第4章 · 4.3

4.3 脉冲与矢量模型

RF Pulses and the Vector Model
本页范围与学习目标
本节以宏观磁化的经典矢量模型解释短射频脉冲。统一右手坐标、相位、旋磁比单位与旋转射频分量的幅度定义,从共振翻转角推到偏置有效场,并用可核验算例比较幅度和相位响应。由此说明90°与180°脉冲的不同作用、激发带宽的条件,以及脉冲参数如何影响谱峰证据。
先读图解和核心解释;需要细节时再展开。
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脉冲相位与脉宽分别控制什么

脉冲可以用磁化矢量描述,但参数需要与实际射频条件对应。

脉冲相位与脉宽分别控制什么 步骤 1 确定转动轴 射频相位规定方向 使用同一旋转约定 步骤 2 确定翻转角 幅度与脉宽共同控制 先在实际条件校准 步骤 3 检查离共振 偏置改变有效场 带宽有评价条件 脉冲相位与脉宽分别控制什么 步骤 1 确定转动轴 射频相位规定方向 使用同一旋转约定 步骤 2 确定翻转角 幅度与脉宽共同控制 先在实际条件校准 步骤 3 检查离共振 偏置改变有效场 带宽有评价条件
图 4.3-1 本页概念关系图。箭头表示本页采用的检查顺序。

读图时保留这项条件:同一脉宽在不同射频幅度下不保证产生同一翻转角。

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改变射频相位和翻转角,追踪磁化终点

先选 90° 或 180°,再改变射频相位;可播放翻转过程。

改变射频相位和翻转角,追踪磁化终点xyz
终态分量随翻转角改变
终态分量随翻转角改变归一磁化-1-0.500.51090180270360翻转角 / °
Mx′/M00
My′/M01
Mz/M00
90 °
0 °
改变射频相位和翻转角,追踪磁化终点xyz

图 4.3-2 采用正文的右手坐标与磁化叉乘约定,零相位正幅度 90° 脉冲将 +z 送到 +y′;忽略脉冲期间弛豫与耦合。

4.3.1 脉冲改变的是磁化方向

前一节把射频发射链与样品响应联系起来。本节以第3章的共振频率和第4.2节的脉冲校准为先修,学习从幅度、宽度、相位与载频判断一次激发的效果。这里只需要向量分量、正弦和余弦;密度矩阵以及耦合自旋的完整演化留到第4.10节。读完应能计算共振翻转角,解释同一脉冲为何不能对所有频率产生完全相同的响应,并区分反转磁化与形成回波。

展开说明与推导

宏观磁化(macroscopic magnetization)是单位体积内核磁矩的矢量和。在热平衡下,静磁场沿 \(+z\),样品有一个沿 \(+z\) 的净磁化 \(M_0\);横向分量的统计平均为零。这里的箭头代表许多核的集体平均,不能理解成每个氢核都具有同一根确定朝向的经典箭头。对具有相同共振频率的一组核,可以用 \(\mathbf M=(M_x,M_y,M_z)\) 追踪净磁化。

在短脉冲期间先忽略弛豫,磁化的变化满足下式。取氢核旋磁比 \(\gamma>0\),单位为 \(\mathrm{rad\,s^{-1}\,T^{-1}}\);\(\nu_0>0\) 为以 Hz 表示的共振频率,\(\omega_0=2\pi\nu_0>0\) 为其角频率大小。\(B_{\mathrm{loc}}\) 是包括化学屏蔽影响的局部有效静磁场,而实验室设置的宏观静磁场记为 \(B_0\)。

\[ \frac{\mathrm d\mathbf M}{\mathrm dt}=\gamma\mathbf M\times\mathbf B, \qquad \omega_0=\gamma B_{\mathrm{loc}}=2\pi\nu_0 . \]
(4.3-1)

坐标系取右手性,即 \(\hat{\mathbf x}\times\hat{\mathbf y}=\hat{\mathbf z}\)。由式中叉乘可知,沿 \(+x\) 的磁化在 \(+z\) 场中首先朝 \(-y\) 移动,所以其方位角按 \(-\omega_0\) 变化。正的吸收频率与负的几何转动方向并不冲突;氢核的 Zeeman 能量仍为 \(E_m=-\hbar\omega_0m\),\(m=+1/2\) 的 \(\alpha\) 态较低。脉冲运动采用这一套符号到底,避免把文献中的不同轴约定直接拼接起来(Bloch,1946;Levitt,2008)。

