核磁共振基本原理PPT.ppt

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1、核磁共振核磁共振bb核核原子核原子核bb磁磁磁场磁场bb核磁共振（核磁共振（NMRNMR）原子核在磁场中的原子核在磁场中的响应响应bb为什么原子核在磁场中会发生响应呢？为什么原子核在磁场中会发生响应呢？bb（核有磁性）（核有磁性）一一 核磁共振现象核磁共振现象（一）核有磁性（一）核有磁性bb 核由质子和中子组成；核由质子和中子组成；bb 质子带正电，中子不带电；质子带正电，中子不带电；bb所以，原子核带正电的。所以，原子核带正电的。bb另外，有些核具有内秉角动量（自旋）。另外，有些核具有内秉角动量（自旋）。bb 奇数核子奇数核子bb 奇数原子序数，偶数核子奇数原子序数，偶数核子bb因而核有磁性

2、。因而核有磁性。bb磁矩磁矩bb描述磁场强度与方向的矢量描述磁场强度与方向的矢量bb bb bb 自旋角动量；自旋角动量；bb 旋磁比，每个核都有一特定的值。旋磁比，每个核都有一特定的值。有正有负，核磁矩的方向与其有关。有正有负，核磁矩的方向与其有关。（二）没有外磁场作用（二）没有外磁场作用单个磁矩随机取向单个磁矩随机取向单个磁矩随机取向单个磁矩随机取向；系统宏观上没有磁性系统宏观上没有磁性系统宏观上没有磁性系统宏观上没有磁性。（三）静磁场作用单个自旋（三）静磁场作用单个自旋bb 要受力矩作用，要受力矩作用，表现：表现：bb （1 1）原子核）原子核吸收能量，磁矩吸收能量，磁矩取向变化（极化）

3、；取向变化（极化）；bb （2 2）磁矩绕静磁磁矩绕静磁场场0 0 静动静动(与陀与陀螺在重力场中发生螺在重力场中发生进动类似进动类似)。bb 进动频率进动频率（LarmorLarmor频率频率)（四）静磁场作用整个自旋系统（四）静磁场作用整个自旋系统 整个自旋系统被磁化整个自旋系统被磁化bb产生宏观磁化量产生宏观磁化量M0M0bb（M0M0的变化过程是的变化过程是核磁测井观测对象）核磁测井观测对象）（五）垂直方向上施加交变磁场（五）垂直方向上施加交变磁场bb在垂直在垂直在垂直在垂直0 0 0 0方向上加交方向上加交方向上加交方向上加交变磁场，频率变磁场，频率变磁场，频率变磁场，频率=0 0

4、0 0=B=B=B=B0 0 0 0bb发生发生发生发生核磁共振吸收现核磁共振吸收现核磁共振吸收现核磁共振吸收现象象象象。也就是也就是也就是也就是 M M M M被扳倒。被扳倒。被扳倒。被扳倒。bb 脉冲，脉冲，脉冲，脉冲，M M M M扳倒扳倒扳倒扳倒90909090度度度度bb 脉冲，脉冲，脉冲，脉冲，M M M M扳倒扳倒扳倒扳倒180180180180度度度度（六）交变磁场作用后（六）交变磁场作用后弛豫弛豫bb磁化矢量朝磁化矢量朝0 0方向恢复，使核方向恢复，使核自旋系统从非平自旋系统从非平衡分布恢复到平衡分布恢复到平衡分布。衡分布。bb纵向弛豫纵向弛豫T1T1bb横向弛豫横向弛豫T2

5、T21 1 纵向弛豫纵向弛豫/T1/T1bb非平衡态磁化矢量的非平衡态磁化矢量的非平衡态磁化矢量的非平衡态磁化矢量的纵向分量恢复到初始纵向分量恢复到初始纵向分量恢复到初始纵向分量恢复到初始磁化矢量磁化矢量磁化矢量磁化矢量M0M0M0M0的过程的过程的过程的过程bb弛豫速率弛豫速率弛豫速率弛豫速率1/T11/T11/T11/T1bb弛豫时间弛豫时间弛豫时间弛豫时间T1T1T1T1bb磁能级粒子数发生变磁能级粒子数发生变磁能级粒子数发生变磁能级粒子数发生变化，自旋体系能量也化，自旋体系能量也化，自旋体系能量也化，自旋体系能量也要发生变化，自旋与要发生变化，自旋与要发生变化，自旋与要发生变化，自旋与

6、晶格交换能量，又称晶格交换能量，又称晶格交换能量，又称晶格交换能量，又称自旋自旋自旋自旋-晶格弛豫。晶格弛豫。晶格弛豫。晶格弛豫。bbMzMz是以是以1/T11/T1的速的速率按指数恢复到率按指数恢复到Z Z方向的初值。方向的初值。2 2 横向弛豫横向弛豫/T2/T2bb非平衡态磁化矢量的水非平衡态磁化矢量的水平分量平分量MxyMxy衰减至零的衰减至零的过程过程bb弛豫速率弛豫速率1/T21/T2bb弛豫时间弛豫时间T2T2bb磁化矢量进动相位从有磁化矢量进动相位从有序分布趋向无规则分布，序分布趋向无规则分布，自旋体系内部相互作用，自旋体系内部相互作用，自旋与晶格不交换能量，自旋与晶格不交换能

