【文章內容簡介】 象及新工藝，使磁場測量儀沿著電子化、數字化和智能化的方向，發(fā)展與計算機相結合的多通道、多參量的測量系統(tǒng)。 研究的意義 核磁共振儀器 是綜合多學科技術的設備，技術含量非常高，所以儀器價格也比較昂貴，再加上體積龐大，嚴重限制了其在工業(yè)領域應用的推廣。隨著計算機以及大規(guī)模集成電路技術突飛猛進的發(fā)展，譜儀的成本已經大大降低，核磁共振儀器成本主要集中在磁體上。目前，磁體主要采用永磁體和超導磁體，其中超導系統(tǒng)具有顯著的性能優(yōu)勢，但是由于價格昂貴，例如用于成像的進口超導系統(tǒng)一般在 1000 萬元左右，并且維護成本也不菲。這種磁體主要用在高場方面。而永磁體有較高的性價比，在中低場磁共振方面廣泛應用。特別是隨著稀土永磁強磁體應用和推廣，核磁共振磁體的成本大大 降低了。只有低成本的儀器才能得到大眾的認可和推廣。因此為了提高國內核磁共振儀的普及度，就必須生產小型化，低成本的儀器。沒有小型化，沒有低成本，儀器永遠只是實驗室的花瓶，很難帶來價值。這也是永磁體被大規(guī)模地應用于核磁共振設備的原因。 值得慶幸的是，我國具有豐富的稀土永磁資源。目前，我國釹鐵硼的年產量已達 9000 多噸，占世界總產量的 50%。國外跨國公司已經首先認識到這一點，紛紛在中國設立子公司，以利用國內資源。比如在 MRI 領域，根據專家預測，到 2020 年我國的市場規(guī)模將達到 1000 億元，但是目前 國內的 MRI 市場還是被 GE、 SIEMENS、 HITACHI 等跨國公司壟斷。它們提供技術，然后利用沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 5 我國的人力資源、礦產資源生產儀器設備，最后利用我國廣闊的市場資源，謀取高額利潤。這必然加重了我國人民的醫(yī)療負擔，并且遏制了國內相關技術的發(fā)展。 為了充分利用這些資源，只是單純地出口原材料肯定是不行的；通過提高永磁材料的科技含量來提升其附加值，是我們義不容辭的責任；更明智的方法是要利用這些資源，生產儀器設備，充分消化自己的資源。 綜上所述，研究和開發(fā)小型化低成本核磁共振儀器具有重要意義。它的科學價值不僅在于 為我國工農業(yè)等行業(yè)能夠買得起核磁共振分析測量儀器打下了堅實的產業(yè)基礎，而且在于因地制宜，充分利用我國的現有資源，提高人民的生活水平。鑒于此，本文設計了一套簡易便攜的核磁共振實驗儀器裝置。 課題研究的主要任務和預期目標 主要任務及要求 (1) 收集核磁共振方法測量磁場強度的文獻資料。 (2) 設計用核磁共振方法測量磁場強度的儀器方案。 (3) 設計實驗線路圖。 (4) 設計實驗線路板圖。 (5) 制作線路板及進行試驗。 預期目標 (1) 用臨界振蕩器和測量共振頻率。 (2) 采用 CH341 作為 USB 轉 UART 芯片連接實驗電路和 PC 機。 (3) 用串口調試助手顯示測量結果。 (4) 用 STC12C5410AD 作為控制 CPU。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 第 2 章 共振原理 與方案論證 原子核的磁性 研究表明，有些原子核具有內秉角動量，即這些原子核自身會不停的轉動，習慣上稱這種轉動為 “自旋”。 其自旋量子數 I 的數值與核內質子數和中子數有關 ： （ 1） 核內質子數和中子數均為偶數時， I=0，原子核無自旋。 （ 2） 核內質子數和中子數均為奇數時， I 為正整數。 （ 3） 核內質子數和中子數一個為奇數一個為偶數時， I 為半 整數。 由于原子核帶有電荷，根據電磁學知識，轉動的帶電粒子具有角動量和磁矩。根據量子力學原理，原子核的角動量 ?P 的長度取值如下： ?2 )1( ?? IIhp （ 21） 其中， h 是 Plank 常數 sJ ?? ? ； I 是自旋量子數， 每種原子核具有不同的自旋量子數。只有帶有自旋量子數的原子核才能產生自旋。這些原子核包括所有含奇 數個質量數 （如 OCH 17813611 , ）以及質量數為奇數而原子序數為偶數（如 BNH 10514721 , ）的原子核。 我們知道原子核由質子和中子組成，中子不帶電，質子帶正電，因此，整個原子核帶正電。根據電磁學理論，原子核的自旋將產生磁場，磁場大小用原子核磁矩 u? 來表示。 原子核所帶的正電荷，均勻分布在核表面，自旋量子數 0?I的核自旋，正電荷也 繞旋轉軸旋轉，產生循環(huán)電流，進而產生一個小磁場， 用磁矩 ? 