CN103969604A - 射频原子磁力仪及其测量核磁共振信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频原子磁力仪及其测量核磁共振信号的方法，所述原子磁力仪包括核磁共振***、激光光源、探头和检测装置，所述激光光源、探头和检测装置通过激光光路连接构成原子磁力仪的检测部分；所述方法包括在核磁共振***的作用下，样品产生一个核磁共振或核四极矩共振的自由感应衰减信号；激光光源产生的泵浦光在经扩束后进入铷原子气室，对铷原子蒸汽进行泵浦；在自由感应衰减信号的作用下，入射泵浦光的偏振角发生调制，检测出射泵浦光的偏振角调制，通过分析偏振角调制信息以确定自由感应衰减信号的频率成分，从而获得样品的信息。本发明磁力仪结构简单、灵敏度高、技术实现要求低、功耗低，可用于检测核磁共振***所产生的射频磁场。

Description

射频原子磁力仪及其测量核磁共振信号的方法

技术领域

本发明涉及一种原子磁力仪，尤其是一种射频原子磁力仪及其测量核磁共振信号的方法，属于磁探测技术领域。

背景技术

在现代科技中，磁探测技术的应用非常广泛，例如在医学、军事、工业及地球物理等方面都有非常重要的应用，所以磁场的探测是一项非常重要的技术，而在磁探测领域中常需要用到高灵敏度原子磁力仪。

原子磁力仪的基本原理是采用一束光极化碱金属原子，并采用另一束光检测被极化原子自旋在检测光方向的分量，实现极微弱磁场检测。原子磁力仪由于其灵敏度高、装置简单、技术实现条件低、功耗小等优点引起广泛的关注，非常具有发展前景。但目前实验室使用的原子磁力仪大多还停留在测量静态的弱磁场上，而实际上许多应用，例如核磁共振(包括核四极矩共振)和磁共振成像，都要求要探测射频磁场，即时变磁场。因此，需要提供一种测量时变磁场的装置，即一种可以测量核磁共振信号的原子磁力仪。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种结构简单、灵敏度高的射频原子磁力仪。

本发明的另一目的在于提供一种上述原子磁力仪测量核磁共振信号的方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

射频原子磁力仪，包括核磁共振***、激光光源、探头和检测装置，所述激光光源、探头和检测装置通过激光光路连接构成原子磁力仪的检测部分，其中：

自由感应衰减信号，或使固体样品产生一个核四极矩共振的自由感应衰减信号；所述核磁共振***，用于使流体样品产生一个核磁共振的

所述激光光源，用于通过激光器产生线偏振的泵浦光；

所述探头，用于感应样品的自由感应衰减信号，自由感应衰减信号可使入射泵浦光的偏振面旋转发生变化；

所述检测装置，用于检测出射泵浦光的偏振角调制，通过分析偏振角调制信息以确定自由感应衰减信号的频率成分，从而获得样品的信息。

作为一种优选方案，所述核磁共振***包括第一电流源、第一亥姆霍兹线圈/永磁铁、射频线圈和射频发生器，所述第一电流源驱动第一亥姆霍兹线圈/永磁铁产生主导磁场；所述射频线圈横向于主导磁场放置，并与射频发生器连接，用于产生射频磁场；所述样品为流体时，样品通过一个预偏振模块预极化后，穿过射频线圈同时置于主导磁场中，并在主导磁场和射频磁场的共同作用下产生一个核磁共振的自由感应衰减信号；所述样品为固体时，撤掉主导磁场，样品直接穿过射频线圈，在射频磁场的作用下产生一个核四极矩共振的自由感应衰减信号。

作为一种优选方案，所述探头置于一个偏置磁场中，包括一个内含铷原子蒸汽的铷原子气室，所述铷原子气室靠近样品放置，并放置在一个恒温箱内以进行温度控制，所述恒温箱外放置有磁屏蔽装置，所述磁屏蔽装置由三个嵌套的金属层组成；所述偏置磁场由第二电流源驱动第二亥姆霍兹线圈/永磁铁产生。

