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超导核磁共振仪基本构成及其工作原理

发布时间:2017-12-19 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:5220

1.仪器基本构成

以300MHz超导核磁共振仪为例,核磁共振仪包括超导磁体、探头、前置放大器、机柜、操作盘和操作系统,如图18-2所示。

超导核磁共振仪的超导磁体(图18-3)是将铌-钛合金导线绕成的螺线管线圈,通过一定电流产生磁场,在温度接近绝对零度时,螺线管线圈内阻几乎为零,成为超导体,消耗的电功也接近零。一旦在超导线圈中充入一定电流强度的电流,此电流会持续不断地在线圈中循环流动,从而形成稳定的永久磁场。为保持永久磁场,须将线圈放入液氦环境中,为减少液氦损失,要用液氮冷却液氦。此外,超导磁体还有传感器、液氮腔、液氦腔、引管、引线、阀门等。

图18-2    300MHz 超导核磁共振仪系统结构示意图

图18-3    300MHz超导磁体结构

核磁共振仪的控制机柜由开关、放大器、CCU、FCU、GCU及TCU等组成,如图18-4所示。

图18-4300MHz超导核磁共振仪的控制机柜示意图

核磁共振仪的探头(图18-5)由发射线圈(X轴上)、接收线圈(Y轴上)、调谐等组成。

图18-5300MHz超导核磁共振仪探头

2.工作原理

核磁共振活性的核子在放入外加静止磁场后具有拉莫尔进动频率并发生塞曼分裂,分裂后核子数目分布服从玻尔兹曼原则,最终产生初始磁化矢量。此磁化矢量在受到探头中处于x-y平面(与静止磁场方向垂直)的动磁场(即射频脉冲对应的运动旋转磁场)的扰动后,会吸收特定频率的电磁波导致核子的数目分布与相位分布发生改变,从而实现核子从较低的能级跃迁到较高能级并产生共振吸收。待扰动完成后,处于高能态的核子在内在磁场的驱动下,相应核子的进动频率发生改变,从而使原本进动频率相同的核子转变为具有特定对应频率的谱带,通过建立谱图出峰频率与相关内生磁场的必然联系就有可能推导出相关化合物的结构信息。这些内在磁场可由分子内的成键电子、核子间的磁偶极作用等引起。核子进动频率的改变会诱发处于探头中的马鞍形接收线圈内的磁通量的改变而产生感应电流,这种感应电流就是核磁共振的初始信号,此感应电流经过预放大、放大及数字化处理后,再进一步通过傅里叶变换得到核磁共振谱。为保证所测定的核子频率的改变只是起因于核子的内在磁场而非外磁场,必须通过一套额外系统保证外加静止磁场的稳定性与均匀性。例如,Bruker公司的核磁共振仪是由BSMS系统来完成的。核磁共振波谱学是光谱学的一个分支,其共振频率在射频波段。

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