模型范围

本页的计算针对均匀射频场、矩形脉冲和一个初始沿 \(+z\) 的磁化分量。要求脉宽 \(t_p\) 相对 \(T_1,T_2\) 足够短,且脉冲期间的耦合演化可忽略,即 \(|J|t_p\ll1\)。\(J\) 以 Hz、\(t_p\) 以 s 表示。弛豫时间的含义将在第4.4节展开;这些近似也不能描述所有长选择性脉冲或强耦合自旋系统。

4.3.2 旋转坐标系与射频场的幅度

旋转坐标系(rotating frame)是一套绕 \(z\) 轴随射频载频转动的坐标轴,横向轴写成 \(x',y'\)。令载频 \(\nu_{\mathrm{rf}}>0\),\(\omega_{\mathrm{rf}}=2\pi\nu_{\mathrm{rf}}\),坐标轴的几何角速度取 \(-\omega_{\mathrm{rf}}\hat{\mathbf z}\)。一个恰好以该速度进动的横向磁化,在这套坐标中显得静止。偏离载频的磁化仍会转动,但只需跟踪两者的频率差;更换坐标并没有撤去真实的 \(B_0\)。

展开说明与推导

射频线圈产生垂直于静磁场的磁场。若实验室中的场沿一条固定轴线性振荡,其峰值记为 \(B_{\mathrm{lin}}\),可拆成两个反向旋转的圆偏振分量。下面取零相位,并用实验室单位向量写出分解,两个旋转分量的幅度都为 \(B_{\mathrm{lin}}/2\)。

\[ B_{\mathrm{lin}}\cos(\omega_{\mathrm{rf}}t)\hat{\mathbf x} =\frac{B_{\mathrm{lin}}}{2} [\cos(\omega_{\mathrm{rf}}t)\hat{\mathbf x}-\sin(\omega_{\mathrm{rf}}t)\hat{\mathbf y}] +\frac{B_{\mathrm{lin}}}{2} [\cos(\omega_{\mathrm{rf}}t)\hat{\mathbf x}+\sin(\omega_{\mathrm{rf}}t)\hat{\mathbf y}] . \]
(4.3-2)

第一个分量与正旋磁比氢核同向转动,在本页的旋转坐标系中沿 \(+x'\)。第二个分量在该坐标系中快速转动。近共振且射频幅度远小于静磁场时,采用旋转波近似(rotating-wave approximation),忽略第二个分量的快速作用。本页此后的 \(B_1\) 一律表示第一个、同向旋转分量的幅度,单位为 T。因此对上述线性场,\(B_1=B_{\mathrm{lin}}/2\);若已直接给出圆偏振场幅度,就无需再除以二。

这一幅度定义必须先于翻转角计算。将线性振荡峰值代入本页的 \(B_1\) 公式,会把翻转角算成正确值的两倍。实际仪器通常通过样品上的脉冲响应校准有效射频幅度,软件中的功率数值并不直接等于以 T 表示的 \(B_1\)。文献也可能把 \(\gamma\) 写成以 Hz/T 表示的量;Hornak 的旋转角公式因此含有 \(2\pi\),本页则把角频率单位包含在 \(\gamma\) 内(Hornak,无日期;Keeler,2010)。

4.3.3 相位规定轴,翻转角规定转动量

射频相位(RF phase)规定同向旋转射频场相对 \(x',y'\) 轴的方向。本页定义相位 \(\phi\) 使该场为 \(B_1(\cos\phi\,\hat{\mathbf x}'+\sin\phi\,\hat{\mathbf y}')\):零相位沿 \(+x'\),相位 \(90^\circ\) 沿 \(+y'\)。这里的相位是脉冲场的方向,接收信号的相位还取决于接收参考和后续处理,不能把两个设定视作同一个操作。改变射频相位无需移动线圈;同一线圈的振荡电流相对于时间参考改变,相应的同向旋转分量便在旋转坐标中指向另一条横向轴。