作为一种优选方案，所述铷原子气室呈圆柱形状，内部抽真空、内壁涂上石蜡涂层，并在两侧分别设有入射光口和出射光口。

作为一种优选方案，所述激光光源产生的泵浦光的频率被锁定在铷原子D1线F＝3→F′＝2共振线处，激光波长为794.8nm。

作为一种优选方案，所述三个嵌套的金属层为三组嵌套的亥姆霍兹线圈。

作为一种优选方案，所述检测装置置于出射光口外，包括偏振分光棱镜、光电二极管、转换电路和信号处理模块，所述偏振分光棱镜将出射泵浦光分为两个偏振状态的光，由光电二极管把光信号变成电信号，经转换电路作差、放大和滤波后，用锁相放大器接入信号处理模块进行处理。

作为一种优选方案，所述偏振分光棱镜采用渥拉斯顿棱镜。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

射频原子磁力仪测量核磁共振信号的方法，包括以下步骤：

1)当样品为流体时，样品通过一个预偏振模块预极化后，穿过射频线圈同时置于主导磁场中，接通射频发生器使射频线圈产生射频磁场，样品和射频磁场的拉莫尔频率相同时会发生核磁共振，即吸收磁场能量并发生能级跃迁，同时产生一个核磁共振的自由感应衰减信号；当样品为固体时，撤掉主导磁场，样品直接穿过射频线圈，接通射频发生器使射频线圈产生射频磁场，在射频磁场的作用下产生一个核四极矩共振的自由感应衰减信号；

2)在恒温箱中通入热气流，控制铷原子气室内的铷原子蒸汽的温度在40℃～80℃；激光光源产生的泵浦光在经扩束后，通过入射光口进入铷原子气室，对铷原子蒸汽进行泵浦，使铷原子蒸汽处于四极矩充分对齐状态；

3)在自由感应衰减信号的作用下，在铷原子气室中的泵浦光的偏振面旋转发生变化，泵浦光的偏振角发生调制，此时该泵浦光通过出射光口出射，经过偏振分光棱镜后分为两个偏振状态的光，由光电二极管把光信号变成电信号，经转换电路作差、放大和滤波后，用锁相放大器接入信号处理模块进行处理，得到两种成分的光的相对强弱，由此得出泵浦光的偏振角旋转角度，进而得到偏振角调制信息，偏振振荡响应于自由感应衰减信号，通过分析偏振角调制信息以确定自由感应衰减信号的频率成分，从而获得样品的信息，完成测量。

具体的，步骤3)所述泵浦光通过出射光口出射后的偏振面角度θ表示如下：

θ∝lcr_en_Rbf_D1P_xL(υ)

其中，l为泵浦光经过铷原子气室的长度，c为光速，r_e为原子经典半径，n_Rb为铷原子密度，f_D1为D1线的共振积分常数，P_x为原子极化在检测光方向的投影，L(υ)为洛仑兹线型。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的射频原子磁力仪结构简单，仅需要核磁共振***、激光光源、探头和检测装置四部分组成，且技术实现要求低、功耗低，能够检测快速时变磁场(如振荡的射频磁场)的信号，可用于检测核磁共振***所产生的射频磁场，如核磁共振(NMR)、核四极矩共振(NQR)和磁共振成像(MRI)等。

2、本发明的射频原子磁力仪采用铷原子对磁场信号进行感应，由于铷原子的能级布居数对外界磁场的变化非常敏感，而能级布居数对入射激光的吸收率影响很大，进而影响激光的偏振旋转，因此具有灵敏度高的特点。

3、本发明的射频原子磁力仪所需的环境条件不苛刻，仅需100℃以下、室温以上的温度即可正常工作，可以广泛应用于实验室内。

附图说明

图1为本发明的射频原子磁力仪结构原理框图。

图2为本发明的射频原子磁力仪中的核磁共振***结构示意图。

图3为本发明的射频原子磁力仪中的检测部分结构示意图。

其中，1-核磁共振***，2-激光光源，3-探头，4-检测装置，5-第一电流源，6-第一亥姆霍兹线圈，7-射频线圈，8-射频发生器，9-样品，10-铷原子气室，11-恒温箱，12-第二电流源，13-第二亥姆霍兹线圈，14-第三亥姆霍兹线圈，15-第四亥姆霍兹线圈，16-第五亥姆霍兹线圈，17-偏振分光棱镜，18-光电二极管，19-转换电路，20-信号处理模块，B₀-主导磁场，B₁-偏置磁场。

