铷原子的光泵磁共振实验
铷原子的光泵磁共振实验
【摘要】
通过光抽运技术和磁共振技术相结合，研究了铷原子的光泵磁共振现象。实验中，通过示波器显示波形，采用扫场法测量磁共振信号，测量了Rb 的朗德因子g F 以及地磁场的强度和磁倾角。
【关键词】
超精细结构 塞曼子能级 光抽运 磁共振 朗德因子
一、引言
光泵，也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非热平衡分布的实验方法。气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，利用磁共振的方法难于观察。实验中使用的光泵磁共振技术，一方面光抽运改变了磁能级上粒子数的分布，另一方面采用光探测的方法克服了磁共振信号弱的缺点，所以光磁共振技术既保持了磁共振的高分辨率，又将探测灵敏度提高了约七八个量级，能在弱磁场下(0.1-1mT)精确检测气体原子能级的超精细结构。
二、 实验原理
2.1铷原子基态和最低激发态的能级
铷Rb 是碱金属原子，其最外层有一个价电子，位于5S 能级上。天然铷中含量大的同位
素有两种：87
Rb 和85Rb 。它们的基态都是52S 1/2。在L —S 耦合下，形成双重态：52P 1/2和52P 3/2，
这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P 到5S 的跃迁产生双线，分别称为D 1和D 2线，它们的波长分别是794.76nm 和780.0nm 。
通过L —S 耦合形成了电子的总角动量P J ，考虑原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I 表示。耦合后的总量子数为F 。角动量相关的原子总磁矩为
2F F
F e
e
g P m μ=- （1） )
1(2)
1()1()1(++-+++=F F I I J J F F g g J
F （2）
其中，F g 是对应于F μ与F P 关系的朗德因子。
在磁场中原子的超精细结构能级产生塞曼分裂，当磁场较弱时为反常塞曼分裂，磁量子
数m F =F ，F-1，…，-F ，所以会产生2F+1个能级间距基本相等的塞曼子能级。如图1所示。
在弱磁场条件下，通过解铷原子的定态薛定谔方程可得其能量本征值为：
0F F B 0h
E E [F(
F 1)J(J 1)I(I 1)]g m B 2
αμ=+
+-+-++ （3）
其中,μB 为玻尔磁矩，α为磁偶极子相互作用常数。由（3）式可得基态2/12
S 5的两个
超精细能级之间的能量差为：
''
[(1)(1)]2
F ah E F F F F ?=
+-+ （4） 相邻塞曼子能级之间（Δ
F m ＝±1）的能量差为：
mF F B 0E g B μ?= （5）
2.2 圆偏振光对铷原子的激发与光抽运效应
一定频率的光引起原子能级之间的跃迁时，需满足一定的条件，即原子和光子的总能量和总动量要守恒。铷原子各激发态能级跃迁如图2所示：
图1
87
Rb 原子能级超精细分裂
图2 铷原子各激发态能级跃迁图
气态87
Rb 原子受+
δ1D 左旋圆偏振光照射时，遵守光跃迁选择定则：
?L=±1，,0=?F ±1，1+=?F m
在由1/22S 5能级到1/22P 5能级的激发跃迁中，由于+
δ光子的角动量为π2/h +,只能产生1+=?F m 的跃迁。因此基态中2+=F m 子能级上的粒子就不能跃迁，换言之其跃迁几率为零。由于+
δ1D 的激发而跃迁到激发态1/22P 5的粒子可以通过自发辐射退回到基态。由
1/22P 5到1/22S 5的向下跃迁（发射光子）中，0=?F m ，1±的各跃迁都是有可的。
当原子经历无辐射跃迁过程从1/22P 5回到1/22S 5 时，则原子返回基态各子能级的概率相等，这样经过若干循环之后，基态2+=F m 子能级上的原子数就会大大增加，即大量原
子被“抽运”到基态的2+=F
m 的子能级上。这就是光抽运效应。各子能级上原子数的这
种不均匀分布叫做“偏极化”，光抽运的目的就是要造成偏极化，有了偏极化就可以在子能级之间得到较强的磁共振信号。 2.3 弛豫过程
在热平衡状态下， 基态各子能级上的粒子数遵从玻尔兹曼分布：
0E
N N exp()kT
=-
（6） 由于在弱磁场中各子能级能量差极小，可近似认为各能级上的粒子数相等。光抽运使能级之间的粒子数之差大大增加，使系统远远偏离热平衡分布状态。系统由偏离热平衡分布状态趋向热平衡分布状态的过程称为弛豫过程。本实验涉及的几个主要弛豫过程有：
（1）铷原子与容器器壁的碰撞：导致子能级之间的跃迁，使原子恢复到热平衡分布。 （2）铷原子之间的碰撞：导致自旋-自旋交换弛豫，失去偏极化。
（3）铷原子与缓冲气体之间的碰撞：缓冲气体的分子磁矩很小（如氮气），碰撞对铷原
子磁能态扰动极小，对原子的偏极化基本没有影响。
铷原子与器壁碰撞是失去偏极化的主要原因。在样品中充进适量缓冲气体可大大减少这种碰撞，使原子保持高度偏极化。另外，温度升高时，铷原子密度升高，与器壁及原子之间的碰撞都增加，使原子偏极化减小，温度过低时，原子数太少，信号幅度很小，故存在一个最佳温度，约为40-60℃。 2.4 塞曼子能级间的磁共振
在垂直于恒定磁场B0的方向上加一圆频率为ω1的线偏振射频场B1,此射频场可分解为一左旋圆偏振磁场与一右旋圆偏振磁场，当g F>0时，μF右旋进动，起作用的是右旋圆偏振磁场，此偏振磁场可写为：
B1= B1（e x cosω1t+e y sinω1t）(7)
当ω1满足共振条件
?ω1=ΔE m F=g FμF B0(8)
时，塞曼子能级之间将产生磁共振，即被抽运到基态m F=+2子能级上的大量粒子在射频场B1作用下，由m F=+2跃迁到m F=+1。同时由于光抽运的存在，处于基态非m F=+2子能级上的粒子又被抽运到m F=+2子能级上。感应跃迁与光抽运将达到一个新的动态平衡。在磁共振时，由于m F≠+2子能级上的粒子数比未共振时多，对D1的σ+光的吸收增大。
2.5 光探测
射到样品上的
+
σ
1
D光一方面起到光抽运作用，另一方面透过样品的光兼作探测光。测
量透过样品的
+
σ
1
D光强的变化即可得到磁共振的信号，实现了磁共振的光探测。
三、实验内容
3.1 实验装置
实验所用仪器：由主体单元(铷光谱灯、准直透镜、吸收池、聚光镜、光电探测器及亥姆霍兹线圈)、电源、辅助源、射频信号发生器、示波器组成。如图3所示：
图3 光泵磁共振实验装置图
3.2 实验步骤
（1）预热：加热样品泡及铷灯。将垂直场、水平场、扫场幅度调至最小，按下池温开关。
然后按下电源开关，约30分钟后，灯温、池温指示灯亮，装置进入工作状态。
（2）观察抽运信号。扫场方式选择方波，水平场保持最小，调大扫场幅度。设置扫场方向与地磁场水平分量方向相反。调节扫场幅度及垂直场大小和方向，使示波器上观察到的光抽运信号幅度最大且左右均匀。记下光抽运信号形状。
（3）观察光泵磁共振信号。打开信号发生器及频率计，射频频率设为650KHz 左右。扫场方式选择三角波，垂直场大小和方向保持不变，在0—0.8A 范围内慢慢调节水平场大小观察共振信号出现情况。然后对于水平场和扫场信号与地磁场水平方向的4种不同组合情况下，测量四个共振信号所对应的水平场电流值，并记录有关数据。
四、实验记录及数据分析
4.1 光抽运信号
