行這些研究以來，由于核磁共振的方法和技術可以深入物質內部而不破壞樣品，并且具有迅速、準確、分辨率高等優(yōu)點，所以得到迅速發(fā)展和廣泛應用，現(xiàn)今已從物理學滲透到化學、生物、地質、醫(yī)療以及材料等學科，在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用。我公司生產(chǎn)的FD-CNMR-I型核磁共振實驗儀由邊限振蕩器、磁場掃描電源、磁鐵以及外購頻率計、示波器等組成，它具有調節(jié)方便、信噪比高、教學效果直觀等特點。是大專院校優(yōu)良的近代物理實驗教學儀器。原理對于處于恒定外磁場中的原子核，如果同時再在與恒定外磁場垂直的方向上加一交變電磁場，就有可能引起原子核在子能級間的躍遷，躍遷的選擇定則是，磁量子數(shù)m的改變?yōu)锳m=±1，也即只有在相鄰的兩子能級間的躍遷才是允許的。這樣，當交變電磁場的頻率v0所相應的能量hv0剛好等于原子核兩相鄰子能級的能量差時，即hv0=gp氣=y-B0 （1）時，處于低子能級的原子核就可以從交變電磁場吸收能量而躍遷到高子能級。這就是前面提到的，原子核系統(tǒng)在恒定和交變磁場同時作用下，并且滿足一定條件時所發(fā)生的共振吸收現(xiàn)象一一核磁共振現(xiàn)象。由式（1）可以得到發(fā)生核磁共振的條件是V八 （2）o2兀滿足式（2）的頻率V0稱為共振頻率。如果用圓頻率①°=2兀V°表示，則共振條件可以表示為①o="B0 （3）由式（3）可知，對固定的原子核，旋磁比Y一定，調節(jié)共振頻率V°和恒定磁場B°兩者或者固定其一調節(jié)另一個就可以滿足共振條件，從而觀察核磁共振現(xiàn)象。我公司生產(chǎn)的FD-CNMR-I型核磁共振實驗儀采用永磁鐵，B0是定值，所以對不同的樣品，調節(jié)射頻場的頻率使之達到共振頻率V，滿足共振條件，核即從低能態(tài)躍遷至高能態(tài)，同時吸0收射頻場的能量，使得線圈的2值降低產(chǎn)生共振信號。由于示波器只能觀察交變信號，所以必須使核磁共振信號交替出現(xiàn)，F(xiàn)D-CNMR-I型核磁共振實驗儀采用掃場法滿足這一要求。在穩(wěn)恒磁場B0上疊加一個低頻調制磁場Bmsin?'?t），這個調制磁場實際是由一對亥姆霍茲線圈產(chǎn)生，此時樣品所在區(qū)域的實際磁場為B+Bsin(w'?t)。圖1掃場法檢測共振吸收信號由于調制場的幅值B很小，總磁場的方向保持不變，只是磁場的幅值按調制頻率發(fā)生周期m

性變化，拉摩爾進動頻率①也相應地發(fā)生周期性變化，即(4)①二^.（B0+Bsin（5(4)這時只要射頻場的角頻率調在①變化范圍之內，同時調制磁場掃過共振區(qū)域，即B0-Bm<B0<B0+Bm，則共振條件在調制場的一個周期內被滿足兩次，所以在示波器上觀察到如圖1-（b）所示的共振吸收信號。此時若調節(jié)射頻場的頻率，則吸收曲線上的吸收峰將左右移動。當這些吸收峰間距相等時，如圖1-（a）所示，則說明在這個頻率下的共振磁場為B0。如果掃場速度很快，也就是通過共振點的時間比弛豫時間小得多，這時共振吸收信號的形狀會發(fā)生很大的變化。在通過共振點后，會出現(xiàn)衰減振蕩，這個衰減的振蕩稱為“尾波”，尾波越大，說明磁場越均勻。儀器結構核磁共振實驗儀主要有磁鐵、磁場掃描電源、邊限振蕩器以及外購示波器、頻率計組成。以下對各部分逐一介紹：（1） 磁鐵結構圖2磁鐵結構示意圖A——面板：上有線圈引線的四組接線柱，實驗時，可以任選其中一組;B——主體：起支撐線圈和磁鋼以及形成磁回路的作用；C——外板：用于調節(jié)磁隙及中間磁場均勻度；D——螺絲：一面有六個，通過其調節(jié)；E——線圈：通過其施加一個掃描磁場；F——間隙：有效的工作區(qū)，樣品置于其中;G——磁鋼：釹鐵硼稀土永磁鐵；H——純鐵：主要用于提高磁場均勻度。