展开说明与推导

在共振(on resonance)条件 \(\nu_0=\nu_{\mathrm{rf}}\) 下,磁化只需绕旋转坐标中的射频场方向转动。定义 \(\omega_1=\gamma B_1\) 为转动角速度的大小,\(\nu_1=\omega_1/(2\pi)\) 为以 Hz 表示的章动频率(nutation frequency)。矩形脉冲的幅度在 \(t_p\) 内保持不变,故翻转角(flip angle)的绝对大小为

\[ \theta=\gamma B_1t_p=2\pi\nu_1t_p,\qquad t_{90}=\frac{1}{4\nu_1},\qquad t_{180}=\frac{1}{2\nu_1}. \]
(4.3-3)

\(\theta\) 以 rad 计。它是绕指定轴的转动量,并不保证任意初始向量与终态的夹角都等于 \(\theta\):沿该轴的向量在整个脉冲中不动。按式(4.3-1)的方向约定,零相位场使初始 \(+z\) 磁化先朝 \(+y'\) 移动;绕 \(+x'\) 的几何转动是负右手转角。初态为 \(M_0\hat{\mathbf z}\) 时,各分量可直接由圆周运动写成

\[ M_{x'}=0,\qquad M_{y'}=M_0\sin\theta,\qquad M_z=M_0\cos\theta . \]
(4.3-4)

于是共振 90° 脉冲产生 \(+y'\) 横向磁化,共振 180° 脉冲产生 \(-z\) 纵向磁化。将相位改为 \(90^\circ\),同样的 90° 翻转把 \(+z\) 送至 \(-x'\);相位改为 \(180^\circ\) 则送至 \(-y'\)。这些终态只属于本页已定义的约定。教材或仪器程序若采用相反的主动旋转或相位符号,应先换算约定,再比较图中的正负轴。

图 4.3-3 共振脉冲的转动轨迹 两幅图均在y撇z平面观察,y撇向右,z向上,x撇指向读者。射频场沿x撇。左图磁化从正z沿顺时针四分之一圆转至正y撇,右图继续沿半圆转至负z。图为理想短矩形脉冲的原创示意。 共振 90°:纵向转为横向 共振 180°:纵向磁化反转 +y′+z +y′+z −z−z 初态 M₀终态 初态 M₀终态 −M₀ ⊙ +x′ 指向读者;B₁ 沿 +x′ 同一幅度下,脉宽为左图的两倍 理想示意;箭头方向依照本页的 dM/dt = γ M × B 约定
图 4.3-3 共振零相位脉冲的原创轨迹示意。两图观察的是 \(y'z\) 平面,圆点表示指向读者的 \(+x'\) 轴;对初始 \(+z\) 磁化,90° 终态沿 \(+y'\),180° 终态沿 \(-z\)。实际脉冲后的净磁化还受偏置和场均匀性影响。

4.3.4 从脉宽算到幅度,再检查校准曲线

设某样品在选定发射幅度下的共振 \(t_{90}=10.0\,\mu\mathrm s\)。这是教学设定,未进行仪器测量。先把脉宽换成 \(1.00\times10^{-5}\,\mathrm s\),由式(4.3-3)得到 \(\nu_1=1/(4t_{90})=25.0\,\mathrm{kHz}\),再得到 \(\omega_1=2\pi\nu_1\)。以 NIST 的2022 CODATA 质子旋磁比推荐值作近似,\(\gamma/(2\pi)\) 约为 \(42.5775\,\mathrm{MHz\,T^{-1}}\),所以旋转分量 \(B_1=\nu_1/[\gamma/(2\pi)]\) 约为 \(0.587\,\mathrm{mT}\)。这里保留的位数只用于教学换算,不代表样品中射频场的测量精度。

展开说明与推导

同一幅度下,20.0 微秒产生 180° 翻转,30.0 微秒产生 270° 翻转。表中信号用带符号的 \(M_{y'}/M_0\) 表示,接收参考固定,不在每次脉宽变化后重新把峰调成正峰。否则正负响应都被显示为正值,校准曲线会丢掉辨认转动周期所需的信息。

