什么是磁共振相關(guān)介紹

什么是磁共振相關(guān)介紹

　　磁共振是在固體微觀量子理論和無線電微波電子學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上被發(fā)現(xiàn)的。那么你對(duì)磁共振了解多少呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于什么是磁共振的內(nèi)容，希望大家喜歡!

　　什么是磁共振

　　磁共振指的是自旋磁共振(spin magnetic resonance)現(xiàn)象。其意義上較廣，包含核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)、電子順磁共振(electron paramagnetic resonance, EPR)或稱電子自旋共振(electron spin resonance, ESR)。

　　此外，人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｕf的磁共振，是指磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)，其是利用核磁共振現(xiàn)象制成的一類用于醫(yī)學(xué)檢查的成像設(shè)備。

　　磁共振的基本原理

　　磁共振(回旋共振除外)其經(jīng)典唯象描述是：原子、電子及核都具有角動(dòng)量，其磁矩與相應(yīng)的角動(dòng)量之比稱為磁旋比γ。磁矩M 在磁場(chǎng)B中受到轉(zhuǎn)矩MBsinθ(θ為M與B間夾角)的作用。此轉(zhuǎn)矩使磁矩繞磁場(chǎng)作進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)的角頻率ω=γB,ωo稱為拉莫爾頻率。由于阻尼作用，這一進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)會(huì)很快衰減掉，即M達(dá)到與B平行，進(jìn)動(dòng)就停止。但是，若在磁場(chǎng)B的垂直方向再加一高頻磁場(chǎng)b(ω)(角頻率為ω)，則b(ω)作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使M離開B,與阻尼的作用相反。如果高頻磁場(chǎng)的角頻率與磁矩進(jìn)動(dòng)的拉莫爾(角)頻率相等ω =ωo,則b(ω)的作用最強(qiáng)，磁矩M的進(jìn)動(dòng)角(M與B角的夾角)也最大。這一現(xiàn)象即為磁共振。

　　磁共振也可用量子力學(xué)描述：恒定磁場(chǎng)B使磁自旋系統(tǒng)的基態(tài)能級(jí)劈裂，劈裂的能級(jí)稱為塞曼能級(jí)(見塞曼效應(yīng))，當(dāng)自旋量子數(shù)S=1/2時(shí)，其裂距墹E=gμBB,g為朗德因子,μ為玻爾磁子，e和me為電子的電荷和質(zhì)量。外加垂直于B的高頻磁場(chǎng)b(ω)時(shí)，其光量子能量為啚ω。如果等于塞曼能級(jí)裂距，啚ω=gμBB=啚γB，即ω=γB(啚=h/2π，h為普朗克常數(shù))，則自旋系統(tǒng)將吸收這能量從低能級(jí)狀態(tài)躍遷到高能級(jí)狀態(tài)(激發(fā)態(tài))，這稱為磁塞曼能級(jí)間的共振躍遷。量子描述的磁共振條件ω=γB，與唯象描述的結(jié)果相同。

　　當(dāng)M是順磁體中的原子(離子)磁矩時(shí)，這種磁共振就是順磁共振。當(dāng)M是鐵磁體中的磁化強(qiáng)度(單位體積中的磁矩)時(shí)，這種磁共振就是鐵磁共振。當(dāng)M=Mi是亞鐵磁體或反鐵磁體中第i個(gè)磁亞點(diǎn)陣的磁化強(qiáng)度時(shí)，這種磁共振就是由 i個(gè)耦合的磁亞點(diǎn)陣系統(tǒng)產(chǎn)生的亞鐵磁共振或反鐵磁共振。當(dāng)M是物質(zhì)中的核磁矩時(shí)，就是核磁共振。這幾種磁共振都是由自旋磁矩產(chǎn)生的，可以統(tǒng)一地用經(jīng)典唯象的旋磁方程dM/dt=γMBsinθ[相應(yīng)的矢量方程為d M/dt=γ( M×B]來描述。

　　回旋共振帶電粒子在恒定磁場(chǎng)中產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。設(shè)電荷為q、質(zhì)量為m的帶電粒子在恒定磁場(chǎng)B中運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度為v。當(dāng)磁場(chǎng)B與速度v相互垂直時(shí)，則帶電粒子會(huì)受到磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力作用，使帶電粒子以速度v繞著磁場(chǎng)B旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角頻率稱為回旋角頻率。如果在垂直B的平面內(nèi)加上高頻電場(chǎng)E(ω)(ω為電場(chǎng)的角頻率)，并且ω=ωc，則這帶電粒子將周期性地受到電場(chǎng)E(ω)的加速作用。因?yàn)檫@與回旋加速器的作用相似，故稱回旋共振。又因?yàn)椴患痈哳l電場(chǎng)時(shí)，這與抗磁性相類似，故亦稱抗磁共振。當(dāng)v垂直于B時(shí)，描述這種共振運(yùn)動(dòng)的方程是d(mv)/dt=q(vB),若用量子力學(xué)圖像描述，可以把回旋共振看作是高頻電場(chǎng)引起帶電粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的朗道能級(jí)間的躍遷，滿足共振躍遷的條件是：