（2） 磁場掃描電源圖圖3磁場掃描電源示意圖A——掃描幅度調節(jié)旋鈕：用于捕捉共振信號，順時針調節(jié)幅度增加；B——電源開關：整個磁場掃描電源的通斷電控制；c——掃描輸出接線柱：用叉片連接線連至磁鐵面板接線柱；D——X軸幅度輸出接線柱：用Q9叉片連接線接至示波器X軸輸出，觀察李薩如圖形;E電源線：接AC220V50Hz輸入；F——邊限振蕩器電源輸出：五芯航空插頭，為邊限振蕩器提供工作電源；G——X軸幅度調節(jié)旋鈕：用于掃描幅度的調節(jié)，順時針調節(jié)幅度增大；H——X軸相位調節(jié)旋鈕：用于信號相位的調節(jié)。（3） 邊限振蕩器圖4邊限振蕩器示意圖A——頻率粗調旋鈕：用于共振頻率的粗調，順時針頻率增加；B——頻率輸出：接頻率計，顯示共振頻率；c——頻率微調旋鈕：用于共振頻率的微調，順時針振頻率增加；D——共振信號輸出：接示波器，觀測共振信號；E——電源輸入：接磁場掃描電源的后面板“邊限振蕩器電源輸出”；F——探頭：內有產(chǎn)生射頻場的線圈，外部是起屏蔽作用的銅管，前面裝測量樣品;G——幅度調節(jié)旋鈕：用于調節(jié)射頻場幅度，順時針調節(jié)幅度增加；H——幅度顯示表：表頭指示射頻場幅度；I——高度調節(jié)螺絲：用于調節(jié)探頭在磁場中的空間位置。性能指標信噪比：100:1（40dB）振蕩頻率：17MHz-23MHz（具體根據(jù)磁鐵而定）頻率調節(jié)范圍：，嚴=1.5Jmin測量樣品：氫核一1#CuSO4,2#FeCl3,4#丙三醇，5#純水，6#MnSO氟核一3#氟碳實驗內容1.觀察水中質子的核磁共振現(xiàn)象，并比較純水樣品（5#）與水中加入少量順磁離子的樣品

（如1#,2#,6#樣品）以及與4#有機物丙三醇樣品，核磁共振信號的變化；已知質子的旋磁比y=2.6752x108/T-s，首先放入1#或者2#、5#、6#等樣品，調節(jié)并觀察核磁共振信號，從頻率計讀出共振頻率，根據(jù)共振條件⑴。="B0,求出此時的磁感應強度B0，不改變磁場，將樣品換為3#氟碳樣品，調節(jié)并觀察氟的共振信號（注意：氟的核磁共振信號較小，應仔細調節(jié)），然后根據(jù)剛才得到的B，計算氟核的旋磁0比yf，朗德因子gf和核磁矩RzF；放入共振信號較明顯的樣品，如1#和2#樣品，觀察信號尾波，移動探頭在磁場中的空間位置，了解磁場均勻性對尾波的影響。核磁共振實驗儀實驗指導書一、 概述核磁共振，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。1945年12說，美國哈佛大學的珀塞爾等人，報道了他們在石蠟樣品中觀察到質子的核磁共振吸收信號；1946年1月，美國斯坦福大學布洛赫等人，也報道了他們在水樣品中觀察到質子的核感應信號。兩個研究小組用了稍微不同的方法，幾乎同時在凝聚物質中發(fā)現(xiàn)了核磁共振。因此，布洛赫和珀塞爾榮獲了1952年的諾貝爾物理學獎。以后，許多物理學家進入了這個領域，取得了豐碩的成果。目前，核磁共振已經(jīng)廣泛地應用到許多科學領域，是物理、化學、生物和醫(yī)學研究中的一項重要實驗技術。它是測定原子的阿核磁矩和研究核結構的直接而又準確的方法，也是精確測量磁場的重要方法之一。二、 原理下面我們以氫核為主要研究對象，以此來介紹核磁共振的基本原理和觀測方法。氫核雖然是最簡單的原子核，但同時也是目前在核磁共振應用中最常見和最有用的核。（一）核磁共振的量子力學描述單個核的磁共振通常將原子核的總磁矩在其角動量P方向上的投影，稱為核磁矩，它們之間的關系通常寫成口=7-P或e- 一、R=gN-2——-P （2—1）p式中^=&/m稱為旋磁比；e為電子電荷；mp為質子質量；gN為朗德因子。對p氫核來說，g=5.5851。N按照量子力學，原子核角動量的大小由下式?jīng)Q定