正确调节各参数，得到光抽运信号如下图所示：
图4 光抽运信号图像
分析：水平场电流最小，为0.002A ，抽运信号最大时，垂直场电流
垂直
I =0.064A 。将
方波加到水平扫场线圈上，此时水平方向总磁场水平B 是地磁场水平分量地水平B 与扫B
的叠加。铷样品泡开始加上方波扫场的一瞬间，基态中各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡，即各子能级上的粒子数大致相等。这一瞬间有总粒子数7/8的粒子在吸收+
δ1D 光，对光的吸收最强，光电池接收的光最弱，即图4中最低点A 点。随着粒子逐渐被抽运到m F =+2子能级上，能吸收σ+
光的粒子数减少，透过铷样品泡的光逐渐增强，所以光电池接收的光变强，即为图像中上升的波形。当抽运到m F =+2子能级上的粒子数达到饱和时，透过铷样品泡的光达到最大（即为图4中B 点）且不再变化。之后，当方波扫过零（指水平方向的总磁场为零）并反向时，各塞曼子能级随之发生简并再分裂。能级简并时，铷原子由于碰撞导致自旋方向混乱而失去了偏极化，所以重新分裂后各塞曼子能级上的粒子数又近似相等，对D 1光
的吸收又达到最大值，即光电池接收又最低，图形迅速降至最低（图4中C 点），如此循环下去，这样就观察到了图4中所示的光抽运信号 。
4.2 观测光泵磁共振信号
设定射频场频率KHz 650=ν,根据B g hv F μ=，在0~0.8范围内寻找共振对应的稳恒磁场大小。得到实验图像如图5所示：
图5 光泵磁共振信号图
记录在三角波扫场的峰和谷处得到的共振峰的水平场电流值，如表一所示：
表一、四种情况下水平场电流值记录表
表二、实验参数表
水平场 扫场 垂直场 匝数N 250 250 100 有效半径r 0.2393 0.2360 0.1530 电阻R 24.14 23.71 24.68 温度系数
0.098
0.10
0.096
4.2.1 测量Rb 85
、Rb 87
朗德因子F g （以下数据中，H 下标1、2分别对应磁共振信号波峰
I 87
Rb (A)
I 85
Rb (A) 扫场方向 水平场方向
波峰/A 波谷/A 波峰/A 波谷/A 1 正 正 0.08 0.137 0.177 0.234 2 正 负 0.312 0.256 0.411 0.355 3 反 正 0.234 0.177 0.330 0.274 4
反
负
0.158
0.215
0.255
0.314
与波谷处水平场）
扫场为负，水平场为正或负时的磁场分布图如下图（图6和图7）所示：
(1) F g 测量值计算： 由图6、图7得：
）（'
2'121H H H H 4
1
H +++= （9） 又由磁场与电流的关系：
32
310I r
N
5
16H -???
=
π （10） 其中，N 和r 值参见表二中的线圈相关参数。
则对于Rb 87
，将扫场为正，水平场分别为正、负时的数据带入（9）和（10）中，可得总磁场为： H=0.921Gs
再由F g 的计算公式
得：
Rb 87
的郎德因子为F g =0.5045
同理，对于Rb 85
，总磁场为 H=1.393Gs ，其郎德因子为 F g =0.3333
（2）F g 理论值计算及误差计算
对于Rb 87
基态：L=0，J=S=1/2，I=3/2，F=21
2
3±=2、1
当F=1时，
当F=2时，
则计算值与理论值之间的误差为：δ=（0.5045-0.5）/0.5=0.90%
对于Rb 85
基态：L=0，J=S=1/2，I=5/2，F=21
2
5±=3、2
当F=2时，
当F=3时，
则计算值与理论值之间的误差为：δ=（1/3-0.3333）*3=0.01% 4.2.2 测量地磁场强度及其倾角
扫场为负，水平场为正或负时的磁场分布图如下图（图8和图9）所示：
2
)
15.0(5.0*21)
5.0(5.0)15.0(0.511)2J(J )1S (S )1L (L )1J (J 1g J =+++++=++++-++
=5
.0)11(1*2)
11.5(*1.5)15.0(5.0)11(*121)2F(F )1I (I )1J (J )1F (F g g J
F =++-+++?=++-+++=5
.0)
12(2*2)
11.5(*1.5)15.0(5.0)12(*221)2F(F )1I (I )1J (J )1F (F g g J
F -=++-+++?=++-+++=2)15.0(5.0*21)5.0(5.0)15.0(0.511)2J(J )1S (S )1L (L )1J (J 1g J =+++++=++++-++=3
1
)12(2*2)12.5(*2.5)15.0(5.0)12(*221)2F(F )1I (I )1J (J )1F (F g g J
F -
=++-+++?=++-+++=3
1
)13(3*2)12.5(*2.5)15.0(5.0)13(*321)2F(F )1I (I )1J (J )1F (F g g J
F =
++-+++?=++-+++=
由图6和图9得：
）（地水2'
''21'''1H H H H 4
1H -+-= （11）
由图7和图8得：
）（地水'
'2'2''1'1H H H H 4
1H -+-= （12）
则由（11）和（12）得：
（13）
对于Rb 87
，将数据带入到（13）式中得：=地水H 0.1835Gs 同理，对于Rb 85
， =地水H 0.1877Gs 所以，=地水H （0.1835+0.1877）/2=0.1856Gs
=0.064*32*3.1416*0.1/11.1797/0.1530Gs=0.3761Gs
0.4194Gs
地磁场倾角设为θ，则=2.0264， ，故θ 63.73O
4.2.3 误差分析
在观测共振信号时，由于存在信号有时不稳定，且对于磁共振信号的确定存在视觉误差和标准很难统一的现象，实验存在一定误差，可通过多次测量求平均值来减小误差。
五、结论和建议
本次实验通过光抽运技术和磁共振技术相结合，观察了铷原子的光抽运信号和光泵磁共振信号。实验中，调节水平场的电流和垂直场的电流，在示波器上观察了光抽运信号。又通过测量不同扫场和水平长方向下共振信号对应的电流大小，计算得到87Rb 和85Rb 的朗德因子分别为0.5045和0.3333，相对误差都小于1％，与理论值符合较好。实验还用垂直场抵消地磁场的垂直分量，由测得的I
垂直得到地磁场垂直分量为
0.3761Gs,又根据实验数据算出地
磁场水平方向分量为0.1856Gs ，进而得到地磁场大小为0.4194Gs ，与水平夹角约为63.73O
。
六、参考资料
[1]《近代物理实验》熊俊 北京师范大学物理实验教学中心. 2007
南京大学-光磁共振实验报告