具体实施方式

实施例1：

如图1～图3所示，本实施例的射频原子磁力仪包括核磁共振***1、激光光源2、探头3和检测装置4，所述激光光源2、探头3和检测装置4通过激光光路连接构成原子磁力仪的检测部分，其中：

所述核磁共振***1包括第一电流源5、第一亥姆霍兹线圈6、射频线圈7和射频发生器8，所述第一电流源5驱动第一亥姆霍兹线圈6产生主导磁场B₀；所述射频线圈7横向于主导磁场B₀放置，并与射频发生器8连接；所述核磁共振***1可使样品9产生一个感应信号，当样品9为流体时，为提高灵敏度，样品9通过一个预偏振模块预极化后，穿过射频线圈7同时置于主导磁场B₀中，接通射频发生器8使射频线圈7产生射频磁场，样品9的磁矩在主导磁场B₀和射频磁场的作用下绕着主导磁场B₀做拉莫尔进动，在样品9和射频磁场的拉莫尔频率相同时会发生核磁共振，即吸收磁场能量并发生能级跃迁，同时产生一个核磁共振的自由感应衰减信号；当样品9为固体时，撤掉主导磁场B₀，样品9直接穿过射频线圈7，接通射频发生器8使射频线圈7产生射频磁场，在射频磁场的作用下产生一个核四极矩共振的自由感应衰减信号；

所述激光电源2采用外腔半导体激光器产生泵浦光，所用激光器激光波长为794.8nm；

所述探头3置于一个偏置磁场B₁中，包括一个铷原子气室10，所述铷原子气室(铷泡)10呈圆柱形状，内部抽真空、内壁涂上石蜡涂层以延长原子极化时间，放入铷(⁸⁵Rb)原子蒸汽，并在两侧分别设有入射光口和出射光口以保持光路的可行性，铷原子气室10靠近样品9放置以最大限度地感应信号，并放置在一个恒温箱11内，通入热气流以满足温度条件，在工作过程中，铷原子蒸汽可以从40℃加热到约80℃；所述偏置磁场B₁由第二电流源12驱动第二亥姆霍兹线圈13产生；所述恒温箱11外放置有磁屏蔽装置，所述磁屏蔽装置提供了磁屏蔽环境，由三组嵌套的亥姆霍兹线圈组成，分别为第三亥姆霍兹线圈14、第四亥姆霍兹线圈15和第五亥姆霍兹线圈16，每组线圈可以产生任意方向的磁场，且产生的磁场均垂直于其他线圈，使得磁场的三个分量均得到控制；

外腔半导体激光器采用饱和吸收谱技术可以将泵浦光的频率锁定在⁸⁵Rb原子D1线F＝3→F′＝2共振线处，输出的泵浦光通过入射光口进入铷原子气室10，对铷原子蒸汽进行泵浦，使铷原子蒸汽处于四极矩充分对齐状态，由于泵浦光的偏振角调制与样品9产生的自由感应衰减信号有关，在自由感应衰减信号的作用下，在铷原子气室10中的泵浦光的偏振面旋转发生变化，即泵浦光的偏振角发生调制，可通过检测装置4检测泵浦光的偏振角调制信息，进而分析偏振角调制信息以确定自由感应衰减信号的频率成分，从而获得样品9的信息，因此泵浦光可以被用作探测光；工作过程中，最佳激光功率取决于铷原子气室10中的原子密度和弛豫速率，可在40μW到80μW间变化；

所述检测装置4置于出射光口外，包括偏振分光棱镜17、光电二极管18、转换电路19和信号处理模块20，所述偏振分光棱镜17采用渥拉斯顿棱镜；在铷原子气室10中的泵浦光通过出射光口出射，出射后其偏振面的旋转角度θ表示如下：