P=<I(I+1)力 (2—2)h - 一，， _ 1 3 式中方=一，h為普朗克常數(shù)。I為核的自旋量子數(shù)，可以取I=0,1,1,3,..?對氫核2兀 22來說，I=1。2把氫核放入外磁場B中，可以取坐標軸z方向為B的方向。核的角動量在B方向上的投影值由下式?jīng)Q定(2—3)式中m稱為磁量子數(shù)(1\

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p可以取m=I,I—1,???,式中m稱為磁量子數(shù)(1\

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pe*B gN2mp將它寫為*=g*m (2—4)式中％=5.050787x10一27JT-1稱為核磁子，是核磁矩的單位。磁矩為，的原子核在恒定磁場B中具有的勢能為E=—*?B=-*B?B=-gN.*N?m.B任何兩個能級之間的能量差為AE=E1-E2=-gN?*n-B.(m1-m2) (2—5)1考慮最簡單的情況，對氫核而言，自旋量子數(shù)I=土，所以磁量子數(shù)m只能取兩個值，211即m=1和m=-土。磁矩在外場方向上的投影也只能取兩個值，如圖2-1中⑴所22示，與此相對應的能級如圖2-1中(b)所示。圖圖2-1氫核能級在磁場中的分裂根據(jù)量子力學中的選擇定則，只有Am=±1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(2—6)由這個公式可知：相鄰兩個能級之間的能量差AE與外磁場B的大小成正比，磁場越強，則兩個能級分裂也越大。如果實驗時外磁場為B0，在該穩(wěn)恒磁場區(qū)域又疊加一個電磁波作用于氫核，如果電磁波的能量hv0恰好等于這時氫核兩能級的能量差gNHnB0，即TOC\o"1-5"\h\zhv°=g^叩。 (2—7)則氫核就會吸收電磁波的能量，由m=1的能級躍遷到m=-1的能級，這就是2 2核磁共振吸收現(xiàn)象。式(2—7)就是核磁共振條件。為了應用上的方便，常寫成v=「gU」nB，即①=y?B (2—8)0"h)0 0 0核磁共振信號的強度上面討論的是單個的核放在外磁場中的核磁共振理論。但實驗中所用的樣品是大量同類核的集合。如果處于高能級上的核數(shù)目與處于低能級上的核數(shù)目沒有差別，則在電磁波的激發(fā)下，上下能級上的核都要發(fā)生躍遷，并且躍遷幾率是相等的，吸收能量等于輻射能量，我們究觀察不到任何核磁共振信號。只有當?shù)湍芗壣系脑雍藬?shù)目大于高能級上的核數(shù)目，吸收能量比輻射能量多，這樣才能觀察到核磁共振信號。在熱平衡狀態(tài)下，核數(shù)目在兩個能級上的相對分布由玻爾茲曼因子決定：N （職） （grB）—i=exp-——|=exp——^-0 （2一9）N2 "kT） \kT）式中N］為低能級上的核數(shù)目，N2為高能級上的核數(shù)目，AE為上下能級間的能量差，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度。當gNrNB0?kT時，上式可以近似寫成Ngrb—i=1一_^-o （2—10）N2 kT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，如果實驗溫度T=300K，外磁場B0=1T，則N一=1-6.75x10-6N1或這說明，在室溫下，每百萬個低能級上的核比高能級上的核大約只多出7個。這就是說，在低能級上參與核磁共振吸收的每一百萬個核中只有7個核的核磁共振吸收未被共振輻射所抵消。所以核磁共振信號非常微弱，檢測如此微弱的信號，需要高質量的接收器。由式（2—10）可以看出，溫度越高，粒子差數(shù)越小，對觀察核磁共振信號越不利。外磁場B0越強，粒子差數(shù)越大，越有利于觀察核磁共振信號。一般核磁共振實驗要求磁場強一些，其原因就在這里。另外，要想觀察到核磁共振信號，僅僅磁場強一些還不夠，磁場在樣品范圍內還應高度均勻，否則磁場多么強也觀察不到核磁共振信號。原因之一是，核磁共振信號由式（2—7）決定，如果磁場不均勻，則樣品內各部分的共振頻率不同。對某個頻率的電磁波，將只有少數(shù)核參與共振，結果信號被噪聲所淹沒，難以觀察到核磁共振信號。