光磁共振 (南京大学物理学院 江苏南京 210000) 摘要：光磁共振是利用光抽运的方法，进一步提高磁共振灵敏度的技术。本实验依据光磁共振技术，运用“光抽运—磁共振—光探测”的方法，测量地磁场垂直分量和水平分量以及铷原子的相关参量。 关键词：光磁共振；光抽运；磁共振；塞曼效应；塞曼子能级；地磁场；朗德因子 一、实验目的 1.掌握“光抽运—磁共振—光探测”的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的射频磁共振。 2. 测定銣原子87Rb 和85Rb 的参数：基态朗德因子F g 和原子核的自旋量子数I 。 3. 测定地磁场B 地的垂直分量B 地垂直、水平分量B 地水平 及其倾角θ。 二、实验原理 光磁共振技术是根据动量守恒原理，用光学抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间微波或射频磁共振现象的双共振技术。特点是兼有波谱学方法的高分辨率和光谱学方法的高探测灵敏度。 1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂 铷是一价碱金属原子，有一个价电子，处于第五壳层，主量子数n=5,电子轨道量子数L=0,1,2,3…,n-1,电子自旋S=1/2。铷原子中价电子的轨道角动量L P 和自旋角动量S P 发生轨道—自旋耦合（LS 耦合），得到电子总角动量J P ，其数值 ,,1,,J P J L S L S L S ==++-???-。当不考虑铷原子核的自旋时，铷原子总 磁矩2J J J e e g P m μ=-，其中,e e m -分别为电子的电荷、质量。朗德因子 (1)(1)(1) 12(1) J J J L L S S g J J +-+++=++ 从而形成原子的超精细结构能级，这时，铷原子的基态能级21S J n S +对应于 n=5,L=0,S=1/2,J=1/2,即为212 5S ，相应的朗德因子2J g =；铷原子的第一激发态能级 21 S J n P +对应于n=5,L=1,S=1/2,J=1/2、3/2，是双重态，即为212 5P 和232 5P ，相应的朗德因子 24 ,33J g = 。22132255P S →的能级跃迁产生光谱线1D 线(1794.76nm λ=)；223322 55P S →的跃迁产生光谱线2D 线（2780.0nm λ=）。本实验观测与1D 线有关的能级的超精细结构及其在弱磁场中的塞曼分裂。 通常原子核也具有角动量，记原子核的总角动量为P ，它是核中质子和中子的轨道角 动量和自旋角动量的矢量和，核的总角动量的数值I P = ，通常也称为核自旋， 其中I 称为核的自旋量子数，I 为整数或半整数，已知稳定的原子核的I 值在0~7.5之间。 核的总角动量I P 的最大可测的分量值为 I 。当0I ≠时，原子核的总磁矩为
核磁共振实验
核磁共振实验 发现的背景 所谓核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。核磁共振的发现，跟核磁矩的研究紧密相关。 1911年，卢瑟福根据a 粒子散射实验提出核原子模型后，直到原子光谱的超精细结构发现以后，1924年泡利才正式提出，原子光谱的超精细结构是核自旋与外电子轨道运动相互作用的结果；原子核应具有自旋角动量和磁矩。 斯特恩创造了分子束方法，对核磁矩作过重要研究。1933年他和弗利胥（O.Frisch ）、爱斯特曼（I.Estermann ）等人用分子束实验装置测量氢分子中质子和氘核的磁矩。所得结果表明质子磁矩比狄拉克电子理论预言的大2.5倍而氘核磁矩则在0.5到1个核磁子之间。氘核是由质子和中子组成的，由此即可推测中子也有磁矩。这说明尽管中子整体不带电，其内部却有电荷分布和电流效应。这些实验事实，激励了其他人对核的电磁特性的探索。 拉比的分子束磁共振方法对斯特恩实验作了重大改进。改进的关键在于利用了共振现象。二十年代末，拉比访问欧洲时，就在斯特恩的实验室里工作了一年，研究原子磁矩的测量。1929年，他回到哥伦比亚大学开展原子束分子束的研究。后来他受到荷兰物理学家哥特（C.J.Gorter ）的启发，并于1938年把哥特射频共振法应用于分子束技术，创立了分子束共振法。 拉比对分子束磁共振方法的研究和布洛赫对核磁共振的研究都是受到了斯特恩的启发。 分子束磁共振方法在1945-1946年间又取得了突破性的进展，这就是通过磁共振的精密测量，发现了核磁共振。 人物介绍 图11.1 布洛 赫 图11.2 珀塞尔 布洛赫 Felix Bloch 珀塞尔 Edward Purcell
光磁共振实验报告
近代物理实验报告 光磁共振 班级物理081 学号 08180140 姓名周和建 时间 2011年4月27日
【摘要】 以光抽运为基础的光检验测磁共振的方法，使用DH807A型光磁共振实验装置来观察光抽运信号，进而测定铷原子两个同位素87Rb和85Rb的超精细结构塞曼子能级的朗德因子的测量。 【关键词】 光磁共振光抽运塞曼能级分裂超精细结构 【引言】 光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。 光磁共振方法现已发展成为研究原子物理的一种重要的实验方法。它大大地丰富了我们对原子能级精细结构和超精细结构、能级寿命、塞曼分裂和斯塔克分裂、原子磁矩和g因子、原子与原子间以及原子与其它物质间相互作用的了解。 利用光磁共振原理可以制成测量微弱磁场的磁强计，也可以制成高稳定度的原子频标。 【正文】 一、实验原理 （一）铷(Rb)原子基态及最低激发态的能级 实验研究对象是铷的气态自由原子。铷是碱金属，它和所有的碱金属原子Li、Na、K一样，在紧紧束缚的满壳层外只有一个电子。铷的价电子处于第五壳层，主量子数n=5。主量子数为n的电子，其轨道量子数L=0,1, …,n－1。基态的L=0，最低激发态的L=1。电子还具有自旋，电子自旋量子数S=1/2。 由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（即L－S耦合）而发生能级分裂， 称为精细结构。轨道角动量P s、的合成角动量P J =P L +P S 。原子的精细结构用总角动 量量子数J来标记，J=L+S,L+S-1, …,│L-S│。对于基态，L=0和S=1/2,因此 Rb基态只有J=1/2。其标记为５２S 1/2。铷原子最低激发态是52P 1/2 及52P 3/2 双重态。 这是由于轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2。52P 1/2态的J=1/2, 52P 3/2 态的J=3/2。 ５Ｐ与５Ｓ能级之间产生的跃迁是铷原子主线系的第１条线，为双线。它在铷灯 光谱中强度是很大的。52P 1/2→５２S 1/2 跃迁产生波长为7947.6?的D 1 谱线，52P 3/2 →５２S 1/2跃迁产生波长7800?的D 2 谱线。 原子的价电子在LS耦合中，总角动量P J 与原子的电子总磁矩μ J 的关系为 (1) (2)
铷原子的光泵磁共振 实验报告
铷原子的光泵磁共振 田卫芳 201411142023 （北京师范大学物理系 2014 级） 指导教师：何琛娟 实验时间： 2016.11.24 摘要 本实验主要研究了铷原子的光泵磁共振现象，首先通过改变垂直场，消除地磁场垂直分量的影响；改变水平场，观察光抽运信号，同时计算地磁场的大小； 利用扫场法观察磁共振信号，计算Rb Rb 8587和的F g 因子的大小，与理论值比较。 关键词 铷原子、超精细结构、塞曼能级分裂、光抽运、磁共振、 1. 引言 在磁场中，塞曼分裂导致的磁能级间距通常比较小，因此，产生磁共振现象所需的能量通常位于射频或微波波段。此波段的电磁波能量要比光频段的能量小得多，普通的光谱仪器根本无法分辨，所以对于那些磁共振信号很微弱的样品(比如气体样品)很难探测。光抽运是用圆偏振光激发气态原子，打破原子在所研究能级间的热平衡分布，造成能级间所需要的粒子数差，以便在低浓度条件下提高磁共振信号强度。光泵磁共振是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。光泵磁共振采用光探测方法，探测原子对光量子的吸收，而不直接测量射频量子，克服了磁共振信号弱的缺点，大大提高了探测灵敏度。 本实验研究铷原子（Rb ）的光泵磁共振现象，并测量Rb 的朗德因子。天然铷有两种同位素: 丰度为72．15％的Rb 85，丰度为27．85％的Rb 87。 2. 实验原理 2.1 Rb 原子基态及最低激发态的能级 Rb 是碱金属原子，最外层有一个价电子，基态时位于5s 能级上，其轨道