表示。 ? 的方向垂直于循環(huán)電流平面，與自旋角動量 P 重合， 原子核的核磁矩 ? 正比于其角動量 P ： hIP ??? ?? ?? （ 22） 其中， ?2/hh?? ， sJh /106 2 6 34??? ，為普朗克常數， 旋磁比 ?是表征原子核特征的常量，單位 ( sTrad ?/ ),可正可負。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 7 原子核在磁場中的行為 自旋的原子核具有磁矩，因此在原子核周圍產生磁場，我們可以把核磁矩理解為一根小磁針。當沒有外加磁場時， 核磁矩的取向是任意的。當核磁矩處于外加磁場中時，在磁場力作用下，取向趨于與外磁場平行。但是最終 u? 不會 完全平行于外磁場，而是與外磁場成一定角度。從而會像傾倒的陀螺繞重力場進動一樣，繞外加磁場的方向轉動，這 種轉動稱為拉莫爾（ Larmor）進動。如圖 21 所示。 圖 21 拉莫爾進動示意圖 恒定磁場 0B 的作用，使原本簡并的核能級發(fā)生塞曼 ()分裂，分裂為 12?I 個能級，用磁量子數 m表示，即 Im? ， 1?I ， 2?I ，??， I? 。相鄰能級間能量差為 ： 0hBE ??? （ 23） 而核自旋態(tài)在各能級上的分布服從玻爾茲曼 (Boltzlnann)分布，低能態(tài)的核數目比高能態(tài)微弱過剩。以 H1 為例，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，也就是說，在低能級上參與核磁共振吸收的每一百萬個核中只有 7 個核的共振吸收信號未被共振輻射所抵消，所以 NMR 信號非常微弱，需要高質量的檢測器。 沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 對于， H1 ， 2/1?I ，無外磁場 0B 作用時，能級簡并，磁性相互抵消，加上外磁場場 0B 時， ? 在磁場中有兩個取向 (兩個能級 )，如圖 22 所示。 圖 22 2/1?I 粒子磁矩在磁場中的取向和能級 （ 1） 磁量子數 2/1?m ， ? 與外磁場 0B 同 向，低能態(tài)。 （ 2） 磁量子數 2/1??m ， ? 與外磁場 0B 反向，高能態(tài)。 核磁共振現象和共振條件 在垂直于恒定磁場 0B 的方向加一個射頻場 1B 了，若射頻場的能量 0?h 正好等于原子核相鄰能級間能量差 E? ，則處于低能態(tài)的核吸收 射頻場能量，發(fā)生躍遷，這就是核磁共振現象。發(fā)生核磁共振的條件為 0hBh ?? ? （ 24） 即 000 2 B???? ?? （ 25） 其中， 0? 、 0? 分別為射頻場的角頻率、頻率，上述公式又稱為拉莫爾進動公式。 在原子核由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)的同時，高能態(tài)的核通過自旋一晶格馳豫和自旋一自旋馳豫向周圍環(huán)境轉移能量，回到低能態(tài)。正常條件下，只要保持沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 射頻功率足夠小，處于 高能態(tài)的核及時回到低能態(tài)，整個核體系仍服從玻爾茲曼分布，不會出現飽和現象。 真空或空氣中的磁感應強度 0B 和磁場強度 0H 具有簡單的線性關系 : 000 HB ?? （ 26） 式中 0? 是真空磁導率，為常數， 0B 和 0H 可以等效地描述磁場的特征，但磁感應強度 B 較磁場強度 H 更為基本，本設計采用磁感應強度 B 表征磁場。在國 際單位制 (51)中 ， mH /104 70 ??? ?? （ 27） 影響核磁共振信號的因素 溫度 溫度 T 越高，兩個能級間粒子差數越小，對觀察 NMR 信號越不利，外磁場0B 越強，越有利于觀察 NMR 信號。 外 磁場均勻性 如果外磁場 0B 不均勻，則樣品內各部分的能量差不同，對于某個頻率的電磁波，只有部分原子核參與核磁共振，共振信號微弱，且容易被噪聲淹沒。 因此，在樣品范圍內的磁場應高度均勻，否則很可能觀察不到 NMR 信號。 方案論證 檢測共振信號的方法 連續(xù)波檢測核磁共振信號的可行方法有吸收法、感應法和平衡法三種。 （ 1） 吸收法，也稱自差法或負載法。射頻發(fā)射和吸收共用一個線圈，把樣品放到探頭的線圈中，再把探頭放入 待測磁場 B。