（二）核磁共振的經(jīng)典力學描述以下從經(jīng)典理論觀點來討論核磁共振問題。把經(jīng)典理論核矢量模型用于微觀粒子是不嚴格的，但是它對某些問題可以做一定的解釋。數(shù)值上不一定正確，但可以給出一個清晰的物理圖象，幫助我們了解問題的實質。1.單個核的拉摩爾進動我們知道，如果陀螺不旋轉，當它的軸線偏離豎直方向時，在重力作用下，它就會倒下來。但是如果陀螺本身做自轉運動，它就不會倒下而繞著重力方向做進動，如圖2-2所示。由于原子核具有自旋和磁矩，所以它在外磁場中的行為同陀螺在重力場中的行為是完全一樣的。設核的角動量為P，磁矩為UT，外磁場為B，由經(jīng)典理論可知1.單個核的拉摩爾進動我們知道，如果陀螺不旋轉，當它的軸線偏離豎直方向時，在重力作用下，它就會倒下來。但是如果陀螺本身做自轉運動，它就不會倒下而繞著重力方向做進動，如圖2-2所示。由于原子核具有自旋和磁矩，所以它在外磁場中的行為同陀螺在重力場中的行為是完全一樣的。設核的角動量為P，磁矩為UT，外磁場為B，由經(jīng)典理論可知dP=UxBdt(2-11)由于，|d"P，所以有岑—*B寫成分量的形式則為(2-12)'dU ,r r、~d^x=Y?(UB-UB^)du才=Y?(U巳-UB)dU=y?(uB-uB)(2-13)dt若設穩(wěn)恒磁場為B，且z軸沿B0方向B=B0，則上式將變?yōu)閺VEB°.=~y?四B (2-14)業(yè)=0、dt由此可見，磁矩分量Rz是一個常數(shù)，即磁矩川在B0方向上的投影將保持不變。將式(2-14)的第一式對t求導，并把第二式代入有d2R dR=丫?by=-y2B2rdt2 0dt 0xd2d2R 方dt2(2-15)這是一個簡諧運動方程，其解為R=Acos(y?Bt+p)，由式(2-14)第一式得到0R= x=— y?BAsin(y?Bt+中)=—Asin(y?Bt+中)y0y0以氣=y?B0代入，有『R=Acos(①t+甲)x 0<R=—Asin(①t+甲) (2-16)y■ 0R=J(R+R)2=A=常數(shù)xy由此可知，核磁矩R在穩(wěn)恒磁場中的運動特點是：它圍繞外磁場B0做進動，進動的角頻率為氣=y?B0，和口與B0之間的夾角e無關；它在xy平面上的投影R^是常數(shù)；它在外磁場B0方向上的投影r^為常數(shù)。其運動圖像如圖2-3所示。圖w-4圖w-4轉動坐標系中的磁矩圖2-3磁矩在外磁場中的進動現(xiàn)在來研究如果在與B垂直的方向上加一個旋轉磁場B,且B?B,會出現(xiàn)什么情況。0 1 1 0如果這時再在垂直于B0的平面內加上一個弱的旋轉磁場B］，B］的角頻率和轉動方向與磁矩口的進動角頻率和進動方向都相同，如圖(2—4)所示。這時，和核磁矩p除了受到B的作用之外，還要受到旋轉磁場B的影響。也就是說p除了要圍繞B進動0 1 0之外，還要繞B］進動。所以p與B0之間的夾角。將發(fā)生變化。由核磁矩的勢能E=-p-B=-p?Bcos。 (2—17)可知，6的變化意味著核的能量狀態(tài)變化。當6值增加時，核要從旋轉磁場B］中吸收能量。這就是核磁共振。產(chǎn)生共振的條件為①二①=y.B (2—18)這一結論與量子力學得出的結論完全一致。如果旋轉磁場B］的轉動角頻率①與核磁矩p的進動角頻率①0不相等，即①。①。，則角度6的變化不顯著。平均說來，6角的變化為零。原子核沒有吸收磁場的能量，因此就觀察不到核磁共振信號。2.布洛赫方程上面討論的是單個核的核磁共振。但我們在實驗中研究的樣品不是單個核磁矩，而是由這些磁矩構成的磁化強度矢量M；另外，我們研究的系統(tǒng)并不是孤立的，而

