扫场对核磁共振测量的影响

李潮锐

(中山大学 物理科学与工程技术学院，广东 广州 510275)



扫场对核磁共振测量的影响

李潮锐

(中山大学 物理科学与工程技术学院，广东 广州 510275)

摘要：在连续波核磁共振实验中，通常采用低频扫场产生重复再现的共振吸收信号. 当处于磁场中的射频线圈引线回路等效面积不为零时，简谐扫场必然引起该闭合回路的磁通量变化，由此而产生同频简谐感生电动势并与核磁共振信号叠加共同构成振荡器输出信号. 由于扫场上升和下降过程的感生电动势方向相反，从而扫场前半周和后半周所对应的共振吸收测量信号存在差异. 实验结果表明：扫场强度及方向对核磁共振测量影响来源于实验测量技术缺陷，而非核磁共振的物理本质.

关键词：核磁共振；扫场；感生电动势

1引言

由于核磁共振技术广泛应用于物理、化学、生物、药物等学科的研究和医学的临床诊断，因此，核磁共振实验不仅是本科物理专业近代物理实验课程中重点教学项目之一，也是许多高等院校面向非物理类的理工科或医学专业开设的教学实验. 核磁共振实验教学内容丰富，既有连续波核磁共振吸收信号观测，又有脉冲核磁共振弛豫测量及成像分析. 多年来对核磁共振实验装置不断改进[1-5]，既提高了实验的教学可操作性，又拓展了实验教学内容. 为满足不同层次教学需要，目前国内高校核磁共振实验教学内容已从简单观察记录共振信号及测量朗德因子和旋磁比，扩展到化学位移[6]、自旋耦合常量[7]、共振弛豫分析[8-13]及磁共振成像等[14-17].

尽管脉冲核磁共振实验近些年得到普遍重视，但是连续波核磁共振吸收实验依然是理解核磁共振物理原理和测量原理的基础项目. 教学实验通常采用处于共振吸收频率附近的边限振荡，结合使用低频扫场技术观测核磁共振吸收信号. 选择不同核磁共振弛豫时间(寿命)的样品，可以观测共振吸收峰形或共振弛豫过程(尾波). 在使用常规教学实验装置观测核磁共振信号过程中，通常可以发现低频扫场强度及其方向直接影响共振信号形状，从而可能导致不准确的(半定量)实验分析.

所谓实验原理，应该包括实验的物理原理和测量技术原理两层含意. 通常，前者被认为是物理实验教学重点和主体内容，而后者却在教学过程中被忽视了. 事实上，实验测量技术的科学性决定了实验结果的可靠性. 不准确的实验现象描述可能误导对实验物理原理的理解. 本文仅通过系统的连续波核磁共振实验观测，在理解实验测量原理基础上，分析扫场方向及强度变化对振荡器输出信号的影响，进而说明扫场上升和下降过程核磁共振信号差异实验结果的本质.

2测量技术

实验主体设备为复旦天欣的边限振荡器、磁场电源和约0.47 T磁体；使用HP 5315A频率计测量振荡频率，由并联的IWATSU SS-7802A模拟示波器和Tektronix TDS2024B数字存储示波器观察和记录振荡器输出信号. 样品为6.25 g/L硫酸铜水溶液. 保持磁体周围环境温度稳定，有助于减少共振信号漂移，从而可获得较准确的实验数据.

由磁场电源的“扫描电源”输出提供低频(50 Hz)简谐扫场励磁电流，而其“移相器”输出则作为同频简谐参考信号连接示波器通道1且用于同步触发；边限振荡器射频场强度约为3 V，其“共振信号输出”连接示波器通道2. 施加适当扫场励磁电流，通过边限振荡器“频率调节”的“粗调”和“细调”旋钮改变射频线圈振荡频率，直至出现核磁共振吸收信号；反复调节扫场励磁电流和射频线圈振荡频率至每扫场周期出现2次共振吸收信号. 微调励磁电流和振荡器频率，使共振信号幅值最大且信号等间距；微调样品在磁场中的位置和方位，使信号相对于基线上下近乎对称. 调节磁场电源“移相器”的“相位调节”旋钮，利用李萨如图确定实验过程的参考信号相位. 为便于论述，且当这情形为正向扫场. 逐步增大扫场励磁电流，每改变扫场强度，稍等共振信号稳定，使用存储示波器记录实验结果，直至最大扫场励磁电流止. 随之，扫场励磁电流回零，保持样品位置不变，调换励磁电流电极使扫场反向，即为反向扫场. 重复上述步骤，观测现象并记录实验结果.

Tektronix TDS2024B数据存储功能为每次测量存储创建文件夹，且为每个测量通道建立独立(包含设备工作参量)的Excel文档. 为便于实验数据分析，自编程序删除每通道数据后缀.CSV文件中的设备参量，并将所有测量通道数据合并为单一后缀.DAT的ASCII文件. 在.DAT文件中，时标数据和每一通道数据依序以列格式存储，从而可以由通用科学数据处理软件(例如Origin)导入进行分析和作图.

3结果分析

图1为磁场电源“移相器”输出的参考信号与振荡器输出的共振信号所构成的李萨如图. 扫场前半周和后半周的共振信号最高点“合拢”，且“合拢”点垂线两侧信号也接近于对称，以此确定实验过程参考信号相位.

图2显示了正向或反向扫场(场强较弱)时，在同一扫场周期中上升或下降过程的振荡器输出共振信号. 可以发现：对于确定扫场，上升与下降的测量信号存在明显差异；当扫场反向时，信号差异依然存在，但两者位置发生互换. 这一事实表明，在同一扫场周期中2次共振信号差异现象与扫场及其变化方向有关. 注意：在图2~6中，除了参考信号，对其他不同实验条件的振荡器输出信号都作了零点平移处理，便于清晰地同时显示多组实验数据.