表 4.3-1 共振矩形脉冲的理论校准点;教学设定 \(\nu_1=25.0\,\mathrm{kHz}\)
脉宽 / 微秒翻转角\(M_{y'}/M_0\)\(M_z/M_0\)
5.045°0.70710.7071
10.090°1.00000.0000
20.0180°0.0000−1.0000
30.0270°−1.00000.0000
40.0360°0.00001.0000
展开说明与推导

实验校准需要选取接近载频且可独立观察的信号,改变脉宽并检查带符号的响应。在理想条件下,首个正极大值和后续零点共同约束 \(t_{90}\)。单次信号弱不能直接证明脉宽等于 \(t_{180}\):接收失真、偏置、磁化恢复不足或样品中 \(B_1\) 的分布也会使信号减小。完整的条件记录至少包括样品与装载、探头、发射幅度、载频、重复延迟和校准信号。

幅度改变后的换算

若保持10微秒脉宽而把 \(B_1\) 加倍,\(\nu_1\) 变为50 kHz,翻转角变为180°。只有在探头负载、调谐及发射链保持不变并处于线性响应时,才可用 \(B_1\propto\sqrt P\) 推断所需射频功率 \(P\) 约为原来的四倍。这是物理比例,不能代替具体仪器的功率上限和脉冲校准;改变样品或探头后应重新检查(Keeler,2002,第5章)。

习题 4.3-1 核对幅度与单位

教学设定 \(\gamma/(2\pi)=42.5775\,\mathrm{MHz\,T^{-1}}\),同向旋转分量 \(B_1=0.400\,\mathrm{mT}\)。计算 \(\nu_1,t_{90},t_{180}\)。若这个数值实际是线性振荡峰值 \(B_{\mathrm{lin}}\),答案如何改变?

参考解答

先用 \(0.400\,\mathrm{mT}=4.00\times10^{-4}\,\mathrm T\),故 \(\nu_1=(42.5775\times10^6)(4.00\times10^{-4})=17031\,\mathrm{Hz}\)。再算 \(t_{90}=1/(4\nu_1)=14.68\,\mu\mathrm s\),\(t_{180}=29.36\,\mu\mathrm s\)。若给的是线性峰值,则同向分量只有 \(0.200\,\mathrm{mT}\),\(\nu_1\) 减半为8515.5 Hz,两个脉宽分别增为29.36和58.72微秒。少做这次除二会把实际翻转角高估一倍。

4.3.5 偏置使有效场倾斜

偏置频率(frequency offset)定义为 \(\Delta\nu=\nu_0-\nu_{\mathrm{rf}}\),单位为 Hz;相应角频率差为 \(\Delta\omega=2\pi\Delta\nu\)。一个载频只能与某个频率严格重合,样品中其他化学环境通常都有偏置。将式(4.3-1)变换到前述旋转坐标,零相位矩形脉冲期间的变化等效于绕下列有效场(effective field)进动:

展开说明与推导
\[ \mathbf B_{\mathrm{eff}} =B_1\hat{\mathbf x}'+\frac{\Delta\omega}{\gamma}\hat{\mathbf z}, \qquad \nu_{\mathrm{eff}}=\sqrt{\nu_1^2+\Delta\nu^2}, \qquad \beta=2\pi\nu_{\mathrm{eff}}t_p . \]
(4.3-5)

\(\beta\) 是绕有效场的转动量。有效场与横向 \(x'\) 轴的夹角记为 \(\alpha\),满足 \(\tan\alpha=\Delta\nu/\nu_1\),其中 \(-90^\circ<\alpha<90^\circ\)。当偏置为零时,\(\alpha=0\)、\(\beta=\theta\);偏置增大时,有效场朝 \(+z\) 或 \(-z\) 倾斜,同时转动速率增加。只把增加后的速率代入共振公式会遗漏轴的变化,因而不能用“翻转得更快”解释终态。