是與周圍物質有一定的相互作用。只有全面考慮了這些問題，才能建立起核磁共振的理論。因為磁化強度矢量M是單位體積內核磁矩，的矢量和，所以有(2—19(2—19)=y-(MxB)dt它表明磁化強度矢量M圍繞著外磁場B。做進動，進動的角頻率?=y-B；現(xiàn)在假定外磁場B沿著-軸方向，再沿著x軸方向加上一射頻場0B1=2B1cos@-1)e (2—20)圖2—5線偏振磁場分解為圓偏振磁場式中氣為x軸上的單位矢量，2B1為振幅。這個線偏振場可以看作是左旋圓偏振場和右旋圓偏振場的疊加，如圖(2—5)所示。在這兩個圓偏振場中，只有當圓偏振場的旋轉方向與進動方向相同時才起作用。所以對于圖2—5線偏振磁場分解為圓偏振磁場M=M=XH=XB/旦Z0 0 0 00 0式中X0是靜磁化率，H0為真空中的磁導率，M0是自旋系統(tǒng)與晶格達到熱平衡時自旋系統(tǒng)的磁化強度。原子核系統(tǒng)吸收了射頻場能量之后，處于高能態(tài)的粒子數(shù)目增多，亦使得M^<M0，偏離了熱平衡狀態(tài)。由于自旋與晶格的相互作用，品格將吸收核的能量，使原子核躍遷到低能態(tài)而向熱平衡過渡。z0z00zdM M-Mz=—z 0dt Ti(2—21)表示這個過渡的特征時間稱為縱向弛豫時間，用0表示(它反映了沿外磁場方向上磁化強度矢量M,恢復到平衡值M0所需時間的大小)。考慮了縱向弛豫作用后，假定M向平衡值M過渡的速度與M偏離M的程度(M-M)成正比，即有

此外，自旋與自旋之間也存在相互作用，M的橫向分量也要由非平衡態(tài)時的Mx和M^向平衡態(tài)時的值Mx=M^=0過渡，表征這個過程的特征時間為橫向弛豫時間，用T2表示。與Mz類似，可以假定:TOC\o"1-5"\h\z，dMM =—dtT(2—(2—22)dM M =-—^dt T2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)象的基本運動方程為、竺=-(MxB)-—(Mi+Mj)-Mz—M0k (2—23)dt T2 xy T該方程稱為布洛赫方程。式中J，j，k分別是x，y，z方向上的單位矢量。值得注意的是，式中B是外磁場B0與線偏振場B1的疊加。其中，B0=B0k，B=Bcos(①-1)J-Bsin(①-1)J，MxB的三個分量是j(MB0+MB1sinst)i<(MB1cosst-MB0)J (2—24)(-MBsinst-MBcosst)klx1 y1這樣布洛赫方程寫成分量形式即為，dM xdt，dM xdtdMv ydtdM七dtM=y-(MB+MBsinst)-—治0z1 T2M=y?(MB1cosst-MB0)-一2=—-(MBsinst+MBcos①-1)-M-M 0T1(2—25)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cos??t，sins,t這些高頻振蕩項，解起來很麻煩。如果我們能對它作一坐標變換，把它變換到旋轉坐標系中去，解起來就容易得多。如圖(2—6)所示，取新坐標系x'y'z，，Z與原來的實驗室坐標系中的z重合，