中。當沒有發(fā)生核磁共振時，射頻振蕩器輸出具有一定電平的高頻振蕩信號，振蕩頻率與電平決定于振蕩器沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 回路的參數。當滿足共振條件時，樣品的磁化強度 M 在射頻場 B，作用下進動，出現橫向分量，橫向分量的吸收分量改變了振蕩器的輸出電平，提取輸出電平的變化量，即可獲得 NMR 吸收信號?？衫眠吘壵袷幤鲗崿F，其探頭線圈垂直于待測磁場，能產生與磁感應強度相應的射頻振蕩頻率，振蕩信號的產生以及共振信號的獲取均通過邊緣振蕩器實現，通過調節(jié)振蕩器頻率實現共振信號的搜索和跟蹤。 （ 2） 感應法，也稱交叉線圈法或布洛赫法。使用兩個 線圈，把發(fā)射線圈加到 x 軸上，接收線圈加到 y 軸，靜磁場 B。沿 Z 軸方向，發(fā)射線圈用于把射頻場能量加到樣品上，而接收線圈用來接收 NMR 信號，基本結構如圖 23 所示。 圖 23 感應法基本結構 平衡狀態(tài)時，核磁矩圍繞 z 軸進動，由于各個核磁矩的進動相位均勻分布，宏觀磁化強度 M 沿著 z 軸方向，這時在 y 軸的接收線圈中無信號。在 x 軸上的發(fā)射線圈中加一個線偏振的射頻場 tB ?cos2 1 ， 它可以分解為兩個速度相同而運動方向相反的旋轉磁場，這兩個旋轉磁場在 y 方向上的投影大小相等而方向相反，從而相互抵消，射頻場在 y 方向上的分量為零。因此，如果發(fā)射線圈與接收線圈嚴格垂直，射頻場能量不會進入接收線圈。 如果所加的射頻場頻率 ? 與共振頻率 0? 不同，則接收線圈中無信號。當射頻場頻率滿足共振條件 (即 0??? )時，低能級上的原子核吸收射頻場能量而躍遷到高能級，從而 破壞了原子核自旋系統(tǒng)的平衡分布。宏觀磁化強度 M 在射頻磁場 1B 的作用下進動，離開平衡位置，出現了橫向分量。在 xyz 系統(tǒng)中，宏觀磁化強度 M 的橫向分量在 xy 平面上圍繞 z 軸旋轉的，旋轉速度等于核磁矩進動速度 0? ，相當于有一個交變的磁通，在接收線圈中感應出一個頻率為 0? 的交變電沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 11 流，因此接收線圈兩端產生頻率為 0? 的電動勢。把感應電動勢放大、檢波，得到所需 的 NMR 信號，其幅度與磁化強度的橫向分量成正比。 設計中可使用單片機控制 DDS 芯片產生掃頻信號，送到與待測磁場垂直的射頻振蕩線圈，通過更改 DDS 的頻率控制字實現共振信號的搜索和跟蹤。接收線圈與振蕩器線圈垂直，并與、待測磁場垂直。探頭中有射頻振蕩線圈、射頻接收線圈，樣品管插于探頭內，需要處理好發(fā)射線圈與接收線圈的工作時間和位置關系，避免射頻脈沖信號混入 NMR 信號中，干擾測量工作。 （ 3） 平衡法，也稱電橋法。使用一個高頻電橋，如安德森 (Anderson)電橋，輸入端接射頻振蕩器，輸出端連接收機，樣品線圈放到靜磁 場中，基本結構如圖 24 所示。 圖 24 平衡法基本結構 當沒有發(fā)生核磁共振時，把電橋調到完全平衡，輸出電壓為零。當所加的射頻頻率滿足共振條件 (即 0??? )時，宏觀磁化強度在射頻場 1B 的作用下進動，離開平衡位置，出現了橫向分量，從而改變了線圈的參數，其中吸收分量改變了線圈的品質因數 Q，而色散分量改變了回路的固有的諧振頻率。因此破壞了電橋的平衡，電橋的輸出端出現一個正比于 NMR 信號的電壓變化。當電橋幅度平衡，而相位平衡受到破 壞時，輸出電壓與色散磁化率成正比 。當電橋的相位平衡，而幅度平衡受到破壞時，輸出電壓與吸收磁化率成正比。據此，通過調節(jié)電橋的平衡來觀測 NMR 信號。 理論分析可知，核磁共振吸收法裝置實現方便，可靠性好，線路比較簡單，噪聲系數較小，對 NMR 信號敏感，由于邊緣振蕩器的振蕩強度弱，樣品不易飽和，缺點是振蕩頻率的穩(wěn)定性較差，頻率范圍不太寬 。感應法工作穩(wěn)定度高，噪音低，射頻場頻率范圍寬，但漏電流相位不易調整，且把兩個交叉線圈調成嚴格垂直存在難度，如果調整不好會影響接收 NMR 信號 。平衡法的優(yōu)點是射頻場沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 頻率穩(wěn)定性好，強度比較 容易改變，噪音低，缺點是頻率調諧范圍不夠寬，溫度變化和機械振動容易使電橋失去平衡，影響 NMR 信號的接收。 試驗證明，以上方法均可觀察到 NMR 信號