角动量量子数L=0,自旋角动量量子数为S=1/2，考虑L-S 耦合后，其总角动量J=1/2，记作52S 1/2 ，其最近激发态为52P 1/2和52P 3/2。电子由5p 跃迁到5s 所产生的光辐射是Rb 原子主线系的第一条线，为双线，其强度在Rb 灯光谱中特别高，其中52P 1/2到52S 1/2跃迁产生的谱线称为D 1线，波长794.8nm ，52P 3/2到52S 1/2跃迁产生的谱线称为D 2线，波长780.0nm 。 在核自旋量子数I=0时，原子的价电子经L-S 耦合后总角动量J P 与原子总磁矩J μ 关系为 2J J J e e g P m μ=- (1)(L 1)(S 1) 12(J 1) J J J L S g J +-+++=+ + 但当I ≠0时，原子总角动量还要考虑核的贡献。由量子数F 标定原子的超精细结构能级。原子总角动量P F 与总磁矩μF 之间的关系为 2F F F e e g P m μ=- F(F 1)(J 1)(I 1) 2(F 1) F J J I g g F +++-+=+ 在弱磁场中原子的超精细结构产生反常塞曼分裂，磁量子数m F =F ，F-1……，-F ，会产生2F+1个能级间距基本相等的塞曼子能级，如图2-1所示 图2-1 铷原子能级图
磁共振图像后处理算法设计
地理与生物信息学院 2012/ 2013 学年第二学期 实验报告 课程名称：医学成像技术 实验名称：磁共振图像后处理算法设计 班级学号: B10090405 学生姓名: 陈洁 指导教师: 戴修斌 日期：2013 年 5 月
一、实验题目：磁共振图像后处理算法设计 二、实验内容： 1．对图像进行去除噪声操作 ； 2．对图像进行灰度变换操作 ； 三、实验目的： 1.加强下同学们实际的动手编程能力 ； 2.重在体验和过程 ； 四、 实验过程： 实验1：对图像进行去除噪声操作： 1．操作步骤： 1) 对图像加入高斯噪声 2) 使用中值滤波对图像进行去噪处理 3) 模板尺寸设为5×5，也可自己设定 4) 图像边缘缺失部分使用对称方法补足 51141671 81 91 71819151141611 21 31 1121311121511471 81 71 51113121161481 311691 91 1471 81 51718171 51711481 91 1691811691 91
2． 算法实现流程： 1) 读入图像函数：imread()，中值滤波函数：medfilt2()； 实验2：对图像进行灰度变换操作 1．操作步骤： 1) 原图像灰度范围[50 150]内的像素灰度值转成[10 250]范围； 2) 原图像灰度范围[50 150]内的像素灰度值转成[20 200]范围； 2.算法实现流程： 源代码： clear;clc; iptsetpref('ImshowBorder','tight'); I = imread('C:\Documents and Settings\nupt\桌面\4.bmp'); J = imnoise(I,'gaussian',0.02,0.02); K = medfilt2(J,[5,5]); figure,imshow(I),title('原图'); figure,imshow(J),title('高斯噪声'); figure,imshow(K),title('中值滤波'); f (x , y ) a m b n g (x , y ) ?? ?? ???>≤≤+---<=b y x f n b y x f a m a y x f a b m n a y x f m y x g ),( ),( ]),([),( ),(
南京大学_光磁共振实验报告
光磁共振 (大学物理学院 210000) 摘要：光磁共振是利用光抽运的方法，进一步提高磁共振灵敏度的技术。本实验依据光磁共振技术，运用“光抽运—磁共振—光探测”的方法，测量地磁场垂直分量和水平分量以及铷原子的相关参量。 关键词：光磁共振；光抽运；磁共振；塞曼效应；塞曼子能级；地磁场；朗德因子 一、实验目的 1. 掌握“光抽运—磁共振—光探测”的思想方法和实验技巧，研究原子超精细结构塞曼子能级间的射频磁共振。 2. 测定銣原子87Rb 和85Rb 的参数：基态朗德因子F g 和原子核的自旋量子数I 。 3. 测定地磁场 B 地的垂直分量B 地垂直、水平分量B 地水平 及其倾角θ。 二、实验原理 光磁共振技术是根据动量守恒原理，用光学抽运来研究原子超精细结构塞曼子能级间微波或射频磁共振现象的双共振技术。特点是兼有波谱学方法的高分辨率和光谱学方法的高探测灵敏度。 1.铷原子的超精细结构及其塞曼分裂 铷是一价碱金属原子，有一个价电子，处于第五壳层，主量子数n=5,电子轨道量子数L=0,1,2,3…,n-1,电子自旋S=1/2。铷原子中价电子的轨道角动量L P 和自旋角动量S P 发生轨道—自旋耦合（LS 耦合），得到电子总角动量J P ，其数值 ,,1,,J P J L S L S L S ==++-???-。当不考虑铷原子核的自旋时，铷原子总 磁矩2J J J e e g P m μ=-，其中,e e m -分别为电子的电荷、质量。朗德因子 (1)(1)(1) 12(1) J J J L L S S g J J +-+++=++ 从而形成原子的超精细结构能级，这时，铷原子的基态能级21 S J n S +对应于n=5,L=0,S=1/2,J=1/2,即为212 5S ，相应的朗德因子2J g =；铷原子的第一激发态能级 21S J n P +对应于n=5,L=1,S=1/2,J=1/2、3/2，是双重态，即为212 5P 和232 5P ，相应的朗德因 子24 ,33J g = 。221322 55P S →的能级跃迁产生光谱线1D 线(1794.76nm λ=)；22332 2 55 P S →的跃迁产生光谱线2D 线（2780.0nm λ=）。本实验观测与1D 线有关的能 级的超精细结构及其在弱磁场中的塞曼分裂。 通常原子核也具有角动量，记原子核的总角动量为P ，它是核中质子和中子的轨道角动量和自旋角动量的矢量和，核的总角动量的数值I P = ，通常也称为核自旋，其中I 称为核的自旋量子数，I 为整数或半整数，已知稳定的原子核的I 值在0~7.5之间。核的总角动量I P 的最大可测的分量值为I 。当0I ≠时，原子核的总磁矩为
光泵磁共振实验报告