可以把初始 \(+z\) 向量分为平行和垂直于有效场的两部分。平行部分不变,垂直部分绕有效场转动,再投影回 \(x',y',z\)。令 \(a=\nu_1/\nu_{\mathrm{eff}}\)、\(b=\Delta\nu/\nu_{\mathrm{eff}}\),则 \(a^2+b^2=1\),归一化终态分量 \(m_k=M_k/M_0\) 为

\[ m_{x'}=ab(1-\cos\beta),\qquad m_{y'}=a\sin\beta,\qquad m_z=b^2+a^2\cos\beta,\qquad m_\perp=\sqrt{m_{x'}^2+m_{y'}^2}. \]
(4.3-6)

仍取10微秒、25 kHz 的共振90°设定。若某信号偏置 \(+25\,\mathrm{kHz}\),则 \(a=b=1/\sqrt2\),有效场倾角为45°,\(\beta=(\pi/2)\sqrt2=127.28^\circ\)。代入得 \(m_{x'}=0.8029\)、\(m_{y'}=0.5626\)、\(m_z=0.1972\),横向总量 \(m_\perp=0.9804\)。横向总量看似接近一,但它的方向已明显偏离 \(+y'\)。固定接收相位下,谱峰的吸收与色散成分会因此改变;只比较总量会漏掉相位误差。

偏置同样影响180°脉冲。保持上述幅度,将脉宽延长到20微秒,在载频处磁化确实反转;但对偏置 \(+25\,\mathrm{kHz}\) 的分量,\(\beta=\pi\sqrt2=254.56^\circ\),由式(4.3-6)得 \(m_z=(1+\cos\beta)/2=0.3669\)。它仍有正的纵向磁化,远未达到目标 \(-1\)。因此“校准为180°”只说明共振条件,反转带宽还须单独评价。

若偏置改为 \(-25\,\mathrm{kHz}\),\(m_{x'}\) 改号,而 \(m_{y'}\)、\(m_z\) 不变。这是同一公式的可检查对称性。若偏置进一步增为 \(+50\,\mathrm{kHz}\),可算得 \(m_z=0.6136\),横向总量降为0.7896。偏置造成的响应既包含幅度差,也包含终态方向差(Keeler,2002)。

图 4.3-4 有效场和偏置响应 左图以频率单位画出有效场,横向分量为章动频率,纵向分量为偏置,偏置等于章动频率时轴倾斜45度。右图由本页公式计算归一化横向总量和y撇分量随偏置与章动频率之比的曲线;两者并不相等,响应不是平顶频率窗口。 有效场的频率表示 共振90°矩形脉冲的理论响应 x′z ν₁Δν νeffα 示例:Δν = ν₁,α = 45° 偏置残余项属于坐标变换结果 1.00.50−0.5−1.0 −4−2024 偏置比 r = Δν / ν₁ 横向总量 m⊥ 分量 my′
图 4.3-4 有效场及偏置响应的原创教学图。左图把场乘以 \(\gamma/(2\pi)\) 后用 Hz 表示;右图按式(4.3-6)计算,保持 \(2\pi\nu_1t_p=\pi/2\)。曲线表示脉冲刚结束的磁化,未加入弛豫、耦合和仪器响应。
习题 4.3-2 偏置响应的逐步检验

仍用 \(\nu_1=25\,\mathrm{kHz}\)、\(t_p=10\,\mu\mathrm s\),将偏置设为 \(+5\,\mathrm{kHz}\)。求倾角、有效转动量和终态分量,解释为何横向总量接近一仍不能说各峰响应相同。

参考解答

偏置比 \(r=0.2\),因此 \(\alpha=\arctan0.2=11.31^\circ\),\(\nu_{\mathrm{eff}}=25\sqrt{1.04}=25.495\,\mathrm{kHz}\),\(\beta=90^\circ\sqrt{1.04}=91.78^\circ\)。有 \(a=1/\sqrt{1.04}\)、\(b=0.2/\sqrt{1.04}\),代入式(4.3-6)得 \(m_{x'}=0.1983,m_{y'}=0.9801,m_z=0.0086\),\(m_\perp=0.99996\)。尽管横向总量几乎不变,横向方向相对共振 \(+y'\) 已偏转约 \(\arctan(m_{x'}/m_{y'})=11.44^\circ\)。若采用固定接收相位,响应仍会有频率依赖的相位差。