θ∝lcr_en_Rbf_D1P_xL(υ)

其中，l为泵浦光经过铷原子气室的长度，c为光速，r_e为原子经典半径，n_Rb为铷原子密度，f_D1为D1线的共振积分常数，P_x为原子极化在检测光方向的投影，L(υ)为洛仑兹线型；

出射后的泵浦光经过偏振分光棱镜17后分为两个偏振状态的光，由光电二极管18把光信号变成电信号，经转换电路19作差、放大和滤波后，用锁相放大器接入信号处理模块20进行处理，得到两种成分的光的相对强弱，由此得出泵浦光的偏振角旋转角度，进而得到偏振角调制信息，分析偏振角调制信息以确定自由感应衰减信号的频率成分，从而获得样品9的信息。

本实施例的射频原子磁力仪测量核磁共振信号的原理，包括以下步骤：

1)当样品9为流体时，样品9通过一个预偏振模块预极化后穿过射频线圈7同时置于主导磁场B₀中，接通射频发生器8使射频线圈7产生射频磁场，样品9和射频磁场的拉莫尔频率相同时会发生核磁共振，即吸收磁场能量并发生能级跃迁，同时产生一个核磁共振的自由感应衰减信号；当样品9为固体时，撤掉主导磁场B₀，样品9直接穿过射频线圈7，接通射频发生器8使射频线圈7产生射频磁场，在射频磁场的作用下产生一个核四极矩共振的自由感应衰减信号；

2)在恒温箱11中通入热气流，控制铷原子气室10内的铷原子蒸汽的温度在40℃～80℃；激光光源2产生的泵浦光在经扩束后，通过入射光口进入铷原子气室10，对铷原子蒸汽进行泵浦，使铷原子蒸汽处于四极矩充分对齐状态；

3)在自由感应衰减信号的作用下，在铷原子气室10中的泵浦光的偏振面发生旋转，即泵浦光的偏振角发生调制，此时该泵浦光通过出射光口出射，经过偏振分光棱镜17后分为两个偏振状态的光，由光电二极管18把光信号变成电信号，经转换电路19作差、放大和滤波后，用锁相放大器接入信号处理模块20进行处理，得到两种成分的光的相对强弱，由此得出泵浦光的偏振角调制信息，偏振振荡响应于自由感应衰减信号，通过分析偏振角调制信息以确定自由感应衰减信号的频率成分，从而获得样品9的信息，完成测量。

实施例2：

本实施例的主要特点是：所述主导磁场B₀和偏置磁场B₁均可以采用永磁铁产生。其余同实施例1。

综上所述，本发明的射频原子磁力仪结构简单、灵敏度高、技术实现要求低、功耗低，能够检测快速时变磁场的信号，可用于检测核磁共振装置所产生的射频磁场。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.射频原子磁力仪，其特征在于：包括核磁共振***、激光光源、探头和检测装置，所述激光光源、探头和检测装置通过激光光路连接构成原子磁力仪的检测部分，其中：

所述核磁共振***，用于使流体样品产生一个核磁共振的自由感应衰减信号，或使固体样品产生一个核四极矩共振的自由感应衰减信号；

所述激光光源，用于通过激光器产生线偏振的泵浦光；

所述探头，用于感应样品的自由感应衰减信号，自由感应衰减信号可使入射泵浦光的偏振面旋转发生变化；

所述检测装置，用于检测出射泵浦光的偏振角调制，通过分析偏振角调制信息以确定自由感应衰减信号的频率成分，从而获得样品的信息。

2.根据权利要求1所述的射频原子磁力仪，其特征在于：所述核磁共振***包括第一电流源、第一亥姆霍兹线圈/永磁铁、射频线圈和射频发生器，所述第一电流源驱动第一亥姆霍兹线圈/永磁铁产生主导磁场；所述射频线圈横向于主导磁场放置，并与射频发生器连接，用于产生射频磁场；所述样品为流体时，样品通过一个预偏振模块预极化后，穿过射频线圈同时置于主导磁场中，并在主导磁场和射频磁场的共同作用下产生一个核磁共振的自由感应衰减信号；所述样品为固体时，撤掉主导磁场，样品直接穿过射频线圈，在射频磁场的作用下产生一个核四极矩共振的自由感应衰减信号。