铷原子的光泵磁共振实验 学号 姓名： 实验日期： 指导老师： 【摘要】 在本实验中我们运用光泵磁共振技术，研究了铷原子的光抽运信号和磁共振信号，最终测量得87 Rb 的朗德F g 因子为0.4981，85Rb 的朗德F g 因子为0.3348，以及地磁场的大小为0.4245GS. 关键词：光抽运、磁共振、超精细结构、塞曼子能级、朗德F g 因子 一、引言： 光泵，也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级或塞曼子能级间粒子数的非热平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术实际上是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术，它是1955年法国科学家卡斯特勒（A.Kastler ）发明的。在光泵磁共振技术中，一方面光抽运改变了磁能级上的粒子数分布，使更多的粒子参与磁共振；另一方面采取光探测的方法而不直接测量射频量子，从而克服了磁共振信号弱的缺点，把探测灵敏度提高了七八个数量级。如今，光泵磁共振已广泛应用于基础物理研究，比如原子的磁矩、能级结构和g 因子测量。此外，在原子频标、激光及弱磁场测量等方面，这一方法也是极为有利的实验手段。 本实验研究铷原子的光泵磁共振现象，并测量铷原子的朗德g 因子和地磁场强度。 二、 原理: 实验研究的对象是Rb 原子，其最外层有一个价电子，位于5s 能级上，因此其电子轨道角动量量子数L=0,电子自旋轨道角动量量子数s=1/2.其总角动量量子数 s L S L S L J --++= ,1,。所以Rb 原子的基态只有2/1=J ，标记为2/125S 。5P 与基 态5S 之间产生的跃迁是铷原子主线系的第一条谱线，谱线为双线。2 /12P 5到 2 /12S 5的跃迁 产生的谱线为D1线，波长是794.8nm ；2 /12P 5到 2 /12S 5的跃迁产生的谱线为D2线，波长是 780.0nm 。 在核自旋I=0时，原子的价电子经L-S 耦合后总角动量和原子的总磁矩的关系为 2J J J e e g P m μ =- (1)
核磁共振成像实验报告
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩： 班级： 姓名 同组者： 教师： 核磁共振实验 【实验目的】 1、理解核磁共振的基本原理； 2、理解磁体的中心频率和拉莫尔频率的关系，并掌握拉莫尔频率的测量方法； 3、掌握梯度回波序列成像原理及其成像过程； 4、掌握弛豫时间的计算方法，并反演 T1和T2谱。 【实验原理】 一．核磁共振现象 原子核具有磁矩，氢原子核在绕着自身轴旋转的同时，又沿主磁场方向B 0作圆周运动,将质子磁矩的这种运动称之为进动，如图1所示。 图1 质子磁矩的进动 在主磁场中，宏观磁矩像单个质子磁矩那样作旋进运动，磁矩进动的频率符合拉莫尔（Larmor ）方程：. 0/2f B γπ= 二、施加射频脉冲后(氢)质子状态 当生物组织被置于一个大的静磁场中后，其生物组织内的氢质子顺主磁场方向的处于低能态而逆主磁场方向者为高能态。在低能态与高能态之间根据静磁场场强大小与当时的温度，势必要达到动态平衡，称为“热平衡”状态。这种热平衡状态中的氢质子，被施以频率与质子群的旋进频率一致的射频脉冲时，将破坏原来的热平衡状态。施加的射频脉冲越强，
持续时间越长，在射频脉冲停止时，M离开其平衡状态B0越远。 如用以Ｂ０为Ｚ轴方向的直角座标系表示Ｍ，则宏观磁化矢量Ｍ平行于ＸＹ平面，而纵向磁化矢量Ｍｚ＝０，横向磁化矢量Mxy最大，如图2所示。这时质子群几乎以同样的相位旋进。施加180°脉冲后，Ｍ与Ｂ０平行，但方向相反，横向磁化矢量Ｍｘｙ为零，如图3所示。 图2 90°脉冲后横向磁化矢量达到最大 图3 180°脉冲后的横向磁化分量为0 三、射频脉冲停止后（氢）质子状态 脉冲停止后，宏观磁化矢量又自发地回复到平衡状态，这个过程称之为“核磁弛豫”。当90°脉冲停止后，Ｍ仍围绕Ｂ０轴旋转，Ｍ末端螺旋上升逐渐靠向Ｂ０，如图4所示。 图4 90度脉冲停止后宏观磁化矢量的变化 1. 纵向弛豫时间（T1） 90°脉冲停止后，纵向磁化矢量要逐渐恢复到平衡状态，测量时间距射频脉冲终止的时
3.光磁共振实验预习报告
光磁共振实验预习报告 【摘要】 光磁共振是利用光泵抽运方法来研究气态原子基态及激发态精细和超精细结构塞曼能级间的磁共振。实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。本实验在加深对原子超精细结构的理解的基础上，掌握观测光抽运效应的条件和方法，观察和测量共振信号的扫场法，超精细结构的理解，掌握以光抽运为基础的光检测磁共振方法，进而测定铷原子两个同位素Rb 87 或Rb 85 的超精细结构塞曼子能级的朗德因子g 的测量。 【关键字】 光磁共振 精细结构 铷原子 朗德因子 【引言】 光磁共振是“激光之父”卡斯特勒提出并实现。它的基本思想是利用光的抽运效应造成原子基态Zeeman 能级上粒子布居的偏极化，即偏离热平衡时所遵循的Boltzmann 分布。然后利用磁共振效应对这种偏极化布局进行扰动，使光的抽运速率变化。通过对抽运速率变化的探测来研究原子塞曼能级超精细结构。 由于气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难以观察。 1950年卡斯特勒(A.Kastler)提出了光抽运方法（又称光泵），使原子能级的粒子数分布产生重大改变，并利用抽运光对磁共振信号作光检测，从而大大提高了信号强度和检测灵敏度，成功地观测了气体原子塞曼子能级间的磁共振，由此发展起来的光泵磁共振技术，为现代原子物理学的研究提供了新的实验手段，并为激光和量子频标的发展打下了基础，卡斯特勒也因此荣获1966年度的诺贝尔物理奖。 【正文】 一、实验原理 1. 铷（Rb ）原子基态及最低激发态的能级 铷的价电子处于第五壳层，主量子数n=5。基态的L=0, 最低激发态的L=1。电子还具有自旋，电子自旋量子数S=1/2。由于电子的自旋与轨道运动的相互作用（既L —S 耦合）而发生能级分裂，称为精细结构。电子轨道角动量L P 与其自旋角动量S P 的合成电子的总角动量S L J P P P +=。 原子能级的精细结构用总角动量量子数J 来标记，J=L+S ，L+S-1，…，|L-S |.对于基态， L=O 和S=1/2,因此Rb 基态只有J=1/2。其标记为521/2S 。铷原子最低激发态是 3/22P 5及1/22P 5。1/22P 5态的J=1/2， 3/22P 5态的J=3/2。5P 于5S 能级之间产生的跃迁是 铷原子主线系的第1条线，为双线。它在铷灯光谱中强度是很大的。1/22P 5→1/22S 5跃迁产
实验 光泵磁共振实验