4.3.6 带宽需要说明评价标准

硬脉冲(hard pulse)指相对所关心频率偏置足够强、足够短的脉冲,适用性由 \(|\Delta\nu|/\nu_1\) 判断。它可以近似同时激发一段频率区域。相应的激发带宽(excitation bandwidth)必须说明允许多大的幅度误差、相位误差或反转误差。一个只要求横向总量保留的实验,与要求各信号具有共同相位的实验,允许的频率范围可以不同。

展开说明与推导

常用 \(1/t_p\) 描述矩形包络的频率尺度,源于其傅里叶变换。若翻转角很小,纵向磁化几乎不变,横向响应可由线性积分求得;略去与时间原点有关的相位因子,幅度随偏置近似按下式变化。

\[ |S(\Delta\nu)|\ \propto\ \left|\frac{\sin(\pi\Delta\nu t_p)}{\pi\Delta\nu t_p}\right|, \qquad \lim_{\Delta\nu\to0} \frac{\sin(\pi\Delta\nu t_p)}{\pi\Delta\nu t_p}=1 . \]
(4.3-7)

该 sinc 包络的首个零点位于 \(\Delta\nu=\pm1/t_p\),两侧首零点间距为 \(2/t_p\);零点之间也不是平顶。对于完整90°脉冲,磁化在脉冲中已明显转离纵向,小翻转角近似不再充分,应使用有效场响应。比如10微秒脉冲的 \(1/t_p=100\,\mathrm{kHz}\),但前面的25 kHz偏置已经产生明显的横向方向差;这个数值绝不能解释为每侧100 kHz内所有峰都得到同样的90°激发。

还可检验响应零点。对共振90°设定,\(\beta=(\pi/2)\sqrt{1+r^2}\),其中 \(r=\Delta\nu/\nu_1\)。当 \(\beta=2\pi\) 时,向量绕有效场完整转一周回到 \(+z\),横向响应为零;首个这样的偏置为 \(|r|=\sqrt{15}\),本例约96.8 kHz。它与小角度 sinc 的100 kHz尺度接近,却来自不同的完整运动条件,不能据此把两条响应曲线等同。

激发窗口与采集窗口

激发带宽描述脉冲怎样改变不同频率的磁化,采集谱宽描述接收和采样允许记录的频率区域。扩大采集谱宽不会补回未被有效激发的信号;脉冲激发较宽也不能避免过窄采集窗口造成的折叠。采样约束见第4.5节。

4.3.7 180°脉冲的作用取决于初态和时序

共振180°脉冲作用于 \(+z\) 初态时,把它送至 \(-z\),称为反转脉冲(inversion pulse)。此时横向分量为零,脉冲刚结束并不自动产生一段强FID。要观察纵向磁化,通常还需等待、再用读出脉冲把它转到横向;等待期间的恢复属于下一节的弛豫问题。

展开说明与推导

同一180°脉冲若作用于已有横向磁化,则沿 \(x'\) 的分量保持不变,沿 \(y'\) 的分量变号。对自由进动产生的不同横向相位,这相当于围绕 \(x'\) 轴重新安排方向。理想的“90°—等待 \(\tau\)—180°—等待 \(\tau\)”时序中,若偏置在两个等待期保持不变、脉冲足够短且覆盖这些偏置,第二个等待期可补偿第一个等待期积累的偏置相位,形成自旋回波(spin echo)。回波是完整时序和演化共同造成的结果,不能把单独180°翻转称为一次回波实验(Hahn,1950)。

这种补偿不会一般性撤销横向弛豫、扩散或所有耦合演化;偏置在等待期间改变,或者180°脉冲本身因偏置而不理想,也会妨碍再聚焦。对结构解析,脉冲参数属于证据条件:某弱峰或缺峰若位于激发边缘,宜先检查载频和脉冲响应,再据其缺失排除含该氢环境的候选结构。