7、量，又称自旋又称自旋-自旋弛豫。自旋弛豫。bb横向弛豫按指横向弛豫按指数衰减数衰减 bb（一）核磁共振信号测量（一）核磁共振信号测量bb（二）核磁共振测井仪（二）核磁共振测井仪bb（三）核磁共振测井过程与特点（三）核磁共振测井过程与特点二二 核磁共振测井核磁共振测井bb1.1.自由感应衰减法自由感应衰减法bb2.2.自旋回波法自旋回波法bb3.3.反转恢复法（测反转恢复法（测T1T1）（一）核磁共振信号测量（一）核磁共振信号测量bb 自由感应衰减的核心是利用某种方自由感应衰减的核心是利用某种方法使与静磁场法使与静磁场B0B0平行的核磁化强度平行的核磁化强度M0M0扳扳转转9090度以激发自由进

8、动信号。度以激发自由进动信号。bb（1 1）射频脉冲法）射频脉冲法bb（2 2）预极化法）预极化法1.1.自由感应衰减法自由感应衰减法（1 1）射频脉冲法）射频脉冲法b 用一个用一个9090度射频脉冲使原来度射频脉冲使原来沿静磁场方向的磁化矢量扳转沿静磁场方向的磁化矢量扳转9090度，然后进行观测，得到的信号度，然后进行观测，得到的信号即是自由感应衰减信号（或即是自由感应衰减信号（或FIDFID信号）信号）b（早期的斯仑贝谢核磁测井仪器（早期的斯仑贝谢核磁测井仪器采用此种方法）采用此种方法）（2 2）预极化法）预极化法bb 在稳定磁场在稳定磁场在稳定磁场在稳定磁场B0B0B0B0的垂直方向上加

9、一较强的预极化的垂直方向上加一较强的预极化的垂直方向上加一较强的预极化的垂直方向上加一较强的预极化磁场磁场磁场磁场BpBpBpBp，由于极化磁场很强，最初沿稳定磁场建，由于极化磁场很强，最初沿稳定磁场建，由于极化磁场很强，最初沿稳定磁场建，由于极化磁场很强，最初沿稳定磁场建立起来的平衡态磁化强度立起来的平衡态磁化强度立起来的平衡态磁化强度立起来的平衡态磁化强度M0M0M0M0会发生偏转而沿总场会发生偏转而沿总场会发生偏转而沿总场会发生偏转而沿总场的方向取向。的方向取向。的方向取向。的方向取向。(Mp)(Mp)(Mp)(Mp)bb 如果极化时间足够长，如果极化时间足够长，如果极化时间足够长，如果

10、极化时间足够长，BpB0BpB0BpB0BpB0，所以，所以，所以，所以MpMpMpMp近似与近似与近似与近似与M0M0M0M0方向垂直。这时突然撤去方向垂直。这时突然撤去方向垂直。这时突然撤去方向垂直。这时突然撤去BpBpBpBp，因时间很短，因时间很短，因时间很短，因时间很短，MpMpMpMp绕绕绕绕B0B0B0B0进动（进动（进动（进动（w0),w0),w0),w0),由于驰豫，在进动的同时，纵向由于驰豫，在进动的同时，纵向由于驰豫，在进动的同时，纵向由于驰豫，在进动的同时，纵向分量恢复到平衡态的分量恢复到平衡态的分量恢复到平衡态的分量恢复到平衡态的M0M0M0M0，而横向分量将按有效横

11、，而横向分量将按有效横，而横向分量将按有效横，而横向分量将按有效横向驰豫时间向驰豫时间向驰豫时间向驰豫时间T2*T2*T2*T2*确定的速率衰减。确定的速率衰减。确定的速率衰减。确定的速率衰减。bb 这时在垂直于这时在垂直于B0B0方向上探测，在接方向上探测，在接收线圈中可以观测到一个频率为收线圈中可以观测到一个频率为W0W0变化的变化的自由进动信号。自由进动信号。（俄罗斯现代核磁测井仪（俄罗斯现代核磁测井仪器采用此种方法）器采用此种方法）bb 自由感应衰减法所使用的静自由感应衰减法所使用的静磁场磁场B0B0都是采用的大地地磁场，都是采用的大地地磁场，因而产生的信号很弱。因而产生的信号很弱。2 2 自旋回波法自旋回波法bb现代核磁信号的测量采用（现代核磁信号的测量采用（现代核磁信号的测量采用（现代核磁信号的测量采用（CMR,MRIL,MRExCMR,MRIL,MRExCMR,MRIL,MRExCMR,MRIL,MREx）bbCPMGCPMGCPMGCPMG脉冲脉冲脉冲脉冲 测量过程：极化测量过程：极化测量过程：极化测量过程：极化-扳倒扳倒扳倒扳倒-失相失相失相失相-重聚重聚重聚重聚-测量测量测量测量 -再失相再失相再失相再失相-再重聚再重聚再重聚再重聚-再测量再测量再测量再测量