实验 光泵磁共振实验 在五十年代初期，法国物理学家卡斯特勒（A ·H ·Kastler ）提出了光抽运（optical pumping ，又称光泵）技术，并发现和发展了研究原子核磁共振的光学方法，因此于1966年荣获诺贝尔物理学奖。 光抽运（即光泵）是用圆偏振光束激发气态原子的方法，以打破原子在所研究的能级间的玻耳兹曼热平衡分布，造成所需的布居数差，从而在低浓度的条件下提高了核磁共振强度，这时再用相应频率的射频场激励原子的磁共振。在探测核磁共振方面，不是直接探测原子对射频量子发射或吸收，而是采用光电探测的方法，探测原子对光量子的发射或吸收。由于光量子的能量比射频量子高八个数量级，所以探测信号的灵敏度比一般磁共振探测技术高八个数量级。 三十多年来，用光抽运——磁共振——光电探测技术对许多原子、离子和分子进行了大量研究，增进了对微观粒子结构的了解。如对原子的磁矩、朗德因子g ，能级结构、塞曼分裂等，尤以对碱金属原子（铷等）激发态精细与超精细结构的研究方面起了很大推动作用。此外光抽运技术在激光、原子频标和精测弱磁场等方面也都有广泛的应用。 本实验以碱金属——铷（Rb ）原子做为研究对象，所涉及的物理内容丰富，应用到原子物理学，光学，电磁学及无线电电子学等方面的知识，并定性或定量地了解到原子内部的很多信息。它是典型的波谱学教学实验之一。 实验原理 1、 铷（Rb ）原子的精细结构与超精细结构能级 本实验研究气态的自由原子——铷（Rb ）,它和所有碱金属原子Li 、Na 、K 一样，在紧紧束缚的满壳层外只有一个电子。铷的价电子处于第五壳层，主量子数n = 5。n 为5的电子，其轨道量子数L = 0，1，2，3，4，(n -1)。基态L = 0，最低激发态L = 1，电子自旋量子数s = 1/2。 由于电子的轨道运动与自旋的相互作用（即L-S 耦含）而发生的能级分裂，称为原子的精细结构（见图1）。轨道角动量L P 与自旋角动量S P 合成为总角动量S L J P P P +=。原子能级的精细结构用总角动量量子数J 标记， J =L +S ，L +S -1，……，|L -S |。对基态，L ＝0和S ＝1／2，因此Rb 基态J =0+1/2=1/2。其标记为 52S 2/1。Rb 最低激发态，L =1和S =1/2，因此J =1/2 和J =3/2，是双重态：52P 1/2和52P 3/2。5P 与5S 能级之间产生跃迁是Rb 原子主线系第1条线， 为双线。它在铷灯光谱中强度是很大的。52P 1/2 →52S 1/2跃迁产生波长为7947.6?为D 1谱线， 52P 3/2→52S 1/2跃迁产生波长为7800A 为D 2谱线。
核磁共振成像实验报告
核磁共振成像实验 【目的要求】 1.学习和了解核磁共振原理和核磁共振成像原理； 2.掌握MRIjx 核磁共振成像仪的结构、原理、调试和操作过程； 【仪器用具】 MRIjx 核磁共振成像仪、计算机、样品（油） 【原 理】 磁共振成像（MRI ）是利用射频电磁波（脉冲序列）对置于静磁场B 0中的含有自旋不为零的原子核（1H ）的物质进行激发，发生核磁共振，用感应线圈检测技术获得物质的组织驰豫信息和氢质子密度信息（采集共振信号），用梯度磁场进行空间定位、通过图像重建，形成磁共振图像的方法和技术。 具体的讲，核磁共振是利用核磁共振现象获取分子结构、样品内部结构信息的技术。当具有自旋的原子核的磁矩处于静止外磁场中时会产生进动和能级分裂。在交变磁场作用下，自旋的原子核会吸收特定频率的无线电射频电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。在停止射频脉冲后，原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被物体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像，这就是做核磁共振成像过程。 MRI 的特点： ● 具有较高的物质组织对比度和组织分辨力，对软组织分辨率极佳，能清晰地显示软组织、软骨结构，解剖结构和医学上的病变形态，显示清楚、逼真。 ● 多方位成像，能对被检查部位进行横断面、冠状面、矢状面以及任何斜面成像。 ● 多参数成像，获取T 1加权成像（T 1W1）：T 2加权成像（T 2W2）、质子密度加权成像(PDW1)，在影像上取得物质的组织之间、组织与变化之间T 1、T 2和PD 的信号对比，在医学上对显示解剖结构和病变敏感。 ● 能进行形态学、功能、组织化学和生物化学方面的研究。 ● 以射频脉冲作为成像的能量源，不使用电离辐射，对人体安全、无创。 一、核磁共振原理 产生核磁共振信号必须满足三个基本条件：（1）能够产生共振跃迁的原子核；（2）恒定的静磁场（外磁场、主磁场）B 0；（3）产生一定频率电磁波的交变磁场，射频磁场（RF ）；即：“核”：共振跃迁的原子核；“磁”：主磁场B 0和射频磁场RF ；“共振”：当射频磁场的频率与原子核进动的频率一致时原子核吸收能量，发生能级间的共振跃迁。 1. 原子核的自旋和磁矩 原子核由质子和中子组成，原子核有自旋运动，可以粗略的理解为原子核绕自身的轴向高速旋转的运动，对应有确定的自旋角动量，反映了原子核的内禀特性。自旋的大小与原子核中的核子数及其分布有关，质子数和中子数均为偶数的原子核，自旋量子数I=0，质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数，质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数。原子核自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数I 决定， )(1+=I I l I 。 原子核具有电荷分布，自旋时形成循环电流，产生磁场，形成磁矩，磁矩的方向与自旋角动量方向一致，大小I P γγμ==，P 是角动量，γ是磁旋比，等于
光泵磁共振实验
7-7 光泵磁共振实验 光磁共振，是把光频跃迁和射频磁共振跃迁结合起来的一种物理过程, 是利用光抽运效应来研究原子超精细结构塞曼子能级间的磁共振。所研究的对象是碱金属原子铷Rb 。天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb 占27.85 %，85Rb 占72．15%。 气体原子塞曼子能级间的磁共振信号非常弱，用磁共振的方法难于观察。本实验中应用了光探测的方法，既保持了磁共振分辨率高的优点，同时将探测灵敏度提高了几个以至十几个数量级。此方法一方面可用于基础物理研究，另一方面在量子频标、精确测定磁场等问题上也都有很大的实际应用价值。通过实验可加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。 一．实验目的： 1、了解光泵磁共振的原理，观察光磁共振现象。 2、测量铷（Rb ）原子的F g 因子及地磁场的大小。 二．实验原理： 1、铷原子基态和最低激发态的能级 铷（Z =37）是一价金属元素，天然铷有两种稳定的同位素: 85Rb 和87Rb,二者的比例接近2比1。它们的激态都是52S 1/2， 即电子的主量子数n =5，轨道量子数L =0，自旋量子数S =1/2，总角动量量子数J =1/2（L —S 耦合）。 在L —S 耦合下，铷原子的最低激发态仅由价电子的激发所形成，其轨道量子数L =1，自旋量子数S =1/2，电子的总角动量J =L +S 和L -S ，即J =3/2和1/2，形成双重态：52P 1/2和52P 3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P 到5S 的跃迁产生双线，分别称为D 1和D 2线，它们的波长分别是794.8nm 和780.0nm （见图7-7-1）。 通过L —S 耦合形成了电子的总角动量P J ，与此相联系的核外电子的总磁矩μJ 为： J J J P m e g ρρ 2-=μ 其中 ) 1(2)1()1()1(1++++-++=J J S S L L J J g J 就是著名的Longde 因子，m 是电子质量，e 是电子电量。 原子核也有自旋和磁矩，核自旋量子数用I 表示。核角动量P I 和核外电子的角动量P J 耦合成一个更大的角动量，用符号 P F 表示，其量子数