例如教学样品的目标信号覆盖0至12 ppm,按标称500 MHz近似换算,频率跨度约6000 Hz。载频放在6 ppm附近,最大偏置约3000 Hz。10微秒90°脉冲有 \(\nu_1=25000\,\mathrm{Hz}\),最大偏置比约0.12;若把共振90°脉宽延长到100微秒并相应降低幅度,则 \(\nu_1=2500\,\mathrm{Hz}\),该比值增至1.2,有效场倾角由约6.84°增至50.19°。两者在载频处都叫90°脉冲,覆盖整段氢谱的效果却不同。实验记录需同时保留脉宽、幅度、相位和载频。

习题 4.3-3 区分翻转、接收与回波

三个教学实验分别为:甲,在平衡样品上只施加一个共振180°脉冲后立刻接收;乙,在平衡样品上施加90°脉冲后接收;丙,施加90°—\(\tau\)—180°—\(\tau\)并在第二个等待期末接收。忽略弛豫,说明各自磁化的作用,并判断“扩大采集谱宽即可修复偏置导致的激发差异”是否成立。

参考解答

甲的初始纵向磁化被反转为 \(-M_0\hat{\mathbf z}\),理想横向分量仍为零,接收线圈不会因此得到通常的横向FID。乙把纵向磁化转到横向,脉冲后各频率自由进动并产生FID。丙先产生横向磁化,再在两个相等等待期之间用180°脉冲重新安排相位;在偏置静态、脉冲理想的条件下,等待期末再聚焦。完整回波需要初始激发和两个等待期。采集谱宽只改变可记录窗口,不能改变脉冲结束时已经存在的磁化方向与幅度,故上述修复说法不成立。

关键术语

宏观磁化 (macroscopic magnetization)
单位体积内核磁矩的矢量和,本页用其分量描述短脉冲响应。
旋转坐标系 (rotating frame)
绕静磁场轴随载频转动的坐标系,使同向射频分量显得静止。
旋转射频分量 \(B_1\) (co-rotating RF component)
本页指与氢核进动同向的圆偏振场幅度;对线性振荡场等于其峰值的一半。
射频相位 (RF phase)
规定旋转坐标中横向射频场方向的角度。
翻转角 (flip angle)
磁化绕指定脉冲轴的转动量;共振矩形脉冲为 \(\gamma B_1t_p\)。
章动频率 (nutation frequency)
以Hz表示的共振射频转动频率 \(\nu_1=\gamma B_1/(2\pi)\)。
偏置频率 (frequency offset)
本页定义为正共振频率与正载频之差 \(\Delta\nu=\nu_0-\nu_{\mathrm{rf}}\)。
有效场 (effective field)
旋转射频场与坐标变换后残余纵向项的矢量和。
激发带宽 (excitation bandwidth)
脉冲达到规定幅度、相位或反转误差标准的频率范围。
自旋回波 (spin echo)
合适脉冲时序使横向磁化再聚焦产生的响应,受弛豫及实验条件限制。

参考文献与延伸阅读

  1. Hornak, Joseph P. 无日期. The Basics of NMR,第3章“Spin Physics”. Rochester Institute of Technology. 作者教材:旋转坐标和脉冲场。其旋磁比采用Hz/T口径,使用公式前需换算。
  2. Keeler, James. 2002. Understanding NMR Spectroscopy,Chapters 3 & 5: The vector model; How the spectrometer works. University of Cambridge,UC Irvine课程讲义. 第3章讲义;第5章讲义。射频相位与主动转动方向按该讲义约定,引用轴方向时需与本页换算。
  3. Keeler, James. 2010. Understanding NMR Spectroscopy, 2nd ed. Wiley. 出版社书目。用于进一步学习矢量模型与脉冲实验。
  4. Levitt, Malcolm H. 2008. Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance, 2nd ed. Wiley. 出版社图书预览。用于深入阅读旋磁比、转动和射频场的符号体系。
  5. Bloch, F. 1946. Nuclear Induction. Physical Review, 70, 460. 原论文 DOI。宏观磁化与核感应的理论基础。
  6. Hahn, E. L. 1950. Spin Echoes. Physical Review, 80, 580. 原论文 DOI。脉冲后的自由进动及回波形成。
  7. NIST. 2022 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants. 官方常数表。本页场幅度换算采用未屏蔽质子的旋磁比近似;表中另列水中屏蔽质子的值,二者不能当作同一测量条件。