旋轉磁場B與寸重合。顯然，新坐標系是與1旋轉磁場以同一頻率①轉動的旋轉坐標系。圖中M【是M在垂至于恒定磁場方向上的分量，即M在巧平面內的分量，設R和V是M在V和礦方向上的分量，則1們代入M圖中M【是M在垂至于恒定磁場方向上的分量，即M在巧平面內的分量，設R和V是M在V和礦方向上的分量，則1們代入M=—vcosst—usinstly(2—25)式即得du, 、u一=—(?—①)v一一dt0T2空=(?—?)u———y-BMdt0Tiz2zdtdMMo-M"zdt0T+iv1(2—27)式中①0=『?B0，上式表明Mz的變化是v的函數(shù)而不是u的函數(shù)。而(2—27)式中①0從式（2—27）可以看出，它們已經(jīng)不包括cos?-1，sin…t這些高頻振蕩項了。的變化十分緩慢，則可以認為u的變化十分緩慢，則可以認為u，v，〃z"隨時間發(fā)生變化，茶=。血dv

一 J，——=0，dtM=0,即系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時上式的解稱為穩(wěn)態(tài)解:dt卜y?B"0—?)M01+T2(?—?)2+y2B2TTe= 》BiM0T2 '" (2—28)1+T22(?—?)2+y2Bi2TT21+T2(?—?)MM= ——-—0 z 1+T2(?—?)2+y2B2TTl 2 0 1 12根據(jù)式(2—28)中前兩式可以畫出u和v隨?而變化的函數(shù)關系曲線。根據(jù)曲線知道，當外加旋轉磁場B1的角頻率?等于M在磁場B0中的進動角頻率?0時，吸收信號最強，即出現(xiàn)共振吸收現(xiàn)象。3.結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)共振吸收信號有幾個重要特點.八、、：當①二①時，□值為極大，可以表小為v=Y0，可見，8= 0 極大1+\2B「〈孔 1y-（〈尸2）1/2時，v達到最大值v=1%M，由此表明，吸收信號的最大值并不是要求B無限max2*T0 1的弱，而是要求它有一定的大小。共振時△①=①廣①=0，則吸收信號的表示式中包含有s= 1項，也1 12就是說，B1增加時，S值減小，這意味著自旋系統(tǒng)吸收的能量減少，相當于高能級部分地被飽和，所以人們稱s為飽和因子。實際的核磁共振吸收不是只發(fā)生在由式（2—7）所決定的單一頻率上，而是發(fā)生在一定的頻率范圍內。即譜線有一定的寬度。通常把吸收曲線半高度的寬度所對應的頻率間隔稱為共振線寬。由于弛豫過程造成的線寬稱為本征線寬。外磁場B0不均勻也會使吸收譜線加寬。由式（2—28）可以看出，吸收曲線半寬度為氣—①=T（1-Y2B2TT1/2） （2四）2 1 12可見，線寬主要由T值決定，所以橫向弛豫時間是線寬的主要參數(shù)。儀器與裝置核磁共振實驗儀主要包括磁鐵及調場線圈、探頭與樣品、邊限振蕩器、磁場掃描電源、頻率計及示波器。實驗裝置圖如圖（2—7）所示：掃描磁場電源示波器邊限振蕩器頻率計樣品盒探頭掃描磁場電源示波器邊限振蕩器頻率計樣品盒探頭圖2-7核磁共振實驗裝置示意圖（一）磁鐵磁鐵的作用是產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場B，它是核磁共振實驗裝置的核心，要求磁鐵能夠0產(chǎn)生盡量強的、非常穩(wěn)定、非常均勻的磁場。首先，強磁場有利于更好的觀察核磁共振信號；其次，磁場空間分布均勻性和穩(wěn)定性越好則核磁共振實驗儀的分辨率越高。核磁共振實驗裝置中的磁鐵有三類：永久磁鐵、電磁鐵和超導磁鐵。永久磁鐵的優(yōu)點是，不需要磁鐵電源和冷卻裝置，運行費用低，而且穩(wěn)定度高。電磁鐵的優(yōu)點是通過改變勵磁電流可以在較大范圍內改變磁場的大小。為了產(chǎn)生所需要的磁場，電磁鐵需要很穩(wěn)定的大功率直流電源和冷卻系統(tǒng)，另外還要保持電磁鐵溫度恒定。超導磁鐵最大的優(yōu)點是能夠產(chǎn)生高達十幾特斯拉的強磁場，對大幅度提高核磁共振譜儀的靈敏度和分辨率極為有益，同時磁場的均勻性和穩(wěn)定性也很好，是現(xiàn)代譜儀較理想的磁鐵，但儀器使用液氮或液氦給實驗帶來了不便。