光磁共振实验讲义
25P 1 2 794.76nm 780.0nm Fig.1 铷原子精细结构的形成 光磁共振讲义 一、 讲课形式（时间安排） 40分钟理论及相关知识的讲述，15分钟仪器介绍及操作演示。 二、 教学要求 1 通过研究铷原子基态的光磁共振，加深对原子超精细结构的认识； 2 掌握光磁共振的实验技术； 3 测定铷原子的g 因子和测定地磁场。 三、 实验原理 1．概念介绍 1) 光抽运（光泵）：利用光照射打破原子在所研究能级间的热平衡态，造成 期望集居数差，它基于光和原子间的相互作用。 2) 如何提高探测灵敏度：采用光探测，探测原子对光量子的吸收而不是采 用一般的磁共振的探测方法（直接探测原子对射频量子的吸收），因光量子能量比射频量子能量高几个数量级，因而大大提高探测灵敏度。 3) 光磁共振：是将光抽运、磁共振、光探测技术结合起来研究气态原子精 细和超精细结构的一种实验技术，加深了人们对原子磁矩、 因子、能级寿命、能级精细结构、超精细结构及原子间相互作用的认识。 2．铷原子的能级分裂（精细结构的形成） 1) 研究对象：铷（Rb ）的气态自由原子，价电子处于第五电子层，主量子 数n=5，轨道量子数L=0,1,…,n-1，电子自旋量子数S=1/2 2) 原子精细结构的形成：由电子的自旋与轨道运动相互作用（L-S 耦合） 发生能级分裂 3) 铷原子基态与最低激发态的形成：用J 表示电子总角动量量子数，J=L+S,L+S-1,…,|L-S| 4) 对于基态，L=0，S=1/2，得J=1/2，标记 为21/25S ；对于最低激发态，L=1，S=1/2， 得J=3/2,1/2，标记为22 3/21/25,5P P ，如右 图所示，形成两条谱线。
钟浩鹏 光泵磁共振实验报告
扬州大学物理科学与技术学院 近代物理实验论文实验名称：光泵磁共振实验及地磁场的测量 班级：物教1301班 姓名：钟浩鹏 学号：130801131 指导老师：王文秀
光泵磁共振实验报告 摘要：在本实验中，我们通过调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。通过测量水平磁场的电流值并计算得到铷的朗德因子g。同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算出地磁场的水平分量大小。由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。In this experiment, we adjust the horizontal magnetic field, the vertical magnetic field and sweeping field observed the pumping signal and optical pump magnetic resonance phenomenon. By measuring the level of the current value of the magnetic field and calculate the rubidium land factor g. At the same time through the geomagnetic field level component to the total magnetic field and sweeping field, the relationship between size to calculate the horizontal component of the geomagnetic field. Put the device determines the strongest resonance signal when PLD along the horizontal direction, thus to measure the size of the vertical component of geomagnetic field, so as to have the size and direction of the magnetic field. 关键词：光抽运；光泵磁共振；地磁场 一、引言 光泵也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术于1955年由法国科学家卡斯特勒发明，它是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术，这种技术最早实现了粒子数反转。气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，普通方法很难探测。本实验利用光泵磁共振方法克服了磁共振信号弱的特点，将探测灵敏度提高了七八个数量级，能在弱磁场下精确检测原子能级的超精细结构。本实验研究Rb原子的光泵磁共振现象，天然Rb有两种同位素： 85 Rb（丰度为72.15%）、87 Rb（丰度为27.85%）。 二、实验原理 1．铷原子基态和最低激发态的能级 铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb，占27.85 %和85Rb，占72．15%。它们的基态都是52S1/2。 图1 Rb原子精细结构的形成 在L—S耦合下，形成双重态：52P1/2和52P3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P到5S的跃迁产生双线，分别称为D1和D2线，如图1所示，它们的波长分别是794.76nm和780.0nm。
电子科技大学学院
电子科技大学生命科学与技术学院标准实验报告 （实验）课程名称《医学成像技术》 电子科技大学教务处制表
电子科技大学 实验报告 学生姓名：陈睿黾学号：2209101028指导教师：廖小丽 实验地点：人文楼418 实验时间：2006.6.2 一、实验室名称：医疗仪器实验室 二、实验项目名称：傅立叶变换核磁共振一维、二维成像 三、实验学时：4学时 四、实验原理： 利用样品的原子核在梯度磁场及高频电磁场的激励下产生的自发辐射信号的频率和相位因空间位置不同而不同来进行成像。 五、实验目的： 对磁共振成像整个过程进行了解，同时对每一个参数改动后对磁共振信号及图像影响的效果有直观的认识，了解一维、二维成像原理，进一步熟悉磁共振成像原理。 六、实验内容： 采用定标样品（三注油孔）对一维成像（空间频率编码）有所认识。对梯度场各参数对一维成像的影响进行观察。 了解瞬间梯度场，对二维成像（空间相位编码）有所认识。了解瞬间梯度场的梯度大小和瞬间梯度保持时间对二维成像图形的影响。 七、实验器材： GY-CTNMR-10KY核磁共振成像实验仪、计算机、注油三孔实验样品 八、实验步骤： 1．按实验要求连线。 2．开机预热。