3.根据权利要求1所述的射频原子磁力仪，其特征在于：所述探头置于一个偏置磁场中，包括一个内含铷原子蒸汽的铷原子气室，所述铷原子气室靠近样品放置，并放置在一个恒温箱内以进行温度控制，所述恒温箱外放置有磁屏蔽装置，所述磁屏蔽装置由三个嵌套的金属层组成；所述偏置磁场由第二电流源驱动第二亥姆霍兹线圈/永磁铁产生。

4.根据权利要求3所述的射频原子磁力仪，其特征在于：所述铷原子气室呈圆柱形状，内部抽真空、内壁涂上石蜡涂层，并在两侧分别设有入射光口和出射光口。

5.根据权利要求3所述的射频原子磁力仪，其特征在于：所述激光光源产生的泵浦光的频率被锁定在铷原子D1线F＝3→F′＝2共振线处，激光波长为794.8nm。

6.根据权利要求3所述的射频原子磁力仪，其特征在于：所述三个嵌套的金属层为三组嵌套的亥姆霍兹线圈。

7.根据权利要求4所述的射频原子磁力仪，其特征在于：所述检测装置置于出射光口外，包括偏振分光棱镜、光电二极管、转换电路和信号处理模块，所述偏振分光棱镜将出射泵浦光分为两个偏振状态的光，由光电二极管把光信号变成电信号，经转换电路作差、放大和滤波后，用锁相放大器接入信号处理模块进行处理。

8.根据权利要求7所述的射频原子磁力仪，其特征在于：所述偏振分光棱镜采用渥拉斯顿棱镜。

9.射频原子磁力仪测量核磁共振信号的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)当样品为流体时，样品通过一个预偏振模块预极化后，穿过射频线圈同时置于主导磁场中，接通射频发生器使射频线圈产生射频磁场，样品和射频磁场的拉莫尔频率相同时会发生核磁共振，即吸收磁场能量并发生能级跃迁，同时产生一个核磁共振的自由感应衰减信号；当样品为固体时，撤掉主导磁场，样品直接穿过射频线圈，接通射频发生器使射频线圈产生射频磁场，在射频磁场的作用下产生一个核四极矩共振的自由感应衰减信号；

2)在恒温箱中通入热气流，控制铷原子气室内的铷原子蒸汽的温度在40℃～80℃；激光光源产生的泵浦光在经扩束后，通过入射光口进入铷原子气室，对铷原子蒸汽进行泵浦，使铷原子蒸汽处于四极矩充分对齐状态；

3)在自由感应衰减信号的作用下，在铷原子气室中的泵浦光的偏振面旋转发生变化，泵浦光的偏振角发生调制，此时该泵浦光通过出射光口出射，经过偏振分光棱镜后分为两个偏振状态的光，由光电二极管把光信号变成电信号，经转换电路作差、放大和滤波后，用锁相放大器接入信号处理模块进行处理，得到两种成分的光的相对强弱，由此得出泵浦光的偏振角旋转角度，进而得到偏振角调制信息，偏振振荡响应于自由感应衰减信号，通过分析偏振角调制信息以确定自由感应衰减信号的频率成分，从而获得样品的信息，完成测量。

10.根据权利要求9所述的射频原子磁力仪测量核磁共振信号的方法，其特征在于：步骤3)所述泵浦光通过出射光口出射后的偏振面角度θ表示如下：

θ∝lcr_en_Rbf_D1P_xL(υ)

其中，l为泵浦光经过铷原子气室的长度，c为光速，r_e为原子经典半径，n_Rb为铷原子密度，f_D1为D1线的共振积分常数，P_x为原子极化在检测光方向的投影，L(υ)为洛仑兹线型。