低场核磁共振分析仪/成像系统利用氢质子（¹H）在静磁场中的拉莫尔进动特性，通过检测 T₁、T₂ 弛豫信号或空间编码信号来获取样品信息。与超导高场 NMR/MRI 不同，低场 NMR 通常采用永磁体、无液氦冷却、结构紧凑，适合实验室、工业质控及教学使用。
一套典型的低场核磁共振系统主要由以下五大模块构成：
一、主磁体系统（Main Magnet）
功能：产生稳定、均匀的静态磁场 B₀，是 NMR 共振条件 ν = γB₀/(2π) 的基础。
• 永磁体：低场 NMR 最常用 NdFeB（钕铁硼）永磁体，典型场强 0.2～0.5 T（对应 ¹H 共振频率 8.5～21 MHz）。常见结构有 Halbach 阵列（环形/筒形，样品从侧面放入）和 C 型/H 型开放式永磁体（上下磁极板+磁轭，样品垂直放入）。
– 匀场与补偿：通过被动匀场片（铁/非铁垫片）改善局部均匀度，高端系统可加主动匀场线圈（Shim Coils）。
• 恒温控制单元：永磁体剩磁受温度影响明显（约 -0.02%～-0.05%/℃），需配置高精度恒温箱（控温精度 ±0.05～±0.1℃，通常设定 30～35℃），保障 B₀ 长期稳定。
二、射频系统（RF System）
功能：发射与原子核 Larmor 频率匹配的射频脉冲（B₁场）激发样品，再接收样品退激产生的自由感应衰减（FID）信号。
射频系统包含：
• 射频线圈 / 探头（Probe）：收发一体或分离设计，置于磁体均匀区内。常见形式有螺线管线圈（样品管穿过线圈，高填充因子）。关键参数：共振频率、品质因数 Q 值、B₁ 均匀性。
– RF 发射链路：频率合成器 → 脉冲程控器（PSG）→ RF 功率放大器（数十至数百瓦）→ 经 T/R 开关送至线圈。
• RF 接收链路：线圈感应信号 → T/R 开关 → 低噪声前置放大器（Pre-amp）→ 混频/数字化（谱仪 ADC）。
三、梯度系统（Gradient System，成像型 LF-NMR）
功能：在主磁场 B₀ 上叠加沿 X/Y/Z 方向线性变化的磁场梯度，用于 MRI 的空间编码（层面选择、相位编码、频率编码）及扩散/多孔介质分层分析。
– 梯度线圈：通常为三组平板或鞍形线圈，贴附于磁极内侧或集成在探头外围，分别产生 Gx、Gy、Gz 梯度场。
• 梯度功放（GPA）：提供大电流（数十安培级）快速切换梯度电流。
• 梯度控制器：与谱仪同步，按脉冲序列要求输出梯度波形。
纯弛豫分析（TD-NMR，不做成像）的低场核磁可不配备梯度系统。
四、谱仪与计算机系统（Spectrometer & Console）
功能：整个系统的”大脑”，负责脉冲序列编程、时序控制、数据采集与后处理。
• 脉冲序列控制器（PSG）：精确控制 RF 脉冲宽度/形状/相位及梯度开启时机（ns 级精度）。
• 数字接收机（ADC）：对 NMR 模拟信号进行高速采样、正交检波，存入 k 空间或直接做 FID 累加。
– 主控计算机：运行操作软件，实现参数设置、信号平均、指数拟合（求 T₁/T₂）、FFT 变换及 MRI 图像重建（通常基于二维/三维傅里叶变换）。
五、辅助系统
• 射频/磁屏蔽：低场系统内部通常已做基本 RF 屏蔽，部分开放式永磁体边缘场弱，对安装环境要求低。
• 样品温控（可选）：用于变温弛豫实验，可在探头内加装加热/制冷模块。
– UPS 电源：保障恒温系统与数据采集不受断电干扰。
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