图1　扫场驱动电压与共振信号李萨如图

图2　正向和反向扫场的振荡器输出信号

图3记录了正向扫场时，不同扫场强度时所测得的振荡器输出信号. 由图可见，随着扫场逐渐增强，共振信号基线随之出现同相简谐变化且振幅也逐渐增大，但扫场上升和下降过程中共振信号差异的位置没有发生变化. 图4为反向扫场(对换扫场励磁电流电极)时振荡器输出信号随扫场强度变化的实验结果. 对比图3和4实验数据可以发现，共振信号基线与扫场同频简谐变化且其幅值随场强增加而增大，但振荡输出信号相对于参考信号的相位差却保持不变. 由此可以认为，共振信号基线完全由扫场强度和方向所决定.

分析实验硬件结构可以发现，置于外磁场中射频线圈引线形成闭合回路，简谐变化的扫场必然在该回路产生同频简谐感生电动势.

图3　振荡器输出信号随正向扫场增强变化

图4　振荡器输出信号随反向扫场增强变化

图5为卸下样品但保持射频线圈在磁场中位置不变，采用图3相同方向扫场作用时振荡器输出信号随扫场强度变化情况. 可见，当扫场强度逐渐增强，振荡器输出信号幅值也随之逐步增大.

图5　无样品时振荡器输出信号随扫场强度变化

图6为卸下样品且保持适当扫场强度不变(与图3相同扫场方向)时，射频线圈从磁场外逐步探入，振荡器输出信号幅值随线圈探入深度增加而使处于外磁场中线圈引线闭合回路面积增加而增大. 这些实验结果与图3和图4中射频线圈位置不变而改变扫场强度时信号基线变化的关系是一致的.

图6　设定扫场强度时振荡器输出信号　随线圈探入深度变化

理论上，简谐扫场b0sin (ωt)在射频线圈引线闭合回路所产生的感生电动势为

(1)

式中，S为有效闭合回路面积. 对于确定频率的简谐扫场，感生电动势幅值正比于回路面积与扫场强度幅值的乘积. 式(1)解释了图5和图6的实验结果. 可以认为，振荡器输出信号是简谐扫场所产生的简谐感生电动势和核磁共振吸收信号的叠加. 可见，图3和图4信号基线变化反映了简谐扫场强度的影响. 由式(1)可知，在同一扫场周期中，上升与下降过程的感生电动势互为反向. 感生电动势和核磁共振吸收信号叠加的结果，必然导致同一扫场周期的2次振荡器输出信号存在差异. 图3(a)，4(a)，2(b)和2(c)清楚地显示了这一技术缺陷对实验测量的影响. 同理，当扫场反向时，感生电动势也随之反向，从而引起图2(b)与2(c)或3(a)与4(a)振荡器输出信号差异的位置发生互换，也是图3与图4中信号基线互为反相的原因.

4结论

1)在连续波核磁共振实验中，利用周期扫场产生重复再现的共振吸收信号以便于观测. 对于简谐扫场，当同一周期出现2次共振吸收且信号之间等间距时，共振磁场为扫场过零处的永磁(或稳恒)磁场强度. 实验观测显示，此时的共振信号最清晰(特别是采用李萨如图)，同时也可以很直观地发现扫场前半周与后半周共振信号的差异. 系统的实验结果表明，信号差异源于测量技术而非核磁共振物理本质.

2)由图3和图4中共振信号基线随扫场变化关系，可以认为测量信号受扫场强度及其方向的直接影响. 基于射频线圈引线形成不为零有效闭合回路的硬件事实，而且通过图5和图6实验数据确认测量信号是回路感生电动势和核磁共振吸收叠加的结果. 进而，从感生电动势与简谐扫场关系的物理描述可知，在同一扫场周期中2次共振信号差异源于前半周与后半周回路中磁通量反向所致. 由上述分析得知，只要射频线圈引线回路面积不为零且扫场有效地穿越这一区域，实验测量信号必然不是单纯的核磁共振信号，因而以此实验数据进行核磁共振定量分析也是没有意义的. 合理布线可以消除引线闭合回路感生电动势，有助于获得准确可靠的核磁共振信号.

参考文献：

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[责任编辑：任德香]

Influence of the modulation magnetic field on nuclear magnetic resonance measurement

LI Chao-rui

(School of Physics and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

Abstract:The resonance absorption was generated using a magnet with the low-frequency modulation field in the continuous wave nuclear magnetic resonance experiment. When the loop area vertical to magnet was not zero, the flux in the closed loop caused by the modulation magnetic field was changed, then the induced electromotive force would be added to the nuclear magnetic resonance signal. Because the rising and falling of the modulation field induced opposite electromotive forces, the resonance absorption signals for the first and second half period of the modulation field were different. The experiment showed that the reason for the influence from magnitude and orientation of modulation field was not attributed to its physics but the defect of measurement technique.

Key words:nuclear magnetic resonance; modulation magnetic field; induced electromotive force

中图分类号：O482.532

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)01-0001-04

作者简介：李潮锐(1962-)，男，广东汕头人，中山大学物理系副教授，博士，主要从事凝聚态物质电磁性质研究.

基金项目：国家基础科学人才培养基金资助项目(No.J1103211)；广东省高等教育教学改革资助项目(No.BKZZ2011001)

收稿日期：2014-06-08