（二）邊限振蕩器邊限振蕩器具有與一般振蕩器不同的輸出特性，其輸出幅度隨外界吸收能量的輕微增加而明顯下降，當吸收能量大于某一閾值時即停振，因此通常被調整在振蕩和不振蕩的邊緣狀態(tài)，故稱為邊限振蕩器。如圖（2-7）所示，樣品放在邊限振蕩器的振蕩線圈中，振蕩線圈放在固定磁場B中，由于邊限振蕩器是處于振蕩與不振蕩的邊緣，當樣品吸收的能量不同（即0線圈的Q值發(fā)生變化）時，振蕩器的振幅將有較大的變化。當發(fā)生共振時，樣品吸收增強，振蕩變弱，經(jīng)過二極管的倍壓檢波，就可以把反映振蕩器振幅大小變化的共振吸收信號檢測出來，進而用示波器顯示。由于采用邊限振蕩器，所以射頻場電很弱，飽和的影響很小。但如果電路調節(jié)的不好，偏離邊線振蕩器狀態(tài)很遠，一方面射頻場B很強，出現(xiàn)飽和效應，另一方面，樣品中少量的能量吸收對振幅的影響很1小，這時就有可能觀察不到共振吸收信號。這種把發(fā)射線圈兼做接收線圈的探測方法稱為單線圈法。（三）掃場單元觀察核磁共振信號最好的手段是使用示波器，但是示波器只能觀察交變信號，所以必須想辦法使核磁共振信號交替出現(xiàn)。有兩種方法可以達到這一目的。一種是掃頻法，即讓磁場Bo固定，使射頻場B］的頻率①連續(xù)變化，通過共振區(qū)域，當3=wo=Y?B0時出現(xiàn)共振峰。另一種方法是掃頻法，即把射頻場B］的頻率①固定，而讓磁場B連續(xù)變化，通過共振區(qū)域。這兩種方法是完全等效的，顯示的都是共振o吸收信號v與頻率差皿-①°）之間的關系曲線。I； C）圖2-8掃場法檢測共振吸收信號由于掃場法簡單易行，確定共振頻率比較準確，所以現(xiàn)在通常采用大調制場技術；在穩(wěn)恒磁場B上疊加一個低頻調制磁場Bsinst，這個低頻調制磁場就是由掃0 m場單元（實際上是一對亥姆霍茲線圈）產(chǎn)生的。那么此時樣品所在區(qū)域的實際磁場為B°+Bmsinot。由于調制場的幅度Bm很小，總磁場的方向保持不變，只是磁場的幅值按調制頻率發(fā)生周期性變化（其最大值為B°+Bm，最小值B°-Bm），相應的拉摩爾進動頻率①也相應地發(fā)生周期性變化，即0①=y.(B+Bsin①t) (2—30)這時只要射頻場的角頻率①調在①。變化范圍之內，同時調制磁場掃過共振區(qū)域，即B0-Bm<B0<B0+Bm，則共振條件在調制場的一個周期內被滿足兩次，所以在示波器上觀察到如圖(2—8)中(b)所示的共振吸收信號。此時若調節(jié)射頻場的頻率，則吸收曲線上的吸收峰將左右移動。當這些吸收峰間距相等時，如圖(2—8)中(a)所示，則說明在這個頻率下的共振磁場為B0。值得指出的是，如果掃場速度很快，也就是通過共振點的時間比弛豫時間小得多，這時共振吸收信號的形狀會發(fā)生很大的變化。在通過共振點之后，會出現(xiàn)衰減振蕩。這個衰減的振蕩稱為“尾波”，這種尾波非常有用，因為磁場越均勻，尾波越大。所以應調節(jié)勻場線圈使尾波達到最大。實驗內容與方法熟悉各儀器的性能并用相關線連接實驗中，F(xiàn)D-CNMR-I型核磁共振儀主要應用五部分：磁鐵、磁場掃描電源、邊限振蕩器(其上裝有探頭，探頭內裝樣品)、頻率計和示波器。儀器連線如圖(2—9)所示圖2—9核磁共振儀器連線圖首先將探頭旋進邊限振蕩器后面板指定位置，并將測量樣品插入探頭內；將磁場掃描電源上“掃描輸出”的兩個輸出端接磁鐵面板中的一組接線柱(磁鐵面板上共有四組，是等同的，實驗中可以任選一組），并將磁場掃描電源機箱后面板上的接頭與邊限振蕩器后面板上的接頭用相關線連接；（3） 將邊限振蕩器的“共振信號輸出”用Q9線接示波器“CH1通道”或者“CH2通道”，“頻率輸出”用Q9線接頻率計的A通道（頻率計的通道選擇：A通道，即1Hz--100MHz；FUNCTION選擇：FA；GATETIME選擇：1S）;（4） 移動邊限振蕩器將探頭連同樣品放入磁場中，并調節(jié)邊限振蕩器機箱底部四個調節(jié)螺絲，使探頭