nmr超强磁场中核磁共振信号与屏蔽效应

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1、波谱学杂志第２７卷第２期Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．２２０１０年６月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅＪｕｎ．２０１０文章编号：１０００４５５６（２０１０）０２２３００８超强磁场中核磁共振信号与屏蔽效应的理论研究张帆１，胡一帆１，胡泽宇２（１．华中科技大学物理学院，湖北武汉４３００７４；２．华中科技大学控制科学与工程系，湖北武汉４３００７４）摘要：研究了超强磁场对于核磁共振样品中双原子分子中电子系统的哈密顿量的

2、影响，并且给出了磁共振信号中由于外磁场与氢原子电子系统相互作用所产生的含有犅２的修正项．０基于核磁共振原理，获得了利用氢的ＮＭＲ谱对超强磁场进行精确测量的理论依据，推导出了一种基于核磁共振技术的超强磁场测量公式，从而在理论上证明了对超强磁场进行精确测量是可行的．关键词：核磁共振（ＮＭＲ）；强磁场；磁场测量；核磁屏蔽中图分类号：Ｏ４８２．５３，Ｏ４４１文献标识码：Ａ引言随着现代科学技术的不断发展和创新，作为极端实验条件之一的强磁场技术在现代科学研究中发挥着越来越重要的作用．强磁场是现代实验物理研究最有效的工具之一，也在材料

3、学、生命科学等其它学科领域得到广泛应用，随着强磁场的研究工作的深入，它必定会在这些领域产生极其深远的影响．当今，磁场测量的技术有效地利用了各种物理定律和物理现象，发展的比较成熟，测量的范围和精度也不尽相同，其中应用较为广泛的方法有：磁力法、磁饱和法、电磁感应法、电磁效应法、磁共振法、超导效应法以及［１－３］磁光效应法．然而，不断深入的研究也对磁场在空间、时间和形态等各个方面提出了更加苛刻的要求，特别是如何在超强磁场下进行精确测量，这对磁场测量技术提出了收稿日期：２００９０７２３；收修改稿日期：２００９１０２３基金

4、项目：华中科技大学理学院基金资助项目．作者简介：张帆（１９８４），男，浙江海宁人，硕士研究生，从事弱磁场物理与测量方向的研究．通讯联系人：胡一帆，电话：０２７８７５５７４９３，Ｅｍａｉｌ：ｙｉｆａｎｈｕ２００７＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ．第２期张帆等：超强磁场中核磁共振信号与屏蔽效应的理论研究２３１新的挑战．相比于传统的电磁感应法和磁光效应法等磁场测量技术，利用核磁共振技术测量磁场的主要优点在于它是利用测量共振频率来得到磁场强度的，频率测量不是相对测量量，具有绝对性，并可以为其它测量方法提供标定，而且同时还提高了

5、测量的精度和可靠性．［４，５］因此，最近几年随着＞５０Ｔ以上的超强磁体的研究取得一系列的进展，利用核［６］磁共振技术测量超强磁场也越来越受到重视．２００４年，ＨａａｓｅＪ等人首先提出了利用［７］［８］核磁共振原理测量强磁场的方法，从那时起，分别进行了在１．３ＧＨｚ、２ＧＨｚ以及［９］１２．４ＧＨｚ超强磁场下的ＨＮＭＲ实验．在２．４ＧＨｚ的实验中，探针样品磁矩的弛豫时间犜大约为２５０探针在共振频率为２．３８ＧＨｚ时的空载品质因数为４０．因此，利用１μｓ．核磁共振方法测量是可行的．以往在进行核磁屏蔽计算的时候（例如Ｒａｍｓｅ

6、ｙＮＦ等人对于核磁屏蔽计算），所考虑的磁场一般在１０Ｔ以内，因此可以忽略磁场的平方项，仅取出那些和犅线性相关的二阶微扰能量项，这样就可以得到核磁共振样品的屏蔽常数．０μ然而，在超强磁场（＞１０Ｔ）条件下，磁场平方项犅２不能忽略，本文针对强磁场条件，试０图进一步分析由磁场强度的平方项造成的二级微扰修正，并具体计算对于氢分子情况所造成的影响，给出此时二级微扰能量修正．最终目的是要推导出由直接测量量———测试探针所获得的ＮＭＲ频率与探针样品的旋磁比、屏蔽常数、磁感应强度这几个参量之间的关系，建立精确测量超强磁场的理论基础．１计

7、算屏蔽常数的基本方法在给定射频频率条件下，质子共振的磁场强度与它的化学环境有关．质子实际所经受的磁场强度并不等于外磁场，这里引入一个常数σ，称为屏蔽常数，则表示在液体中核受到的实际磁场强度犅核＝犅０－σ犅０＝犅０（１－σ）（１）需要指出，σ只和核所处的化学环境有关，而与外磁场无关．对于（１）式可以这样解释：由于受到核外电子的屏蔽作用，核实际受到的磁场强度由２个部分组成，一部分来自于外磁场犅，另一部分则是由于核外电子云在犅作用下诱导出一个方向与犅相反０００的逆磁项，它抵消了一部分σ犅的作用．而对于固体来说σ是一个二阶张量，

8、它是各向０异性的．对于分子中一个确定核的磁屏蔽常数来说，我们可以假设其他核的磁矩为０，而我们所研究的核则在外磁场犅方向上具有一个磁矩用σ表示所求的磁屏蔽常数．０μ．λ如果施加１个单位强度的外磁场，则由于电子运动原子核部分会产生一项包含有σ且λ反平行于外场的磁场．然后可以计算当前分子系统中的能量，把那些与犅线性相关的０