3．将注油三孔样品放入样品池中，打开磁共振成像软件，设置共振频率：按下“参数设置”页面再按下“自动采集”出现采集的信号图及傅立叶变换的频谱图，调节“频率设置”中间的按钮，直至出现波形符合预期目标的图形。 4．调节匀场：分别调节电源上匀场调节电位器并同时调节软件中的XY 匀场至傅立叶频谱图中峰最尖锐最高信号最长，适当调节共振频率，使波形看上去尽量平滑。 5．设置Z 梯度场和一维成像：调偏Z 匀场调节使峰变宽变低，同时出现Z 轴线上投影的一维成像信号。调节Z 梯度和工作频率，使得信号频谱占半个屏幕同时在中间。 6．二维磁共振成像记录：按下“成像记录及操作”，然后按下“记录”等待2分钟，记录结束计算机会提示结束并且“采集”不再闪动。按下“二维傅立叶变换”这时你调节“行选择”可以看到每一列二次傅立叶变换的谱图。按下“成像彩色显示”即可得到所需的成像彩色密度图。 九、 实验数据及结果分析： 1．一维成像： 开机预热，磁铁温度在34.62℃，匀场电流为19.4mA 。 放入注油三孔样品，打开核磁共振成像软件，调节共振频率及相关参数，通过观察，发现在第一脉冲宽度为12S μ、第二脉冲宽度为24S μ、脉冲间隔为15mS 、XY 匀场电流分别为38mA 、5mA 、共振频率在18.7402MHz 附近时波形较好、噪声较小。 观察自由衰减信号及其频谱，逐渐加大梯度场观察到信号及频谱的变化，在无梯度场时无法区分任何空间信息，如图（1）。
医学实验报告模板
泸州医学院 本科学生设计性实验报告 专业年级班级 组长姓名 小组成员 课程名称 时间 实验设计方案： 篇二：标准实验报告格式(医学成像技术) 电子科技大学生命科学与技术学院 标准实验报告 （实验）课程名称《医学成像技术》 电子科技大学教务处制表 电子科技大学 实验报告 学生姓名：陈睿黾学号： 2209101028 指导教师：廖小丽实验地点：人文楼 418 实验时间：2006.6.2 一、实验室名称：医疗仪器实验室 二、实验项目名称：傅立叶变换核磁共振一维、二维成像 三、实验学时：4学时 四、实验原理： 利用样品的原子核在梯度磁场及高频电磁场的激励下产生的自发辐射信号的频率和相位 因空间位置不同而不同来进行成像。 五、实验目的： 对磁共振成像整个过程进行了解，同时对每一个参数改动后对磁共振信号及图像影响的 效果有直观的认识，了解一维、二维成像原理，进一步熟悉磁共振成像原理。 六、实验内容： 采用定标样品（三注油孔）对一维成像（空间频率编码）有所认识。对梯度场各参数对 一维成像的影响进行观察。 了解瞬间梯度场，对二维成像（空间相位编码）有所认识。了解瞬间梯度场的梯度大小 和瞬间梯度保持时间对二维成像图形的影响。 七、实验器材： gy-ctnmr-10ky核磁共振成像实验仪、计算机、注油三孔实验样品 八、实验步骤： 1．按实验要求连线。 2．开机预热。 3．将注油三孔样品放入样品池中，打开磁共振成像软件，设置共振频率：按下“参数设 置”页面再按下“自动采集”出现采集的信号图及傅立叶变换 的频谱图，调节“频率设置”中间的按钮，直至出现波形符合预期目标的图形。 4．调节匀场：分别调节电源上匀场调节电位器并同时调节软件中的xy匀场至傅立叶频 谱图中峰最尖锐最高信号最长，适当调节共振频率，使波形看上去尽量平滑。 5．设置z梯度场和一维成像：调偏z匀场调节使峰变宽变低，同时出现z轴线上投影的 一维成像信号。调节z梯度和工作频率，使得信号频谱占半个屏幕同时在中间。 6．二维磁共振成像记录：按下“成像记录及操作”，然后按下“记录”等待2分钟，记
光磁共振实验剖析
光泵磁共振 光泵磁共振的基本思想是卡斯特勒（A.Kastlar）在50年代提出的，它是利用光抽运（0ptical pumping）效应来研究原子基态和激发态的超精细结构塞曼子能级间的磁共振。这个磁共振信号是非常弱的，而本实验应用了光泵的光检测的方法，使磁共振分辨率高（可达10-11T）的优点得到了保持，同时还能将探测灵敏度至少提高10个左右数量级。此方法不仅可以用于基础性研究，对于其它实用测量技术方面也有广泛的应用。实验中是以天然铷（Rb）为样品，研究碱金属铷原子基态光磁双共振。 一、实验目的 （1）掌握光抽运和光检测的原理和实验方法，加深对原子超精细结构、光跃迁及磁共振的理解。 （2）测定铷同位素85Rb和87Rb的g F因子、地磁场垂直和水平分量。 实验重点：实验装置中磁场的作用。 实验难点：光磁共振的应用—地磁场的测量 二、实验原理 光泵磁共振就是用光来检测和发现磁共振。这种磁共振可发生在一组塞曼能级之间或超精细结构之间，而不限定原子或分子是处于基态还是处于激发态，由于光子能量是射频量子能量的106~107倍，通过检测光子来探察射频量子的吸收或发射容易得多。 1、铷原子基态和最低激发态的能级 天然铷中含量大的同位素有两种：85Rb占72.15%，87Rb占27.85%。 由于电子轨道总角动量P L与自旋总角动量P S的LS耦合，使原子能级具有精细结构，用电子的总角动量量子数J表示：J=L+S，…，|L—S|。铷的基态，轨道量子数L=0，自旋量子数S=1/2，只有J=1/2一个态52S1/2。铷原子的最低激发态，轨道量子数L=1，自旋量子数S=1/2，则有双重态52P3/2态J=3/2和52P1/2态J=1/2。 已知核自旋I=0的原子的价电子LS耦合后，总角动量P J与原子总磁矩μJ的关系为：μJ=–g J eP J/（2m e）（1） J（J+1）—L（L+1）+S（S+1） g J=1+ ───────────────（2） 2J（J+1） 但铷原子的核自旋I≠0。所以核自旋角动量P I与电子总角动量P J耦合成原子总角动量
光泵磁共振实验报告
光泵磁共振实验报告 摘要：在本实验中，我们通过设置和调节水平磁场，竖直磁场和扫场观察了抽运信号和光泵磁共振现象。通过测量水平磁场的电流值并计算得到铷的朗德g 因子。同时通过地磁场水平分量与总磁场和扫场的关系，计算出地磁场的水平分量大小。再者，由于装置的摆放决定了总场沿水平方向时共振信号最强，由此测量了地磁场竖直分量的大小，从而测得了地磁场的大小和方向。在实验过程中掌握了光泵磁共振的基本原理。 关键词：抽运，光泵磁共振 一、引言 光泵，也称光抽运，是借助于光辐射获得原子基态超精细结构能级及塞曼子能级间粒子数的非平衡分布的实验方法。光泵磁共振技术于1955年由法国科学家卡斯特勒发明，它是将光抽运技术和射频或微波磁共振技术相结合的一种实验技术，这种技术最早实现了粒子数反转。气体原子塞曼子能级之间的磁共振信号非常弱，普通方法很难探测。本实验利用光泵磁共振方法克服了磁共振信号弱的特点，将探测灵敏度提高了七八个数量级，能在弱磁场下精确检测原子能级的超精细结构。本实验研究Rb 原子的光泵磁共振现象，天然Rb 有两种同位素： 85 Rb （丰度为72.15%）、87 Rb （丰度为27.85%）。 二、实验原理 1．铷原子基态和最低激发态的能级 铷（Z=37）是一价金属元素，天然铷中含量大的同位素有两种：87Rb ，占27.85 %和85Rb ，占72．15%。它们的基态都是52S1/2。 在L —S 耦合下，形成双重态：52P1/2和52P3/2，这两个状态的能量不相等，产生精细分裂。因此，从5P 到5S 的跃迁产生双线，分别称为D1和D2线，如图B4-1所示，它们的波长分别是794.76nm 和780.0nm 。 通过L —S 耦合形成了电子的总角动量PJ ，与此相联系的核外电子的总磁矩 J μ为 2J J J e e g P m μ=- 式中 图B4-1 Rb 原子精细结构的形成