　　ω=ωc。

　　各種固體磁共振在恒定磁場(chǎng)作用下的平衡狀態(tài)，與在恒定磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)(回旋共振時(shí)為高頻電場(chǎng))同時(shí)作用下的平衡狀態(tài)之間，一般存在著固體內(nèi)部自旋(磁矩)系統(tǒng)(回旋共振時(shí)為載流子系統(tǒng))本身及其與點(diǎn)陣系統(tǒng)間的能量轉(zhuǎn)移和重新分布的過程，稱為磁共振弛豫過程，簡(jiǎn)稱磁弛豫。在自旋磁共振的情形，磁弛豫包括自旋(磁矩)系統(tǒng)內(nèi)的自旋-自旋(S-S)弛豫和自旋系統(tǒng)與點(diǎn)陣系統(tǒng)間的自旋-點(diǎn)陣(S-L)弛豫。從一種平衡態(tài)到另一種平衡態(tài)的弛豫過程所經(jīng)歷的時(shí)間稱為弛豫時(shí)間，它是能量轉(zhuǎn)移速率或損耗速率的量度。共振線寬表示能級(jí)寬度，弛豫時(shí)間表示該能態(tài)壽命。磁共振線寬與磁弛豫過程(時(shí)間)有密切的聯(lián)系，按照測(cè)不準(zhǔn)原理，能級(jí)寬度與能態(tài)壽命的乘積為常數(shù)，即共振線寬與弛豫時(shí)間(能量轉(zhuǎn)移速度)成反比。因此，磁共振是研究磁弛豫過程和磁損耗機(jī)制的一種重要方法。

　　磁共振的實(shí)驗(yàn)方法

　　通常，當(dāng)外加恒定磁場(chǎng)Be在0.1～1.0T(材料的內(nèi)磁場(chǎng)BBe)時(shí)，各種與電子有關(guān)的磁共振頻率都在微波頻段，而核磁共振頻率則在射頻頻段。這是因?yàn)樵雍速|(zhì)量與電子質(zhì)量之比至少1836倍的緣故。雖然觀測(cè)這兩類磁共振分別應(yīng)用微波技術(shù)和無線電射頻技術(shù)，但其實(shí)驗(yàn)裝置的組成與測(cè)量原理卻是類似的。磁共振實(shí)驗(yàn)裝置由微波(或射頻)源、共振系統(tǒng)、磁場(chǎng)系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)組成，如圖3。微波(或射頻)源產(chǎn)生一定角頻率ω(或頻率掃描)的電磁振蕩，送到裝有樣品的共振系統(tǒng)(共振腔或共振線圈)，共振系統(tǒng)中的高頻磁場(chǎng)bω[回旋共振時(shí)為電場(chǎng)E(ω)]與磁場(chǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)B 垂直，當(dāng)保持源的頻率不變而改變恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度(磁場(chǎng)掃描)，或保持恒定磁場(chǎng)強(qiáng)度不變而改變?cè)吹念l率(頻率掃描)，達(dá)到共振條件ω=γH 時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)便可測(cè)得樣品對(duì)高頻電磁能量的吸收Pa與磁場(chǎng)B(或頻率ω)的關(guān)系，即共振吸收曲線,如圖4a。在共振信號(hào)微弱(例如核磁共振或順磁共振)的情況下，可以采用調(diào)制技術(shù)，測(cè)量共振吸收微分曲線，以提高檢測(cè)靈敏度。磁共振的重要參數(shù)是發(fā)生最大共振吸收的共振磁場(chǎng)Bo、共振線寬(相應(yīng)于最大共振吸收一半的磁場(chǎng)間隔)ΔB、共振吸收強(qiáng)度(最大吸收P或共振曲線面積)和共振曲線形狀(包括對(duì)稱性和精細(xì)結(jié)構(gòu)等)。當(dāng)共振曲線為洛倫茲線型時(shí)，共振微分曲線的極值間隔ΔBpp與共振線寬ΔB具有簡(jiǎn)單的關(guān)系：。在采用頻率掃描代替磁場(chǎng)掃描時(shí)，相應(yīng)的共振曲線和參數(shù)中的磁場(chǎng)B都換為角頻率ω，如共振頻率ωo，共振線寬Δω等。在特殊情況下，還可以采用脈沖源、傅里葉變換、多次累積等技術(shù)來提高靈敏度或分辨率等。

　　磁共振的具體分類

　　具有不同磁性的物質(zhì)在一定條件下都可能出現(xiàn)不同的磁共振。下面列出物質(zhì)的各種磁性及相應(yīng)的磁共振：各種磁共振既有共性又有特性。其共性表現(xiàn)在基本原理可以統(tǒng)一地唯象描述，而特性則表現(xiàn)在各種共振有其產(chǎn)生的特定條件和不同的微觀機(jī)制?；匦舱駚碜暂d流子在軌道磁能級(jí)之間的躍遷，其激發(fā)場(chǎng)為與恒定磁場(chǎng)相垂直的高頻電場(chǎng)，而其他來自自旋磁共振的激發(fā)場(chǎng)為高頻磁場(chǎng)。核磁矩比電子磁矩約小三個(gè)數(shù)量級(jí)，故核磁共振的頻系和靈敏度都比電子磁共振的低得多。弱磁性物質(zhì)的磁矩遠(yuǎn)低于強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁矩，故弱磁共振的靈敏度又比強(qiáng)磁共振低，但強(qiáng)磁共振卻必須考慮強(qiáng)磁矩引起的退磁場(chǎng)所造成的影響。