许多微观粒子，如原子、电子、质子等具有磁矩，这些具有磁矩的微观粒子若处于某一磁共振磁场中，便会选择性地吸收或辐射一定频率的电磁波，从而引起它们之间的能量交换，这一现象称为磁共振。磁共振分为核磁共振、电子顺磁共振、光泵共振等，其中以核磁共振应用最为广泛。

我们知道，所有的原子核都具有本征磁矩和本征动量矩。如果将抗磁性物质的原子核放在强度为B0的恒定磁场中，则原子核磁矩沿着外磁场方向作自由进动。进动的频率由拉莫公式确定，即

式中，ω0为自由进动的角频率；r为旋磁比，即磁矩和动量矩的比值。

若在垂直于恒定磁场B0方向的平面内加一个交变磁场h，调节其频率，当交变磁场的频率ω与自由进动频率ω0一致时，原子核将从交变磁场中吸收能量，出现核磁共振吸收现象。

为了利用核磁共振现象测量磁场强度，常常利用氢核（质子）和锂核，它们的旋磁比分别为

如能准确地确定共振状态并测量发生共振时的频率（ω=ω0），便可根据上式计算磁场强度。

图10-14为固定介质核磁共振测量仪原理框图，主要包括测量探头、射频振荡器、低频振荡器、数字频率计和示波器。

图10-14　固定介质核磁共振测量仪原理框图

1.测量探头

测量探头由核样品、射频振荡线圈L1和调制线圈L2组成。射频线圈绕在装有核样品的玻璃管上，在其垂直的方向装有调制线圈。测量时，将探头插入被测磁场B0中，并使射频线圈与B0垂直，调制线圈轴线与B0平行。

由于制造从几兆赫到几百兆赫的可调振荡器在技术上比较复杂，为了制造简单，使用方便，又能扩大测量范围，可采用多种共振物质作样品，则射频振荡器的频率范围只需设计在100 MHz以下，便可测量较宽范围的磁场。

2.射频振荡器(www.daowen.com)

射频振荡器是仪器的核心部分，其关键在于制作一个灵敏度高、性能比较稳定的边缘振荡器。边缘振荡器实际上就是处在刚刚起振的弱振荡状态的根落差。在这种状态下，振荡器对能量损失敏感，微小的能量损失就能使其振荡幅度大大降低，具有明显的共振吸收现象。此外，边缘振荡器振幅较小，可避免样品饱和。

3.调制磁场

低频振荡器的输出，一路送调制线圈L2，产生一低频调制磁场b，并叠加在被测磁场B0方向上；另一路经移相后送示波器x轴，以实现与合成场（B0＋b）同步扫描，便于在示波器上观察共振信号。若没有调制场，实际中是无法观察到吸收共振峰的。经调制场调制后的合成场，所对应的共振频率是一个频带，射频振荡器的频率在（ω0-Δω）～（ω0＋Δω）范围内，样品都可从射频场中吸收能量。当吸收能量时，射频线圈幅值下降。由于调制场是低频周期性的，因此射频信号幅度下降是周期性的，经高频检波和低频窄带放大后，成为一系列的共振信号。由于送到示波器x轴的电压与调制场同频同相，为外同步扫描，因此在示波器上能观察到一个明显的吸收共振峰。

4.自由进动磁强计

当被测磁场很弱时，用上述方法观察不到共振信号，此种情况可以采用预极化的方式。

自由进动磁强计是一种测量弱磁场的仪器，为了能观察到共振信号，在被测磁场垂直的方向上，加一强的预极化场，使样品磁化，因而得到大的平衡磁化强度M0，然后去掉预极化场，用感应检测M0作衰减运动的频率，便可计算出被测弱磁场值。

自由进动磁强计原理如图10-15所示。设B0为被测弱磁场，将样品放在轴线与B0垂直的线圈N中，对线圈加一个很大的电流，以产生很强的预极化场Bx，而且使Bx≫B0。在Bx和B0的共同作用下，建立一个很强的磁化强度M0，M0的方向接近于Bx方向，然后突然切断预磁化电流，即去掉Bx，使M0的大小和方向均来不及发生变化，这时M0仅受到B0的作用，就要围绕B0进动，进动的角频率ω0=γB0，因为M0在x方向分量很大，进动时会在线圈N中感应较强的信号。另外，由于弛豫作用，信号的幅度是逐步衰减的。图10-16所示是自由进动信号示意图，测出这个信号的频率，就可计算出被测磁场值B0。

图10-15　自由进动磁强计原理框图

图10-16　自由进动信号示意图

由于M0的自由进动是衰减的，因此可供测量的时间由自由进动衰减时间常数决定，而T与核的横向弛豫时间常数T2、样品所在空间磁场的均匀性、接收线圈内感应电流引起的阻尼辐射等因素有关。T越大，可供测量时间越长，测量精度越高，能测量越弱的磁场。例如，氦气（3He）的弛豫时间为1～24 h，因此它可用于测量很弱的磁场。