超寬頻核磁共振法精密測量脈衝強磁場的關鍵問題

《超寬頻核磁共振法精密測量脈衝強磁場的關鍵問題》是依託華中科技大學，由馬洪擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超寬頻核磁共振法精密測量脈衝強磁場的關鍵問題
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馬洪
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

強磁場環境是物理、化學、生命科學等多個學科探索未知領域的新平台。準確標定脈衝強磁場，不僅是上述科學研究的需要，也將有助於磁場精密測量技術本身的發展。常規的脈衝核磁共振技術僅限於對恆定磁場或脈衝磁場某一瞬間的強度進行測量，而本項目將研究一種基於超寬頻核磁共振原理（UWB-NMR）的脈衝強磁場（包括恆定磁場的不穩定性）精密觀測方法，以便精確獲得超長重複周期或單次型脈衝磁場過程的時間分布。主要研究內容包括兩大方面：①脈衝磁場和超寬頻射頻連續信號激勵下的氫核非穩態能級躍遷飽和問題、非穩態核磁共振信號參數的定量分析；②脈衝強磁場精密測量方法面臨的三個電子學關鍵問題- - 超寬頻射頻信號的產生與低失真發射、脈衝強磁場下非穩態核磁共振信號的大動態範圍接收和採集、寬頻射頻信號與核磁共振信號的盲分離。深入研究上述關鍵問題，可為國家重大工程項目脈衝強磁場實驗裝置的實驗和測量提供支持。

結題摘要

強磁場環境是物理、化學、生命科學等多個學科探索未知領域的新平台。準確標定脈衝強磁場，不僅是上述科學研究的需要，也將有助於磁場精密測量技術本身的發展。本項目基於此套用背景展開研究。常規的脈衝核磁共振技術僅限於對恆定縱向磁場或脈衝縱向磁場某一瞬間的場強進行測量，而本項目研究了一種基於超寬頻核磁共振原理（UWB-NMR）的脈衝磁場精密測量方法，即，在脈衝縱向磁場環境中，用具有一定頻頻寬度的射頻磁場持續激勵觀測樣品，從而免去常規NMR實驗中必不可少的場頻聯鎖環節，並同時獲得縱向磁場隨時間的變化規律。本項目在相關現象的物理機理、實驗方法設計、關鍵的信號處理技術等方面都有所創新。從常規NMR理論入手，分析求解了時變縱向磁場下的Bloch方程，並推延到脈衝磁場情況；通過龍格庫塔法數值求解了時變縱向磁場與多種形式的射頻場共同激勵下的Bloch方程，得到了樣品磁化強度矢量沿x、y、z方向分量的時變解（非穩態NMR回響），從物理原理上驗證了本項目所提出的時變磁場測量方法的正確性。在上述理論工作基礎上，構建了以正交雙線圈探頭和先進信號處理技術為核心的觀測脈衝縱向磁場NMR現象的電子學系統，搭建了集寬頻射頻信號產生與低失真發射、非穩態NMR信號的大動態範圍接收-採集-分析處理功能於一體的實驗平台，並在該平台上進行了低場情況下的單頻、離散多頻和寬頻脈衝激勵下的NMR實驗。由於正交雙線圈的隔離度有限，從射頻激勵線圈直接泄漏到NMR感應線圈中的射頻激勵信號，其強度總是遠高於期望觀測的NMR信號，為此本項目設計了盲辨識補償算法以提高NMR信號接收通道的無雜散失真動態範圍；為了從混合信號中分離出微弱的NMR信號，設計了一種基於三階累積量的LMS自適應干擾抵消算法以抵消泄漏射頻信號；然後，利用減譜法或SVD法以降低NMR信號接收通道的本底噪聲，以便進一步提高NMR信號的信號-干擾噪聲比(SINR)。在此基礎上，通過短時傅立葉分析最終反演出時變縱向磁場的場強隨時間的變化特性。